흡수성 물질과 초기 밀봉양생이 황토 모르타르의 건조수축과 압축강도에 미치는 영향 Effect of Absorbent Materials and Initial Sealed Curing on Drying Shrinkage and Compressive Strength of Hwangtoh Mortar원문보기
이 연구에서는, 우리나라 전통 건축재료 중 하나인 천연 황토 모르타르에 사용되어 온 해초풀과 현대적 재료인 고흡수성수지(Superabsorbent Polymer, SAP)와 같은 흡수성 물질이 이러한 모르타르의 건조수축과 압축강도에 미치는 영향이 조사되었다. 흡수성 물질과 더불어 문화재표준시방서에서 권고하는 초기 밀봉양생의 효과 역시 검토되었다. 실험에 의한 28일 압축강도와 수렴한 건조수축 변형율의 검토 결과, 우선 초기 7일간의 밀봉 양생은 강도향상과 수축저감에 효과적이었다. 따라서, 문화재표준시방서의 권고는 합리적이며 실효성이 있는 것으로 검증된다. 흡수성 물질의 혼입 역시 두 재료특성에 있어 효과적인데, 그 효과는 물질들의 흡수 능력에 의존한다. 따라서, 흡수 능력이 더 높은 SAP을 사용하는 것이 해초풀을 사용하는 것보다 더 효과적이다. 그러나, 이러한 것들이 유효하기 위해서는 초기 밀봉양생과 물이 추가되지 않는 조건들이 함께 따라야 한다. 마지막으로, 황토 모르타르의 압축강도의 증가는 건조수축의 감소와 선형적으로 관계한다. 이러한 선형 상관성에 의해, 초기밀봉 양생 또는 흡수성 물질의 혼입에 따른 모르타르의 압축강도 증가하는 원인이 정량적으로 설명될 수 있다.
이 연구에서는, 우리나라 전통 건축재료 중 하나인 천연 황토 모르타르에 사용되어 온 해초풀과 현대적 재료인 고흡수성수지(Superabsorbent Polymer, SAP)와 같은 흡수성 물질이 이러한 모르타르의 건조수축과 압축강도에 미치는 영향이 조사되었다. 흡수성 물질과 더불어 문화재표준시방서에서 권고하는 초기 밀봉양생의 효과 역시 검토되었다. 실험에 의한 28일 압축강도와 수렴한 건조수축 변형율의 검토 결과, 우선 초기 7일간의 밀봉 양생은 강도향상과 수축저감에 효과적이었다. 따라서, 문화재표준시방서의 권고는 합리적이며 실효성이 있는 것으로 검증된다. 흡수성 물질의 혼입 역시 두 재료특성에 있어 효과적인데, 그 효과는 물질들의 흡수 능력에 의존한다. 따라서, 흡수 능력이 더 높은 SAP을 사용하는 것이 해초풀을 사용하는 것보다 더 효과적이다. 그러나, 이러한 것들이 유효하기 위해서는 초기 밀봉양생과 물이 추가되지 않는 조건들이 함께 따라야 한다. 마지막으로, 황토 모르타르의 압축강도의 증가는 건조수축의 감소와 선형적으로 관계한다. 이러한 선형 상관성에 의해, 초기밀봉 양생 또는 흡수성 물질의 혼입에 따른 모르타르의 압축강도 증가하는 원인이 정량적으로 설명될 수 있다.
This study investigates the effect of the absorbent materials on the material properties(compressive strength and drying shrinkage) of natural hwangtoh mortar which is one of the traditional building material in Korea. The absorbent materials used are seaweed paste and Super-Absorbent Polymer(SAP). ...
This study investigates the effect of the absorbent materials on the material properties(compressive strength and drying shrinkage) of natural hwangtoh mortar which is one of the traditional building material in Korea. The absorbent materials used are seaweed paste and Super-Absorbent Polymer(SAP). In addition to the absorbent materials, the initial sealed curing recommended by the standard specification of properties for Korean traditional building materials is also a main interest of this study. Based on the test results of 28 days compressive strength and converged drying shrinkage, it is confirmed that the initial sealed curing for 7 days is effective to reduce the drying shrinkage and to enhance the compressive strength. Thus, it is verified that the recommendation is reasonable and has positive effects on the properties of the mortar. Next, the test results show that the addition of absorbent materials into the mortar is also effective to the two properties depending on their absorption capacity. Thus, it is more effective to use SAP than the seaweed paste because of higher absorption capacity. However, both the initial sealed curing and keeping total water contents of the mortar are required to show this effectiveness. Lastly, the compressive strength is inversely proportional to the drying shrinkage. By using this relation, the reason of the increase of compressive strength due to the initial sealed curing or the addition of absorbent materials is quantitatively explained.
