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문제 정의
- 흙은 일반적으로 점토, 모래에 비해 실트 함량이 높기 때문에 적당량의 모래를 첨가하여야 한다. 그래서 흙과 모래의 첨가율에 따라 변화하는 흙배합의 단위용적중량을 확인하고 압축강도에 미치는 영향을 분석하기 위해 본 실험에서는 크게 세 가지 실험을 진행하였다.
- 흙의 경우 미분말을 많이 함유하고 있으므로 물을 첨가하여 혼합할 경우 유동성 확보를 위해 많은 물을 필요로 한다. 본 실험에서는 이러한 부분을 감안하여 흙반죽에 필요한 물량을 적게 하였으며 흙건축에서 사용하는 소성상태의 반죽질기를 목표로 하였다. 이에 따라 목표 유동성은 110±5 mm로 하였다.
- 본 연구에서는 흙건축 시공에 사용하기 위한 흙의 적정 입도 선정을 위한 최밀 충전 실험 방법의 제안과 압축강도 측정을 통해 이를 검증하고자 한다.
- 본 연구에서는 흙의 입도에 따른 단위용적중량과 압축강도에 대한 실험을 하고자 한다. 흙은 일반적으로 점토, 모래에 비해 실트 함량이 높기 때문에 적당량의 모래를 첨가하여야 한다.
제안 방법
- 흙과 모래를 10 % 단위로 증감하면서 흙:모래 = 100:0 ~ 0:100까지 실험을 실시하였다. 1000 ml 용기에 건믹싱 된 혼합골재를 깔때기를 통해 자유낙하 시켜 투입하고 4가지 방법으로 단위용적중량을 측정하였다. 실험은 KS F 2505 단위용적중량 및 공극률 시험방법을 참고하여 실시하였다.
- 3단 채움의 경우에는 다짐을 실시할 경우 용적이 1000 ml 이상이 나와야 되므로 흙이 흘러내리지 않게 용기 상단에 별도의 용기를 제작하여 올려놓은 다음 실험을 실시하였다.
- 1000 ml 용기에 용적의 1/3을 채운 다음 ∅5 mm 다짐봉을 이용하여 25회 골고루 다진다. 같은 방법으로 용기의 나머지 2/3을 채운 다음 스페츄라를 이용하여 상단 면을 평평하게 면잡기 한 다음 중량을 측정하였다.
- 두 번째는 흙의 경우 채취 위치에 따라 입자의 특성이 달라지며 최대 치수 또한 달라진다. 그래서 모래의 최대치수에 변화를 주어 단위용적중량을 측정하였다. 모래의 최대 치수를 5 mm, 2.
- 깔때기를 통해 1회에 1000 ml 용기의 상단까지 채우고 다지지 않은 상태에서 남은 흙은 스페츄라를 이용하여 톱질하듯이 상단 면을 평평하게 면을 잡은 다음 중량을 측정하였다.
- 두 번째는 흙분말과 해사를 사용하여 실험을 실시하였다. 단위용적중량 실험은 흙분말:해사=100:0 ~ 0:100까지 각각의 재료를 10 % 단위로 증감하여 총 11수준의 실험을 실시하였으며 해사는 입자의 최대 크기를 5 mm, 2.5 mm, 1.12 mm의 3가지 수준으로 하였고, 단위용적중량실험은 3단 채움(판다짐)의 방법으로 실험을 실시하였다.
- 두 번째는 흙분말과 해사를 사용하여 실험을 실시하였다. 단위용적중량 실험은 흙분말:해사=100:0 ~ 0:100까지 각각의 재료를 10 % 단위로 증감하여 총 11수준의 실험을 실시하였으며 해사는 입자의 최대 크기를 5 mm, 2.
- 그래서 모래의 최대치수에 변화를 주어 단위용적중량을 측정하였다. 모래의 최대 치수를 5 mm, 2.36 mm, 1.18 mm 등 3가지 선정하였으며, 첫 번째 실험에서 선정된 방법으로 단위용적중량을 측정하고 차이를 분석하였다.
- 본 연구는 최밀 충전 실험을 통한 흙의 적정 배합 선정 실험을 실시하였으며 다음과 같은 결론을 도출하였다.
- 세 번째 실험은 모래의 최대 치수가 5 mm인 모래와 흙 분말을 100:0～0:100까지 10 % 수준으로 증감하여 총 11 배합에 대해 압축강도 실험을 실시하였다. 흙배합의 경우 결합재를 첨가하지 않을 경우 매우 낮은 강도를 나타내므로 강도 확보를 위해 고강도석회를 흙배합의 15 %(외할) 첨가하여 실험을 실시하였다.
- 세 번째는 입도에 따른 압축강도를 측정하기 위해서 모래의 최대치수가 5 mm 모래를 사용하여 고강도 석회를 첨가한 다음 압축강도 실험을 실시하였다.
