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문제 정의
- 이에 본 연구에서는 친환경블록(잔디블록, 세굴방지블록, 식생호안블록, 자연석형 식생축조블록, 식생축조블록)을 대상으로 역학적 특성과 함께 방오성능, 수질정화 , 어독성시험 및 항균시험 등 환경부하저감을 위해 일라이트와 이산화티탄과 같은 기능성 혼화재를 활용한 콘크리트 블록의 수질환경 개선을 위한 실험연구 를 진행하여 시멘트 독성, 높은 pH를 저감시키고 수질정화 뿐 아니라 다양한 기능성을 가지는 환경 친화적인 호안블록개발을 위한 기초적 자료를 제시하고자 한다.
제안 방법
- “일라이트와 이산화티탄을 활용한 콘크리트 블록의 수질환경개선을 위한 실험연구”를 진행하기 위해 모르타르 예비실험, 방오실험 및 콘크리트 블록 제조 후 관련콘크리트 호안 및 옹벽블록 기준에 준한 실험, 수질정화실험, 어독성실험, 항균실험을 진행한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 국립환경과학원 고시 제 2013-02호(2013-01-09) “화학물질유해성 시험연구가관의 지정 등에 관한 규정”에 준하여 진행한 어독성 시험의 측정방법은 가로(300 mm) * 세로(300 mm)* 높이(300 mm)의 수조에 물을 채워 7일간 안정화 시킨 뒤 일라이트 적용 제품과 기존 콘크리트 제품을 분쇄하여 분말형태의 시료를 각각200 g 씩 넣고 30분 단위로 3회 물을 썩어 혼합한 후 침전이 완료된 수조에 어류 6마리씩 넣고 1시간, 2시간, 3시간, 4시간, 5시간, 24시간, 48시간, 72시간, 96시간, 120시간 동안 노출시켜 시간별 치사과정(Photo 7)을 조사한 결과는 다음과 같다.
- 기존문헌 고찰결과 일라이트 치환율은 유동성을 감안하면 최대 치환율은 6%, 강도저하 감소를 고려한다면 최대 치환율은 9%이하로 판단하고 있음에 따라 본 연구에서는 제품화 및 실용화를 목적으로 최대 치환율은 5%로 고정하여 연구를 진행하였다. 또한 이산화티탄과 일라이트의 경우 1:1 비율로 사전 혼합하여 시험체를 제작하였다(Photo 2 참조).
- 또한 우수정화실험을 위해 “수질오염 공정시험기준 환경부 고시 2016-65”에 준하여 이온크로마토그래피 분석을 진행하였으며, 콘크리트 블록의 항균테스트 및 어독성 테스트를 통해 “일라이트와 이산화티탄을 활용한 콘크리트 블록의 수질 환경개선을 위한 실험연구”를 진행하였다(Photos 4,5 참조).
- 또한 콘크리트 블록은 현재 판매중인 업체의 동일 배합인 Table 1에 준하여 일라이트와 이산화티탄을 사전 혼합 후 5% 치환하여 제작하였으며, 양생은 콘크리트 호안 및 옹벽블록의 표준에 준하여 최고 온도 65℃이하의 조건에서 적산온도 500℃까지 실내양생 후 옥외에 7일간 기건 양생하여 제작하였으며, 그 형태 및 타입은 Photo 3과 같다.
- 이에 OPC, 일라이트 5%치환, 일라이트+이산화티탄 5%치환의 3가지 조건으로 모르타르의 역학적 특성 및 방오성능을 고찰하였으며, 일라이트와 이산화티탄 혼합 치환하여 잔디블록, 식생축조블록, 식생호안블록, 자연석형 식생축조블록, 하상보호세굴방지블록의 5종의 콘크리트 블록 제조 후 콘크리트 호안 및 옹벽블록의 기준(SPS-KCIC 0001-0703:2015)에 준하여 실험결과를 도출하였다(Table 2 : SPS-KCIC 0001-0703:2015).