This study investigates the effect of the absorbent materials on the material properties(compressive strength and drying shrinkage) of natural hwangtoh mortar which is one of the traditional building material in Korea. The absorbent materials used are seaweed paste and Super-Absorbent Polymer(SAP). In addition to the absorbent materials, the initial sealed curing recommended by the standard specification of properties for Korean traditional building materials is also a main interest of this study. Based on the test results of 28 days compressive strength and converged drying shrinkage, it is confirmed that the initial sealed curing for 7 days is effective to reduce the drying shrinkage and to enhance the compressive strength. Thus, it is verified that the recommendation is reasonable and has positive effects on the properties of the mortar. Next, the test results show that the addition of absorbent materials into the mortar is also effective to the two properties depending on their absorption capacity. Thus, it is more effective to use SAP than the seaweed paste because of higher absorption capacity. However, both the initial sealed curing and keeping total water contents of the mortar are required to show this effectiveness. Lastly, the compressive strength is inversely proportional to the drying shrinkage. By using this relation, the reason of the increase of compressive strength due to the initial sealed curing or the addition of absorbent materials is quantitatively explained.
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문제 정의
이와 같이 연구에서는 천연 황토를 이용하는 문화재 공사 및 전통주택 공사에 있어 초기 밀봉양생의 필요성을 실험으로 입증하였고, 해초풀과 같이 전통적으로 사용되고 있던 흡수성 물질의 원리 및 성능을 정량적이고 체계적으로 분석 및 평가하였다. 그리고, 이러한 기능을 현대화 및 대체할 수 있는 재료의 선택과 대체 가능성을 확인하였다. 마지막으로 천연 황토 모르타르의 건조수축-압축강도 상관성 도출에 의해 W/B의 감소, 초기의 밀봉양생, 그리고 흡수성 물질의 혼입과 같은 건조수축 저감 전략이 압축강도 증가에도 효과적이라는 것을 제시하였다.
시편 이름 중 R은 기본 시편을 의미하며, R+We는 흡수성 물질이 혼입된 것(AA 시편)과 동일한 양의 물이 포함된 기본 시편으로, 동일한 조건에서 흡수성 물질의 흡수성능이 황토 모르타르에 미치는 영향을 알아보기 위해 계획되었다. AA와 AM은 각각 SAP이 첨가된 시편을 의미하며, SP는 해초풀이 혼입된 시편을 의미한다.
이 연구에서는 천연 황토 모르타르에 사용되고 있는 흡수성 물질과 초기 밀봉양생 조건이 그것의 압축강도와 건조수축에 어떠한 영향을 얼마나 미치는지 실험을 통해 조사하였다. 흡수성 물질로 전통적 재료인 해초풀과 현대적 재료인 SAP이 선택되었으며, 초기밀봉 양생은 문화재표준시방서에 따라 7일로 결정되었다.
이 연구의 건조수축 측정결과에 따라, 천연황토 모르타르의 극심한 건조수축을 효과적으로 저감시키기 위해서 우선적으로 고려되어야 할 사항은 포함되는 물의 양을 줄이는 것이다. 다음으로, 밀봉 양생을 통한 재령초기의 수분증발 방지이며, 마지막으로 흡수성 물질의 혼입을 통한 수분건조의 완화가 고려되어야 한다.
이러한 배경에서 이 연구에서는 해초풀, SAP과 같은 흡수성 물질의 혼입이 황토 모르타르의 건조수축과 압축강도에 미치는 영향을 조사하였다. 흡수성 물질의 혼입과 더불어, 초기 밀봉양생이 황토 모르타르의 최종 재료성능에 미치는 영향 역시 조사되어야 하므로 함께 고려되었다.
따라서, 흡수성능은 SAP-AM > SAP-AA > 해초풀(SP) 순서인 것을 Table 2를 통해 확인 할 수 있다. 한편, 또 다른 기본시편인 R+We가 계획된 이유는, 혼입된 물의 양이 동일한 조건에서 첨가제에 의한 흡수성능이 황토 모르타르의 재료특성에 미치는 영향을 확인하기 위해서이다.
