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ISSN : 2093-5145(Print)
ISSN : 2288-0232(Online)
Journal of the Korean Society for Advanced Composite Structures Vol.7 No.4 pp.18-23
DOI : https://doi.org/10.11004/kosacs.2016.7.4.018

A Study on the Properties of Cement Mortar with Oyster Shell

Young-Sook Roh1, Seong-Ho Kwon2, Tae-Gyung Kim3, Yong-Guk Lee3
1Professor, School of Architecture, Seoul National University of Science and Technology, Seoul, Korea
2Student, Department of Mechanical Engineering,
3Student, Department of Architectural Engineering, Seoul National University of Science and Technology, Seoul, Korea
Corresponding author: Roh, Young-sook, School of Architecture, Seoul National University of Science and Technology, 232 Gongneung-ro, Nowon, Seoul 01811, Korea. +82-2-970-6554, +82-2-974-1480, rohys@seoultech.ac.kr
August 30, 2016 September 29, 2016 October 8, 2016

Abstract

A huge amount of waste oyster shells are being produced in the southern coast of South Korea. In order to find the possibility to recycle the waste as construction materials, mechanical characteristics of oyster-shell such as compressive strength and modulus of elasticity, were investigated. Compressive strength tests for mortar specimen with varying blending ratio of cement, water, fine aggregate, and oyster-shell were compared with normal cement mortar. There was continuous decreasing tendency in compressive strength as increasing dosages of oyster-shell when used as a replacement of cement, however strength and stiffness were increased around 10% of dosages of oyster-shell when used as a replacement of fine aggregate. The experiment results demonstrate that oyster-shells can be recycled and effective in replacement of not only cement but also fine aggregates.


굴 분말 및 패각을 이용한 모르타르의 특성 연구

노 영숙1, 권 성호2, 김 태경3, 이 용국3
1서울과학기술대학교 건축공학과 교수
2서울과학기술대학교 기계자동차공학과 학부생
3서울과학기술대학교 건축공학과 학부생

초록


    1.서 론

    굴을 포함한 패류는 식용으로 사용되는 육질에 비해 부피와 무게가 큰 패각으로 인하여 이들의 처리가 사 회적 문제로까지 대두되고 있다. 특히, 우리나라 남해 안과 서해안에 굴양식으로 인해 발생하는 굴패각은 매년 20만톤 내외로 발생하지만 처리 방법이나 기준 이 정립되어 있지 않아 연안에 방치되거나 매립되는 등의 불법 투기가 이루어지고 있는 실정이다. 정부에 서도 패각을 분쇄하여 패화석 비료로 재활용하는 노 력을 기울이고 있으나, 전체 패각의 20% 가량만이 처 리되고 있는 실정이다(Chae et al., 2005, Kim et al., 2014).

    방치된 굴패각 야적지에서는 침출수 등이 그대로 흘러들어 해상국립공원 등의 청정 해역과 남·서해 연 안의 어장축소, 해양 오염 등 자연환경을 훼손시키는 주범이 되고 있다. 또한, 일대의 지하수를 센물로 만 들 뿐만 아니라 악취와 주변 경관의 침해를 야기하여 위생 및 주거환경에도 악영향을 주고 있다(Ko, S-K. 2004). 따라서 우리나라의 해안 자원 보전 및 환경오 염 방지, 그리고 양식업의 활성화 등의 측면에서 굴 패각의 처리 방안은 시급히 개선되어야 할 과제이다.

