[논문]고로(高爐)슬래그 미분말(微粉末)을 활용(活用)한 블랙-컬러모르타르 특성(特性) 및 색상발현(色相發現)에 관한 연구(硏究)

김설화; 장홍석; 소승영

문제 정의

Architectural Concrete 중 컬러콘크리트는 백시멘트에 여러 가지 안료를 사용하여 사용자나 건축가가 요구하는 다양한 색채를 만드는 것으로 콘크리트를 구조체 구축과 같은 구조적 기능뿐만 아니라 그 자체를 의장적인 요소를 지닌 마감재로서 활용하고자 한 것이다. 컬러 콘크리트 제조시 백시멘트를 사용하는 것은 기존의 보통 포틀랜드 시멘트를 사용할 경우 고유한 회색에 의해 발현시키고자 하는 색상의 선명성과 채도를 감소시켜 원하는 색상을 발현시킬 수 없기 때문이다.
계획하였다. 이를 위한 기초연구의 일환으로 모르타르를 대상으로 고로슬래그 미분말의 혼입률 및 안료의 혼입률 등의 조건변화에 따른 기초 물성 및 색상발현 정도 등을 확인하여 산업부산물을 혼입한 컬러 콘크리트의 활용 가능성을 확인하고 자원재활용 및 경제적인 컬러콘크리트의 제조 기술 확립에 기초 자료를 제공하고자 하였다.
이에 본 연구는 다양한 색상의 컬러콘크리트 중 색상발현이 가장 어려운 블랙-컬러콘크리트 개발을 목표로 하여, 백시멘트만을 사용한 기존의 컬러콘크리트 제조 방법에 생산원가 절감은 물론 환경부하 저감과 색상발현에 효과가 있는 산업부산물인 고로슬래그 미분말을 활용하고자 계획하였다. 이를 위한 기초연구의 일환으로 모르타르를 대상으로 고로슬래그 미분말의 혼입률 및 안료의 혼입률 등의 조건변화에 따른 기초 물성 및 색상발현 정도 등을 확인하여 산업부산물을 혼입한 컬러 콘크리트의 활용 가능성을 확인하고 자원재활용 및 경제적인 컬러콘크리트의 제조 기술 확립에 기초 자료를 제공하고자 하였다.

제안 방법

각 시험체의 재령별 모르타르 표면을 Minolta 색차계 (CM®600D)를 활용하여 L*a*b 색좌표 단위로 값을 표시하였으며, 3번 촬영 후 산술평균하여 그 값을 나타내었다. L*a*b 값은 색의 3가지 특성인 명도, 채도, 색상을 나타내며 L(luminosity)값은 명도로 0~10(洌지 표시가 되고 a, b값은 일반적으로 XY좌표계와 같은 평면 좌표계로써 가로축이 a값, 세로축이 b값이다.
무기안료의 혼입 비율은 바인더 대비 5~10%의 비율로 선정하는 것이 일반적이며, 본 연구는 블랙 컬러 색상발현과 경제성을 고려하여 바인더 대비 총 8%로 선정하였다. 4)특히 색상발현에 있어 블랙 컬러를 표현하기 위해서는 반드시 혼합용 착색재로 카본블랙을 첨가해야만 한다.
혼합기를 시동하여 30초 동안제 1속으로 혼합하고, 혼합기를 정지하고 15초 동안 반죽 전부를 긁어내려 모아 놓은 후 혼합기를 제 2속으로 변속하여 60초 동안 혼합하였다. 이를 KS F 2594 굳지 않은 콘크리트의 슬럼프 플로 시험 방법을 이용하여 측정한 뒤 5x5x5 cm인 몰드에 타설 후 표준 양생실(20, 50% RH)에서 양생 후 재령별 압축강도를 측정하였다.
시험체는 안료가.충분히 혼합되도록 결합재에 안료를용해시킨 물(W/C 55%)을 가해 결합재가 물을 흡수하도록 30초 동안 두었다. 혼합기를 시동하여 30초 동안제 1속으로 혼합하고, 혼합기를 정지하고 15초 동안 반죽 전부를 긁어내려 모아 놓은 후 혼합기를 제 2속으로 변속하여 60초 동안 혼합하였다.

대상 데이터

주재료로 사용하였다. 또한 블랙 색상발현을 위한 독일 L사의 검정무기안료와 카본블랙을 사용하였다. 재료의 화학성분은 Table 1과 Table 2에 나타내었다.
본 연구는 시중에서 판매되는 U사의 백시멘트(White portland Cement, 이하 WC)와 K제철에서 발생되는 고로슬래그 미분말(Granulated Blast Furnace Slag, 이하 GBFS)을 주재료로 사용하였다. 또한 블랙 색상발현을 위한 독일 L사의 검정무기안료와 카본블랙을 사용하였다.

