A Study on Utility for Fine Aggregates and Engineering Characteristics by Mineralogical Composition of Sands on the Coast of Jeju Island

제주 해안지역 모래의 광물성분에 기인한 공학적 특성 및 잔골재 활용방안 연구

A Study on Utility for Fine Aggregates and Engineering Characteristics by Mineralogical Composition of Sands on the Coast of Jeju Island

김승현

, 이동욱

*

Seung Hyun Kim

, Dong Wook Lee

*

1Member, Doctor´s Course, Department of Civil and Ocean Engineering, Jeju National Univ., 102 Jejudaehak-ro, Jeju-si, Jeju Special Self-Governing Province, 690-756, Republic of Korea

2Non-Member, Associate Professor, Department of Civil Engineering, Jeju National Univ., 102 Jejudaehak-ro, Jeju-si, Jeju Special Self-Governing Province, 690-756, Republic of Korea

ABSTRACT

This study categorizes the distributed sand around coastal area of Jeju volcanic Island into three groups according to their components, and arranges their characteristics. In the case of basic physical properties, the silicate sand has slightly greater specific gravity than general sand, and the carbonate sand with widespread distribution has a lower specific gravity. In the gross, the carbonate sand has poor particle classifying and low uniformity coefficient because carbonate minerals of relatively large grain size are mixed. The relation between compressive strength and components shows conflicting tendency that silicate and carbonate components have positive correlation and negative correlation with compressive strength, respectively. Based on the components ratio of one to one, the sand having low carbonate component ratio is expected to be able to utilize in construction fine aggregate. To compare between square root (ACI 308) and cube root (KCI 2012) of compressive strength at computation of elastic modulus, it is considered to non-dimensional elastic modulus.

요 지

본 연구에서는 화산섬 제주의 해안지역에 산발적으로 분포하고 있는 모래들을 성인에 따라 세 개의 그룹으로 분류(규산염모래, 탄산염모래, 혼재된 모래)하여 그 특성을 정리하였다. 기본물성은 일반적인 모래의 비중에 비해 규산염모래는 다소 높고 탄산 염모래는 낮은 값들을 포함하여 넓게 분포하며 전체적으로 비교적 입경이 큰 탄산염광물이 혼재되어 있어 분급이 불량하고 균등계수가 낮다. 구성성분에 따른 압축강도와의 관계는 규산염성분은 압축강도와 양의 상관을 보이고 탄산염성분은 음의 상관을 보여 서로 상반되는 경향을 보인다. 두성분의 비가 1:1을 기준으로 탄산염성분비가 작아지는 지역의 모래는 건설용 잔골재로 활용이 가능할 것으로 추정된다. 탄성계수 산정 시 압축강도의 2제곱근(ACI 308)과 3제곱근(KCI 2012)을 비교하기 위해 탄성계수를 무차원하여 검토하였다.

Keywords : Mineralogical composition, Fine aggregate, Compressive strength, Elastic modulus 한국토목섬유학회논문집 제13권 4호 2014년 12월 pp. 57 ∼ 68

J. Korean Geosynthetics Society Vol.13 No.4 December. 2014 pp. 57 ~ 68

DOI: http://dx.doi.org/10.12814/jkgss.2014.13.4.057 ISSN: 1975-2423(Print) ISSN: 2287-9528(Online)

Received 23 Sep. 2014, Revised 5 Nov. 2014, Accepted 10 Nov. 2014

*Corresponding author

Tel: +82-64-754-3458; Fax: +82-64-725-2519 E-mail address: [email protected] (D. W. Lee)

1. 서 론

현재 제주는 10년 전과 비교해 약 20%의 인구가 증가

하였으며 꾸준히 증가할 것으로 예상되고 있어 이에 따른

경제, 관광 그리고 국방을 위한 대형프로젝트가 진행 또는

계획되어 있다. 그러나 이러한 프로젝트시설물들의 기초

재료라 할 수 있는 잔골재(모래)를 전량 EEZ지역의 세척

사로 외부에서 반입해 사용해야하는 제주는 잔골재 수급

이 여의치 않다. 2009년 당시 4대강 사업으로 발생되는 준

설토를 약 3억2천만m

로 예상하였으며 이는 대부분 모래 로 골재환원율을 70%로 가정하였을 때 약 2억4천만m

( 국 내 연간 모래 수요는 약 1억m

) 가 발생할 것으로 예상, 이 로 인해 골재가격 대폭락 및 골재업체 가동중단이 우려되 었다(Korea Construction Newspapers, 2009.03). 실제 2012 년 말 4대강 사업이 마무리되면서 준설토는 약 6억m

발 생하였으며 4대강 사업의 70%가 이루어진 낙동강수계 영 남지역의 골재채취가 잠정 중단되면서 4대강 사업이 이루 어진 시군이 관내 업체에게만 모래를 판매하는 자원지역 주의가 발생했었고, 이로 인해 장거리 운송을 감수하고 원 정조달을 하거나 서해･남해 EEZ에서 채취되는 바다모래 를 수급하기 위해 경쟁을 벌여 물류비 증가와 수급경쟁으 로 인한 모래가격 상승을 가져오고 있어 자구책이 필요하 다. 근본적으로 지역 내 골재자원에 대한 조사가 필요하다 고 판단되며, 본 연구에서는 제주 해안지역에 분포하고 있 는 모래에 대해 공학적 특성과 콘크리트용 잔골재로서의 활용성을 검토하고자 하였다.

제주도는 신생대 제4기에 수차례 분출한 화산활동에 의 해 생성되기 전에는 해수면보다 낮은 모래자갈지역이었으 며, 제주 해안지역에 분포하고 있는 모래들을 성인에 따라 분류하면 크게 3가지 그룹으로 분류할 수 있다(kraus, 1959;

Sinkankas, 1966). 수성화산활동으로 형성된 응회구, 응회 환의 화산암석들이 강한 바람과 파도에 풍화되거나 하천 을 통한 화산암 암편(Rock Fragment)의 공급으로 형성된 규산염 모래(Silicate Sand), 연체동물과 홍조류의 각질파 편 등에 의해 형성된 탄산염 모래(Carbonate Sand) 그리고 이들 두 종류의 특징이 동시에 나타나는 혼재된 모래 (Mixed Sand) 가 제주도 해안지역에 분포되어 있다.

