2.1. 사용재료

고로슬래그 기반 경량기포콘크리트의 결합재는 보통포틀 랜드시멘트(ordinary portland cement, 이하 ‘OPC’)와 고로슬 래그(ground granulated blast-furnace slag, 이하 ‘GGBS’)를 이 용하였다. 보통포틀랜드시멘트(OPC)는 비표면적과 비중이 각 각 3,400 cm²/g과 3.15인 1종을 이용하였다. 고로슬래그(GGBS) 는 비표면적과 비중이 각각 4,400 cm²/g과 2.9인 3종을 이용하 였다. Table 1에는 결합재로 사용된 OPC와 GGBS의 화학적 조성비를 나타내었다. 보통포틀랜드시멘트(OPC)의 주요 화 학조성은 62.8%의 CaO와 19.6%의 SiO₂로, GGBS는 44.6% 의 CaO, 34.7%의 SiO₂, 13.8%의 Al₂O₃로 구성되어 있다.

일반적으로 국내에서 사용하고 있는 식물성 기포제는 수용 액상에서 기포를 안정시킬 수 있지만 시멘트 슬러리와 혼합 시 안정성이 저하되어 연속기포가 생성되는 단점이 있다. 또 한 국내 동물성 기포제는 식물성기포제 보다 압축강도가 높 게 발현되지만 단백질계에서 발생하는 특유의 악취로 인해 국내에서 거의 사용되고 있지 않다. 이를 보완하기 위해서 기 포제는 화학반응성이 낮아 독립기포형성이 우수하고 특유의 악취가 개선된 가수분해형 동물성계 제품을 사용하였다.

혼화제는 유동성을 확보하기 위해서 폴리카르본산계 감수 제를 사용하였다. 인공토양골재의 pH 저감을 위해 사용된 인 산일암모늄(NH₄H₂PO₄)은 질소 12%와 인산 61%인 화합물 산성용액으로서 pH가 4~4.5이다.

2.2. 기포콘크리트의 배합상세

경량기포콘크리트의 배합표는 Table 2에 나타내었다. 주요 변수는 경량토양골재의 가장 기본적인 특성이면서 경량기포 콘크리트의 역학적 특성에 중요한 영향을 미치는 비중(^{Lee, 2013})을 변화시키기 위해서 단위결합재량을 100, 200, 300, 400, 500, 600, 700 및 800 kg/m³으로 변화하였다. 모든 배합에 서 결합재인 OPC와 GGBS는 각각 30%와 70%로 고정하였다. 또한 물-결합재비(W/B)는 30%이며, 유동성 확보를 위해 첨 가된 폴리카르본산계 감수제는 결합재 대비 0.4%로 고정하 였다.

경량기포콘크리트의 제조는 선기포방식을 이용하였다. 배 합 시 OPC와 GGBS의 1분 30초간의 건비빔을 한 후, 물을 첨 가하여 약 2분간 습비빔을 하였다. 이때 3%로 희석된 기포제 를 기포발생기를 이용하여 생성된 기포군을 배합에 투입 후 약 4분간의 습비빔으로부터 기포슬러리를 제조하였다. 기포 슬러리는 원형몰드인 ϕ100×200 mm에 제작되어 온도와 상대 습도가 각각 20°C와 60%의 환경조건에서 재령 28일까지 양 생하였다.

실험체명은 숫자로 단위결합재량의 변화를 나타내었는데, 숫자 ‘3’은 단위결합재량이 300 kg/m³임을 의미한다.

2.3. 인공토양 골재화

인공토양 골재화의 순서는 Fig. 1에 나타내었다. 원형몰드 인 ϕ100×200 mm로 제조된 경량기포콘크리트는 재령 28일 이후 로터리 커터방식의 건식분쇄기를 이용하여 파쇄하였다. 로터리 커터는 Fig. 2에 나타낸 바와 같이 여러개의 철판 형식 의 커팅날이 일정한 속도로 회전하여 파쇄하는 방식이다. 인 공토양 골재의 제조시 건식분쇄기의 회전속도는 640 rpm이 었으며, 토출구의 체 크기는 10 mm이었다. 파쇄된 골재의 최 대 및 최소 크기는 육성층의 배수능력을 고려하여 0.6~8 mm 로 결정하였다(^{Kim et al., 2013}). 이는 육성층 및 배수층에 사 용되는 펄라이트 입도를 반영한 것이다. 골재의 선별은 0.6과 8 mm의 체가름 체를 이용하였다.