- 블록의 주요 설치 장소는 일반적으로 바닥과 도로주변에 위치하게 됨에 따라 자동차 배기가스 등에 노출이 쉬울 것으로 예상된다. 이에 본 연구에서는 OPC배합, 일라이트 치환율 3%, 일라이트와 이산화티탄 혼합치환 5%, 일라이트 및 티탄 혼합 5%를 표면에 도포한 4가지 조건을 대상으로 디젤자동차의 배기가스에 강제 노출하여 시간경과에 따른 오염물질 저감특성을 관찰하였으며, 실험의 오차를 감안하여 각조건 당2개의 시편으로 테스트를 진행하였다.
- 이에 이러한 가설을 검증하기 위한 모르타르 역학적 실험 및 방오성능 실험을 진행하며, 이러한 결과를 바탕으로 콘크리트 블록을 제작하여 콘크리트 호안 및 옹벽블록 기준에 준하여 실험결과를 도출하고 우수정화실험을 위해 이온크로마토그래피 분석을 진행하였으며, 어독성 실험 및 항균실험을 진행하여 장기적인 수질환경부하 저감에 관한 평가를 진행하였다.
성능/효과
- 1) 모르타르 유동특성 고찰결과 OPC, 이산화티탄과 일라이트를 사전 혼합 치환한 조건, 일라이트 조건의 순으로 측정되었으나, 전 조건에서 OPC대비 10%이하의 유동성 감소가 관찰되었다.
- 1종에 해당하는 잔디블록, 식생축조블록, 식생호안블록, 자연석형 식생축조블록과 2종에 해당하는 하상보호 세굴방지블록을 대상으로 일라이트 및 이산화티탄 사전 혼합 후 5% 치환하여 제작한 결과 전 조건에서 시험기준치의 겉모양, 치수 및 압축강도를 상회하는 것으로 측정 되었으며, 다공질구조의 일라이트 치환에 따른 흡수율 증가가 문제점으로 예상되었으나, 이산화티탄과 사전 혼합하여 치환함으로써 일라이트의 대형 공극 내 이산화티탄이 정착함에 따라 흡수율 또한 문제가 없는 것으로 관찰되었다.
- 2) 재령 3일 7일의 초기강도에서는 OPC가 우수한 것으로 측정되었으나, 재령 28일의 경우 치환한 전 조건에서 OPC를 상회하는 것으로 측정되었다.
- 3) 방오실험 관찰결과 이산화티탄과 일라이트를 표면처리한 조건에서 가장 우수한 저감특성이 관찰되었으며, 이산화티탄의 친수성 및 박막특성으로 인해 배기가스가 표면에 흡착되지 못하고 떠있는 현상이 관찰됨에 따라 세척 및 유지관리성이 우수할 것으로 판단된다.
- 4) 콘크리트 블록의 성능평가 결과 전 조건에서 시험기준치의 압축강도를 상회하는 것으로 측정되었으며, 다공질구조의 일라이트 치환에 따른 흡수율 증가가 문제점으로 예상되었으나, 이산화티탄과 사전 혼합하여 치환함으로써 일라이트의 대형 공극내 이산화티탄이 정착함에 따라 흡수율 또한 문제가 없는 것으로 관찰되었다.
- 5) 수질정화 고찰결과 일라이트와 이산화티탄을 치환하지 않은 OPC 대비 불소, 염소이온, 질산성질소, 황산이온 등의 함유량이 기존제품에 비하여 최소 43%에서 최대 78%까지 크게 저감된 것으로 관찰되었다.
- 6) 어독성 시험결과 Blank, 일라이트 및 이산화티탄 적용 콘크리트 블록, 기존 콘크리트 블록의 순으로 측정되었으며, 일라이트 적용 콘크리트 블록의 경우 기존 블록 대비 확연한 성능이 관찰되어 우수정화 실험결과와 같이 일라이트는 수질정화 및 환경보호에 우수할 것으로 판단된다.
- 7) 항균시험결과 대장균, 녹농균, 황색포도상구균, 폐렴균의 24시간 동안 세균감소율을 측정한 결과 전 조건에서 99.9%의 세균감소율이 관찰되었다.
- 관찰결과 일라이트와 이산화티탄을 치환하지 않은 OPC 대비 불소, 염소이온, 질산성질소, 황산이온 등의 함유량이 기존 제품에 비하여 최소 43%에서 최대 78%까지 크게 저감된 것으로 관찰되었다.
- 따라서 옥외에 거치되는 블록의 특성상 다양한 오염물질의 번식을 억제할 수 있어 방오 및 유지관리성이 우수할 것으로 판단된다.
