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ISSN : 2234-6937(Print)
ISSN : 2287-6979(Online)
Journal of Korea institue for Structural Maintenance Inspection Vol.22 No.1 pp.115-122
DOI : https://doi.org/10.11112/jksmi.2018.22.1.115

A Study on Experiment for Improvement of Water Quality in Concrete Block Using Illite and TiO2 Powder

Jae-Won Her1, Kyung-Soo Kang2, Young-Su Kim3*
Corresponding author: kys@pusan.ac.kr Department of Architectural Engineering, Pusan National University
20170829 20171213 20171229

Abstract

In order to conduct the “A Study on Experiment for Improvement of Water Quality in Concrete Block Using illite and TiO2 Powder”, as a result of the preliminary mortar experiment, water quality purification characteristic test, pollution-resistance test, fish poison test, and the related KS-equivalent tests after manufacturing the actual concrete block, the following conclusion were deduced. As a result of the concrete block functional evaluation equivalent to KS, all the conditions showed higher compressive strength. Even though increase of absorption rate, according to illite replacement in vesicular structure, was expected as a problem, it was replaced after mixing with Titanium dioxide, and then Titanium dioxide was settled in large pores of illite so there was no problem in absorption rate.


일라이트와 이산화티탄을 활용한 콘크리트 블록의 수질환경개선을 위한 실험연구

허 재원1, 강 경수2, 김 영수3*
1정회원, Ing&Eng, 연구소장
2정회원, 동명대학교 건축공학과, 부교수
3정회원, 부산대학교 건축공학과, 교수, 교신저자

초록

“일라이트와 이산화티탄을 활용한 콘크리트 블록의 수질환경개선을 위한 실험연구”를 진행하기 위해 모르타르 예비실험, 수질정 화특성, 방오실험, 어독성 실험 및 실 콘크리트 블록 제조 후 관련 KS에 준한 실험을 진행한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다. KS에 준한 콘크리 트 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 또 한 문제가 없는 것으로 관찰되었다.


    1.서 론

    물은 인류에 있어 반드시 필요한 요소이며, 이를 깨끗하게 보존하며 확보해야할 귀중한 자원이다. 인간생활은 물의 존 재에 의해 지배되어 왔으며, 과학문명이 발달된 현재에 이르 러서도 이러한 사실은 크게 변치 않고 있다.

    그러나 산업화 도시화뿐만 아니라 인구의 집중 등 국민의 생활 수준 향상은 물 소비를 증가시켰으며, 강우의 계절적인 편중현상으로 인하여 하절기 국부적인 집중호우와 태풍으로 인해 피해 규모가 증가하는 추세에 있어 수자원 관리의 어려 움을 더욱 가중시키고 있다(국립방재연구소, 2002).

    한편 콘크리트 블록의 경우 Photo 1과 같이 수자원 및 해안 선의 보호를 위해 설치되며, 수변시설물의 재질이 콘크리트 로 단편화되어 있어 태양복사열의 축열로 인한 수역의 수변 환경이 악화되며, 바닥 재료로써 우수 등이 블록을 통과 후 지 표로 직접 흡수 되어 콘크리트 제품의 강알칼리성과 시멘트 의 독성으로 인해 수중생물의 생장에 악영향을 미치고 있어 친환경적인 재료를 이용하여 친환경적인수변환경 조성이 시 급한실정이다.

    이에 본 연구에서는 친환경블록(잔디블록, 세굴방지블록, 식생호안블록, 자연석형 식생축조블록, 식생축조블록)을 대 상으로 역학적 특성과 함께 방오성능, 수질정화 , 어독성시험 및 항균시험 등 환경부하저감을 위해 일라이트와 이산화티탄 과 같은 기능성 혼화재를 활용한 콘크리트 블록의 수질환경 개선을 위한 실험연구 를 진행하여 시멘트 독성, 높은 pH를 저감시키고 수질정화 뿐 아니라 다양한 기능성을 가지는 환 경 친화적인 호안블록개발을 위한 기초적 자료를 제시하고자 한다.

