콘크리트는 장기간 사용환경에 노출되면서 다양한 표면열화과정을 거친다. 실리케이트 기반 함침제는 콘크리트 표면에 적용되어 불용성 수화물을 형성하는데, 이 과정에서 다양한 공학적 장점을 기대할 수 있다. 본 연구는 분산형 실리케이트를 사용하여 표면의 내구성능을 강화하고 이후 광촉매를 분무함으로서 표면 함침된 콘크리트의 자기정화능력을 평가하는 것이다. 이를 위해 실리케이트 함침 콘크리트에 대하여 압축강도 뿐 아니라, 흡수성, 건조 수축, 염소이온저항성, 황산저항성, 동결융해 저항성 등과 같은 내구성 실험이 수행되었다. 또한 아세트 알데이드 및 메틸렌블루 반응 평가를 통하여 독성카스의 제거와 자기정화성능을 평가하였다. 실리케이트 함침 후 광촉매 도포를 함으로서 광촉매의 부착성을 확보할 수 있었으며, 콘크리트의 내구성 개선과 광촉매 고유의 정화성능을 유지할 수 있었다.
콘크리트는 장기간 사용환경에 노출되면서 다양한 표면열화과정을 거친다. 실리케이트 기반 함침제는 콘크리트 표면에 적용되어 불용성 수화물을 형성하는데, 이 과정에서 다양한 공학적 장점을 기대할 수 있다. 본 연구는 분산형 실리케이트를 사용하여 표면의 내구성능을 강화하고 이후 광촉매를 분무함으로서 표면 함침된 콘크리트의 자기정화능력을 평가하는 것이다. 이를 위해 실리케이트 함침 콘크리트에 대하여 압축강도 뿐 아니라, 흡수성, 건조 수축, 염소이온저항성, 황산저항성, 동결융해 저항성 등과 같은 내구성 실험이 수행되었다. 또한 아세트 알데이드 및 메틸렌블루 반응 평가를 통하여 독성카스의 제거와 자기정화성능을 평가하였다. 실리케이트 함침 후 광촉매 도포를 함으로서 광촉매의 부착성을 확보할 수 있었으며, 콘크리트의 내구성 개선과 광촉매 고유의 정화성능을 유지할 수 있었다.
Concrete undergoes various deterioration on surface. Impregnant with silicate is usually applied to concrete surface and forms insoluble hydrates, which can provide many engineering advantages. In the work, concrete impregnated with colloidal silicate is used for durability enhancement in surface an...
Concrete undergoes various deterioration on surface. Impregnant with silicate is usually applied to concrete surface and forms insoluble hydrates, which can provide many engineering advantages. In the work, concrete impregnated with colloidal silicate is used for durability enhancement in surface and self-clearing performance is evaluated with photocatalyst-$TiO_2$ spraying. For the work, various tests are performed both for strength evaluation and durability evaluation such as absorption ratio, drying shrinkage, chloride penetration, sulfate resistance, and freezing/ thawing action. Furthermore, removal and self-clearing performance are evaluated with Acetaldehyde decomposition and Methylene blue decolorization. Through silicate impregnation and photocatalyst spraying, the impregnated concrete can have not only durability enhance but also self-clearing performance.
Concrete undergoes various deterioration on surface. Impregnant with silicate is usually applied to concrete surface and forms insoluble hydrates, which can provide many engineering advantages. In the work, concrete impregnated with colloidal silicate is used for durability enhancement in surface and self-clearing performance is evaluated with photocatalyst-$TiO_2$ spraying. For the work, various tests are performed both for strength evaluation and durability evaluation such as absorption ratio, drying shrinkage, chloride penetration, sulfate resistance, and freezing/ thawing action. Furthermore, removal and self-clearing performance are evaluated with Acetaldehyde decomposition and Methylene blue decolorization. Through silicate impregnation and photocatalyst spraying, the impregnated concrete can have not only durability enhance but also self-clearing performance.
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문제 정의
3) 본 연구는 Silicate기반 함침제와 광촉매 도포를 통한 2단계 시공의 기초연구이다. 실리케이트 용액의 배합과 광촉매의 일체형 도포를 통하여 공기를 줄일 수 있으며, 최적 반응 밴드 갭(Band Gap) 및 TiO2농도 변화를 통하여 친환경성 영향을 확대할 수 있으리라고 판단된다.
