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문제 정의
- 따라서 이 연구에서는 기포 콘크리트의 성상에 많은 영향을 끼치는 기포의 특성을 알아보고자 현재 선발포 방식을 통해 기포 콘크리트의 제조에 사용되는 기포제 종류를 선정하여 그에 따른 기포의 특성을 알아봄으로서 사용 목적 및 요구 성능에 부합할 수 있는 기포 콘크리트의 제조를 위한 기초적 자료로 제공하고자 한다.
- 이 연구에서는 기포제 종류 및 농도 변화에 따른 기포의 특성을 검토하였으며 다음과 같은 결론을 얻었다.
가설 설정
- 다양한 경로를 거쳐 형성된 모든 종류의 기포는 근본적으로 또는 궁극적으로 안정하지 못하다.11) 열역학적으로 안정하지 못한 원인은 기포의 경시 변화에서 밝힌 요인과 거의 동일하다고 할 수 있다. 그러므로 이러한 요인들은 기포가 소멸하여 수용액으로 변하는 과정에서 상변화에 중요하게 작용한다.
제안 방법
- 4) 임계미셀농도의 측정을 통해 발포력이 최대점에 도달하는 농도를 산정할 수 있다. 그러나 이 연구에서는 임계미셀농도를 측정하지 않고 기존 연구5)에서 제안한 발포력이 일정한 수치를 보이는 임계치를 최대 발포점으로 판단하는 방법을 채택하였다.
- 기포 콘크리트는 시멘트계 재료가 주성분을 이루고 있어 수화 작용에 의해 생성되는 수산화칼슘에 의해 높은 알칼리도를 유지하게 된다. 따라서 이러한 환경 조건에서 기포의 특성을 검토하는 것이 타당한 것으로 판단되어 기포제를 포함한 수용액을 일반적인 콘크리트의 환경과 유사하도록 pH12로 설정한 뒤 알칼리도를 유지할 수 있도록 Ca(OH)2 시약을 사용하여 알칼리 환경을 조성하였다. 실험 순서는 pH를 맞춘 Ca(OH)2 포화용액에 기포제를 희석 농도로 투입한 후 발포기를 사용하여 기포를 제조하였다.
- 측정 항목으로는 기포 발생기를 통해 제조되는 기포의 발포율, 시간 경과에 따른 기포의 용적 변화, 그리고 발포한 기포가 소멸하여 수용액으로 변하는 과정에서 생성되는 수용액의 용적 변화를 측정하였다. 또한 기포제 및 농도별 기포의 형상 및 크기를 광학현미경 분석을 통해 상변화 특성을 알아보았다.
- 발포된 기포의 용적 측정 후 시간 경과에 따른 기포의 상 변화를 알아보기 위해 기포의 발포 이후 60분 동안 기포가 소포되어 수용액으로 변화할 때의 수용액 용적을 10분 간격으로 측정하여 상대적인 기포 감소율과 수용액 증가율을 구하고 이를 기포 안정성 평가를 위한 지표로 활용하였다. 또한, 발포된 기포의 일부를 채취하여 시간 변화에 따라 광학현미경으로 관찰하고 화상 분석(image analysis)하여 기포제별, 기포 농도별 기포의 형상, 크기, 분포를 알아보았다.
- 발포된 기포의 용적 측정 후 시간 경과에 따른 기포의 상 변화를 알아보기 위해 기포의 발포 이후 60분 동안 기포가 소포되어 수용액으로 변화할 때의 수용액 용적을 10분 간격으로 측정하여 상대적인 기포 감소율과 수용액 증가율을 구하고 이를 기포 안정성 평가를 위한 지표로 활용하였다. 또한, 발포된 기포의 일부를 채취하여 시간 변화에 따라 광학현미경으로 관찰하고 화상 분석(image analysis)하여 기포제별, 기포 농도별 기포의 형상, 크기, 분포를 알아보았다.
- 제조된 기포는 시간 변화에 따라 기포가 소멸하여 수용액 상태로 변할 때의 기포/수용액의 용적 변화를 측정하였다. 발포율(foaming rate) 계산은 최종적으로 발포한 기포의 용적률에 대해 초기에 기포제와 물을 혼합한 기포액의 용적에 대한 비율로 하였으며 다음 식을 이용하여 계산하였다.
- 따라서 이러한 환경 조건에서 기포의 특성을 검토하는 것이 타당한 것으로 판단되어 기포제를 포함한 수용액을 일반적인 콘크리트의 환경과 유사하도록 pH12로 설정한 뒤 알칼리도를 유지할 수 있도록 Ca(OH)2 시약을 사용하여 알칼리 환경을 조성하였다. 실험 순서는 pH를 맞춘 Ca(OH)2 포화용액에 기포제를 희석 농도로 투입한 후 발포기를 사용하여 기포를 제조하였다.
