1. 서    론

산업의 발전과 더불어 건설기술도 비약적인 발전을 하고 있지만 건설재료는 아직까지 시멘트, 콘크리트, 강재, 및 목재가 주종을 이루고 있다. 현대의 건축 구조물에 가장 널리 사용되고 있는 재료 중의 하나인 시멘트 콘크리트는 경제적이고, 재료를 비교적 쉽게 구할 수 있으며 형상가공의 용이성과 적당한 압축강도가 쉽게 얻어지는 이유로 건축, 토목 재료로서 광범위하게 사용되고 있다.

시멘트는 건축재료 중에서도 현대 건축문화 발전에 이바지 하였으나, 제조 과정에서 사용되는 높은 에너지와 다량의 CO₂를 배출하는 것으로 알려져 심각한 환경오염의 원인이 되고 있으며 이산화탄소를 가장 많이 배출하는 공정은 시멘트 클링커 공정으로 알려지고 있다.^1,2) 시멘트제조 시에 발생되는 이산화탄소 때문에 시멘트는 공해로 인식되고 있으며 이에 따라 시멘트 산업에서도 이산화탄소를 줄이기 위한 연구들이 진행되고 있다. 이러한 환경문제들을 저감하기 위한 목적과 건강에 대한 현대인들의 관심이 높아짐에 따라, 인체에 유익한 친환경적인 건축 재료의 연구와 개발이 활발하게 이루어지고 있다. 이 중 황토에 관한 연구가 많이 진행되고 있으나 강도적인 측면과 건조수축에 의한 균열, 특히 황토의 물에 약한 성질 등으로 황토의 활용도는 미비하고 한정적인 실정이다. 최근에 전통적 재료인 황토에 관련된 많은 연구들이 진행되고 있으며 이에 따른 건축 재료도 개발되고 있다.³⁾ 하지만 생산성, 경제성 등의 성능을 충족시키지 못하는 재료에만 국한되어 개발이 되고, 효용에 대한 일반적인 내용이거나 황토에 첨가물을 혼입하여 압축강도 및 유동성 증진 등 성능개선을 위해 사용하는 다양한 혼화재료의 혼입과 이에 따른 친환경성능의 변화에 관한 연구는 거의 전무한 실정이다. 또한 황토의 가장 큰 단점인 강도 발현을 충족하기 위해서 높은 에너지를 소비하는 소성 과정을 통하여 소성 황토를 사용하거나, 시멘트를 혼입 및 화학접착제를 사용한 환경 친화성이 전혀 없는 황토 제품들이 출시되고 있는 상황이다. 따라서 이 연구에서는 환경 친화적이며 수급이 용이한 천연재료 본연의 성질을 지니고 있는 비소성 황토와 산업부산물을 활용하여 현대재료와 동등한 역학적 성능을 발휘 할 수 있는 친환경 무시멘트 비소성 황토 모르타르를 개발하여 미래에 시멘트를 대체할 수 있는 건축재료로서 기초적 특성을 제시하고자 한다.

2. 실험계획 및 방법

2.1 사용재료

2.1.1 시멘트 및 잔골재

이 연구에서 사용된 시멘트는 KS L 5201에 규정된 국내 C사의 1종 보통 포틀랜드 시멘트를 사용하였으며, 잔골재는 크기 0.25～0.6mm의 주문진산 표준사를 사용하였다.

2.1.2 비소성 황토

이 연구에서 사용된 황토는 비소성 황토로서 전북 고창산 황토를 사용하였으며 325mesh 분말도를 가진 적황토 분말을 사용하여 실험하였다. 화화적 성질은 Table 1와 같다.

2.1.3 자극제를 혼입한 고로슬래그

이 실험에서 사용된 무기 결합재는 산업부산물인 고로슬래그(granulated blast furnace slag, 이하GBFS)를 주재료로 하였으며, 수화반응을 위해 알칼리계 자극제 및 황산염 자극제의 혼입량을 달리하였다. 무기 결합재의 화학적 성질은 Table 2에 나타내었다.

