[논문]흙다짐 건축재료의 적정함수비 현장확인을 위한 낙하시험 방법의 실험적 개선

이종국

doi:10.5345/jkibc.2015.15.1.035

문제 정의

따라서 본 연구는 흙건축에 적용되는 흙다짐 공법을 중심으로 낙하시험과 함수율의 관계를 규명하여 실제현장에서 작업자가 쉽게 적정함수비를 판별할 수 있는 용이성과 시험의 정확성 문제를 개선하고자 한다.
본 연구는 먼저 문헌조사를 통하여 흙다짐 공법, 적정함 수비, 염화코발트의 특성을 파악하고, 예비실험으로서 최밀충전이론과 결합재 이론을 바탕으로 배합설계를 확인하 고, 공시체의 압축강도를 기준으로 적정함수비 범위를 확인하여 이후의 본 실험에 적용한다. 또한, 염화코발트의 함수시의 변색 특성을 고찰하여 본 실험에 활용하도록 한다.
본 실험에서는 낙하실험을 위한 낙하높이, 용량선정, 시료성형 횟수 및 시간선정을 위한 실험을 하였다. 이를 바탕으로 염화코발트지 위에 낙하시험을 진행하여 각 조건별로 흙의 퍼짐형상과 염화코발트의 변색 범위를 측정하였다.
본 연구는 흙건축 현장에서 흙다짐 작업 시 지속적이며 용이하게 적정함수비 파악을 위한 낙하시험법의 현실적인 개선을 위하여 수행되었으며 그 결과는 다음과 같다.
본 연구에서는 실제로 흙다짐 현장에서 주로 사용하는 최밀충전기법과 소석회를 결합재로서 이용하는 흙다짐 공법을 적용하고 이에 필요한 물-결합재비(W/B)에 따른 함수량을 기준으로 연구를 진행한다.
예비적 고찰로는 흙다짐 공법, 흙다짐 원리, 흙다짐의 함수비 판별법, 흙입자의 바인딩재료, 적정함수비 및 형상 확인용 염화코발트의 특성을 파악하고자 한다. 이를 통하여 낙하형상 실험에서의 합리성을 갖추도록 한다.
이상의 예비실험의 결과를 이용하여 배합된 시료의 제작 방법을 실험적으로 설정하고 낙하실험을 진행한다. 이때의각 함수비별 낙하형상의 특징을 고찰하여 현장에서 적정함 수비를 판단할 수 있는 기준을 제시하도록 한다.
흙다짐 시공 시 사용하는 형상시험으로는 흙의 성질을 좌우하는 함수율을 함께 측정하는 방법인 로프 테스트[5], 침전시험법, 시가 테스트, 모르타르의 퍼짐직경과 흐름 값을 측정하여 나타내는 플로우 테스트, 흙의 함수비를 확인 하기 위한 실험인 낙하실험이 있다[6]. 특히 낙하시험법은 현장에서 유용하게 사용할 수 있는 방법이며, 본 연구는 이 낙하시험법에 현장 활용 개선방안에 대하여 고찰해 본다.

가설 설정

공시체의 최대 강도를 발현하는 적정 함수량 산정은 이전 연구에서 고찰한 5단계의 함수비 조건(30∼50%)을 적용하였고, 재령별(3일, 7일, 14일)로 5개씩의 공시체를 제작하였다. 이를 재령별로 압축강도를 측정하여 최대강도가 나타나는 함수비 구간을 도출하고 이를 적정 함수비로 가정 하여 본 실험인 낙하형상 판별시험에 적용하도록 한다.

