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ISSN : 2234-6937(Print)
ISSN : 2287-6979(Online)
Journal of Korea institue for Structural Maintenance Inspection Vol.23 No.6 pp.120-131
DOI : https://doi.org/10.11112/jksmi.2019.23.6.120

A Study on the Development of Light Emotion Friendly Concrete Block for Efficient Application of Titan-oxide photocatalyst

Byoung-Il Kim1, Sang-Keun Oh1, Seung-Hoon Seo2*

본 논문에 대한 토의를 2019년 12월 1일까지 학회로 보내주시면 2020년 1월 호에 토론결과를 게재하겠습니다.


Corresponding author:hamteemo@seoultech.ac.kr Seoul National University of Science and Technology(SEOULTECH), Seoul, 01811, Korea
30/09/2019 16/10/2019 28/10/2019

Abstract


Recently, the level of fine dust and ultrafine dust has reached its highest level, threatening the public’s health. If the air purifier was not operated indoors, natural ventilation would not be possible. In this study, photocatalyst is applied to building materials to purify air in a passive manner. In order to use photocatalyst for LEFC(Light Emotion Friendly Concrete), it is necessary to secure self-consolidating capability. Therefore, self-consolidating performance was evaluated by slump test, J-ring test and L-box test with UHPC materials applied. Based on these results, the mixture proportion was determined, and the mechanical performance was evaluated by compressive and flexural tests. Concrete blocks were constructed with a fabrication method that improved the existing process of making LEFC. Also, the concrete block was emptied as a way to reduce the use of expensive photocatalyst. Finally, in order to identify the distribution of TiO2, an EDS analysis was performed.



이산화티탄 광촉매의 효율적 적용을 위한 LEFC 블록 제작에 관한 연구

김 병일1, 오 상근1, 서 승훈2*
1정회원, 서울과학기술대학교 건축공학과 교수
2학생회원, 서울과학기술대학교 나노IT디자인융합대학원 디자인기술융합 전공

초록


본 연구에서는 빛 감성친화형 콘크리트에 광촉매를 적용하여 대기질 및 실내공기질을 개선하기 위한 LEFC 블록을 개발하고자 하였 다. LEFC에 광촉매를 적용하게 되면 자외선 입사면 반대편에서도 투과로 인한 자외선이 존재하여 광촉매가 반응함으로써 일반 건축 자재를 적용 한 경우보다 광촉매 반응효율이 크게 상승한다. 따라서 광촉매를 LEFC에 적용하기 위해 슬럼프, J-ring, L-box 테스트를 통한 자기충전성능을 평가하여 최적 배합을 결정하였고, 압축 및 휨 강도 시험을 통해 역학성능을 평가하였다. 그리고 TiO2 분포도를 확인하기 위해 SEM과 EDS 분석 을 실시하였다. ALC골재와 단열재 적용으로 광촉매 사용량을 줄이고 단위중량을 감소시키는 방안을 활용하여 광촉매 효율을 증가시키는 빛투 과 콘크리트 블록을 제작하였고, 향후 건조수축 등의 문제점 개선 및 NOx 제거 실험을 통한 LEFC 블록 성능 평가를 진행하고자 한다.



