강성훈
(Sung-Hoon Kang)
1
권양희
(Yang-Hee Kwon)
2†
황종국
( Jong-Kook Hwang)
2
홍성걸
(Sung-Gul Hong3)
3iD
-
서울대학교 건축학과 박사후연구원
(Postdoctoral Researcher, Department of Architecture and Architectural Engineering,
Seoul National University, Seoul 08826, Rep. of Korea)
-
한국전통문화대학교 전통건축학과 교수
(Professor, Department of Traditional Architecture, Korea National University of Cultural
Heritage, Buyeo 33115, Rep. of Korea)
-
서울대학교 건축학과 교수
(Professor, Department of Architecture and Architectural Engineering, Seoul National
University, Seoul 08826, Rep. of Korea)
Copyright © Korea Concrete Institute(KCI)
키워드
황토 벽돌, 압축강도, 내수성, X선 회절법, 열중량법
Key words
Hwangtoh bricks, compressive strength, hydraulic property, X-ray diffraction, thermogravimetry
1. 서 론
흙은 인류가 가장 오랫동안 사용해 온 건설재료이며, 국내는 물론이고 전 세계 문화유산 중 상당 부분을 구성하고 있다(Van Damme and Houben
2018). 이 재료는 매장량이 풍부하고, 주변에서 쉽게 얻을 수 있기 때문에 환경부하, 운송 부담 및 원재료 비용이 낮은 등 많은 장점이 있다.
이런 이유로, 최근 국제적으로 시멘트 대체재 개발을 위한 원재료로서 주목받고 있다(Avet and Scrivener 2018; Scrivener et
al. 2018).
한국 고유의 흙 건축 재료인 황토 역시 풍부한 매장량의 장점과 함께 한반도에서 수천 년간 사용되어 왔다. 그뿐만 아니라 원적외선 방사, 단열, 탈취
및 습도조절 능력과 같은 건강에 관한 다양한 매력들로 인해 인체 및 환경친화적 건설재료로서 국민적 공감대가 형성되고 있으며, 이 때문에 최근 수요가
급증하고 있다(Kang et al. 2008). 2006년 40곳으로 집계된 황토 건자재 제조업체가 5년 후 74곳으로 85 % 증가한 조사결과는
이 재료의 인기를 잘 보여주는 사례이다(Cho et al. 2012).
흙의 다양한 장점을 유지하면서 생산비용을 최소화하여 시장에서의 경쟁력을 확보하기 위해, 관련 제품들은 주로 분쇄공정 외 별다른 가공 없이 천연상태의
황토로 제조되고 있다. 특히, 황토 벽돌의 경우 생황토를 물과 혼합한 후 고압진공으로 사출하는 방식으로 생산된다(Hwang et al. 2009).
이렇게 생산된 벽돌은 흙 입자 간의 단순 응집작용만으로 형태를 유지해야 하므로, 건조수축에 의한 균열, 낮은 내수성 등 건설재료로서 기본적인 문제점에
노출될 가능성이 높다(Kang et al. 2008). 그럼에도 불구하고, 천연 황토 벽돌이 주택의 벽체, 바닥 마감재는 물론이고, 조적조와 같이
구조적 용도로 사용되고 있다(Fig. 1 참조).
Fig. 1. Use of Hwangtoh bricks as structural materials
증가하는 수요에도 불구하고 천연황토 건자재의 품질 기준과 규격은 현재 전무하며, 관련 연구현황도 찾아보기 어렵다. 점토 벽돌의 경우 KS L 4201(KATS
2018)에서 모양, 품질 및 크기를 규정하고 있는 반면, 국산 황토 벽돌은 건축물에 사용되고 있는 제품의 압축강도 등 기본적인 정보조차 파악되지
않고 있는 것이 실정이다. 이는 천연황토를 이용한 건설재료의 낮은 강도로 인해, 관련 연구를 수행할 만한 동기부여가 쉽지 않기 때문이다(So et
al. 2015). 예를 들어, 압밀하지 않은 천연황토 기반 모르타르의 압축강도는 0.5 MPa 이하로, 시멘트 모르타르 또는 콘크리트의 2 % 수준에도
미치지 못한다(Kwon and Hong 2016). 따라서, 그간 수행되어 온 황토 기반 건자재의 재료연구는 주로 알칼리 자극제 또는 포졸란 등을
첨가한 친환경 건설재료 개발을 목표로 수행되어 왔다(Lee et al. 2010a, 2010b; Kim et al. 2011; Heo et al.
