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문제 정의
- 본 연구는 Self-cleaning의 기능성 가진 함침제를 도포한 타일 및 콘크리트 표층부의 개질 특성을 알아보기 위한 연구로 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
- 본 연구에서는 Self-cleaning이 가능한 침투성 함침제를 제조하고 제조된 침투성 함침제를 적용하기 위해 타일 및 콘크리트 표층부의 개질 특성에 대해 비교하였다.
제안 방법
- 자기세정 성능의 평가는 유성 오염원에 대해 표면을 오염시킨 후 살수하여 오염원의 제거정도에 따라 성능을 평가하는 간이 시험법 및 외부 폭로에 의한 시험체 표면 오염 정도의 상태 변화를 통해 평가하였다. Self-cleaning 성능의 평가는 상대적 비교가 수월한 타일 및 모르타르 시험체를 선택하여 실시하였다. 모르타르 시험체는 배합조건이나 강도에 따라 다르지만 약 6~20%의 공극을 가지고 있기 때문에 표면에 물이 닿으면 내부로 흡수되어 측정할 수 없는 것이 일반적이다.
- Self-cleaning 침투성 함침제를 적용한 시험체의 표면특성은 접촉각 측정기를 사용하여 측정하였다. 자기 세정 성능은 정적 접촉각을 측정하고 시간의 경과에 따른 접촉각 특성을 비교하여 평가하였다.
- 콘크리트 침투성 함침제의 공극 특성은 수은압입법에 의한 포로시미터를 이용하여 측정하였다. 공극 특성은 침투성 함침제 자체가 경화된 도막의 공극 측정과 콘크리트 내부로 침투시켜 반응한 상태의 공극을 측정하여 비교하였다. 공극구조의 측정은 침투성 함침제가 도포된 시험체를 다이아몬드 커터를 이용하여 5mm의 입방체로 절단하여 건조시켜 측정하였다.
- 공극 특성은 침투성 함침제 자체가 경화된 도막의 공극 측정과 콘크리트 내부로 침투시켜 반응한 상태의 공극을 측정하여 비교하였다. 공극구조의 측정은 침투성 함침제가 도포된 시험체를 다이아몬드 커터를 이용하여 5mm의 입방체로 절단하여 건조시켜 측정하였다. 또한 FE-SEM을 이용하며 침투성 함침제가 도포된 표면의 미세구조 특성을 관찰하였다.
- 공극구조의 측정은 침투성 함침제가 도포된 시험체를 다이아몬드 커터를 이용하여 5mm의 입방체로 절단하여 건조시켜 측정하였다. 또한 FE-SEM을 이용하며 침투성 함침제가 도포된 표면의 미세구조 특성을 관찰하였다.
- 부착성능 평가는 타일 및 모르타르 시험체에 대해 평가하였다. 타일 시험체는 타일 표면에 침투성 함침제를 도포한 후 접착강도를 측정하였다.
- Self-cleaning 침투성 함침제를 적용한 시험체의 표면특성은 접촉각 측정기를 사용하여 측정하였다. 자기 세정 성능은 정적 접촉각을 측정하고 시간의 경과에 따른 접촉각 특성을 비교하여 평가하였다. 접촉각 측정은 표면의 단원자층의 변화도를 정밀하게 측정할 수 있고, 분석방법이 단순하고, 짧은 시간에 원하는 정보를 재현성을 갖고 얻어 낼 수 있는 특징이 있다.
- 접촉각은 약 20초간 1초 간격으로 측정하였다. 자기세정 성능의 평가는 유성 오염원에 대해 표면을 오염시킨 후 살수하여 오염원의 제거정도에 따라 성능을 평가하는 간이 시험법 및 외부 폭로에 의한 시험체 표면 오염 정도의 상태 변화를 통해 평가하였다. Self-cleaning 성능의 평가는 상대적 비교가 수월한 타일 및 모르타르 시험체를 선택하여 실시하였다.
- 침투성 함침제 도포 후 다이아몬드 커터를 이용하여 40×40×10mm로 잘라 강재형틀에 접착하여 인장 접착강도를 측정하였다.
