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문제 정의
- 본 연구에서는 콘크리트 탄산화에 의한 대기 중의 이산화탄소 흡수량을 Papadakis 이론 및 탄산화된 콘크리트 부분의 열분석 실험을 통하여 정량화함으로써, 이산화탄소 흡수에 따른 콘크리트의 친환경성능을 실험적으로 검증하였다. 그 결과, 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
- 이러한 배경하에 본 논문에서는 콘크리트의 이산화탄소 흡수량을 실험적으로 평가하기 위하여 우선, 물시멘트비에 따른 모르타르 시험체를 제작하여, 모르타르 시험체내 탄산화 가능 물질 중 수산화칼슘의 양을 정량적으로 측정하고, 기존 논문 고찰1),2),4)을 통하여 이론적으로 이산화탄소 흡수량을 산출하여 실험과 이론계산의 결과 비교를 통해 이산화탄소 배출 및 흡수의 수지평가에 관한 기초자료를 제공하고자 한다.
제안 방법
- 03%로 낮게 되기 때문에 실제 이산화탄소 침투를 확인하기 위해서는 실험에 오랜 시간이 걸린다. 그렇기 때문에 인공적으로 이산화탄소 농도를 높여 촉진 탄산화 실험을 실시하였다.
- 그림2, 표 5와 같이 시험체 크기는 50 50 50mm, 배합비는 C : S = 1 : 2.45 로 물시멘트비 40%, 50%, 60%로 제작하였다. 모르타르의 혼합은 KS L5109에 준하여 실시하였다.
- 물시멘트비 변화에 따른 이산화탄소 흡수량 측정을 위해 그림 2와 같은 시험체를 제작하여 촉진 탄산화 시켜 pH, 탄산화 깊이, 시험체 성분 분석을 실시하였다.
- 시험체 성분분석은 pH측정 시료를 TG/DTA장비를 사용하여 실시하였다. 성분 분석은 시험체에 열을 가해 열 변화에 따른 질량변화를 관찰함으로서 특정 온도 범위에서 상태 변화하는 성분을 찾아내어 온도에 따른 질량 감소를 확인하는 방법이다.
- 시험체의 pH 측정은 우선, 시험체의 이산화탄소 침투 면에 평행하게 10mm, 20mm, 30mm 할렬하여 각각 위치의 시험체를 분쇄한다. 분쇄한 시험체를 표준체 No.
- 실험체는 탄산화 촉진 실험 전 미리 시험체 6면 중 4면에 에폭시를 도포하여 이산화탄소가 2면으로 침투하도록 하였다. 실험체는 재령 28일과 탄산화 촉진 재령 7일, 14일, 28일로 총 4번 pH, 탄산화 깊이, 탄산화 깊이별 성분 분석이 실시하였다. 이 실험 결과를 토대로 이산화탄소 흡수량 예측 및 이론에 의한 이산화탄소 흡수량 비교를 하였다.
- 제작한 시험체는 타설 1일 후에 탈형하여 2주 습윤 양생, 2주 기건 양생 후, 습도 40%, 온도 20℃, CO2 농도 20%의 탄산화 촉진 환경에서 실험하였다. 실험체는 탄산화 촉진 실험 전 미리 시험체 6면 중 4면에 에폭시를 도포하여 이산화탄소가 2면으로 침투하도록 하였다. 실험체는 재령 28일과 탄산화 촉진 재령 7일, 14일, 28일로 총 4번 pH, 탄산화 깊이, 탄산화 깊이별 성분 분석이 실시하였다.
- 열분석을 실시하여 물시멘트비 변화에 따른 시험체의 이산화탄소 흡수량을 정량적으로 분석하였다. 기존 이론식을 사용한 탄산화 깊이 계산 및 이산화탄소 흡수량은 표6 과 그림 18을 통해 알 수 있다.
- 실험체는 재령 28일과 탄산화 촉진 재령 7일, 14일, 28일로 총 4번 pH, 탄산화 깊이, 탄산화 깊이별 성분 분석이 실시하였다. 이 실험 결과를 토대로 이산화탄소 흡수량 예측 및 이론에 의한 이산화탄소 흡수량 비교를 하였다.
- 이론에 의한 결과는 물시멘트비에 대한 고려가 없기 때문에 탄산화 깊이가 비슷한 영역에서의 이산화탄소 흡수량을 비교하였다. 계산에 의한 탄산화 깊이 17.
- 기존 이론식을 사용한 탄산화 깊이 계산 및 이산화탄소 흡수량은 표6 과 그림 18을 통해 알 수 있다. 이론을 통한 계산에서는 탄산화 가능 물질 CSH, Ca(OH)2, C3S, C2S 4가지중 실제 시험체에서 측정이 가능한 Ca(OH)2의 양만을 고려하였고, 제작된 된 본 실험체는 탄산화 가능 물질인 CSH, C3S, C2S의 양을 고려하지 않고 Ca(OH)2만을 고려하여 계산하였다.
