활성황토를 혼입한 모르터의 물리적특성에 관한 연구 = A Study on the Physical Properties of Mortar mixing Activated Hwangtoh

국문 초록 (Abstract)

현재 구미ㆍ일본 등 선진국에서는 친환경적 측면에서의 시멘트 사용량을 줄이는 방안이 제기되고 있으며, 자원의 순환적 재활용과 환경 친화적인 재료의 개발 등을 통해 시멘트의 환경부하를 저감하기 위한 대체자원의 개발연구가 진행되고 있다.
황토는 우리나라 전통건축에 있어서 돌, 나무와 함께 온돌바닥 및 벽체, 미장재료로 활용되어 온 대표적인 전통 건축재료 중의 하나로써, 활성화를 통한 포졸란 반응성, 높은 축열성, 자정력, 탈취 및 항균성능, 인체에 유익한 원적외선 방사 등의 장점을 가진 대표적인 친환경 재료이다. 또한 우리나라는 세계적으로 유명한 고령토의 산지이며 질적으로 우수한 황토가 풍부하게 매장되어 있어 국내 수급이 용이하고 그 활용 및 개발 조건이 유리한 원료이다. 하지만 현재 그 활용방안이 다각적인 측면에서 연구되고 있으나, 개기공으로 되어 있어 큰 수축에 의한 균열, 낮은 강도특성 등의 결점으로 인해 현대적 건축 재료로의 자원화 개발이 되지 못한 실정이다.
그러므로 천연포졸란 성질을 갖고 있는 활성황토의 재료특성과 장점을 활용하여 공동주택 바닥마감 및 조적, 타일, 미장공사 등 현재 건축 비구조재로 광범위하게 사용되고 있는 시멘트 모르터에 혼화재로써 적용하여 사용한다면 현대적 건축 재료로서의 큰 의의가 있다고 할 수 있다.
이와 같은 관점에서 본 연구에서는 환경문제의 개선 및 친환경성의 증진을 위한 시멘트 대체재로서의 황토의 건축적 활용가능성을 높이기 위하여, 천연 포졸란재료인 황토의 다양한 활성화 조건 및 배합ㆍ양생조건에 따른 활성황토 모르터의 물리적특성에 관한 기초적 연구를 수행하였다. 이에 황토를 활용한 모르터의 물성 영향인자 및 수준 설정을 통해, 황토 활성화 및 배합인자 조건으로서 소성온도, 소성시간, 황토분말도, 냉각방식, 대체율, 물시멘트비(W/C), 잔골재 종류 및 평균입경, 양생방법에 따른 모르터의 경화 전, 경화 후 물리적특성에 대해 비교분석을 실시함으로써, 활성황토 모르터의 물성영향인자에 대한 상관관계 분석과, 최적 활성화 및 배합 조건의 규명을 통하여 활성황토 혼입 모르터의 재료공학적 연구 데이터 마련 및 활용가능성을 제시하고자 하였다.
본 연구를 통해 도출된 결론은 다음과 같다.
(1) 황토의 열반응 분석결과 1차적으로 450~470℃에서 흡열반응이 나타난 후 600℃부근에서 황토의 중량이 다시 증가한 점으로 미루어, 1차적인 황토의 활성화 시작온도는 500℃미만 활성화가 가속화되는 범위는 600℃일 것으로 판단된다. 단, 1,050℃ 이상의 온도에서는 황토가 고상반응을 나타낸 바, 플로우값이 현저하게 저하되고 내부 공극이 다소 많이 발생함에 따라 압축강도의 저하를 가져와 건축적 적용을 위한 활성화 온도로는 부적합할 것으로 사료된다.
(2) SEM 분석을 통한 모르터의 미시수화구조 분석결과 800℃에서 활성화시킨 활성황토 모르터에서 포졸란반응이 높게 나타남에 따라 치밀한 C-S-H 구조를 보였고, 건조수축률은 DI=1.05로 최소치를 나타냈다. 또한 압축강도는 활성온도 800~850℃에서 표준모르터에 비해 FI=1.18로 18%가 증가하며 가장 높게 나타났다. 이에 모르터에 활용하기 위한 황토의 최적 활성온도 범위는 800~850℃가 적당할 것으로 판단된다.
(3) 황토분말도 3수준별 황토의 활성시간에 따른 모르터의 물리적특성에 있어 황토분말도 13㎛일때 FI=1.26, 활성시간 1시간 조건일 때 FI=1.51로 가장 치밀한 C-S-H구조를 보이며 압축강도 측면에서 가장 높게 나타난 바, 황토분말도는 13㎛의 범위, 활성시간은 1시간이 모르터의 성능 면에서 가장 적정한 조건이라 판단된다.
(4) 황토분말도별 냉각방식과 대체율에 따른 모르터의 물리적특성 분석결과, 냉각방식에 따른 플로우는 비슷한 수준을 보였으나 압축강도는 급랭시킨 황토가 10%정도 높게 나타난 바, 급랭시킨 황토일수록 활성화상태가 양호한 것으로 판단된다. 또한 황토대체율 20%에서 시멘트수화구조가 치밀해지고 압축강도 영향계수가 높게 나타난바, 적정 황토대체율의 범위는 20% 범위일 것으로 판단된다.
(5) 황토분말도별 잔골재 평균입경에 따른 모르터의 물리적특성 분석결과, 물성영향계수를 고려할 경우 압축강도의 발현을 높이고 적정 플로우값 및 건조수축률의 확보를 위해서는 2.36mm 범위의 잔골재를 사용하는 것이 가장 바람직하다고 판단된다.
(6) 황토분말도별 물시멘트비에 따른 모르터의 물리적특성 분석결과, 적정 플로우값을 얻기 위한 물시멘트비는 60~70%(SI=0.71~0.96), 건조수축률은 50% (DI=0.80), 압축강도는 동일 황토분말도 조건하에서 50%~60%(FI=1.49~1.35)일 때 가장 양호하게 나타나, 활성황토 모르터의 물성측면에서 물시멘트비 60%일때 일반 표준모르터보다 35% 이상 압축강도를 더 확보할 수 있으며, 소기의 플로우값 및 건조수축변화율도 기대할 수 있을 것으로 판단된다.
(7) 모르터 배합 후 양생조건에 따른 활성황토 모르터의 압축강도특성 분석결과, 수중양생에 비해 대기 중에서 양생시킨 모르터의 압축강도가 10%~15% 정도 감소하는 것으로 나타나 활성황토 모르터의 시공시 대기양생이 적용될 경우 적정품질과 강도발현을 확보하기 위하여 적절한 보양 및 양생방법 등의 개선방안 이루어져야 할 것으로 판단된다.
(8) 압축강도에 영향을 미치는 실험변수요인별 상관계수 분석결과, 활성온도에서는 800℃미만이 r=0.92, 800℃이상이 r=-0.97, 활성시간에서는 r=0.89, 황토의 대체율에서는 r=0.69로 압축강도 상관성이 높게 나타난 바, 모르터 배합 시 이들 조건에 대한 신뢰수준은 높게 평가될 것으로 판단된다.
(9) 모르터의 혼화재로써 활용하기 위한 황토의 활성화 조건으로는 활성온도 800~850℃, 활성시간 1시간, 냉각방식은 급랭방식이 개별 변수요인별 적정조건이라 판단된다. 또한 모르터의 배합 및 양생조건에서는 황토분말도 13㎛, 대체율 20%, 잔골재 종류는 강사, 잔골재 평균입경 2.36mm, 물시멘트비 60%(작업성 고려), 양생방식에서는 수중양생이 적정 조건이라 판단된다.