    1. 서 론

    1.1 연구 배경

    국내 대기질 및 실내공기질에 대한 관심도가 높아지고 있고 우수한 공기질을 공급하기 위해 공기청정기의 개발 및 보급이 점점 증가하고 있다. 그러나, 공기청정기는 공간을 확보해야 하고 전력을 필요로 한다는 단점이 존재하기 때문에 이를 극복 할 수 있는 재료로서 광촉매가 제시되고 있는 실정이다. 1972 년 도쿄대의 대학원생이던 Fujishima와 Honda가 이산화티탄 광촉매를 이용한 물의 분해 반응을 시작으로 그 활용에 대한 연 구가 국내외로 진행중에 있다.(Fujishima and Honda, 1972) 이 산화티탄(TiO2)이 대표적인 광촉매로 활용되는데 이는 반도 체이고 일반적으로 아나타제(anatase)형으로서 밴드갭 에너 지(Eg)가 약 388nm로 자외선(400nm) 이하 영역에서 우수한 광 활성 반응이 일어난다. 광촉매 표면층은 자외선과 반응할 경우 광산화 분해작용으로 세균, 곰팡이균 등을 제거하는 항균작 용, 기재 표면에 부착될 수 있는 오염물질의 분해 및 제거, 악취 제거 그리고 공기 중의 질소산화물 등의 유해물질을 제거하는 기능을 수행한다. 광촉매는 현재 일본 동경이과대학의 광촉매 연구센터(PIRC, Photocatalysis International Research Center) 를 중심으로 활발하게 연구 및 현장 적용 중에 있다. PIRC에 서는 가소성 폴리카보네이트 기반의 경량, 자기세척성능 TiO2의 제작(Adachi et al., 2018), TiO2형 다공성 실리카관 의 정수 성능에 대한 연구 등이 진행 중에 있고(Hayashi et al., 2017), 일반적으로 잘 알려진 TiO2 뿐 아니라 CeO2를 활 용한 실내 공기질 정화 연구(Magudieshwaran et al., 2019), α -Fe2O3와 TiO2 계층적 이질적 구조 제작(Han et al., 2017) 등의 광촉매, 광전자반응 등의 선진적인 연구가 수행되고 있다. 국 내에서는 이와 같은 광촉매 관련 연구를 기반으로 건축물 및 토목 시설물에 적용하기 위해 콘크리트에 광촉매를 혼입하거 나 도포하여 질소산화물 제거성능을 평가하는 등 활발하게 이루어지고 있다(Kim, 2009(a);Kim, 2012(b);Park et al., 2001). 그러나, 광촉매의 우수한 성능은 높은 단가와 자외선 에만 반응한다는 결점으로 활용성이 떨어진다. 이에 본 연구 에서는 빛을 투과시키는 빛 감성친화형 콘크리트(Light Emotion Friendly Concrete, LEFC)에 광촉매를 혼입하여 자 외선을 받는 영역을 증가시켜 빛 투과면의 광촉매 반응으로 효율을 극대화하고자 한다.

    1.2 연구의 목적

    광촉매 반응을 일으키기 위해서는 콘크리트 표면에 적정량 의 광촉매 입자를 고정하여 자외선에 노출시키는 면적을 높 여야 한다. 빛 투과콘크리트는 자외선 입자를 콘크리트의 반 대편으로 투과시킬 수 있어 일반 내·외장재료보다 광 노출면 적을 향상시킬 수 있는 장점이 있다. 가장 널리 알려진 빛 투과 콘크리트인 Litracon은 광섬유를 전체 콘크리트 체적의 4-10% 배열하여 타설한다. 광섬유의 우수한 빛 투과성을 활 용하여 심미성을 극대화하는 장점을 갖고 있다. 또한 일반 콘 크리트에 비하여 강도가 크게 저하되지 않는 장점도 갖고 있 다. 그러나 빛 투과 방향으로의 직선 배열이 어려워 제작기간 이 길다는 점과 높은 광섬유의 단가로 인해 국내에는 보급이 거의 이루어지지 않고 있다.

    이에 따라, 국내에서는 광섬유를 경질의 플라스틱 봉으로 대체하여 제작 난이도 및 단가를 감소시킨 빛 감성친화형 콘 크리트가 개발되었다(Kim, 2017). 그러나 빛 투과 콘크리트 의 특성상 아크릴 봉의 삽입으로 인하여 콘크리트 매트릭스 와 투명 재질간의 재료적 차이가 발생하여 부착력이 저하되 었다. 인공경량골재 활용 LEFC에서 다소 낮은 수치의 휨 강 도를 나타내는 것을 확인하였다. 아크릴 봉을 삽입하지 않은 No Bar 시험체는 평균 1.7 MPa의 강도를 보였으나 직경 5mm 봉을 15mm 간격으로 삽입했을 때 약 34% 저하된 1.12MPa을 보였다. 이의 보완을 위한 섬유의 과다 혼입은 미흡한 유동성 으로 봉 간격 사이를 다짐의 어려움을 초래하였다. 또한, Photo 1과 같이 휨 시험 파단면은 아크릴 봉 삽입 지점을 따라 파단되는 것으로 보아 아크릴 봉 삽입으로 단면결손이 야기 되어 강도 감소가 발생하는 것으로 판단되었다. 결국, 우수한 역학성능, 유동성 및 자기충전성능 확보가 모두 필요하다고 판단되었다(Kim, 2018;Kim et al, 2018;Kim et al, 2019).

