Engineering Properties of Volcanic Ash-Cement Soil Mixtures and Zeolite-Cement Soil Mixtures

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화산재-시멘트 혼합토 및 제올라이트-시멘트 혼합토의 공학적 특성

Engineering Properties of Volcanic Ash-Cement Soil Mixtures and Zeolite-Cement Soil Mixtures

이충원

^*

․장동수

^**

․박성용

^**

․연규석

^***

․김용성

^****,†

Lee, Chung-Won․Chang, Dong-Su․Park, Sung-Yong․Yeon, Kyu-Seok․Kim, Yong-Seong

ABSTRACT

In this study, the engineering characteristics of volcanic ash-cement soil mixtures and zeolite-cement soil mixtures are investigated by using unconfined compression test, freezing-thawing test, SEM and XRD analysis. The samples were mixed with volcanic ash from Mt. Baekdusan or porous zeolite, and cement as the ratios of 3.5:1, 4.0:1, 4.5:1, 5.0:1 with and without metakaolin. It is confirmed that compressive strength degraded with increasing of the amount of volcanic ash or zeolite, and increased with addition of metakaolin as a binder. Moreover, test results suggested that the mixtures provided sufficient freezing-thawing resistance. In addition, ettringite as a product of cement hydration was detected by SEM and XRD, and that possibly contributes to the strength of the mixtures.

Keywords: volcanic ash; zeolite; strength; freezing and thawing; microstructure

I. 서 론^*

제올라이트 (Zeolite, 비석)는 표면에 미세한 다수의 간극을 보 유하는 천연광물의 일종으로, 특유의 흡착특성과 이온교환 능력 으로 인해 산업계에서 흡습제, 세제, 촉매제, 건설재료 등으로 대 단히 광범위하게 응용되고 있는 물질이다. 제올라이트는 이산화 규소로부터 구성되는 골격을 기본으로 하며, 일부의 규소가 알루 미늄으로 치환됨에 의해 결정격자 전체가 음전하로 대전된다. 이 때문에, 미세공 내의 물분자를 방출하고 나트륨 등의 양이온을 받아들여 전하의 균형을 맞추게 되며, 이로 인해 분말상태의 제 올라이트를 다른 종류의 양이온을 포함한 수용액 중에 넣으면 미세공 내와 수용액 중에서 이온교환 및 흡착이 발생하게 된다.

칼륨과 세슘 등의 양이온과 독소 및 암모니아 등도 제올라이트 에 의하여 이온교환 및 흡착이 가능하며, 관상어 사육시의 여과 재로서 수중의 암모니아, 유기물질, 박테리아의 흡착 등에도 사 용되어 수질정화에도 기여한다.

* 강원대학교 석재복합건설신소재연구소 연구원

** 강원대학교 대학원 지역건설공학과

*** 강원대학교 농업생명과학대학 지역건설공학과 교수

****강원대학교 농업생명과학대학 지역건설공학과 부교수

† Corresponding author Tel.: +82-33-250-6463 Fax: +82-33-251-6463

E-mail: [email protected] 2013년 2월 21일 투고

2013년 3월 8일 심사완료 2013년 3월 21일 게재확정

이러한 제올라이트의 성상과 유사한 재료로서 화산재를 들 수 있다. 화산재는 제올라이트와 마찬가지로 상당한 공극 및 비표면 적을 보유하고 있어 제올라이트의 대체재로의 활용이 기대된다.

특히 최근 백두산 주변 지형이 융기하는 등 백두산의 분화 가능 성이 점증하고 있으며, 만약 백두산이 분화하는 경우 무수한 화 산재의 비산으로 항공, 교통, 물류, 정밀기계 산업 등이 큰 타격 을 입을 뿐만 아니라, 화산재의 처리 및 처분에도 막대한 비용이 발생하여 경제적 ․ 산업적으로 천문학적 손실이 예상되므로, 화산 재의 처리 및 건설재료 등의 유효 활용방안 개발을 통해 화산의 분화에 따른 피해를 최소화할 필요가 있다.

