[논문]수용성 고화재와 규산염광물 결합재를 활용한 지반개량재의 실험적 연구

김성욱; 최은경; 조진우; 이주형; 이규환

doi:10.11004/kosacs.2015.6.4.008

수용성 고화재와 규산염광물 결합재를 활용한 지반개량재의 실험적 연구
An Experimental Study for Strength Improvement of Soft Ground using Hardening Agent and Silicate Mineral Power 원문보기

복합신소재구조학회 논문집 = Journal of the Korean Society for Advanced Composite Structures, v.6 no.4, 2015년, pp.8 - 15

김성욱 ((주)지아이) , 최은경 ((주)지아이 지반정보연구소) , 조진우 (한국건설기술연구원 지반연구소) , 이주형 (한국건설기술연구원 지반연구소) , 이규환 (건양대학교 해외건설플랜트학과)

Abstract ▼ AI-Helper

The demand for environmental consideration is on the increase in civil engineering. This study focuses on the development of technology to reduce the use of carbonate cement and improve its performance by using a silicate mineral and hardening agents, and presents the test results for the demonstrative evaluation of the properties of the raw material. Highly active feldspar was used as a binder to augment the bonding of the carbonate cement, and their change in strength was observed after test piece construction with the addition of soluble hardening agent. The uniaxial compression strength of the test piece of the general Portland cement with the addition of 0.5% soluble hardening agent, showed an increase by 33% and that of the test piece of cement with the addition of 70% substituted with feldspar increased by 28%. The strength of viscous soil; classified as soft ground, showed an increase of a maximum of 1.7 times when it was mixed with cement and solidifier depending on the curing period. These tests confirmed that a soluble solidifier is effective for improving the strength of a cement binder and that the highly active feldspar can be used as a binder.

주제어

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문제 정의

고화재와 규산염 분말을 이용한 실험의 결과는 고화재가 결합공시체의 강도 증가에 기여하는 것을 지시한다. 규산염 분말을 결합재로 첨가한 시편의 압축강도가 시멘트에 고화재를 첨가한 시편에 비해 압축강도가 높지 않았으나 일반 시멘트에 비해 강도가 증가한 것을 알 수 있다.
실험적인 연구로부터 규산염광물을 물질의 결합재로 활용하기 위한 최적 입도와 배합비 선정, 수용성 고화재의 혼합 방법과 경화시간 단축, 그리고 경량재료의 기능성 개선을 위한 지속적인 연구 필요성을 제시하였다.
이 연구는 토목, 건축, 방재시설에 이용되는 충전재료원 개발에 필요한 기술 축적을 위한 것으로 충전재로 사용되는 탄산염계 시멘트의 높은 밀도와 충분한 강도를 발현하기까지 요구되는 재령시간을 단축한 재료원에 필요한 기술개발을 목적으로 하고 있다. 연구를 위해 규산염 소재의 결합체가 가지는 고유한 성능과 단점을 보완하기 위한 방법들을 시도하고 있으며 이번 연구에서는 규산염과 고화재를 배합한 충전재료의 압축강도 관찰결과와 향후 연구 내용과 방법에 제한하여 기술하고 있다.
이 연구는 토목, 건축, 방재시설에 이용되는 충전재료원 개발에 필요한 기술 축적을 위한 것으로 충전재로 사용되는 탄산염계 시멘트의 높은 밀도와 충분한 강도를 발현하기까지 요구되는 재령시간을 단축한 재료원에 필요한 기술개발을 목적으로 하고 있다. 연구를 위해 규산염 소재의 결합체가 가지는 고유한 성능과 단점을 보완하기 위한 방법들을 시도하고 있으며 이번 연구에서는 규산염과 고화재를 배합한 충전재료의 압축강도 관찰결과와 향후 연구 내용과 방법에 제한하여 기술하고 있다.
물질의 결합재로 이용되고 있는 점토광물의 대부분은 규산염광물이 풍화되어 생성된 것이다. 이에 반해 이 연구에서는 산업광물로서 활성도가 높은 장석이 재료의 변형을 방지하는 역할과 화학작용에 대한 저항성, 기계적 강도 증가, 물질의 반응 촉진제 등으로 사용되는 것을 반영하여 결합 특성에 대한 예비적 연구를 수행하였다.