가설 설정
따라서 SAP이 첨가되는 배합(AA, AM)의 경우 SAP의 흡수속도를 고려하여 믹싱시간을 포함, 물을 투입하고 10분이 지난 후에 타설 하였다. 유동성 측정도 이 때 수행하였으며, 물과 접촉 한 지 10분 이후에는 유동성 감소가 없는 것으로 가정하였다.
제안 방법
이러한 관계는 밀봉양생 적용시 압축강도가 증가한 원인에도 동일하게 적용된다. Fig. 7과 같은 증가와 감소간의 상관성 뿐만 아니라, 황토 모르타르의 압축강도는 전체 건조 수축량과 밀접한 관련이 있을 가능성이 매우 높기 때문에, 이어서 추가적인 분석을 진행하였다.
대기노출(기건양생) 시점부터 7일째 까지 24시간 단위로, 최초 40×40×160 mm3 크기로 제작된 시편의 길이를 버니어 켈리퍼스로 측정하였다.
3(c), (f))은 가장 빨리 탈형 할 수 있는 재령 1일째로 하였고, 이때 바닥면을 제외한 모든 면이 대기와 접촉하도록 하였다. 반면, 밀봉된 시편은 수분손실을 차단하기 위해 재령 7일째 밀봉 제거 및 탈형을 진행 하였다. 한편, 건조수축 시편의 경우 구속 조건을 배제하기 위해 탈형 전·후를 포함한 양생 전 과정에서 시편이 몰드와 접촉하는 모든 면에 테프론 시트가 사용되었다(Fig.
배합이 종료된 모든 황토 모르타르를 각 시편제작을 위한 몰드에 다짐하여 채운 후 즉시 20±2°C, 60±5% 조건인 항온·항습기에 넣고 측정일까지 양생하였다.
건조수축과 압축강도 측정을 위한 시편은 KS L 5105(KATS, 2007) 규격을 만족하는 5리터 급 모르타르 믹서를 사용하여 제작되었다. 우선 결합재인 황토와 소석회 그리고 잔골재인 모래를 모두넣고 30초간 건비빔한 후 물을 넣고 30초간 저속, 2분간 고속으로 혼합하였다. 흡수성 물질의 혼입은 제공되는 상태에 따라 다르게 진행되었다.
)은 식 (1)과 같이, 타설시 최초 길이인 160 mm에서 측정된 시편의 길이를 뺀 값으로 결정되었다. 이때 각 시편의 상부와 하부의 수축정도가 서로 다를 수 있으므로, Fig. 4와 같이 최상부(lt)와 최하부(lb) 측정값의 평균을 1회 측정값으로 적용하였다.
흡수성 물질의 혼입과 더불어, 초기 밀봉양생이 황토 모르타르의 최종 재료성능에 미치는 영향 역시 조사되어야 하므로 함께 고려되었다. 이와 같은 연구목적을 달성하기 위해, SAP 또는 해초풀이 혼입된 황토 모르타르의 압축강도 및 건조수축이 초기밀봉 여부에 따라 측정되었고, 결과들을 분석하고 고찰하였다.
이와 같이 연구에서는 천연 황토를 이용하는 문화재 공사 및 전통주택 공사에 있어 초기 밀봉양생의 필요성을 실험으로 입증하였고, 해초풀과 같이 전통적으로 사용되고 있던 흡수성 물질의 원리 및 성능을 정량적이고 체계적으로 분석 및 평가하였다. 그리고, 이러한 기능을 현대화 및 대체할 수 있는 재료의 선택과 대체 가능성을 확인하였다.
결합재(황토와 소석회 합) 대비 잔골재의 비율은 예비실험을 통해 3으로 결정되었다. 첨가제인 해초풀과 SAP의 비율은 흡수성능과 기존연구를 참고하여 각각 결합재 중량의 4%(Kim et al., 2010)와 0.4%(Kang et al., 2016)로 결정하였다. 유동성 시험은 KS L 5111(KATS, 2007)에 따라 진행되었으며, 작업성 확보에 필요한 목표 플로우는 170±5 mm로 설정되었다.
대상 데이터
건조수축과 압축강도 측정을 위한 시편은 KS L 5105(KATS, 2007) 규격을 만족하는 5리터 급 모르타르 믹서를 사용하여 제작되었다. 우선 결합재인 황토와 소석회 그리고 잔골재인 모래를 모두넣고 30초간 건비빔한 후 물을 넣고 30초간 저속, 2분간 고속으로 혼합하였다.
두 재료들의 성분분석 결과를 Table 1에 제시하였다. 잔골재로 KS L ISO679(시멘트 강도 시험 방법)(KATS, 2006)에 명시된 ISO 표준사가 사용되었다.
