2.1 재료 및 패각 특성 확인

모르타르 시험체 제조를 위하여 1종 포틀랜드 시멘트를 이용하였으며, 잔골재는 직경 2 mm 이하의 중사를 사용하였다. 잔골재를 대체하기 위한 패각은 우리나라에서 주로 생산되는 꼬막과 굴을 이용하였으며, 기존 잔골재와의 비교를 위해, 2 mm 이하로 분쇄한 후 이용하였다(Fig. 1). 패각의 표면은 다수의 유기물과 이물질이 존재하기 때문에 이로 인한 영향성을 파악하기 위하여 초음파 세척기를 활용해 패각 세척 유무에 따른 영향도 살펴보았다. 이용된 재료의 특성을 파악하기 위하여 밀도, 물 흡수율, XRF, XRD, SEM 분석을 수행하였고, 그 결과는 아래와 같다.

본 연구에서 사용된 구성요소들의 원소 및 산화물을 확인하기 위한 XRF 결과는 Table 1에 나타나 있다. Table 2에는 사용된 잔골재들의 물리적 특성이 나타나 있으며, 굴패각과 꼬막패각의 밀도 모두, 본 연구에서 이용된 잔골재와 유사한 것을 확인할 수 있었으나, 흡수율 결과, 잔골재에 비하여 패각의 흡수율이 높은 것을 확인할 수 있었으며, 특히 굴패각의 흡수율이 높은 것을 확인하였다. 패각의 표면 및 조직을 확인하기 위하여 SEM 촬영을 수행하였고, 굴패각의 경우 일방향의 층이 조직을 이루고 있는 것을 확인하였다(Fig. 2(a)). 꼬막패각의 경우, 굴패각과는 다르게 군집을 이루는 조직이 다수 발견되었다(Fig. 2(b)). 패각은 주로 탄산칼슘으로 구성되어 있으며, 탄산칼슘은 다양한 동질이상을 갖는 물질로 알려져 있다. 패각을 이루고 있는 화합물을 확인하고자 XRD 분석을 수행하였으며, 그 결과 굴패각은 탄산칼슘 중 밀도 2.71 g/cm³의 calcite로 이루어져 있는 것을 확인하였으며(Fig. 2(c)), 꼬막패각은 주로 밀도 2.93-2.95 g/cm³의 aragonite로 구성된 것을 확인하였다(Fig. 2(d)).

Fig. 1. Particle Size Distribution of the Used Fine Aggregates

Fig. 2. SEM and XRD Data of the Used Seashells: (a) SEM of Oyster Shell, (b) SEM of Cockle Shell, (c) XRD of Oyster Shell, (d) XRD of Cockle Shell

2.2 시험체 제작 및 케이스

본 연구에서 이용된 시멘트 모르타르 시험체의 영향인자는 Table 3와 같다. 국내에서 많이 소비되는 대표적인 두 가지 패각인 꼬막과 굴패각을 활용하여 잔골재 모래를 대체하였다. 패각의 표면에는 다수의 유기물과 이물질이 포함되어 있기 때문에, 초음파 세척기를 이용하여 세척 유무에 따른 영향성을 파악하였다. 패각 대체율 별 그 효과를 확인하기 위하여 각 패각별로 20, 30, 40%로 모래를 대체하였다. 각 시험체 케이스에 따른 배합비는 Table 4와 같다. Table 4에서 reference 케이스를 ‘R’로 표기하였으며, 꼬막패각은 ‘C’, 굴패각은 ‘O’로 표기되었다. 또한 세척한 패각은 ‘W’, 세척하지 않은 패각은 ‘U’로 표기되었으며 영문 뒤에 따라오는 숫자는 패각 대체율을 말한다. 배합비에 따라 제작된 시험체는 28일 수중양생을 수행하였으며, 완료된 시험체에 대해서는 물성 및 특성 분석을 위하여 압축강도 및 다양한 미세구조 분석을 수행하였다.