제안 방법

무기질의 결합재는 분말의 크기에 따라 비표면적과 입자내의 물리적 특성이 변화된다. 규산염 결합재의 입도와 압축강도의 상관성을 파악하기 위해 다공체 구조를 가진 활성장석과 메타카올린을 8:2로 배합하여 공시체를 제작하고 이를 건조 후 압축강도를 측정하였다. 장석과 메타카올린 분말은 볼밀을 이용하여 분체한 후 건식 분급기를 이용하여 크기에 따라 구분하였다.
규산염 광물 중 산출빈도가 높은 활성장석 분말과 수용성 고화재를 첨가한 공시체를 제작한 후 일축강도 강도변화를 관찰하였다.
일반포틀랜드시멘트와 활성장석분말, 고화재를 첨가하여 제작한 공시체의 일축압축강도를 측정하였다. 일반포틀랜드시멘트로 제작된 공시체의 압축강도는 12.
일축압축강도에 사용된 공시체의 표면조직과 화학조성을 주사전자현미경(SEM-EDS)으로 분석하였다(Fig. 6). 일반시멘트의 시편(Fig 6 (a))에 비해 고화재를 첨가한 시편(Fig 6 (b))과 규산염 분말을 첨가한 시편(Fig 6 (c))에서 입자 사이의 조직이 치밀해진 것을 볼 수 있다.
규산염 결합재의 입도와 압축강도의 상관성을 파악하기 위해 다공체 구조를 가진 활성장석과 메타카올린을 8:2로 배합하여 공시체를 제작하고 이를 건조 후 압축강도를 측정하였다. 장석과 메타카올린 분말은 볼밀을 이용하여 분체한 후 건식 분급기를 이용하여 크기에 따라 구분하였다.
점성토를 포함하는 연약지반의 토양시료를 대상으로 일반 시멘트 첨가량을 5%에서 30%까지 점진적으로 증가시켜가며 압축강도의 변화를 관찰하였고, 동일한 방법으로 수용성 고화재 0.5%를 첨가하여 압축강도를 측정하였다. 점성토 시료는 낙동강 하구의 조간대에 분포하는 점성토 지층의 토양시료를 채취하여 사용하였다.
지름과 높이를 3.5㎝와 4.1㎝로 만들어진 64개의 공시체를 28일 간 상온에서 건조하여 압축강도를 측정하였다. 점성토의 중량을 기준으로 시멘트의 첨가량에 비례하여 압축강도는 점진적으로 증가하였으며, 30% 첨가 시 최대 압축강도는 8.

대상 데이터

1 ㎝의 원통형 시편을 제작하였다. 사용한 탄산염계 시멘트는 KS L 5201의 규정에 적합한 S사 제품인 보통포틀랜드시멘트를 사용하였다. 수용성 고화재는 Table 2의 ②에 해당하는 고화재를 사용하였고, 공시체 전체 중량의 0.
사용한 탄산염계 시멘트는 KS L 5201의 규정에 적합한 S사 제품인 보통포틀랜드시멘트를 사용하였다. 수용성 고화재는 Table 2의 ②에 해당하는 고화재를 사용하였고, 공시체 전체 중량의 0.5%에 해당하는 분말형 무기질고화재를 용해하여 혼합하였다. 규산염결합재로 이용한 활성장석은 시멘트에 중량의 70%에 해당하는 무게만큼 혼합하였고, 입자의 평균입경은 80 ㎛로 하였다.
수용성 고화재와 활성장석 분말 결합재의 강도 특성을 파악하기 위한 공시체는 지름 3.5 ㎝, 높이 4.1 ㎝의 원통형 시편을 제작하였다. 사용한 탄산염계 시멘트는 KS L 5201의 규정에 적합한 S사 제품인 보통포틀랜드시멘트를 사용하였다.
연구에 사용한 장석은 풍화변질과정에 있는 화강섬록암 중 장석반정의 발달하는 암석을 채취하여 분말로 제작한 후 저온에서 소성하였다. Fig.
이 연구에 사용한 고화재는 무기질과 금속염류(Table 2의 ②), 구연산 등의 화합물로 제조되었고 토양과 수환경에 위해성이 높은 중금속과 독성원소를 포함하고 있지 않는 친환경적인 재료로 구성되어 있다(Table 2). 고화의 개념은 안정화보다는 고형화에 목적이 있으므로 무기질을 이용하는 것이 보다 적극적인 방법이 될 수 있다.
5%를 첨가하여 압축강도를 측정하였다. 점성토 시료는 낙동강 하구의 조간대에 분포하는 점성토 지층의 토양시료를 채취하여 사용하였다.

