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문제 정의
- 국내에서는 많은 양의 패류가 생산되고 있으나, 이로 인해 발생하는 대량의 패각을 처리하는데 많은 어려움을 겪고 있다. 따라서 본 연구에서는 이러한 패각을 대량으로 처리하기 위하여 건설재료로서의 가능성을 평가하고자 한다. 모르터의 잔골재를 패각으로 치환하여 흡수율, 압축강도를 측정하고 계면결합 형태를 관찰하였다.
- 본 연구에서는 잔골재를 패각으로 치환한 시멘트 모르터의 기초물성을 파악하고 및 패각과 시멘트 입자와의 계면 결합 형태를 분석하여 패각류의 골재로서의 가능성을 평가하고자 한다.
제안 방법
- 계면결합 형태는 물시멘트비 40%의 시험체를 선택하여 압축강도 측정 후, 파괴된 단면에서 시료를 추출하여 SEM (Scanning electron microscope, Tescan, Czech, VEGA Ⅱ LSU)촬영을 하였다. 배율은 2,500배로 하여 관찰하였다.
- 따라서 본 연구에서는 이러한 패각을 대량으로 처리하기 위하여 건설재료로서의 가능성을 평가하고자 한다. 모르터의 잔골재를 패각으로 치환하여 흡수율, 압축강도를 측정하고 계면결합 형태를 관찰하였다. 대체적으로 패각의 치환율이 증가함에 따라 흡수율은 증가하였으며, 압축강도는 감소하였다.
- Table 1은 본 연구의 주요 실험인자 및 수준을 나타낸 것이다. 물시멘트비(W/C)는 35, 40, 45%로 설정하였으며, 시멘트와 잔골재의 혼합비는 1:3으로 하였다. 패각의 잔골재 치환율은 25, 50, 100%로 세분화 하였다.
- 계면결합 형태는 물시멘트비 40%의 시험체를 선택하여 압축강도 측정 후, 파괴된 단면에서 시료를 추출하여 SEM (Scanning electron microscope, Tescan, Czech, VEGA Ⅱ LSU)촬영을 하였다. 배율은 2,500배로 하여 관찰하였다.
- 본 연구에서는 국내에서 생산되는 바지락(Manila clam), 꼬막(Cockle), 대합(Clam), 홍합(Sea mussel), 굴(Oyster)의 5종 패각을 잔골재로 치환하여 흡수율, 재령 28일 압축강도 측정 및 모르터와 패각의 계면 결합형태를 관찰하였다.
- 6g/cm3)를 사용하였다. 패각은 국내에서 다량 발생하는 바지락, 꼬막, 대합, 홍합, 굴을 사용하였으며 각각의 패각은 ISO 6274(Concrete-Sieve analysis of aggregates)에 의거하여 조립률 2.6으로 고정하였다.
- 물시멘트비(W/C)는 35, 40, 45%로 설정하였으며, 시멘트와 잔골재의 혼합비는 1:3으로 하였다. 패각의 잔골재 치환율은 25, 50, 100%로 세분화 하였다.
대상 데이터
- 본 실험에 사용된 모르터 시험체는 28일간 기건양생 하였기 때문에, 외부로부터의 수분의 공급이 거의 없었다고 판단할 수 있다. 또한 본 실험에 사용된 모르터는 w/c에 관계없이 동일한 시멘트량이 배합되었으며, 부배합이 아닌 일반배합(시멘트 : 모래 비율 = 1 : 3)이었으며, 모르터의 제작시 사용된 배합수의 양은 w/c가 낮을수록 적게 사용되었다. 따라서 w/c의 감소에 따른 흡수율의 증가는 부족한 수분 및 기건양생으로 인해 수화과정동안 미세균열이 발생하여, 이러한 현상이 발생한 것으로 사료된다.
- 시험체 제작에 사용된 시멘트는 H사의 1종 보통포틀랜드 시멘트를 사용하였다. 잔골재로는 KS L ISO 679(Methods of testing cements-Determination of strength) 기준에 준하는 주문진 표준사(비중 2.
