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ISSN : 2093-5145(Print)
ISSN : 2288-0232(Online)
Journal of the Korean Society for Advanced Composite Structures Vol.12 No.2 pp.12-20
DOI : https://doi.org/10.11004/kosacs.2021.12.2.012

Development of Consolidation Plate with Red Clay for Wooden Structure Joint and Performance Evaluation under Different Curing Methods

Da-young Oh1, Eun-mi Shin2, Hyeong-gil Choi3, Juna Lee4
1Ph.D. Student, Department of Architecture, The University of Tokyo, Tokyo, Japan
2Ph.D., Safety and Disaster Prevention, National Research Institute of Cultural Heritage, Chungju-si, Korea
3Associate Professor, School of Architecture, Civil, Environment and Energy Engineering, Kyungpook National University, Daegu, Korea
4Resident Professor, Dept. of Architectural Engineering, University of seoul, Seoul, Korea

⋅ 본 논문에 대한 토의를 2021년 05월 31일까지 학회로 보내주시면 2021년 06월호에 토론결과를 게재하겠습니다.


Corresponding author: Lee, Juna Dept. of Architectural Engineering, University of Seoul, 163 Seoulsiripdae-ro, Dondaemun-gu, Seoul, Korea. Tel: +82-2-6490-2765, Fax: +82-2-6490-2749 E-mail: juna@uos.ac.kr
November 26, 2020 February 8, 2021 March 4, 2021

Abstract


The steel-joint system that is primarily applied to the wooden structure has some problems, i.e., the difference in strength between wood as a base material and steel as a joint, and the inconsistency in appearance owing to the heterogeneity of materials. Herein, a consolidation plate is developed, which is made of natural materials, such as red clay and slaked lime, and goes with the wooden structure in terms of aesthetics. The characteristics of consolidation plates that are manufactured under different curing methods (e.g., air-dry curing, CO2 curing) are evaluated in terms of mass ratio, bearing strength, thermogravimetric analysis, scanning electron microscope image, and water resistance test. Based on these results, this study proposes the environmental performance evaluation through the analysis of the amount of emission and absorption of CO2 gas during the manufacturing process. Compared with the air-dry curing specimen, the CO2 curing specimen showed improved mechanical performance due to the formation of calcium carbonate via carbonation reaction of slaked lime. Furthermore, the CO2 curing specimen reabsorbed more than 70% of CO2 gas that was generated during of quick lime production.



목구조 접합부 적용을 위한 황토 압밀 플레이트 개발 및 양생방법에 따른 특성 평가

오 다영1, 신 은미2, 최 형길3, 이 주나4
1동경대학교대학원 건축학전공 박사과정
2국립문화재연구소 연구원
3국립경북대학교 건축학부 부교수
4서울시립대학교 건축학부 객원교수

초록


목조건축물에 주로 적용되고 있는 철물 접합 시스템은 모재인 나무와 접합부재인 철재 간의 강도 차이 및 재질의 이 질성으로 인한 외관상의 위화감 등이 문제점으로 대두되고 있다. 재료 가공의 편의성으로 프리컷 시스템이 도입되었고, 시공성 을 해결하기 위한 새로운 재료 및 시스템의 개발이 요구된다. 본 연구에서는 자연재료를 그 원료로 하여 미관상 목조건축물에 위화감이 없는 황토 압밀 플레이트를 개발하였다. 황토 및 소석회를 원료로 하여 제작한 시험체의 양생방법(기건 양생, CO2 양 생)에 따른 성능을 평가하기 위해 질량 변화, 지압 강도, 흡수율, 표면상태, 열중량변화 측정 및 SEM을 통한 생성광물의 미시적 인 부분을 관찰하였다. 또한 제조과정에서의 온실가스 배출 및 흡수에 따른 환경성능평가를 수행하였다. 기건 양생한 시험체에 비해 CO2 챔버에 양생한 시험체는 원료인 소석회의 탄산화 반응으로 인한 탄산칼슘의 생성으로 역학적 성능이 향상되었다는 것을 알 수 있었으며, 원료인 소석회의 탄산화반응으로 인해 생석회 제조시 발생하는 CO2량의 70% 이상을 재흡수 한다는 것을 알 수 있었다.



