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문제 정의
- 따라서, 본 연구에서는 환경 친화적인 황토를 시멘트의 대체재로서 이용하며, 수축제어를 목적으로 PVA섬유를 혼입하여 비소성 황토 모르타르 및 콘크리트의 굳지 않은 성상 및 굳은 성상을 실험·실증적으로 검토하여 친환경 황토 콘크리트의 실용화를 위한 기초자료로 제시하고자 한다.
- 본 연구는 PVA섬유를 혼입한 비소성 황토 모르타르 및 콘크리트에 있어 PVA 혼입율 및 비소성 황토 치환율에 따른 영향을 검토하기 위하여 계획한 실험으로서 모르타르 및 콘크리트의 성상을 비교한 결과, 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
- 본 연구에서는 PVA섬유를 혼입한 황토 모르타르 및 콘크리트의 비소성 황토 치환율과 PVA섬유 혼입율에 따른 콘크리트의 공학적 특성을 비교 분석하는 것을 계획하였다. 모르타르와 콘크리트는 동일하게 물-결합재비 50%, PVA섬유 혼입율 0, 0.
제안 방법
- 3(%)로하였으며, 굳지 않은 성상과 굳은 성상을 알아보기 위하여, 모르타르의 비소성 황토 치환율은 0, 25, 50, 75(%) 4수준으로 설정하였고, 단위수량은 200㎏/㎥로 설정하였다. 또한 콘크리트의 비소성 황토 치환율은 0, 15, 30, 50(%) 4수준으로 설정하였고, 단위수량은 185㎏/㎥로 설정하였다.
- 본 연구에서는 PVA섬유를 혼입한 황토 모르타르 및 콘크리트의 비소성 황토 치환율과 PVA섬유 혼입율에 따른 콘크리트의 공학적 특성을 비교 분석하는 것을 계획하였다. 모르타르와 콘크리트는 동일하게 물-결합재비 50%, PVA섬유 혼입율 0, 0.3(%)로하였으며, 굳지 않은 성상과 굳은 성상을 알아보기 위하여, 모르타르의 비소성 황토 치환율은 0, 25, 50, 75(%) 4수준으로 설정하였고, 단위수량은 200㎏/㎥로 설정하였다. 또한 콘크리트의 비소성 황토 치환율은 0, 15, 30, 50(%) 4수준으로 설정하였고, 단위수량은 185㎏/㎥로 설정하였다.
- 본 연구에서는 PVA섬유를 혼입한 비소성 황토 모르타르 및 콘크리트에 있어, PVA 혼입율 및 비소성 황토의 치환율에 따른 영향을 검토하기 위하여 계획한 실험으로서 물-결합재비는 모르타르와 콘크리트 동일하게 50%, PVA혼입율은 0, 0.3(%)로 하였으며, 비소성 황토 치환율은 모르타르의 경우 0, 25, 50, 75(%), 콘크리트의 경우 0, 15, 30, 50(%)로 각각 4수준에 따른 모르타르 및 콘크리트의 성상을 비교·분석하여 결과를 종합하면 다음과 같다.
- 비소성 황토 모르타르의 굳지 않은 성상에서는 테이블 플로우, 공기량, 응결시험 측정과 굳은 성상에서는 재령 3, 7, 28(일)에서의 압축강도, 인장강도, 휨강도, 탄성계수, 소성수축을 측정하였으며, 비소성 황토 콘크리트의 굳지 않은 성상에서는 슬럼프, 공기량 측정과 굳은 성상에서는 재령 3, 7, 28(일)에서의 압축강도, 탄성계수를 측정하였으며, 내구특성을 알아보기 위한 염화물 이온 침투 깊이, 내황산염 평가를 계획하였다.2),6)
대상 데이터
- PVA섬유는 국내사로서 길이는 12mm, 직경은 40㎛, 밀도는 1.3g/㎤의 PVA섬유를 사용하였다.5)
- 건축공사 표준시방서 및 KS F 4009 부속서 2규정에 따라 유해량의 기름, 산, 알칼리, 염류, 유기물 등이 포함되지 아니한 음료기준에 적합한 대청댐에서 공급된 대전광역시 상수를 사용하였다.