    근래는 굴패각을 산업폐기물로 분류하여 비료나 사 료로 재활용하는 방안 이외에도 패각을 고온에 소성 하여 산화칼슘을 제조하거나 산화칼슘에 탄산화 공정 을 포함한 고부가가치의 탄산칼슙으로 가공하는 방안, 그리고 고분자 분야의 충전재로 활용하기 위한 방안 등의 많은 노력이 진행되고 있다(Kim et al., 2014, Moon, H. 2014). 그러나 이러한 연구들은 굴패각에 포함된 불순물 및 여러 유기물들을 제거하는 복잡한 전처리 과정과 소성과정이 수반되어 투입되는 시간과 예산에 비해 그 효용성이 높지 않은 실정이며 활용된 사례들도 매우 적은 실정이다. 건설 재료의 개발에 대한 연구도 개질 굴패각 미분말을 첨가한 시멘트 모 르타르의 특성 등 화학적 조성 및 역학적 특성 등의 분석을 통한 기존의 재료에 대한 대체 가능성을 평가 한 연구들이 대부분이나, 굴패각을 첨가한 재료의 역 학적 성질이 개선되었다는 결과 보고도 있으며(Yoon, et al., 2000), 감소되었다는 상반된 결과들도(Chae, et al., 2001; Kim, 2014) 보이고 있다.

    본 연구에서는 그동안의 적은 량의 시멘트 대체제 로 사용되었던 굴패각을 보다 적극적인 재활용방안을 목표로 잔골재 대체제로서의 성능을 검토하여 산업현 장에서 보다 많은 양의 굴패각 재활용 가능성을 검토 하고자 한다. 이는 굴패각의 입도분포, 내부마찰각, CBR 등이 건설현장에서 쓰이고 있는 잔골재와 거의 유사하며 성분은 탄산칼슘(CaCO3)이 91.18%로서 석 회석의 주성분과 거의 같다는 점에 기인한다 (Kim, 2010; Yoon, 2000). 간단한 전처리 과정을 통한 굴패 각을 기존 분말형태의 시멘트 대체제와 잔골재 대체 제로 사용하여 모르타르의 물리적 특성을 규명하여 굴패각의 경제적인 가공방안과 대규모의 재활용방안 을 검토하고, 굴패각의 대체비율을 제안하고자 한다.

    2.실험방법

    2.1.실험계획

    본 연구에서는 굴껍질을 이용하여 건설 산업현장에서 사용되는 시멘트와 잔골재의 대체제로서의 성능을 검 토하고, 건식과 습식 배합의 효율성을 검토하였다. 또 한 치환율을 질량비 0%, 1%, 3%, 5%, 10%로 각각 설정하여 이에 따른 강도 및 강성 변화를 살펴보았다.

    Table 1은 연구에서 사용된 주요 실험변수와 내용 을 나타낸 것이다. 물-시멘트비(w/c ratio)는 45%로 설정하였으며, 시멘트와 잔골재의 혼합비는 1:2로 하 였다.

    건식비빔은 시멘트와 굴분말, 잔골재를 물과 섞기 전에 혼합한 방식이며, 습식비빔은 물과 시멘트, 굴분 말을 먼저 혼합한 후 잔골재를 첨가하는 방식이다. 이는 다공질의 구조를 갖는 굴분말의 흡수율이 시멘 트와 달라 배합강도에 영향을 미칠 것으로 판단하였 으며, 분말형태와 골재형태의 대체제 차이를 파악하기 위함이다. 연구 자료에 따르면, 모르타르의 시멘트를 굴패각으로 치환했을 때 흡수욜 측정시, 혼합율이 높 을수록 증가했으며, 굴의 경우 타 패각에 비해 매우 높은 흡수율을 가지는 것으로 나타났다(Kim et al., 2014). Fig. 1.

    2.2.실험 방법

    공시체 제작에 사용된 시멘트는 1종 보통포틀랜드 시 멘트를 사용하였으며, 잔골재는 천연모래를 24시간 건조한 후 5mm체에 통과한 것을 사용하였다. 사용골 재의 일반적인 성질은 다음 표 2와 같다. 굴패각은 경남 통영에서 구입하여 솔로 불순물을 제거하고 세 척한 후 물에 24시간 담궈 염분을 제거한 후 햇볕에 48시간 말려 수분을 충분히 없앤 후 사용하였다. 이 는 생산지에서 6개월 이상 야적된 굴패각의 경우 우 수로 인해 염분이 자연 세척된다는 기존 연구결과를 활용하여 별도의 염분측정없이 실험을 진행하였다 (Kim et al., 2014). 시멘트 대체제로서의 굴분말은 220°C에서 1시간씩 3번 소성한 후 미분말로 분쇄하였 으며, 200번 체를 통과한 분말을 사용하였다. 골재용 굴패각은 분쇄기로 분쇄 후 체로 0.75~5mm의 패각을 선별하여 잔골재와 유사한 입도의 굴패각 입자를 사 용하였다. Table 2.