    National Research Foundation of Korea(NRF)
    NRF-2017R1 D1A1B04031948

    1. 서 론

    1.1 연구 배경 및 목적

    세계적으로 친환경 건축이 대두되고 있는 가운데, 목 조건축물은 내진성능과 더불어 친환경 건축의 대표적 시스템으로 많은 연구가 진행되고 있다(Ryoo et al., 2018). 따라서 목조건축물을 이루는 재료의 친환경성 또한 중요한 의미를 가진다. 특히 한⋅중⋅일의 아시 아 전통 목조건축물은 중목구조와 유사한 형태로, 온 도와 습도에 따른 목재의 수축⋅팽창의 영향을 가장 많 이 받게 되는 접합부는 시공성과 더불어 적절한 강도 를 확보하도록 신중히 고안되어야 하는 과제가 있다.

    대규모 목조건축물이 건설되는 가운데 접합부에 보다 큰 강도와 강성을 요구하는 여러 시스템이 제 안되면서 대부분의 접합부는 철재를 이용하여 구성 되고 있다(Lee, 2018). 하지만, 철재와 목재의 강도 차이에 의하여 모재에 해당하는 목재의 파괴를 피하 는 것이 쉽지 않으며, 철재 제조 시 발생되는 다량의 온실가스 및 철재와 목재의 연결에서 사용되는 화학 물질은 친환경성에 의문을 가지게 한다. 특히, 실내 에 노출되었을 때, 목재를 선호하는 사용자들의 거부 감이 크게 작용하는 것도 이 접합부의 철물 부분으 로 이것은 대규모화되고 다양화되는 목구조의 여러 전개 방향에 걸림돌로 작용하고 있는 실정이다.

    이에, 목조건축물에서 부재를 연결하는 재료로써 철판처럼 판형으로 제작될 수 있고, 각종 패스너의 관통부를 사전 제조할 수 있으면서도, 목재의 시각 적 효과와 어우러지며 목재와 유사한 지압 강도를 발휘한다면, 강도 확보, 시공성, 친환경적 측면에서 철물의 기능을 대체할 수 있는 재료가 될 수 있을 것으로 보고 이를 개발할 필요성을 가지게 되었다.

    본 연구에서는 이러한 배경으로 오래전부터 목조 건축물에 함께 사용되어 왔던 흙과 소석회(Ca(OH)2) 를 이용한 재료를 바탕으로 황토 압밀 플레이트 접 합재를 고안하고, 이 재료의 구조접합부 활용 가능 성을 실험 분석하여 보이고자 한다. 황토 압밀 플레 이트는 미관상 위화감이 없어 의장적인 효과가 뛰어 나고, 프리컷 시스템보다 시공 공정이 간편하며 경 제적인 목구조 접합부를 구현할 수 있을 것으로 예 상된다. 궁극적으로는 이 황토 압밀 플레이트를 통 해 목질에 가까우면서 환경성능 또한 우수한 목조건 축물용 접합재를 개발하고자 하는 것이다.

    본 연구에서는 시험체의 지압 강도 측정을 통하여 목구조 접합부에의 적용 가능성을 검토하였으며, Auto- TGA 측정을 통해 소석회(Ca(OH)2)가 CO2와 반응하 여 생성된 탄산칼슘(CaCO3)의 변화량을 정량적으로 측정하였다. 또한 SEM(Scanning Electron Microscope) 장비를 통해 생성광물을 관찰하였으며, 시험체를 침 수시킨 후, 그 표면변화를 관찰하는 것으로 물에 대 한 저항성능을 평가하였다. 마지막으로, 접합부재 제 조 및 양생과정에서의 CO2 배출⋅흡수량 분석을 통 해 황토 압밀 플레이트의 환경성능평가를 수행하였다.

    1.2 흙과 소석회의 강도 발현 메커니즘

    전통적으로 흙과 소석회(Ca(OH)2,)는 나무와 함께 한 국을 비롯한 세계 여러 국가에서 사용해 온 건축재 료 중 하나이다. 특히, 현재 전 세계 인구의 약 30% 가 흙으로 지어진 집에 거주하는 만큼 건축 재료로 써 널리 이용되고 있다(Humberto et al., 2015).

    화학반응을 통해 경화하는 시멘트와 달리 흙은 입자 간의 인력, 즉, 물리적 결합으로 인해 굳어진 다. 흙을 구성하는 입자는 그 크기에 따라 점토, 실 트, 모래 등으로 나뉘는데, 먼저 바인더 역할을 하는 점토는 그 입자크기가 2μm 이하로 물을 흡수하면 점착력을 가지게 되며, 이는 강도 발현에 중요한 역 할을 한다. 점토보다 입자가 큰 실트와 모래도 강도 발현에 영향을 끼치는데 이들의 입도 분포가 좋지 않으면 공극이 커지면서 입자와 입자 사이에 작용하 는 인력 및 마찰력이 줄어들게 되고, 그 결과 강도 저하로 이어지게 된다(Henri and Hugo, 2018).