성능/효과

Table 5는 일반 포틀랜드시멘트와 고화재 및 규산염 분말을 첨가한 공시체의 SEM-EDS 화학조성을 나타낸 것으로 고화재가 첨가된 시편(B, C)은 고화재 성분 중 Na와 Cl가 검출되고 있다. 고화재를 중량 대비 0.5%로 일정하게 적용하였고 효과적인 배합을 위해 분산이 용이한 수용성 재료를 물에 희석하여 사용하였으나 분석 결과에서 다소의 차이를 보이고 있다. 고화재를 이용한 연약지반 개량이나 토양 안정재 이용 시 일정한 지반강도를 유지하기 위해서 주의가 요구된다.
고화재와 규산염 분말을 이용한 실험의 결과는 고화재가 결합공시체의 강도 증가에 기여하는 것을 지시한다. 규산염 분말을 결합재로 첨가한 시편의 압축강도가 시멘트에 고화재를 첨가한 시편에 비해 압축강도가 높지 않았으나 일반 시멘트에 비해 강도가 증가한 것을 알 수 있다. 제한된 숫자의 예비적 연구이기는 하나 활성도가 높은 장석이 물질의 결합재의 역할을 하는 것으로 판단된다.
규산염의 입경이 작아질수록 압축강도는 증가하는 경향을 보이며, 50 ㎛에서 최대 강도를 보였다(Fig. 10). 실험에 사용한 입자의 최소 입경인 20 ㎛의 경우 압축강도가 감소하였다.
1 MPa 범위의 압축강도가 측정되었다. 그 결과 고화재를 첨가한 시편의 압축강도는 일반시멘트에 비해 33% 정도 강도가 증가하였다. 포틀랜드시멘트의 중량 중 70%를 활성장석분말로 대체한 시편의 압축강도는 15.
이러한 실험 결과는 연구에 적용한 수용성 고화재가 강도개선에 효과적임을 지시한다. 또한 탄산염계 시멘트의 사용을 줄이고 기능을 개선하기 위해 적용한 활성장석이 일반포틀랜드시멘트를 대체하는 친환경 자원으로 활용될 수 있음을 확인할 수 있었다.
7배까지 압축강도가 증가하였다. 이러한 실험 결과는 연구에 적용한 수용성 고화재가 강도개선에 효과적임을 지시한다. 또한 탄산염계 시멘트의 사용을 줄이고 기능을 개선하기 위해 적용한 활성장석이 일반포틀랜드시멘트를 대체하는 친환경 자원으로 활용될 수 있음을 확인할 수 있었다.
6 MPa에 도달하였다. 이에 반해 고화재를 첨가한 시편은 시멘트 첨가량에 비례하여 압축강도가 증가하였으나 일반 시멘트와 달리 최대 압축강도가 14.9 MPa로 측정되었고, 일반시멘트 대비 1.7 배 증가하였다(Fig. 8).
일반포틀랜드시멘트에 수용성고화재를 0.5%첨가한 공시체의 일축압축강도는 33% 증가하였고, 시멘트 중량의 70%를 장석으로 대체한 공시체는 압축강도가 28% 증가하였다. 지반개량이 필요한 점성토에 시멘트와 시멘트-고화재를 혼합한 시편은 재령기간에 따라 최대 1.
1㎝로 만들어진 64개의 공시체를 28일 간 상온에서 건조하여 압축강도를 측정하였다. 점성토의 중량을 기준으로 시멘트의 첨가량에 비례하여 압축강도는 점진적으로 증가하였으며, 30% 첨가 시 최대 압축강도는 8.6 MPa에 도달하였다. 이에 반해 고화재를 첨가한 시편은 시멘트 첨가량에 비례하여 압축강도가 증가하였으나 일반 시멘트와 달리 최대 압축강도가 14.
경량기포만을 사용한 시편은 양생 6시간 이내에 수축과 입자의 분리 현상이 발생하여 공시체의 형태를 유지하지 못한 반면 고화재를 포함한 시편은 원통형의 공시체 형태를 유지하고 있고 입자의 분리현상이 나타나지 않는 것을 볼 수 있다. 즉 수용성 고화재가 전술한 바와 같이 입자의 결합력을 증가시키고 역학적 특성으로 하중지지력 증가와 내구성 중가에 기여하는 것을 알 수 있다. 현 단계에서 육안관찰에 의한 기능적 특성을 제시하고 있으나 경량재료원의 문제점과 이를 개선하기 위한 지속적인 시도가 필요하다.
그 결과 고화재를 첨가한 시편의 압축강도는 일반시멘트에 비해 33% 정도 강도가 증가하였다. 포틀랜드시멘트의 중량 중 70%를 활성장석분말로 대체한 시편의 압축강도는 15.4 ～ 18.2 MPa의 압축강도를 보였고 평균 압축강도는 일반포틀랜드시멘트에 비해 28% 증가하였다(Table 4).