Cho(2007); Nam et al.(2007a) 은 제주 해안의 26개 지 역 모래들을 XRF 및 XRD 분석을 통해 화학조성과 주요 광물들에 대한 정보를 얻었고, 세 그룹의 대표 모래들에 대한 압축시험을 통해, 탄산염모래의 경우 초기 압축변형 외에 추가적인 압축변형이 발생하였고 이를 하중재하에 따른 모래 입자의 파쇄특성과 그로 인한 입자의 재배열로 설명하여 탄성침하 외에 장기침하에 대한 문제를 제시하 여 탄산염모래의 특성을 설명하였다. 그리고 Nam et al.

(2007b) 은 제주 해안 모래의 활용성을 검토하기 위해 6개 지역의 모래를 채취하여 염분량과 Shell함유량에 따른 압 축강도특성을 파악하여 염분량은 0.15%에서 최대값을 보 이고, Shell함유량은 연구범위 8%이내에서는 압축강도에 미치는 영향이 미미하다고 분석하였으며 일부 기준강도미

만 지역의 모래는 하천사와 혼합하여 사용할 것을 추천하 였으나, 해사와 하천사를 혼합하기 위해서는 두 가지 모래 의 특성을 반영한 품질기준에 대한 연구 및 검토가 선행되 어야 할 것으로 사료된다.

본 연구에서는 제주해안에 산발적으로 분포하고 있는 모래들의 공학적 특성을 개략적으로 파악하고, 건설용 재 료인 잔골재로 활용이 가능한지 여부와 가능하다면 가능 한 지역을 선별하기 위한 방법으로 모래들의 XRF분석 결 과를 이용한 광물성분량과 압축강도와의 관계를 회귀분석 하여 제시하고 콘크리트 변형을 평가하는 중요한 요인인 탄성계수를 산정하는 산정식들을 비교 하였다.

2. 제주 해안지역 모래 2.1 제주의 지질

제주도는 생물권보전지역 지정(2002. 12), 세계자연유 산 등재(2007. 7) 및 세계지질공원 인증(2010. 10)으로

“UNESCO 3 관왕”을 달성하면서 전 세계적으로 그 가치 를 인정받아 화산암류 및 용암동굴 등을 비롯하여 제주도 의 지질학적 가치가 재조명되어 그 어느 때 보다 활발한 연구가 진행되고 있다.

제주도의 형성과정을 간략히 보면, 제주화산섬이 만들 어지기 전 제주도 일대는 굳어지지 않은 점토층과 모래층 ( 미고결퇴적층 : U층)이 있던 얕은 바다였으나 약 180만 년 전 바다 속 지하로부터 약한 지층을 뚫고 마그마가 상 승하면서 물과 격렬하게 반응한 수성화산활동이 발생하여 수많은 응회환과 응회구들이 생겨났고, 이 후 오랜 시간 동안 이 화산체들이 풍화되고 해양퇴적물과 함께 섞이기 를 반복하면서 서귀포층이 형성되었다. 서귀포층의 퇴적 이후 원시 제주도는 해수면위로 점점 성장하였고, 이후 용 암이 분출되면서 넓은 용암대지들이 만들어졌으며 용암이 겹겹이 쌓이면서 한라산을 중심으로 한 방패 형태의 순상 화산체가 형성되었다.

제주도는 주로 제3기말 플라이오세의 서귀포층, 제4기

프라이스토세에의 성산층, 화순층 및 신양리층의 퇴적층

과 현무암, 조면암질안산암 및 조면암 등의 화산암류 그리

고 기생화산에서 분출된 화산성 쇄설암(volcaniclastic rock)

