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마사토의 물리 화학적 특성이 콘크리트에 미치는 영향

‘2022 한국콘크리트학회 가을 학술대회’가 11월 2일부터 4일까지 제주 해비치 리조트에서 열렸습니다. 매년 봄과 가을에 개최되는 ‘한국콘크리트학회 학술대회’는 국내 학계·연구기관·언론계·산업계 및 관련기관의 전문가들이 함께 모여 콘크리트를 비롯한 건설 재료 분야의 최신 기술, 정책 및 미래 발전방향에 대한 심도있는 토의를 진행합니다.

삼표산업 기술연구소도 이번 학술대회에 참여해 최신 콘크리트 기술동향 및 업계현황을 파악하고 연구실적을 발표하는 자리를 가졌습니다. 그간 총 2편의 논문을 발표했고, 공동연구를 통해 공동저자로 1편의 논문에도 참여했는데요.

특히, ‘마사토의 물리화학적 특성이 콘크리트에 미치는 영향’ 분석을 통해 최근 콘크리트 산업계에서 주목하고 있는 골재 품질관리에 대한 기술적 이슈를 공유해 많은 관심을 받았습니다.

마사토의 물리 화학적 특성이 콘크리트에 미치는 영향

대부분의 건설구조물이 철근콘크리트로 시공되고 상황입니다. 골재는 콘크리트 전체 용적의 70% 이상을 차지하는 주요 구성 성분입니다. 이 중에서 시멘트, 혼화제, 물은 골재를 부착하기 위한 접착제(바인더)로 사용되는 것이기 때문에 ‘골재’로 건물을 짓는다는게 과언이 아니죠. 그만큼 콘크리트에서 골재가 차지하는 비중은 절대적이며, 골재의 품질이 레미콘과 콘크리트에 미치는 영향은 막대합니다.

하지만, 지난 90년대 이후부터 골재의 수급은 지속적으로 어려움을 겪고 있습니다. 가장 우수한 골재로 꼽히는 강사(강모래)의 경우 자취를 감췄고, 그 다음 많이 사용되던 해사(바다모래) 또한 바다어장의 생태계 훼손 문제 등으로 채취량이 제한되어 수급이 악화되고 있습니다. 때문에 최근에는 석산골재나 마사(화강암이 풍화된 모래)와 개답사(논, 밭에 존재하는 모래) 등이 잔골재로 사용되고 있는데, 이 잔골재에 대한 품질 기준이 명확하지 않아 품질 관리가 제대로 되지 않는 문제가 발생하고 있습니다.

마사토와 개답사는 현재 수급이 용이한 재료지만, 토분 등 이물질을 많이 함유하고 있다는 단점이 있습니다. 모래가 아닌 토분(흙)이나 점토 성분이 많이 함유되어 있는 경우 흡수율이 증가해 콘크리트 압축 강도를 저하시키는 원인이 되기 때문입니다. 쉽게 말해 모래보다 물을 더 많이 흡수하는 토분 및 점토 덩어리가 콘크리트 내 수분을 흡수해버려 콘크리트가 뻑뻑해지고, 콘크리트를 묽게 하기 위해 물을 더 첨가하는 과정에서 시멘트와 골재 경계면의 부착력을 악화시켜 자체 강도가 약화되는 것이죠.

이런 문제를 해결하기 위해서는 마사나 개답사에 포함된 토분, 점토 등의 이물질을 제거하고 사용해야 하지만, 현실적으로 관련 품질 기준이 마련되어 있지 않아 제대로 세척하지 않고 납품되는 경우가 많습니다. 이렇게 공급되는 골재를 사용하면 콘크리트 품질에 악영향을 줍니다. 결국 품질관리가 필수적이지만, 현재의 KS실험방법으로는 적절한 관리가 불가능해 불량 골재의 유통을 방지하기 어려운 구조입니다.