목차 (Table of Contents)

• 제1장 서 론 1
• 1.1 연구의 배경 및 목적 1
• 1.2 연구의 범위 및 방법 3
• 1.3 논문의 구성 4
• 제2장 시멘트 수화반응과 황토에 관한 이론적 고찰 6
• 2.1 시멘트화합물 및 수화반응 6
• 2.1.1 시멘트화합물 6
• 2.1.2 시멘트 수화반응 10
• 2.1.3 수화 시멘트풀의 구조 14
• 2.2 포졸란재료의 특성 18
• 2.2.1 포졸란재료의 개요 18
• 2.2.2 포졸란재료의 종류와 특성 20
• 2.3 황토와 활성화반응 27
• 2.3.1 황토의 일반적 고찰 27
• 2.3.2 황토의 활성화반응 32
• 제3장 활성황토를 혼입한 모르터의 물성 실험 34
• 3.1 개요 34
• 3.2 실험계획 및 방법 35
• 3.2.1 실험계획 35
• 3.2.2 사용재료 36
• 3.2.3 실험방법 40
• 제4장 활성황토 혼입 모르터의 물리적특성 분석 48
• 4.1 황토활성화 조건별 모르터 특성 48
• 4.1.1 활성온도 48
• 4.1.2 활성시간 52
• 4.1.3 황토분말도별 냉각방식과 대체율 56
• 4.2 배합 및 양생조건별 모르터 특성 60
• 4.2.1 잔골재 종류 및 평균입경 60
• 4.2.2 물시멘트비(W/C) 64
• 4.2.3 양생조건 66
• 4.3 종합적 고찰 68
• 4.3.1 압축강도 영향인자간 상관관계 68
• 4.3.2 적정 황토활성화 조건 70
• 4.3.3 적정 배합 및 양생조건 71
• 제5장 결 론 74
• 참고문헌 77
• Abstract 81