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문제 정의
- 고화제로서 석회복합체의 물리·화학적 특성을 황토결합재 및 시멘트와 비교 검토한 다음 이를 흙과 혼합하는 실험을 실시하고자 한다.
- 본 연구에서는 국내에 풍부하게 매장된 자원인 흙을 건축재료로 활용하기 위한 방안으로써 석회의 성능을 개선한 석회복합체를 활용하고자 한다. 흙과 석회복합체를 혼합하여 흙을 고화시키고 강도를 증진시켜 건축공사에 활용하고자 한다.
- 이에 본 연구에서는 흙건축 건설현장에서 발생되는 일반 흙을 안정화하여 압축강도를 개선한 건축 벽체 재료로 활용하기 위한 방법의 기초 자료를 제공하는데 그 목적이 있다.
- 전통적으로 사용되어온 석회를 개량한 석회복합체와 건설 현장에서 흔히 구할 수 있는 흙을 활용한 흙벽체의 개발을 위한 기초 연구로서 진행된 본 연구에서는 다음과 같은 결론을 도출하였다.
- 본 연구에서는 국내에 풍부하게 매장된 자원인 흙을 건축재료로 활용하기 위한 방안으로써 석회의 성능을 개선한 석회복합체를 활용하고자 한다. 흙과 석회복합체를 혼합하여 흙을 고화시키고 강도를 증진시켜 건축공사에 활용하고자 한다.
제안 방법
- 실험체의 측정은 결합재로 사용하기 위한 석회복합체의 기초 물성을 기존의 결합재와 비교 검토 하였으며, 압축강도는 KS L 5105에 의거하여 측정하였다. SEM은 재령 7일에 측정하여 반응에 의한 초기 생성물을 확인하였다. XRD는 재령 28일에 측정하여 결합재와 흙의 반응 생성물을 확인하였다.
- SEM은 재령 7일에 측정하여 반응에 의한 초기 생성물을 확인하였다. XRD는 재령 28일에 측정하여 결합재와 흙의 반응 생성물을 확인하였다.
- 황토의 경우 이러한 미립분이 많이 함유되어 있기 때문에 배합시 많은 물을 흡수하게 되어 양생 후 균열의 발생가능성이 크다. 그래서 본 실험에서는 고성능감수제를 사용하여 배합 수량을 줄였으며 사용된 고성능감수제의 물리적 특성은 표 5와 같다.
- 실험은 크게 유동성을 작게 한 다짐흙벽체와 유동성을 크게 한 타설흙벽체로 구분하여 실험을 실시하였다. 다짐 흙벽체의 경우 기존의 흙다짐 공법에서 나타난 표면 질감을 살릴 수 있는 공법으로의 적용을 실험 했으며, 타설 공법의 경우 일반적인 건축물 시공시 사용된 시멘트콘크리트처럼 유동성을 키워 일체화된 단일 벽체를 목표로 실험을 실시하였다. 실험 인자로는 단위결합재량(kg/㎥) 을 250, 350, 450의 3가지 수준으로 하였으며 W/B는 반죽질기를 고려하여 단위결합재량 250은 2가지 수준, 단위 결합재량 350, 450은 3가지 수준으로 하였고 혼화제는 1수준으로 하여 실험을 실시하였다.
- 석회복합체와 황토결합재를 각각 페이스트로 만들어 재령 28일 이후 XRD를 측정하였다. 석회복합체 측정 결과 석회의 Ca2+ 이온이 반응하여 다양한 화합물을 생성한 것을 알 수 있었다.
- KS F 2405 콘크리트 압축강도 시험방법에 의거 압축강도를 측정하였으며 KS F 2423 콘크리트 쪼갬 인장강도 시험 방법에 의거 인장강도를 측정하였다. 석회복합체와 흙을 사용한 콘크리트의 물에 대한 저항성을 평가하기 위해 재령 28일 양생이 완료된 시험체를 24시간 물에 담구어 시험체의 변형을 평가하는 방법으로 해교성 실험을 실시하였다. 이외에 다짐과 타설 방법에 의해 성형된 시험체의 표면 질감을 비교 검토 하였다.
- 황토를 안정화하여 구조재로 사용하기위해 고화제로서 석회복합체의 사용을 검토하는 기초 연구로서 현재 고화재로 사용 중인 시멘트와 황토결합재를 석회복합체와 비교분석 하였다. 석회복합체의 물리적 특성 및 압축강도, XRD, SEM 사진을 비교 분석 하였다.