    친환경 재료로서 문화유적의 보수 및 시멘트 모르타 르에 대한 대체재로 연구가 진행 중인 소석회(Ca(OH)2) 또한 기경성 재료로 공기 중의 이산화탄소(CO2, 이 하 CO2로 기재)와 반응하여 탄산칼슘(CaCO3)을 생성 한다(Hwang and Kang, 2010). 본 연구에서는 소석회 (Ca(OH)2) 첨가 효과를 높이기 위해 CO2 챔버 양생 을 하였으며 이러한 재료의 특성을 평가하기 위해 CO2 농도에 따른 시험체의 변화를 확인하였다.

    2. 재료와 연구 방법

    2.1 사용 재료

    본 연구에서 사용한 흙은 국내 A사에서 구입한 황토 로 시험체 제작 전 시행된 함수율 측정 결과, 21.85% 로 확인되었다. 또 다른 원료인 소석회(Ca(OH)2)는 시험체 제작 시 CO2와의 반응성을 높이기 위해, 국 내 B사에서 구입한 생석회(CaO)를 시험체 제작 3일 전에 물(H2O)과 반응시켜 만든 소석회(Ca(OH)2)를 사 용하였다. 소석회(Ca(OH)2)는 상온에서 대기 중의 CO2와 반응하여 탄산칼슘(CaCO3)이 되지만, 생석회 (CaO)는 300∼800℃에서 CO2와 반응하기 때문에, 생 석회(CaO)를 물과 반응시키면 순도 높은 소석회 (Ca(OH)2)를 얻을 수 있다. 생석회(CaO)와의 반응에 필요한 물의 양 및 반응 시간은 생석회(CaO)의 품질 과 입자크기에 따라 다르므로 충분한 예비 실험 후 판단할 필요가 있다. 본 연구에서는 예비 실험을 통 해 생석회(CaO)와 물의 비율을 질량비 1:2로 하였다.

    2.2 시험체 제작

    2.2.1 재료 배합

    시험체의 역학적 성능과 제조 시 발생되는 CO2량을 고려하여 황토와 소석회(Ca(OH)2)는 질량비 4:1이 되 도록 조합하였다. 또한 입자 간의 점착력을 높이기 위해 분체의 5wt%에 해당하는 물을 첨가하였다. 시 험체 1개를 위한 배합을 Table 1에 나타내었다.

    2.2.2 시험체 압밀

    시험체 제작 방법은 다음과 같다. 지압 강도 측정을 위한 시험체의 크기는 50X50X20mm이며, Fig.1에 나타낸 바와 같이 50X50X50mm의 몰드에 시료 100g 을 넣은 후, 만능재료시험기(UTM)을 이용한 압밀을 통해 시험체를 제작하였다. 시료의 무게는 압밀도에 따른 밀도를 고려하여 결정하였다. 압밀 속도는 시 험체 제작의 효율성을 고려하여 압밀도가 0∼5MPa 구 간에서는 30.0mm/min, 5∼10MPa 구간에서는 2.5mm/min 의 두 단계로 나누어 설정하였으며, 압밀도가 10MPa 에 도달하면 1분간 유지한 후 천천히 압력을 제거하 였다. 제작된 시험체의 두께는 20±0.2mm로 Fig. 1(c) 에 나타내었다.

    2.2.3 시험체 양생

    황토 압밀 플레이트의 원료인 소석회(Ca(OH)2)의 탄 산화 반응으로 인한 강도 발현 능력을 평가하기 위 해 CO2 농도 조건을 달리한 두 개의 챔버를 이용하 였다. 본 연구에서 이용한 챔버는 항온항습챔버 및 CO2 챔버로, 항온항습챔버는 CO2 가스를 주입하지 않아 챔버 내 CO2 농도가 공기 중 농도와 같은 0.03%이며, CO2 챔버는 외부에서 CO2 가스 주입을 통해 챔버 내 CO2 농도를 5%가 되도록 설정하였다. 여기서 흙 입자가 강도 변화에 미치는 영향을 최소 화하기 위해 두 챔버의 온도 및 습도는 각각 20℃, 40%로 동일하게 설정하였다. 두 챔버의 양생조건을 Table 2에 나타내었다.