Fig. 1.

Process of manufacture for artificial soil aggregate

Fig. 2.

Machine of crush

2.4. 인공토양 골재에 인산일암모늄의 침지

콘크리트의 pH는 일반적으로 약 12 이상으로 강알카리성 이다. 강알카리성은 토양에서 투수속도를 느리게 하며, 이로 인해 토양내 수분의 이동이 차단되어 식물 뿌리의 성장을 방 해한다(^{Kim, 2014}). 이에 기존 식물생장용으로 제조된 포러 스콘크리트는 제 1인산암모늄과 같은 인산염계 용액에 침지 하여 강알칼리성인 콘크리트의 pH를 낮추고 있다(^{Lee and Yang, 2016}). 또한 기존 ^Yang(2014)은 약 5~15%로 희석된 제 1인산암모늄은 콘크리트의 pH를 감소시키는데, 희석률 15% 에서 pH의 감소가 가장 효과적이다라고 보고하고 있다. 이러 한 실험결과를 반영하여 파쇄된 인공토양 골재는 제 1인산암 모늄이 15%로 희석된 용액에 최소 0.5일에서 최대 14일 동안 침지하였다.

2.5. 평가항목

측정요소는 Table 3에 나타내었다. 골재화 이전의 경량기 포콘크리트는 물리적․역학적 특성을 평가하기 위해서 슬러리 밀도, 플로우, 침하깊이, 절건밀도 및 압축강도를 측정하였다. 굳지 않은 콘크리트에서는 슬러리 비중, 플로우와 침하깊이 를 측정하였다. 슬러리 비중과 침하깊이는 기포슬러리가 제 조된 직 후 각각 체적 1000 ml인 몰드와 ϕ150×300 mm 원형몰드 를 이용하여 측정하였다. 굳은 콘크리트에서는 ϕ100×200 mm 원형몰드를 이용하여 재령 28일에 절건밀도와 재령 7, 14 및 28일에 압축강도를 측정하였다. 이들 굳지 않은 콘크리트 및 굳은 콘크리트에서 평가된 실험들은 KS(^{KS F 4039, 2014}; ^{KS F 2505, 2012})에 준하여 수행하였다.

파쇄작업을 통한 인공토양 골재는 KS F 2502(2014)에서 제시하고 있는 흙의 체가름 방법에 준하여 입도분포를 평가 하였다. 또한 인공토양 골재의 이화학적 특성을 평가하기 위 해서 pH, 투수계수, 양이온 치환용량(cation exchange capacity, 이하 ‘CEC’) 및 유기물 함유량(탄소/질소비, 이하 C/N 비)을 측정하였다. 인산염에 침지된 인공토양골재의 pH는 ^{KS F 2103(2013)}에서 제시하고 있는 흙의 pH값 측정방법에 따라 침지일수 0, 0.5, 1, 1.5, 2, 2.5, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13 및 14일에 측정하였다. 투수계수는 ^{KS F 2322(2015)}에서 제 시하고 있는 정수위법을 이용하였다. 인공토양골재의 CEC 와 C/N비는 토양화학분석법(2010)에 준하여 수행하였다.

3.1. 경량기포콘크리트의 특성

3.1.2. 슬러리 밀도

고로슬래그 기반 경량기포콘크리트의 슬러리 밀도를 Fig. 3에 나타내었다. 슬러리 밀도는 단위결합재량이 증가함에 따 라 증가하였는데 그 증가 기울기는 선형적이었다. 단위결합 재량이 100 kg/m³으로 증가될 때 마다 슬러리 밀도는 평균적 으로 약 1.28배 증가하였다. 이는 단위결합재량이 경량기포콘 크리트의 밀도에 큰 영향을 미치는 인자임을 의미한다(^{Lee, 2013}).

Fig. 3.