    이를 위해 100MPa 이상의 우수한 압축강도를 갖고 뛰어난 내구성, 유동성 및 자기충전성능을 갖는 초고성능콘크리트 (UHPC, Ultra High Performance Concrete) 재료를 활용하여 역학적 특성을 보완하였다. 기존 연구의 UHPC를 응용한 LEFC의 휨 강도 시험 결과에서 No Bar 10MPa에서 봉 삽입 시 7.54MPa로 약 25% 저하되어 기존보다 강도 감소 정도가 9% 낮은 것을 확인하였다. 그리고 슬럼프/플로우 시험, J-ring test 및 L-box test를 통해 우수한 유동성 및 자기충전성능을 확 보하였다(Kim, 2018;Ryu, 2017).

    Fig. 1의 3D로 표현한 모델에서 LEFC는 투과면까지 빛이 전달되어 표면에 분산시켜 빛과의 반응을 유도한다. 이는 광 촉매 반응면적 증가로써 광촉매 반응효과 향상 가능한 특장 점을 갖고 있다. 따라서 LEFC에 광촉매를 혼입함으로써 일반 콘크리트에 광촉매 혼입 시보다 대기 정화 성능이 우수할 것 이라고 판단된다. 그러나, 광촉매를 전체 콘크리트 체적에 혼 입하게 되면 광촉매가 반응할 수 없는 콘크리트 내부에 다량 존재하게 되어 비경제적이다. 그래서 두께가 얇은 패널 제작 혹은 블록 표면에만 광촉매를 분포시키는 방식 등을 고려할 수 있다.

    이에 본 연구에서는 Fig. 2(b)와 같이 일반 콘크리트 내부 선 타설 혹은 빈 공간(단열재, 경량부재 등)으로 채우고 광촉매 가 혼입된 콘크리트를 타설하는 이중타설 구조로 광촉매 사 용량을 감소시킬 수 있는 방법을 개발하고자 한다. 즉, 광촉매 콘크리트 블록의 최적 두께를 결정하기 위해 플라스틱 봉의 직경 및 간격의 영향, 양생하는 과정에서의 건조수축에 의한 광촉매 타설부의 결함 여부, 콘크리트 표면 분석(EDS, Energy Dispersive X-Ray Spectrometer)을 통해 효율적이고, 경제적 인 경량형의 광촉매 적용 빛 투과 노출 콘크리트(P-LEFC) 블 록을 제작하고자 한다.

    2. 실험 개요 및 방법

    2.1 사용재료

    본 연구의 LEFC 블록 제조에 사용된 재료는 Table 1에 나타내 었다. 1종 보통포틀랜드 시멘트, 실리카 퓸, 실리카 샌드, 인공경 량골재, 충전재, 고성능 감수제, 강섬유, PVA섬유를 사용하였 다. 실리카 흄은 비표면적 20m2/g의 미세한 입자들로 준비하였 고, 호주산 규사(실리카 샌드)를 사용하여 충전 효과를 높였다. 또한, 규사 일부를 비중 0.6, 비표면적 2∼4mm의 인공경량골재 (ALC, Autoclaved Lightweight Concrete)로 치환하여 블록의 자 중을 줄이고자 하였다. 충전재는 필러효과를 위해 5∼25μm의 실리카계 미분말을 사용하였다. 고성능 감수제는 폴리카르본 산계 액상형으로써 단위수량 감소 및 유동성을 증진시키고자 사용하였다. 강섬유는 직경 0.2mm 길이 13mm의 직선형을 사용 하였고, PVA섬유는 직경 0.004mm, 길이 12mm로써 아크릴 봉 의 간격을 고려하여 짧은 길이의 섬유를 사용하였다. 본 재료들 을 혼합하여 제작한 향상된 LEFC 블록을 Fig. 1에 나타내었다.

    2.2 실험 방법

    우선, 자기충전 성능확보를 위해 시험배합을 진행하였다. UHPC 배합을 바탕으로 Table 2에 배합비를 나타내었다. 배 합조건을 달리하여 Slump test, J-ring test, L-box test를 진행하 여 우수한 결괏값을 갖는 최적 배합을 결정하였다. 시멘트, 실 리카 퓸, 잔골재, 충전재, 경량골재를 5분간 건비빔하고 배합 수 및 고성능 감수제를 투입하여 5분간 비빔하였다. 이후 PVA섬유와 강섬유를 혼입하였다. 이 때, 섬유뭉침(fiber-ball) 현상이 발생하지 않도록 천천히 혼입하며 분산효과를 위해 섬유 투입 후 비빔 시간을 3분 이상 실시하였다(Choi et al, 2015).