- 시험체는 50mm×50mm×50mm 크기의 큐브 몰드를 제작하여 (25±1)℃의 온도에서 28일간 기건 양생 하였다.
- 압축강도 측정은 KS L 5105 규정에 따라 실시하였으며, 재령 28일 강도를 측정하였다. 압축강도를 측정하기 위한 실험장비는 Shimadzu사(Japan)의 Universal Testing Machine (UTM, UH-F100A)을 사용하였으며, 하중재하속도는 1mm/min 으로 하였다.
- 시험체 제작에 사용된 시멘트는 H사의 1종 보통포틀랜드 시멘트를 사용하였다. 잔골재로는 KS L ISO 679(Methods of testing cements-Determination of strength) 기준에 준하는 주문진 표준사(비중 2.6g/cm3)를 사용하였다. 패각은 국내에서 다량 발생하는 바지락, 꼬막, 대합, 홍합, 굴을 사용하였으며 각각의 패각은 ISO 6274(Concrete-Sieve analysis of aggregates)에 의거하여 조립률 2.
이론/모형
- 압축강도 측정은 KS L 5105 규정에 따라 실시하였으며, 재령 28일 강도를 측정하였다. 압축강도를 측정하기 위한 실험장비는 Shimadzu사(Japan)의 Universal Testing Machine (UTM, UH-F100A)을 사용하였으며, 하중재하속도는 1mm/min 으로 하였다.
성능/효과
- 1) 흡수율 측정 시, 치환율이 높을수록 증가했으며, 굴의 경우 타 패각에 비하여 매우 높은 흡수율을 가지는 것으로 나타났다.
- 2) 압축강도의 경우 치환율이 증가함에 따라 감소하였으나, 꼬막 패각을 치환한 모르터의 경우 치환율이 증가함에 따라 압축강도도 증가하였다.
- 3) 계면결합 형태는 패각 주위로 많은 공극이 발견되었으며, 이는 치환율이 증가함에 따라 더 많이 관찰되었다. 꼬막 패각은 시멘트 입자와 결합 형태가 양호하였으며, 이와 같은 결합형태가 강도증진에 영향을 미친 것으로 사료된다.
- 4) 굴 패각의 혼입시 발생하는 높은 흡수율 및 낮은 압축 강도는 굴 패각이 가지는 미세구조적인 특성(Calcite 결정상이 치밀하게 형성되지 못하고 골격만 지탱하는 구조)에 크게 기인하는 것으로 판단된다.
- w/c가 35, 40, 45%일 때 공통적으로 패각의 혼입량이 증가하면 흡수율도 증가하는 것으로 나타났다. 대합, 꼬막, 및 홍합의 경우 100% 치환하여도 흡수율은 10% 미만으로 나타났으나, 바지락의 경우에는 14.
- 47MPa로 약 60%정도의 강도감소를 보였으나, 꼬막, 대합, 홍합 및 굴을 혼입하였을 때에는 모두 23MPa 이상을 상회하는 것으로 나타나 약 30%정도의 압축강도의 감소로 이어졌다. 굴의 경우는 치환률이 50%를 넘어가는 순간 압축강도가 7.1Mpa 로 급격하게 저하되는 것으로 드러났으며, 뿐만 아니라 100% 치환한 경우도 3.23MPa로 매우 낮게 나타났다. 따라서 역학적 성능을 고려할 때 굴 패각의 경우, 잔골재의 25% 이상 치환하는 것은 바람직하지 않은 것으로 판단된다.
- 특히 굴의 경우 50%이상 치환하게 되었을 때 압축강도 감소폭이 다른 패각보다 매우 큰 것을 관찰할 수 있어, 굴의 경우 현실적으로 25%이상의 잔골재는 대체하기 어려울 것으로 보인다. 그러나 꼬막 패각을 치환한 모르터의 경우 w/c 35% 및 45%에서도 치환율이 증가할수록 강도가 증가하는 것을 관찰하였으며, 각 w/c에서 치환율이 100% 일 때 Plain 보다 압축강도가 증가하는 것으로 나타났다. 일반적으로 꼬막 패각이 표준사보다 압축강도가 높다고 보기는 어렵기 때문에, 압축강도의 상승효과는 패각 및 시멘트 페이스트의 계면상태와 관련이 있을 것으로 사료된다.
