[논문]광촉매제를 사용한 콘크리트 보도블록의 제조 및 특성

정용욱; 장준호; 김종규

doi:10.14190/jrcr.2019.7.4.423

광촉매제를 사용한 콘크리트 보도블록의 제조 및 특성
Manufacture and Characteristics of Concrete Sidewalk Blocks Using Photocatalyst Agent 원문보기

Journal of the Korean Recycled Construction Resources Institute = 한국건설순환자원학회 논문집, v.7 no.4, 2019년, pp.423 - 430

정용욱 (계명대학교 첨단건설재료실험센터) , 장준호 (계명대학교 토목공학과) , 김종규 (경남대학교 토목공학과)

초록
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본 연구에서는 콘크리트 보도블록의 표층에 광촉매를 적용하여 광촉매 혼입률 및 블록 표면워싱 유무 등에 따른 휨강도, 흡수율, 메틸렌블루 광촉매 분해 성능 및 방오성능을 평가하였다. 실험결과, 콘크리트 블록 표면층에만 광촉매를 혼입한 블록의 휨강도는 광촉매 무혼입인 기준콘크리트 블록의 휨강도 5.46MPa과 비교하여 광촉매 5% 혼입 일반블록(SNW) 5.32MPa로 나타났으며, 표면워싱블록(SW) 5.26MPa, 광촉매 10%혼입 일반블록(SNW) 5.26MPa, 표면워싱블록(SW) 5.15MPa로 나타나 콘크리트 블록의 표면 워싱 유무 및 광촉매 혼입율이 휨강도에 미치는 영향은 없는 것으로 나타났다. 또한 콘크리트 보도블록의 광촉매 분해성능은 이산화티타늄이 5% 혼합된 시편의 메틸렌블루 제거율은 34.2%, 이산화티타늄이 10% 혼합된 시편의 메틸렌블루 제거율은 37.1%, 세척을 실시한 경우 이산화티타늄이 5% 혼합된 시편의 경우 제거율은 약 37.9%, 10% 혼합된 시편의 메틸렌블루 제거율은 약 37.6%로 나타났다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, the flexural strength, absorption rate, methylene blue photo catalyst decomposition performance and anti-fouling performance were evaluated according to the photo catalyst mixing rate and block surface wash status by applying photo catalyst to the surface layer of concrete sidewalk block. The results showed that the flexural strength of the block that mixed photo catalyst only in the surface layer of the concrete block was 5.32MPa of the general block (SNW) of 5% photo catalyst, compared to 5.46MPa of the non-mixed concrete block of the reference concrete block. Surface washing block (SW) 5.26MPa, 10% photo catalyst general block (SNW) 5.26MPa, and 5.15MPa surface washing block (SW). It has been shown that the presence of surface washing and the mixing rate of photo catalyst in the concrete block have no effect on the flexural strength. Moreover, the photoreaction performance of concrete sidewalk blocks showed that the methylene blue removal rate of specimens with 5% TiO2 was 34.2%, the methylene blue removal rate of specimens with 10% TiO2 was 37.1%, and the removal rate of the methylene blue of specimens with 5% TiO2 was about 37.9% and 10% mixed specimens with TiO2 was about 37.6%.

주제어

표/그림 (14)

그림 Fig. 1. SEM image of TiO₂ (NP-400D)
표 Table 1. Chemical composition and physical properties of cement
표 Table 2. Physical properties of TiO₂
표 Table 3. Experimental plan
그림 Fig. 2. Manufacturing of the sidewalk block
그림 Fig. 3. View of flexural strength measurement
표 Table 4. Performance of photocatalytic sidewalk block
그림 Fig. 4. Methylene blue photo catalytic decomposition model
그림 Fig. 5. Sidewalk blocks with methylene blue adsorbed
그림 Fig. 6. Absorption rate of sidewalk blocks according to the ratio of photo catalysts
그림 Fig. 7. Flexural strength of sidewalk blocks by photo catalytic mixing ratio
그림 Fig. 8. Flexural strength of sidewalk blocks according to the ratio of photo catalysts
그림 Fig. 9. Methylene blue removal rate according to experimental conditions
그림 Fig. 10. Anti fouling property using photo catalytic mixing sidewalk blocks specimens