    PVA 섬유는 ALC 인공경량골재의 들뜸 현상 및 재료 분리 를 방지하는 효과를 위해 투입하였다(Kim, 2018). 배합 순서 는 Fig. 3과 같다. ASTM C1611 Standard Test Method for Slump Flow of Self-Consolidating Concrete에 준하여 Photo 2와 같이 슬럼프 시험을 실시하였다. 기준에 따르면, 시험기 의 넓은 개구부가 아래로 향하게 실시하거나 거꾸로 뒤집어 실시할 수 있다. 본 실험에서는 시험기를 뒤집어 다짐없이 콘 크리트를 채운 후 3초 이내에 시험기를 들어 올렸고 콘크리트 의 흐름이 멈추었을 때, 콘크리트의 가장 큰 부분 길이와 이에 수직 방향 길이를 평균 내었다.

    단위용적 시험 KS F 2409 굳지않은 콘크리트의 단위용적 질량 및 공기량 시험방법(질량방법)에 따라 시료를 용기에 1/3씩 채우고 다짐봉으로 25회씩 다졌으며 용기의 바깥쪽을 10∼15회씩 고무망치로 두드려 콘크리트 표면에 큰 기포가 관찰되지 않도록 하였다. 그리고 용기 외부의 콘크리트를 제 거한 후 질량을 측정하였다. 국내에는 자기충전성능 평가를 위한 기준이 존재하지 않아 국외의 평가 기준에 따라 진행하 였다. Fig. 4

    J-Ring 시험은 ASTM C1621 Standard Test Method for Passing Ability of Self-Consolidating Concrete by J-Ring에 따라 J-Ring 시험을 진행하였다. 원형 몰드와 슬럼프 콘의 중 심점을 맞춘 후, 슬럼프 시험과 동일하게 다짐없이 콘을 콘크 리트로 모두 채웠다. 이후 콘을 들어올려, 콘크리트가 J-Ring 사이를 빠져나가게 하고 콘크리트의 흐름이 멈추면 슬럼프 시험과 동일하게 길이를 측정하였다. 슬럼프 시험과 J-Ring 시험 결과 값의 차이가 25mm 이하일 시, 우수한 자기충전성 능(Passing Ability)을 갖는다고 판단한다. Fig. 5

    L-Box 시험은 BS EN 12530-10 Testing fresh concrete Part 10: Self-compacting concrete–L-box test에 따라 Photo 4와 같 이 진행하였다. 본 시험은 콘크리트 타설 시 다짐없이 퍼져나 가는 양상을 관찰하여 자기충전성능을 판단하는 것이고 투입 구로 콘크리트를 채워 재료분리 여부를 1분간 관찰한 후 출구 를 신속하게 열어 콘크리트가 철근 사이를 빠져나가 유동 정 지까지 기다려 h2(반대편 콘크리트의 높이)/h1(입구 콘크리트 의 높이)로 blocking ratio를 구하여 0.8 이상일 시 우수한 자기 충전성능을 갖고 있다고 판단하였다. 압축강도 시험은 KS F 2408콘크리트 압축 강도 시험방법에 따라 지름 100m로 공 시체를 제작하였고, 연마기를 사용하여 상하면을 다듬어 준 비하였다. 공시체 지름은 0.1mm까지 측정하였으며, KS 규격 에 정의된 산출 식에 따라 계산하였다. 휨강도 시험은 KS F 2405 콘크리트의 휨성능 시험방법에 따라 3등분 하중법에 의하여 실시하였다. 100mm x 100mm x 400mm의 공시체를 제작한 후 시험체에 충격이 가해지지 않도록 하중을 가하였 고, 그 속도는 분당 지간의 1/150으로 하였다. 처짐 측정장치 (LVDT. Linear variable Differential Transformer)를 이용하여 중앙지점의 처짐 정도를 확인하여 KS 규격에 따라 시험으로 얻은 하중-변위 곡선에서 변위가 지간 l의 1/150이 되기까지 의 면적으로 하여 유효 숫자 3자리까지 구하였다. Table 3에 나타나듯 광촉매 혼입률을 달리하여, TiO2의 분포도를 알아 보기 위해 EDS 분석을 실시하였다. Photo 3