화산재에 대한 국외 연구로서, O'Connell et al. (2003)은 화 산재를 혼입한 도로 아스팔트의 재료특성 및 성능을 분석하여 그 결과를 바탕으로 시험시공을 실시하였으며, Sato (2006)는 화산력을 사용한 콘크리트를 충진한 각형 강관기둥에 관한 실험 적 연구를 통해 하중-변위, 하중-변형율 특성을 고찰하여 부재의 변형성능을 검토하였다. Mitsudome (2012)는 신모에다케 분화 에 의해 발생한 화산재를 콘크리트에 유효활용하기 위하여 성분 분석, 입도분포, 밀도 및 흡수율, 알칼리-실리카 반응성 실험, 안 정성실험, 용출시험 등을 실시한 뒤, 각 배합비별로 압축강도 및 건조수축시험을 실시하여 재료의 공학적 성능을 고찰하였으며, Onoue (2012)는 콘크리트의 배합을 통한 화산재의 유효활용을 위하여 신모에다케 화산재의 배합비율에 따른 강도특성 및 건조 수축 특성을 분석하였다. 또한 Yamamoto et al. (2012)는 일본 신모에타케 및 사쿠라지마 화산분출물을 이용, 친환경 ․ 고기능성

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지반재료 개발을 위한 기초자료 확보를 위해 입도, 다짐특성, 전 단강도 특성, 시멘트 첨가율에 따른 일축압축강도의 변화 등을 분석하여 최적 배합비를 검토하였다.

국내의 연구로서 Go (2004)는 한라산 화산재의 화학성분, 물 리적 특성, 입도특성, 액 ․ 소성한계 특성 및 이에 따른 흙의 분 류, 다짐특성, 점착력 및 내부마찰각 등을 분석하여 공학적인 특 성을 검토하였으며, Kim (2004)은 제주 표선리 현무암계 화산재 의 물리적 ․ 화학적 특성 및 구조체로서의 강도를 분석한 후, 이 를 활용한 소일시멘트의 중금속 흡착효과를 평가하였다. 또한, Jo and Kim (2011)은 화산재 콘크리트의 치환방법 및 치환율에 따른 역학적 특성에 관해 고찰하였다.

그러나 국내의 경우 최종적인 분화가 여타 국가에 비해 과거에 발생하여, 관련 연구가 주로 장시간에 걸쳐 상당한 지질학적 변 화를 겪은 화산재에 대한 것이며, 그마저도 상당히 미진한 상황 이다. 따라서 분화 직후의 화산재 활용성을 제고하기 위해서는 더 많은 연구가 필요한 실정이다.

본 연구는 제올라이트의 대체재로서 백두산 화산재를 건설재 료로 활용하기 위한 기초적 연구로서, 화산재 또는 제올라이트의 혼합률, 메타카올린의 혼합여부에 따른 시멘트 혼합토의 압축강 도, 미세구조, 동결융해 특성 등의 분석을 통해 화산재-시멘트 혼합토 및 제올라이트-시멘트 혼합토의 공학적 특성을 규명하고, 이를 통해 현장에서 화산재-시멘트 혼합토를 건설재료로서 활용 하는데 필요한 기초 자료를 제공하여 백두산 분화에 대비한 화 산재의 건설재료로서의 유효 활용방안 개발에 기여하고자 한다.

II. 재료 및 방법

1. 사용 재료

본 연구에서는 백두산 화산재, 제올라이트, 메타카올린 등을 시료로 사용하였다. Table 1 및 Fig. 1은 본 연구에 사용된 백 두산 화산재와 제올라이트의 입도분포곡선을 나타낸다. 백두산 화산재 및 제올라이트의 #4체 (4.76 mm) 통과량은 50 % 미만 으로서 자갈 (Gravel) 계통으로 분류된다. 또한 백두산 화산재의 균등계수 (Cu)는 1.43, 곡률계수 (Cc)는 0.92이며, 제올라이트의 균등계수는 2.33, 곡률계수는 1.11로 나타나, 두 시료 모두 통일 분류법에 의해 GP로 분류된다. 시멘트는 국내 H사의 보통 포틀

Table 1 Physical properties of volcanic ash (V.A) and zeolite Type

Specific Gravity

(Gs)

Uniformity Coefficient (Cu)

Gradation Coefficient

(Cc)