골재의 품질 관리를 위한 새로운 검사법

기존의 골재 KS품질시험 기준은 골재의 물리적 성질인 밀도 및 흡수율, 입형, 안정성, 조립률 등을 검사하고 있는데요. 그러나 이 검사로는 정상골재와 불량골재 모두 비슷한 수치를 보이기 때문에 분별력이 없습니다.

물론 잔골재 및 사질토의 모래 당량 시험, 점토 덩어리의 양 시험 방법, 잔 입자 측정 시험방법 등 토분 실험도 일부 존재하긴 합니다만, 제대로 된 품질 규정이 없어 현실적으로 시행되지 않고 있습니다. ‘골재 채취법 시행령’에 하천, 바다 및 육상골재는 점토덩어리 1.0% 이하, 자갈은 0.25% 이하여야 한다는 내용이 규정되어 있음에도 불구하고, 단순조사 및 육안검사로만 진행되고 있기 때문에 신뢰도가 낮고, 이마저도 산림골재나 선별, 파쇄골재에는 관련 기준치도 존재하지 않고 있어 기준이 미비하다고 할 수 있습니다.

때문에 양질의 석분과 유해 토분, 점토를 구분할 수 없어 보다 명확한 품질 규정을 정립해 생산자 및 소비자들에게 정확한 가이드라인을 제시하는 것이 필요해졌습니다.

삼표산업 기술연구소는 이번 학회에서 골재의 품질시험을 위해 ‘화학분석’ 및 ‘메틸렌블루 시험방법’을 제안했습니다. 화학분석방법은 XRF(X-Ray Fluorescence Spectrometer의 약어) 즉 X-선 형광분석기라는 장비를 이용하여 시료에 X선을 조사하면 방출되는 형광에너지를 검출해 시료의 정확한 원소의 함량 평균값을 분석하는 방법입니다. 토분의 경우 단단한 암석에서 시간이 지남에 따라 풍화하여 풍화토가되고, 이 과정에서 점토화되는데요. 점토화 되면 특정 화학성분(Al2O3, Fe2O3)이 높게 나타나 점토 성분의 함량을 검출할 수 있습니다.

메틸렌블루 시험방법의 경우 국외표준 골재의 미립분평가 방법입니다.(EN 933-9 또는 ASTM C837-09, AASHTO T330)

메틸렌블루 용액을 물에 용해시킨 뒤 골재 시료에 붓게 되는데, 층상구조를 이루고 있는 점토의 광물성분이 메틸렌블루 용액에 흡착되면서 방을 주위에 고리모양의 환을 형성합니다. 환이 형성되는 경우 점토성분을 함유하고 있다고 할 수 있고, 그렇지 않은 경우는 검출이 되지 않는 것이죠. 실제로 점토가 많은 골재의 경우 메틸렌블루 시험을 하면 메틸렌블루 용액을 더 흡수해 (들어간 메틸렌블루 용역 / 시료양) × 10 = 메틸렌블루 지수 이론식으로 데이터를 도출할 수 있습니다. 이를 활용해 해외에서는 메틸렌블루 시험의 지수값과 콘크리트와의 상관관계 등을 누적 데이터로 품질관리를 하고 있지만, 국내에서는 아직 규정 및 시험데이터가 존재하지 않고 있습니다.

최근 국토교통부는 건설현장에 반입되는 콘크리트의 수분 함량을 측정하는 ‘단위수량 검사’를 의무화하는 내용의 ‘건설공사 품질관리 업무지침 개정안’을 행정예고했습니다. 작년 광주 붕괴사고로 인해 불량 콘크리트 사용에 대한 경각심이 높아졌고, 이로 인해 국가에서도 다양한 방식으로 콘크리트의 품질 관리를 위한 기준을 마련하고 있는데요. 콘크리트 용적의 대부분을 차지하는 것이 골재인만큼, 골재에 대한 품질관리 기준도 보다 강화될 필요가 있어보입니다.