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문제 정의
- 1차 실험에서는 3가지로 그룹화된 배합설계를 적용하여 실험을 실시하였다. 1차 실험의 경우 황토와 석회의 결합에 천연재료인 소나무껍질가루, 칡 섬유, 우뭇가사리를 첨가할 경우 황토경화체의 물성을 파악하기 위한 실험으로 진행되었다. 실험결과, 물리적인 성질의 증가는 있었으나, 물성값은 정량적으로 증가된 수치가 미비한 것으로 나타났다.
- 본 연구는 황토결합재를 사용한 경화체 제작을 통해 시멘트콘크리트를 대체할 수 있는 적정배합을 도출하기 위한 실험으로 적정한 황토와 석회의 비율, 단위수량의 적정량, 결합재량의 첨가 등으로 나누어 실험을 실시하였다. 1차 실험의 경우 강도증가와 갈라짐을 억제하는 효과가 있는 소나무 껍질 및 칡 섬유를 사용하고 황토의 점착력을 증진시키기 위한 목적으로 우뭇가사리를 첨가한 적정 배합을 도출하기 위하여 석회첨가율(35%, 37%, 40%)과 천연재료 결합재량(소나무껍질 : 칡섬유 = 2:1)을 변수로 실험을 실시하였다.
- 본 연구에서는 황토를 건축 구조재 또는 마감재로서 사용하기 위하여 시멘트나 유기계 접착제를 첨가하지 않고 황토결합재를 사용한 황토경화체를 제작하고, 다양한 배합조건에 따른 강도와 물성을 평가하고자 한다.
- 시멘트의 대안으로서 제안된 황토결합재의 물리적, 화학적 성능을 시멘트와 비교분석하여 황토 결합재의 콘크리트 적용에 있어서 그 가능성을 검토하는 것을 목적으로 하며, 시멘트와의 물리⋅화학적 특성을 비교 분석한 다음 W/B, 단위결합재량, 혼화제 첨가량에 따른 콘크리트의 물리적 특성을 측정하고 황토결합재의 사용가능성을 검토하였다.
제안 방법
- 1차 실험에서는 3가지로 그룹화된 배합설계를 적용하여 실험을 실시하였다. 1차 실험의 경우 황토와 석회의 결합에 천연재료인 소나무껍질가루, 칡 섬유, 우뭇가사리를 첨가할 경우 황토경화체의 물성을 파악하기 위한 실험으로 진행되었다.
- 1차 실험에서는 시멘트콘크리트 배합비에 황토콘크리트 배합을 적용하여 혼화제는 2%, 잔골재율은 45%로 고 정하고, 단위분체량은 300, 400, 500kg/m3을 적용하여 단위분체량에 따라 단위수량을 달리하여 황토콘크리트의 적정 배합조건에 따른 강도성상을 분석하고, 2차 실험에서는 1차 실험에서 유동성과 강도를 확보한 배합의 황토 콘크리트와 시멘트콘크리트를 비교⋅분석하여 현장에서의 시공 가능성을 평가하였다.
- 본 연구는 황토결합재를 사용한 경화체 제작을 통해 시멘트콘크리트를 대체할 수 있는 적정배합을 도출하기 위한 실험으로 적정한 황토와 석회의 비율, 단위수량의 적정량, 결합재량의 첨가 등으로 나누어 실험을 실시하였다. 1차 실험의 경우 강도증가와 갈라짐을 억제하는 효과가 있는 소나무 껍질 및 칡 섬유를 사용하고 황토의 점착력을 증진시키기 위한 목적으로 우뭇가사리를 첨가한 적정 배합을 도출하기 위하여 석회첨가율(35%, 37%, 40%)과 천연재료 결합재량(소나무껍질 : 칡섬유 = 2:1)을 변수로 실험을 실시하였다. 1차 실험의 배합표는 Table 8에 나타나 있다.
- 2차 실험에서는 1차 실험결과의 분석을 바탕으로 W/B(40%, 45%)와 s/a(45%)를 고정시키고, 석회의 첨가율(60%, 50%, 40%)과 단위수량(200 kg/m3, 285 kg/m3)을 변화하면서 실험하였다. 2차 실험의 배합표는 Table 9에 나타나 있다.