등으로 분포되어 있다. 제주도에 분포되어 있는 화산암류

는 알카리 현무암, 하와이아이트, 뮤져라이트, 안산암, 벤

모라이트, 조면암 및 소량의 소레아니트 등이다. 또한 Korea

Table 1. XRF results of Jeju volcanic rocks

_ __ __

44.92 ~ 62.13 wt% 13.41 ~ 18.46 wt% 6.87 ~ 14.72 wt%

Table 2. XRF results of beach sands in Jeju island

Location _ __ _ __   _ _  __  

Sam-yang 49.48 15.74 2.06 10.76 5.65 8.16 3.20 1.50 0.11 0.46 2.32 99.43

Ham-doek 3.18 0.68 0.13 0.68 3.42 45.39 0.39 0.18 0.02 0.20 41.93 96.74

Gim-nyeong (S)1.41 - 0.04 0.19 3.44 48.08 0.87 0.06 0.01 0.15 44.39 98.64

Gim-nyeong (L)6.74 2.35 0.29 1.96 2.56 49.72 0.64 0.20 0.02 0.54 34.26 99.28

Wol-jeong 1.78 - 0.05 0.46 2.94 48.18 0.80 0.07 0.01 0.16 43.84 98.29

Haeng-won 4.52 0.63 0.10 1.27 2.90 54.10 0.53 0.06 0.01 0.17 36.11 100.40

Han-dong 1.86 0.62 0.08 0.85 2.37 56.42 0.50 0.04 0.01 0.19 37.27 100.21

Jong-dol 14.51 2.42 0.37 5.98 10.71 35.55 0.74 0.12 0.05 0.19 30.29 100.93

Hongjodangwi 0.28 0.02 - 0.08 5.93 53.13 0.85 0.01 - 0.09 39.85 100.25

Hagosudong 8.13 1.05 0.10 1.03 2.15 51.26 0.99 0.23 0.01 0.15 34.37 99.47

Seong-San 36.82 7.15 1.62 18.87 18.81 8.49 1.96 0.49 0.16 0.23 5.33 99.92

Gummulae 37.77 8.14 1.79 16.59 15.05 11.23 2.23 0.67 0.14 0.30 6.28 100.19

Sin-yang 26.00 2.12 0.49 13.48 23.73 16.98 0.33 0.10 0.08 0.14 13.01 96.46

Pyoseon 3.38 0.45 0.16 0.91 3.20 44.93 0.99 0.13 0.02 0.14 42.00 96.30

Jung-mun 13.67 4.51 0.62 3.04 3.02 37.40 1.36 0.38 0.04 0.30 33.83 98.17

Hwa-sun 38.17 9.26 1.14 8.78 8.05 15.52 1.37 0.52 0.07 0.27 17.22 100.37

Sa-gye 31.58 5.94 0.66 5.26 6.23 24.97 1.22 0.64 0.05 0.27 22.60 99.42

Sang-mo 49.32 11.02 1.64 11.22 9.13 9.06 2.37 1.21 0.15 0.44 4.82 100.36

Geum-neung 3.92 0.26 0.18 0.83 1.70 48.35 0.67 0.11 0.01 0.11 42.04 98.18

Hyepjae 1.46 - 0.03 - 3.24 47.97 1.12 0.07 - 0.16 49.96 99.02

Gwidoek 9.41 1.86 0.25 1.79 2.07 49.52 1.57 0.17 0.02 0.16 33.20 100.02

Gwakgi 3.42 0.59 0.18 0.88 1.82 47.33 1.04 0.17 0.01 0.14 40.68 96.27

Handam 4.37 0.91 0.11 0.98 1.91 54.38 1.41 0.07 0.01 0.12 35.66 99.95

Jeju habor 26.16 9.37 0.94 5.01 3.00 27.28 2.46 1.02 0.06 0.32 23.63 99.27

I-ho 30.55 12.58 0.93 5.15 2.68 23.36 2.86 1.15 0.06 0.34 19.36 99.04.

※ LOI: Loss of Ignition, Unit: wt%

Institue of Geology, Mining ＆ Materials(2000)에 의하면 제주도 지질의 XRF분석결과 주성분을 이루는

__

는 Table 1과 같은 분포를 보이고 있다.

2.2 제주 해안지역의 모래

제주의 해빈 발달지역은 암석 돌출, 해안절벽, 암초 등 이 많아 해빈간의 연결성을 절단시키고 해빈발달은 빈약 하다. 지역마다 다양한 해빈을 나타내고 있으며, 길이는 평균 812m, 폭은 90m이고, 해빈의 경사는 약 7°로 좀 급 한 편이다(Youn, 1985). 또한 해빈형성에 가장 중요한 요 인은 암석돌출부에서 만입부로 향하는 연안류이며, 조류,

해파, 바람 등의 영향도 많이 받는 것으로 사료된다(Go et al., 1988).

기존 연구(Cho, 2007; Nam et al., 2007a)에 의하면 제 주해안에 분포하는 모래 26개 지역들에 대한 모래의 화학 적 특징을 규명하기 위해 XRF(X-ray Fluorescence Spec- trometry) 분석을 실시하여 Table 2와 같이 제주 해안지역 모래에 대한 화학조성분석이 이루어져 있으며, Fig. 1에서 는 모래의 채취지점과 세 그룹의 분류를 도시하였고, Fig. 2 에서는 탄산염모래의 주성분인

와 규산염모래 의 주성분인

의 구성비 관계를 나타 내었으며 구성비가 서로 반비례함을 알 수 있다.

____

의 함량이 60wt%이상이고

의 함

뷃 뷅뷃 뷇뷃 뷃 뷊뷃 뷄뷃뷃

뷃 뷅뷃 뷇뷃 뷃 뷊뷃 뷄뷃뷃

SiO2 + AL2O3+Fe2O3

CaO+LOI

Fig. 1. Distribution of classified sands Fig. 2. Relation of silicate & carbonate Components

Fig. 3. TAS diagram showing rock types

량이 20wt%이하인 모래를 규산염 모래,

의 함량이 20wt%이하이고

의 함량이 80wt%이 상인 모래를 탄산염 모래 그리고 이들 두 가지의 구성성분 이 혼재하여 나타나는 모래를 혼재된 모래로 분류하였다.

분류된 각 모래들의 특징은 육상영역의 환경, 즉 주변지역 의 응회암층과 화산쇄설층이 강한 바람과 파도에 의해 풍 화되거나 하천 하구와 인접한 지역에 화산암 암편이 상대 적으로 다량 공급된 해빈퇴적물로 형성된 규산염 모래와 탄산염광물로 각질을 이루고 있는 연체동물과 홍조류의 각질파편들이 우세한 모래인 경우 탄산염(

) 이 주를 이루는 탄산염 모래, 그리고 이 두 가지의 특징들이 섞여 있는 혼재된 모래로 구분하였다.

제주 해안지역 모래들이 제주의 생성기원 즉, 화산암류 와 어느 정도 관련이 있는 지를 확인하기 위해

와

__

의 구성비를 이용한 화산암류 분류법인 TAS 도(Total Alkali-Silica diagram, Le Maitre, 1984)에 도시 한 결과, Fig. 3과 같이 전체 26개 지역 중 2개 지역 삼양, 상모의 모래만 도시가 가능했으며 구성을 이루는 암질은

알칼리계열의 알칼리 현무암으로 분류되었다. 이 두 지역 은 대표적인 규산염모래지역이며 삼양지역 모래의 경우 주변지역은 하천이 발달되어 있고 동측에는 화산활동에 의해 분출되어 화산재가 퇴적된 응회암층이 발달되어 있 으며 상모 주변지역은 인접한 동측에 송악산, 수성화산체 에 의해 생긴 응회암층이 발달되어 있다. 그리고 TAS도에 도시되지 않는 나머지 모래들은 천해에서 공급되는 탄산 염 성분이 우세하거나 혼재돼 있어

의 조성이 적어 화산암류로만 판단하기에는 부족하다.

3. 시험 결과 및 분석 3.1 제주 해안 모래의 특성

3.1.1 기본물성

기본 물성(비중, 입도분석)시험 결과는 Table 3과 같으 며, 규산염모래의 비중(

) 은 2.78～2.87로 일반적인 모래 의 비중이 2.6～2.8에 비해 대체적으로 큰 값을 보이며, 입도분석 결과 모래인 경우 균등계수(

) 가 6보다 크고 곡률계수(

) 는 1～3인 경우 입도분포가 좋은 흙으로 분 류되나 풍화된 규산염모래인 경우 입경이 균일하며, 통일 분류법(Unified Soil Classification System)로 분류하면 입 도분포가 나쁜 모래(SP)로 분류된다. 상모지역의 모래는



,

,

이 다른 모래에 비해서 입경이 크게 나타났으 며, 이에 반해 삼양모래는 입경이 작은 결과를 보이는데 이는 풍화의 정도에 따라 입경의 차이가 있을 것으로 판단 되며 Fig. 4에 규산염모래들의 입도분포를 나타내었다.