    2.실 험

    2.1.실험개요

    다공질 구조를 활용하여 중금속을 포함한 다양한 오염물질 의 흡착성능을 가지고 있으나, 이러한 공극은 콘크리트 강도 저하 및 유동성감소가 예상되는 일라이트와, 방오성능 및 오 염 저감성능을 가지고 있으나 고가의 이산화티탄의 장점을 극대화하기 위해 사전 혼합 시 이산화티탄을 최소화 하면서 표면반응을 극대화하기 위해 일라이트를 활용하며, 일라이트 의 공극내 이산화티탄을 자리하게 함으로써 내부공극을 줄일 수 있을 것으로 예상된다.

    이에 이러한 가설을 검증하기 위한 모르타르 역학적 실험 및 방오성능 실험을 진행하며, 이러한 결과를 바탕으로 콘크 리트 블록을 제작하여 콘크리트 호안 및 옹벽블록 기준에 준 하여 실험결과를 도출하고 우수정화실험을 위해 이온크로마 토그래피 분석을 진행하였으며, 어독성 실험 및 항균실험을 진행하여 장기적인 수질환경부하 저감에 관한 평가를 진행하 였다.

    2.2.시험체 제작방법

    기존문헌 고찰결과 일라이트 치환율은 유동성을 감안하면 최대 치환율은 6%, 강도저하 감소를 고려한다면 최대 치환율 은 9%이하로 판단하고 있음에 따라 본 연구에서는 제품화 및 실용화를 목적으로 최대 치환율은 5%로 고정하여 연구를 진 행하였다. 또한 이산화티탄과 일라이트의 경우 1:1 비율로 사 전 혼합하여 시험체를 제작하였다(Photo 2 참조).

    또한 콘크리트 블록은 현재 판매중인 업체의 동일 배합인 Table 1에 준하여 일라이트와 이산화티탄을 사전 혼합 후 5% 치환하여 제작하였으며, 양생은 콘크리트 호안 및 옹벽블록 의 표준에 준하여 최고 온도 65°C이하의 조건에서 적산온도 500°C까지 실내양생 후 옥외에 7일간 기건 양생하여 제작하 였으며, 그 형태 및 타입은 Photo 3과 같다.

    2.3.실험항목

    일라이트와 이산화티탄을 활용한 콘크리트 블록의 수질환 경개선을 위한 실험연구를 진행하기 위해 다량의 공극을 포 함한 일라이트 치환 시 유동성감소가 발생하며, 일라이트와 이산화티탄의 혼합 치환 시 유동성 및 강도 감소가 저감되는 여부가 선결되어야 할 것으로 사료된다.

    이에 OPC, 일라이트 5%치환, 일라이트+이산화티탄 5%치환 의 3가지 조건으로 모르타르의 역학적 특성 및 방오성능을 고찰 하였으며, 일라이트와 이산화티탄 혼합 치환하여 잔디블록, 식 생축조블록, 식생호안블록, 자연석형 식생축조블록, 하상보호 세굴방지블록의 5종의 콘크리트 블록 제조 후 콘크리트 호안 및 옹벽블록의 기준(SPS-KCIC 0001-0703:2015)에 준하여 실험결 과를 도출하였다(Table 2 : SPS-KCIC 0001-0703:2015).

    또한 우수정화실험을 위해 “수질오염 공정시험기준 환경 부 고시 2016-65”에 준하여 이온크로마토그래피 분석을 진행 하였으며, 콘크리트 블록의 항균테스트 및 어독성 테스트를 통해 “일라이트와 이산화티탄을 활용한 콘크리트 블록의 수질 환경개선을 위한 실험연구”를 진행하였다(Photos 4,5 참조).