2014).
실용 재료의 수요대비 기초연구 결핍은 건설재료의 무질서한 사용을 부추길 수 있으며, 관련 기준의 부재는 한옥 등 소규모 주택의 설계와 안전성 확보에
제한사항으로 작용할 수 있다. 따라서, 구조물의 안전성에 관한 사각지대를 해소하기 위해, 국산 황토 벽돌에 관한 기본물성 및 재료특성의 체계적인 검토가
시급한 상황이다. 특히, 천연상태의 흙을 건설재료로 활용할 경우 물 풀림 현상 때문에 역학적 성능을 급격히 잃어버릴 가능성이 있지만, 이에 대한 현황파악
역시 이루어지지 않고 있다.
이러한 배경에서, 이 연구에서는 국내에서 생산되는 황토 벽돌에 대한 재료구성 및 역학적 특성을 조사하였다. 이를 위해 압축강도, 흡수율 실험, 공극구조
분석을 수행하였으며, X선 형광법, X선 회절법 및 열중량법을 이용하여 벽돌의 주요 구성 성분 및 물질을 확인하였다. 특히, 연구에서 사용된 재료분석
방법들은 제품들의 강도 차이를 비롯하여 물에서 풀어지는 현상을 보인 제품과 그렇지 않은 제품 간 재료구성의 차이점을 밝히는 데 유용하게 사용되었다.
2. 사용재료 및 실험방법
2.1 황토 벽돌의 선정 및 육안조사
연구를 위해 고압진공 사출방식으로 생산된 비소성 황토 벽돌을 18종을, 지역적 분포를 고려하여 선정된 판매업체 8곳을 직접 방문하는 방식으로 구매하였다.
동일 업체에서 최소 1종에서 최대 4종의 제품을 구매하였으며, 이는 벽돌의 물성에 있어 업체 간 차이뿐만 아니라 동일 업체 제품 간의 차이점도 확인하기
위해서이다. 특히, 최근의 강진으로 인해 연구 목적상 특히 중요도가 높은 지역을 거점으로 하는 업체의 경우, 더 면밀한 검토가 필요하다고 판단하였기에
가장 많은 제품의 종류를 분석대상에 포함시켰다. 제조사 및 제품별로 구분한 황토 벽돌 18종의 형상 및 크기 정보를 Table 1에 정리하였다. 한눈에 보아도 색상을 제외하고는 그 어떠한 질서도 확인되지 않는다. 크기는 물론이고 홈의 유무, 홀의 유무, 홀의 깊이와 형상 등
다양한 요인들이 업체들 자의적으로 결정된 후 시판되고 있는 것을 확인할 수 있다.
Table 1. Size and shape of Hwangtoh bricks (unit: mm)
2.2 실험항목 및 방법
2.2.1 압축강도 측정
압축강도 실험을 위해 구매한 벽돌을 절단기를 이용하여 한 변이 50 mm인 정육면체로 만들었다. 이는 실험 결과에서 시편의 크기와 모양이 미치는 영향을
배제하기 위해서이다. 이후 KS L 5105(KATS 2007)에 따라 유압식 만능재료시험기를 이용하여 각 제품당 3개의 시편이 가력되었으며, 이들의
평균값을 가압면적으로 나누어 압축강도를 결정하였다.
2.2.2 수은 압입법에 의한 공극률 분석
황토 벽돌의 공극률을 분석하기 위해 미세구조 시편용 정밀절단기를 이용하여 벽돌을 한변이 5 mm인 정육면체로 잘랐다. 잘린 시편들은 이소프로필알코올(isopropanol)이
담긴 비커와 40 °C로 맞춰진 건조기를 차례대로 거치는 방식을 통해 포함된 물기가 제거되었다(Kang et al. 2018b). ASTM D4284-12(2012)에
따라, 0.7 kPa~414 MPa의 범위에서 수은압을 발생시키는 분석장비(AutoPore IV 9500 Micromeritics, USA)를 사용하여
건조된 시편들의 공극률을 측정하였다. 여기서, 수은의 접촉각 및 표면장력은 각각 130° 및 485 erg/cm2으로 설정하였다.