4.1 기계적 물성 평가

각 시편의 압축강도 결과는 Fig. 4와 같다. 일반 모래를 사용한 모르타르 경우와 비교하여, 패각 대체 시편에서 전반적으로 강도가 감소하는 것을 확인할 수 있다. 강도 저감은 20% 대체보다 30%, 40% 대체시 더욱 뚜렷하게 나타났으며, 대체율이 증가할수록 강도가 감소하는 것을 확인하였다(Fig. 4(a)). 또한, 동일한 대체율에서 비세척 패각을 포함한 시험체가 세척한 패각을 포함한 시험체보다 더 큰 강도 저감을 나타내는 것을 확인함으로써(Fig. 4(b)), 패각 골재의 세척유무가 강도에 영향을 미친다는 것을 확인하였다.

패각 종류별 압축강도 확인 결과, 굴패각을 포함한 시험체의 강도가 꼬막패각을 포함한 시험체의 강도보다 낮은 것을 확인할 수 있었다. 패각 종류별로 발생되는 강도의 차이는 패각의 특성에 기인한 것으로, 굴패각이 꼬막패각에 비하여 낮은 밀도와 높은 흡수율을 나타내고 있었으며, SEM을 통해 확인한 굴패각의 판상형 조직 구성도 기계적 물성에 영향을 미친 것으로 판단되었다^{(Horiguchi et al., 2021)}.

Fig. 4. Compressive Strength Results: (a) Uncleaned Cases, (b) Washed Cases

4.2 XRD를 이용한 화합물 특성 평가

패각을 포함한 시험체의 화합물 분석 결과는 Fig. 5와 같다. 일반 모르타르와 화합물의 피크 위치 및 intensity를 확인한 결과, 패각의 대체율이 높아짐에 따라 패각을 구성하고 있는 탄산칼슘의 피크 intensity가 높아지는 것을 확인하였다(Fig. 5(a)). 패각 세척, 비세척에 따른 화합물 확인 결과, portlandite 및 ettringite와 같은 수화생성물의 피크 위치가 intensity의 차이는 있지만, 모든 경우에서 일반 모르타르와 유사한 것을 확인하였으며, 이를 통해 패각 잔골재를 사용하는 것이 모르타르의 수화 생성물에는 큰 영향을 미치지 않으면서 일반 모래의 대체재로 활용될 수 있음을 확인하였다. Fig. 5(b)에 나타난 세척 및 비세척에 따른 차이는 유기물 및 이물질에 기인한 것으로 판단되며, XRD의 경우 결정질만을 확인할 수 있는 분석이기 때문에 유기물에 대한 영향은 해당 결과에서 나타나지 않은 것으로 확인되었다.

패각 종류별 XRD 결과, 탄산칼슘의 동질이상인 vaterite와 calcite, aragonite 중 패각을 구성하고 있는 calcite와 aragonite 피크를 제외한 나머지 화합물의 피크는 일반 모르타르에서 생성된 화합물의 피크와 유사한 것을 확인할 수 있었다(Fig. 5(c)). Vaterite, calcite, aragonite의 피크가 다르게 나타난 이유는 패각종류에 따라, 굴과 꼬막을 구성하는 탄산칼슘의 상이 영향을 미친 것으로 확인되었다^{(Xie et al., 2005; Oral and Ercan, 2018)}. 탄산칼슘 상 외에는 R 시편과 유사한 피크 구성을 나타내는 것을 확인함으로써, 굴과 꼬막 모두 잔골재 대체재로 활용될 수 있음을 확인하였다.