    2.3 광촉매 빛 투과콘크리트 블록 제작 과정

    기존 빛투과 콘크리트 블록 제작 방식은 Fig. 8과 같았다. 타공판 몰드에 봉 삽입 후 자석판을 결합하여 콘크리트를 타 설하였다. 또한, 타공판 몰드에 봉을 결속시키기 위해 봉이 몰 드 양측으로 5mm씩 돌출된다. 돌출되는 봉의 절삭 및 연마 과 정으로 불필요한 노동력이 소모되었다. 이를 개선하기 위하 여 Fig. 8에 나타나듯, 단열재와 아크릴 판재를 결합하고 봉을 결속하고 몰드에 이를 삽입하여 타설하였다. 이로써 제작 과 정이 단순화되며 추가로 콘크리트 체적이 감소되어 경량화가 가능하다. Table 3과 같이 본 실험에서는 단열재 삽입 대신 빈 공간을 두어 진행하였다. 현저히 감소하는 단위중량뿐 아니 라 빛이 투과되는 LEFC의 특성으로 인해 광촉매 반응면적이 약 2배 증가하여 광촉매 사용량 감소와 사용효율이 향상된다. 빈 공간(V1)을 0%에서부터 60%까지 20% 간격으로 두어 경 제성과 경량성을 갖는 최적화된 블록 체적을 결정하고자 하 였다. 삽입되는 봉 규격은 블록 제작 난이도를 고려하여 시공 성이 우수한 직경 10mm, 간격 20mm로 정하여 진행하였다.

    3. 실험결과 및 분석

    3.1 굳지 않은 콘크리트 시험

    Table 4에 굳지 않은 콘크리트 시험결과를 나타내었다. 물/ 시멘트비(W/C) 25, 30, 35 모두 ALC 치환율이 상승할수록 단 위중량(t/m3)이 2.3에서 2.0으로 감소하는 것을 확인하였다. 현장 적용에 있어 블록 자중 감소는 운반 및 시공에 직접적인 영향을 주기 때문에, ALC를 일부 치환하는 것이 우수한 것으 로 판단된다. Slump flow 시험 결과 W/C가 높을수록, ALC 치 환율이 낮을수록, 그리고 섬유를 혼입하지 않을수록 Slump flow가 높아 고유동성을 나타내는 것을 확인하였고 J-Ring 시 험결과, 대체로 우수한 자기충전성능을 갖는 것으로 확인되 나 W/C 30% ALC 50% STF 0.5%를 혼입한 배합은 ALC의 치 환과 강섬유로 인하여 충분한 자기충전성능을 갖지 못하는 것으로 확인되었다. 또한, W/C 35% ALC 100% STF 0%를 혼 입한 배합도 60mm의 J-ring Passing Ability를 갖기 때문에 낮 은 자기충전성능을 갖는 것을 확인하였다. 분쇄한 ALC의 불 균질한 입자 특성으로 인해 유동성 확보에 영향을 미쳤고, 강 섬유 혼입으로 인해 섬유 뭉침 현상(Fiber-ball)이 발생하여 충 분한 유동성을 발휘하지 못하는 것으로 판단된다. L-Box 시 험결과, 모든 배합에서 0.8 이상의 우수한 L-Box ratio가 나타 남으로써 시험기의 입구를 들어 올려 콘크리트 반죽이 빠르 게 퍼져나가게 하는 시험으로써 콘크리트 타설 시 다짐없이 거푸집 내부를 충전할 수 있는 자기충전성능을 확인하였다.

    위의 시험들과 UHPC를 응용한 LEFC 연구에서 W/C가 35%일 경우 고유동으로 인한 재료분리 가능성을 고려하여야 하고, 강도 감소에 영향을 미치는 것으로 판단되었다. W/C가 25%일 경우 LEFC의 타설 용이성을 고려했을 때 자기충전성 능이 다소 미흡하여 각 봉 간의 충전 성능이 낮은 것을 확인하 였다. 따라서 본 연구에서는 유동성 및 강도를 고려하여 W/C 30%로 결정하였다(Kim, 2018). 경량성, 섬유 뭉침 현상 방지, 유동성을 고려하여 ALC 치환율을 50%로 결정하였고 연성이 증가하는 장점이 있지만, 플라스틱 봉의 좁은 간격으로 인한 작업성 및 자기충전성능의 저하를 고려하여 강섬유를 미혼입 한 W/C 30% ALC 50% STF 0% 배합으로 역학성능 시험을 진 행하였다.