2.2.3 흡수율 및 물 풀림성
KS L 4201(KATS 2018)에 명시된 점토 벽돌의 흡수율 측정 방법에 따라 황토 벽돌의 흡수율 실험을 진행하였다. 우선, 시편을 105 °C에서
24시간 건조시킨 후 실온에서 식힌 다음 건조 중량(m1)을 측정하였다. 이후 20±5 °C의 물속에 시편을 24시간 동안 담근 후 꺼내어 젖은 헝겊으로
표면 수분을 닦고, 표면건조-내부포화 질량(m2)을 측정하였다. 얻어진 측정값을 식(1)에 대입하여 흡수율 결과 1개를 산정하였으며, 3회 측정결과의 평균값을 대표값으로 결정하였다.
한편, 물 풀림성 여부는 물속에 24시간 동안 담긴 시편의 상태변화 관찰을 통해 판단하였고, 물속에서 흘러내리거나 균열에 의해 초기형태를 유지하지
못한 시편들은 내수성이 없는 것으로 간주하였다. 이 경우, 흡수력 산정은 불가능하였다.
2.2.4 X선 형광법, X선 회절법 및 열중량법을 이용한 화학적 성분 및 구성물질 조사
황토 벽돌을 구성하고 있는 물질들의 성분조사를 위해 모든 시편을 분말 상태로 만든 후 솔벤트 치환법을 이용하여 포함된 수분을 제거하였다. 솔벤트 치환법은
시멘트 기반 건설재료의 수화반응 정지를 위해 널리 사용되며, 최신 방법은 RILEM 위원회(TC 238-SCM)에서 발간한 보고서에서 소개되고 있다(Snellings
et al. 2018). 이에 따라 분말 재료들은 이소프로필알코올과 에틸에테르(ethyl ether)와 같은 두 종류의 용액에 담긴 후 건조되었다.
준비된 분말 재료들의 원소 기반 정량분석을 위해 4 kW급 파장분산형 X선 형광분석기(S8 Tiger, Bruker, Germany)를 이용하였다.
측정에 사용된 시편의 양은 5±1 g이며, 정확한 원소함량 산정을 위해 강열감량 측정을 별도로 수행하였다. 분석을 통해 확인된 다양한 성분 중 질량
백분율 기준 0.1 % 미만의 미량성분은 결과에 포함하지 않았다.
X선 회절법을 이용하여 황토 벽돌을 구성하고 있는 결정질 정보와 제품 간 주요 구성물질의 함량 차이를 상대적으로 비교하였다. 우선, 분석기(SmartLab
SE, Rigaku, Japan)를 이용하여 분말 시편의 X선 패턴을 5~50°(2θ) 범위 내에서 얻었고(Kwon et al. 2017), 패턴들의
결정질 정보를 SmartLab Studio II 소프트웨어와 ICSD 데이터베이스를 이용하여 확인하였다.
카올리나이트, 탄산칼슘 등 예상되는 주요 결정질뿐만 아니라, 수화물의 존재 여부를 확인하기 위해 열중량 분석을 수행하였다(Moon et al. 2018).
이전 연구에서 사용된 방법에 따라(Kang et al. 2019), 분말형 시편 20±1 mg이 담긴 알루미나 홀더를 비어있는 참조용 홀더와 함께
열중량 분석기(SDT Q600, TA Instruments, USA)에 장착하였다. 온도 및 중량 평형을 확인한 후 질소가스가 100 mL/min
속도로 유입되는 환경에서 시료의 흡열에 의한 중량변화를 기록하였다. 여기서, 온도상승속도 및 온도구간은 각각 10 °C/min 및 20~1,000
°C로 하였다.
3. 실험결과 및 분석
3.1 황토 벽돌의 압축강도
Fig. 2. Compressive strength of Hwangtoh bricks
압축강도 측정결과를 Fig. 2에 나타냈다. 우선, 국내 시판용 황토 벽돌의 압축강도는 1.6~5.9 MPa 범위로 나타났다. 즉, 평균 3.8 MPa를 기준으로 약 2.2 MPa의
편차를 보였다. 이 값은 점토 벽돌의 최소 강도 기준인 14.7 MPa는 물론이고(KATS 2018), 콘크리트 벽돌의 8.0 MPa와 비교하여도
현저히 낮은 수준이다(KATS 2013). 구체적으로, 황토 벽돌의 평균 압축강도는 점토 벽돌 및 콘크리트 벽돌의 최소강도 기준의 26~48 %에
그친다. 이 같은 비교를 황토 벽돌의 최소 강도를 기준으로 할 경우 11~20 % 수준으로 더 현격한 격차를 보인다.