탄산염모래의 비중은 2.53～2.80이나, 제주의 북동지역

인 김녕, 월정, 행원, 한동과 동지역인 우도의 하고수동,

홍조단괴 등 동측지역 일대의 모래들은 서측지역의 탄산

Table 3. The basic properties of sands

Type Location

Specific Gravity (_)

Sieve Analysis

_ _ _ USCS

_ _

(mm) (mm) (mm)

Silicate sands

Sam-yang 2.87 0.17 0.19 0.23 1.35 0.92

SP

Seong-San 2.87 0.27 0.43 0.60 2.22 0.11

Gummulae 2.87 0.44 0.52 0.65 1.48 0.95

Sang-mo 2.78 0.50 0.65 1.20 2.40 0.70

Carbonate sands

Ham-doek 2.74 0.20 0.28 0.36 1.80 1.09

Gim-nyeong(S)2.69 0.17 0.20 0.27 1.59 0.87

Gim-nyeong(L)2.68 0.16 0.22 0.32 2.00 0.95

Wol-jeong 2.71 0.18 0.23 0.31 1.72 0.95

Haeng-won 2.66 0.18 0.24 0.32 1.78 1.00

Han-dong 2.70 0.19 0.28 0.45 2.37 0.92

Hongjodangwi 2.60 1.80 2.50 3.40 1.89 1.02

Hagosudong 2.53 0.16 0.22 0.33 2.06 0.92

Pyoseon 2.70 0.14 0.18 0.24 1.71 0.96

Geum-neung 2.76 0.49 0.69 1.30 2.65 0.75

Hyepjae 2.75 0.20 0.29 0.42 2.10 1.00

Gwakgi 2.78 0.23 0.31 0.45 1.96 0.93

Gwidoek 2.80 0.67 1.00 1.50 2.24 1.00

Handam 2.79 0.27 0.38 0.55 2.04 0.97

Mixed sands

Jeju habor 2.74 0.22 0.31 0.46 2.09 0.95

Jong-dol 2.81 0.13 0.17 0.21 1.62 1.06

Sin-yang 2.98 0.16 0.19 0.27 1.69 0.84

Jung-mun 2.71 0.46 0.55 0.66 1.43 1.00

Hwa-sun 2.70 0.25 0.32 0.45 1.80 0.91

Sa-gye 2.72 0.18 0.24 0.33 1.83 0.97

I-ho 2.84 0.22 0.31 0.46 2.09 0.95

Fig. 4. Grain-size distribution curve of silicate sands Fig. 5. Grain-size distribution curve of carbonate sands

염 모래에 비해 비중이 낮게 나타났다. 또한 입경은 Fig.

5 에서와 같이 대부분 0.10～1.00mm로 통일분류법으로는 입도분포가 불량한 모래 SP에 속한다. 그러나 입도분포를 보면 곽지, 금릉, 홍조단괴지역은 입경이 다른 탄산염 모

래에 비해 큰 것을 알 수 있는데 이는 곽지, 금릉지역인

경우 각질파편 등이 다른 지역에 비해 큰 입경을 가지고

있다. 그리고 홍조단괴인 경우 단순히 입도분포 상 덩어리

인 상태로 풍화가 덜 이루어진 것으로 판단되나, 정확한

Fig. 6. Grain-size distribution curve of mixed sands Fig. 7. Grain-size distribution curve of classified sands

Table 4. FE-SEM of classified sands

Scale Silicate sand Carbonate sand Mixed sand

×300

×1000

Table 5. Grain-size distribution of fine aggregates Grain size (mm) Percent finer (%)

10 5 2.51.2 0.30.3 0.15

100 95 ~ 100 80 ~ 100 50 ~ 85 25 ~ 60 10 ~ 30 2 ~ 10

형성원인과 광물학적 및 지화학적 특성에 대해서는 현재 까지 밝혀진 바 없다(Kang and Roh, 2013).

풍화와 화산암 암편의 공급으로 형성된 모래와 탄산염 (

) 이 함유된 모래가 혼재된 모래의 비중은 2.7～

2.84 의 범위를 보이고 있으나, 신양지역의 모래는 2.98로 다른 지역의 모래에 비해 월등히 큰 값을 나타내고 있다.

입경이 대체적으로 0.10～1.00mm이고 통일분류법으로 분류한 결과 다른 모래들과 마찬가지로 입도분포가 불량 한 모래인 SP에 속한다. Fig. 6의 입도분석곡선을 보면 규 산염 모래와, 탄산염 모래에 비해 모래의 입경이 비교적 균질한 것으로 나타났다. 그리고 Fig. 7은 분류된 모래의 그룹 별 최소입경과 최대입경의 범위를 나타낸 입도분포 곡선이다.

3.1.2 표면 관찰

Table 4 와 같이 세 그룹으로 분류된 모래들의 표면을 전계방사주사전자현미경(FE-SEM)으로 촬영하였고 색상 은 육안으로 비교･관찰 하였다. 규산염모래의 표면 특징 을 확인하기 위해 모래입자를 관찰한 결과 치밀하고 신선 한 암편의 것으로 관찰되고 색상은 주로 현무암 또는 응회

암과 비슷한 색상인 검정색이 주를 이루고 있으며 간간히 조개껍질의 색상인 흰색도 관찰된다. 탄산염모래의 표면 은 거칠고 불규칙하며 기공이 발달되어 있고 색상은 주로 각질의 색과 같은 흰색 혹은 밝은 노란색을 띄고 있다. 그 리고 혼재된 모래의 표면은 규산염모래와 탄산염모래의 중간정도로 약간의 거칠고 불규칙한 기공들이 관찰되며 색상은 황색 혹은 흰색의 입자와 검정색의 입자가 혼재되 거나 어두운 암황색을 띄고 있다.