AI 본문요약
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문제 정의

콘크리트 보도블록에의 광촉매 적용 성능 평가는 광촉매 적용방법 및 혼입률, 블록 표면 워싱 유무 등에 따른 메틸렌블루 광촉매 분해실험으로 실시하였다. 또한 광촉매 적용방법 및 혼입률, 블록 표면 워싱 유무 등에 따른 휨강도, 흡수율 및 방오성능을 평가함으로써 배기가스 정화 기능을 갖는 친환경 기능성 콘크리트 보도블록을 제조하고 그 특성을 평가하고자 하였다.
이에 본 연구에서는 대기오염물질을 제거하기 위하여 콘크리트 보도블록에 광촉매 적용성을 검토하였다. 콘크리트 보도블록에의 광촉매 적용 성능 평가는 광촉매 적용방법 및 혼입률, 블록 표면 워싱 유무 등에 따른 메틸렌블루 광촉매 분해실험으로 실시하였다.

제안 방법

5L를 넣어 메틸렌블루 광촉매 분해실험을 진행하였다. 고농도의 메틸렌블루 수용액은 색이 너무 짙어 태양광이 시편 표면에 원활하게 조사되지 않을 경우를 고려하여 메틸렌블루 농도를 15mg/L로 선정하였으며, 반응시작 30분 동안은 실내에서 빛을 조사하지 않은 암실조건에서 흡착 상태를 유도하였으며, 30분 후 온도 24±2℃조건의 실외로 옮겨 6시간 동안 태양광 하에서 광촉매 분해실험을 진행하였다. Fig.
광촉매 적용 콘크리트 보도블록의 방오 성능은 Fig. 5와 같이 광촉매 분해성능 실험 후 시편 표면에 메틸렌블루가 흡착되어 푸른색을 나타내는 시편들을 태양광이 원활하게 조사되는 위치에 각각의 시편들을 안치해 보도블록 표면의 색 변화 관찰을 통해 평가하였다.
본 연구는 콘크리트 보도블록의 표층에 광촉매를 적용하여 광촉매 혼입률 및 블록 표면워싱 유무 등에 따른 휨강도, 흡수율, 메틸렌블루 광촉매 분해 성능 및 방오 성능을 평가한 것으로 연구의 결론은 다음과 같다.
본 연구에서는 광촉매 기능을 갖는 콘크리트 보도블록을 제조하기 위하여 Table 3과 같이 보도블록 표면층에 광촉매제를 0%, 5%, 10% 혼입하여 표면층 워싱 유무에 따른 광촉매 특성을 검토하였다.
이는 광촉매 혼입율이 증가할수록 분체량 증가에 따른 혼입수의 부족으로 미수화 시멘트가 발생하여 휨 강도가 감소하는 것으로 판단된다. 이와 같이 광촉매제 혼입율 증가시 휨강도 저감문제 해결 방안으로는 광촉매제의 효능 등을 고려하여 광촉매제 혼입을 보도블록 표면층에만 혼입하는 방안을 검토하였다.
콘크리트 보도블록 제조시 광촉매 혼입율이 휨강도 특성에 미치는 영향을 검토하기 위하여 보도블록 전체에 광촉매제 혼입율을 0%, 2.5%, 5%, 10%로 하여 콘크리트 보도블록을 제조한 후 휨강도를 측정하였다. Fig.
이에 본 연구에서는 대기오염물질을 제거하기 위하여 콘크리트 보도블록에 광촉매 적용성을 검토하였다. 콘크리트 보도블록에의 광촉매 적용 성능 평가는 광촉매 적용방법 및 혼입률, 블록 표면 워싱 유무 등에 따른 메틸렌블루 광촉매 분해실험으로 실시하였다. 또한 광촉매 적용방법 및 혼입률, 블록 표면 워싱 유무 등에 따른 휨강도, 흡수율 및 방오성능을 평가함으로써 배기가스 정화 기능을 갖는 친환경 기능성 콘크리트 보도블록을 제조하고 그 특성을 평가하고자 하였다.
콘크리트 보도블록의 광촉매 분해성능 시험 후 시편 표면에 메틸렌블루가 흡착되어 푸른색을 나타내는 시편들을 태양광이 잘비치는 곳에 전치한 후 이산화티타늄의 방오 효과에 의한 시편표면의 메틸렌블루 분해실험을 통해 보도블록의 방오성능을 평가 하였다. Fig.
콘크리트 보도블록의 광촉매 분해성능 평가는 광촉매에 의해서만 유기물질이 제거되는 정확한 효율을 평가하기 위해 태양광을 조사하기 전 모든 실험조건에 대해 30분간 암실조건을 유도한 후태양광을 조사하였다.