2.2 실험방법

2.2.1 배합

이 실험에서는 비소성 황토(non-sintered hwangtoh, 이하 NSH)의 배합조건을 달리하여 NSH 모르타르의 물리적 특성을 비교하기 위해 황토의 혼입률을 0%, 20%, 25%, 30%, 35%, 40%까지 하였다. 또한 NSH 모르타르의 특성을 비교 분석하기 위해 보통 시멘트 모르타르를 제조 하였다. 물-결합재비(W/B)는 KS L 5111에 의거하여 플로우값(170±5mm)을 충족시키기 위해 각 공시체에 달리 적용하였으며, 시멘트:모래 배합비를 1:2.45로 고정하였다. 이 실험의 배합표는 Table 3와 같다.

2.2.2 공시체 제작

NSH 공시체 제작은 KS L ISO 679 규준에 따라 원재료를 계량 후 혼합수를 가해 저속(140±5rpm)에서 30초간 교반 후 30초 동안 모래 전량을 서서히 혼입하고 이어서 30초간 고속(285±10rpm)으로 교반하였다. 90초간 혼합기를 정지하여 처음 15초 동안 스크레이퍼로 용기 벽에 부착된 모르타르를 용기의 가운데로 모아주고 다시 60초간 고속 교반하였다. 혼합이 끝난 모르타르는 40×40×160mm 강제식 3연 몰드를 사용하여 제작하였다.

2.2.3 양생방법

양생방법에 따른 NSH 모르타르의 특성을 비교·분석하기 위해서 동일한 조건의 배합 및 제조를 통하여 공시체를 제작하였으며 이는 양생 방법에 따른 NSH 모르타르의 특성을 비교, 분석하기 위해 수중 및 기건양생을 실시하였다. 배합 및 제조를 동일한 조건으로 재령 3일, 7일, 28일 공시체를 제작한 후에, 수중양생과 기건양생을 하기 전 두 양생법 모두 표준양생(20℃, RH 50%)의 조건으로 1일간 탈형하지 않은 상태에서 습윤 양생을 실시한 다음 수중양생은 20±2℃인 수중에서 27일간 수중양생을 실시하였다. 기건양생은 표준양생 후 상대습도 60%, 온도 20±2℃의 항온, 항습실에서 27일간 실시하였다.

2.2.4 휨강도 및 압축강도

비소성 황토와 무기 결합재의 혼입률에 따른 NSH 모르타르의 휨강도 및 압축강도는 KS L ISO 679에 의거하여 재령 별로 3일, 7일, 28일 강도를 측정하였다.

2.2.5 미세조직 관찰

재령에 따른 시편의 결정입자를 관찰하기 위해 NSH 모르타르를 분쇄하여 획득한 내부 파단면을 아세트산 카민용액에 1일 간 침지 시킨 후 주사형전자현미경(SEM)을 이용하여 관찰하였다.

2.2.6 염화물 이온 침투 저항성

염화물 이온 침투 저항성 시험은 NSH 모르타르를 28일간 기건양생 및 수중양생을 실시한 후 10%의 NaCl 용액에 2주간 공시체를 침지시킨 후 공시체의 중앙부를 절단하여 염화물 침투 깊이를 측정하였다. 이때 염화물 침투 깊이 측정은 절단 단면에 질산은(AgNO₃) 용액을 분무하여 색상의 변화가 없는 부분을 염화물 이온 침투 깊이로 산정하였다.