본 연구에서는 단순한 광촉매 흡착이 아닌, 표면 보수에 주로 사용되는 구체 함침제를 이용하여 광촉매를 고정화하는 연구를 수행하였다. 이를 위해 실리케이트 반응을 하는 용액 (CS-Colloidal Silica)을 표면함침제로, 이산화티탄의 종류인 Anatase를 광촉매로 하여 표면 함침된 콘크리트의 역학적, 내구적 성능을 평하도록 한다.
본 절에서는 강도와 광촉매 분무 이후의 표면상태 변화를분석하도록 한다. OPC(기본), CS15(함침 후 광촉매 분무 안함), CS15-T00-C(함침 후 즉시 광촉매 분무), CS15-T30m-C (함침- 30분 기건 후 광촉매 분무)의 경우로 분류하여 강도 평가를 수행하였으며 그 결과를 Fig.
제안 방법
2) 활성화 광촉매인 Anatase를 표면에 분무하여 아세트알데이트 제거효과 및 메틸렌블루의 탈색효과를 평가하였다. 아세트알데이드는 1.
CS로 함침된 콘크리트에 대하여 상온에서 30초간 건조 시킨 뒤 광촉매를 10∼15초간 분무하여 강도를 평가하였으며, 이후 내흡수량, 건조 수축량, 염소이온 침투 저항성, 동결융해, 내약품성을 평가하였다.
본 절에서는 강도와 광촉매 분무 이후의 표면상태 변화를분석하도록 한다. OPC(기본), CS15(함침 후 광촉매 분무 안함), CS15-T00-C(함침 후 즉시 광촉매 분무), CS15-T30m-C (함침- 30분 기건 후 광촉매 분무)의 경우로 분류하여 강도 평가를 수행하였으며 그 결과를 Fig. 4에 나타내었다. Fig.
0 mW/cm2의 강도로 조사하기 위해 높이를 조절하였다. 또한 자외선 조사강도는 메틸렌블루 용액의 건조를 막기 위해 사용하는 피복필름과 덮개의 자외선 차단(흡수) 정도를 감안하여 시험편 표면에 도달하는 강도를 1.0 mW/cm2이 되도록 조절하였다.
CS로 함침된 콘크리트에 대하여 상온에서 30초간 건조 시킨 뒤 광촉매를 10∼15초간 분무하여 강도를 평가하였으며, 이후 내흡수량, 건조 수축량, 염소이온 침투 저항성, 동결융해, 내약품성을 평가하였다. 또한 제오성능으로는 아세트알데히드 제거율 및 메킬렌블루 탈색 여부를 평가하였다. Table 4에서는 관련 실험과 참고한 규격을 나타내고 있으며 주요 실험사진을 Fig.
이를 위해 실리케이트 반응을 하는 용액 (CS-Colloidal Silica)을 표면함침제로, 이산화티탄의 종류인 Anatase를 광촉매로 하여 표면 함침된 콘크리트의 역학적, 내구적 성능을 평하도록 한다. 또한 최종적으로 아세트알데이트 및 자기정화 성능을 평가하도록 하였다.
총 4개의 시험편과 시험가스를 넣은 가스백을 준비하였으며, 아세트알데이드의 초기농도와 암조건 시험농도를 구하였다. 또한, 명조건용 시험편과 시험가스를 넣은가스백 2개는 실온에서 2시간 동안 자외선을 조사(1.0 mW/cm2)하였다. 이후 가스농도를 2회 측정하고 그 평균값을명조건 시험농도로 하였다.
본 시험에 사용되는 시험편은 100×200 mm 크기로 2개(암조건용 1개, 명조건용 1개)를 각각 준비하여 3 시간 이상 자외선 조사장치를 사용하여 1.0 mW/cm2의 강도로 조사하기 위해 높이를 조절하였다.
본 연구에서는 광촉매의 고정화를 실리케이트 기반 용액으로 수행한 뒤 다양한 내구성 및 친환경 시험을 수행하였다. 광촉매-분산 실리카 함침 콘크리트의 내구성 및 정화성능 평가를 통한 결과는 다음과 같다.
본 절에서는 OPC-C 와 CS15-T30m-C 의 동결융해 시험을 나타내었다. 300 Cycle 동안의 상대 동탄성계수를 측정하여 내구성지수를 분석하였는데, 동탄성계수 비(DF: Durability Factor)는 식(4)과 같이 도출된다.
