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문제 정의
- 본 연구는 TiO2를 활용한 표면 보호재의 개발을 위한 기초연구로서 Silicate 기반 표면함침제를 사용한 콘크리트의 역학적 성능 평가와 광촉매 흡착방식 선정을 다루고 있다. 광촉매 활용을 위한 실리케이트 기반 표면 침투제를 적용한 콘크리트의 성능을 통해 도출된 결론은 다음과 같다.
- 본 연구는 무기계 표면 침투제에 광촉매를 혼입하여 표면 보수와 유기물 정화를 동시에 구현하기 위한 기초연구이다. 이를 위해 두 가지 종류의 실리케이트 기반 표면 침투제를 고려하였으며, 역학적 변화를 분석하였다.
제안 방법
- 1. CS와 SC 두 종류를 대상으로 표면장력과 점도를 평가하였다. 원액 농도가 희석될수록 점도와 표면장력이 감소하였으며, SC 경우 Na2O, Al2O3, SiO2 및 xH2O 등의 화합물이 안정적인 구조를 갖추고 있어 결과 값이 상대적으로 CS 용액보다 낮게 나타났다.
- CS 및 SC 용액에 먼저 콘크리트를 함침시키고 이후 다양한 환경에서 광촉매 용액에 함침시킨 뒤의 강도 변화를 측정하였다. Table 8에서는 실리케이트 용액별 양생조건과 실험값의 결과를 나타낸 것이다.
- 본 시험에서는 설계 기준강도 24MPa의 콘크리트를 사용하였으며, CS(Coloidal Silica)와 SC(Sodium Alumina Silicate) 용액을 사용하여 함침을 수행하였다. 각 표면 보수 함침 용액에 대해서는 기본 성분과 점도 및 표면장력이 평가되었으며, 침투제의 부착성능이 평가되었다.
- 이후 광촉매 적용 방식을 함침 및 분무로 분류하여 실험을 수행하였으며, 최적의 시공방법을 도출하였다. 또한 SEM 측정을 통하여 변화된 실리케이트 표면 조직의 변화를 분석하였다.
- CS 및 SC에 대해서는 50% 희석한 CS15와 SC17 시리즈를 대상으로 하였다. 또한 강도는 광촉매 분무 후 1일 경과한 28일, 분무후 1주일 및 2주일이 경과한 35일과 42일에 대하여 강도를 평가하였다. 즉 1일 경과 시편은 27일 수중양생을, 1주 및 2주 시편은 28일 수중 양생을 한 후 광촉매 분무 후 각 1주, 2주의 기건 양생을 갖은 시편이다.
- 실리케이트 용액과 광촉매 용액의 연속적인 함침으로 인한 재료 손상을 방지하기 위해 같은 방식으로 실리케이트 침지 후 광촉매를 분무하여 강도를 평가하였다. 분무는 재령 27일에 CS 및 SC 용액에 함침한 뒤 표면 건조 후 바로 TiO2 용액을 분무하였는데, 수동식 분무기를 사용하여 표면이 충분히 습윤 상태에 이를 때까지 10~15초간 분무하였다.
- 실리케이트 용액과 광촉매 용액의 연속적인 함침으로 인한 재료 손상을 방지하기 위해 같은 방식으로 실리케이트 침지 후 광촉매를 분무하여 강도를 평가하였다. 분무는 재령 27일에 CS 및 SC 용액에 함침한 뒤 표면 건조 후 바로 TiO2 용액을 분무하였는데, 수동식 분무기를 사용하여 표면이 충분히 습윤 상태에 이를 때까지 10~15초간 분무하였다.
- 원액, 50%, 25% 수준으로 희석한 실리케이트 액을 1회 30초 침지하여 표면을 강화하였으며, 이후 부착력을 평가하였다. 압축강도에 대해서는 콘크리트를 4주간 기건 양생한 뒤, CS 및 SC 용액을 3가지 농도로 변화하여 함침하였다. 이후 KS F 2405에 의거하여 압축강도를 평가하였다.
- 기건 양생 4주를 거친 콘크리트에 대하여 부착강도를 KS M ISO 4624 및 KS F 4715를 참고하여 실험을 수행하였다. 원액, 50%, 25% 수준으로 희석한 실리케이트 액을 1회 30초 침지하여 표면을 강화하였으며, 이후 부착력을 평가하였다. 압축강도에 대해서는 콘크리트를 4주간 기건 양생한 뒤, CS 및 SC 용액을 3가지 농도로 변화하여 함침하였다.
- 본 연구는 무기계 표면 침투제에 광촉매를 혼입하여 표면 보수와 유기물 정화를 동시에 구현하기 위한 기초연구이다. 이를 위해 두 가지 종류의 실리케이트 기반 표면 침투제를 고려하였으며, 역학적 변화를 분석하였다. 이후 광촉매 적용 방식을 함침 및 분무로 분류하여 실험을 수행하였으며, 최적의 시공방법을 도출하였다.
- 이를 위해 두 가지 종류의 실리케이트 기반 표면 침투제를 고려하였으며, 역학적 변화를 분석하였다. 이후 광촉매 적용 방식을 함침 및 분무로 분류하여 실험을 수행하였으며, 최적의 시공방법을 도출하였다. 또한 SEM 측정을 통하여 변화된 실리케이트 표면 조직의 변화를 분석하였다.
- 준비된 실리케이트 용액에 대하여 원액, 50%, 25% 수준으로 구분하여 점도 및 표면장력을 평가하였다. 본 시험에서는 실리케이트 침투제 용액별 점도 및 표면장력 시험을 각각 KS A 0531 및 KS A 2709의 시험 기준을 참고하여 수행하였으며 실험 시 사용된 장비는 Fig.