- 모르터의 잔골재를 패각으로 치환하여 흡수율, 압축강도를 측정하고 계면결합 형태를 관찰하였다. 대체적으로 패각의 치환율이 증가함에 따라 흡수율은 증가하였으며, 압축강도는 감소하였다. 예외적으로 꼬막 패각을 치환한 모르터는 치환율이 증가함에 따라 압축강도가 증가하였다.
- w/c가 35, 40, 45%일 때 공통적으로 패각의 혼입량이 증가하면 흡수율도 증가하는 것으로 나타났다. 대합, 꼬막, 및 홍합의 경우 100% 치환하여도 흡수율은 10% 미만으로 나타났으나, 바지락의 경우에는 14.38%의 흡수율을 보이는 것으로 나타났다. 특히 굴 패각을 혼입한 경우에는 치환율이 100%일 때, 다른 패각이 10∼15%의 흡수율을 가지는 것에 비하여 굴 패각을 혼입한 모르터는 34%의 높은 흡수율을 보였다.
- 대합의 경우, 잔골재의 50%를 치환하였을 때 압축강도가 다소 상승하는 것으로 나타났다. 그러나 100%를 치환하였을 때에는 압축강도가 16.
- 특히 Figure 5(F2)에서 점선의 원으로 둘러싸여져 있는 부분의 이미지는 하중의 재하 후 드러난 굴 패각의 파괴 단면을 나타내는데, 이를 통해 본 실험에 사용된 굴 패각(경남 통영에서 수하식 방식으로 생산된 굴의 패각)의 경우에는 판상형의 Calcite 결정들이 치밀하게 채워져 있지 못하고, 듬성듬성하게 세워놓은 형태로 골격만 형성하여 외골격을 지탱하는 형태임을 확인할 수 있었다. 따라서 굴 패각이 가지는 높은 흡수성 및 낮은 압축강도는 굴 패각 자체가 가지고 있는 미세구조에 의한 영향임을 명확하게 알 수 있었다. 굴 패각을 혼입하는 경우는 이러한 다공질성의 특징 및 불량한 계면 결합 형태로 인하여 압축강도 측정 시 낮은 값을 나타낸 것으로 생각된다.
- 또한 꼬막 골재 주변의 미세조직은 바지락의 경우와는 달리 치밀하게 잘 다져져 있는 것으로 나타났다. 또한 골재 주변의 수화생성물 조직 또한 치밀하게 구성되어져 있어 치환율 증가에 따른 공극률의 증가는 크게 관찰되지 않았다. 따라서 꼬막을 혼입한 경우의 압축강도 증가효과는 꼬막 패각의 분쇄시에 다짐이 용이한 형태로 분쇄되었을 가능성도 존재하지만, 꼬막 패각이 가지는 주름진 형태의 표면 형상으로 인하여 시멘트 페이스트와 꼬막골재 사이에 양호한 계면결합이 이루어졌기 때문으로도 볼 수 있다.
- 잔골재를 꼬막 패각으로 치환했을 때(Figure 1 B1, B2, and B3), 주름진 형태의 꼬막골재의 표면성상을 관찰할수 있었다. 또한 꼬막 골재 주변의 미세조직은 바지락의 경우와는 달리 치밀하게 잘 다져져 있는 것으로 나타났다. 또한 골재 주변의 수화생성물 조직 또한 치밀하게 구성되어져 있어 치환율 증가에 따른 공극률의 증가는 크게 관찰되지 않았다.
- 잔골재를 홍합 패각 (D1, D2, and D3)으로 치환했을 때에도 패각 주위로 다짐은 대체적으로 잘 이루어진 것처럼 보이나, 홍합 골재 주변에 형성된 수화생성물의 미세구조 조직 또한 꼬막보다는 치밀하지 못한 것으로 나타났다. 또한 대합 및 홍합을 치환한 경우에는 대체적으로 치환율이 증가함에 따라 시멘트 입자와 패각의 결합 형태가 양호하지 못하고 공극이 많은 것을 관찰할 수 있었다.