설계강도 24.0 MPa 콘크리트와 슬럼프 80mm, 공기량 5.0%를 가진 배합을 목표로 하여 콘크리트를 제조하였다. Table 1에서는 콘크리트의 배합표를, Table 2에서는 사용골재와 감수제의 특성을 나타내었다.
본 연구에서는 단순한 광촉매 흡착이 아닌, 표면 보수에 주로 사용되는 구체 함침제를 이용하여 광촉매를 고정화하는 연구를 수행하였다. 이를 위해 실리케이트 반응을 하는 용액 (CS-Colloidal Silica)을 표면함침제로, 이산화티탄의 종류인 Anatase를 광촉매로 하여 표면 함침된 콘크리트의 역학적, 내구적 성능을 평하도록 한다. 또한 최종적으로 아세트알데이트 및 자기정화 성능을 평가하도록 하였다.
0 mW/cm2)하였다. 이후 가스농도를 2회 측정하고 그 평균값을명조건 시험농도로 하였다. Fig.
시험에서 사용되는 가스의 제조는 가스백(Gas Bag)을 사용하여 아세트알데히드 표준가스(가스농도 약 6,000 vol ppm)를 보통 공기로 희석하여 80~100 vol ppm 농도로 만든 후 3L 용량을 제조하여 시험을 수행하였다. 총 4개의 시험편과 시험가스를 넣은 가스백을 준비하였으며, 아세트알데이드의 초기농도와 암조건 시험농도를 구하였다. 또한, 명조건용 시험편과 시험가스를 넣은가스백 2개는 실온에서 2시간 동안 자외선을 조사(1.
광촉매 표면 흡착을 위해 CS(Colloidal Silica)를 이용하였다. 콘크리트 시편을 제조 1일 후 탈형하였으며, 4주간 기건 양생하였다. 이후 CS 용액에 5분간 침지하였으며, 30분 건조 과정을 거친 뒤, 광촉매 용액을 10~15초간 분무하여 표면을 습윤상태로 하였다.
본 시험에서는 OPC 및 CS15-T-C을 대상으로 내약품성 시험을 실시하였다. 황산 5% 수용액에 총 30일 동안 침지하였으며, 중량변화율을 주기적으로 측정하였다. 중량 변화율(%)은 식(5)와 같이 평가된다.
대상 데이터
OPC-C 시험체는 42일 통과 전하량이 2508C가 측정되었으며, CS15-C 시험체의 통과 전하량은 2337, CS15-T00m-C 시험체는 2237C, CS15-T30m-C 시험체는 2050C로 측정되었다. 이는 CS용액 함침 시 콘크리트 시험체 표면에 조밀한 구조가 생성되어 염화물 침투가 감소되었으며, 광촉매 용액으로 추가적인 도막형성을 통하여 일부 감소가 발생하였다.
광촉매 표면 흡착을 위해 CS(Colloidal Silica)를 이용하였다. 콘크리트 시편을 제조 1일 후 탈형하였으며, 4주간 기건 양생하였다.
Table 3에서는 알칼리 골재 반응을 나타내지 않는 CS의 특성과 사용한 광촉매를 나타내고 있다. 광촉매는 국내 T사의 제품으로 광합성과 반응성이 양호한 고활성 Anatase를 선택하였다.
환경정화 성능을 평가하기 위해 메틸렌블루의 탈색유무 시험방법은 KS M 8274의 기준에 의거하여 메틸렌블루 탈색법을 수행하였다. 메틸렌블루 20 mg(무수 중량기준)을 1,000 mL 부피의 플라스크에 옮기고 증류수를 가하여 녹인 후, 증류수를 눈금까지 채운 뒤 실온의 암실에서 보관하여 1개월 이내에 사용하였다. 본 시험에 사용되는 시험편은 100×200 mm 크기로 2개(암조건용 1개, 명조건용 1개)를 각각 준비하여 3 시간 이상 자외선 조사장치를 사용하여 1.
광촉매에서 발생된 OH기는 수질정화, 공기정화, 살균 및 냄새 제거 등의 친환경 효과를 나타내게 된다. 본 시험에서 사용되는 이산화티탄 광촉매(TiO2 , Titanuim Dioxide Photocatalyst)는 지구상에서 9번째 많은 원소 성분인 티탄(Ti)이 주성분이며, 연간 320만톤의 생산이 전 세계적으로 가능하다. 또한 일본에서는 세계 생산량의 약 10%인 30만톤 정도를 연간 생산하고 있다 (Kim, 2010).