제안 방법

Table 8과 같이 나타난 과정을 통해 낙하 실험을 진행하여 각 조건마다의 흙의 퍼짐형상 및 염화코발트지의 변색 범위를 측정하였다
공시체 제작을 위한 배합은 최밀 충전 예비실험을 통하여 구한 흙과 모래의 비 18 : 82를 적용하고, 소석회의 첨가량은 이전 연구의 흙입자 바인더로서 소석회 450kg/m³ 의 결과[9]를 적용하였으며 배합구성은 Table 3과 같다. 본 실험의 배합설계 시 공기량과 혼화제의 사용은 고려하지 아니하였다.
공시체는 Figure 4와 같이 지름 100mm, 높이 127mm 인 원형몰드를 편평한 바닥에 놓고 2.5kg의 램머를 이용하여 3회에 걸쳐 각 25회씩 다짐을 실시하였다. 다짐 성형된 몰드(mould) 상부는 고르게 커팅(cutting)하여 캡핑 (capping)하고, Figure 4의 (C)와 같이 몰드 밑바닥을 분리하여 유압식 장치에 넣고 몰드와 공시체를 분리한다.
공시체의 최대 강도를 발현하는 적정 함수량 산정은 이전 연구에서 고찰한 5단계의 함수비 조건(30∼50%)을 적용하였고, 재령별(3일, 7일, 14일)로 5개씩의 공시체를 제작하였다.
기존의 연구 결과를 고찰한 결과, 입도조정을 한 흙과 모래의 최밀충전효과에 따른 최적의 배합비율은 17 : 83으로 보고[9]되어 있으며, 본 연구도 이러한 결과를 참고하여그 최적비를 구하는 예비실험을 진행한다.
또한, 시료의 다짐형상과 크기는 인체의 구조상 성인의 손으로 쉽게 볼 형태로 제작할 수 있는 크기인 지름 4cm의볼 형상이 적정하다고 판단하고, 이를 기준으로 하여 필요한 35cm³ 정도의 용량을 만들 수 있는 방법으로서 음료수용 종이컵을 적용하였다. 이는 현장의 여건상 종이컵은 쉽게 구할 수 있고, 그 용량도 소형 컵은 75ml의 용량으로서 지름 4cm 볼 형태 제작(2개)에 적당한 부피이기 때문이다.
본 실험에 앞서 선정한 재료의 배합과정과 적정함수비 파악을 위한 최밀 충전 실험 및 공시체 압축강도 측정을 하였다. 이를 통하여 본 실험에 적용할 적정함수비 구간을 도출한도록 한다.
본 연구는 먼저 문헌조사를 통하여 흙다짐 공법, 적정함 수비, 염화코발트의 특성을 파악하고, 예비실험으로서 최밀충전이론과 결합재 이론을 바탕으로 배합설계를 확인하 고, 공시체의 압축강도를 기준으로 적정함수비 범위를 확인하여 이후의 본 실험에 적용한다. 또한, 염화코발트의 함수시의 변색 특성을 고찰하여 본 실험에 활용하도록 한다.
본 연구에서는 낙하시료의 퍼짐형상이 바닥 재료의 탄성에 따른 변동을 최소화하고, 수분반응에 따른 변색특성을 이용하여 낙하시료의 퍼짐형태를 형상화하기 위하여 염화 코발트를 적용한다.
실험에 적용할 함수비는 관련 연구[9]를 참고하여 물-석회 비율 (W/B)을 30∼50%로 적용하도록 한다.
따라서 본 연구는 흙건축에 적용되는 흙다짐 공법을 중심으로 낙하시험과 함수율의 관계를 규명하여 실제현장에서 작업자가 쉽게 적정함수비를 판별할 수 있는 용이성과 시험의 정확성 문제를 개선하고자 한다. 실험의 결과를 통하여 현장에서 활용할 수 있는 배합설계와 시험방법의 명세화, 낙하형상 판별방법의 과정과 결과를 제시하였다.
5m의 어깨높이에서 딱딱하고 편평한 바닥에 자유낙하 시키며, 실험의 객관성을 확보하기 위하여 낙하실험 30회를 반복하고 이를 결과에 반영한다. 이때, 바닥재질의 특성에 따른 퍼짐형상을 구별하기 위하여 기본적인 실험실의 인조석 바닥과 비교하여 염화코발트를 도포한 종이를 별도로 구분하여 그 형상 및 퍼짐 특성을 살펴보도록 한다.
이러한 결과는 이전 연구의 결과와 일치하며 타당한 배합이라 판단되어 이후 낙하형상의 함수비 기준치로 적용하도록 한다. 한편 재료의 내구성 확인을 위한 균열특성은 별도로 실시하지 않았으며, 공시체의 재령에 따른 균열은 육안 관찰 결과 발견되지 않았다.
본 실험에서는 낙하실험을 위한 낙하높이, 용량선정, 시료성형 횟수 및 시간선정을 위한 실험을 하였다. 이를 바탕으로 염화코발트지 위에 낙하시험을 진행하여 각 조건별로 흙의 퍼짐형상과 염화코발트의 변색 범위를 측정하였다.
이상의 예비실험의 결과를 이용하여 배합된 시료의 제작 방법을 실험적으로 설정하고 낙하실험을 진행한다. 이때의각 함수비별 낙하형상의 특징을 고찰하여 현장에서 적정함 수비를 판단할 수 있는 기준을 제시하도록 한다.
한편 용량 실험의 대비를 위하여 용량 195ml의 중형 종이컵을 이용하여 현장적용 가능성을 실험하였다. 실험 결과, 중형의 종이컵은 Table 5에서 나타나는 바와 같이 낙하 형상의 구분에 어려움이 있고, 용량도 지름 4cm의 볼 형태 제작에 과다함을 알 수 있었다.