2.2.7 화학 저항성

화학 저항성 시험은 ASTM C 267, 579에 준하여 내화학성 실험을 실시하였다. 양생방법에 따라 양생된 NSH 모르타르의 표면에 존재하는 수분을 습포를 이용해 표면건조 상태로 만든 다음 중량을 측정하고 5%의 H₂SO₄ 수용액에 침적하여 NSH 모르타르의 내화학성을 평가하였다. 내화학성의 비교는 7일, 14일, 28일, 56일, 90일 동안 침적시킨 시편을 꺼내어 흐르는 물에서 부드러운 솔로 표면을 닦아냄으로써 훼손 및 박리된 표면을 제거하였으며 표면의 수분을 습포를 이용해 제거한 후 중량을 측정하고 침적에 의한 중량 감소율을 다음 식을 이용하여 산출하였다.

중량 감소율(%) = ×100

여기서, Wn: 침지전의 공시체 중량, Wo: 침지재령에서의 공시체 중량

2.2.8 pH 특성

pH 측정은 양생조건별로 양생된 NSH 모르타르를 측정재령 별로 굳은 페이스트 중 적당량을 때어 내어 분쇄한 후, 페이스트 10g에 200ml의 증류수를 혼합하여 잘 저은 후 pH을 측정하였다.

3. 실험 결과 및 고찰

3.1 휨강도

Fig. 1은 수중양생 후 무기 결합재에 첨가한 비소성 황토의 혼입률에 따른 NSH 모르타르의 재령별 휨강도의 변화를 나타낸 것이다. 수중양생을 실시한 NSH 모르타르(non-sintered hwangtoh-A water, 이하 NSH-Aw’s) 재령 3일에서의 휨강도는 비소성 황토를 혼입한 모든 NSH-A 모르타르가 OPC보다 낮은 휨강도를 나타내고 있으며, 재령 7일의 휨강도를 살펴보면 NSH-Aw3, 4, 5, 6 모르타르는 OPC 이상의 휨강도가 발현이 되고 있는 것으로 나타났다. NSH-Aw의 재령 28일 휨강도에서는 황토 혼입률이 0%인 NSH-Aw6을 제외하고 OPC가 모든 NSH-A 모르타르의 강도보다 높은 것으로 나타나고 있다. 이는 재령 3일에서 7일까지의 초기반응은 높게 나타내고 있으나 재령 7일 이후부터는 강도 증진 효과는 적게 나타났다.

재령 28일 때 비소성 황토의 혼입률에 따라 강도의 편차가 발생되었으며, 무기 결합재에 비소성 황토를 혼입할 경우 초기강도는 높게 나타내고 있지만 7일 이후의 강도 증진 효과는 미미한 것으로 나타났다.

Fig. 2는 황토의 혼입률을 달리하고 기건양생을 실시한 NSH 모르타르(non-sintered hwangtoh-A air, 이하 NSH-Aa’s)의 휨강도를 나타낸 것이다. OPC를 제외한 모든 공시체가 7일 이후는 강도발현이 거의 되지 않은 것을 보여주고 있으며, 재령 7일 이후로는 모르타르의 수화반응이 미비하게 진행되었음을 알 수 있다. 기건양생을 한 NSH- Aa’s는 비빔을 한 직후부터 재령 7일까지는 강도의 발현이 되다가 재령 7일 이후부터 28일로 갈수록 강도는 발현이 되지 않고 있는데, 이는 비소성 황토와 무기 결합재가 충분한 강도를 발현하기 위해서는 다량의 수분이 필요하나 초기에 다량의 수분을 흡수하여 수화반응에 필요한 수분의 불충분한 공급으로 수화반응이 제대로 이루어지지 못한 것으로 사료된다.

3.2 압축강도

Fig. 3은 무기 결합재에 비소성 황토의 혼입률에 따라 제작된 NSH 모르타르의 수중양생 후 재령별 압축강도를 나타낸 것이다. 재령 3일에서의 압축강도 특성을 살펴보면 OPC보다는 모두 낮은 3일 강도를 나타내고 있다. 재령 7일 또한 OPC보다는 낮은 강도를 나타낸다. 이와 같은 이유는 GBFS의 표면에 형성된 불투수성 산성피막에 의해서 초기의 수화반응이 저해되고 있음을 유추해 볼 수 있으며, 시간이 경과함에 따라 수화반응이 촉진되어 재령이 경과함과 동시에 강도증진효과를 나타내고 있는 것으로 사료된다. 재령 28일 강도에서는 재령의 경과에 따라 비소성 황토의 혼입률이 감소하면 압축강도는 증가하는 것으로 보인다. 이는 무기 결합재에 비소성 황토의 혼입량이 적을수록 압축강도는 증가한다는 것을 알 수 있다.