    3. 실험 결과

    3.1 질량 비

    양생 전⋅후의 시험체 질량 변화를 통해 탄산화반응 정도를 알아보았다. 그 결과를 Fig. 2에 나타내었다. 기건 양생과 CO2 양생 시험체 모두 시간이 지남에 따라 건조로 인하여 질량이 감소하였음을 확인하였 다. CO2 챔버에서 양생한 재령 1일 시험체의 질량은 양생 전과 비교하였을 때 87.0%이며, 기건 양생한 재령 1일 시험체의 질량은 양생전 질량의 83.8%로, 기건 양생에 비해 CO2 양생 시험체의 양생 전후의 질량비가 더 크다는 것을 확인하였다. 이는 CO2 양 생 챔버에서는 소석회(Ca(OH)2)가 고농도의 CO2와 반응하여 탄산칼슘(CaCO3)의 생성이 활발해졌기 때 문으로 생각할 수 있다. 이로써 강도에 큰 영향을 끼치는 밀도 또한 높아졌음을 추측할 수 있다.

    3.2 지압 강도

    목조건축물의 접합부에 사용되는 재료로써 그 성능 을 평가하기 위해 목재 및 목질 제품의 지압 시험 방법(KS F 2156)을 기준으로 시험체를 제작하고 시 험을 실시하였다. 황토 압밀 플레이트에 파스너가 사용되는 경우, 외부에서 하중이 작용하면 파스너에 의해 플레이트 표면이 눌려 변위가 발생되는데, 이 때의 저항성능을 알아보기 위해 Fig. 3에 나타낸 바 와 같이 50X50X20mm로 제작된 시험체에 직경 10mm 비트를 이용하여 구멍을 뚫은 후, 시험을 진 행하였다. 지압강도(Fb)는 식 (1)에 따라 계산되며, 그 결과를 Fig. 4에 나타내었다.

    f b = P y / ( D × t ) [ MPa ]
    (1)

    여기서, D는 파스너의 지름(mm), t는 시험편의 두께(mm)이다.

    재령별 지압 강도를 측정한 결과, 시간이 경과 함에 따라 수분 증발로 인한 경화가 이루어졌음을 알 수 있었다. 또한, 모든 재령에서 기건 양생보다 CO2 양생한 시험체의 지압 강도가 더 높게 나타났 다. 이는 질량비 상승의 원인과 마찬가지로 시험체 의 원료 중 하나인 소석회(Ca(OH)2)가 CO2와 반응하 여 탄산칼슘(CaCO3)이 생성되면서 강도 저하에 큰 영향을 끼치는 공극이 줄어들고 밀도가 상승했기 때 문으로 추측된다.

    두 시험체 모두 재령 7일까지는 시간 경과에 따 라 강도가 상승하지만, 재령 14일 강도는 7일 강도에 비해 소폭 감소하였음을 확인하였다. 흙의 강도 발현 메커니즘은 서론에서도 밝혔듯, 입자 간 인력에 기인 한 것으로, 흙 입자의 표면수가 건조에 의해 빠져나 가면서 흙 입자 간의 거리가 가까워져 더 큰 인력이 발생한다(Ichikuni, 1995). 양생 기간이 경과함에 따라 챔버 내 환경 변화를 야기하는 변수가 많아지기 때 문에, 환경 변화(특히 습도)에 큰 영향을 받는 황토 가 챔버 내 습도 변화로 인해 시험체의 강도 발현에 영향을 끼쳤을 것으로 생각되나, 정확한 요인 분석을 위한 추가 실험이 필요할 것으로 사료된다.

    3.3 열중량 분석

    탄산칼슘(CaCO3)의 생산량과 지압 강도와의 상관관 계를 파악하기 위해 Auto-TGA 장비를 이용하여 챔 버 별 시험체의 탄산화 반응 정도를 측정하였다. 그 결과를 Fig. 5에 나타내었다.

    Fig. 5(a)의 기건 양생한 시험체에서는 재령별 변 화가 나타나지 않았으므로, 화학반응이 일어나지 않 았음을 알 수 있다. 반면, Fig. 5(b)의 CO2 양생한 시 험체는 시간이 경과함에 따라 탄산칼슘(CaCO3)의 분 해량이 증가하는 것을 확인하였다.

    탄산칼슘(CaCO3)은 결정형태 및 결정도에 의한 분해온도가 상이하기에 본 연구에서는 550℃ 이상에 서의 중량감소를 탄산칼슘(CaCO3)의 탈탄산화 반응 에 기인한 것으로 가정하였다. 탄산칼슘(CaCO3)은 식 (2)에 따라 산화칼슘(CaO)과 CO2로 분해된다.

