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문제 정의
- 6수화물 (MgCl2 . 6과 환경친화 제설제인 CMA(미국)와 화학조성에 의해 샘플로 제조한 CMO에 대해 융빙 특성과 구조물의 내구성에 미치는 영향에 대해 파악하고자 한다.
- 본 연구의 목적은 실내 실험을 통해 국내. 외에서 제설제로 가장 많이 쓰이고 있는 염화칼슘 .
제안 방법
- 어는점 및 공융점 측정은 제설제별로 10%, 20% 수용액을 2분 단위로 90분간 측정하였고 표 6에 나타내었다. 공융점값은 대부분 측정되지 않아 20% 수용액에 대해 제설제별로 어는점을 비교하였다. 측정결과 CMA 20% 수용액이 -18.
- 본 연구를 통하여 기존 제설제(염화칼슘, 염화나트륨, 염화칼슘과 염화나트륨의 3:7 혼합염 염화마그네슘)와 환경 친화 제설제인 CMA(미국)와 본 연구진에서 개발한 Ca, Mg와 유기산(초산, 프로피온산)의 반응물인 CMO에 대해 기초 물성 실험 및 성능 평가 실험을 하여 친환경 제설제인 CMO가 대체제설 제로서 기존제설제에 비해 어는 정도의 효과가 있는지 비교 분석 하였으며 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 따라서 융빙제의 중요한 특성 중 하나이다. 실험방법 및 장비제작은 SHRP H-205.3을 이용하였으며 주사기로 홈속에 증류수를 주입하여 동결시킨 후 염색약을 표면에 뿌리고 다시 동결시키고 제설제적 당량을 얼음 홈위에 살포한 후 얼음 용융 실험과 마찬가지로 10분 간격으로 얼음 침투율을 측정하였다. 그림 5는 실제 실험에 사용한 얼음 침투 시험기 이다.
- 실험에 사용한 희석률은 융빙재료 lmole과 반응하여 완전 가수분해될 때 필요한 물의 mole 수의 200배가 되도록 정하였다. 물 2mole과 반응할 경우에는 400배로 희석하였다.
- 어는점 및 공융점 측정은 제설제별로 10%, 20% 수용액을 2분 단위로 90분간 측정하였고 표 6에 나타내었다. 공융점값은 대부분 측정되지 않아 20% 수용액에 대해 제설제별로 어는점을 비교하였다.
- 얼음 용융실험은 제설제를 도로에 살포하였을 때, 눈을 녹일 수 있는 능력을 비교, 조사하기위한 방법으로 미국 SHRP H-205.1에서 제시한 방법에 따라서 장비를 제작하였다. 증류수 130g을 시험접시에서 동결시킨 후 얼음판 위에 제설제 4.
- 1에서 제시한 방법에 따라서 장비를 제작하였다. 증류수 130g을 시험접시에서 동결시킨 후 얼음판 위에 제설제 4.17g을 골고루 살포한 후 10분 단위로 녹은 얼음의 양을 주사기로 흡입하여 시간 경과에 따른 제설제에 의한 누적된 용융량을 측정하였다. 실험은 온도조절이 가능한 초저온 냉동고에서 실시하였으며, 온도는 -7℃, -12℃를 선정하였다.
- 콘크리트 표면에 미치는 영향 실험은 공시체(2개씩)를 사각 철그릇 판에 넣은 후 제설제 3%용액을 1/4인치 담근 후 28일 동안 동결융해(1싸이클= - 12℃에서 17시간 동결 후 23℃에서 7시간 융해)시킨 후 제설제별로 2개의 공시체를 평균을 내어 무게 감량을 측정하였다. 실험규격은 SHRP H-205.
- 콘크리트의 표면 중량손실 실험은 제설제 종류별로 공시체 2개를 평균을 내어 무게감량을 측정하였다. Cubic 몰드와 Round 몰드의 실험 결과는 그림 10과 그림 11에 나타내었다.
대상 데이터
- 그림 6은 실험에 사용한 공시체이며 직경 4cm, 높이 4.3cm(체적54cm3) Round 몰드와 5 x 5 x 5cm*?1 Cubic 몰드를 사용하였다. 배합은 표 4의 설계 배합표를 이용하였다.
- CMO의 융빙특성을 비교 분석 하기위해 표1 에서 보는 바와 같이 화학조성에 의한 몰비를 산출하여 실험에 사용하였다. 나머지 실험에 사용된 융빙재 료는 염화칼슘(2수화물), 소금, 염화칼슘과 소금의 혼합염(3:7), 염화마그네슘(6수화물), CMA로 시중에서 구입하였으며 표 2에 나타내었다.