3.2 제주 해안지역 모래의 활용성 검토

본 연구에서는 제주 해안지역 모래의 콘크리트용 잔골 재로 활용성을 검토하기 위해 기 조사된 26개 지역 중 13 개 지역(S-y, S-s, S-m, S-y, H-s, I-h, J-d, G-n, P-s, H-d, H-w, G-n, W-j) 에 대해 모래를 채취하고 규산염과 탄산염 성분에 따른 압축강도와 탄성계수 특성을 중심으로 실험 결과를 분석하였다.

그리고, 일반적으로 콘크리트용 잔골재는 5mm체를 다

통과하고 0.08mm체에 다 남는 골재 또는 10mm체를 전부

통과하고 5mm체를 거의 다 통과하며 0.08mm체에 거의

다 남는 골재를 말한다. 잔골재는 Table 5와 같이 알맞은

입도를 가질 것을 권장하며, 깨끗하고 강하고 내구적이며

Table 6. Mixing design in concrete (25-18-9) G max

(mm) Slump

(mm) Air

(%) W/C

(%) S/a

(%)

Unit Weight (^)

C W S G AD

25 90±15 4.5±0.5 54.5 46.2 3207 1746 8081 9591 10

Fig. 8. Relationship between components and compressive strength

먼지, 흙, 유기불순물, 염화물 등의 유해량을 함유해서는

안 된다. 잔골재에는 자연 모래, 바다 모래 등의 자연산과 부순 모래, 고로슬래그 등의 재생골재인 인공산이 있다.

KS 에서는 잔골재의 물리적 성질은 밀도 2.5

이상, 흡수율 3.0%이하, 안정성 10%이하 또한 조립률이 2.3 ~

3.1 범위의 잔골재를 사용하는 것이 바람직하다고 규정하 고 있다. 그리고 유해물 함유량 허용치는 점토덩어리 1.0wt%, 염화물 0.04wt%이하 이다.

잔골재의 밀도가 작고 흡수율이 크면 잔골재를 구성하 는 골재입자가 다공질로서 입자의 강도가 작다. 이처럼 입 자의 강도가 작으면 소요의 강도를 가지는 콘크리트를 만 들기 위한 단위 시멘트 량이 일반적으로 증가하는 경향이 있을 뿐만 아니라 콘크리트 건조수축에 대한 균열 저항성 이 감소하며, 콘크리트의 탄성계수가 그 압축강도로부터 예측된 값보다 작아지는 경우가 있다. 또 다공질의 입자는 콘크리트의 내동해성을 손상시키는 원인이 되기도 한다 (Ministry of Land, Transport and Maritime Affairs, 2008).

3.2.1 사용재료 및 배합설계

본 실험에서는 잔골재로 활용된 모래의 규산염과 탄산 염 성분에 따른 역학적 특성을 파악하고자 하였기 때문에 배합설계에 대한 별도의 수정은 고려하지 않았으며 배합 설계 시 시멘트의 강도는 40Mpa, 잔골재의 조립률은 2.70, 비중은 3.13을 적용하였고 배합설계 표는 Table 6과 같다.

일반 굵은 골재는 제주서부지역의 최대치수 25mm 쇄석,

시멘트는 보통포틀랜드시멘트를 사용하였으며, 잔골재인 모래는 채취 시 사용한 마대에 넣어서 담수를 흘려 2일간 수침 시킨 후 사용하였다. 시험체는 ∅100×200mm 원주 형 공시체로서 제작 2일 후 탈형하고 20 ± 2℃에서 28일간 수중양생을 하였으며, 시험체의 압축강도는 KS F 2405 (Standard Test Method for Compressive Strength of Concrete) 에 준하여 실시하였다.

3.2.2 규산염, 탄산염 성분과 압축강도

이 장에서는 기존연구(Lee and Kim, 2014)의 내용을 수 정·보완하였다. 규산염성분(

) 과 탄산 염성분(

) 에 따른 압축강도 특성을 Fig. 8에 비 교하였다. 검토 결과 전반적으로 규산염성분 함량이 많을 수록, 탄산염성분 함량이 적을수록 공시체의 압축강도가 증가하는 경향을 보이고 있는데 이는 해빈퇴적물의 기원 이 주변지역에서 공급받은 신선한 화산암 암편이 주를 이 루고 있는 규산염 성분과 기공이 발달된 연체동물 및 홍조 류 등의 각질파편이 주를 이루는 탄산염성분이 콘크리트 공시체의 강도에 적극적으로 반영된 결과로 사료된다. 두 성분의 함량정도에 따른 압축강도를 추정하기 위해 회귀 분석한 결과, 본 연구에서는 규산염성분 함량이 약 42%이 상이면 기준강도를 만족하고, 탄산염성분 함량이 약 45%

이하이면 기준강도를 만족하는 것으로 분석되었다. 규산

염성분과 압축강도의 관계는 양의 상관을 보이며 회귀식

은 식 (1)과 같고 탄산염성분과 압축강도의 관계는 음의

Fig. 9. Compressive strength according to components ratio Fig. 10. The effective range

Fig. 11. Geographic around the effective regional

상관을 보이고 회귀식은 식 (2)와 같으며, 동일한 압축강

도를 종속변수로 사용한 회귀식 (1), (2)의 설명력

값이 다른 이유는 Fig. 2에서 제시한 바와 같이 규산염성분과 탄산염성분의 구성비가 일정하지 않다는 점과 입도 및 조 립률에 의한 관계를 확인하기 위해 잔골재의 품질기준 이 내로 재가공하지 않아 데이터의 분산이 커진 것으로 사료 된다.