후속연구

7). 고화재와 결합재의 비교 평가를 위해서 충분한 수량의 공시체 제작과 기포발생을 줄이기 위한 충분한 교반이 필요할 것으로 판단된다.
반면 Al과 Si는 각각 7%와 30% 정도로 탄산염의 시멘트에 비해 2-3배 높은 함량을 지시한다. 이러한 물질은 대표적인 포졸란 물질로서 탄산염계 시멘트에서 기원된 Ca(OH)₂와 반응하여 결합능 증가에 기여한 것으로 판단되며, 규산염의 포졸란 반응에 대한 지속적인 연구가 요구된다.
공시체의 제작 시 충분한 혼합과 교반을 거쳤으나 불균질 혼합이나 기포에 의한 강도 저감이 완전히 배제할 수 없으므로 50 ㎛의 입경이 규산염 결합재의 최적 입경으로 단정할 수 없다. 추후 지반개량의 개발에서 입도별 강도 특성에 대한 충분한 실험과 검증이 필요할 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	고화재의 분류는?	현재 개발되어 사용되고 있는 고화재의 형태는 분말형과 액상형으로 구분되며, 분말형은 비산이 발생하는 작업환경을 고려한 발진 억제형 고화재, 유동화처리공법에 사용되는 속경성고화재, 입상화 처리를 위한 고화재, 고화재의 성능향상을 고려한 초지경성 고화재와 초고유기질토용 고화재, 산업폐기물을 이용한 고화재 등이 있으며, 현장에서 물과 희석시켜 수용액 상태로 분사 혼합하는 방식의 액상형 고화재가 있다. 이러한 액상형 고화재는 수용액 상태로 혼합되기 때문에 혼합과정에서 함수비의 조절이 가능한 장점이 있다(Kang, 2015).
	넓은 의미에서 시멘트란?	광의의 시멘트는 물질과 물질을 접합하는 의미로 사용되나 건설용의 시멘트는 무기질의 결합경화제를 지칭한다. 이 중에서 시멘트는 흔히 석회석으로 통칭되는 방해석(calcite)을 기반으로 실리카, 알루미나산화철 등을 용융·소성하여 제조된 포틀랜드시멘트를 지칭하는 용어로 사용되고 있다.
	순화자원의 활용과 친환경적인 자원을 활용을 위한 대표적 연구는?	그러나 환경을 고려한 수요자들의 다양한 요구가 증가하는 추세에 있고 이에 부합하기 위한 순화자원의 활용과 친환경적인 자원을 활용하기 위한 다양한 연구가 시도되고 있다. 그 중 대표적인 것으로 규산염계 광물과 풍화에 의해 생성된 점토광물을 이용한 것과 탄산염계 시멘트에 비해 낮은 압축강도와 표면경도를 보완하기 위한 고화재 연구 등이 있다.