동일 업체에서 제조된 제품 간에도 최대 2배 이상의 강도 차이를 보인 경우가 있는가 하면(B, G, P사), 거의 강도 차이가 없는 경우도 있었다(D,
IS사). 이러한 결과는, 강도 차이가 제조사 또는 주재료인 황토의 종류와 같은 특정 요인보다는 배합비, 첨가물의 여부, 제조방식(압력 등)과 같은
다양한 재료적 요인들과 복합적으로 관계하고 있는 것을 의미한다. 이를 명확히 설명하기 위해 공극구조 분석, 구성 물질 및 화학적 성분분석과 같은 다양한
물리 및 화학적 분석기법이 병행되었다.
3.2 황토 벽돌의 압축강도와 공극률 간 상관관계
Fig. 3. (a) Compressive strength-total porosity relationship, and (b) result of mercury
intrusion porosimetry
압축강도 측정결과를 토대로, 동일업체 제품 중 2배 이상의 강도 차이를 보인 G사 및 P사 제품을 각각 2종씩 선별하였고, 이들의 공극구조 분석을
수행하였다. 수은 압입법으로 결정된 총 공극률을 압축강도와 비교하기 위해 Fig. 3(a)와 같은 상관관계를 나타냈다. 여기서 총공극률은 Fig. 3(b)와 같은 분석결과를 통해 얻어졌다. 이 방법은 콘크리트의 압축강도에 있어 공극률이 미치는 영향을 설명하기 위해 자주 사용되고 있다(Kang et al.
2018a). 황토 벽돌의 압축강도 역시 총 공극률과 대체로 선형관계를 가지는 것으로 나타났다(Fig. 3). 즉, 제조업체와 관계없이, 3 MPa 이하의 강도를 보인 시편들의 총 공극률은 대략 30 % 이상이었지만, 5 MPa 이상의 강도를 보인 시편들은
대략 20 % 이하의, 이보다 낮은 공극률을 나타냈다. 그러나, P1과 G2 제품들은 비슷한 수준의 강도를 보였지만, 5 % 이상의 공극률 차이를
나타냈다. 이는 제조 시 가해진 압력과 관계되는 재료의 밀실한 정도뿐만 아니라, 구성물질의 차이와 같은 추가적 요인이 역학적 성능에 복합적으로 관여하는
것을 의미한다.
3.3 황토 벽돌의 흡수율 및 물 풀림성
Fig. 4. Absorption ratio of Hwangtoh bricks
Fig. 5. Hwangtoh bricks before and after absorption test
흡수율 측정결과를 Fig. 4에 나타냈다. 그 결과, 국내 시판용 황토 벽돌의 흡수율은 15.1~24.2 % 범위인 것으로 나타났다. 이 역시 13 %인 콘크리트 벽돌, 15
%인 점토 벽돌의 상한선과 비교할 때 높은 편에 속한다(KATS 2013; KATS 2018). 황토 벽돌 제품 간 흡수율은 최대 9 % 차이로,
압축강도와 유사하게 다소 큰 편차를 보였다. 동일 업체 제품 간 최대 2배 이상의 흡수율 차이를 보이는 경우가 있는가 하면, 거의 차이가 없는 경우도
있었다. 특히, 측정결과가 n/a로 표시된 일부 제품(NJ, P2, P3)은 물에 담긴 직후 형태를 유지하지 못하고 풀어져 버렸다. 즉, 내수성이
전혀 없었다.
황토 벽돌이 물에 녹아내리는 것과 유사한 현상은 Fig. 5를 통해 확인할 수 있다. 이 같은 결과를 보인 이유는, 화학적 결합을 통해 역학적 성능이 발현되는 점토 또는 콘크리트 벽돌과 달리, 황토 벽돌은
주로 흙 입자 간의 단순 물리적 응집에 의해 형태를 유지하고 외력에 저항하기 때문이다. 즉, 황토 벽돌 제품 중 일부는 물에 대한 저항력을 확보하기
어려운 흙 건축재료의 단점을 그대로 보유하고 있었다(Hwang et al. 2009). 물속에서 풀어진 3가지 제품 외에도, 상당수의 제품은 물 접촉
후 균열 발생 현상을 보였다. 이는 수분 흡수로 인한 황토의 급격한 응집 및 이로 인한 체적감소 현상으로 설명할 수 있다(Kang et al. 2008).
이 연구의 실험결과를 근거로, 장마철 또는 태풍 기간 후 황토 벽돌로 지어진 건축물이 외력에 대한 저항력을 급격히 상실할 가능성이 제기될 수 있다.