Slurry density of foamed concrete

3.1.3. 침하깊이

고로슬래그 기반 경량기포콘크리트의 침하깊이를 Fig. 4에 나타내었다. 단위결합재량이 100 kg/m³인 경량기포콘크리트 는 침하가 심하게 발생하였으며, 200 kg/m³인 경량기포콘크 리트는 몰드 탈형 중에 모서리가 심하게 손상되었다. 이는 단 위결합재량이 너무 낮아 형상 유지를 위한 강도가 발현되지 않았기 때문이다. 그 외 300~800 kg/m³인 경량기포콘크리트 는 침하깊이가 9 mm 이하이며, 탈형시 외형을 잘 유지하였다.

Fig. 4.

Sink depth of foamed concrete

3.1.4. 절건밀도

고로슬래그 기반 경량기포콘크리트의 절건밀도와 슬러리 밀도의 관계를 Fig. 5에 나타내었다. 단위결합재량이 100과 200 kg/m³인 경량기포콘크리트는 심한 침하와 탈형 중 몰드 의 손상으로 절건비중을 측정하지 못하였다. 절건밀도도 슬 러리 밀도와 마찬가지로 단위결합재량이 증가에 따른 증가기 울기가 선형적이었다. 슬러리 밀도와 절건밀도의 관계는 선 형적(^{Yang, 2014})이었는데, 슬러리 밀도가 절건밀도 보다 평 균 1.16배 높았다(Fig. 5).

Fig. 5.

Slurry density versus dried density

3.1.5. 압축강도

고로슬래그 기반 경량기포콘크리트의 재령별 압축강도를 Fig. 6에 나타내었다. 경량기포콘크리트의 압축강도는 재령 이 증가함에 따라 증가하였는데, 그 증가기울기가 단위결합 재에 현저한 영향을 받았다. 단위결합재가 500 kg/m³ 이하로 배합된 기포콘크리트의 압축강도는 재령 7일에서 28일로 경 과될 때에 평균 1.23배 증가하였다. 반면 단위결합재량이 600~800 kg/m³로 배합된 기포콘크리트의 압축강도는 재령 7 일에서 28일로 증가될 때에 평균 1.45배 증가하였다. 이는 경 량기포콘크리트의 경우 낮은 단위결합재량에서 기포가 혼입 율이 증가하게 되며, 기포혼입율의 증가는 소포 및 균열 등의 품질저하에 따른 것이다(^{Lee, 2013}). 재령 28일 기포콘크리트 의 압축강도는 단위결합재량이 증가함에 따라 현저하게 증가 하였다. 단위결합재가 500 kg/m³ 이상으로 배합된 기포콘크 리트의 재령 28일 압축강도는 4 MPa 이상이었다. 단위결합재 량이 가장 높은 800 kg/m³로 배합된 기포콘크리트의 재령 28 일 압축강도는 10 MPa이었다.

Fig. 6.

Compressive strength at different ages

3.2. 인공토양 골재의 특성

단위결합재량이 100과 200 kg/m³로 배합된 경량기포콘크 리트는 양생 단계에서 심한 침하와 탈형 중 몰드의 손상으로 육성용 인공토양 골재 제조에서 이 두 변수를 제외하였다.

3.2.1. 입도분포

파쇄된 인공토양골재의 입도분포를 Fig. 7에 나타내었다. 단위결합재량이 500 kg/m³ 이하로 배합된 기포콘크리트로부 터 제조된 인공토양골재는 10 mm에서 100%, 5 mm에서 93%, 2.5 mm에서 54%, 1.2 mm에서 17%, 0.6 mm에서 7%의 입도 분포를 보였다. 반면, 단위결합재량이 600~800 kg/m³로 배합 된 기포콘크리트로부터 제조된 인공토양골재는 10 mm에서 100%, 5 mm에서 96%, 2.5 mm에서 75%, 1.2 mm에서 48%, 0.6 mm에서 24%의 입도 분포를 보였다. 단위결합재량이 600~ 800 kg/m³로 배합된 기포콘크리트로부터 제조된 인공토양골 재는 단위결합재량이 500 kg/m³ 이하로 배합된 기포콘크리트 로부터 제조된 인공토양골재보다 2.5 mm와 0.6 mm에서 약 40 % 더 높았다. 이는 단위결합재량의 증가가 모재의 강도를 증가시켜 파쇄 시 크기가 큰 골재량을 증가시켰기 때문이다 (^{Yang, 2014}). 또한, 파쇄된 인공토양골재의 조립률도 단위결 합재량이 증가할수록 증가하였다. 단위결합재량이 700 kg/m³ 이하로 배합된 기포콘크리트로부터 제조된 인공토양골재의 조립률은 2.52~3.26으로서 일반적으로 식생화분에서 사용되 고 있는 토양(^{Yang, 2014})과 비슷한 수준에 있었다.