USCS

V.A 0.56 1.43 0.92 GP

Zeolite 2.22 2.33 1.11 GP

Fig. 1 Grain size distribution curve

Table 2 Chemical compositions of normal portland cement (Unit: %)

SiO2 Al2O3 CaO MgO SO3 K2O Na2O Fe2O3

21.09 4.84 63.85 3.32 3.09 1.13 0.29 2.39

Table 3 Mechanical properties of normal portland cement Specific Gravity

(Gs)

Setting time (h-min) Compressive strength (MPa) Initial Final 3days 7days 28days

3.15 5-7 7-20 19.4 21.6 32.3

랜드 시멘트를 사용하였으며, Table 2와 Table 3은 각각 포틀 랜드 시멘트의 화학적 조성 및 물리적 특성을 나타낸다.

2. 배합설계 및 공시체 제작

가. 배합

화산재-시멘트 혼합토 및 제올라이트-시멘트 혼합토의 배합설 계는 Onoue (2012)의 연구를 참고하여, Table 4에 나타낸 바와 같이 최적 배합 조건을 찾기 위해 Case별로 중량비를 설정하여 혼합한 후, 일정량의 혼합시료를 채취하여 공시체를 조성하였다.

즉, 백두산 화산재 및 제올라이트에 대하여 각 재료의 혼합비율 (4종) 및 메타카올린 혼합여부 (2종)를 고려하여 총 16개 Case 에 대하여 실험을 실시하였다.

Table 4 Mix designs of volcanic ash-cement and zeolite- cement mixtures

Material Case Material Cement Remark

V.A/Zeolite

1 3.5 1

without and with metakaolin

2 4.0 1

3 4.5 1

4 5.0 1

(3)

(a) without metakaolin (b) with metakaolin

Fig. 2 Comparison of unconfined compressive strength with curing ages of volcanic ash-cement mixtures

나. 공시체 제작

혼합토의 일축압축강도 특성을 고찰하기 위해 ø50×100 mm 몰드에 재료를 투입하고 다짐을 실시하여 원통형 공시체를 제작 하였다. 이러한 공시체의 재령에 따른 강도 특성을 규명하기 위 하여 재령 3, 7일 및 28일 동안 양생을 실시하였다.

3. 시험방법

가. 일축압축강도 시험

일축압축강도는 KS F 2314 (흙의 일축압축시험 방법)에 준 하여 재령 3, 7일 및 28일에 φ50×100 mm인 공시체를 일축압 축시험기를 사용하여 1 mm/min의 속도로 하중을 재하하여 측정 하였다.

나. 동결융해 시험

동결융해 시험은 KS F 2332 (다져진 흙 시멘트 혼합물의 동 결융해 시험 방법)에 준하여 공시체를 성형한 후에 습윤양생실에 서 7일간 양생 후 －23 ℃보다 높아지지 않는 동결캐비닛에 24 시간의 동결과 온도 21 ℃, 상대습도 100 %인 습윤양생실에서 24시간동안 융해를 12주기 반복하여 다음 식에 의해 흙-시멘트 손실량을 측정하였다.

흙 시멘트의 손실율 (%)＝_



× 

여기에서, A: 처음에 계산된 노 건조 질량에서 최종 수정된 노 건조 질량을 뺀 값, B: 처음에 계산된 노 건조 질량

다. SEM

혼합토의 수화특성 분석을 위해 재령 0일 및 7일된 공시체

에서 샘플을 채취하여 주사전자현미경 (Scanning Electronic Microscope, SEM)을 이용하여 수화생성물의 형태 및 분포를 비교하였다.

라. XRD

혼합토의 수화특성을 분석하기 위하여 재령 0일 및 7일된 공 시체에서 샘플을 채취하여 X선 회절분석법 (X-ray diffraction, XRD)을 이용하여 수화생성물의 구성성분을 확인하였다.