대상 데이터

Table 3에서 이산화티타늄이 전혀 혼입되지 않은 블록 (0로 표기), 이산화티타늄이 5%혼입 후 표면 워싱작업을 실시한 블록 (SW5), 이산화티타늄이 10%혼입 후 표면 워싱작업을 실시한 블록 (SW10), 이산화티타늄이 5%와 10% 혼입 후 블록의 표면 워싱작업을 실시하지 않은 시편을 SNW5, SNW10의 총 5종류의 보도블록을 제조하였으며, Fig. 2(a)의 보도블록 시편제작 장비를 이용하여 Fig. 2(b)와 같은 200×200×60T의 보도블록을 제작하였다.
광촉매 적용 콘크리트 보도블록의 광촉매 분해성능을 비교평가 하기 위하여 태양광 조사 하에서 양이온 염료인 메틸렌블루(C₁₆H₁₈CIN₃S⋅3H₂O, SAMCHUN, Korea)를 평가 지시약으로 사용하였으며, 블록의 크기를 감안하여 스테인리스 스틸 재질의 높이 150mm, 가로 320mm, 세로 350mm의 사각 용기 반응기에 이산화티타늄이 혼입된 블록 시편과 15mg/L의 농도를 가진 메틸렌블루용액 5.5L를 넣어 메틸렌블루 광촉매 분해실험을 진행하였다. 고농도의 메틸렌블루 수용액은 색이 너무 짙어 태양광이 시편 표면에 원활하게 조사되지 않을 경우를 고려하여 메틸렌블루 농도를 15mg/L로 선정하였으며, 반응시작 30분 동안은 실내에서 빛을 조사하지 않은 암실조건에서 흡착 상태를 유도하였으며, 30분 후 온도 24±2℃조건의 실외로 옮겨 6시간 동안 태양광 하에서 광촉매 분해실험을 진행하였다.
본 연구에 사용된 광촉매제는 B사의 분말형 NP-400D를 사용하였으며 사용 TiO2의 물리적 특성은 Table 2와 같다. Fig.
콘크리트 보도블록 제조에 사용된 골재는 5mm이하의 종석을 사용하였다.
콘크리트 보도블록 제조에 사용된 시멘트는 A사의 보통포틀랜드 시멘트를 사용하였으며, 물리⋅화학적 성질은 Table 1과 같다.

이론/모형

광촉매 적용 콘크리트 보도블록의 성능은 KS F 4419 ｢보차도용 콘크리트 인터로킹 블록｣에 준하여 휨 및 흡수율 시험을 실시하였으며, 블록의 휨 및 흡수율 성능 기준은 Table 4와 같이 규정하였다.
광촉매 적용 콘크리트 보도블록의 휨 강도 측정은 KS F 4419 ｢보차도용 콘크리트 인터로킹 블록｣에 준하여 실시하였으며, 제작된 공시체를 압축시험기에 거치한 후 파괴에 이를 때까지 0.16MPa(=N/mm²)/s 비율로 재하하여 다음 식을 이용하여 콘크리트 휨강도를 계산하였다
콘크리트 보도블록의 흡수율은 KS F 4419 ｢보차도용 콘크리트인터로킹 블록｣에 준하여 휨강도 시험이 끝난 후 1개의 시료에서 2개의 시편을 취하여 측정하였으며, 다음 식을 이용하여 흡수율을 계산하였다.