Fig. 7.

Particle size distribution of artificial soil aggregate

3.2.2. pH

Fig. 8에는 15%로 희석된 제 1인산암모늄의 수용액에 침지 된 일수에 따른 인공토양골재의 pH를 나타내었다. 제1인산암 모늄의 침지 전 인공토양골재의 pH는 12.01~12.14이었지만, 침지일수가 증가함에 따라 감소하였다. 침지일수 증가에 따 른 pH의 감소기울기는 침지 3일까지 급속하였지만, 그 이후 침지일에서 완만해져 일정한 값으로 수렴하였다. 최종적으로 침지 14일에 인공토양골재의 pH는 7.43~8.52의 범위에 있었 다. 침지 14일에 인공토양골재의 pH는 단위결합재량이 증가 함에 따라 증가하였다. 단위결합재량이 500 kg/m³ 이상으로 배합된 기포콘크리트로부터 제조된 인공토양골재의 pH는 8.17~8.52이었지만, 단위결합재량이 300과 400 kg/m³으로 제 조된 인공토양골재의 pH는 각각 7.43과 7.54이었다. 이와 같 이 단위결합재량의 증가에 따른 pH의 증가는 단위결합재가 증가할수록 수화반응시에 생성되는 강알카리성인 수산화칼 슘(Ca(OH)₂)의 양이 증가하기 때문이다(^{Lee and Yang, 2016}).

Fig. 8.

pH at a times of ammonium phosphate immersion

3.2.3. 투수계수

파쇄된 인공토양골재의 투수계수를 Fig. 9에 나타내었다. 파쇄된 인공토양골재의 투수계수는 단위결합재량이 증가할 수록 증가하였는데, 그 증가 기울기는 급격하였다. 이는 단위 결합재량의 증가로 모재의 강도가 증가되고 이로 인해 입도 분포에서 큰 골재량이 증가하기 때문이다(^{Yang, 2014}). 결합 재량이 300 kg/m³로 배합된 기포콘크리트로부터 제조된 인공 토양골재의 투수계수는 0.72 mm/s이었다. 반면 400 kg/m³ 이 상의 결합재로 배합된 기포콘크리트로부터 제조된 인공토양 골재의 투수계수는 1.18~4.57 mm/s로서 조경시방서(2014)에 서 제시하고 있는 기준을 만족하였다.

Fig. 9.

Coefficient of permeability of artificial soil aggregate

3.2.4. 양이온 치환용량(CEC)

파쇄된 인공토양골재의 CEC를 Fig. 10에 나타내었다. 파쇄 된 인공토양골재의 CEC는 단위결합재량이 증가할수록 선형 적으로 증가하였지만, 그 증가기울기는 미미하였다. 이와 같 은 단위결합재량의 증가에 따른 CEC의 증가는 토양의 pH 의존 전하에 따라 변화는 특성 때문이다(^{Kim, 2014}). 일반적으로 토양 의 CEC는 pH가 증가할수록 증가하는 특성을 가지고 있다(^{Kim, 2014}). 파쇄된 인공토양골재의 CEC는 22.22~32.56 cmol⁺/kg으 로서 조경시방서(2014)에서 제시하고 있는 토양등급에서 상 급토양으로 분류될 수 있다. 조경시방서(2014)에서 제시하고 있는 토양등급은 저급, 중급 및 상급으로 구분될 수 있다. 또 한 이들 분류의 지표는 CEC의 값에 따라 달라지는데, 값이 높 으면 높을수록 양이온 교환 능력이 우수함을 의미한다. 따라 서 고로슬래그 기반 기포콘크리트로부터 제조된 인공토양골 재는 양이온 교환능력 측면이 우수한 등급으로 평가될 수 있 다고 판단된다.

Fig. 10.

Cation exchange capacity of artificial soil aggregate