III. 결과 및 고찰 1. 압축강도 특성

가. 화산재 및 제올라이트 혼합률-압축강도

Fig. 2 및 Fig. 3은 각각 화산재 및 제올라이트의 혼합률, 메 타카올린 혼합여부에 따른 시멘트 혼합토의 재령별 압축강도를 나타낸다. 압축강도는 화산재 및 제올라이트의 혼합률이 증가할 수록 작은 경향을 나타내었다 (Fig. 2(a), Fig. 3(a)). Table 5에 서 볼 수 있듯이 화산재와 시멘트를 3.5:1로 혼합한 경우의 28일 강도가 1.03 MPa이나, 혼합비율을 4.0:1, 4.5:1, 5.0:1과 같이 증가시킬수록 혼합토의 압축강도는 각각 0.78, 0.48, 0.25 MPa 로서 강도가 저하됨을 알 수 있다.

또한, Table 6에서와 같이 제올라이트와 시멘트를 3.5:1로 혼합한 경우의 28일 강도는 1.33 MPa이나, 혼합비율을 4.0:1, 4.5:1, 5.0:1과 같이 증가시킬수록 혼합토의 압축강도는 각각 0.93, 0.88, 0.37 MPa로 나타나 화산재와 동일한 경향을 보여주 고 있다. 이는 화산재 및 제올라이트의 혼합률이 높아질수록 해 당 재료가 시멘트와 반응하지 못하고 경화체 내부에 그대로 존 재하며 시멘트의 수화반응을 방해하기 때문으로 판단된다.

따라서 시멘트만을 바인더로 사용한 경화체의 강도 증진을 위

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Fig. 3 Comparison of unconfined compressive strength with curing ages of zeolite-cement mixtures

Table 5 The list of compressive strength and strength ratio of Baekdusan volcanic ash-cement mixtures Items

V.A:Cement Days

(a) without metakaolin (b) with metakaolin Strength ratio (b)/(a) Peak

(MPa)

Strain (%)

Peak (MPa)

Strain (%)

Case 1 (3.5:1)

3 0.61 3.76 0.93 2.85 1.52

7 0.68 5.93 1.04 1.88 1.53

28 1.03 3.66 1.21 7.03 1.17

Case 2 (4.0:1)

3 0.35 2.22 0.58 3.96 1.66

7 0.53 3.32 0.65 5.38 1.23

28 0.78 3.35 1.03 4.91 1.32

Case 3 (4.5:1)

3 0.33 3.25 0.34 1.75 1.03

7 0.41 5.06 0.42 3.14 1.02

28 0.48 2.99 0.54 3.43 1.13

Case 4 (5.0:1)

3 0.16 4.97 0.21 4.29 1.31

7 0.16 3.21 0.31 4.59 1.94

28 0.25 6.57 0.37 2.74 1.48

해서는 다량의 화산재 및 제올라이트의 혼입은 곤란한 것으로 판단된다. 따라서 화산재의 재활용 촉진 및 강도 증진을 위해서 는 시멘트 이외의 바인더가 필요한 것으로 사료되며, 본 연구에 서는 시멘트 중량의 1/10에 해당하는 메타카올린을 추가혼합하 여 압축강도에 미치는 영향을 분석하였다. 그 결과, 혼합토의 압 축강도가 모든 혼합률에서 증가하는 것으로 나타났으며 (Fig. 2 (b), Fig. 3(b)), 이를 정량적으로 고찰하면 화산재-시멘트 혼합 토의 28일 강도가 17~48 %, 제올라이트-시멘트 혼합토의 28일 강도가 6~15 % 향상되는 효과가 나타나 (Table 5～6 참조), 추가적인 바인더의 혼합을 통해 혼합토의 강도증진이 가능함을 확인하였다. 본 실험결과에서는 화산재 또는 제올라이트의 비율 을 3.5:1로 혼합하고, 시멘트 중량의 1/10에 해당하는 메타카올 린을 추가혼합한 경우 최대의 강도를 발현하였다.