대상 데이터

모래는 Table 2와 같이 낙동강 하천사 입도 2.82의 천연 모래를 사용하였으며, 흙입자 결합용 재료로서는 KS L 9501 공업용 규격에 적합한 소석회(slaked lime)를 사용하였으며 비중은 2.7이다.
본 실험에는 Table 1과 같이 국내 S사의 점토와 실트 성분이 90%이상의 흙분말을 사용하였다.

이론/모형

예비실험으로서 최밀 충전에 대한 배합비율을 도출화기 위하여 KS F 2312에 의거하여 모래와 흙을 배합하여 사용하였다. Table 3과 같이 모래와 흙의 비율을 10%씩 증가시켜 0∼100%로 1차 실험을 하였고, 그 결과 80%에서 중량이 가장 높게 측정되었다.
다짐의 원리는 크게 입자이론과 결합재 이론으로 나눌수 있으며, 입자이론(particle theory)은 입자간 간극을 최소화함으로써, 입자간의 인력과 전기력을 최대화하여 입자간 응집현상이 일어나게 하는 것이다. 입자간극을 최소화 하기 위해서는 서로 입경이 다른 흙입자를 적절히 배합을 하는 최밀충전효과(optimum micro-filler effect)이론을 이용하며, 이를 통하여 흙입자의 물입자 사이의 최적 수소 결합을 가지도록 한다. 결합재이론(matrix theory)은 입자와 입자를 강한 결합력을 가진 외부 결합재의 첨가에 의해 강도를 발현하는 이론이며, 일반적으로 흙의 결합재로선 석회를 많이 사용한다.
한편, 압축강도는 KS L 5105에 의거, 3, 7, 14일 재령으로 구분하여 유압식 압축강도시험기로 측정하였다.