    3.실험결과 및 고찰

    강도 실험은 굴패각을 미분말로 만들어 시멘트 대체 제로 사용한 것과 분쇄하여 잔골재 대체제로 사용한 것으로 나뉘며 질량비 대체비율을 각각 0%, 1%, 3%, 5%, 7%, 10%로 하였다. 또한 파쇄 굴패각의 평면이 박편화되는 경향을 보이고, 다공질로 비중이 2.37정도 로 일반적인 토사의 비중에 비해 작아 배합의 순서에 따른 흡수율에 영향이 있을 것으로 판단하여 건식비 빔과 습식비빔으로 나누어 실험하였다. 선행실험을 통 해 굴패각이 흡수율에 영향을 미치며 이를 개선하기 위하여 물-시멘트비(w/c)를 0.5로 고정하였다.

    3.1.배합순서에 따른 영향

    굴 시멘트를 배합할 때 굴패각과 시멘트가 건조된 상 태로 혼합한 경우(건식비빔)와 물과 굴패각 분말을 먼저 섞은 후 표준공시체를 제작하는 경우(습식비빔) 로 하였다.

    Table 3은 굴패각 미분말 혼합율을 0%, 1%, 3%, 5%로 해서 건식, 습식 배합을 실시한 후 압축강도를 측정한 각각의 결과를 정리한 표이다.

    Fig. 2는 건식비빔 공시체의 압축강도를 나타낸 것으 로 굴분말의 대체율이 증가할수록 강도는 감소하였다. 감소율은 대체로 일정하게 나타나 대체율이 1%씩 증가 할수록 대략 17%의 강도 감소율을 보이고 있다. Fig. 3 은 습식비빔 공시체의 압축강도를 나타낸 것으로 초기 1% 부분에서는 강도가 10% 정도 증가하는 것으로 나 타났다. 이는 적은 양의 굴분말이 시멘트와 수분간의 가 교 역할을 하여 접착력을 증가시킨 것으로 판단된다. 이 후 혼합율이 증가할수록 강도가 급격히 감소되는 것을 볼 수 있으며, 5% 대체 시 18%의 강도가 감소되었다.

    3.2.시멘트 대체제와 잔골재 대체제

    굴패각의 적극적인 재활용 방안을 제안하기 위하여 기존의 시멘트 대체제로서의 굴패각을 잔골재 대체제 로서의 가능성으로 확대 검토하였다. 굴패각 분말과는 달리 소성단계와 분말 파쇄단계를 거치지 않고 건조 와 파쇄과정으로 굴패각 잔골재를 생성하였으며, 잔골 재 중량 대비 대체비율로 0%, 1%, 3%, 5%, 7%, 10%를 사용하였다. 앞장에서도 살펴본 바와 같이 갑 작스런 강도 감소를 막기 위하여 건식비빔법을 사용 하였다. 굴패각을 분말형태의 시멘트 대체제로 사용할 경우 Fig. 4와 같이 혼합비율 3%이내의 경우는 소폭 의 강도 증가 효과가 있으나, 5%부터는 강도가 현저 히 감소되는 것을 볼 수 있다. 최적 혼입율이 1.4%내 외로 조사되었으나, 그 증가량이 미비하여 1~3%까지 는 압축강도가 유지되었다고 판단된다.