    C a C O 3 C a O + C O 2
    (2)

    탄산칼슘(CaCO3) 및 CO2의 분자량은 각각 100.09, 44.01이고 탄산칼슘(CaCO3)의 분해로 CO2는 1mol : 1mol의 비율로 생성되므로, 탄산칼슘(CaCO3)의 탈탄 산화로 인한 감량으로부터 시험체의 탄산칼슘(CaCO3) 함유율을 계산하기 위해 각 분자량으로부터 2.27 (=100.09/44.01)을 곱하였다.

    KOSACS-12-2-12_EQ3.gif
    (3)

    탄산칼슘(CaCO3)의 탈탄산화로 인한 중량감소율 및 식 (3)에서 구한 시험체의 탄산칼슘(CaCO3) 함유 율을 Table 3에 나타내었다.

    이로써, 앞에서도 언급한 것처럼 기건 양생한 시 험체의 강도 증진은 탄산칼슘(CaCO3) 생성에 의한 것보다 황토의 건조에 의한 것임을 확인하였다. 또 한, CO2 양생한 시험체는 재령 14일에서 특히 탄산 칼슘(CaCO3)의 생성량이 많으므로 지압 강도의 증진 이 기대되지만, Fig. 4의 결과에서 알 수 있듯이 습 도에 영향을 받는 황토에 의해 강도가 감소했음을 알 수 있었다. 따라서, 탄산칼슘(CaCO3)의 생성뿐만 아니라 습도조절을 통해 황토의 역학적 성능을 떨어 뜨리지 않도록 하는 것이 중요하다.

    탄산칼슘(CaCO3)은 칼사이트(calcite), 바테라이트 (vaterite), 아라고나이트(aragonite) 등의 세 종류의 결 정을 가지며, 수산화칼슘(Ca(OH)2)의 탄산화 반응에 서 생성되는 탄산칼슘(CaCO3)결정은 시험체의 pH 및 온도에 따라 달라진다(Choi et al., 2017, Matsumoto, 2010, Kojima, 1994). 탄산칼슘(CaCO3)의 결정에 따라 열에 의해 분해되는 온도가 달라지는데 Fig. 6에서 보는 것과 같이 바테라이트가 분해되는 온도인 약 650℃에서 피크가 크게 나타난 것을 보아 시험체에 생성된 광물은 바테라이트인 것을 추측할 수 있다. pH가 9.0 이하일 때는 주로 바테라이트 결정이 생성 되고, 온도가 20℃에서는 칼사이트, 40℃에서는 바테 라이트가 생성된다. 본래 산성을 띄는 흙은 산성비 등의 영향이 더해짐에 따라 산성도가 더욱 높아졌을 것이므로 pH가 낮다는 것을 추측할 수 있으며, 이는 바테라이트 생성의 결정적인 원인일 것이라 사료된 다. Fig. 7에서 재령이 지남에 따라 바테라이트의 생 성량이 증가하였음을 알 수 있다. 반면에, 본 연구의 시험체 제작 및 양생온도는 약 20℃로 칼사이트의 생성 또한 예상되었지만, Fig. 7에서 확인할 수 있듯 이, 모든 재령에서 칼사이트의 분해온도인 750℃ 부 근에서의 피크가 나타나지 않아 열중량분석을 통해 서는 칼사이트의 생성을 확인할 수 없었다. 이로써 시험체의 생성 광물은 온도보다는 pH 환경이 더 큰 영향을 미쳤다는 것을 알 수 있다.

    3.4 주사전자현미경 영상

    시험체의 탄산화 정도를 파악하기 위해 주사전자현 미경(SEM, Scanning Electron Microscope) 장비를 통 해 생성 광물을 관찰하였다. 각 챔버에서 24시간 동 안 양생한 시험체를 3000배율로 촬영한 결과를 Fig. 8에 나타내었다. 기건 양생한 시험체에서는 판상형 의 소석회(Ca(OH)2) 결정이 관찰되는 반면, CO2 챔버 에서 양생한 시험체에서는 주로 바테라이트 결정이 관찰되었다. 판상형의 소석회(Ca(OH)2) 결정이 CO2와 반응하여 결정 크기가 작고 육방체인 바테라이트가 생성되면서 공극이 줄어들고 밀도가 높아졌음을 알 수 있다. 또한, CO2 챔버 양생 시험체에서는 바테라 이트 결정과 함께 열중량 분석 결과에서는 확인하지 못했던 칼사이트 결정이 부분적으로 관찰되었다.