   ^ 

(1)

_   ^ 

(2)

여기서,

: 압축강도(Mpa),

: 각 성분함량(wt%)

위의 Fig. 8에서 알 수 있듯이 이들 두 성분은 압축강도 에 대해 양과 음의 선형관계를 보여주고 있어 서로 상반된 관계임은 분명하며, 각각의 성분으로 압축강도 특성을 추 정하기 보다는 보다 간략한 방법으로 압축강도와의 관계 를 추정하기 위해 Fig. 9에서와 같이 탄산염 : 규산염 성분 비에 따른 압축강도 특성을 분석하였다. 본 연구에서는 13 개 지역에 대해 압축강도시험을 행하였으며 성분비를 정 수로 표현하기 위해 정수범위에서 겹치는 압축강도결과는 산술평균하여 적용하였다. 그 결과 탄산염 : 규산염 성분 비가 0:10, 3:7, 6:4, 8:2인 지역은 0개, 1:9, 5:5, 7:3인 지역 은 1개, 2:8, 4:6, 10:0인 지역은 2개, 9:1인 지역은 4개로 분류되었다. 분석결과

로 Fig. 8의 단일성분들 과 압축강도의 관계 보다는

값이 소폭 증가하여 비록, 데이터의 수가 작아지기는 하였지만 데이터들의 설명력은 조금 높아졌으며, 탄산염 : 규산염 성분비가 5 : 5에서 탄산

염 성분비가 작아지는 경우 본 연구의 범위에서 유효한 것 으로 확인된다.

그리고, Fig. 10은 식 (1), (2)의 결과를 이용해 잔골재로 활용이 가능한, 유효한 지역을 XRF 분석결과로 예측하였 다. 기 조사된 26개 제주 해안 모래지역 중 규산염함량이 42% 이상이고 탄산염함량이 45%이하인 모래지역 즉, Fig.

10 의 점선 안에 해당되는 모래지역은 건설용 잔골재로 활 용이 가능할 것으로 보인다. 그리고 Fig. 11은 제주지역의 하천현황도 위에 잔골재로 활용 가능 할 것으로 선별된 지 역들을 도시한 것이며 선별된 지역들의 특징은 하천의 발 달에 의한 화산암 암편 공급이 용이한 지역과 제주 해안을 따라 해빈주변에 돌출되어 분포되어 있는 주변암질들이 공급된 지역 그리고 하천과 응회암을 비롯한 주변암질이 동시에 공급되는 지역적 특징을 보인다.

이 분석결과를 토대로 제주전역에 분포하는 모래들에

대한 XRF분석 자료를 획득하면 건설용 잔골재로 활용 가

능한 지역을 기타의 실험에 의하지 않고 우선적으로 선정

이 가능할 것으로 예상된다. 또한, 본 연구의 결과는 정부

Table 7. The Fineness Modulus of sands Location Sam

-yang Seong-S

an Sang

-mo Sin

-yang Hwa

-sun I-ho Jong -dol Gim

-nyeong Pyo

seon Ham

-doek Haeng

-won Geum -neung Wol

-jeong F.M. 1.27 4.06 3.71 1.23 2.33 2.33 1.04 1.59 1.23 2.00 1.76 3.74 1.71

Fig. 12. Relation of F.M. & Compressive strength

의 골재자원정보관리시스템(AGRIS : AGgregate Resource

Infomation System) 구축에 있어 제주지역 모래들에 대한 기초특성을 이해하는 자료로 활용이 가능할 것으로 판단 된다.

3.2.3 조립률과 압축강도

Jung et al.(2005) 는 잔골재 조립률 및 굵은 골재 입형이 초유동 콘크리트에 미치는 영향을 검토하기 위해 조립률 (F.M. : Fineness Modulus) 을 2.0, 2.5, 3.0, 3.5로 조정한 4 종의 잔골재에 대해서 검토한 결과 조립률이 2.0(압축강 도 40MPa)에서 3.0까지 지속적으로 강도가 증가하고 조 립률 3.5에서는 낮아지는 특성을 확인 하였고 이는 조립률 3.5 에서 혼합골재의 공극률이 다소 높은 것에 기인한 것으 로 분석하였다. 그리나, Goo et al.(2013)의 연구에는 잔골 재 조립률이 콘크리트의 배합특성에 미치는 영향을 검토 하여 조립률 2.72인 하천모래와 조립률 1.35, 1.86, 2.09인 세사를 기준강도 30, 50 및 70Mpa 각각에 대해서 비교한 결과 물/시멘트비는 조립률에 관계없이 거의 일정, 단위수 량은 세사가 다소 증가, 단위시멘트량은 다소 감소한 것으 로 나타나 조립률이 낮은 세사도 콘크리트 배합특성이 양 호한 것으로 분석하였다.

Table 7 은 압축강도 시험을 실시한 모래들의 조립률이 며, 검토 결과 모래의 형성 당시 주변지역 화산암류의 풍 화 및 하천에 의한 암편 공급과 천해영역에서 공급받은 비 교적 입경이 큰 탄산염광물이 혼재되어 있어 입도 분급이 좋지 않아, 잔골재 조립률 KS범위인 2.3~3.1을 벗어나는 1.04~4.06 까지 폭 넓게 분포하는 것으로 검토되었다. 그리 고 조립률과 압축강도의 특성을 Fig. 12에서와 같이 분석 한 결과

로 관계식 (3)이 갖는 데이터들의 설명 력이 약 12%로 매우 낮아 조립률과 압축강도는 상관성이 낮은 것으로 보이며 조립률이 2.3보다 작은 세사와 3.1보 다 큰 조사에서도 기준강도를 상회하는 결과들도 보이고 있어, Jung et al.(2005); Goo et al.(2013)의 연구 결과들과 단순하게 비교하기가 어렵고, 많은 연구 자료를 바탕으로 조립률이 콘크리트에 미치는 영향에 대한 다각도의 비교 와 분석이 필요할 것으로 판단된다.

   ^ 

(3)

여기서,

: 압축강도(Mpa),

: F.M.

3.2.4 압축강도와 탄성계수

콘크리트의 탄성계수는 부재의 변형을 평가하는 중요 한 요소로서 일반적으로 콘크리트의 강도가 증가함에 따 라 탄성계수도 증가하는 특성을 보이기는 하나, 강도와 탄 성계수는 비례적으로 증가하지 않으며 강도의 증가량보다 탄성계수의 증가량이 조금 적은 경향을 보인다. 이러한 콘 크리트의 탄성계수는 Concrete design code and commentary(2012) 에 의하면 콘크리트의 실제압축강도에 근거하는 것이 타 당한 것으로 설명하고 있으며 현실적으로 실험을 통해 모 든 데이터를 계측한다는 것이 매우 어렵기 때문에 일반적 으로 압축강도와 단위용적질량을 이용한 탄성계수 산정식 을 제안하여 사용하고 있다.