참고문헌 (15)

Brooks, J. J., and Megat Johari, M. A. (2001). "Effect og metakaolin on creep and shrinkage of concrete." Cement & Concrete Composites, Vol. 23, pp. 495-502.

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Choi, H. Y., Hwang, H. Z., and Kim, M. H. (1997). "An Experimental Study on the mechanism of the Red-Clay Reactions." Proceeding of Architectural Institute of Korea, Vol. 17, No. 2, pp. 1257-1261. (in Korean)
Deer, W. A., Howie, R. A., and Zussman, J. (2001). "Rock-Forming Minerals." Vol. 4A, 2nd eds., Framework Silicates; Feldspars and Their Reaction, Kluwer Academic Publicshers, pp. 221-269
Gleize, P. J. P., Cry, M, and Escadeillas, G. (2007). "Effects of metakaolin on autogenous shrinkage of cement pastes." Cement & Concrete Composites, Vol. 27, pp. 80-87.
Hwang, H. Z., Kim, J. G., and Yang, J. H. (2006). "A Study on the Chemical Properties and Strength Development of Regional Hwangto." Journal of the Korea Institute of Ecological Architecture and Environment, Vol. 6, No. 2, pp. 11-18. (in Korean)
Hwang, J. B., Yang, M. O., and Koo, M. S. (1996). "Extraction of Minerals and Elimination Effect of Heavy Metals in Water by Nohwado Quartz Porphyry (I)." Analytical Science & Technology, Vol. 9, No. 2, pp. 210-219. (in Korean)
Kang, Y. G. (2015). "A Study on the Mechanical Performance Improvement of Hwangto Compacted Structure by Mixing Solidifications." Doctor Thesis. Department of Architectural Engineering, Gyeongsang National University, Gyeongsangnam-do, Korea. (in Korean)
Lee, H. J., Bae, S. H., Kwon, S. O., Lee, K. M., and Jeon, J. T. (2015). "Resistance against Chloride Ion and Sulfate Attack of Cementless Concrete" J. Korean Soc. Adv. Comp. Struc., Vol. 6, pp. 63-69. (in Korean)

원문보기 상세보기
Lee, M. A., Kim, S. W., Choi, D. K., Park, L. K., and Kim, T. H. (2012). "Effect of Curing Temperature on the Strength Characteristics of lightweight Air-Trapped soil." Journal of the Korean geotechnical society. Vol. 20, No. 9, pp. 125-131. (in Korean)
Lee, S. H., Jung, Y. W., Jang, S. S., Yeo, I. D., and Choi, J. O. (2010). "Strength Properties of Loess Mortar Using Eco-friendly Loess Binder." Conference of Korea Concrete Institute. pp. 285-286. (in Korean)
Park, J. K., and Lee, K. J. (2000). "Current Status of the Nanotechnology Development." Trends in Metals & Materials Engineering, Vol. 13, No. 2, pp. 38-52. (in Korean)
Parsons, I. (1994). "Feldspars and Their Reaction." Kluwer Academic Publicsher, 650p
Smith, J. V., and Brown, W. L. (1988). "Feldspar Minerals." Springer-Verlag. 828p.
Song, J. H. (2009). "Analysis of Compressive Strength of Lightweight Air-Mixed soil according to the Properties of Soil." Master Thesis. Department of Civil Engineering, Pusan National University, Busan, Korea. (in Korean)
Yoon, G. L., and You, S. K. (2004). "Strength and Deformation Characteristics of Lightweight Foamed Soil Using In-situ Soil." Journal of the Korean Geotechnical Society. Vol. 20, No. 9, pp. 125-131. (in Korean)

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표제어: PCR

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용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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