- 2의 모식도와 같은 장비 및 공정을 통해 기포를 제조하였다. 제조된 기포는 시간 변화에 따라 기포가 소멸하여 수용액 상태로 변할 때의 기포/수용액의 용적 변화를 측정하였다. 발포율(foaming rate) 계산은 최종적으로 발포한 기포의 용적률에 대해 초기에 기포제와 물을 혼합한 기포액의 용적에 대한 비율로 하였으며 다음 식을 이용하여 계산하였다.
- 05~13%로 설정하였다. 측정 항목으로는 기포 발생기를 통해 제조되는 기포의 발포율, 시간 경과에 따른 기포의 용적 변화, 그리고 발포한 기포가 소멸하여 수용액으로 변하는 과정에서 생성되는 수용액의 용적 변화를 측정하였다. 또한 기포제 및 농도별 기포의 형상 및 크기를 광학현미경 분석을 통해 상변화 특성을 알아보았다.
대상 데이터
- 기포 발생을 위해 사용한 발포기는 Fig. 1의 발포기를 이용하였으며 Fig. 2의 모식도와 같은 장비 및 공정을 통해 기포를 제조하였다. 제조된 기포는 시간 변화에 따라 기포가 소멸하여 수용액 상태로 변할 때의 기포/수용액의 용적 변화를 측정하였다.
- 기포 발생을 위해 사용한 발포기는 선행 연구3)를 참조하여 길이/직경비가 2.0을 가지는 원통형의 아크릴 케이스를 제작해 사용하였으며, 내부의 충전물은 직경 6 mm의 플라스틱 비드를 사용하였다.
- 이 실험에 사용한 기포제의 종류별 물리·화학적 특성은 Table 2와 같다. 기포제는 일반적으로 기포 콘크리트 제조에 사용되는 것을 사전 조사하여 4종을 선정하였다. 일반적으로 국내에서는 공동주택의 단열층 및 터널 등의 공동부 뒷채움용으로 기포 콘크리트가 사용되는데, 이때 사용되는 기포 콘크리트에서 기포 발생을 위해 사용되는 기포제는 계면활성제계와 단백질계 기포제가 많이 사용되고 있다.
- 실험 인자는 크게 기포제 종류와 기포제 농도이다. 사용한 기포제는 크게 3종류로 음이온계 계면활성제, 수지 비누계, 단백질계 기포제이다. 음이온계 계면활성제는 A사의 AES와 AOS를 사용하였고, 수지비누계와 단백질계로는 H사의 RM과 FP를 사용하였다.
- Table 1은 이 연구의 실험 계획을 나타낸 것으로 선발포 방식을 사용하여 제조되는 기포의 특성을 검토하기 위한 것이다. 실험 인자는 크게 기포제 종류와 기포제 농도이다. 사용한 기포제는 크게 3종류로 음이온계 계면활성제, 수지 비누계, 단백질계 기포제이다.
- 사용한 기포제는 크게 3종류로 음이온계 계면활성제, 수지 비누계, 단백질계 기포제이다. 음이온계 계면활성제는 A사의 AES와 AOS를 사용하였고, 수지비누계와 단백질계로는 H사의 RM과 FP를 사용하였다.
성능/효과
- 1) 기포제 종류 및 농도 변화에 따른 기포의 발포율에서는 기포제 농도가 증가할수록 모든 기포제에서 발포율이 증가하는 것으로 나타났으며 계면활성제계와 수지비누계의 발포율은 유사한 경향을 나타냈다. 단백질계의 발포율은 다른 기포제와 비교하여 낮은 농도에서는 발포율이 낮아 높은 발포율을 유지하기 위해서는 상대적으로 높은 농도를 필요로 하는 것으로 나타났다.
- 2) 기포 경시 변화는 기포제 종류 및 농도와는 상관없이 기포제 농도가 높을수록 기포가 소포하여 수용액으로 변하는 상변화가 작은 것으로 나타났다. 계면활성제계와 단백질계는 경시 변화에 따라 기포가 소포되어 수용액으로 변하는 상변화 경향이 유사한 반면에 수지비누계의 경우에는 급격한 상변화가 발생하였다.
- 3) 기포제 종류에 따른 기포 형상 및 크기 분포에서 계면활성제, 수지비누계는 다각형의 기포 형상을 나타냈고, 단백질는 구형의 기포 형상을 나타냈다. 면 활성제계와 수지비누계는 열린 공극을 나타내 흡음형 기포 콘크리트에 사용하는 것이 적합할 것으로 판단되며 단백질계는 닫힌 공극을 형성하므로 차음형 기포 콘크리트에 사용하는 것이 타당할 것으로 판단된다.