본 시험에서는 OPC 및 CS15-T-C을 대상으로 내약품성 시험을 실시하였다. 황산 5% 수용액에 총 30일 동안 침지하였으며, 중량변화율을 주기적으로 측정하였다.
본 시험은 한국광촉매 협회에 제시된 방법인 가스백 B법에 의거하여 환경정화평가시험을 실시하였다. 시험에서 사용되는 가스의 제조는 가스백(Gas Bag)을 사용하여 아세트알데히드 표준가스(가스농도 약 6,000 vol ppm)를 보통 공기로 희석하여 80~100 vol ppm 농도로 만든 후 3L 용량을 제조하여 시험을 수행하였다. 총 4개의 시험편과 시험가스를 넣은 가스백을 준비하였으며, 아세트알데이드의 초기농도와 암조건 시험농도를 구하였다.
이론/모형
, 2003; Thomas and Bamforth, 1999). CS 용액의 1차 함침과 광촉매 용액의 분무에 따른 2차 처리가 완료된 콘크리트 시험체에 대하여 재령 14 일이 지난 시점에서 KS F 2609를 참고하여 시험을 실시하였다. 물 흡수계수 시험은 약 20℃ 물에 2~10mm 정도의 깊이로 콘크리트 시험체를 침지시간 10분, 30분, 1시간 및 24시간 적용하여 중량변화를 평가하는 방법이다.
본 시험은 한국광촉매 협회에 제시된 방법인 가스백 B법에 의거하여 환경정화평가시험을 실시하였다. 시험에서 사용되는 가스의 제조는 가스백(Gas Bag)을 사용하여 아세트알데히드 표준가스(가스농도 약 6,000 vol ppm)를 보통 공기로 희석하여 80~100 vol ppm 농도로 만든 후 3L 용량을 제조하여 시험을 수행하였다.
이는 광촉매와 CS 함침을 통하여 표면강도 및 염화물 저항성도 개선됨을 알 수 있다. 통과전하량에 따른 염소이온의 침투저항성기준에 따라 모든 시험체는 Midium 수준으로 구분되었다. 또한 재령의 증가에 따라 전체적으로 총 통과전하량이 감소되었는데, 이는 OPC 재령에 따른 수화물 증가와 공극률감소, 그리고 Silicate기반 침투제 특성에 따른 규산염 겔의 형성에 따른 염소이온의 흡착의 결과이다.
환경정화 성능을 평가하기 위해 메틸렌블루의 탈색유무 시험방법은 KS M 8274의 기준에 의거하여 메틸렌블루 탈색법을 수행하였다. 메틸렌블루 20 mg(무수 중량기준)을 1,000 mL 부피의 플라스크에 옮기고 증류수를 가하여 녹인 후, 증류수를 눈금까지 채운 뒤 실온의 암실에서 보관하여 1개월 이내에 사용하였다.
성능/효과
1) Colloidal Silica에 침지한 콘크리트는 20% 수준의 강도 증가를 나타내었으며, 흡수량의 감소, 염소이온침투 저항성의 증가, 동결융해 저항성 개선, 황산염 저항성의 개선 등이 평가되었다. 이는 모세관 공극을 통하여 침투된 Colloidal Silicate가 내부의 수산화칼슘과 반응하여 불용성의 화합물을 형성하는 반응에 기인한 것이다.
4에서 알 수 있듯이 CS를 함침 시킨 경우 원주형 공시체 주변 외면의 강도가 증가하여 압축강도가 일부 증가한 것을 알 수 있다. CS 합침 이후에는 큰 강도 변화는 보이지 않았으나, 42일 경과 후 CS15-T30m-C의 경우 35.1 MPa로 가장 큰 강도 증가를 나타 내었으며, CS15에서는 35.0 MPa, CS15-T00-C의 경우는 34.8 MPa로 평가되었다. 42일 경과후의 콘크리트 강도가 38.
CS15-T30m-C 시험체에 대하여 아세트알데히드(CH3CHO) 의 제거율을 평가한 결과 제거율이 99%를 초과하여 대기환경 정화 능력이 우수한 것으로 평가되었다. 이는 Silicate계 표면 침투제에 고정화된 TiO2가 우수하게 성능을 유지하고 있음을 나타내고 있다.