성능/효과

시료의 시료성형 횟수와 소요시간의 산정에 대한 설정 실험은 Table 6과 같이 5초 단위로 구분하여 시료성형 횟수 2∼10회에 대하여 반복실험 30회 이상을 실시하였다. 5초 미만의 급속 성형 시 지름 4cm정도의 볼 형태로 만드는 것은 촉박하여 볼 형상 조형이 불가하였고, 10초 이상으로 다짐 시에는 다짐 압력의 변동 및 저하 문제와 작업자 손의 체온에 의한 수분 손실 가능성이 관찰되었다. 반면 시료 성형 횟수 4회 이하에서도 시료의 불완전한 볼 형상 등이 관찰되었다.
둘째, 낙하시험에 적용될 흙다짐 시료는 현장에서 조달이 용이한 75ml의 소형 종이컵을 이용하여 배합된 시료를 직경 4cm의 볼 형태로 성형하되 10초간 6∼10회의 수작업 성형법이 다른 조건에 비하여 가장 효율성이 높았다
또한, W/B 40%에서는 직경 18∼25cm 범위에서 분말과 작은 덩어리 형태가 혼합된 상태로 비교적 넓게 분산되었다.
먼저 시료의 낙하형상은 기존의 매뉴얼[7]에 나오는 구형의 형상이 아니라 중앙부 덩어리와 주변에는 입자가 퍼지는 형태를 띠고 있음을 알 수 있었다. 이는 서구와는 다른 사질이 많은 우리 재료의 특성에 기인한 것으로 판단되며, 낙하 실험 결과, W/B 30%에서는 직경 20∼30cm 범위에서 분말형태로 분산되었고 35%에서는 직경 20∼25cm 범위에서 대부분 중앙의 작은 덩어리와 가장자리의 입자형태로 분산되었다.
셋째, 흙다짐 실험체의 1.5m 낙하형상의 반복 판별 결과, 적정함수비 구간인 45∼50% 분산형상은 중앙부 원형 10cm 내에 다짐 흙의 덩어리가 형성되고 외곽부 15∼ 20cm의 원형 형태의 분말로 퍼지는 형태가 관찰되었다.
한편 용량 실험의 대비를 위하여 용량 195ml의 중형 종이컵을 이용하여 현장적용 가능성을 실험하였다. 실험 결과, 중형의 종이컵은 Table 5에서 나타나는 바와 같이 낙하 형상의 구분에 어려움이 있고, 용량도 지름 4cm의 볼 형태 제작에 과다함을 알 수 있었다. 반면, 소형 종이컵은 2개의 시험용 볼 형태 용량 계량에 적합하고, 그 낙하형상도 퍼짐의 양상이 W/B에 따른 구분이 명확하여 소형종이컵의 용량을 이용한 지름 4cm 정도의 낙하시험용 볼을 제작하는 것이 적절하다.
이러한 결과를 종합하면, 배합된 재료의 시료성형 시간과 횟수는 10초안에 6∼10회 성형하는 것이 적정하다고 판단된다.
Table 3과 같이 모래와 흙의 비율을 10%씩 증가시켜 0∼100%로 1차 실험을 하였고, 그 결과 80%에서 중량이 가장 높게 측정되었다. 이를 이용하여 Table 7과 같이 2차 실험으로서 1%씩 증가 시켜 흙과 모래의 적정배합이 18 : 82라는 것을 도출 하였으며, 이는 이전 연구[9]의 17 : 83과 비교하여 적정성을 확인하였다.
적정함 수비 구간이 W/B 45∼50%범위라는 것을 감안하면, 낙하 시험 퍼짐형상은 중앙 10cm내 덩어리 형태와 외곽 15∼ 20cm이내 분말의 퍼짐형상이 적절한 것으로 판단된다.
즉, Table 4에서 보는 바와 같이 낙하높이를 60, 100, 150cm로 구분하여 적정함수비 구간인 W/B 45%와 50% 를 적용하여 각각 30회 반복 실험한 결과, 60cm와 100cm 의 높이에서는 퍼짐형상이 명확하지 않고 중앙에 주로 쌓이는 형태를 보이는 반면, 150cm의 높이에서는 낙하 시 퍼짐의 형상구분에 상대적으로 용이하였다.
첫째, 흙다짐 공법에 일반적으로 적용되는 해외의 낙하 시험의 적정함수비 판별법은 실제 우리나라의 현실과 차이가 나타났는데 이는 서구와는 달리 사질이 비교적 많은 우리 재료의 특성에 기인한 것으로 판단되며, 이는 향후 흙건축 현장의 시공에 활용될 수 있다.

후속연구

넷째, 본 실험에서 적용한 염화코발트 등의 변색 특성을 이용하면 현장의 시공 기록 및 바닥재 탄성 특성의 일관성 측면에서 도움이 될 수 있다고 판단된다.
본 연구는 기존 해외 매뉴얼 등에 나타난 적정함수비 파악을 위한 낙하시험 판정법은 우리의 현실과 상이하다는 것을 실험적으로 밝혔으며, 표준배합에 근거하여 진행한 관계로 다양한 현장의 재료, 배합설계, 현장조건 등에 다각적인 반영부분은 향후 지속적인 개선과 보완이 이루어질 수 있도록 연구를 진행할 예정이다.
한편, Table 8에서 보는 바와 같이, 실험에서 채용한 두 가지의 바닥 표면 조건에 따른 낙하형상을 살펴보면, 좌측 그림의 인조석 바닥에서의 낙하형상은 염화코발트 쉬트 상에서의 그것보다 훨씬 퍼진 모습을 보이고 있는데 이는 바닥재의 리바운드량과 관련이 있다고 판단된다. 현장의 여건을 감안할 때 이러한 바닥재의 상이한 조건은 퍼짐 형상에 영향을 줄 수 있어 시험용 종이 쉬트 등의 일관성 확보방안이 필요하였으며, 본 실험에서 사용된 염화 코발트 등의 변색 특성을 이용한 형상 판별은 작업의 기록이나 시험조건의 객관성 확보에 도움을 줄 수 있다고 사료된다.

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