성능/효과

1. 블랙컬러콘크리트 제조시 색상발현에 필수적인 안료의 혼입은 넓은 표면적과 낮은 비중으로 전체적인 유동성의 저하를 가져왔다. 그러나 입자표면이 산성 피막에 의해 치밀하고 매끈하며, 잠재수경성에 의해 초기에는 물과의 수화반응이 일어나지 않는 GBFS의 특성상 혼입량에 비례하여 유동성이 증가하는 경향을 나타내었다.
2. GBFS의 혼입시 혼입비율에 따라 초기 강도 발현이 지연되는 결과를 나타내었다. 그러나 28일 이후 장기강도에서 잠재수경성 물질인 GBFS의 특성으로 혼입한 시험체 모두 WC의 압축강도를 상회하는 결과를 나타내었다.
그러나 바인더량의 5-6% 정도까지는 모르타르가 굳기 전후의 물성에 미치는 영향은 거의 없으며, 10%까지는 실용상 영향을 주지 않는 것으로 알려져 있다.3)그러나 Fig. 1과 같이 컬러콘크리트 용 안료로 사용되는 구형의 일반 무기안료와는 달리 검정색을 표현하는데 있어 필수적인 카본블랙은 95% 이상의 무정형 탄소 질로 이루어지는 결합된 미립자 형태로 5~500nm의 입자크기를 갖고 있어 다른 안료(구형)에 비하여 분말 도가 높고 비중이 낮아 3% 이상 혼입 시 시공성 저하의 문제점이 예상되었다.
3. WC-B의 경우 재령이 증가할수록 색감이 떨어져 L값이 점차 증가하는 경향을 보였으나 GBFS를 혼입한 시험체의 경우 혼입률 정도에 따라 차이는 있으나 재령에 관계없이 L값이 거의 일정한 경향을 나타내었다. 또한 GBFS 혼입률이 증가할수록 WC-B에 비해 색상발현이 우수한 것으로 나타닜으며 GBFS를 혼입한 시험체 모두 평균 L값이 30 이하로 목표치에 적합한 컬러를 발현할 수 있었다.
4. 산업부산물인 GBFS를 컬러콘크리트용 바인더로 치환 하여 사용하였을 경우 블랙과 같은 진한 색의 컬러 콘크리트를 제조할 경우 백시멘트만을 사용하는 것보다 유동성 확보와 색상발현에 유리함을 확인할 수 있었다.
이는 잠재수경성 물질인 GBFS가 알칼리나 황산염에 의해 박막이 파괴되면서 불용성의 물질이 석출되어 경화하기 시작하기까지 일정 시간이 소요되며 © 이로 인해 WC의 수화반응보다 수화진행속도가 지연되어 강도 발현이 늦게 이루어지기 때문으로 보인다. 그러나 28일 이후 강도의 경우 GBFS를 혼입한 시험체 모두 WC 강도를 상회하였으며, 28일 이후 강도의 증진의 큰 변화가 없는 WC와 달리 계속적으로 강도가 증가하는 경향을 나타내었다. 특히 GBFS의 혼입률이 50% 이상인 시험체의 경우 혼입률이 낮은 시험체보다 전체적으로 강도발현성이 낮아지는 것으로 나타났으며 GBFS의 혼입시 적절한 비율의 선정이 필요하다.
블랙컬러콘크리트 제조시 색상발현에 필수적인 안료의 혼입은 넓은 표면적과 낮은 비중으로 전체적인 유동성의 저하를 가져왔다. 그러나 입자표면이 산성 피막에 의해 치밀하고 매끈하며, 잠재수경성에 의해 초기에는 물과의 수화반응이 일어나지 않는 GBFS의 특성상 혼입량에 비례하여 유동성이 증가하는 경향을 나타내었다.
WC-B의 경우 재령이 증가할수록 색감이 떨어져 L값이 점차 증가하는 경향을 보였으나 GBFS를 혼입한 시험체의 경우 혼입률 정도에 따라 차이는 있으나 재령에 관계없이 L값이 거의 일정한 경향을 나타내었다. 또한 GBFS 혼입률이 증가할수록 WC-B에 비해 색상발현이 우수한 것으로 나타닜으며 GBFS를 혼입한 시험체 모두 평균 L값이 30 이하로 목표치에 적합한 컬러를 발현할 수 있었다.