    3.실험결과 및 고찰

    3.1.모르타르 역학적 특성

    일라이트와 이산화티탄의 사전 혼합치환 시 강도 및 유동 성 저하를 감소시킬 수 있을지 여부를 관찰하기 위해 진행한 모르타르 실험결과, Fig. 1과 같이 OPC대비비 다소 낮은 것으 로 측정되었으나, 전 조건에서 10%이하의 저하가 관찰되었다.

    또한 일라이트 단독 치환 조건대비 일라이트와 이산화티탄 의 사전 혼합 치환한 조건에서 우수한 유동성이 관찰되었으 며, 특히 분말도가 높은 이산화티탄을 포함한 조건에서 유동 성이 좋은 것으로 관찰됨에 따라 일라이트내에 이산화티탄이 자리함에 따른 공극감소에 기인한 것으로 예측된다.

    일라이트 단독 및 일라이트와 이산화티탄 혼합 치환한 모르 타르의 역학적 특성고찰결과 Fig. 2와 같이 재령 3일 7일의 초기 강도에서는 OPC가 우수한 것으로 측정되었으나, 재령 28일의 경우 치환한 전 조건에서 OPC를 상회하는 것으로 측정되었다.

    초기재령의 경우 시멘트양이 감소함에 따라 소량 감소하였 으나, 고 미분말의 이산화티탄과 일라이트에 의한 미세충진 효과(microfiller)에 기인하여 강도감소는 적은 것으로 관찰되 었으며, 재령 28일의 경우 유사한 시멘트 수화물 생산량 대비 분체량이 증가함에 따라 기인한 것으로 판단된다.

    3.2.모르타르 방오 특성

    블록의 주요 설치 장소는 일반적으로 바닥과 도로주변에 위치하게 됨에 따라 자동차 배기가스 등에 노출이 쉬울 것으 로 예상된다. 이에 본 연구에서는 OPC배합, 일라이트 치환율 3%, 일라이트와 이산화티탄 혼합치환 5%, 일라이트 및 티탄 혼합 5%를 표면에 도포한 4가지 조건을 대상으로 디젤자동차 의 배기가스에 강제 노출하여 시간경과에 따른 오염물질 저 감특성을 관찰하였으며, 실험의 오차를 감안하여 각 조건 당 2 개의 시편으로 테스트를 진행하였다.

    방오실험 관찰 결과 이산화티탄과 일라이트를 표면처리 한 조건에서 가장 우수한 저감특성이 관찰되었으며, 이산화티탄 의 친수성 및 박막특성으로 인해 배기가스가 표면에 흡착되 지 못하고 떠있는 현상이 관찰됨에 따라 세척 및 유지관리성 이 우수할 것으로 판단된다(Table 3, Fig. 3, Photo 6 참조).

    3.3.콘크리트 블록 역학적 특성

    콘크리트 호안 및 옹벽블록에 관한 의무기준인 SPS-KCIC001- 0703:2015에 준하여 압축강도, 흡수율, 겉모양 및 치수와 함 께 2종에 해당하는 경우 동결융해 후 압축강도 측정결과는 측 정결과는 Tables 4~ 8과 같다.567

    1종에 해당하는 잔디블록, 식생축조블록, 식생호안블록, 자연석형 식생축조블록과 2종에 해당하는 하상보호 세굴방 지블록을 대상으로 일라이트 및 이산화티탄 사전 혼합 후 5% 치환하여 제작한 결과 전 조건에서 시험기준치의 겉모양, 치 수 및 압축강도를 상회하는 것으로 측정 되었으며, 다공질구 조의 일라이트 치환에 따른 흡수율 증가가 문제점으로 예상 되었으나, 이산화티탄과 사전 혼합하여 치환함으로써 일라이 트의 대형 공극 내 이산화티탄이 정착함에 따라 흡수율 또한 문제가 없는 것으로 관찰되었다.