본 연구에서는 ACI 318 식 (4), KCI 2012 식 (5), Eurocode

2 식 (6)에서 제안하고 있는 탄성계수(

) 산정식을 이용

해 탄성계수를 Fig. 13에서와 같이 비교하였으며, 압축강

도시험으로 얻은 결과를 KCI 2012에 의한 탄성계수(Gpa)

로 산정하여 도시하였다. 아래의 식 (4), (5), (6)를 비교해

보면 ACI 318은 설계기준압축강도를 그대로 적용하고 있

고, KCI 2012와 Eurocode 2에서는 평균압축강도 개념을

적용하고 있어 설계기준압축강도를 적용할 시에는

를

Fig. 13. Comparison of the elastic modulus Equation Fig. 14. Comparison of the non-dimensional elastic modulus

더해 보정하도록 하고 있다.

본 연구의 압축강도 범위에서도 일반적인 콘크리트 탄 성계수의 경향을 따라 압축강도와 탄성계수는 비례적으로 증가하지 않고 압축강도의 증가량 보다 탄성계수의 증가 량이 조금 작은 것이 확인 되었다. 그리고 각 탄성계수 산 정식을 비교하기 위해 설계기준강도

=18Mpa 를 적용하 여 탄성계수

를 산정한 결과 ACI 318는 19.9Gpa, KCI 2012 는 23.8Gpa, Eurocode 2는 29.3Gpa로 산정이 되었으 며, 산정된 탄성계수

는 KCI 2012에 비해 ACI 318는 약 16% 정도 작고, Eurocode 2는 약 23% 큰 값을 보인다.

이는 설계기준강도

가 저강도 일 때의 결과이며, 압축 강도에 2제곱근을 사용하는 ACI 318의 경우

가 고강도 로 갈수록 탄성계수 증가량이 커져, 계산결과 약

=50Mpa 이상에서 3제곱근을 사용하는 KCI 2012보다 커지고 약



=80Mpa 이상에서 0.3제곱을 사용하는 Eurocode 2보다 큰 값을 보이며 반전된다.

_ 



(4)

여기서,

: 설계기준압축강도(Mpa)

 



(5)

여기서,

: 평균압축강도(Mpa)

_

: 설계기준압축강도(Mpa)

 

_

^ _ _  

(6)

여기서,

: 평균압축강도(Mpa)

_

: 설계기준압축강도(Mpa)

기존 연구에서 Yang and Hwang(2010)은 흙다짐 콘크 리트의 압축강도와 탄성계수 특성을 연구하면서, 공시체 직경 및 다짐에 따른 탄성계수를 평가하기 위해 ACI 318 기준식을 이용 탄성계수를 압축강도의 제곱근으로 무차원 (



) 하여 검토한 결과, 공시체 직경이 200mm이하 일 때 다짐 유무와 관계없이 탄성계수를 안전측으로 평가 하였다.

본 연구에서는 세 그룹으로 분류된 제주 해안지역의 모 래들을 그룹별로 산술평균한 평균압축강도는 규산염 모래 22.8Mpa, 혼재된 모래 18.3Mpa, 탄산염 모래 9.6Mpa이고 탄성계수의 평균값은 규산염 모래 24.1Gpa, 혼재된 모래 22.2Gpa, 탄산염 모래 17.9Gpa로 콘크리트의 탄성계수가 압축강도 2제곱근에 비례하는 ACI 318기준과 3제곱근에 비례하는 KCI 2012기준에 대해 산정된 탄성계수를 각각 압축강도의 n제곱근으로 무차원(



) 하여 Fig. 14에 서와 같이 비교하였다.

ACI 318 기준은 보통중량 OPC(Original Portland Cement)

콘크리트의 탄성계수를



로 제시하고 있어 기준

강도로 무차원(



) 하면 4700이 되며 세 그룹으로 분

류된 제주 해안지역의 모래에 대한 탄성계수의 평균값을

평균압축강도 2제곱근으로 무차원한 값과 비교한 결과,

세 그룹의 모래들이 ACI 318의 무차원 탄성계수 값보다

는 상회하지만, 탄성계수가 작은 탄산염모래의 무차원 탄

성계수 값이 커지는 결과를 보이고 있어, 이는 탄성계수가

압축강도 2제곱근에 비례하지 않음을 시사한다. 그리고

KCI 2012 기준은 보통중량 OPC 콘크리트의 탄성계수를





로 제시하고 있어 기준강도로 무차원(



) 하면 8500이 되며 탄성계수의 평균값을 평균압축강도 3제 곱근으로 무차원한 값과 비교한 결과, 세 그룹의 평균압축 강도 범위가 크지는 않지만 탄성계수와 무차원 탄성계수 값이 비례하는 것으로 분석되었다. 따라서 본 연구의 저강 도 범위에서 탄성계수는 압축강도 3제곱근에 비례하고 있 어 압축강도가 저강도인 경우 KCI 2012기준을 적용하여 탄성계수를 산정하는 것이 보다 적절한 것으로 판단된다.

4. 결 론

본 연구에서는 화산섬 제주의 해안지역에 산발적으로 분포하고 있는 모래들에 대해 광물조성에 기인한 공학적 특성과 건설용 잔골재로서의 활용성을 검토하기 위해 대 상모래들의 생성기원을 바탕으로 세 그룹으로 분류하여 비중과 입도분포 특성을 파악하였고, 잔골재로 자원화가 가능한지 여부를 판단하기 위해 압축강도시험을 실시한 결과 연구범위 내에서 일부지역 모래가 유효한 것으로 분 석되었고, XRF분석 결과를 바탕으로 광물성분량과 압축 강도와의 회귀식을 도출하여 제시하였다. 그리고 압축강 도 시험결과를 토대로 탄성계수 산정식들에 대한 검토가 이루어졌다. 본 연구로부터 다음과 같은 결론을 얻을 수 있다.

(1) 일반적인 모래의 비중(2.6~2.8)에 비해 제주 해안지역 에 분포하는 규산염모래의 비중은 2.78~2.87로 일반 모래에 비해 대체적으로 큰 값을 보이고, 탄산염모래 의 비중은 2.53~2.80으로 다소 작은 값을 보이지만 비 중 값의 범위가 넓은 특징을 보였다.