대상 데이터
- 24MPa의 배합강도를 가지는 콘크리트 배합은 Table 1에 나타내었으며 슬럼프 80mm, 공기량 5.0%를 가진 콘크리트를 사용하였다. 또한 사용된 골재 및 고성능 감수제의 특성은 Table 2 및 3에 각각 나타내었다.
- CS 및 SC에 대해서는 50% 희석한 CS15와 SC17 시리즈를 대상으로 하였다. 또한 강도는 광촉매 분무 후 1일 경과한 28일, 분무후 1주일 및 2주일이 경과한 35일과 42일에 대하여 강도를 평가하였다.
- 또한 Table 5에서는 현탁 상태의 광촉매 특성을 나타내고 있다. 광촉매는 국내 T사의 제품으로 광합성과 반응성이 양호한 고활성 Anatase를 선택하였다.
- 본 시험에서는 설계 기준강도 24MPa의 콘크리트를 사용하였으며, CS(Coloidal Silica)와 SC(Sodium Alumina Silicate) 용액을 사용하여 함침을 수행하였다. 각 표면 보수 함침 용액에 대해서는 기본 성분과 점도 및 표면장력이 평가되었으며, 침투제의 부착성능이 평가되었다.
- 콘크리트 구체의 공극구조는 1mm 이상의 공극 수, μm의 모세관 공극, 그리고 nm 크기의 겔 공극으로 구분된다.
이론/모형
- 기건 양생 4주를 거친 콘크리트에 대하여 부착강도를 KS M ISO 4624 및 KS F 4715를 참고하여 실험을 수행하였다. 원액, 50%, 25% 수준으로 희석한 실리케이트 액을 1회 30초 침지하여 표면을 강화하였으며, 이후 부착력을 평가하였다.
- 준비된 실리케이트 용액에 대하여 원액, 50%, 25% 수준으로 구분하여 점도 및 표면장력을 평가하였다. 본 시험에서는 실리케이트 침투제 용액별 점도 및 표면장력 시험을 각각 KS A 0531 및 KS A 2709의 시험 기준을 참고하여 수행하였으며 실험 시 사용된 장비는 Fig. 1과 같다.
- 압축강도에 대해서는 콘크리트를 4주간 기건 양생한 뒤, CS 및 SC 용액을 3가지 농도로 변화하여 함침하였다. 이후 KS F 2405에 의거하여 압축강도를 평가하였다. 압축강도에 대해서는 광촉매 용액에 침지와 분무를 달리하여 최적의 함침 조건을 도출하였다.
성능/효과
- 2. CS 및 SC의 농도별 부착강도 변화에서는 실리케이트 농도가 클수록 부착강도가 증가하였는데, 최대 6.3~12.5%로 평가되었다. 실리케이트 함침 및 광촉매 도포에 따른 강도 증진 효과에서는 CS에서는 1회 5분 침지 후 광촉매를 1회 10초 침지하였을 때, 18.
- 3. 광촉매의 표면 접착방식에 대한 실험을 통하여 실리케이트 용액에 침지 후 30분의 표면건조를 하여 충분한 Si의 침투를 시킨 뒤, 광촉매를 분무하는 것이 콘크리트 표면 개질과 광촉매 흡착에 효과적인 것으로 조사되었다. 광촉매에 1회 또는 2회 침지하는 경우에는 표면의 SEM 사진으로 조악해지는 것을 확인할 수 있는데, 실리케이트의 침투와 안정화가 되기 이전에 광촉매화합물의 침투가 발생하기 때문이다.
- SEM을 이용하여 표면의 수화물의 성상을 확인하면, 조밀한 구조로 콘크리트 표면이 효과적으로 개선되었음을 알 수 있다. Table 8의 광촉매 2회 함침을 통하여 표면이 열화된 경우와 비교 하면 뚜렷하게 조악한 표면이 개선됨을 알 수 있다.
- 06% 증가를 나타내었다. 고광촉매 분무방식을 택하였을 때는 2주 경과 후 CS에서는 24.65%를, SC에서는 23.87%의 증가를 나타내었다.
- 두 가지 실리케이트 용액 모두 기준인 도로공사 기준인 1.5MPa 및 KS 품질기준인 1.0MPa를 초과하였으며, 원액(희석전)을 사용하였을 때, 가장 높은 부착강도를 나타내었다. 부착강도의 시험결과는 Table 7에 나타내었다.
- 9MPa로 증가하였다. 모든 경우 실리 케이트 용액에 함침 후 30분 건조과정을 거친 뒤, 광촉매 분사의 경우에서 가장 큰 강도 증가를 나타내었다.
- 부착강도 평가 결과 SC의 경우 Si-농도가 높으며 점도와 표면 장력이 낮아서 CS보다 약간 높은 부착강도의 증가가 평가되었다.
- 5%로 평가되었다. 실리케이트 함침 및 광촉매 도포에 따른 강도 증진 효과에서는 CS에서는 1회 5분 침지 후 광촉매를 1회 10초 침지하였을 때, 18.8%의 증가를, SC에서는 1회 10초 침지 후 광촉매를 1회 10초 침지하였을 때, 12.06% 증가를 나타내었다. 고광촉매 분무방식을 택하였을 때는 2주 경과 후 CS에서는 24.
- 원액 농도가 희석될수록 점도와 표면장력이 감소하였으며, SC 경우 Na2O, Al2O3, SiO2 및 xH2O 등의 화합물이 안정적인 구조를 갖추고 있어 결과 값이 상대적으로 CS 용액보다 낮게 나타났다.
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