황토 모르타르의 제조를 위해 Fig. 2에 제시된 6 가지 재료들과 물(서울시 상수도)이 사용되었다. 황토는 전북 고창산 적황토 분말이고, 소석회는 공업용 1등급 이다.
이 연구에서는 천연 황토 모르타르에 사용되고 있는 흡수성 물질과 초기 밀봉양생 조건이 그것의 압축강도와 건조수축에 어떠한 영향을 얼마나 미치는지 실험을 통해 조사하였다. 흡수성 물질로 전통적 재료인 해초풀과 현대적 재료인 SAP이 선택되었으며, 초기밀봉 양생은 문화재표준시방서에 따라 7일로 결정되었다. 이러한 연구결과는 다음과 같이 요약된다.
흡수성 재료인 해초풀은 국내 L사에서 구입하였으며, 사용된 SAP은 국내에서 제조 및 유통되는 Acrylic acid(AA)와 Acrylamide(AM)형 제품으로 종류가 서로 다르다. Fig.
이론/모형
또한 각 시편들은 다시 초기밀봉 조건에 따라 기건 또는 밀봉양생으로 구분된다. 문화재수리표준시방서(Cultural Heritage Administration, 2014)에 따라 초기밀봉 양생 기간은 7일로 결정하였다.
유동성 시험은 KS L 5111(KATS, 2007)에 따라 진행되었으며, 작업성 확보에 필요한 목표 플로우는 170±5 mm로 설정되었다.
천연황토 모르타르는 콘크리트 보다는 점토와 가까운 재료 특성을 나타내기 때문에 KS L 4004(KATS, 1997)와 같은 점토의 건조수축 측정법을 따랐다. 대기노출(기건양생) 시점부터 7일째 까지 24시간 단위로, 최초 40×40×160 mm3 크기로 제작된 시편의 길이를 버니어 켈리퍼스로 측정하였다.
성능/효과
1) 황토 모르타르의 건조수축은 타설 후 3일 만에 수렴에 근접할 정도로 빠르게 진행되며, 그것에 의한 길이 변형율은 2% 내외로 시멘트 기반 건설재료와 비교할 때 10배 이상으로 높은 수치를 나타낸다. 압축강도 역시 0.
2) 초기 7일간의 밀봉양생은 황토 모르타르의 건조수축과 압축강도에 있어 긍정적인 영향을 미쳤다. 따라서, 문화재수리표준시방서에 명시된 초기양생은 필요한 절차이다.
3) 흡수성 물질의 혼입은 건조수축 저감과 압축강도 향상에 효과를 보였으며, 해초풀 보다는 흡수능력이 더 우수한 SAP이 더 효과적이었다. 그러나, 이러한 효과가 유효하기 위해서는 초기밀봉이 수행되어야 하고, 모르타르에 포함되는 물의 양이 증가 되어서는 안된다.
4) 건조수축과 압축강도의 선형 상관성이 확인되었다. 이러한 상관성은, 천연 황토 모르타르처럼 수화반응성이 극히 낮은 재료에서 건조수축에 의한 균열증가는 결국 압축강도의 하락으로 연결되는 것을 의미한다.
그리고, 이러한 기능을 현대화 및 대체할 수 있는 재료의 선택과 대체 가능성을 확인하였다. 마지막으로 천연 황토 모르타르의 건조수축-압축강도 상관성 도출에 의해 W/B의 감소, 초기의 밀봉양생, 그리고 흡수성 물질의 혼입과 같은 건조수축 저감 전략이 압축강도 증가에도 효과적이라는 것을 제시하였다.
한편, 흡수성 물질의 혼입 효과는 초기밀봉 조건에 의존하는데, 초기밀봉 적용시 그것에 의한 수축저감이 더욱 효과적인 것으로 나타났다. 우선, AA 시편의 경우 초기밀봉이 적용되지 않은 경우 R+We 대비 11%의 수축저감 효과를 보였고, 초기 밀봉 적용시 13%의 저감효과를 보였다. 즉, 밀봉적용시 수축 저감율이 2% 더 상승한다.
, 2016). 이 연구에서는 흡수성 물질의 혼입에 의한 황토 모르타르의 내부양생 성능은 초기 밀봉양생을 전제조건으로 한다는 것을 새롭게 확인하였다. 그러나, 흡수성 물질에 의한 내부양생이 강도향상에 효과적이기 위해서는 앞에서 언급했듯이 포함되는 물의 양이 증가되어서는 안된다.