    굴패각을 잔골재 대체제로 사용할 경우 강도변화는 Fig. 5에 나타나있다. 시멘트의 경우와는 달리 잔골재 의 경우는 초기 1%~7%까지는 10% 정도 강도 감소 가 나타난다. 특히 1%의 대체율의 경우에는 강도가 24MPa에서 19.7MPa로 갑자기 감소하는 현상을 보였 다. 이후 혼합율이 증가함에 따라 강도는 소폭 증가 하나 거의 차이가 없다가 혼합율 10%에 이르러 원래 의 강도를 회복하는 모습을 보이고 있다. 잔골재 혼 합율이 20%인 경우는 강도가 절반에 가깝게 감소하 는 것을 볼 수 있다. 굴패각은 표면이 판상형 적층구 조로 표면 거칠기가 기존 잔골재보다 크기 때문에 주 변 재료와의 표면 마찰효과가 우수하여 혼입율 10% 내외에서는 기존 잔골재와의 표면 전단저항이 증가하 여 압축강도가 증가하는 경향이 나타나지만, 패각 자 체의 압축강도가 크지 않기 때문에 혼입율이 지속적 으로 증가할수록 모르타르의 압축강도는 감소하는 것 으로 판단된다.

    다음 Table 4는 시멘트 및 잔골재 혼합율에 따른 굴패각 모르타르의 압축강도 실험결과를 표로 나타낸 것이다. 시멘트 대체제로서는 1%~3%의 대체율이 바 람직하며 잔골재 대체용으로는 10% 정도가 강도증진 에 효과가 있는 것으로 나타났다.

    3.3.굴패각의 모르타르의 탄성계수

    굴패각을 사용한 모르타르의 탄성계수는 Fig. 6와 같 다. 시멘트 대체제로 사용될 경우 압축강도와 유사하 게 혼합율이 높을수록 탄성계수가 일정하게 감소하는 경향을 나타내고 있다. Fig. 7과 같이 골재 대체제로 사용된 경우는 1%내외에서는 탄성계수 값이 다소 증 가하다가 혼합률 5%에서는 탄성계수값이 32,000MPa 에서 22,000MPa로 빠르게 감소하는 것을 볼 수 있다. 이후에는 10% 혼합율까지 꾸준히 증가하는 양상을 보여 평균 26,000MPa까지 증가하는 것을 볼 수 있다. 이후는 다시 탄성계수의 값이 감소하는 것으로 나타 났다. 시멘트 대체제로서는 혼합률에 따른 강도와 탄 성계수 변화율은 거의 유사하나, 잔골재 대체제로서는 혼합률 1%내외에서 탄성계수 값이 증가함을 알 수 있다.

    이상에서 볼 수 있는 바와 같이 굴패각을 시멘트 대체제로 혼입한 모르타르의 경우 시멘트 중량 대비 1.4% 까지는 약간의 강도 증가 효과가 있는 것을 볼 수 있었다. 혼합율 2% 이상에서는 압축 강도가 선형 으로 서서히 감소하는 것을 볼 수 있으며, 기울기는 혼합율 1%마다 압축 강도가 5% 감소하는 것으로 나 타났다. 반면에 탄성계수는 혼합률에 따라 지속적으로 감소하는 것으로 나타났다.

    잔골재 대체재로서의 굴패각 모르타르의 경우는 굴 패각을 혼합함과 동시에 초기 강도는 10% 정도 감소 하는 것으로 나타났으나, 탄성계수는 5%정도 증가하 는 것으로 나타났다. 강도와 탄성계수 모두 초기에는 증가하다가 혼합율 5%까지 감소하며 혼합율 5% 이 후에는 혼합율 10%까지 강도, 탄성계수 모두 증가하 는 경향을 보이고 있어 시멘트 대체제로서의 적정 혼 합율과 골재 대체제로서의 적정 혼합율이 존재하는 것으로 나타났다.

    4.결 론

    굴패각을 큰 입자와 작은 입자로 분쇄 가공하여 시멘 트와 잔골재 대체재로서의 혼합하였을 때의 혼합률에 따른 압축 강도와 탄성계수의 변화를 관찰하였다. 또 한, 굴패각의 화학적 성질을 고려하여 배합 방식에 변화를 주어 건식 배합과 습식 배합을 하였을 때 각 각의 결과 값을 비교하여 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.

    1. 굴 시멘트를 배합할 때 건조된 상태로 혼합한 경우(건식 배합)와 물과 굴패각 분말을 먼저 섞은 후 혼합한 경우(습식 배합)의 압축 강도는 습식 배합시 의 압축 강도가 다소 높게 나타났으나, 혼합률을 증 가시킬수록 빠르게 강도가 감소하였다.