따라서, 향후 황토 관련 건자재의 품질기준 및 가이드라인과 같은 관리체계 마련 시 이 점이 충분히 고려되어야 할 것으로 판단된다.
3.4 물 흡수 후 건조된 황토 벽돌의 강도변화
황토 벽돌의 내수성을 수치로 확인하기 위해, 흡수율 실험에 사용된 시편의 압축강도를 판매상태 제품과 동일한 방법으로 측정하였다. 비에 완전히 젖은
후 자연적으로 건조된 상황을 반영하기 위해, 24시간 동안 물에 담긴 벽돌을 항온·항습기(온도 20 °C, 습도 60 %)에서 7일간 건조시켰다.
물 흡수 및 건조 후 강도변화를 보여주기 위해, 이러한 재측정결과를 Fig. 2에 제시된 판매상태 압축강도 대비 상대강도로 나타냈다. 결과는 Fig. 6에 제시되어 있다. 전체 18개 제품 중 강도를 유지한 제품은 5개(강도 변화가 ±10 % 이내), 강도가 오히려 10 % 이상 증가한 제품은 2개로
집계되었다. 즉, 주목할 만한 강도저하를 보이지 않은 경우는 전체 중 39 %에 그쳤다. 반대로, 절반 이상인 61 %의 제품은 물 접촉 후 10
% 이상의 강도 감소율을 나타냈다. 특히, 전체 중 28 %의 제품(18개 중 5개)은 외력에 대한 저항력을 거의 전부 상실하였다.
Fig. 6. Ratio of the strength after water contact to the strength before water contact
Table 2. Chemical composition of Hwangtoh bricks
|
Sample
name
|
Chemical composition (wt. %)
|
|
SiO2
|
Al2O3
|
Fe2O3
|
CaO
|
Na2O
|
K2O
|
TiO2
|
MgO
|
P2O5
|
SO3
|
MnO
|
LOI1)
|
Total
|
|
G1
|
43.89
|
21.02
|
8.75
|
7.34
|
-
|
3.39
|
1.02
|
1.10
|
0.45
|
0.68
|
-
|
12.11
|
99.76
|
|
G2
|
44.77
|
21.34
|
7.37
|
8.56
|
-
|
2.41
|
1.14
|
1.05
|
0.36
|
0.53
|
-
|
12.16
|
99.69
|
|
P1
|
49.82
|
19.81
|
6.51
|
6.42
|
-
|
2.38
|
0.87
|
1.10
|
0.45
|
1.44
|
0.15
|
10.91
|
99.86
|
|
P2
|
53.48
|
22.56
|
8.41
|
0.40
|
0.18
|
2.78
|
1.09
|
0.82
|
0.55
|
-
|
0.11
|
9.40
|
99.75
|
|
P4
|
51.68
|
19.73
|
6.82
|
5.31
|
0.10
|
2.47
|
0.87
|
1.09
|
0.44
|
1.24
|
0.14
|
10.00
|
99.89
|
|
Hwangtoh2)
|
55.34
|
22.33
|
8.43
|
1.46
|
0.10
|
2.49
|
1.04
|
0.52
|
0.10
|
-
|
-
|
8.02
|
99.84
|
1)Loss on ignition
2)Data from previous study (Kwon et al. 2017)
강도 손실의 원인은 Fig. 6에 포함된 사진에서도 보이듯이 물 풀림 현상에 의한 균열 때문이다. 특히, IS1 및 IS2 제품의 경우 물 흡수 및 건조 후 형상만 유지되었을 뿐,
실제로는 NJ, P2, P3처럼 물속에서 풀어져 역학적 성능을 전혀 발휘하지 못하는 것이 강도 측정을 통해 확인될 수 있었다.
한편, 두 제품(NS, P4)은 물 흡수 후 강도가 20 % 이상 증가하였는데, 그 원인으로 수분 흡수 이후 발생한 추가적인 화학적 반응이 유력하다.
한 가지 흥미로운 결과는 동일업체 제품 간에도 물 흡수 후 강도변화에 있어 극적인 차이를 보인 것이다. 즉, P사 제품들은 강도가 많이 증가한 경우,
다소 감소한 경우, 그리고 완전히 손실한 세 가지의 경우 모두를 나타냈다. 이처럼 물 흡수 후 나타나는 황토 벽돌의 다양한 현상을 밝히기 위해, P1,
P2, P4 그리고 G1, G2와 같은 5가지 제품에 대하여 화학조성 및 구성물질 분석을 추가로 수행하였다.