- 또한 일라이트 단독 치환 조건대비 일라이트와 이산화티탄의 사전 혼합 치환한 조건에서 우수한 유동성이 관찰되었으며, 특히 분말도가 높은 이산화티탄을 포함한 조건에서 유동성이 좋은 것으로 관찰됨에 따라 일라이트내에 이산화티탄이 자리함에 따른 공극감소에 기인한 것으로 예측된다.
- 방오실험 관찰 결과 이산화티탄과 일라이트를 표면처리 한 조건에서 가장 우수한 저감특성이 관찰되었으며, 이산화티탄의 친수성 및 박막특성으로 인해 배기가스가 표면에 흡착되지 못하고 떠있는 현상이 관찰됨에 따라 세척 및 유지관리성이 우수할 것으로 판단된다(Table 3, Fig. 3, Photo 6 참조).
- 시료량 4 g, 온도 37.0± 0.1, 상대습도 32.5± 0.2%의 환경 하에서 대장균(Escherichia coli ATCC 25922), 녹농균(Pseudomonas aeruginosa ATCC 15442) 황색포도상구균(Staphylococcusaureus ATCC 6538), 폐렴균(Klebsiella pneumoniae ATCC 4352)을대상으로 24시간 동안 세균감소율을 측정한 결과 전 조건 에서 99.9%의 세균감소율이 관찰되었다(Table 11 및 Photo 8참조).
- 어독성 시험결과 Table 9와 같이 Blank, 일라이트 및 이산화티탄 적용 콘크리트 블록, 기존 콘크리트 블록의 순으로 측정되었으며, 기존 콘크리트 제품에서 24시간 100% 치사율, 일라이트 적용 제품에서 120시간 17% 치사율, Blank에서 120 시간 8.5% 치사율로 일라이트 적용 콘크리트 블록의 경우 기존 블록 대비 확연한 성능이 관찰되어 우수정화 실험결과와 같이 일라이트는 수질정화 및 환경보호에 우수할 것으로 판단된다.
- 일라이트 단독 및 일라이트와 이산화티탄 혼합 치환한 모르타르의 역학적 특성고찰결과 Fig. 2와 같이 재령 3일 7일의 초기강도에서는 OPC가 우수한 것으로 측정되었으나, 재령 28일의 경우 치환한 전 조건에서 OPC를 상회하는 것으로 측정되었다.
- 일라이트와 이산화티탄의 사전 혼합치환 시 강도 및 유동성 저하를 감소시킬 수 있을지 여부를 관찰하기 위해 진행한 모르타르 실험결과, Fig. 1과 같이 OPC대비비 다소 낮은 것으로 측정되었으나, 전 조건에서 10%이하의 저하가 관찰되었다.
후속연구
- 이상의 결과에서 일라이트와 이산화티탄의 사전혼합 후 치환은 일라이트의 대형공극감소로 인한 유동성 및 압축강도감소를 저감할 수 있을 것으로 예측되며, 이산화티탄의 표면반응을 극대화함으로써 방오성능, 수질정화특성, 어독성, 향균성능 등 다양한 기능성을 부가할 수 있을 것으로 판단된다.
- 일라이트와 이산화티탄을 활용한 콘크리트 블록의 수질환경개선을 위한 실험연구를 진행하기 위해 다량의 공극을 포함한 일라이트 치환 시 유동성감소가 발생하며, 일라이트와 이산화티탄의 혼합 치환 시 유동성 및 강도 감소가 저감되는 여부가 선결되어야 할 것으로 사료된다.
- 특히 일라이트와 이산화티탄의 혼합치환여부와 관계없이 전 조건에서 시간이 경과함에 따라 전 이온 함유량이 증가됨이 관찰되었는데 이는 시멘트 내에 잔류되어 있던 성분이 우수에 의해 용해되어 발생한 것으로 지면에 바로 설치되거나 강가 해안가에 설치되는 블록의 특성상 지하수 및 강물의 오염이 예상되며, 본 기술의 적용 시 확연한 저감효과가 관찰되나, 일정이상의 이온이 관찰됨에 따라 제조 후 수중양생 등 별도의 조취가 필요할 것으로 판단된다.
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