- 배합은 표 4의 설계 배합표를 이용하였다. 시멘트는 S사의 보통 포틀랜드 시멘트를 사용하였고 슬럼프는 2회 평균값이다. 28일 강도는 KS F2405에 의하여 실시하였으며 5x5x5cm 3개의 공시체의 평균값으로 395.
- 제설제의 어는점 및 공융점을 측정하기 위한 실험은 ASTM D1177-88의 방법을 이용하였다. 실험 장 치는 그림 3과 같이 단열 냉각조(Cool bath, 2 Z)와 시험관(200), 교반장치, 시간에 따른 온도변화 측정이 가능한 온도계 등으로 구성되어 있다.
- 17g을 골고루 살포한 후 10분 단위로 녹은 얼음의 양을 주사기로 흡입하여 시간 경과에 따른 제설제에 의한 누적된 용융량을 측정하였다. 실험은 온도조절이 가능한 초저온 냉동고에서 실시하였으며, 온도는 -7℃, -12℃를 선정하였다. 그림 4는 주사기로 실제 용융양을 측정하는 장면이다.
- 환경친화제설제의 제조방법은 수산화 칼슘, 수산 화 마그네슘을 적당량의 증류수로 혼합한 후 혼합양 의 약 120%정도의 유기산을 섞어 반응이 완료된 염 을 건조 시킨 후 다시 분말로 만들어 실험에 사용하였다. CMO의 융빙특성을 비교 분석 하기위해 표1 에서 보는 바와 같이 화학조성에 의한 몰비를 산출하여 실험에 사용하였다.
이론/모형
- 콘크리트 표면에 미치는 영향 실험은 공시체(2개씩)를 사각 철그릇 판에 넣은 후 제설제 3%용액을 1/4인치 담근 후 28일 동안 동결융해(1싸이클= - 12℃에서 17시간 동결 후 23℃에서 7시간 융해)시킨 후 제설제별로 2개의 공시체를 평균을 내어 무게 감량을 측정하였다. 실험규격은 SHRP H-205.8, ASTM 109-90을 이용하였다. 그림 6은 실험에 사용한 공시체이며 직경 4cm, 높이 4.
- 제설제의 어는점 및 공융점을 측정하기 위한 실험은 ASTM D1177-88의 방법을 이용하였다. 실험 장 치는 그림 3과 같이 단열 냉각조(Cool bath, 2 Z)와 시험관(200), 교반장치, 시간에 따른 온도변화 측정이 가능한 온도계 등으로 구성되어 있다.
성능/효과
- 1) 제설제 종류별 용해열 측정 결과 CMA와 염화칼슘이 가장 많은 열을 방출하는 발열 반응을 보여 초기 융빙효과는 우수할 것으로 판단되지만 겨울철 많은 양을 사용할 경우 콘크리트의 급격한 온도변화와 층간 동결로 인하여 열화를 촉진시킬 수 있을 것이라 판단되고 CM의 경우 유기산염의 비율에 상관없이 0.165~0.181로 비슷한 열을 방출하는 발열반응을 보였고 용해열이 높지 않아 콘크리트의 조기 열화를 방지할 수 있을 것으로 판단된다.
- 3) 얼음침투실험은 -7℃에서 60분 후 기존 제설제에 비해 60% 정도의 효과를 보였다. 얼음용융실험 은 -12℃보다 -7℃에서 더 우수한 융빙효과를 보였고 염화칼슘에 비해 약 60~90% 정도의 효과를 보였다.
- 4) 콘크리트 표면 중량손실량 측정결과 기존 제설제의 경우 CM보다 1.5~2배 높아 구조물의 내구성 저하의 원인이 될 수 있을 것으로 판단된다. 환경친화 제설제인 CMA와 CM는 중량손실량이 미미해 구조물에 거의 영향을 미치지 않음을 알 수 있었다.
- 7℃로 모두 우수한 효과를 보였다. CM의 경우 유기산염의 비율에 따라서 거의 차이가 보이지 않았으며 어는점은 -9.3~-11.5°<3로 염화칼슘과 비교해보면 약 70% 정도의 효과를 보여 우리나라의 겨울철 기후조건에서는 사용하기에 적절할 것이라 판단된다.
- 실험은 각 제설제별로 얼음에 살포한 후 얼음의 녹는 양을 누적하여 측정하였으며 실험결과는 그림 7과 8에 나타내었다. 그림 7에서 얼음 용융실험결과를 보면 용해열이 높은 CMA(미국)와 염화칼슘(2수화물)의 경우 10분이 경과 하였 을 경우 초기 융빙효과가 가장 뛰어났으며 염화나트륨, 염화칼슘과 염화나트륨의 혼합염(3:7), 염화마그네슘의 경우도 우수한 융빙 효과를 보였다. 60분이 경과하였을 때는 염화칼슘과 염화나트륨의 3:7 혼합염이 가장 우수한 융빙효과를 보였다.