- 고화제로서 석회복합체의 물리·화학적 특성을 황토결합재 및 시멘트와 비교 검토한 다음 이를 흙과 혼합하는 실험을 실시하고자 한다. 석회복합체의 첨가량은 단위결합재량 250, 350, 450의 세가지 수준으로 하였으며 각각의 단위결합재량에 W/B를 2～3가지 수준으로 하여 실험을 실시하였다. 반죽의 유동성에 따라 유동성이 낮은 경우에는 다짐을 실시하여 흙다짐 공법에서와 같이 표면에 다짐결을 형성하도록 한다.
- 다짐 흙벽체의 경우 기존의 흙다짐 공법에서 나타난 표면 질감을 살릴 수 있는 공법으로의 적용을 실험 했으며, 타설 공법의 경우 일반적인 건축물 시공시 사용된 시멘트콘크리트처럼 유동성을 키워 일체화된 단일 벽체를 목표로 실험을 실시하였다. 실험 인자로는 단위결합재량(kg/㎥) 을 250, 350, 450의 3가지 수준으로 하였으며 W/B는 반죽질기를 고려하여 단위결합재량 250은 2가지 수준, 단위 결합재량 350, 450은 3가지 수준으로 하였고 혼화제는 1수준으로 하여 실험을 실시하였다. 측정은 공기량, 슬럼프, 압축강도, 쪼갬인장강도, 표면 질감 등의 부분을 실시 하였다.
- 실험은 크게 유동성을 작게 한 다짐흙벽체와 유동성을 크게 한 타설흙벽체로 구분하여 실험을 실시하였다. 다짐 흙벽체의 경우 기존의 흙다짐 공법에서 나타난 표면 질감을 살릴 수 있는 공법으로의 적용을 실험 했으며, 타설 공법의 경우 일반적인 건축물 시공시 사용된 시멘트콘크리트처럼 유동성을 키워 일체화된 단일 벽체를 목표로 실험을 실시하였다.
- 석회복합체와 흙을 사용한 콘크리트의 물에 대한 저항성을 평가하기 위해 재령 28일 양생이 완료된 시험체를 24시간 물에 담구어 시험체의 변형을 평가하는 방법으로 해교성 실험을 실시하였다. 이외에 다짐과 타설 방법에 의해 성형된 시험체의 표면 질감을 비교 검토 하였다.
- 실험 인자로는 단위결합재량(kg/㎥) 을 250, 350, 450의 3가지 수준으로 하였으며 W/B는 반죽질기를 고려하여 단위결합재량 250은 2가지 수준, 단위 결합재량 350, 450은 3가지 수준으로 하였고 혼화제는 1수준으로 하여 실험을 실시하였다. 측정은 공기량, 슬럼프, 압축강도, 쪼갬인장강도, 표면 질감 등의 부분을 실시 하였다.
- 황토를 안정화하여 구조재로 사용하기위해 고화제로서 석회복합체의 사용을 검토하는 기초 연구로서 현재 고화재로 사용 중인 시멘트와 황토결합재를 석회복합체와 비교분석 하였다. 석회복합체의 물리적 특성 및 압축강도, XRD, SEM 사진을 비교 분석 하였다.
대상 데이터
- 석회복합체를 사용한 흙벽체를 배합하기 위해 본연구에서 실험 분석한 석회복합체를 사용하였으며 골재로 사용된 흙은 전남 무안산 황토를 8mm체로 체가름하여 사용하였으며 물리·화학적 성질은 표2와 같다.
- 황토결합재는 C사의 황토결합재를 사용하였다. 황토와 무기질 재료를 적정배합 혼합한 것으로 포졸란 반응에 의한 결합력을 발현한다.
이론/모형
- 시험체의 측정방법은 KS F 2402 슬럼프 시험 방법에 의해 유동성을 측정하였으며 KS F 2449 굳지 않은 콘크리트의 용적에 의한 공기량 시험방법에 의거 건식방법으로 공기량을 측정하였다. KS F 2405 콘크리트 압축강도 시험방법에 의거 압축강도를 측정하였으며 KS F 2423 콘크리트 쪼갬 인장강도 시험 방법에 의거 인장강도를 측정하였다. 석회복합체와 흙을 사용한 콘크리트의 물에 대한 저항성을 평가하기 위해 재령 28일 양생이 완료된 시험체를 24시간 물에 담구어 시험체의 변형을 평가하는 방법으로 해교성 실험을 실시하였다.