- 본 연구에 가장 중요한 재료로서, 국내 C사의 친환경 흙미장재를 사용하였다. 자연상태의 황토와 무기질재료만으로 혼합된 재료로서 환경 친화적이고 화학반응이 전혀 발생하지 않으며, 자연 상태 그대로 시멘트 모르타르를 대신하여 사용할 수 있는 재료이다.
- 시멘트는 국내 H사의 보통 포틀랜드시멘트(1종)로서 밀도는 3.15g/㎤, 분말도는 3,383㎠/g이다.
- 잔골재는 국내 G사의 세척사로서 입경 5mm, 조립률 2.82을, 굵은골재는 국내 S사에서 생산되는 쇄석으로서 입경 25mm, 조립률 6.82의 골재를 사용하였다.
성능/효과
- 1) 굳지 않은 모르타르 성상에서는 PVA섬유의 혼입유무와 관계없이 비소성 황토 치환율이 증가할수록 테이블 플로우, 공기량, 응결속도는 저하하는 경향을 나타냈다. 또한 소성 수축에서는 비소성 황토 치환율이 증가할수록 균열발생이 증가하였으며, PVA섬유가 혼입된 경우 PVA섬유가 혼입되지 않은 경우에 비하여 균열발생이 현저히 감소하는 것으로 나타났다.
- 2) 굳은 모르타르 성상에서는 PVA섬유의 혼입유무와 관계없이 비소성 황토 치환율이 증가할수록 압축강도, 인장강도, 휨강도, 탄성계수는 감소하는 경향을 나타냈으며, 탄성계수의경우 PVA섬유가 0.3% 혼입된 경우 PVA섬유가 혼입되지 않은 경우에 비하여 탄성계수가 높은 것으로 나타났다.
- 3) 굳지 않은 콘크리트 성상에서는 PVA섬유가 혼입되지 않은 경우 비소성 황토 치환율이 증가할수록 고성능감수제도 증가해야 슬럼프가 증가하는 경향이 나타났으며, PVA섬유가 혼입된 경우 동일한 양의 고성능감수제를 사용한 PVA섬유가 혼입되지 않은 경우에 비하여 슬럼프가 저하하는 것으로 나타났다. 또한 공기량의 경우 PVA섬유 및 비소성 황토가 증가할수록 감소하는 경향을 나타냈다.
- 4) 굳은 콘크리트 성상에서 PVA섬유 혼입율 및 비소성 황토치환율이 증가할수록 압축강도 및 탄성계수가 감소하는 경향을 보였으며, 염화물 이온 침투 저항성에서는 PVA섬유 혼입유무와 관계없이 비소성 황토 치환율이 증가할수록 염화물 이온의 침투 저항성에 불리한 것으로 나타났다. 한편 황산염 침지 저항성에서는 비소성 황토 치환율이 증가할수록 황산염에 대한 저항성이 높아지는 것으로 나타났다.
- 그림 14 및 그림 15는 PVA섬유가 혼입된 비소성 황토 콘크리트의 염화물 이온 침투 깊이를 나타낸 것으로, 소성 황토에 대한 연구동향을 살펴보면 소성 황토를 사용한 황토 콘크리트의 경우 소성 황토의 치환율 증가에 따라 염화물 이온 침투 저항성이 유리하게 나타났으나 일정량 이상 증가하게 되면 염화물 이온 침투 저항성에 대하여 불리하다는 연구결과가 있었다. 그러나 본 연구에서는 PVA섬유 혼입유무와 관계없이 비소성 황토의 치환율이 증가할수록 염화물 이온의 침투 저항성에 불리한 것으로 나타났다.1),6),7)
- 그림 10은 PVA섬유를 혼입한 비소성 황토 콘크리트의 물-결합재비 50%에 대한 슬럼프와 고성능감수제의 상관관계를 나타낸 것으로, PVA섬유가 혼입되지 않은 경우 비소성 황토 치환율이 증가할수록 고성능감수제도 증가해야 슬럼프가 증가하는 경향이 나타났으며, PVA섬유가 0.3% 혼입된 경우 PVA섬유가 혼입되지 않은 경우에 사용한 동일한 양의 고성능감수제를 사용한 경우 PVA섬유가 혼입되지 않은 경우에 비하여 슬럼프 값이 감소하는 경향을 보였다.