- 반면 꼬막의 경우, 치환률이 증가할수록 압축강도 또한 증가하는 것으로 나타났다. 물시멘트비 40%의 경우 꼬막 치환률 50%일 때, 압축강도 35.91MPa로 보통 모르터의 압축강도보다 높게 나타났으며, 100% 치환한 경우에는 39.66MPa로 치환률이 증가할수록 압축강도는 상승함을알 수 있었다.
- Figure 4는 시멘트 모르터의 잔골재를 대합 패각(C1, C2, and C3), 홍합 패각(D1, D2, and D3)으로 치환했을 때의 SEM 이미지이다. 잔골재를 대합 패각으로 치환했을 때(Figure 4 C1, C2, and C3), 바지락의 경우와는 달리 패각 주위로 다짐이 잘 이루어져 큰 공극의 분포는 적었으나, 대합 골재 주변에 형성된 수화생성물의 미세구조 조직이 꼬막보다는 치밀하지 못한 것으로 나타났다. 잔골재를 홍합 패각 (D1, D2, and D3)으로 치환했을 때에도 패각 주위로 다짐은 대체적으로 잘 이루어진 것처럼 보이나, 홍합 골재 주변에 형성된 수화생성물의 미세구조 조직 또한 꼬막보다는 치밀하지 못한 것으로 나타났다.
- 잔골재를 대합 패각으로 치환했을 때(Figure 4 C1, C2, and C3), 바지락의 경우와는 달리 패각 주위로 다짐이 잘 이루어져 큰 공극의 분포는 적었으나, 대합 골재 주변에 형성된 수화생성물의 미세구조 조직이 꼬막보다는 치밀하지 못한 것으로 나타났다. 잔골재를 홍합 패각 (D1, D2, and D3)으로 치환했을 때에도 패각 주위로 다짐은 대체적으로 잘 이루어진 것처럼 보이나, 홍합 골재 주변에 형성된 수화생성물의 미세구조 조직 또한 꼬막보다는 치밀하지 못한 것으로 나타났다. 또한 대합 및 홍합을 치환한 경우에는 대체적으로 치환율이 증가함에 따라 시멘트 입자와 패각의 결합 형태가 양호하지 못하고 공극이 많은 것을 관찰할 수 있었다.
- 26MPa으로 나타났다. 잔골재의 25%를 패각으로 치환한 경우, 바지락을 치환하였을 때는 13.47MPa로 약 60%정도의 강도감소를 보였으나, 꼬막, 대합, 홍합 및 굴을 혼입하였을 때에는 모두 23MPa 이상을 상회하는 것으로 나타나 약 30%정도의 압축강도의 감소로 이어졌다. 굴의 경우는 치환률이 50%를 넘어가는 순간 압축강도가 7.
- 특히 굴 패각을 혼입한 경우에는 치환율이 100%일 때, 다른 패각이 10∼15%의 흡수율을 가지는 것에 비하여 굴 패각을 혼입한 모르터는 34%의 높은 흡수율을 보였다.
후속연구
- 굴 패각의 경우 큰 압축강도를 요구하지 않는 경량 콘크리트 및 경량 벽돌 등에서 잔골재로서의 역할을 기대할 수 있으며, 꼬막 패각의 경우 강도에 미치는 영향이 미미하거나 오히려 강도가 증가하는 것으로 알려져 있다[3,5,6]. 굴 패각 및 꼬막 패각과 유사한 화학적 조성을 가지고 있는 다른 패각도 연구가 진행된다면 잔골재로서의 역할을 수행할 수 있을 것으로 판단된다.
- 이로 인한 바다 생태계와 산림녹지의 파괴는 심각한 국가문제로 나타나고 있다[3]. 따라서 여러 종류의 패각을 건설재료로 사용하는 방안이 제시된다면 연안오염의 주범이 되는 패각을 대량으로 처리함과 동시에 무리한 골재 수급을 위한 환경적인 문제를 해결하고, 건설현장에 안정적인 골재 공급이 가능할 것으로 사료된다.
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