- 몰드의 성형 방법은 유동성의 정도에 따라 다짐과 타설의 방법을 사용하였다. 유동성이 낮은 배합의 경우 몰드 성형 시 일반적인 방법으로는 공극이 많이 발생하므로 흙다짐공법에서와 같이 에어컴프레셔와 램머를 사용하였다.
- 시험체의 측정방법은 KS F 2402 슬럼프 시험 방법에 의해 유동성을 측정하였으며 KS F 2449 굳지 않은 콘크리트의 용적에 의한 공기량 시험방법에 의거 건식방법으로 공기량을 측정하였다. KS F 2405 콘크리트 압축강도 시험방법에 의거 압축강도를 측정하였으며 KS F 2423 콘크리트 쪼갬 인장강도 시험 방법에 의거 인장강도를 측정하였다.
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3.3 실험방법
실험체의 측정은 결합재로 사용하기 위한 석회복합체의 기초 물성을 기존의 결합재와 비교 검토 하였으며, 압축강도는 KS L 5105에 의거하여 측정하였다. SEM은 재령 7일에 측정하여 반응에 의한 초기 생성물을 확인하였다.
성능/효과
- 1) 석회복합체의 경우 시멘트에 비해 낮은 압축강도를 나타냈으나 포졸란반응에 의해 Ca와 Si, Al 이온간의 반응성물질을 생성했으며, 반응 후 안정된 결정을 생성하는 것으로 나타났다.
- 2) 석회복합체와 흙을 혼합한 흙벽체는 흙입자가 갖는 다량의 미세한 입자로 인하여 소요의 유동성을 확보하기 위해서는 기존의 시멘트콘크리트에 비해 높은 W/B를 요구하게 된다.
- 3) 단위결합재량이 증가함에 따라 강도는 증가하는 것으로 나타났으나 흙의 미립분, 석회복합체의 높은 분말도에 의해 W/B에 따른 강도 변화가 크게 나타났다.
- 4) 다짐흙벽체의 경우 단위결합재량 350, 450에서, 타설흙벽체의 경우 단위결합재량 450에서 초기 재령 및 장기 재령에서 흙벽체에 적용가능한 높은 강도가 나타났다.
- 5) 쪼갬인장강도 측정 결과 다짐흙벽체의 경우 압축강도의 1/4.7～1/5.9 정도로 나타났으며 타설흙벽체의 경우 1/5.4～1/9.5 정도로 나타났다
- 7) 표면 질감의 경우 다짐흙벽체는 자연스러운 다짐 결이 나타났고 타설흙벽체의 경우는 매끈한 표면을 나타냈다. 이는 흙벽체의 용도에 따라 다양한 질감의 표현이 가능하여 다양한 사용이 가능할 것으로 판단된다.
- SEM 측정 결과 재령 7일 석회복합체는 침상구조가 일부 포함된 결정을 형성하였으며 황토결합재의 침상구조에 비해 촘촘한 구조를 나타낸 것으로 나타났다. 이는 석회복합체의 강도발현 반응에서 침상구조의 에트링가이트의 생성 반응과 포졸란 반응이 일어나 침상구조와 함께 안정된 결정을 형성한 것으로 사료된다.
- 넷째, 포졸란 반응에 의해 실리카, 알루미나와 물이 소석회와 반응하면서 경화반응이 일어나게 된다. 다섯째, 소석회의 탄산화 반응에 의해 흙의 장기강도가 증진된다.
- 첫째로 흙의 입도는 다짐 벽의 강도, 균열 발생, 표면의 견고성, 내구성 등 많은 부분에 영향을 미치므로 흙의 선정 및 배합시 입도 기준에 맞게 하여야 한다. 둘째로 흙의 함수 상태는 작업성과 내구성에 많은 영향을 미친다. 함수량이 많은 경우 다짐이 어려우며 탈형시 거푸집에 부착되어 면이 떨어지기도하며 양생시 균열의 발생원이 된다.
- 석회복합체와 황토결합재를 각각 페이스트로 만들어 재령 28일 이후 XRD를 측정하였다. 석회복합체 측정 결과 석회의 Ca2+ 이온이 반응하여 다양한 화합물을 생성한 것을 알 수 있었다. 주요 결합 원소는 Si, Al 이었으며 석회와의 포졸란 반응에 의해 생성된 것으로 판단된다.
- 석회복합체의 기초물성 실험 결과 석회복합체는 시멘트에 비해 높은 분말도를 나타냈으며, KS 기준 보다 약 2배 높게 나타났다. 이는 비표면적이 매우 큰 것으로 배합시 동일 상태의 시멘트반죽에 비해 높은 W/B가 요구될 것으로 판단된다.