- 기존 연구결과를 참고하여 1차 실험의 경우 석회첨가율을 35%, 37%, 40%로 적용하였다. 2차 실험의 경우 단위수량을 200kg/m3, 285kg/m3, 석회첨가율을 60%, 50%, 40%로 적용하였다.
- KS F2402에 의거하여 슬럼프 콘에 혼합 완료된 황토 콘크리트를 채우고 콘을 들어 올린 후 침하하는 높이를 측정하는 것으로 수밀평판을 수편으로 놓고 슬럼프 콘을 평판 중앙에 놓은 후 콘 안에 황토결합재를 1/3이 되게 채운 후 다짐막대로 25회 다지고 위의 작업을 2회 반복한 후 윗면을 고르고 슬럼프 콘을 들어 올려 측정하였다.
- KSF 2403에 의거하여 150×300mm 실린더 몰드에 3층으로 나누어 채우고, 각 층을 다짐봉으로 25회를 다진다.
- KSF 2405에 의거하여 황토결합재는 150×300mm 실린더 몰드로 성형하여 기건 양생하여 재령 1일에 탈형하고 재령 28일까지 양생을 실시하면서 경화제를 형성하면 압축강도 측정기를 이용하여 최대하중을 주어 압축강도를 7, 14, 28일 각각 측정하였다.
- KSF 2421에 의거하여 공기량 측정장치에 혼합 완료된 황토결합재를 3층으로 나누어 채우고 각 층을 다짐막대를 원형으로 고르게 분포시키며 각 층을 25회씩 다진다. 고무망치로 용기의 측면을 다짐막대에 의한 빈틈을 막고 맨 위층은 자로 표면을 긁어내어 용기의 상면과 일치시켜 건식으로 공기량을 측정하였다.
- 2% 이하로 대부분 일반 시멘트 콘크리트에 비해 낮은 결과를 나타냈다. 건조수축은 양생 초기에 팽창이 발생하나 초기 반응이 종료된 후 부터는 안정화 되면서 수축이 발생하는 것으로 평가하였다.
- KSF 2421에 의거하여 공기량 측정장치에 혼합 완료된 황토결합재를 3층으로 나누어 채우고 각 층을 다짐막대를 원형으로 고르게 분포시키며 각 층을 25회씩 다진다. 고무망치로 용기의 측면을 다짐막대에 의한 빈틈을 막고 맨 위층은 자로 표면을 긁어내어 용기의 상면과 일치시켜 건식으로 공기량을 측정하였다.
- 본 실험은 황토결합재의 적정배합을 찾기 위하여 1차 실험(석회복합체+황토)과 2차 실험(석회복합체+황토+모래)으로 구분하여, 총 2차에 걸쳐 진행하였다. 기존 연구결과를 참고하여 1차 실험의 경우 석회첨가율을 35%, 37%, 40%로 적용하였다. 2차 실험의 경우 단위수량을 200kg/m3, 285kg/m3, 석회첨가율을 60%, 50%, 40%로 적용하였다.
- KSF 2403에 의거하여 150×300mm 실린더 몰드에 3층으로 나누어 채우고, 각 층을 다짐봉으로 25회를 다진다. 다지기가 끝나면 고무망치로 몰드 옆면을 가볍게 두드려 다짐봉에 의해 생긴 구멍이 없어지도록 하고 공시체 윗부분을 평면으로 마무리 하였다.
- 본 실험에서는 황토에 시멘트나 유기화학제품을 첨가하지 않은 친환경적 황토결합재를 사용하여 황토경화체 실험체를 제작하고, 실험을 실시하여 다음과 같은 결과를 얻었다.
- 본 실험은 황토결합재의 적정배합을 찾기 위하여 1차 실험(석회복합체+황토)과 2차 실험(석회복합체+황토+모래)으로 구분하여, 총 2차에 걸쳐 진행하였다. 기존 연구결과를 참고하여 1차 실험의 경우 석회첨가율을 35%, 37%, 40%로 적용하였다.
- 황토결합재를 사용한 황토경화체는 기존의 황토콘크리트의 배합조건에 따른 물성변화를 참고하여 1차 실험을 실시한 후 황토경화체를 만들기 위한 적정 배합비를 도출하였다. 전체적인 연구의 방법과 절차는 Table 1에 나타낸 바와 같이 예비시험을 통하여 단위수량과 단위결합재의 적정성을 검토하고, 1차 실험과 2차 실험을 수행하면서 다양한 배합조건에 대한 황토경화체의 물성과 강도성상을 분석하였다.