Fig. 4는 무기 결합재에 비소성 황토의 혼입률에 따른 기건양생을 실시한 NSH 모르타르의 압축강도를 나타낸 것 이다. 수중양생을 실시한 모르타르의 압축강도와 비교 시, 압축강도의 발현은 현저히 감소하는 것으로 나타났다.

수중양생을 실시한 모르타르와 달리 기건양생을 실시한 모르타르의 강도 상승률은 OPC와 비슷한 거동을 나타내고 있으며 재령 3일까지는 활발한 수화반응으로 강도 발현이 이루어지고 있고 28일까지는 다소 완만한 형태의 강도발현이 이루어지고 있음을 알 수 있다. 이는 수화반응에 필요한 수분을 초기에 흡수하여 초기에는 높은 강도상승률을 보이고 있으나 급격한 초기반응 이후에는 부족한 수분에 의해서 장기강도 형성에 효과가 떨어져 강도 저하의 원인으로 사료된다. 또한 잉여의 생성물이 발생하지 않도록 알칼리 자극제의 혼입량을 조절하면 강도를 증진시킬 수 있을 것으로 판단된다.^4,5)

3.3 미세조직 관찰

Fig. 5와 6은 NSH 모르타르의 경화체의 수화물 생성정도를 관찰하기 위한 SEM 사진이다.

Fig. 5은 무기 결합재와 비소성 황토의 혼입률 변화에 따른 NSH 모르타르의 수중양생 후 재령에 따른 시편의 미세 구조 사진을 나타낸 것이다. 초기 3일 재령에서 에트린자이트는 구조적으로 얇고 긴 침상형태의 구조로 다량 생성되어 있음을 알 수 있다. 지속적이고 충분한 수화반응을 통해서 7일 재령에서는 조금 더 굵어진 에트린자이트 침상구조와 매우 치밀한 형태로 발달된 것을 확인 할 수 있었으며, 28일에는 밀실한 수화물이 다량 관찰 되고 있다. 또한 28일에서는 에트린자이트 외에 C-S-H 겔로 보이는 밀실한 형태의 수화물이 다량 관찰되어 수중양생은 충분한 수화반응과 강도 발현에 상당한 영향을 미치는 것을 알 수 있다.⁶⁾

Fig. 6은 무기 결합재와 비소성 황토의 혼입률 변화에 따른 NSH 모르타르의 기건양생 후 재령에 따른 시편의 미세 구조 사진을 나타낸 것이다. 기건양생의 경우 3일 재령에서는 에트린자이트 조직의 구조가 얇으면서 매우 적다는 것이 관찰 되고 있으며 산발적으로 나타나고 있다. 기건양생으로 인해 활발한 수화반응의 진행이 이루어 지지 않아 특히 재령 7일과 재령 28일 에서는 치밀하고 많은 양의 에트린자이트 미세 조직의 생성은 관찰되지 못하였다. 또한 GBFS의 입자와 다량의 공극이 존재하고 이러한 미반응 입자들이 수화 생성물 사이에 응집 상태로 존재하면서 이들이 결합력을 약화시켜 강도발현이 되지 않았던 것으로 사료된다.