    3.5 내수성

    물에 대한 저항성을 평가하기 위해 14일간 기건 및 CO2 양생한 시험체를 24시간 동안 물에 침지시켜 두 었다. 침지 직후, 양쪽 시험체 모두에서 내부의 공극 이 물로 채워지면서 그 속에 존재하던 공기가 빠져 나왔고, 그 압력으로 인해 시험체가 다소 손상되었 다. 침지 24시간 후 시험체를 꺼내어 그 표면을 관 찰한 결과, 시험체의 표면은 침지 직후의 수압에 의 한 손상뿐만 아니라 물에 의한 흙의 용해에 의해서 도 손상되었다는 것을 확인할 수 있었다.

    물에서 꺼낸 시험체를 24시간 동안 기건 양생한 후, 표면을 관찰해 본 결과, Fig. 9에서 보는 바와 같 이 14일간 기건 양생한 시험체(Fig. 9(a))에서는 표면 크랙을 따라 흰색 침전물이 관측되었다. 이는 CO2와 반응하지 않은 소석회(Ca(OH)2)가 식 (4)에 나타낸 바와 같이 물에 용해되었다가 건조에 의해 크랙을 따라 재결정화된 소석회(Ca(OH)2) 결정이 흰색 침전 물로 나타났음을 확인할 수 있다. 이에 반해 14일간 CO2 양생한 시험체(Fig. 9(b))에서는 대부분의 소석회 가 CO2와 반응하여 탄산칼슘(CaCO3)이 생성되었음을 TGA 및 SEM 관찰 결과로부터 알 수 있었다. 소석 회(Ca(OH)2)의 용해도가 20℃에서 0.173g/100mL인 것 에 반해 탄산칼슘(CaCO3)은 물에 용해되지 않는 불 용성 물질이므로 물에 침지시켜 두어도 아무런 변화 가 없음을 알 수 있었다.

    C a ( O H ) 2 ( s ) + H 2 O ( l ) C a 2 + ( a q ) + 2 O H ( a q )
    (4)

    다음으로 흡수율을 측정하여 밀도 증진에 의한 내부 공극 변화를 살펴보았다. 기건 양생한 시험체 와 CO2 양생한 시험체의 재령 14일의 흡수율은 각각 25.87%, 25.75%로 큰 차이는 없다는 결과를 얻었다. CO2 양생한 시험체에서 탄산칼슘(CaCO3)의 생성으로 내부 공극이 채워져 밀도가 높아졌으리라 추측하였 으나 흡수율 자체는 큰 변화가 없었기에, 목조건축 물의 접합부로 사용하기 위해 CO2 양생 후, 표면코 팅 등의 흡수율을 낮추기 위한 방안을 연구할 필요 가 있다.

    4. 고 찰

    4.1 황토 압밀 플레이트와 목재의 지압 강도 비교 분석

    황토 압밀 플레이트의 사용성 평가를 위하여 지금까 지 사용된 기존 재료와의 특성을 비교⋅분석한다.

    목재의 섬유방향지압내력(식 (5), KBC 0805.5.2.1) 과 섬유직각방향지압내력(식 (6), KBC 0805.5.2.1)은 수종과 직경에 따라 산정된다.

    F e | | = 79 × G [ MPa ]
    (5)

    F e = 216 × G 1.45 D [ MPa ]
    (6)

    여기서, G는 목재 비중, D는 장부 직경(mm)이다.

    황토 압밀 플레이트의 재령 7일 지압 강도인 7.58MPa와 비교한 결과, 가장 비중이 낮은 목재의 섬유직각방향 지압 내력(9.4MPa, 최솟값)보다 다소 낮은 지압내력을 보인다. 여기서 목재는 크기에 따 라 강도 차이가 크기 때문에 목재의 지압 강도 중 최솟값과 비교하였다. 목조 접합부의 경우 모재(목 재)의 파괴보다 접합부 파괴를 유도하는 것이 효율 적이며 황토 압밀 플레이트의 경우 목재와 유사한 강도를 보이므로 모재 파괴를 회피하는 재료로 이용 가능할 것으로 보인다. 하지만, 목조 접합부재에 황 토 압밀 플레이트를 적용하기 위해서는 지압 강도 외에도 다양한 재료 강도 검토가 필요하다. 특히, 부 재로써 전체 단면이 가지는 압축과 인장 강도와 재 료 특성을 검토가 필요하다.