    3.4.어독성 저감 특성

    국립환경과학원 고시 제 2013-02호(2013-01-09) “화학물 질유해성 시험연구가관의 지정 등에 관한 규정”에 준하여 진 행한 어독성 시험의 측정방법은 가로(300 mm) * 세로(300 mm) * 높이(300 mm)의 수조에 물을 채워 7일간 안정화 시킨 뒤 일 라이트 적용 제품과 기존 콘크리트 제품을 분쇄하여 분말형 태의 시료를 각각 200 g 씩 넣고 30분 단위로 3회 물을 썩어 혼 합한 후 침전이 완료된 수조에 어류 6마리씩 넣고 1시간, 2시 간, 3시간, 4시간, 5시간, 24시간, 48시간, 72시간, 96시간, 120 시간 동안 노출시켜 시간별 치사과정(Photo 7)을 조사한 결과 는 다음과 같다.

    어독성 시험결과 Table 9와 같이 Blank, 일라이트 및 이산화 티탄 적용 콘크리트 블록, 기존 콘크리트 블록의 순으로 측정 되었으며, 기존 콘크리트 제품에서 24시간 100% 치사율, 일라 이트 적용 제품에서 120시간 17% 치사율, Blank에서 120 시간 8.5% 치사율로 일라이트 적용 콘크리트 블록의 경우 기존 블 록 대비 확연한 성능이 관찰되어 우수정화 실험결과와 같이 일 라이트는 수질정화 및 환경보호에 우수할 것으로 판단된다.

    3.5.수질정화 특성(이온크로마토그래피)

    수질오염 공정시험기준 환경부 고시 2016-65에 준하여 이 온크로마토피 분석법으로 기존의 판매되고 있는 블록과 일라 이트 및 이산화티탄을 혼합 치환한 블록의 수질정화특성 분 석 결과는 Table 10 및 Figs. 4~7과 같다.56

    관찰결과 일라이트와 이산화티탄을 치환하지 않은 OPC 대 비 불소, 염소이온, 질산성질소, 황산이온 등의 함유량이 기존 제품에 비하여 최소 43%에서 최대 78%까지 크게 저감된 것 으로 관찰되었다.

    특히 일라이트와 이산화티탄의 혼합치환여부와 관계없이 전 조건에서 시간이 경과함에 따라 전 이온 함유량이 증가됨 이 관찰되었는데 이는 시멘트 내에 잔류되어 있던 성분이 우 수에 의해 용해되어 발생한 것으로 지면에 바로 설치되거나 강가 해안가에 설치되는 블록의 특성상 지하수 및 강물의 오 염이 예상되며, 본 기술의 적용 시 확연한 저감효과가 관찰되 나, 일정이상의 이온이 관찰됨에 따라 제조 후 수중양생 등 별 도의 조취가 필요할 것으로 판단된다.

    3.6.항균실험결과

    시료량 4 g, 온도 37.0± 0.1, 상대습도 32.5± 0.2%의 환경 하 에서 대장균(Escherichia coli ATCC 25922), 녹농균(Pseudomonas aeruginosa ATCC 15442) 황색포도상구균(Staphylococcus aureus ATCC 6538), 폐렴균(Klebsiella pneumoniae ATCC 4352) 을 대상으로 24시간 동안 세균감소율을 측정한 결과 전 조건 에서 99.9%의 세균감소율이 관찰되었다(Table 11 및 Photo 8 참조).

    따라서 옥외에 거치되는 블록의 특성상 다양한 오염물질의 번식을 억제할 수 있어 방오 및 유지관리성이 우수할 것으로 판단된다.

    4.결 론

    “일라이트와 이산화티탄을 활용한 콘크리트 블록의 수질 환경개선을 위한 실험연구”를 진행하기 위해 모르타르 예비 실험, 방오실험 및 콘크리트 블록 제조 후 관련 콘크리트 호안 및 옹벽블록 기준에 준한 실험, 수질정화실험, 어독성실험, 항 균실험을 진행한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.

    • 1) 모르타르 유동특성 고찰결과 OPC, 이산화티탄과 일라이 트를 사전 혼합 치환한 조건, 일라이트 조건의 순으로 측정 되었으나, 전 조건에서 OPC대비 10%이하의 유동성 감소 가 관찰되었다.