- 황토결합재를 사용한 황토경화체는 기존의 황토콘크리트의 배합조건에 따른 물성변화를 참고하여 1차 실험을 실시한 후 황토경화체를 만들기 위한 적정 배합비를 도출하였다. 전체적인 연구의 방법과 절차는 Table 1에 나타낸 바와 같이 예비시험을 통하여 단위수량과 단위결합재의 적정성을 검토하고, 1차 실험과 2차 실험을 수행하면서 다양한 배합조건에 대한 황토경화체의 물성과 강도성상을 분석하였다.
- 황토콘크리트의 적정배합을 도출하고, 내구성 실험을 통하여 황토콘크리트와 시멘트콘크리트를 비교⋅분석하였다.
대상 데이터
- 석회는 생석회를 사용했으며, 물리적인 성질은 Table 5에서 보여주고 있다.
- 전북 고창지역의 황토를 사용했으며, 물리적인 성질은 Table 4에서 보여주고 있다.
이론/모형
- 성능실험은 KS에 규정된 방법에 의거하여 행하였으며, 각각 성능실험별 관련 규격은 다음과 같다.
성능/효과
- (1) 황토와 석회의 결합재에 천연재료를 첨가하여 실험을 실시한 결과 사용한 모든 재료의 경우 물리적 성능의 증가가 있기는 하지만 그 증가률이 미비하며, 소나무껍질가루의 경우 많은 단위수량을 필요로 하며, 칡섬유의 경우 약 30mm의 길이로 사용할 경우 황토의 결속과 경화에 유리한 결과를 보여주었다.
- (2) 황토와 석회의 첨가율에 따른 압축강도를 시멘트 콘크리트와 비교한 결과 W/B 45%일 때, 단위수량 285kg/m3인 경우 및 석회의 첨가율이 60%로 가장 큰 압축강도 12.3MPa의 발현이 가능하였다.
- (3) 황토경화체의 슬럼프는 단위수량, 석회의 첨가량이 변화함에 따라 증가 또는 감소하는 경향을 보였다. 측정결과 슬럼프의 경우 W/B 45%일때, 단위 수량이 285kg/m3인 경우가 가장 크며, 석회의 첨가율이 작을 때인 40%가 슬럼프가 가장 크게 나타나는 경향을 보였다.
- (4) 황토경화체 공기량의 경우에는 최대 3.2% 이하의 수치로 측정되었으며, 일반 시멘트콘크리트에 비해 낮은 경향을 보여주었다. 석회첨가율이 40%일 때, W/B의 비율이 45%일 때, 공기량 측정값이 높게 나왔다.
- (5) 본 연구의 결과에 의하면, 황토경화체는 W/B 45%, 단위수량 285kg/m3, 석회첨가율 60%일 때 상대적으로 우수한 물성을 나타내고 있다.
- 1) 황토결합재와 시멘트를 비교분석한 결과 황토결합 재의 입자가 시멘트에 비해 작으며 비중이 낮고 분말도는 높게 나타났다. 화학성분은 CaO의 함량이 25% 이상 낮으며 Al2O3 SiO2의 함량은 약 10% 정도 많이 함유하고 있다.
- 1) 황토콘크리트의 단위분체량이 증가함에 따라 슬럼프 값이 증가하는 것으로 나타났는데, 이는 단위분체량의 증가에 따라 물량의 증가와 골재의 감소로 인해 나타나는 것으로 평가하였다.
- 2) 황토콘크리트는 단위결합재 400kg/m3와 혼화제 2%에서 압축강도가 대체적으로 높게 발현되었으며 가장 높은 압축강도는 39MPa로 구조용으로 적용 가능한 것으로 나타났다. 향후 강도와 유동성을 확보하기 위해서는 혼화제 첨가량에 따른 기초적 특성을 연구할 필요가 있다.
- 2) 황토콘크리트의 슬럼프는 단위수량, 혼화제 첨가량, 단위결합재량이 증가함에 따라 슬럼프가 증가하는 경향을 보였으며, 공기량은 2.2% 이하로 대부분 일반 시멘트 콘크리트에 비해 낮은 결과를 나타냈다. 건조수축은 양생 초기에 팽창이 발생하나 초기 반응이 종료된 후 부터는 안정화 되면서 수축이 발생하는 것으로 평가하였다.