    2. 굴패각을 작은 입자(미분말)로 가공하여 시멘트 대체제로 사용할 경우 시멘트 중량 대비 1~3% 비율 로 혼합하는 것이 강도 증가에 다소 효과가 있는 것 으로 나타났으나 그 효과는 미비하였다.

    3. 굴패각을 비교적 큰 입자(0.75~5mm)의 크기로 분쇄 가공하여 잔골재 대체재로 사용할 경우 잔골재 중량 대비 1~5% 까지는 분말 형태보다 강도가 다소 감소하는 것으로 나타났으나, 10% 내외로 사용할 경 우에는 강도 증가 효과가 크게 발현되는 것으로 나타 났으며, 탄성계수도 10%내외에서 증가하는 경향을 나타냈다.

    굴패각을 치환한 모르타르의 강도 및 탄성계수의 변화는 대체제 대상과 혼합률에 따라 다르게 나타났 으므로, 분말 형태의 시멘트 대체제와 함께 잔골재 대체재를 동시에 사용하여 강도증진 효과를 대폭 증 가시킬 수 있을 것으로 판단된다. 시멘트 대체제로는 혼합률 3% 이내로, 잔골재 대체재로는 10%내외의 사 용이 권장되나, 복합 사용에 관한 실험은 추후 연구 를 통해 상세히 규명할 필요가 있다. 또한 본 연구에 서는 예비실험을 제외한 총 3개의 동일한 시험체를 이용한 실험결과를 사용하여 그 신뢰성 확보에 다소 취약할 수 있어 추후 보강연구가 진행되어야 할 것이 다.

    Figure

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    Oyster Powder(a) and Oyster Aggregates(b)

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    Strength for Dry Mix Oyster Mortar

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    Strength for Wet Mix Oyster Mortar

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    Strength for Oyster Mortar

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    Strength for Oyster Mortar

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    Modulus of Elasticity of Oyster Mortar

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    Modulus of Elasticity of Oyster Mortar

    Table

    Experimental Factor and Level

    Dry mix : Mixture of cement, oyster powder, and fine aggregates + Water. Wet mix : Mixture of water, cement, oyster powder + Fine aggregates

    Physical Properties of Aggregates1

    1fine aggregates

    Compressive Strength of Mortar Made of Various Amount of Oyster Powder

    Compressive Strength of Oyster Mortar

    Reference

    1. Chae KS , Paik SC , Yooun GL , Yoon Y , Go KK (2004) A Study on the strength characteristics fo concrete according to cockle shells , dissertation, Chosun university, ; pp.-118
    2. Kim GJ , Han HG , Seo DS , Lee JK (2010) “Shell powder coating on the surface of concrete by geopolymer cement” , Korean Journal of Materials Research, Vol.20 (1)
    3. Kim JH , Chung CW , Lee JH (2014) “Effect of crushed shells on the pysyical properties of cement mortar” , Journal of the Korea Institute of building construction, Vol.14 (1) ; pp.94-101
    4. Moon H , Kim JH , Lee JY , Chung CW (2014) “Strength Absorption and Interfacial”,
    5. Olivia M , Mifshella AA , Drmajanti L (2015) “Mechanical properties of seashell concrete” , Procedia Engineering, Vol.125 ; pp.760-764
    6. (0000) “Properties of Mortar Using Waste Shells as Fine Aggregates” , Journal of the Korea Institute of building construction, Vol.14 (6) ; pp.523-529
    7. Sohail W (2005) “Development of Eco-friendly Binder Using Waste Oyster Shells” , Journal of The Korean Geotechnical Engineering Society, Vol.21 (3) ; pp.79-85
    8. Wahyuni AS , Supriani F , Gunawan A (2014) “The performance of concrete with rice hush ash sea shell ash and bamboo fibre addtion” , Procedia Engineering, Vol.95 ; pp.473-478
    9. Yang EI , Yoon KL , Shim JS (2001) “Mechanical Characteristics of Concrete Blended with Oyster Shell” , Journal of the Korean Society of Civil Engineers, Vol.21 (6) ; pp.773-784