- 그림 12는 PVA섬유가 혼입된 비소성 황토 콘크리트의 압축강도를 나타낸 것으로, 비소성 황토 모르타르의 압축강도 경향과 마찬가지로 PVA섬유의 혼입여부와 관계없이 비소성 황토 치환율이 증가할수록 압축강도가 감소하는 경향을 나타냈으며, 비소성 황토의 치환율이 15%일 때 28일 압축강도가 30MPa 이상 발현하는 것으로 나타나 구조체로의 적용 가능성을 확인 할 수 있었다.
- 그림 13는 PVA섬유가 혼입된 비소성 황토 콘크리트의 압축강도와 탄성계수 변화를 나타낸 것으로, PVA섬유 혼입율 및 비소성 황토 치환율이 증가할수록 압축강도는 저하하는 경향을 보였으며, 탄성계수에서는 PVA섬유의 혼입유무와 관계없이 비소성 황토 치환율이 증가할수록 탄성계수는 감소하는 경향을 보였다.
- 그림 16 및 그림 17은 PVA섬유가 혼입된 비소성 황토 콘크리트의 황산염 침지 저항성을 나타낸 것으로, PVA섬유의 혼입유무와 관계없이 비소성 황토 치환율이 증가할수록 중량변화율은 감소하였으며, 황산염에 대한 저항성도 높아지는 것으로 나타났다. 이는 비소성 황토와 시멘트가 반응하여 시멘트 수화생성물인 에트링가이트와 수산화칼슘의 생성이 제한되어 이러한 경향이 나타난 것으로 판단된다.
- 그림 9는 PVA섬유를 혼입한 비소성 황토 모르타르의 28일 압축강도와 탄성계수의 변화를 나타낸 것으로, PVA섬유 혼입율 및 비소성 황토의 치환율이 증가할수록 압축강도는 저하하는 경향을보였으나, 탄성계수는 비소성 황토 치환율이 증가할수록 PVA섬유가 혼입되지 않은 경우 탄성계수가 감소하는 경향을 나타내었다.
- 또한 PVA섬유가 0.3% 혼입된 경우 PVA섬유가 혼입되지 않은 경우에 비하여 재령 28일 압축강도가 다소 낮은 것으로 나타났다.
- 3) 굳지 않은 콘크리트 성상에서는 PVA섬유가 혼입되지 않은 경우 비소성 황토 치환율이 증가할수록 고성능감수제도 증가해야 슬럼프가 증가하는 경향이 나타났으며, PVA섬유가 혼입된 경우 동일한 양의 고성능감수제를 사용한 PVA섬유가 혼입되지 않은 경우에 비하여 슬럼프가 저하하는 것으로 나타났다. 또한 공기량의 경우 PVA섬유 및 비소성 황토가 증가할수록 감소하는 경향을 나타냈다.
- 또한 비소성 황토 치환율 50%의 경우에서만 PVA섬유가 혼입되지 않은 경우에 비하여 PVA섬유가 0.3%혼입된 경우 공기량이 다소 높게 나타났다.
- 또한 비소성 황토 치환율이 50%일 경우 PVA섬유가 혼입된 경우 PVA섬유가 혼입되지 않은 경우에 비하여 휨강도가 다소 높은 것을 알 수 있었다.