- 부착성능 평가는 타일 및 모르타르 시험체에 대해 평가하였다. 타일 시험체는 타일 표면에 침투성 함침제를 도포한 후 접착강도를 측정하였다. 모르타르 시험체는 그림 2와 같이 모르타르 바탕체를 제작하여 측정하였으며 크기는 200×160×50mm이며 형상은 그림 2와 같다.
- 모르타르 시험체는 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 함침제의 표면특성을 평가하기 위해 시험체의 표면을 다시 시멘트페이스트로 공극을 메우는 바탕처리를 한 후 측정하였다.
대상 데이터
- 모르타르 시험체는 그림 2와 같이 모르타르 바탕체를 제작하여 측정하였으며 크기는 200×160×50mm이며 형상은 그림 2와 같다.
- Self-cleaning 침투성 함침제의 특성을 측정하기 위한 콘크리트 바탕이 되는 콘크리트 시험체는 KS F2403의 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.
- 에칠실리케이트는 S사의 시판되는 제품을 가수분해 90%에 적합하도록 에탄올과 염산을 첨가하여 제작하였고, 리튬실리케이트나 실리카졸, TiO2는 시판품을 사용하였다. 본 실험의 Self-cleaning 침투성 함침제를 제조하기 위한 원료의 구성은 표 1, 표 2, 표 3, 표 4와 같다.
이론/모형
- Self-cleaning 침투성 함침제의 특성을 측정하기 위한 콘크리트 바탕이 되는 콘크리트 시험체는 KS F2403의 콘크리트 강도시험용 공시체 제작방법에 의하여 제작하였다. 시험체는 건축물에 일반적으로 적용되는 호칭강도 24MPa의 보통 콘크리트이며 잔골재는 세척사를, 굵은골재는 최대치수 20mm의 골재를 사용하였다.
- 콘크리트 침투성 함침제의 공극 특성은 수은압입법에 의한 포로시미터를 이용하여 측정하였다. 공극 특성은 침투성 함침제 자체가 경화된 도막의 공극 측정과 콘크리트 내부로 침투시켜 반응한 상태의 공극을 측정하여 비교하였다.
성능/효과
- (2) 리튬실리케이트를 이용하여 제조한 HP계 침투성 함침제는 30°이하의 접촉각을 보여 친수성 표면을 형성하였고 작업성능이 우수하다.
- (4) Self-cleaning 콘크리트 침투성 함침제는 콘크리트 표층부로부터 내부로 침투하여 내구성능의 저하가 예상되는 부위의 강화 등 성능회복을 목적으로 이용이 가능하다.
- 침투성 함침제 박막의 공극구조는 함침제의 종류에 따라 다른 특성을 보였다. ES 시험체의 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 볼 수 있는 결과이며, FE-SEM에 의해 표면을 100,000배 확대한 사진에서도 가장 치밀한 표면층을 형성하고 있는 것을 확인할 수 있었다.
- ES 시험체의 경우 축·중합과 알킬기에 의해 소수성을 나타내며 표면이 강건하고 매끄러워 뛰어난 발수성을 보였다.
- 타일 보다는 모르타르에서 접착강도가 높게 나타났고 ES 및 TE 시험체가 HP 시험체 보다는 약간 높게 나타나는 경향을 보였다. HP 시험체를 타일 바탕에 적용한 경우 약 0.5MPa 정도의 거의 유사한 결과를 보였으며 또한, 모르타르 바탕의 HP-1 시험체는 다른 시험체 보다 접착강도가 작아 KS F 4918(규산질계 분말형 도포방수재)에서 규정하고 있는 1.0 MPa 보다 작은 결과를 보였다. 하지만 원활한 접촉각 측정을 위해 표면처리를 한 것이므로 실제의 콘크리트에 적용하는 경우 측정값보다는 높은 결과를 나타낼 것으로 예상된다.
- HP계 시험체의 경우 종류에 상관없이 10㎛ 전후에서 공극의 분포가 가장 높게 나타났다. 그 중 리튬 실리케이트의 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 수있었다.