- 둘째, 이온교환 반응에 의해 소석회에 있는 칼슘이온과 흙입자의 Na+, K2+ 이온과 이온교환반응을 일으켜 흙입자가 응집하기 쉬운 대전상태로 변화한다. 셋째, 에트린가이트의 생성에 의해 흙의 물입자와 물이 고정되고 체적은 약간 증가한다. 넷째, 포졸란 반응에 의해 실리카, 알루미나와 물이 소석회와 반응하면서 경화반응이 일어나게 된다.
- 실험결과 다짐흙벽체의 경우 슬럼프는 모두 0으로 나타났으며 이는 유동성이 좋을 경우 다짐결이 없이 일체화된 표면을 나타내기 때문에 다짐흙벽체의 표면 질감에 다짐결을 나타내기 위해 반죽질기를 조정한 결과이다. 타설흙벽체의 경우 소요의 슬럼프를 얻기 위한 W/B는 100%이상으로 나타났다.
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4) 해교성 실험
실험결과 석회복합체와 흙을 사용한 다짐과 타설 흙벽체 모두 물에 풀리지 않았다. 이는 포졸란 반응에 의해 흙 입자가 반응하여 물에 풀리지 않게 되기 때문이다.
- 재령 1일의 초기강도에서 단위결합재량이 350이상일 경우 대부분 2MPa이상의 강도 발현을 하는 것으로 나타났다. 재령 91일의 장기 강도 발현은 모든 배합에서 꾸준한 증가를 보였으며 단위결합재량 350의 경우 증진율이 가장 높게 나타났다.
- 재령 초기의 강도는 물량이 적은 다짐흙벽체가 대체적으로 높게 나타났으며, 28일 이후 장기재령은 W/B가 낮은 다짐 흙벽체가 타설흙벽체에 비해 압축강도 증진율이 높은 것으로 나타났다. 이는 유동성확보를 위해 다량 첨가한 물이 양생 후 공극으로 남게 되어 장기강도증진이 크지 않은 것으로 판단된다.
- 석회에 의한 흙의 안정화는 다음의 다섯 단계로 진행된다. 첫째, 석회의 수화반응으로 생석회와 물의 반응에 의해 발생하는 열에 의해 흙의 함수비가 저하되고 온도 상승에 의해 고화 반응은 촉진된다. 둘째, 이온교환 반응에 의해 소석회에 있는 칼슘이온과 흙입자의 Na+, K2+ 이온과 이온교환반응을 일으켜 흙입자가 응집하기 쉬운 대전상태로 변화한다.
- 흙다짐 공법에서 흙의 상태는 매우 중요하다. 첫째로 흙의 입도는 다짐 벽의 강도, 균열 발생, 표면의 견고성, 내구성 등 많은 부분에 영향을 미치므로 흙의 선정 및 배합시 입도 기준에 맞게 하여야 한다. 둘째로 흙의 함수 상태는 작업성과 내구성에 많은 영향을 미친다.
- 타설흙벽체의 경우 공기량 측정 결과 석회복합체의 첨가량이 증가함에 따라 공기량이 감소하는 것으로 나타났다. 이는 결합재의 첨가량이 증가하면서 밀실한 결합이 이루어지기 때문으로 판단된다.
- 이렇게 상단과 하단의 표면질감 차에 의해 다짐결을 형성하였다. 타설흙벽체의 경우 유동성이 높으므로 일반적인 시멘트콘크리트의 비슷한 방법으로 성형했으며 표면은 매끈하게 나타났다.
후속연구
- 6) 해교성 실험 결과 다짐․타설 흙벽체 모두 물에 풀리지 않는 내해교성을 갖는 것으로 나타나 외벽재료로써도 활용 가능할 것으로 판단된다.
- 7) 표면 질감의 경우 다짐흙벽체는 자연스러운 다짐 결이 나타났고 타설흙벽체의 경우는 매끈한 표면을 나타냈다. 이는 흙벽체의 용도에 따라 다양한 질감의 표현이 가능하여 다양한 사용이 가능할 것으로 판단된다.
- 이는 포졸란 반응에 의해 흙 입자가 반응하여 물에 풀리지 않게 되기 때문이다. 흙건축의 여러 가지 공법을 사용할 때 가장 중요하게 생각되는 물에 대한 저항성을 확보하게 된 것으로 이를 활용할 경우 흙의 활용이 크게 증진될 것으로 사료된다.
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