- 1000 ml 용기에 용적의 1/3을 채운 다음 3 cm 높이로 손으로 5회 다진다. 이러한 방법으로 상단까지 흙을 채운 다음 스페츄라를 이용하여 상단 면을 평평하게 면잡기 한 다음 중량을 측정하였다.
- 첫 번째는 흙분말과 주문진표준사를 사용하여 단위용적중량실험을 실시하였다. 흙분말:주문진표준사 = 100:0 ~ 0:100 까지 각각의 재료를 10 %단위로 증감하며 총 11수준의 시험을 실시하였으며 다짐 방법은 무다짐, 손다짐, 봉다짐, 판다짐의 4가지 방법에 의해 실험을 실시하였다.
- 첫째, 흙과 모래의 첨가율에 따른 단위용적중량을 실험하여 최밀 충전 배합을 찾기 위한 방법을 선정하기 위해 1단 채움(무다짐), 3단 채움(손다짐), 3단 채움(봉다짐), 3단 채움(판다짐) 등 4가지 방법으로 단위용적중량을 측정하였다.
- 최밀충전에 의한 흙의 적정 배합 선정 실험은 흙과 모래의 배합비에 따른 흙배합의 단위용적중량과 압축강도 실험을 진행하였으며, 3단계로 진행하였다.
- 흙과 모래를 10 % 단위로 증감하면서 흙:모래 = 100:0 ~ 0:100까지 실험을 실시하였다. 1000 ml 용기에 건믹싱 된 혼합골재를 깔때기를 통해 자유낙하 시켜 투입하고 4가지 방법으로 단위용적중량을 측정하였다.
- 세 번째 실험은 모래의 최대 치수가 5 mm인 모래와 흙 분말을 100:0～0:100까지 10 % 수준으로 증감하여 총 11 배합에 대해 압축강도 실험을 실시하였다. 흙배합의 경우 결합재를 첨가하지 않을 경우 매우 낮은 강도를 나타내므로 강도 확보를 위해 고강도석회를 흙배합의 15 %(외할) 첨가하여 실험을 실시하였다.
- 첫 번째는 흙분말과 주문진표준사를 사용하여 단위용적중량실험을 실시하였다. 흙분말:주문진표준사 = 100:0 ~ 0:100 까지 각각의 재료를 10 %단위로 증감하며 총 11수준의 시험을 실시하였으며 다짐 방법은 무다짐, 손다짐, 봉다짐, 판다짐의 4가지 방법에 의해 실험을 실시하였다.
대상 데이터
- 1차 실험에 사용된 재료이며, KS L ISO679 시멘트의 강도 시험 방법의 규정을 만족하는 주문진표준사를 사용하였다.
- 2, 3차 실험에 사용된 재료이며, 인천광역시 강화군에서 채취하여 세척한 모래를 사용하였으며 물리적 특성을 아래 표 5와 같다.
- 모든 실험에 사용된 흙분말은 흙을 건조하여 미분말 화한 것으로 전북의 D업체의 흙을 사용하였으며 물리, 화학적 성분은 아래 표 3과 같다.
- 실험에 사용된 석회는 일반 석회에 비해 빠른 강도 발현을 보이는 특징을 갖는 것으로써 국내의 C업체에서 생산하는 제품을 사용하였으며, 물리․화학적 특성을 아래 표 6과 같다.
이론/모형
- 1000 ml 용기에 건믹싱 된 혼합골재를 깔때기를 통해 자유낙하 시켜 투입하고 4가지 방법으로 단위용적중량을 측정하였다. 실험은 KS F 2505 단위용적중량 및 공극률 시험방법을 참고하여 실시하였다.
- 유동성측정은 KS L 5105 수경성시멘트 모르타르의 압축강도 시험방법에 준하여 실험하였다. 흙의 경우 미분말을 많이 함유하고 있으므로 물을 첨가하여 혼합할 경우 유동성 확보를 위해 많은 물을 필요로 한다.
- 흙배합의 압축강도를 측정하기 위해 KS L 5105 수경성시멘트 모르타르의 압축강도 시험 방법에 준하여 흙배합과 고성능석회를 혼합한 배합의 반죽, 플로 시험 및 압축강도 측정을 실시하였다.
성능/효과
- 1) 흙과 모래의 최밀 충전 배합을 선정하기 위한 방법선정 결과 3단 채움(판다짐)이 다른 실험방법에 비해 상대적으로 높은 결과 값을 나타내었으며 적절한 채움 방법으로 판단된다.
- 2) 모래의 최대치수에 따른 흙과 모래의 최밀 충전 실험 결과 80～90 % 사이에서 가장 높은 결과 값을 나타내었으며, 모래의 최대치수가 커질수록 최밀 충전 배합은 모래의 첨가율이 낮아지는 쪽으로 이동하는 경향을 나타내었다.
- 3) 흙과 모래의 입도에 따른 압축강도 실험결과 모래의 첨가율이 90 %에서 가장 높은 결과를 나타내었으며 이는 단위용적중량 실험 결과와 비슷한 경향을 나타내었다.