- 하지만 원활한 접촉각 측정을 위해 표면처리를 한 것이므로 실제의 콘크리트에 적용하는 경우 측정값보다는 높은 결과를 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 시험체의 경우 주 성분인 실리케이트가 표층부에서 박막 형태의 기능성 막을 형성하여 강도가 낮아지는 것에 기인한다.
- 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 HP 시험체에서 성능을 확인할 수 있었다. Self-cleaning 성능은 기존의 침투성 함침제에 Self-cleaning의 기능성을 부여한 것으로 콘크리트 구조물에 적용될 경우 오염원의 제거가 가능할 것으로 판단된다.
- 이와 같은 결과는 콘크리트 내부의 공극 중 겔공극이나 모세관 공극에서의 변동은 없이 가장 큰 공극인 기포에서 공극의 변동이 있었으며 함침에 의해 콘크리트 내부를 침투하여 영향을 미친 것으로 판단할 수 있다. 또한, 침투성 함침제를 도포하더라도 내부의 공극을 완전히 충전하지 못하고 개기공의 형태로서 존재하는 것을 확인 할 수 있었다.
- HP계 시험체의 경우 바탕면에 관계없이 모두 30°이하의 친수성 표면을 형성하였다. 모르타르 시험체에서 Plain 시험체보다는 ES나 HP 시험체의 감소폭이 컸으며 친수화 정도에 따라 접촉각의 변화도 커졌다. 타일 시험체에서의 접촉각 변화는 모르타르 시험체 보다는 작았으며 이는 표면의 거칠기, 특성에 따라 다르게 나타난 결과로 바탕면의 영향을 받은 것이다.
- 01㎛ 이하의 공극에서 가장 많이 분포하여 조직이 치밀한 것을 확인할 수 있었다. 이와 같은 결과는 육안 관찰이나 미세조직 관찰에서도 볼 수 있는 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.
- FE-SEM에 의한 미세조직 관찰을 그림 10에 나타내었다. 조직관찰 결과로서 실리카 층의 형성과 nm 크기의 실리카를 확인할 수 있었다. 경화된 콘크리트를 구성하는 C-S-H 및 수산화칼슘의 간극 크기는 약 1nm 및 1um이며, 경화된 콘크리트의 가장 작은 공극인 모세관공극도 0.
- % 이었다. 침투성 함침제의 도포에 따라 공극률은 감소하였으며 특히 100㎛의 공극의 감소가 현저하였다. 100㎛의 공극은 혼화제의 의해 연행된 공극으로 기포로 분류된다.
- b에 3개월 폭로시험 결과를 그림 6에 나타내었다. 타일 및 모르타르 바탕면에 상관없이 유성 오염원의 제거는 HP계 시험체가 가장 우수하였으며 다른 시험체의 경우 오염원 제거 효과는 미미하였다. 이러한 결과로부터 도시에서의 자동차 분진에 의한 유성 오염원이 상당 수 임을 감안할 경우 실제 적용에 있어서도 효과를 볼 수 있을 것으로 판단된다.
- b에 나타내었다. 타일 보다는 모르타르에서 접착강도가 높게 나타났고 ES 및 TE 시험체가 HP 시험체 보다는 약간 높게 나타나는 경향을 보였다. HP 시험체를 타일 바탕에 적용한 경우 약 0.
후속연구
- Self-cleaning 성능은 기존의 침투성 함침제에 Self-cleaning의 기능성을 부여한 것으로 콘크리트 구조물에 적용될 경우 오염원의 제거가 가능할 것으로 판단된다. 또한 침투 깊이에 따른 구체강화 효과나 내구성능 등의 항목과 현장적용성에 대한 검토도 추후 고려해야 한다.
- 타일 및 모르타르 바탕면에 상관없이 유성 오염원의 제거는 HP계 시험체가 가장 우수하였으며 다른 시험체의 경우 오염원 제거 효과는 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 HP 시험체에서 성능을 확인할 수 있었다.
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