2%의 건조수축 저감율을 보였다. 이러한 결과를 통해 황토 모르타르의 경화가 진행되지 않은 상태에서 수분증발을 허용할 경우 건조수축은 더욱 극심하게 발생할 수 있는 것을 수치적으로 확인할 수 있다. 따라서 서론에서 언급한 대로 문화재수리표준시방서에 따른 7일간의 초기양생은 황토 모르타르의 과도한 건조수축을 완화하기 위해 필요한 절차인 것으로 확인된다.
그러나, 작업성 확보를 위해 물이 더 추가될 경우, 이러한 저감효과 보다 W/C 증가로 인한 건조수축 증가가 더욱 지배적이므로 흡수성 물질의 혼입이 효과적이지 않을 수 있다. 이러한 결론은 비록 흡수성 물질을 포함하지 않지만, W/B가 가장 낮은 R 시편의 건조수축이 모든 시편 중 가장 낮은 결과를 통해 도출된다. 따라서 흡수성 물질을 혼입하여 건조수축을 효과적으로 저감시키기 위해서는 작업성 확보를 위해 물을 증가시키는 방법이 아닌다른 전략이 필요하다.
그리고 SAP의 흡수력이 높을수록 증가하는 공극율 역시 높다. 이러한 공극율 증가에도 불구하고, 초기밀봉 양생 적용시 AM 시편은 초기의 습윤 상태 유지 또는 내부양생이 강도발현에 유리하게 작용하여 R+We 시편의 압축강도 보다 34.5% 더 높았다.
1 mm) 내에서 3일간 변화가 없을 경우 건조수축이 수렴된 것으로 판단하였다. 이러한 기준에 따라 모든 시편을 고려하여 최종 건조수축 변형율은 밀봉 제거 후 7일째로 결정되었다.
천연 황토 모르타르의 건조수축 변형이 이들 재료들과 비교될 때 급속하게 진행되고, 변형량도 상당한 것을 확인할 수 있다. 개기공으로 되어 있어 수분 증발에 매우 유리한 조건을 가지고 있는 황토의 구조 때문에(Choi et al.
한편, 흡수성 물질의 혼입 효과는 초기밀봉 조건에 의존하는데, 초기밀봉 적용시 그것에 의한 수축저감이 더욱 효과적인 것으로 나타났다. 우선, AA 시편의 경우 초기밀봉이 적용되지 않은 경우 R+We 대비 11%의 수축저감 효과를 보였고, 초기 밀봉 적용시 13%의 저감효과를 보였다.
후속연구
이러한 배경에서 이 연구에서는 해초풀, SAP과 같은 흡수성 물질의 혼입이 황토 모르타르의 건조수축과 압축강도에 미치는 영향을 조사하였다. 흡수성 물질의 혼입과 더불어, 초기 밀봉양생이 황토 모르타르의 최종 재료성능에 미치는 영향 역시 조사되어야 하므로 함께 고려되었다. 이와 같은 연구목적을 달성하기 위해, SAP 또는 해초풀이 혼입된 황토 모르타르의 압축강도 및 건조수축이 초기밀봉 여부에 따라 측정되었고, 결과들을 분석하고 고찰하였다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
알긴산이란?
, 1998). 알긴산은 해조 다당류의 일종으로 1,4-linked α-Lguluronic acid(G)와 1,4-linked β-D-mannuronic acid(M)로 이루어진 다당 폴리머(copolymer) 물질이다(Joo et al., 1995).
황토 모르타르의 높은 흡수성으로 인해 건조수축 변형이 크게 발생할 경우 어떤 문제가 발생할 수 있는가?
, 2010). 높은 건조수축은 황토-목재 간 경계부의 틈과 균열을 발생시키고(Kim et al., 2004), 결국 단열성능을 저하시켜 주택의 열손실을 증가 시킬 수 있다(Hwang, 2011).
황토의 특징 및 장점은?
, 2014). 그 중에서도 황토는 우리나라의 건축 역사와 함께 이어져 내려온 전통 재료이면서, 시멘트처럼 제조 과정에서 이산화탄소를 발생시키지 않는 친환경 재료이다. 더불어 축열성, 자정력, 탈취 및 향균 능력이 뛰어나며, 온돌을 통한 난방시 난방열이 황토 바닥을 통과하는 과정에서 인체에 유익한 원적외선을 방출하는 것으로 알려져 있다(Heo et al., 2014;Lee, 2006; Seong, 2007).
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