- 3가지 경우 모두 모래의 첨가율 80∼90 %에서 가장 높은 단위용적중량을 나타내었다.
- 3단 채움(손다짐)의 경우에는 용기 전체에 충격이 가해지기 때문에 전체적으로 봉다짐에 비해 높은 결과를 나타내었으나, 흙분말의 첨가율이 90 % 이상에서는 봉다짐에 비해 낮게 나타났다.
- 다짐 후 입자들의 다짐상태는 아래 그림 2와 같으며 1단 채움(무다짐)의 경우 입자사이에 공극이 많이 보이고 가장 엉성한 형상으로 나타났다. 3단 채움(판다짐)으로 갈수록 입자 사이의 공극이 감소하고 치밀한 형상으로 나타났다.
- 001 mm 이하의 미세한 콜로이드 입자들의 경우 입자들이 갖는 인력보다 반발력이 크기 때문에 입자사이의 거리가 멀어지게 되어 공극률이 커지는 것으로 판단된다.(그림 a) 그러나 점토, 실트, 모래가 적당량 혼합되었을 때는 입경이 크기 밀도가 높은 모래입자들이 공간의 대부분을 채우고 모래입자들 사이에 공극률이 큰 점토, 실트 입자들이 필요한 최소량만큼만 채워지기 때문에 흙배합의 내부의 공극은 작아지고 단위용적중량은 높아지게 된다.(그림 b) 그렇지만 점토, 실트 입자의 함량이 너무 낮을 경우, 모래 입자 사이에서 생기는 공극을 모두 채우지 못하였기 때문에 공극률이 높아지면서 단위용적중량은 낮아지는 것으로 판단된다.
- (그림 a) 그러나 점토, 실트, 모래가 적당량 혼합되었을 때는 입경이 크기 밀도가 높은 모래입자들이 공간의 대부분을 채우고 모래입자들 사이에 공극률이 큰 점토, 실트 입자들이 필요한 최소량만큼만 채워지기 때문에 흙배합의 내부의 공극은 작아지고 단위용적중량은 높아지게 된다.(그림 b) 그렇지만 점토, 실트 입자의 함량이 너무 낮을 경우, 모래 입자 사이에서 생기는 공극을 모두 채우지 못하였기 때문에 공극률이 높아지면서 단위용적중량은 낮아지는 것으로 판단된다.(그림 c)
- 그리고 3단 채움(판 다짐)에 의한 방법에서 가장 높은 결과 값을 나타냈다. 각각의 방법에 의한 단위용적중량의 차이는 모래의 첨가율이 증가할수록 커지는 경향을 보였으며 최밀 충전 배합인 흙:모래=20:80에서 가장 큰 차이를 보였다.
- 다음으로 3단 채움(봉다짐), 3단 채움(손다짐) 순이었으나 비슷한 결과를 나타냈다. 그리고 3단 채움(판 다짐)에 의한 방법에서 가장 높은 결과 값을 나타냈다. 각각의 방법에 의한 단위용적중량의 차이는 모래의 첨가율이 증가할수록 커지는 경향을 보였으며 최밀 충전 배합인 흙:모래=20:80에서 가장 큰 차이를 보였다.
- 목표 유동성 110±5 mm를 만족하는 W/M(물/몰탈비, %)은 모래의 첨가율이 증가할수록 감소하는 것으로 나타났으며 대체적으로 일정하게 감소하였다.
- 실험 결과 주문진표준사와 흙분말의 최밀 충전비율은 단위용적중량이 가장 높고 공극률이 가장 낮은 흙:모래가 약 20:80의 비율로 혼합될 때 나타나는 것으로 판단된다.
- 압축강도 실험 결과 모래의 첨가율이 높은 경우에는 단위용적중량과 압축강도가 비슷한 경향을 보였으며 높은 상관관계를 가질 것으로 판단된다.
- 재령 28일 압축강도의 경우 모래의 첨가율이 0～50 %까지는 모래의 첨가율이 증가하여도 압축강도는 큰 변화가 없었으며 오히려 모래의 첨가율이 0 %인 경우에 비해 미미하지만 낮게 나타났다. 이후 모래의 첨가율이 90 %일 때까지 압축강도는 증가하며 100 %의 경우 다시 감소하는 것으로 나타났다.
- 주문진표준사의 첨가율이 증가함에 따라 단위용적중량은 증가하였으며, 주문진표준사의 첨가율이 80 %일 때 가장 높은 단위용적중량을 나타내었고 이후에는 감소하는 것으로 나타났다.
- 최밀 충전 모래의 첨가율이 80∼90 %에서 나타났는데, 이 구간에서는 모래의 최대치수가 작아질수록 최밀 충전비율이 모래의 첨가율이 낮아지는 쪽으로 이동하는 경향을 나타내었다.
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