3.5 화학적 분석결과 및 고찰
3.5.1 X선 형광법에 의한 화학조성 분석
황토 벽돌 5종의 화학성분 분석결과를 Table 2에 제시하였다. 이를 통해 우선, 국산 황토 벽돌을 구성하고 있는 주요 성분이 SiO2, Al2O3, Fe2O3 그리고 CaO인 것으로 확인된다.
CaO를 제외한 나머지 3가지 성분들은 황토와 모래를 통해 포함되었을 것이며, 이는 이전 연구에서 수행한 국산 황토의 X선 형광 분석결과를 통해 추론
할 수 있다(Kwon et al. 2017). 그러나, P2와 같은 특정 제품은 CaO 성분을 제외한 나머지 3가지로 대부분 구성된다. 즉, 황토,
모래 및 물로 배합된 단순한 반죽이 마른 형태로 구성된 재료로 설명될 수 있다. 특히, 이 제품은 물 접촉 후 형태를 유지하지 못하고 완전히 풀어져
버렸다는 점에서 나머지 제품들과는 다르다(Fig. 5 및 6 참조). 이와 같은 관찰을 근거로, 칼슘 성분이 황토 벽돌의 물 풀림 저항성에 있어 중요한 역할을 수행한다는 결론이 도출된다. 칼슘성분은 탄산칼슘
형태로 벽돌 제조 시 포함되었을 수도 있지만, 주요 재료인 황토와 모래 모두 CaO 함량이 높지 않기 때문에 이러한 가능성은 배제될 수 있다. 따라서,
탄산칼슘이 아닌 칼슘의 다른 형태를 주성분으로 하는 재료의 혼입 여부가 황토 벽돌의 물 접촉 전과 후의 강도 확보에 결정적으로 기여했을 것으로 추정된다.
이러한 가설을 뒷받침해주는 또 다른 단서는 SO3 함량에 관한 정보이다. 물에 대한 저항력을 겸비한 제품들은 모두 이 성분을 0.5~1.5 % 범위로
포함하였지만, 그렇지 않은 P2 제품의 경우 0.1 % 이하로 매우 낮았다. 따라서, 추정 가능한 원인은 소량의 포틀랜드 시멘트 첨가에 의한 수경성
반응이다. 국산 1종 포틀랜드 시멘트에 포함된 CaO와 SO3 성분의 함량은 각각 66.9 %, 3.1 %로 보고된 바 있다(Kang et al.
2017a). 한편, 소석회에 의한 기경성 반응도 생각 할 수 있다. 탄산화 반응으로 설명되는 이 반응 역시 황토 벽돌의 경화와 역학적 성능 발현에
기여할 수 있다(Izaguirre et al. 2010).
3.5.2 X선 회절법에 의한 광물학적 분석
Fig. 7. Collected X-ray patterns of Hwangtoh bricks
황토 벽돌을 구성하고 있는 결정질에 관한 정보는 Fig. 7에 제시된 X선 회절 분석결과를 통해 확인할 수 있다. 구성된 원재료의 불균질성 여부를 확인하기 위해, 각 제품의 다른 부분에서 채취한 2가지 시료를
분석하여 서로 다른 색상으로 중첩하여 나타내었다. 그 결과, 제품 대부분에서 거의 완전히 중첩된 결과가 보였지만, G1과 같은 일부 제품은 석영(Q),
카올리나이트(K), 일라이트(I), 백운모(M)로 표시된 몇몇 피크의 세기가 다소 상이한 것으로 확인된다. 이는 제품마다 흙과 모래의 균질화 정도가
다른 것을 의미한다. 한편, 황토, 모래와 같은 벽돌의 주재료에서 유도된 피크와 첨가물 또는 이로 인해 새롭게 생성된 피크를 구분하기 위해, 국산
황토 분말의 X선 회절 분석결과를 함께 포함하였다. 모래의 경우, 비반응성 재료이며 확실한 석영 피크를 유도하는 것이 분명하므로 결과에 포함하지 않았다(Kang
et al. 2017b). 이와 같은 원재료의 X선 회절 정보로부터 황토 벽돌에 포함된 석영, 카올리나이트, 일라이트, 백운모와 같은 주요 물질들이
원재료에서 온 것을 알 수 있다. 한편, P4 제품에만 클리노프틸로라이트(CL)가 검출되었다. 이 광물은 우리나라 영일만에서 산출되는 주요광물이므로,
P 업체가 인접한 지역에 매장된 원재료를 사용한 것으로 추정할 수 있다.