55%로 높은 화학저항성을 나타내었다. CS로 조밀해진 콘크리트 표면은 외부의 황산염 이온의 침투와 반응을 저해하여 에트린자이트의 형성을 방해하는 것으로 평가되었다. Fig.
OPC-C 기준 시험체는 재령 30일의 중량 감소율이 7.52 %로 평가되었으며, CS15-T30m-C 에서는 4.55%로 높은 화학저항성을 나타내었다. CS로 조밀해진 콘크리트 표면은 외부의 황산염 이온의 침투와 반응을 저해하여 에트린자이트의 형성을 방해하는 것으로 평가되었다.
7%의 강도 증가가 발생하였다. 광촉매 분무후의 강도 변화는 크지 않으므로 광촉매로 인한 강도 저하는 없는 것으로 평가되었다.
내흡수량 측정값은 기준 시험체인 CS15-C 시험체의 내흡수량 보다 0.8 ~ 0.1% 정도 낮은 수준인 0.803% ~ 0.815%으로 측정되었다. 이는 광촉매 용액으로 2차 처리할 경우 내흡수량 변화에 큰 영향을 미치지 않기 때문이다.
통과전하량에 따른 염소이온의 침투저항성기준에 따라 모든 시험체는 Midium 수준으로 구분되었다. 또한 재령의 증가에 따라 전체적으로 총 통과전하량이 감소되었는데, 이는 OPC 재령에 따른 수화물 증가와 공극률감소, 그리고 Silicate기반 침투제 특성에 따른 규산염 겔의 형성에 따른 염소이온의 흡착의 결과이다.
즉 3주에서 4주간의 큰 수축량 변화인 170∼200μ 수준의 변화를 고려하면 실제 대기 중의 건조 상태에 따른 거동은 일반 콘크리트와 비슷하게 평가되었다.
후속연구
3) 본 연구는 Silicate기반 함침제와 광촉매 도포를 통한 2단계 시공의 기초연구이다. 실리케이트 용액의 배합과 광촉매의 일체형 도포를 통하여 공기를 줄일 수 있으며, 최적 반응 밴드 갭(Band Gap) 및 TiO2농도 변화를 통하여 친환경성 영향을 확대할 수 있으리라고 판단된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
표면함침제를 사용한 표면강화기법의 장점은 무엇이 있는가?
콘크리트 구조물은 주로 사회기반 시설물(Infra-structure) 또는 대단위 공간에 사용되어 다양한 환경에 노출되고 있으며, 비표면적이 높은 특징이 있다. 장기간 사용한 콘크리트의 표면은 사용 중 손상이나 열화에 노출되는데(Emmons, 1994), 대규모적인 보수 또는 보강 이전에 표면함침제를 사용한 표면강화기법은 시공법이 간단하고 강화층의 성분이 콘크리트와 동일하므로 표면의 박리가 발생하지 않는 장점이 있다. 일반 유기계 침투제 보다 침투 깊이는 낮으나, 내부의 잔존 수산화칼슘을 불투수층의 CSH로 변화시키므로 공극률을 감소시키는 등 공학적인 장점을 많이 가지고 있다(Kwon et al., 2007; Moon et al.
Silicate기반 함침제와 광촉매 도포를 통한 2단계 시공과 관련한 연구를 통해 논문의 저자가 알아낸 것은?
3) 본 연구는 Silicate기반 함침제와 광촉매 도포를 통한 2단계 시공의 기초연구이다. 실리케이트 용액의 배합과 광촉매의 일체형 도포를 통하여 공기를 줄일 수 있으며, 최적 반응 밴드 갭(Band Gap) 및 TiO2농도 변화를 통하여 친환경성 영향을 확대할 수 있으리라고 판단된다.
표면침투제 용액의 원료인 실리케이트의 역할은 무엇인가?
실리카는 알칼리 수용액과는 반응이 약하지만 알칼리와 함께 용융하면 식(1)과 같이 알칼리산염을 만들게 된다. 이러한 실리케이트는 식(2)와 같이 콘크리트 내부의 수산화칼슘과 반응하여 불용성의 규산칼슘계를 형성하게 되는데, 체적의 증가 및 수화물의 증가에 따라 밀실한 구조가 형성되어 침투층에서의 역학적, 내구적 성능이 증가하게 된다(Park et al., 2014; Kim, 2010).
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