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문제 정의
- 본 연구에서는 Self-Cleaning이 가능한 Silicate계 콘크리트 표면보호제를 제조하고 제조된 표면보호제을 적용하기 위한 콘크리트 표층부의 표면특성에 대해 비교하였다.
가설 설정
- 1. ES 시험체는 도막이 강건하고 표면이 매끄러워 뛰어난 발수성이 기대된다. HP시험체는 접촉각 20° 이하의 친수성을 보여 Self-Cleaning의 기능성 부여가 가능하므로 콘크리트 표면보호제로서 적절하다.
제안 방법
- 접촉각은 약 20초간 1초 간격으로 측정하였다. 방오성능의 평가는 유성오염원에 대해 표면을 오염시킨 후 살수하여 오염원의 제거정도에 따라 성능을 평가하는 간이시험법 및 시험체의 상태 변화를 표면의 오염정도를 폭로시험을 통해 평가하였다. 모르타르나 콘크리트는 배합조건이나 강도에 따라 다르지만 약 6∼20%의 공극을 가지고 있기 때문에 표면에 물이 닿으면 내부로 흡수되어 측정할 수 없는 것이 일반적이다.
- 침투성 콘크리트 표면보호제 도포 후 다이아몬드 커터를 이용하여 40×40×10mm로 잘라 강재형틀에 접착하여 인장 접착강도를 측정하였다.
- 콘크리트 침투성 표면보호제의 공극특성를 파악하기 위하여 포로시미터에 의한 공극구조와 FE-SEM에 의한 미세구조 특성 등을 관찰하였다.
- 표면보호제를 적용한 시험체의 표면특성은 접촉각 측정기를 사용하여 정적 접촉각을 측정하고 시간의 경과에 따른 접촉각 특성을 비교하여 Self-Cleaning 성능을 평가하였다. 접촉각의 측정은 자동으로 접촉각 측정이 가능한 시험기를 사용하였으며 Fig.
- 모르타르나 콘크리트는 배합조건이나 강도에 따라 다르지만 약 6∼20%의 공극을 가지고 있기 때문에 표면에 물이 닿으면 내부로 흡수되어 측정할 수 없는 것이 일반적이다. 하지만 조직이 치밀한 고강도콘크리트나 표면처리한 바탕면의 경우 표면에서 접촉각을 측정할 수 있는데, 본 시험에서도 침투성 표면보호제의 표면특성을 평가하기 위해 시험체의 표면을 다시 시멘트페이스트로 공극을 메우는 바탕 처리를 실시한 후 측정하였다.
대상 데이터
- TEOS는 S사의 시판되는 제품을 가수분해 90%에 적합하도록 에탄올과 염산을 첨가하여 제작하였고, Lithium silicate나 Silica solution, TiO2는 시판품을 사용하였고 본 실험의 Self-Cleaning 콘크리트 표면보호제를 제조하기 위한 원료의 구성은 Table 1~4와 같다. 또한, 침투성 표면보호제에 제조를 위한 배합은 Table 5와 같다.
- 침투성 표면보호제의 특성을 측정하기 위한 콘크리트 바탕이 되는 콘크리트 시험체는 KS F 2403의 콘크리트 강도시험용 공시체 제작방법에 의하여 제작하였다. 시험체는 건축물에 일반적으로 적용되는 호칭강도 24MPa의 보통 콘크리트이며 잔골재는 세척사를, 굵은골재는 최대치수 20mm의 골재를 사용하였다. 콘크리트 시험체의 W/C는 54.
이론/모형
- 침투성 표면보호제의 특성을 측정하기 위한 콘크리트 바탕이 되는 콘크리트 시험체는 KS F 2403의 콘크리트 강도시험용 공시체 제작방법에 의하여 제작하였다. 시험체는 건축물에 일반적으로 적용되는 호칭강도 24MPa의 보통 콘크리트이며 잔골재는 세척사를, 굵은골재는 최대치수 20mm의 골재를 사용하였다.
성능/효과
- 2. Lithium silicate를 이용하여 제조한 Self–Cleaning 실리케이트계 콘크리트 표면보호제는 콘크리트 표층부로부터 내부로 침투하여 표층에 친수성을 부여하고, 내구성능의 저하가 예상되는 부위에 적용이 가능하다.
- ES시험체의 경우 공극률은 다른 시험체에 비해 높았지만 0.01㎛이하의 공극이 높게 나타났고 공극의 분포도 0.01㎛ 이하의 공극에서 가장 많이 분포하여 조직이 치밀한 것을 확인할 수 있었다. 이와 같은 결과는 육안 관찰이나 미세조직 관찰에서도 보이는 결과이며, FE-SEM에 의해 표면을 100,000배 확대한 사진에서도 가장 치밀한 표면층을 형성하고 있는 것을 확인할 수 있었다.
- HP계 시험체의 경우 종류에 상관없이 10㎛ 전후에서 공극의 분포가 가장 높게 나타났다. 그 중 Lithium silicate의 비율이 가장 낮은 HP-1이 10㎛ 전후의 공극이나 누적공극률도 가장 낮았다. 하지만 전체적으로 HP계 시험체의 경우 누적공극률이나 공극구조의 분포에서 유사한 경향을 가지고 있는 것을 확인할 수 있었다.