Table 6 The list of compressive strength and strength ratio of zeolite-cement mixtures

Items

V.A:Cement Days

(a) without metakaolin (b) with metakaolin Strength ratio (b)/(a) Peak

(MPa)

Strain (%)

Peak (MPa)

Strain (%)

Case 1 (3.5:1)

3 0.89 1.81 1.00 1.71 1.13

7 1.12 3.33 1.26 3.38 1.13

28 1.33 3.00 1.52 2.57 1.15

Case 2 (4.0:1)

3 0.59 2.69 0.65 1.51 1.10

7 0.71 1.81 0.84 2.81 1.18

28 0.93 1.90 1.06 1.08 1.14

Case 3 (4.5:1)

3 0.43 2.18 0.45 2.96 1.05

7 0.53 1.92 0.58 3.30 1.09

28 0.88 0.72 0.93 1.43 1.06

Case 4 (5.0:1)

3 0.21 2.13 0.22 0.89 1.06

7 0.25 1.36 0.27 1.25 1.08

28 0.37 0.22 0.41 1.62 1.11

나. 재령-정규화 압축강도

Fig. 4 및 Fig. 5은 각각 화산재 및 제올라이트의 혼합률별 정 규화 압축강도 (재령 3일 기준, fc/f3)를 나타낸다. 혼합토의 압 축강도는 재령에 따라 증가하는 경향이 관찰되었다. 화산재-시 멘트 혼합토의 경우, 재령 7일의 정규화 압축강도 (f7/f3)는 1.06

～1.52, 재령 28일의 정규화 압축강도 (f28/f3)는 1.47～2.23으 로 나타났다. 여기에 시멘트량의 1/10에 해당하는 메타카올린을 첨가하는 경우, 재령 7일의 정규화 압축강도는 1.12～1.45, 재령 28일의 정규화 압축강도는 1.30～1.78로 나타났다.

한편, 제올라이트-시멘트 혼합토의 경우, 재령 7일의 정규화 압축강도 (f7/f3)는 1.20～1.26, 재령 28일의 정규화 압축강도 (f28/f3)는 1.49～2.05로 나타났다. 여기에 시멘트량의 1/10에 해 당하는 메타카올린을 첨가하는 경우, 재령 7일의 정규화 압축강

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Fig. 4 Normalized compressive strength (fc/f3) with curing ages of Baekdusan volcanic ash-cement mixtures

Fig. 5 Normalized compressive strength (fc/f3) with curing ages of zeolite-cement mixtures

도는 1.21～1.29, 재령 28일의 정규화 압축강도는 1.52～2.05 로 분석되었다.

본 연구에서는 메타카올린의 첨가에 따라 압축강도가 증가하 며, 재령 7일의 정규화 압축강도는 메타카올린의 첨가여부와 관 계 없이 화산재-시멘트 혼합토 및 제올라이트-시멘트 혼합토 모 두 유사한 반면, 재령 28일의 정규화 압축강도는 화산재-시멘트 혼합토의 경우 메타카올린 첨가시 다소 감소하나 제올라이트-시멘 트 혼합토는 메타카올린 첨가 후에도 유사한 경향을 나타내었다.

다. 응력-변형률

Fig. 6 및 Fig. 7은 각각 화산재 및 제올라이트의 혼합률, 메 타카올린 혼합여부에 따른 시멘트 혼합토의 압축강도-변형률 곡 선을 나타낸다.

화산재-시멘트 혼합토의 파괴시 변형률 (εf)은 재령 28일에서 최대강도를 갖는 배합인 화산재:시멘트＝3.5:1에서 급격한 취성 파괴의 경향이 나타났으며, 그 외의 혼합률에서는 재령의 증가에

따라 큰 차이를 보이지 않았다. 한편, 혼합토에 시멘트의 1/10에 해당하는 중량의 메타카올린을 첨가한 경우의 파괴시 변형률은 재령 3일 및 7일에서 최대강도를 갖는 배합인 화산재:시멘트＝

3.5:1에서 취성이 메타카올린 첨가 전보다 증가하였고, 재령 28 일에서는 파괴시 변형률이 약 7 % 수준으로 크게 증가하는 것으 로 나타났다.

제올라이트-시멘트 혼합토의 경우, 재령 및 혼합률과 관계 없 이 전체적으로 취성파괴의 경향을 나타내었다. 한편, 본 혼합토 에 메타카올린을 첨가한 경우에도 첨가 전과 비교하여 파괴변형 율의 큰 변화 없이 취성파괴의 경향을 나타내었다.