성능/효과

1. 광촉매 적용 콘크리트 보도블록의 휨강도 특성은 광촉매 혼입율 0%인 기준 콘크리트 블록의 5.5MPa과 비교하여 광촉매 혼입율 2.5%, 5%의 경우 5.4MPa, 5.1MPa로 나타났으며, 광촉매 혼입율 10%의 경우 4.8MPa로 목표기준값 5MPa이상을 만족하지 못하는 것으로 나타나 광촉매제 혼입율 증가시 휨강도 저감 문제 해결 방안으로 광촉매제의 전체 혼입사용보다는 보도블록 표면층에만 혼입하는 방안 등의 검토가 필요할 것으로 판단된다.
2. 콘크리트 블록 표면층에만 광촉매를 혼입한 블록의 흡수율은 광촉매 무혼입인 기준콘크리트 블록의 흡수율 5.11%와 비교하여 광촉매 5%의 경우 일반블록(SNW) 5.23%, 표면워싱 블록(SW) 5.15%로 나타났으며, 광촉매 10%의 경우 일반블록(SNW) 5.35%, 표면워싱블록(SW) 5.35%로 나타나 표면워싱 유무와 광촉매 혼입율이 콘크리트 블록의 흡수율에 미치는 영향은 없는 것으로 나타났다.
3. 콘크리트 블록 표면층에만 광촉매를 혼입한 블록의 휨강도는 광촉매 무혼입인 기준콘크리트 블록의 휨강도 5.5MPa과비교하여 광촉매 5% 혼입 일반블록(SNW) 5.3MPa, 표면워 싱블록(SW) 5.3MPa, 광촉매 10%혼입 일반블록(SNW) 5.3MPa, 표면워싱블록(SW) 5.2MPa로 나타나 보도블록의 표면 워싱유무 및 광촉매 혼입율이 휨강도에 미치는 영향은 없는 것으로 나타났다.
5. 콘크리트 보도블록의 방오성능은 푸른빛을 나타내는 시편표면이 시편에 함유되어있는 이산화티타늄의 광촉매 작용으로 인해 이산화티타늄이 혼입되지 않은 블록시편(0%)을 제외한 모든 블록시편의 염료가 완전히 없어져 광촉매 적용 보도블록은 광촉매 성능뿐만 아니라 방오성능도 우수한 것으로 나타났다.
Fig. 6에서 광촉매 무혼입인 기준콘크리트 블록의 흡수율 5.11%와 비교하여 광촉매 5%의 경우 일반블록(SNW) 5.23%, 표면워싱블록 (SW) 5.15%로 나타났으며, 광촉매 10%의 경우 일반블록(SNW) 5.35%, 표면워싱블록(SW) 5.35%로 나타나, 표면워싱 유무와 광촉매 표면층 혼입율에 관계없이 콘크리트 블록의 흡수율은 5.11∼ 5.41%로 큰 차이를 나타내지 않는 것으로 나타났다.
Fig. 8에서 광촉매 무혼입인 기준콘크리트 블록의 휨강도 5.46MPa과 비교하여광촉매 5%혼입 일반블록(SNW) 5.32MPa, 표면워싱블록(SW) 5.26MPa로 나타났 으며, 광촉매 10%혼입 일반블록(SNW) 5.26MPa, 표면워싱블록 (SW) 5.15MPa로 나타나 광촉매제 혼입율이 보도블록의 휨강도에 미치는 영향은 없는 것으로 나타났다. 이것은 광촉매제 적용 부분이 보도블록의 상부 표층 10mm이내에 적용됨으로써 휨강도에 미치는 영향이 최소화되었기 때문으로 판단되며, 광촉매제의 효능 등을 고려하여 광촉매제 혼입은 보도블록 표면층에만 혼입하는 방안이 적정한 것으로 판단된다.
7에서 콘크리트 보도블록 제조시 광촉매 혼입율에 따른 휨 강도 특성은 광촉매제 혼입량 증가에 따라 휨강도는 감소하는 경향을 나타내었다. 광촉매 혼입율 0%인 기준 콘크리트 블록의 휨강도 5.5MPa과 비교하여 광촉매 혼입량 2.5%, 5%의 경우 5.4MPa, 5.1MPa로 나타났으며, 광촉매 혼입율 10%의 경우 4.8MPa로 목표기준치 5.0MPa이상을 만족하지 못하는 것으로 나타났다. 이는 광촉매 혼입율이 증가할수록 분체량 증가에 따른 혼입수의 부족으로 미수화 시멘트가 발생하여 휨 강도가 감소하는 것으로 판단된다.
10에서 푸른빛을 나타내는 시편 표면이 시편에 함유되어있는 이산화티타늄의 광촉매 작용으로 인해 이산화티타늄이 혼입되지 않은 블록시편(0%)을 제외한 모든 블록시편의 염료가 완전히 없어진 것을 육안으로 확인할 수 있었다. 따라서 본 연구에서 제조된 광촉매 적용 보도블록은 광촉매 성능뿐만 아니라 방오 성능도 우수한 것으로 나타났다.