(2) 제주 해안지역 모래들의 입도분급은 전체적으로 다소 불량한 것으로 분석되었다. 이는 모래들이 형성 당시 주변지역 화산암류의 풍화와 천해영역에서 공급받은 비교적 입경이 큰 탄산염광물이 혼재되어 있기 때문 으로 판단되며 균등계수(Cu)가 대체적으로 낮은 이유 또한 동일한 것으로 판단된다.

(3) 본 연구의 압축강도 시험결과 규산염성분은 압축강도 와 양의 상관을 보이고 탄산염성분은 압축강도와 음 의 상관을 보이고 있어 서로 상반되는 경향을 보인다.

두 성분에 대한 특성을 단순화하기 위해 규산염 : 탄산 염 구성비와 압축강도 관계를 확인한 결과, 구성비 1:1 기준에서 탄산염성분비가 작아지는 지역의 모래는 건

설용 잔골재로 활용이 가능할 것으로 추정된다.

(4) 또한, 조립률은 1.04~4.06까지 범위가 넓고, 관계식의 설명력이 약 12%로 매우 낮아 조립률과 압축강도는 상관성이 부족한 것으로 분석되었으나, 조립률이 콘크 리트에 미치는 영향에 대해 좀 더 구체적인 비교와 분 석이 요구된다.

(5) 압축강도에 따라 탄성계수는 비례적으로 증가하지 않 으며 강도의 증가량보다 탄성계수의 증가량이 조금 적은 경향을 보였다. 그리고 탄성계수 산정식들을 검 토한 결과, 저강도 범위에서는 압축강도의 2제곱근



을 탄성계수의 변수로 사용하는 ACI 308 보다 3 제곱근 

를 변수로 사용하는 KCI 2012가 보다 적절한 것으로 판단된다.

(6) 본 연구는 기초연구로서, 콘크리트용 잔골재로 제주 해안지역의 모래를 활용하기 위해서는 잔골재의 품질 이 콘크리트의 강도 및 내구성에 미치는 영향을 고려 해 품질기준에 적합한지에 대한 면밀한 검토 후 활용 이 가능할 것으로 판단된다.

Acknowledgement

This research was a part of the project titled ‘2014 Jeju Sea Grant’, funded by the Ministry of Oceans and Fisheries, Korean.

References

1. ACI 318 (2008), Building Code Requirements for Structural Concrete (ACI 318-08) and Commentary (ACI 318R-08), American Concrete Institute.

2. Cho, S. H. (2007), “A study on the Characteristics of Cheju Island's Beach Sands”, Master´s Thesis, Cheju National Univ.

(in Korea).

3. Eurocode 2 (2002), Design of Concrete Structures-Part 1 : General rules and rules for buildings, Commission for the European Community.

4. Go, G. W., Youn, J. S. and Kim, S. B. (1988), “Study on the Beaches Sediment in U-Island, Eastern Part of Cheju Island”, Bulletin of Marine Science Institute, Cheju National Univ. (in Korea), Vol.12, pp.43-53.

5. Goo, M. S., Bae, S. H., Kwon, S. O., Lee, H. J. and Lee, S. H. (2013), “Influence of Fineness Modulus of Fine Aggregate on the Mix Characteristics of Concrete”, Proceedings of Korea Concrete Institute, Vol.2013, No.5, pp.57-58.

6. Jung, Y. W., Lee, S. H. and Yun, Y. H. (2005), “The Influence of Fineness Modulus of Fine Aggregate and Grain Shape of Coarse Aggregate on the Properties of High Flowing Concrete”, Journal of Korea Concrete Institute, Vol.17, No.5, pp.785-792.

7. Kang, S. K. and Roh, Y. (2013), “Mineralogical and Bio- geochemical Characteristics of Rhodoliths from Wu do, Jeju Island, Korea”, Proceedings of the Geological Society of Korea, Vol.2013, No.10, pp.221-221.

8. KCI 2012, Concrete design code and commentary, Kimoondang publish company(in Korea), Korea Concrete Institute, pp.

75-76.

9. Korea Construction Newspapers (2009.03), Aggregate price crash and downtime supplier concerns, (http://www.conslove.co.

kr/news/articleView.html?idxno=19461).

10. Korea Institue of Geology Mining＆Materials (2000), Explanatory note of the Jeju(Baekado, Jinnampo) sheet. pp.11-18.

11. Kraus, E. H. (1959), Mineralogy; an introduction to the study of minerals and crystals, McGraw-Hill, New York.

12. KS F 2405 (2010), Standard Test Method for Compressive Strength of Concrete, Korea Standards Association.

13. Le Maitre, R. W., 1984, A proposal by the IUGS subcommission on the systematics of igneous rocks for a chemical classification of volcanic rocks based on the total alkali silica (TAS) diagram. Australian Journal of Earth

Sciences, 31, pp.243-255.

14. Lee, D. W. and Kim, S. H. (2014), “Aggregate Utilization of Sands Containing Carbonates in Jeju coast”, Proceedings of the Korea Society for Geo-Spatial Information System, Vol.2014, No.5, pp.143-144.

15. Ministry of Land, Transport and Maritime Affairs (2008), Handbook for Construction and Management of Cement Concrete Pavement, pp.12-15.

16. Nam, J. S., Cho, S. H. and Kim, T. H. (2007a), “Compression Characteristics of Jeju Island Beach Sands”, Journal of the Korean geotechnical society, Vol.23, No.6, pp.103-114.

17. Nam, J. S., Park, J. Y. and Hong, J. W. (2007b), “A study on the Characteristics and Application characteristics of Cheju Island's Beach Sands", Bulletin of Marine Science Institute, Cheju National Univ. (in Korea), Vol.31, No.1, pp.

45-57.

18. Sinkankas, J. (1966), Mineralogy, Princeton, NJ.

19. Yang, K. H. and Hwang, H. Z. (2010), “Compressive Strength and Elastic Modulus Properties of High-Performance Rammed Earth Concrete”, Journal of the Architectural Institute of Korea Structure & Construction, Vol.26, No.3, pp.69-76.

20. Youn, J. S. (1985), “Beach Sediments of the Jeju Island, Korea”, Journal of Korean Inst. Mining Geol., Vol.18, No.1, pp.55-63.