이를 통해, 메타카올린 미혼합시에는 재령 28일의 화산재-시 멘트 혼합토 및 제올라이트-시멘트 혼합토가 취성파괴의 경향을 나타내나, 메타카올린 혼합시에는 화산재-시멘트 혼합토의 경우 파괴변형율이 증가하는 효과를 발현함을 알 수 있었으며, 이는 화산재와 제올라이트의 재료적 특성의 차이에 기인한 것으로 보 이나 향후 지속적인 연구를 통해 검증할 필요가 있다.

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(A) 3 days (B) 7 days (C) 28 days (a) Mixtures without metakaolin

(A) 3 days (B) 7 days (C) 28 days

(b) Mixtures with metakaolin

Fig. 6 Unconfined compressive strength-axial strain curve of Baekdusan volcanic ash-cement mixtures

(a) Mixtures without metakaolin

(b) Mixtures with metakaolin

Fig. 7 Unconfined compressive strength-axial strain curve of zeolite-cement mixtures

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Fig. 8 The results of freeze-thaw test

(A) without metakaolin (B) with metakaolin

(a) volcanic ash-cement mixture

(b) zeolite-cement mixture Fig. 9 SEM analysis (Curing 0day, ×2,000)

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(A) without metakaolin (B) with metakaolin (a) volcanic ash-cement mixture

(b) zeolite-cement mixture

Fig. 10 SEM analysis (Curing 7day, ×2,000)

라. 동결융해 특성

Fig. 8은 동결융해 싸이클에 따른 시멘트 혼합토의 손실률과 재료 (화산재 및 제올라이트)의 혼합률과의 관계를 나타낸 것이 다. 실험 결과, 손실률은 화산재-시멘트 혼합토 및 제올라이트- 시멘트 혼합토가 각각 메타카올린 미혼합시 1.27～3.74 %, 1.17

～3.56 %였으며, 메타카올린 혼합시 1.76～4.46 %, 2.10～

3.70 %로 나타났다. 화산재 및 제올라이트의 혼합률이 클수록 손실률도 증가하는 경향을 보였는데, 이는 혼합토의 동결융해 저 항성에 시멘트의 수화작용이 중요하게 작용함을 반증하는 것이라 할 수 있다.

Chamberlain et al. (1990)에 의하면 10～15 % 이하의 손실 률은 12회 동결융해 싸이클 후 표면에 가까운 흙의 강도에 큰 영향을 미치지 않은 것으로 알려져 있어, 화산재-시멘트 혼합토 및 제올라이트-시멘트 혼합토는 건설재료로서 사용하는데 있어 동결융해 저항성을 확보한 것으로 판단된다.

2. 미세구조 특성

가. SEM 분석

Fig. 9 및 Fig. 10은 최대의 압축강도를 갖는 것으로 분석된 3.5:1 혼합률의 화산재-시멘트 혼합토 및 제올라이트-시멘트 혼 합토의 재령 0일 및 7일 시료에 대하여 주사전자현미경 (SEM, S-4300 Hitachi)에 의해 2,000배로 측정한 재료 내부의 미세 구조를 나타낸 것이다. 샘플 표면의 SEM 분석 결과 재령 7일에 서 시멘트 수화에 의하여 수화 생성물인 침상의 에트린자이트 (Ettringite)가 생성되었음을 알 수 있다. 일반 콘크리트의 경우 시멘트의 혼입량이 많기 때문에 다량의 수화생성물이 형성되는 반면, 시멘트 혼합토 재료의 경우 시멘트의 혼입량이 상대적으로 적으므로 혼합토의 간극에 채워진 시멘트의 수화에 의해 소량의 수화생성물이 형성되고 간극을 충진하는 것으로 판단되며, 이는 Kellsen (1996)의 고강도 콘크리트의 양생에 관한 연구에서 제

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(b) zeolite-cement mixture Fig. 11 XRD diagram (Curing 0day)

시한 결과와 유사한 경향을 나타낸다고 할 수 있다. 즉, 시멘트 에 의하여 생성된 수화생성물은 흙과의 결합력을 증가시킬 뿐만 아니라 강도 증진에 기여하게 되므로, 재령 증가에 따른 강도 증 가를 Fig. 9 및 Fig. 10은 잘 설명해 주고 있다.