    4.2 황토 압밀 플레이트 제조에 따른 CO2 배출량

    철강 1톤 생산 시 발생하는 CO2 양은 약 1.9톤으로, 제철산업에서 발생하는 CO2 양은 전체의 약 5%를 차지하고 있다(Bellona Europa, 2019). 본 장에서는 기 존의 철물 접합과 비교를 위해 본 연구에서 제안하 는 황토 압밀 플레이트 제조에서 발생하는 CO2 양 을 반응물질의 분자량을 통해 추정하였다.

    황토 압밀 플레이트 제조에 투입되는 황토와 소 석회(Ca(OH)2)의 비율은 4:1(질량비)로, 황토 압밀 플 레이트 1kg 제조 시 필요한 소석회(Ca(OH)2)의 양은 0.20kg이다. 소석회(Ca(OH)2)는 Fig. 10에 나타낸 바와 같이, 석회석(CaCO3)을 소성하여 만든 생석회(CaO)에 물을 첨가하여 제조하는데, 생석회(CaO) 제조시 탈탄 산화 반응으로 인해 CO2가 발생하게 된다. 그 양을 추정한 결과를 Table 4에 나타내었다. 소석회 (Ca(OH)2) 0.2kg를 제조하기 위해 필요한 생석회 (CaO)는 0.151kg이며, 생석회(CaO) 0.151kg을 제조하기 위해서는 석회석(CaCO3) 0.270kg이 필요하다. 그리고 이때 부수적으로 발생되는 CO2 양은 0.119kg이다.

    즉, 황토 압밀 플레이트 1kg 제조로 인해 배출되 는 CO2 양은 0.119kg 임을 알 수 있다.

    열중량분석 결과, CO2 양생한 시험체가 흡수한 CO2 양은 Table 3에서 보는 바와 같이 재령 14일에 서 8.546%이다. 이는 황토 압밀 플레이트 1kg이 양 생 과정에서 흡수하는 CO2 량이 약 0.085kg 임을 뜻 한다. 생석회 제조 과정에서 많은 CO2를 배출하지만, 강도 발현을 위한 CO2 양생을 통해 배출한 CO2의 70% 이상(CO2 양생, 재령 14일 기준)을 흡수한다는 것을 확인하였다. 또한 양생 기간 중 반응하지 못하 고 남아 있는 소석회(Ca(OH)2)는 대기 중의 CO2를 흡수하여 탄산칼슘(CaCO3)을 생성시킬 것으로 예상 된다.

    5. 결 론

    목조건축물에서 철물을 사용하는 기존의 접합시스템 에서는 두 재료의 큰 강도 차이에 따라 모재(목재)의 파괴가 유발되기 쉬운 문제를 가지고 있다. 따라서 본 연구에서는 황토와 소석회를 원료로 한 황토 압 밀 플레이트를 개발하고, 양생 방법에 따른 성능 평 가를 수행하였으며, 철물을 대체하는 재료를 얻고자 하였다.

    • 1) 재령별 지압 강도 측정 결과, 시간이 경과함에 따라 수분 증발로 인한 경화가 이루어졌음을 알 수 있었다. 또한, 모든 재령에서 기건 양생 보다 CO2 양생한 시험체의 지압 강도가 더 높 았는데, 이는 시험체의 원료 중 하나인 소석회 (Ca(OH)2)가 CO2와 반응하여 탄산칼슘(CaCO3) 이 생성되면서 강도 저하에 큰 영향을 끼치는 공극이 줄어들고 밀도가 상승하였기 때문으로 추측된다.

    • 2) 열중량 및 주사전자현미경 이미지 분석 결과, 기건 양생한 시험체에서는 판상형의 소석회 (Ca(OH)2) 결정이 관찰되는 반면, CO2 양생한 시험체에서는 주로 바테라이트 결정이 관찰되 었다. 판상형의 소석회(Ca(OH)2) 결정이 CO2와 반응하여 결정 크기가 작고 육방체인 바테라 이트가 생성되어 강도 향상에 기여하였음을 확인하였다.