- 기포제 농도의 증가에 따라 발포율이 증가하지만, 발포 용적은 종류별로 다르게 나타났다. AES와 AOS는 농도를 증가시킬수록 발포율이 증가하는 것으로 나타났다. AES의 경우, 초기에서 농도 3.
- 기포제 종류와 상관없이 기포제 농도가 높을수록 기포에서 수용액으로 변하는 상변화가 작은 것으로 나타났다. AES의 경우를 살펴보면, 기포제 농도에 따라 기포의 용적 변화의 차이가 있지만 경시 변화에 따른 용적 변화는 기포제 농도와는 상관없이 일정하게 감소하는 것으로 나타났다. 경시 변화에 따른 감소율은 최대 47%, 최소 23% 범위인 것으로 나타났다.
- 30 mm가 뒤를 이에 많은 기포 분포를 나타내었다. AOS, RM, FP의 경우에는 0.16~0.30 mm에서 가장 많은 기포 분포를 가지는 것으로 나타났다. 기포제 농도 변화에 따른 기포 크기의 분포 변화를 살펴보면 일부를 제외하고는 농도가 낮을수록 대체적으로 기포의 분포도가 낮은 반면에, 기포제 농도가 높을수록 분포도는 높게 나타났다.
- AOS의 경우를 살펴보면, 낮은 기포제 농도에서 초기에 AES와 같은 급격한 상변화를 보이지는 않았지만 AES와 같이 시간이 경과할수록 기포가 소멸되면서 수용액의 용적량이 증가하는 것을 알 수 있었다. 기포제 농도에 따른 수용액 용적 변화를 살펴보면 기포제 농도가 낮을수록 수용액 용적 변화는 크게 나타난 반면에 기포제 농도가 높을수록 기포에서 수용액으로의 용적 변화는 작게 나타났다.
- 이러한 경향은 앞서 실험한 계면활성제계와 유사하였다. FP는 AES, AOS, RM과는 달리 낮은 농도에서는 발포율이 현저히 떨어지는 경향을 보여 다른 기포제와 비교해 유사한 발포율에 도달하기 위해서는 상대적으로 높은 기포제 농도(7%)가 필요한 것으로 나타났다.
- FP의 경우를 살펴보면, 상대적으로 기포제 농도가 낮은 0.5%, 1%에서 초기 10분 이내에 기포가 소포되어 수용액으로 변화가 급격하게 발생하는 것으로 나타났다. 반면에 상대적으로 높은 농도에서는 기포의 소멸 현상으로 발생되는 수용액의 변화곡선 기울기가 완만하게 나타나 높은 기포제 농도에서는 기포의 안정성이 오래 지속되는 것으로 나타났다.
- RM의 경우를 살펴보면, 계면활성제계인 AES, AOS와 같이 시간 변화에 따라 기포가 소포되어 수용액으로 변하는 양상이 거의 유사한 것으로 나타났지만 수용액의 용적 변화는 계면활성제계에 비해 작은 것으로 나타났으며, 10분 경과 후에는 수용액 용적 변화가 거의 없는 것으로 나타났다. 수용액 용적 변화는 RM의 경우가 계면활성제계 보다는 작고 FP보다는 큰 것으로 나타났다.
- 16~19는 기포제 종류별 기포의 광학현미경 사진이다. 기포가 빛에 산란되어 촬영한 2차원 화상으로 기포의 형상을 정의하는 것은 무리가 있지만 대체적으로 계면활성제계인 AES, AOS와 수지비누계인 RM은 균일한 평면막 경계를 갖는 다면체 구조의 형상을 단백질계인 FP는 계면활성제와 수지비누계에 비해 구형에 가까운 기포 형상을 보였으며, 미세한 기포가 계면활성제계와 수지비누계에 비해 상대적으로 많이 분포하고 있는 것으로 나타났다. 계면활성제계와 수지비누계가 다면체 구조를 나타낸 것은 기포제 농도가 낮아 일정한 액막을 유지하는 시간과 구형의 기포를 형성하는 시간이 짧고, 액의 유하 후 액막이 파괴하여 기포가 다면체 구조로 변하기 때문이며12) 이러한 현상은 기포제 농도와도 밀접한 연관성이 있는 것으로 사료된다.
- 30 mm에서 가장 많은 기포 분포를 가지는 것으로 나타났다. 기포제 농도 변화에 따른 기포 크기의 분포 변화를 살펴보면 일부를 제외하고는 농도가 낮을수록 대체적으로 기포의 분포도가 낮은 반면에, 기포제 농도가 높을수록 분포도는 높게 나타났다. 이러한 결과는 기포제 농도가 낮을수록 생성된 기포의 수가 적은 것을 의미하고, 기포제 농도가 높으면 생성된 기포의 수가 많아 측정 분석에서 분포 차이가 있는 것을 의미하므로 기포 분포는 발포율과 같이 기포제 농도와도 밀접한 상관이 있는 것으로 판단된다.