- 하지만 원활한 접촉각 측정을 위해 표면처리를 한 것이므로 실제의 콘크리트에 적용하는 경우 측정값보다는 높은 값을 나타낼 것으로 예상된다. 또한 ES 및 TE 시험체의 경우가 HP 시험체 보다는 높은 값을 보였고 특히 TE 시험체가 높았다. 이는 콘크리트 표층부에의 함침제 적층의 유무에 따른 것으로 ES나 HP 시험체의경우 주 성분인 실리케이트가 표층부에 박막형태의 기능성 막을 형성하여 강도가 낮아지는 것에 기인하는 결과이다.
- 이러한 결과로부터 도시에서의 자동차 분진에 의한 유성 오염원이 상당 수 임을 감안할 경우 실제 적용에 있어서도 효과를 볼 수 있을 것으로 판단된다. 또한 폭로시험 결과에서도 TE 및 HP의 일부 시험체에서 성능을 확인할 수 있었다. 방오성능은 기존의 표면보호제에 기능성을 부여한 것으로 콘크리트 구조물에 적용될 경우 오염원의 자기세정이 가능할 것으로 판단된다.
- HP계 시험체의 경우 모두 30° 이하의 친수성 표면을 형성하였다. 또한 표면접촉각은 초기에 급격하게 감소하고 서서히 접촉각이 감소하는 특성을 보였다. 모르타르 바탕면에서 Plain 시험체에 비해 현저하게 감소폭이 크며 시간이 변화에 따라 접촉각의 변화도 크다.
- 6에 나타내었다. 모르타르 바탕면에서의 접착강도는 ES 및 TE시험체가 HP 시험체 보다는 약간 높게 나타나는 경향을 보였다. 모르타르 바탕면의 HP-1시험체는 다른 시험체와 비교하여 접착강도가 작아 KS F 4918(규산질계 분말형 도포방수재)에서 규정하고 있는 1.
- 모르타르 바탕면에서의 접착강도는 ES 및 TE시험체가 HP 시험체 보다는 약간 높게 나타나는 경향을 보였다. 모르타르 바탕면의 HP-1시험체는 다른 시험체와 비교하여 접착강도가 작아 KS F 4918(규산질계 분말형 도포방수재)에서 규정하고 있는 1.0 MPa 보다 낮은 강도를 보였다. 이는 HP-1 시험체가 Lithium silicate의 함량이 적고 반응성이 낮은 Silica solution의 함량이 높았기 때문이다.
- 5에 나타내었다. 유성 오염원의 제거는 HP계 시험체가 가장 우수하였으며 다른 시험체의 경우 비에 의한 오염원 제거효과는 미미하였다. 이러한 결과로부터 도시에서의 자동차 분진에 의한 유성 오염원이 상당 수 임을 감안할 경우 실제 적용에 있어서도 효과를 볼 수 있을 것으로 판단된다.
- 01㎛ 이하의 공극에서 가장 많이 분포하여 조직이 치밀한 것을 확인할 수 있었다. 이와 같은 결과는 육안 관찰이나 미세조직 관찰에서도 보이는 결과이며, FE-SEM에 의해 표면을 100,000배 확대한 사진에서도 가장 치밀한 표면층을 형성하고 있는 것을 확인할 수 있었다. TE 시험체의 경우 박막을 형성하지 못하여 공극구조를 파악할 수 없었다.
- 9에 나타내었다. 조직관찰 결과로서 실리카 층의 형성과 nm 크기의 실리카를 확인할 수 있었다. 경화된 콘크리트를 구성하는 C-S-H 및 Ca(OH)2의 간극 크기는 약 1nm 및 1um이며, 경화된 콘크리트의 가장 작은 공극인 모세관공극도 0.
- 그 중 Lithium silicate의 비율이 가장 낮은 HP-1이 10㎛ 전후의 공극이나 누적공극률도 가장 낮았다. 하지만 전체적으로 HP계 시험체의 경우 누적공극률이나 공극구조의 분포에서 유사한 경향을 가지고 있는 것을 확인할 수 있었다.
후속연구
- 3. 표면보호와 친수성을 부여하여 Self-Cleaning 효과를 높이기 위해서는 접착강도나 내구성능의 개선이 필요하며 침투깊이를 고려한 도포방법에 대한 검토가 필요하다.
- 특히 고가의 소재로 광범위한 적용을 위해서는 경제성이 떨어지는 단점을 가지고 있다. 그러므로 광촉매인 TiO2와 동등 혹은 그 이상의 성능을 가지며, 또한 경제성 있는 Silicate 계열의 콘크리트 표면보호제를 개발할 수 있다면 매우 효율적일 것이다. 이를 위한 하나의 방편으로 콘크리트 구조물과 유사한 성분을 지닌 무기계인 알칼리실리케이트 계열을 고려해야 한다.
- 방오성능은 기존의 표면보호제에 기능성을 부여한 것으로 콘크리트 구조물에 적용될 경우 오염원의 자기세정이 가능할 것으로 판단된다. 또한 침투깊이에 따른 구체강화 효과나 내구성능 등의 항목과 현장적용성에 대한 검토도 추후 고려해야 한다.
- 유성 오염원의 제거는 HP계 시험체가 가장 우수하였으며 다른 시험체의 경우 비에 의한 오염원 제거효과는 미미하였다. 이러한 결과로부터 도시에서의 자동차 분진에 의한 유성 오염원이 상당 수 임을 감안할 경우 실제 적용에 있어서도 효과를 볼 수 있을 것으로 판단된다. 또한 폭로시험 결과에서도 TE 및 HP의 일부 시험체에서 성능을 확인할 수 있었다.
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