3.4 염화물 이온 침투 저항성

Fig. 7과 8은 NSH 모르타르를 28일간 수중양생 및 기건양생을 실시한 뒤 10%의 NaCl 용액에 14일간 공시체를 침지시킨 후, NSH 모르타르에 침투한 염소 이온의 침투 깊이를 나타낸 것이다. 수중양생을 실시한 OPC의 염화물 이온 침투 깊이는 6mm로 나타났으며 기건양생을 실시한 OPC는 12.5mm로써 수중양생을 실시한 OPC에 비해서 약 2배 이상의 염화물 이온 침투 깊이가 나타났다. 양생 방법에 따라 염화물이온 침투 저항성의 차이점이 관찰된다. 수중양생을 실시한 공시체가 우수한 염소 이온 침투 저항성을 보이는 이유는 OPC에 비하여 치밀한 조직을 형성하고 있기 때문으로 NSH의 경우 OPC와 달리 매우 작은 공극들이 다량 생성되어 치밀한 조직을 형성하여 염소 이온이 침투할 수 있는 공극이 OPC에 비하여 대폭 감소하였다.^7,8) 이러한 결과는 재령이 더욱 경과함에 따라 NSH가 OPC에 비해 더욱 우수한 결과를 보일 것으로 예상된다.

3.5 화학 저항성

Fig. 9와 10은 비소성 황토에 혼입률을 달리한 NSH 모르타르를 HSO 수용액에 침지시킨 후 침지 재령 경과에 따라 내산성 시험에 의한 중량의 감소율을 나타낸 것이다. 두 가지 양생방법 모두 OPC에 비하여 우수한 내산성을 가지고 있다는 것을 그래프를 통하여 확인할 수 있다. NSH-Aw’s 모르타르의 경우에는 침지 재령 28일까지는 비슷한 침지 거동을 보이나 그 이후부터 침지 재령 90일까지 소폭 중량이 감소하는 경향을 나타내고 있다. Fig. 9에서 보면 OPC는 재령 14일 이후부터 급격한 감소율을 보이고 있는데, 이는 OPC의 수화생성물로서 Ca(OH)₂는 화학적 특성상 산의 침식이 매우 용이한 것으로 알려져 있다. 또한 비소성 황토를 20%이상 혼입한 NSH 모르타르의 경우 각 침지 재령별로 소량의 중량 감소율을 나타내고 있으며 이는 NSH 모르타르의 경우 비소성 황토의 혼입률의 차이에 상관없이 침식이 용이한 Ca(OH)₂를 거의 생성하지 않기 때문에 OPC보다 높은 내화학성을 지니고 있어 H₂SO₄ 수용액에 의한 중량 감소를 최소화 시킬 수 있을 것으로 사료된다.⁹⁾

Fig. 10은 기건양생 후의 NSH모르타르의 경우 재령 28일부터 재령 90일 까지 OPC에 비해 우수한 내산성을 띄고 있으며 NSH-Aa1을 제외한 나머지의 경우에는 재령 14일 이후부터 중량의 변화가 크지 않아 침식이 거의 되지 않음을 그래프로 확인할 수 있다. 수중양생과 기건양생 모두 NSH모르타르가 OPC에 비해서 우수한 내산성 경향을 보이고 있는 이유는 NSH모르타르의 경우 비소성 황토의 혼입률과 양생방법에 따른 큰 차이 없이 산에 침식이 용이한 Ca(OH)₂를 거의 생성하지 않기 때문에 OPC에 비해서 높은 내화학성을 지니고 있는 것으로 사료된다.