- 1) 굳지 않은 모르타르 성상에서는 PVA섬유의 혼입유무와 관계없이 비소성 황토 치환율이 증가할수록 테이블 플로우, 공기량, 응결속도는 저하하는 경향을 나타냈다. 또한 소성 수축에서는 비소성 황토 치환율이 증가할수록 균열발생이 증가하였으며, PVA섬유가 혼입된 경우 PVA섬유가 혼입되지 않은 경우에 비하여 균열발생이 현저히 감소하는 것으로 나타났다.
- 또한 재령 7일 강도에서 PVA섬유 0.3% 혼입한 비소성 황토 치환율 0%와 25% 경우 PVA섬유를 혼입하지 않은 경우에 비하여 급격히 인장강도를 발현 하는 것을 알 수 있었다.
- 그림 3은 PVA섬유를 혼입한 비소성 황토 모르타르의 테이블 플로우 및 공기량의 변화를 나타낸 것이다. 비소성 황토의 치환율이 증가할수록 테이블 플로우 값이 감소하는 경향을 나타내었으며, PVA섬유를 혼입한 경우 PVA섬유를 혼입하지 않은 경우에 비해 테이블 플로우 값이 감소하는 경향을 나타내었다. 이는 비소성 황토와 PVA섬유의 혼입에 따라 서로 잡아주는 현상의 발생으로 테이블 플로우 값이 작게 나타나는 것으로 판단된다.
- 표 3과 사진 3은 PVA섬유를 혼입한 비소성 황토 모르타르의 소성수축변화 시험 결과를 나타낸 것으로, 비소성 황토의 치환율이 증가할수록 균열 발생량은 증가하는 것으로 나타났으며, PVA섬유가 혼입된 경우 PVA섬유가 혼입되지 않은 경우에 비하여 균열발생이 현저히 감소하는 것으로 나타났다.
- 4) 굳은 콘크리트 성상에서 PVA섬유 혼입율 및 비소성 황토치환율이 증가할수록 압축강도 및 탄성계수가 감소하는 경향을 보였으며, 염화물 이온 침투 저항성에서는 PVA섬유 혼입유무와 관계없이 비소성 황토 치환율이 증가할수록 염화물 이온의 침투 저항성에 불리한 것으로 나타났다. 한편 황산염 침지 저항성에서는 비소성 황토 치환율이 증가할수록 황산염에 대한 저항성이 높아지는 것으로 나타났다.
후속연구
- 3(%)로 하였으며, 비소성 황토 치환율은 모르타르의 경우 0, 25, 50, 75(%), 콘크리트의 경우 0, 15, 30, 50(%)로 각각 4수준에 따른 모르타르 및 콘크리트의 성상을 비교·분석하여 결과를 종합하면 다음과 같다. 비소성 황토의 치환율 30%, PVA섬유 혼입율은 0.3%를 사용할 때 강도 및 유동성, 소성수축에 의한 균열제어 등 양질의 콘크리트를 만들 수 있을 것으로 판단되며, 향후 친환경 콘크리트 시공시에 활용이 가능 할 것으로 사료된다.
- 이상의 결과를 종합해 볼 때, 비소성 황토의 치환율 30%, PVA섬유 혼입율은 0.3%를 사용할 때 강도 및 유동성, 소성수축에 의한 균열제어 등 양질의 콘크리트를 만들 수 있을 것으로 판단되며, 비소성 황토의 활용으로 시멘트 생산시 CO2의 배출량을 감소시킬수 있어 향후 친환경 콘크리트 시공시에 활용이 가능할 것으로 사료된다.
- 현재 황토는 주거 구조물의 내부 바닥온돌에서 시멘트 모르타르 대신 황토 모르타르로 미장하는 마감재료로서만 실용화 단계에 있지만 향후에는 실내 환경 뿐만 아니라 시멘트 사용 증가에 따른 대기환경 오염을 줄이기 위한 대안으로서 콘크리트에 황토 를 첨가한 구조용 황토 콘크리트 시스템 개발이 요구될 전망이다.
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