또 한 가지 중요한 발견은 CC로 표시된 탄산칼슘의 검출이다. 이는 흙의 결합력을 및 내구성을 증진시키기 위해 석회에 의한 탄산화 반응이 황토 벽돌에
적용된 것으로 설명할 수 있다. 즉, 앞에서 언급한 황토의 낮은 역학적 성능의 보완 대책 중 석회의 사용 가능성이 여기서 확인된다. X선 형광분석을
통해, 이와 같은 칼슘 기반 화합물이 G1, G2에 상대적으로 다량으로 포함되어 있고, P2에는 거의 포함되지 않은 것을 확인하였으며, 이러한 경향성은
탄산칼슘이라는 정보와 함께 X선 회절법에서도 동일하게 나타났다. 따라서, 현재까지의 분석결과를 통해 P2 제품의 낮은 강도와 물에 풀어지는 원인은
설명될 수 있다. 하지만, P4 제품의 물 흡수 후 강도증가에 관한 원인은 아직 명확히 설명하기 어렵다. 즉, 기경성 반응의 단서인 탄산칼슘은 검출되었지만,
현재까지 수경성 반응의 단서인 에트린자이트와 같은 수화물은 확인되지 않는다. 이는 벽돌 대부분을 구성하고 있는 황토와 모래가 매우 강력한 피크를 제공하기
때문에, 상대적으로 약한 피크의 검출이 쉽지 않았기 때문이었을 것이다. 따라서, 특정 물질 포함 여부를 확인할 수 있는 열중량법의 결과에 대한 토론이
이후에 수행되었다.
3.5.3 열중량 분석에 의한 생성물질 확인
국산 황토 벽돌 5종 및 황토분말 1종의 열중량 분석결과를 Fig. 8에 정리하였다. Fig. 8(a)는 온도에 따른 시료의 중량감소를 보여주고, Fig. 8(b)~(f)는 순서대로, 황토, G1 및 G2, P1, P2, 그리고 P4의 DTG 곡선(열중량 곡선의 1차 미분)을 보여준다. P사 제품 3종은 2회 측정하였지만,
단순화를 위해 Fig. 8(a)에는 1차 측정결과만 포함시켰다. Fig. 8(b)에 보이듯이, 벽돌의 주재료인 황토의 경우 80 °C , 250 °C, 그리고 500 °C 부근에서 뚜렷한 피크를 형성하였다. 여기에는 다양한 형태로
포함된 물의 탈수 또는 광물들(카올리나이트, 일라이트, 백운모)의 열분해가 관계된다(Grim and Rowland 1942a). 100 °C 이하에서
발생한 중량 감소는 카올리나이트 내부 표면에 흡착된 층간수가 증발한 결과로 판단된다(Fig. 8 내부사진 참조). 또한, 500 °C 부근의 큰 피크는 카올나이트가 메타카올린으로 변환되는 과정에서의 탈수 때문에 형성된다.
G1과 G2 제품은 2배 이상의 강도 차이에도 불구하고(Fig. 2), 거의 동일한 패턴의 열중량 변화를 보였다(Fig. 8(c)). 또한, 600~800 °C 사이에 새롭게 형성된 피크를 제외하면, 이들 제품의 열중량 변화는 거의 전부 황토에서 발생한 것을, Fig. 8(b)와의 비교를 통해 확인할 수 있다. 황토에서 보이지 않은 벽돌 제품의 추가적인 700 °C 부근의 피크는 잘 알려져 있듯이, 탄산칼슘의 분해로 인한
중량 감소 때문에 발생한다(Scrivener et al. 2016). 이는 두 제품에서 탄산화에 의한 기경성 반응이 가능했다는 사실을 다시 한번 확인시켜준다.
세 가지 화학분석(X선 형광법, X선 회절법, 열중량법) 결과에서 결정적 차이가 없음에도 불구하고 G사 제품 간의 다소 큰 강도 차이의 원인은, 따라서
제조공정에서 가해지는 압력 때문으로 결론 내릴 수 있다(Fig. 3 참조).