    • 2) 재령 3일 7일의 초기강도에서는 OPC가 우수한 것으로 측 정되었으나, 재령 28일의 경우 치환한 전 조건에서 OPC를 상회하는 것으로 측정되었다.

    • 3) 방오실험 관찰결과 이산화티탄과 일라이트를 표면처리 한 조건에서 가장 우수한 저감특성이 관찰되었으며, 이산 화티탄의 친수성 및 박막특성으로 인해 배기가스가 표면 에 흡착되지 못하고 떠있는 현상이 관찰됨에 따라 세척 및 유지관리성이 우수할 것으로 판단된다.

    • 4) 콘크리트 블록의 성능평가 결과 전 조건에서 시험기준치 의 압축강도를 상회하는 것으로 측정되었으며, 다공질구 조의 일라이트 치환에 따른 흡수율 증가가 문제점으로 예 상되었으나, 이산화티탄과 사전 혼합하여 치환함으로써 일라이트의 대형 공극내 이산화티탄이 정착함에 따라 흡 수율 또한 문제가 없는 것으로 관찰되었다.

    • 5) 수질정화 고찰결과 일라이트와 이산화티탄을 치환하지 않은 OPC 대비 불소, 염소이온, 질산성질소, 황산이온 등 의 함유량이 기존제품에 비하여 최소 43%에서 최대 78% 까지 크게 저감된 것으로 관찰되었다.

    • 6) 어독성 시험결과 Blank, 일라이트 및 이산화티탄 적용 콘 크리트 블록, 기존 콘크리트 블록의 순으로 측정되었으며, 일라이트 적용 콘크리트 블록의 경우 기존 블록 대비 확연 한 성능이 관찰되어 우수정화 실험결과와 같이 일라이트 는 수질정화 및 환경보호에 우수할 것으로 판단된다.

    • 7) 항균시험결과 대장균, 녹농균, 황색포도상구균, 폐렴균의 24시간 동안 세균감소율을 측정한 결과 전 조건에서 99.9%의 세균감소율이 관찰되었다.

    이상의 결과에서 일라이트와 이산화티탄의 사전혼합 후 치 환은 일라이트의 대형공극감소로 인한 유동성 및 압축강도감 소를 저감할 수 있을 것으로 예측되며, 이산화티탄의 표면반 응을 극대화함으로써 방오성능, 수질정화특성, 어독성, 향균 성능 등 다양한 기능성을 부가할 수 있을 것으로 판단된다.

    Figure

    JKSMI-22-115_P1.gif

    Installation Location of Block

    JKSMI-22-115_P2.gif

    Specimen Preparation Methods of Anti Fouling Test

    JKSMI-22-115_P3.gif

    Specimen Preparation Methods of Concrete Block

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    Specimen Preparation Methods of Ion Chromatography

    JKSMI-22-115_P5.gif

    Specimen Preparation Methods of Fish Toxicity

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    Slump Flow Result

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    Result of Compressive Strength

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    Result of Brightness Analysis

    JKSMI-22-115_P6.gif

    Result of Brightness Analysis

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    Process of Being Fatal

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    Result of Reduction Characteristic Fluorine Ion

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    Result of Reduction Characteristic Chlorine Ion

    JKSMI-22-115_F6.gif

    Result of Reduction Characteristic Nitric Nitrogen Ion

    JKSMI-22-115_F7.gif

    Result of Reduction Characteristic Sulfate Ion

    JKSMI-22-115_P8.gif

    Specimen Preparation Methods of Concrete Block

    Table

    Mix Proportioning of Concrete Block

    Concrete Block Standard(SPS-KCI 0001-0703:2015)

    Result of Brightness Analysis

    Result of Compressive Strength

    Cellular Block(class 1)

    Revetment Block

    Cellular Block(living rock type)

    Scouring Protection Block(Second Class)

    Result of Fish Toxicity Test

    Result of Water Quality Test

    Result of Antimicrobial Test

    Reference

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