또한 안료의 혼입유무에 관계없이 WC에 비해 GBFS 를 혼입한 모든 시험체가 높은 Flow 값을 보였고, GBFS의 혼입률이 증가할수록 Flow 값이 증가하는 경향을 보였다. 이는 GBFS 입자표면이 산성피막에 의해 치밀하고 매끈하며, 6)또한 GBFS의 잠재수경성에 의해 초기에는 물과의 수화반응이 일어나지 않기 때문으로 판단되었다.
검정의 경우 색차계 촬영 시 L값이o어〕가까울수록 채도 및 색상이 검정에 가깝다. 본 연구에서는 블랙-모르타르 시험체의 L값이 30이하일 경우 충분히 색상발현이 된 것으로 판단하였다.'
5는 GBFS 혼입률에 따른 재령별 압축강도를 나타낸 그래프이다. 안료의 혼입에 따른 단위수량의 변화로 혼입유무에 따른 강도의 차이는 있으나 초기 강도의 경우 GBFS를 혼입한 시험체가 WC의 압축강도보다 다소 낮았고, GBFS의 혼입률이 높아질수록 압축강도는 감소하는 경향을 나타내었다. 이는 잠재수경성 물질인 GBFS가 알칼리나 황산염에 의해 박막이 파괴되면서 불용성의 물질이 석출되어 경화하기 시작하기까지 일정 시간이 소요되며 © 이로 인해 WC의 수화반응보다 수화진행속도가 지연되어 강도 발현이 늦게 이루어지기 때문으로 보인다.
재령 3일에서의 색상발현 정도에 큰 차이가 없다가 재령이 증가함에 따라 L값의 차이가 나타나는 것은 백시멘트만을 사용할 경우 블리딩에 의한 레이턴스 및 알칼리 황산염, 수산화칼슘 (Ca(OH)2)등의 각종 가용 성분이 표면에 석출되거나 이산화탄소와 반응하여 표면에 침착하는 현상이 증가하였기 때문이다. 이들 석출물 및 침착물은 모두 백색에 가깝기 때문에 안료에 의해 초기에 발현한 블랙컬러의 L값을 증가시켜 색상의 선명성과 광도를 크게 떨어뜨리는 것을 확인하였다. GBFS를혼입하였을 경우 혼입률이 증가할수록 초기재령의 1.
이상의 연구를 통해 블랙과 같은 진한 색의 컬러 콘크리트를 제조할 경우 백시멘트만을 사용하는 것보다 GBFS를 혼입하는 것이 유동성 확보와 색상 발현에 유리함을 확인할 수 있었다. 컬러콘크리트 제조에 산업부산물인 GBFS의 혼입이 백시멘트 만을 사용하였을 경우에 비해 효과적인 결과는 그동안 콘크리트 제조 단가저감을 위해 시멘트의 단순 치환재로 사용되었던 GBFS 의 부가가치를 높일 수 있는 새로운 활용방안의 제시는 물론 산업부산물의 재활용과 환경부하 저감에도 기여할 수 있을 것으로 판단되었다.
즉, 블랙-컬러콘크리트 제조시 무기안료 및 카본블랙의 혼입은 유동성의 저하를 가져올 수 있으나 GBFS의혼입률이 증가할수록 유동성이 증가하는 것으로 나타나 안료에 의한 유동성 저하를 GBFS 혼입으로 충분히 상쇄할 수 있음을 알 수 있었다.
확인할 수 있었다. 컬러콘크리트 제조에 산업부산물인 GBFS의 혼입이 백시멘트 만을 사용하였을 경우에 비해 효과적인 결과는 그동안 콘크리트 제조 단가저감을 위해 시멘트의 단순 치환재로 사용되었던 GBFS 의 부가가치를 높일 수 있는 새로운 활용방안의 제시는 물론 산업부산물의 재활용과 환경부하 저감에도 기여할 수 있을 것으로 판단되었다.
특히 Fig. 8과 같이 GBFS 혼입률이 증가할수록 WC- B에 비해 색상발현이 우수한 것으로 나타났으며 GBFS 를 혼입한 시험체 모두 평균 L값이 30 이하로 목표치에 모두 적합한 컬러를 발현할 수 있었다.
값을 평균하여 도표화 한 것이다. 편차정도 측정결과 GBFS 의 혼입률과 색상발현 편차는 큰 상관관계가 없는 것으로 평가되었으며 편차정도는 모르타르 제조시 안료의 분산 정도에 관계하는 것으로 판단되었다.

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