Fig. 8. Results of thermogravimetric analysis: (a) weight loss curves, (b) DTG curves
of Hwangtoh, (c) G1 and G2, (d) P1, (e) P2, and (f) P4 samples
P사 제품 3종의 분석결과를 Fig. 8(d)~(f)에 제시하였다. 여기서 우선 열중량 분석법의 뛰어난 재현성이 확인된다. 비록 100 °C 이하에서 형성된 피크의 크기에서 다소 차이가 있었지만, 이는
앞서 언급했듯이, 재료적 불균질성이 반영된 결과로 볼 수 있다. 그러나, 대부분의 중요한 결과를 포함하고 있는 100 °C 이상 구간에서는 거의 완벽한
재현성을 보여준다. 한편, P1 제품의 경우 G1 및 G2와 거의 유사한 온도구간에서 피크가 형성되었다. 즉, 대부분의 열중량 변화는 황토와 탄산칼슘에서
발생하였다. 하지만, 110 °C 부근에서 조그만 피크가 새롭게 발견된 것이 특징이다. P2 제품의 경우 다른 제품들과 달리, 700 °C 근처에서
어떠한 피크도 형성하지 않았다. 즉, 탄산칼슘 생성반응의 흔적이 없었고, 따라서 Fig. 8(b)와 유사하게 순수히 황토에 의한 열중량 분석결과와 흡사하다. 비록, 250 °C에 위치한 피크의 크기가 큰 것이 특징이지만, DTG 곡선에서 피크의
크기는 흙에 포함된 광물들의 구성비에 따라 달라질 수 있다(Grim and Rowland 1942b).
한편, Fig. 8(f)에 제시된 P4 제품의 DTG 곡선에서 중요한 정보가 확인된다. 다른 제품들에서도 확인된 80 °C, 250 °C, 500 °C, 700 °C 피크
외에도 110 °C에서 좁고 뾰족한 형태의 피크가 나타났다. P4 제품만의 이러한 독특한 열중량 분석결과는 Fig. 8(a)에 포함된 확대 그래프에서도 확인된다(하늘색 선). 이 결과는 다른 제품에 포함되지 않은 어떠한 물질이 주변온도가 100 °C를 넘자마자 탈수된 것으로
정리할 수 있다. P1 제품에서도 동일한 구간에서 유사한 피크가 작게나마 확인되었다. 이러한 뾰족한 피크의 생성 구간 및 형상을 볼 때 P4에 에트린자이트의
존재가 유력하며, C-S-H의 탈수도 동일한 구간에서 중첩 될 수 있다(Scrivener et al. 2016; Adu-Amankwah et al.
2017).
열중량 분석결과와 더불어, 물 흡수 후 강도증가 현상, X선 형광법에 의한 SO3 성분 검출 등을 고려해보면, P4 제품의 상대적으로 양호한 강도
및 내수성 확보 배경에는 기경성 또는 수경성 특성을 있는 결합재 성분이 일부 포함되었을 가능성이 높다. 그러나, 수경성 및 기경성 반응의 흔적이 모두
없는 P2 제품의 경우, 물에 대한 저항력을 전혀 겸비하지 못하였다는 점에서, 향후 이와 같은 제품들의 파악이 추가로 이뤄져야 할 것이며, 성능 개선을
위한 대책 마련도 필요할 것이다.
4. 결 론
이 연구는 국내에서 사용되고 있는 건설재료의 관리체계에 관한 사각지대를 방지하고 실용 재료인 황토 벽돌의 역학적 성능을 파악하기 위한 목적으로 수행되었다.
크기와 모양이 모두 다른 18종의 국내 황토 벽돌 제품을 이용하여 압축강도 및 물에 대한 저항성을 실험을 통해 평가하였고, 이와 같은 결과에 미치는
요인을 다양한 건설재료 분석기법을 이용하여 규명하였다.
국산 황토 벽돌의 압축강도는 1.5~6.0 MPa 범위에서 형성되며, 이처럼 낮은 수준의 역학적 성능은 어느 정도 예상할 수 있는 결과였다. 하지만,
일부 제품에서 확인된 물 접촉 후 역학적 성능의 완전한 손실은, 실용 재료의 관리 사각지대를 방지하기 위한 중요한 발견이었다. 한편, 압축강도와 공극률
간 상관관계 분석을 통해 벽돌 제조 시 가해지는 압력이 역학적 성능에 중대한 영향을 미치는 것이 추론될 수 있었으며, 수경성 또는 기경성 반응이 가능한
결합재의 사용은 내수성 확보에 효과적인 것을 확인할 수 있었다. 그러나, 화학적 반응성을 가진 어떠한 물질도 포함되지 않을 경우, 구조적은 물론이고
비구조적으로 사용되어도 안전에 관한 문제를 초래할 수 있기 때문에, 향후 체계적인 검토와 기준개발 등 관리대책 마련이 필요하다.