나. XRD 분석

화산재-시멘트 혼합토 및 제올라이트-시멘트 혼합토의 구성 성분을 분석하기 위해 Fig. 11 및 Fig. 12에 나타낸 바와 같이 SEM 분석을 수행한 시료에 대하여 XRD 분석을 수행하였다.

Fig. 11 및 Fig. 12는 각각 화산재-시멘트 혼합토 및 제올라 이트-시멘트 혼합토의 0일 및 7일 경과 후의 수화 생성물 확인 을 위한 XRD 분석 결과를 나타낸 것이다. 각 혼합토의 주성분은 Calcium silicate계의 화합물이며, 메타카올린이 혼합되는 경우 화합물의 조성에 다소의 변화가 확인된다. XRD 분석 결과, 7일 후에 두 혼합토 모두 에트린자이트 (Ettringite)가 생성되었음을

확인할 수 있으며, 본 수화생성물이 흙과의 결합력을 증가시켜 재령 증가에 따른 강도 증진에 기여하게 된다.

IV. 결 론

본 연구는 제올라이트의 대체재로서의 화산재를 건설재료로 활용하기 위한 기초적 연구로서, 백두산 화산재 및 제올라이트의 혼합률, 메타카올린의 혼합여부에 따른 시멘트 혼합토의 압축강 도, 동결융해 특성 및 미세구조 등의 분석을 통해 화산재-시멘 트 혼합토 및 제올라이트-시멘트 혼합토의 공학적 특성을 구명 하고자 하였다. 본 연구를 통해 얻어진 결론은 다음과 같다.

1. 화산재-시멘트 혼합토 및 제올라이트-시멘트 혼합토의 압 축강도는 해당 재료의 혼합률이 증가할수록 작은 경향을 나타내 었으며, 메타카올린을 추가혼합하는 경우 모든 혼합률에서 압축 강도가 증가하는 것으로 나타났다. 본 연구에서는 화산재 또는

(10)

(b) zeolite-cement mixture Fig. 12 XRD diagram (Curing 7day)

제올라이트의 비율을 3.5:1로 혼합하고, 시멘트 중량의 1/10에 해당하는 메타카올린을 추가혼합시 최대의 강도를 발현하므로 이를 현장 적용을 위한 배합으로 제안하나, 지속적 연구 및 현장 여건을 고려한 검증이 필요하다.

2. 화산재-시멘트 혼합토 및 제올라이트-시멘트 혼합토는 취 성파괴 거동을 나타내며, 메타카올린 혼합시에는 화산재-시멘트 혼합토의 파괴변형율이 증가함을 알 수 있었다. 이는 화산재와 제올라이트의 재료적 특성 차이에 기인한 것으로 사료되며, 현장 적용시 고려할 필요가 있다.

3. 화산재-시멘트 혼합토와 제올라이트-시멘트 혼합토의 동결 융해 특성은 건설재료로서 저항성을 충분히 확보하였으나, 재료 의 혼합율이 클수록 시멘트의 수화작용으로 인하여 손실률도 증 가하였다. 따라서 재료의 혼합율은 현장 여건을 고려하되 과도하 게 설정하지 않는 것이 바람직하다고 판단된다.

4. 주사전자현미경 (SEM) 및 X선 회절분석법 (XRD)에 의한 화 산재와 제올라이트 시멘트 혼합토의 미세구조 특성은 재령의 경

과에 따라 시멘트 수화생성물인 침상의 에트린자이트 (Ettringite) 가 생성되었고, 이것이 혼합토의 간극을 충진시켜 결합력 및 강 도의 증진에 기여하는 것으로 판단된다.

5. 본 화산재-시멘트 혼합토의 강도특성을 콘크리트 등과 비 교할 때, 저강도의 특성을 가지므로, 호안 식생블록 및 인공어초 등에 활용시 양호한 효과가 기대된다.

본 연구는 소방방재청의 백두산화산대응기술개발사업인

‘화산재 피해 예방 및 관리기술’ [NEMA-백두산-2012-2-5]

과제의 지원 및 강원대학교 공동실험실습관의 장비 지원 (SEM 등)으로 이루어졌습니다. 이에 감사드립니다.

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