Fig. 5. XRD Results of the Considered Specimens: (a) CW with Different Ratios, (b) CW and CU, (c) CW and OW

4.3 SEM을 이용한 미세구조 분석

SEM을 활용하여, 제작된 패각 모르타르의 표면 미세구조를 확인하였다. SEM 이미지에서 시멘트 수화 생성물과 골재 그리고 패각을 구분하기 위하여 energy dispersive X-ray spectrometer (EDX)를 이용하여 원소를 확인 후 SEM 이미지를 촬영하였다. 굴패각을 포함한 SEM 이미지는 Fig. 6(a)와 같다. 굴패각 시편의 SEM 이미지에서는 모르타르 사이로 층을 형성하고 있는 조직을 확인할 수 있었다. 군집화된 조직으로 구성되어 있는 시멘트 수화생성물과는 다르게, 방향성 있는 층으로 구성된 굴패각이 기계적 물성 감소 및 공극 등에 영향을 미칠 수 있을 것으로 판단되었다. 꼬막패각을 포함한 시험체의 SEM 이미지는 Fig. 6(b)에 제시된 것과 같다. 굴패각 시편과는 다르게, 꼬막패각의 경우 균일하고 매끄러운 표면의 꼬막패각 골재의 흔적이 시멘트 수화생성물 사이에서 확인되었으며, 상대적으로 치밀한 조직을 나타내는 꼬막패각이, 굴패각과 비교하였을 때 상대적으로 높은 압축강도 및 공극 조직에 영향을 미칠 수 있을 것으로 판단하였다. 각 시편의 공극구조에 대해서는 다음 절에 나타난 micro-CT를 통해 면밀히 분석하였다.

Fig. 6. SEM Images of Mortar Specimens with Different Seashells: (a) Mortar with Oyster Shell, (b) Mortar with Cockle Shell

4.4 Micro-CT를 활용한 공극 분포 특성 분석

XRD 및 SEM에 더하여 micro-CT를 활용하여 공극 분포 특성을 확인하였다. 각 케이스에 대한 공극률은 Table 5와 같으며, 뚜렷한 차이가 나타나지는 않지만, 전반적으로 패각 대체율이 높아질수록 공극률이 증가되는 경향을 확인하였다. 또한 세척하지 않은 패각을 포함한 시험체의 공극이 세척한 패각을 포함한 시험체보다 높은것을 확인하였으며, 이는 패각 표면에 잔류하던 이물질 때문으로 판단될 수 있다. 동일한 대체율에 대하여 패각 종류별 공극률 비교 결과, 굴패각이 꼬막패각보다 높은 공극률을 나타냈으며, 굴패각 자체의 조직 특성이 영향을 미친 것으로 판단되었다.

공극률 이외에도 공극 크기 분포 특성 분석을 Fig. 7과 같이 수행하였다. Fig. 7(a)를 살펴보면, 대체율 40%에 대한 결과에서 20%, 30% 대체에 비하여 상대적으로 작은 공극은 감소하는 것을 확인하였으나 0.05 mm 이상의 큰 공극의 비율은 높아지는 것을 확인함으로써, 미세한 차이지만 대체율이 증가함에 따라 상대적으로 큰 공극의 비율이 증가하는 것을 확인하였다. Fig. 7(b)의 꼬막패각 세척 및 비세척 결과에서 0.05 mm보다 큰 공극에서는 두 경우 모두 비슷한 경향을 보였지만, 세척하지 않은 패각에서 0.05 mm보다 작은 공극의 비율이 높은 것으로 확인되었다. 이러한 패각 대체율 및 세척 유무에 따른 공극 크기 분포의 결과는 패각 표면의 이물질과 유기물이 공극 특성에 영향을 미친 것으로 판단된다. 또한 Fig. 7(b)의 OW30 공극 크기 분포 결과를 살펴보면, 굴패각 시편에서 상대적으로 큰 공극의 비율이 다른 케이스에 비하여 더 높았으며, 해당 결과가 굴패각 시편의 상대적으로 낮은 강도에 영향을 미친 것으로 판단되었다.

Fig. 7. Pore Size Distribution of Mortar Samples: (a) Specimens with Different Replacement Ratios, (b) Specimens with Unwashed/Washed Cockles and Oysters