3.6 pH 특성

Fig. 11과 12는 수중양생과 기건양생으로 제작하고 무기 결합재에 첨가한 비소성 황토의 혼입률을 달리하여 제작한 NSH 모르타르의 측정재령 별 pH 변화를 나타낸 것이다. OPC의 pH는 12이상으로 매우 강알칼리를 나타냄을 알 수 있으며, 이에 비해 수중양생을 실시한 NSH 모르타르의 경우는 전체적으로 OPC보다 낮은 pH 특성을 보이고 있다. NSH 모르타르의 재령 28일 pH는 OPC 보다 1정도 저감한 것을 확인 할 수 있다. 수중양생을 실시한 NSH 모르타르는 대체적으로 비소성 황토의 혼입률이 높을수록 pH는 소폭 증가하는 경향을 지니고 있으며, 재령에 따른 규칙적인 증감은 나타나지 않았다. 기건양생을 실시한 NSH 모르타르의 경우도 OPC 보다 낮은 pH 특성을 띄고 있다. 또한 비소성 황토의 혼입률이 감소할수록 pH는 증가되는 경향을 나타내고 있으며, 또한 재령이 경과함에 따라 pH가 낮아지면서 GBFS로부터 CaO 성분의 용출이 원활하게 되면 결정성이 좋은 에트린자이트가 대량 생성되며 동시에 CaO 성분의 농도에 의해 SiO₂의 농도 또한 서서히 증가되어 C-S-H 수화물 생성이 사료된다.¹⁰⁾

4. 결    론

이 연구에서 비소성 황토와 무기 결합재를 이용한 친환경 무시멘트 비소성 황토 모르타르의 양생방법에 따른 물리적 특성과 내화학성 특성분석을 위해 수행한 연구 결과를 종합하면 다음과 같다.

1)무기 결합재 및 비소성 황토의 혼입량과 양생조건에 따라 수화반응 촉진을 유도한다면 무시멘트 비소성 황토 모르타르는 OPC와 동등수준의 강도를 확보할 수 있을 것으로 사료된다. 또한 콘크리트 2차 제품으로 적용 가능할 것으로 판단된다.

2)무시멘트 비소성 황토 모르타르의 강도에 영향을 미치는 인자는 양생 조건과 비소성 황토 미분말의 혼입률에 따라 강도에 큰 영향을 미치는 것으로 판단되며, 비소성 황토의 혼입률이 증가시키면 압축강도는 감소하는 경향을 나타냈다.

3)무시멘트 비소성 황토 모르타르 경화체의 수화물 생성정도를 관찰하기 위하여 SEM 사진을 분석한 결과, 초기에는 침상형태의 산발적 에트린자이트 구조를 확인할 수 있었으며, 지속적인 수화반응을 통해서 7일 재령에서는 굵은 침상구조 형태로 발달된 것을 알 수 있었다. 또한 재령 28일로 진행 될수록 에트린자이트 외에 C-S-H겔등 밀실한 형태의 수화물이 다량 관찰된다. 에트린자이트 사이의 공극을 수화반응을 통해 생성된 C-S-H 겔이 채우면서 망상형 구조가 형성되어 무시멘트 비소성 황토 모르타르의 강도 발현이 되는 것이라 사료된다.

4)침지재령에서 무시멘트 비소성 황토 모르타르의 염화물 이온 침투 깊이를 측정한 결과, 황토의 혼입률이나 양생조건에 따른 모든 경화체가 보통 시멘트 모르타르에 비해서 침투 저항성이 우수한 것으로 나타났다. 따라서 무시멘트 비소성 황토 모르타르의 해양구조물 적용으로 인해 염해로 인한 철근 부식에 우수한 내염성을 발휘할 것으로 판단된다.

5)무시멘트 비소성 황토 모르타르의 내화학성은 보통 시멘트 모르타르에 비해 우수한 내화학성을 지니는 것으로 나타났다. 이는 비소성 황토의 수화반응에서는 침식에 용이한 Ca(OH)를 거의 생성하지 않기 때문으로 사료된다.

6)OPC의 pH는 12이상으로 매우 강알칼리를 나타냄을 알 수 있으며, 이에 비해 수중양생을 실시한 NSH 모르타르의 경우는 전체적으로 OPC보다 낮은 pH 특성을 보이고 있다. NSH 모르타르의 재령 28일 pH는 OPC 보다 1정도 저감한 것을 확인 할 수 있다. 수중양생을 실시한 NSH 모르타르는 대체적으로 비소성 황토의 혼입률이 높을수록 pH는 소폭 증가하는 경향을 지니고 있으며, 재령에 따른 규칙적인 증감은 나타나지 않았다.