- 이것은 염화칼슘의 속효성과 염화나트륨의 지속성에 의한 효과로 볼 수 있다. 기존 제설제와 CMO간의 융빙특성을 비교해보면 CMO(1:1) 경우 약간 우수한 융빙 효과를 보였으며, 60분 경과 후 염화칼슘에 비해 약 80~90% 정도의 효과를 보였다.
- Cubic 몰드와 Round 몰드의 실험 결과는 그림 10과 그림 11에 나타내었다. 기존 제설제의 경우 환경친화 제설제보다 약 1.5~2배 정도의 중량손실량 를 보였고 염화나트륨이 중량손실량이 가장 많이 나타났다. 결과적으로 구조물의 내구성을 저하시킬 수 있으므로 겨울철 제설제 살포시 적당량을 사용해야 하며 특히 도로 배수시설이 용이하지 않은 지역에서는 심각한 피해가 우려된다.
- 불순물함유량 등의 문제가 발생할 수 있으나 분리막과 전기투석 방법으로 해결할 수 있다. 따라서 원료비가 전혀 들지 않는 폐기 물인 액상 슬러지를 이용하여 초산과 프로피온산을 생산하고 Ca, Mg와 반응시켜 친환경적 제설제인 CM를 생산하면 자원재활용의 측면은 물론 기존제 설제로 인한 환경문제를 해결 할 수 있고 도로구조물 의 내구수명을 연장시켜 구조물의 보수 보강비를 절약할 수 있다.
- 물 2mole과 반응할 경우에는 400배로 희석하였다. 실험결과 염화칼슘과 CMA의 용해열이 0.315kJ/g, 0.444kJ/g로 가장 많은 열이 발생하는 발열 반응을 보였다. 겨울철 융빙제 살포시 염화칼슘과 CMA와 같이 용해열이 높을 경우 많은 열을 방출하여 초기 융빙 효과가 우수하지만 콘크리트 포장 표면의 온도가 급격히 올라가 열 충격을 줄 수 있고 겨울철 층간동결로 인한 응력 차 발생으로 열화를 촉진시킬 수 있다.
- 181로 유기산염의 비율에 관계없이 비슷한 열을 방출하는 발열반응을 보였다. 실험결과에서 나타났듯이 용해열이 높지 않아 콘크리트 포장에서 열화현상을 방지할 수 있을 것으로 판단된다.
- 3) 얼음침투실험은 -7℃에서 60분 후 기존 제설제에 비해 60% 정도의 효과를 보였다. 얼음용융실험 은 -12℃보다 -7℃에서 더 우수한 융빙효과를 보였고 염화칼슘에 비해 약 60~90% 정도의 효과를 보였다.
- 공융점값은 대부분 측정되지 않아 20% 수용액에 대해 제설제별로 어는점을 비교하였다. 측정결과 CMA 20% 수용액이 -18.9℃로 가장 우수한 효과를 보였으며 기존 제설제의 경우 20% 수용액에서 염화칼슘은 -13.9℃, 염화나트륨의 경우 -17.5 ℃, 염화칼슘과 염화나트륨의 혼합염은 -17.7℃로 모두 우수한 효과를 보였다. CM의 경우 유기산염의 비율에 따라서 거의 차이가 보이지 않았으며 어는점은 -9.
- 온도는 -7℃에서 실험하였고 2회 반복 후 평균값이다. 침투율 면에서는 기존 제설제가 대부분 우수한 침투 효과를 보였으며 CMO의 경우는 CMO(1:1)과 CMO(2:1)이 CMO(1:2)보다 침투효과가 우수하였다. 초기 침투효과는 미미하지만 60분이 지난 후 약 60%의 효과를 보였다.
- 5~2배 높아 구조물의 내구성 저하의 원인이 될 수 있을 것으로 판단된다. 환경친화 제설제인 CMA와 CM는 중량손실량이 미미해 구조물에 거의 영향을 미치지 않음을 알 수 있었다.
후속연구
- 2) 어는점 측정결과 기존 제설제의 경우 모두 우수한 효과를 보였고 CMO의 경우 유기산염의 비율에 관계없이 비슷한 효과를 보였으며 염화칼슘에 비해 약 70%의 효과를 보여 우리나라와 같은 겨울철 기후조건에서는 사용할 수 있을 것으로 판단되지만 추가 연구를 통해 성능을 더 향상시켜야 할 것이다.
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