- 모르타르의 혼합은 KS L5109에 준하여 실시하였다. 제작한 시험체는 타설 1일 후에 탈형하여 2주 습윤 양생, 2주 기건 양생 후, 습도 40%, 온도 20℃, CO2 농도 20%의 탄산화 촉진 환경에서 실험하였다. 실험체는 탄산화 촉진 실험 전 미리 시험체 6면 중 4면에 에폭시를 도포하여 이산화탄소가 2면으로 침투하도록 하였다.
- 약 450℃ ~ 500℃ 사이에서는 Ca(OH)2 를 확인할 수 있으며 650℃ ~ 900℃사이에서는 CaCO3 를 확인 할 수 있다. 측정은 Alumina 팬을 사용하고 가열 속도는 분당 10℃씩 인자별 측정하였다.
- 탄산화깊이 측정은 탄산화 한 시험체를 이산화탄소 침투면에 직각으로 할렬 한 후(2개시험체-양쪽면) KS F2596에 따라 1%의 페놀프탈레인 용액으로 분무하여 침투면으로 부터 발색되지 않은 부분까지 30개소의 침투깊이를 측정하여 평균값으로 하였다.
데이터처리
- 10으로 거르고 난 뒤 얻어진 시료를 증류수 10ml 당 시료 1g와 혼합하여 잘 저어준 다음 pH측정기를 넣은 뒤 1분간 그대로 두어 수치가 변하지 않을때 까지 기다린 다음 측정값을 기록한다. 측정값은 TG/DTA 시험체 별 인자당 3개의 시험체를 측정하여 평균값으로 하였다.
이론/모형
- 이산화탄소 흡수량 평가 방법은 물시멘트비에 따른 모르타르 시험체를 제작하여 TG./DTA 분석을 실시하여 Ca(OH)2 함량을 정량적으로 측정하였고 이산화탄소 흡수량의 이론적 평가는 기존 논문1)2)4)의 식을 이용하여 계산하였다.
- 45 로 물시멘트비 40%, 50%, 60%로 제작하였다. 모르타르의 혼합은 KS L5109에 준하여 실시하였다. 제작한 시험체는 타설 1일 후에 탈형하여 2주 습윤 양생, 2주 기건 양생 후, 습도 40%, 온도 20℃, CO2 농도 20%의 탄산화 촉진 환경에서 실험하였다.
성능/효과
- 그 결과, 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.1) 모르타르의 탄산화 깊이는 촉진탄산화 재령이 클수록, 물시멘트비가 클수록 증가하였고, 탄산화속도는 재령의 증가에 따라 감소하였다.
- 2) 탄산화부분의 pH는 미탄산화부분의 pH보다 작게나타났으며 이는 탄산화부분의 수산화칼슘이 이산화탄소와 반응하여 탄산칼슘으로 변하였기 때문임을 열분석을 통하여 확인할 수 있었다.
- 3) 탄산화부분의 열분석을 통한 이산화탄소 흡수량은 Papadakis 이론을 통해 얻어진 이산화탄소 흡수량과 비교하여 거의 일치하는 것을 알 수 있었으며, 이를 통한 콘크리트의 이산화탄소흡수를 예측하는 것의 타당성과 함께 콘크리트의 이산화탄소 흡수측면에서의 친환경성을 검증할 수 있었다.
- 78g이 얻어진다. 분석 결과를 살펴보면 이론을 통해 계산되어지는 이산화탄소의 양이 실험을 통해 구해지는 이산화탄소의 양이 0.13g으로 두 값의 차이가 미미하다는 것을 알 수 있다.
- 전체 시료 질량에 대한 각 성분의 질량비를 그림10 ～그림15 에 나타내었다. 이산화탄소 침투면으로 부터 내부로 들어갈수록 수산화칼슘의 양은 증가하는 반면, 탄산칼슘의 양은 감소하는 경향을 보였다. 탄산화 결과 수산화칼슘이 이산화탄소와 결합하여 탄산칼슘을 생산하였기 때문에 탄산화 된 영역에서는 수산화칼슘의 양이 적고, 상대적으로 탄산칼슘의 양은 많은 것으로 판단된다.
후속연구
- 4) 금후, 실험체의 성분분석을 통한 보다 정확한 이산화탄소 흡수량 계산을 위해서는 Ca(OH)2뿐만이 아니라, 실제 탄산화 가능물질인 CSH, C3S, C2S의 값을 고려한 검토가 수행되어야 한다고 판단된다.
- pH는 이산화탄소 침투면으로 부터 내부로 들어갈수록 증가하나 물시멘트비가 커질수록 측정된 pH가 비례하여 같이 커지는 경향을 보이진 않고 있다. 이는 시험체 양생 시 수화가 충분히 이루어지지 않았기 때문에 생긴 결과라 사료되어 추후 수화 반응에 관한 연구가 필요하다고 판단된다.
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