    • 3) 황토 압밀 플레이트의 제조 과정에서의 온실 가스 배출 및 흡수에 따른 환경성능평가를 수 행한 결과, 황토 압밀 플레이트 1kg 제조로 인해 배출되는 CO2 양은 0.119kg이며, CO2 양 생한 시험체(재령 14일)가 흡수한 CO2 양은 생석회(CaO) 제조 과정에서 배출된 CO2의 70% 이상임을 확인하였다. 또한 양생 기간 중 미처 반응하지 못하고 남아 있는 소석회 (Ca(OH)2)는 대기 중의 CO2를 흡수하여 탄산 칼슘(CaCO3)을 생성시킬 것이라 생각된다. 이 는 기존의 철물접합 1kg 제조 시 CO2 배출량 이 1.9kg 임과 비교해 환경성능이 매우 우수 함을 알 수 있다.

    • 4) 황토 압밀 플레이트의 재령 7일 지압 강도인 7.58MPa과 목재의 섬유직각방향 지압내력 9.4MPa을 비교한 결과 유사한 지압 강도를 보 여 모재 파괴를 피할 수 있는 재료로 판단된다.

    향후, 시험체의 강도 발현 영향 요인을 분석하고 접합부재로서의 성능을 평가하기 위하여 압축, 인장 강도 등을 검토한 후, 그 결과를 바탕으로 실제 적 용을 위한 구조적인 분석을 진행할 예정이다.

    ACKNOWLEDGMENT

    This work was supported by the National Research Foundation of Korea (NRF) grant funded by the Republic of Korea government (MSIT) [NRF-2017R1 D1A1B04031948]

    Figure

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    Manufacturing of Specimen
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    Mass Ratio of Consolidation Plates under Different Curing Methods
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    Spectimen for Bearing Strength
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    Bearing Strength of Consolidation Plates at Different Curing Methods
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    Thermogravimetric Curves of Consolidation Plates under Different Curing Methods
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    Derivative Curves of Thermogravimetric Analysis at 14 Days Curing
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    Derivative Curves of Consolidation Plates at Different Curing Methods
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    SEM Images of Consolidation Plates at Different Curing Methods
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    Surface Properties after Immersing in the Water for 24 Hours
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    Chemical Reaction Equations for the Production of Calcium Hydroxide

    Table

    Mix Proportions for 1 Specimen [Unit : g]
    Curing Conditions
    Result of Thermogravimetry Analysis [Unit : %]
    Weight for 1kg of Specimen and Molar Mass of Reactants and Products

    Reference

    1. Bellona Europa (2019), https://bellona.org/news/ccs/2019-03-is-steel-stealing-our-future (accessed 3 Feb 2020).
    2. Choi, H. , Inoue, M. , and Sengoku, R. (2017), “Control of the Polymorphism of Calcium Carbonate Produced by Self-healing in the Cracked Part of Cementitious Materials,” Applied Sciences, Vol. 7, No. 6.
    3. Henri, V. D. , and Hugo, H. (2018), “Earth Concrete. Stabilization Revisited,” Cement and Concrete Research, Vol. 114, pp. 90-102.
    4. Humberto, V. , Anibal, C. , Jorge, F. , and Andre, F. (2015), “Behaviour Characterization and Rehabilitation of Adobe Construction,” Procedia Engineering, Vol. 114, pp. 714-721.
    5. Hwang, H. , and Kang, N. (2010), “Preliminary Study on Traditional Earth Construction Technique Use of Lime,” Journal of Korea Institute of Ecological Architecture and Environment, Vol. 10, No. 2, pp. 3-8. (in Korea).
    6. Ichikuni, M. (1995), “Why Does Clay Become Hard?,” The Chemical Society of Japan, Vol. 43, pp. 558-561. (in Japan).
    7. Kojima, Y. (1994), “Controls of Polymorphism and Morphology of Calcium Carbonate Compounds Formed by Crystallizing Amorphous Calcium Carbonate Hydrate,” Journal of Ceramic Society of Japan, Vol. 12, pp. 1128-1136. (in Japan).
    8. Lee, J. (2018), “The State of the Art and Cases of Structure Design for Large Scale Timber Structure,” Journal of the Korean Association for and Sptial Structures, Vol. 18, No. 1, pp. 22-29. (in korea).
    9. Matsumoto, M. (2010), “Polymorph Control of Calcium Carbonate by Reactive Crystallization Using Microbubble Technique,” Chemical Engineering Research and Design, Vol. 88, Issue 12, pp. 1624-1630.
    10. Ryoo, J. , Nah, H. , Kim, S. , Lee, S. , and Choi, S. (2018), “Structural Characterization of Structural Insulated Panels(SIP) under Racking Load,” Journal of the Korean Society for Advanced Composite Structures, Vol. 12, pp. 40-48. (In Korea).