4. 콘크리트 보도블록의 광촉매 분해성능은 이산화티타늄이 5% 혼입된 시편의 메틸렌블루 제거율은 34.2%, 이산화티타늄이 10% 혼입된 시편의 메틸렌블루 제거율은 37.1%, 세척을 실시한 경우 이산화티타늄 5% 혼입된 시편의 경우 제거율은 약 37.9%, 10% 혼합된 시편의 메틸렌블루 제거율은 약 37.6%로 나타났다. 이것은 이산화티타늄 혼합비율이 더 높은 만큼 시편 표면에서 태양광과 반응한 이산화티타늄 농도가 높고, 표면 세척으로 인해 제조된 시편의 불순물들이 제거되어 태양광과 이산화티타늄의 반응이 원활하게 이루어졌기 때문으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	아세트알데히드란 무엇인가?	2014). 대기오염을 이루는 주요 물질로는 황산화물, 질소산화물, 일산화탄소, 휘발성 유기화합물(volatile organic compounds: 이하 VOCs라 한다) 등이 있으며 휘발성 유기화합물은 상온, 상압에서 여러 형태로 대기 중에 존재하여 돌연변이, 발암을 발생시키는 원인물질로 작용하여, 아세트알데히드는 국내대기환경보전법에서 규정하고 있는 악취물질중의 하나이다.
	국내 대기오염실태의 근본적인 원인의 비중은 어떻게 되는가?	국내 대기오염실태의 근본적인 원인을 살펴보면, 대기오염물질의 주요 원인 중 도로이동 오염원이 1,170,878톤(31.4%)으로 가장 많으며 유지용제 및 비도로 이동오염원 순으로 높은 비중을 차지 하고 있다(Kim 2000; Jung et al. 2010).
	NOx 오염 정화를 위한 과학적 방법은?	따라서 도로 이동오염원에서 NO 및 NO2로 구성된 NOx에 의한 대기오염을 감소시키기 위한 방안이 사회적으로 요구되고 있는 실정이다. NOx에 의한 대기오염을 정화할 수 있는 방안으로는 TiO2의 광촉매 효과를 이용한 NOx의 정화를 들 수 있으며, 광촉매가 태양에너지와 반응하여 질소산화물 등에 의한 대기오염물질을 흡착하여 제거하는 원리를 이용하는 것이다(Lee et al. 2008; Jung et al.

참고문헌 (8)

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Jung, Y.W., Lee, S.H., Choi, J.O. (2015). Characteristics of concrete sidewalk block manufactured using stone powder sludge and photocatalytic agent, Journal of the Korea Academia-Industrial Cooperation Society, 16(6), 4237-4244 [in Korean].

원문보기 상세보기
Kim, H.J. (2000). Research on development of cement materials for removing nitrogen oxides (NOx), Journal of Cement, Korea Cement Association, 153, 50-54 [in Korean].
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상세보기
Park, G.J., Park, J.J., Kwak, J.W., Kim, S.W. (2019). Research on the efficient manufacturing method of photocatalyst concrete according to the type and mixing ratio of photocatalyst, Journal of the Korea Institute for Structural Maintenance and Inspection, 23(4), 69-77 [in Korean].
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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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