- 3) 압축강도 측정결과 W/B 55% 이하, 혼화제 첨가량 2%이하, 단위결합재량 300~400kg/m3에서 보통 콘크리트강도 210kg/cm3(20.6MPa) 이상의 강도발현을 나타냈으며, 구조용으로 사용 가능한 것으로 판단된다.
- 4) 황토콘크리트의 적용가능 범위는 W/B의 경우 45~50%, 단위분체량 300~400kg/m3의 경우 혼화제의 첨가량은 2% 미만이 적당한 것으로 나타났다.
- W/B가 증가 되고 단위수량이 많을수록 슬럼프가 증가하는 경향을 보이며, 특히 석회첨가율 40%일 때 슬럼프가 가장 크게 나타났다. 이는 단위분체량의 증가에 따라 물량의 증가와 골재의 감소로 인해 나타나는 것으로 사료된다.
- 석회의 첨가율이 높아질수록 공기량은 감소하면서 밀실한 결합이 이루어지기 때문이라고 판단된다. 또한 W/B의 비율이 높을수록 공기량이 증가하긴 하지만 그 차이는 미비한 것으로 평가되었다.
- 배합별 측정 결과 석회의 첨가율이 40%일때, W/B의 비율이 45%일때, 공기량 측정값이 크게 나타났다. 석회의 첨가율이 높아질수록 공기량은 감소하면서 밀실한 결합이 이루어지기 때문이라고 판단된다.
- 1차 실험의 경우 황토와 석회의 결합에 천연재료인 소나무껍질가루, 칡 섬유, 우뭇가사리를 첨가할 경우 황토경화체의 물성을 파악하기 위한 실험으로 진행되었다. 실험결과, 물리적인 성질의 증가는 있었으나, 물성값은 정량적으로 증가된 수치가 미비한 것으로 나타났다. 1차 실험의 압축강도 시험결과와 파괴상황은 Table 10과 Fig.
- 실험결과에 의하면 35% 이하의 석회치환율은 황토를 충분히 경화시키지 못하는 것으로 나타났다.
- (3) 황토경화체의 슬럼프는 단위수량, 석회의 첨가량이 변화함에 따라 증가 또는 감소하는 경향을 보였다. 측정결과 슬럼프의 경우 W/B 45%일때, 단위 수량이 285kg/m3인 경우가 가장 크며, 석회의 첨가율이 작을 때인 40%가 슬럼프가 가장 크게 나타나는 경향을 보였다. 이는 단위분체량의 증가에 따라 물량의 증가와 골재의 감소로 인해 나타나는 것으로 사료된다.
- 황토경화체는 W/B=45%(단위수량=285kg)이며, 석회의 첨가율 60%일 경우 12.3MPa의 압축강도를 나타내며, 가장 우수한 강도특성을 보여주었다.
- 시멘트 콘크리트의 경우 공기량은 W/B, 슬럼프가 클수록 많이 나타나는 현상을 보인다. 황토경화체의 경우에도 W/B가 클수록 많이 나타나며, 석회의 첨가율이 적을수록 공기량이 증가하는 경향을 보였다.
후속연구
- 3) 황토콘크리트는 시멘트콘크리트보다 황산, 염산에 대한 저항성이 높은 것으로 보아 해양구조물과 화학공장등에 그 활용도가 높을 것으로 예상되며, 이와 관련된 실험이 추가적으로 진행되어야 한다고 평가된다.
- 와 혼화제 2%에서 압축강도가 대체적으로 높게 발현되었으며 가장 높은 압축강도는 39MPa로 구조용으로 적용 가능한 것으로 나타났다. 향후 강도와 유동성을 확보하기 위해서는 혼화제 첨가량에 따른 기초적 특성을 연구할 필요가 있다.
- 황토결합재의 압축강도가 210kg/cm3(20.6MPa) 이상의 압축강도 발현으로 사용 가능성을 확인하였고, 향후 강도 이외의 동결융해, 내화학성, 내수성, 내마모성, 부착력 등의 실험이 추가적으로 진행되어야 한다고 제안하고 있다.
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