- AOS의 경우를 살펴보면, 낮은 기포제 농도에서 초기에 AES와 같은 급격한 상변화를 보이지는 않았지만 AES와 같이 시간이 경과할수록 기포가 소멸되면서 수용액의 용적량이 증가하는 것을 알 수 있었다. 기포제 농도에 따른 수용액 용적 변화를 살펴보면 기포제 농도가 낮을수록 수용액 용적 변화는 크게 나타난 반면에 기포제 농도가 높을수록 기포에서 수용액으로의 용적 변화는 작게 나타났다. 경시 40분 이후에는 수용액 용적 변화가 40분 이전과 비교하여 용적 변화의 큰 차이를 보이지 않고 일정하게 유지되는 것으로 나타났다.
- 4~7은 기포제 종류 및 농도 변화에 따른 발포율 변화를 나타낸 것이다. 기포제 농도의 증가에 따라 발포율이 증가하지만, 발포 용적은 종류별로 다르게 나타났다. AES와 AOS는 농도를 증가시킬수록 발포율이 증가하는 것으로 나타났다.
- 8~11은 기포제의 종류 및 농도에 따른 기포의 경시 변화를 나타낸 것이다. 기포제 종류와 상관없이 기포제 농도가 높을수록 기포에서 수용액으로 변하는 상변화가 작은 것으로 나타났다. AES의 경우를 살펴보면, 기포제 농도에 따라 기포의 용적 변화의 차이가 있지만 경시 변화에 따른 용적 변화는 기포제 농도와는 상관없이 일정하게 감소하는 것으로 나타났다.
- 1) 기포제 종류 및 농도 변화에 따른 기포의 발포율에서는 기포제 농도가 증가할수록 모든 기포제에서 발포율이 증가하는 것으로 나타났으며 계면활성제계와 수지비누계의 발포율은 유사한 경향을 나타냈다. 단백질계의 발포율은 다른 기포제와 비교하여 낮은 농도에서는 발포율이 낮아 높은 발포율을 유지하기 위해서는 상대적으로 높은 농도를 필요로 하는 것으로 나타났다.
- 3) 기포제 종류에 따른 기포 형상 및 크기 분포에서 계면활성제, 수지비누계는 다각형의 기포 형상을 나타냈고, 단백질는 구형의 기포 형상을 나타냈다. 면 활성제계와 수지비누계는 열린 공극을 나타내 흡음형 기포 콘크리트에 사용하는 것이 적합할 것으로 판단되며 단백질계는 닫힌 공극을 형성하므로 차음형 기포 콘크리트에 사용하는 것이 타당할 것으로 판단된다.
- 5%, 1%에서 초기 10분 이내에 기포가 소포되어 수용액으로 변화가 급격하게 발생하는 것으로 나타났다. 반면에 상대적으로 높은 농도에서는 기포의 소멸 현상으로 발생되는 수용액의 변화곡선 기울기가 완만하게 나타나 높은 기포제 농도에서는 기포의 안정성이 오래 지속되는 것으로 나타났다.
- AOS의 경우에도 초기부터 3%까지는 지속적인 발포율의 증가를 나타냈지만 그 이후부터는 약간 낮은 발포율을 나타내 AES와 유사한 경향을 나타냈다. 발포율 차이는 AES가 AOS 보다 다소 발포율이 높은 것으로 나타났다. RM도 초기부터 농도 3%까지는 발포율이 증가하다가 3%를 정점으로 발포율이 감소하는 경향을 나타냈다.
- AES의 경우를 살펴보면, 기포제 농도가 낮을수록 초기 10분 이내에 기포가 급격히 소멸되어 수용액으로 변하는 것을 알 수 있다. 하지만 상대적으로 기포제 농도가 높은 3~5%의 경우에서는 낮은 농도에 비해 10분 이내에서는 기포가 상대적으로 덜 소포되어 수용액으로 상이 변화되는 것이 더딘 것으로 나타났고 20분 후에는 다른 농도와 유사한 경향을 보였고 수용액 용적 변화는 거의 없는 것으로 나타났다.
후속연구
- RM의 경우를 살펴보면, 낮은 농도에서의 기포의 경시 변화는 작은 반면에 높은 농도인 3%와 5%에서 10분경과 후부터 기포가 급격히 소멸하여 큰 용적 변화를 보였다. 이러한 결과는 일반적으로 알려진 바와 같이 농도가 높을수록 기포의 안정성이 유지되는 경향과는 달리 다른 경향을 보여 이에 대한 세부적인 검토가 필요할 것으로 판단된다. FP의 경우를 살펴보면, AES, AOS와 같이 경시 변화에 따른 상변화가 작게 발생하며 사용된 기포제 중 가장 적은 상변화를 나타냈다.
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