    Fig. 6에 경량골재 치환율에 따른 flow의 변화를 나타내었 다. 경량골재 치환율을 변수로 하여 그래프를 작성하였는데, 모든 배합에서 경량골재 치환율이 상승할수록 flow의 감소를 확인하였다. 이에 경량골재가 유동성 및 자기충전성능 감소 에 영향을 미친다고 판단하였다. Fig. 7에는 경량골재 치환율 에 따른 J-ring flow의 변화를 나타내었고 Fig. 6과 유사하게 W/C와 STF를 고정하고 경량골재만을 변수로 하였을 때, 경 량골재 치환율이 상승할수록 J-ring flow가 감소하는 경향을 나타내었다. 즉, W/C의 증가, 경량골재 혼입의 증가에 따라 유동성 및 자기충전성능이 감소한다는 것을 확인하였고 Table 4 및 Figs. 67에 따르면, flow와 J-ring flow 수치의 유 사성이 확인할 수 있다. 이는 배합재료 중 최대 직경을 가진 재 료는 13mm 강섬유이고 J-ring 규격 중 철근 간격인 60mm 통 과에 지장이 없었기 때문으로 사료된다.

    3.2 압축강도 및 휨강도 시험

    본 연구에서는 Table 2 배합설계에 따라 진행하였고, 광촉 매 혼입률에 따른 역학성능을 평가하기 위하여 시멘트 중량 비 광촉매를 0%, 5%, 10%, 15% 혼입률 별로 3개씩 공시체를 제작하여 역학성능 시험을 진행하였으며 압축강도 시험결과 를 Fig. 8에 나타내었다. 60MPa 이상의 압축강도를 갖는 것으 로 확인되었으며, 일반적인 UHPC 배합에 비해 낮게 측정되 었는데 이는 높은 W/C 설정 및 증기양생이 아닌 일반 습윤양 생의 결과로 판단되며 향후 고강도 확보를 위해서는 증기양 생이 필요할 것으로 사료된다. 휨강도 시험결과, 모든 배합에 서 6MPa 이상의 휨강도를 갖는 것으로 확인되었고 이는 Fig. 9에 나타내었다. 휨 강도는 0% 배합에서 10% 내외의 오차로 서 큰 편차가 발생하지 않았으나 압축 강도에서는 광촉매 혼 입률에 따라 강도 변화가 상대적으로 뚜렷하게 나타났다. 0% 배합에 비해 5%는 압축 강도가 8% 증가하였고 10% 혼입에 서는 배합 시 광촉매 분산이 적절히 이루어지지 못해 강도가 12% 저하된 것으로 판단된다. 5% 및 15%에서는 비표면적 60m2/g인 광촉매가 필러효과를 발휘함으로써 콘크리트 내부 의 미세공극을 채워 강도가 각각 8%, 16% 증가하는 것으로 판단된다. 따라서 LEFC의 비구조체 적용에 적합한 압축강도 및 휨강도를 갖는 것을 확인하였다.

    3.3 광촉매를 적용한 빛투과콘크리트 블록 제작 및 변수 분석

    광촉매를 표면에 집중시켜 경제성을 향상시키고, 불필요한 체적을 감소시켜 경량성을 확보하기 위하여 Table 3과 Photo 5에 따라 광촉매 빛투과 콘크리트 블록을 제작하였다. 레이저 CNC 가공기로 아크릴 판재를 절단하여 아크릴 봉 삽입 공간 을 확보하였고 콘크리트 블록에 삽입할 수 있도록 정확한 수 치를 바탕으로 제작하였다. 콘크리트 측압으로 인한 형태 변 형 방지 목적으로서 간격판재를 추가로 블록 사이에 설치하 였다. 아크릴판 및 봉 조립 후, 콘크리트 블록 거푸집에 삽입 하여 타설을 실시하였다. 28일 양생 후, Photo 5(e)와 같이 간 격에 따른 광촉매 빛투과 콘크리트 블록을 생산하였다.

    실험 결과, 내부공간(V1)을 일정 체적(20, 40, 60%)으로 비 운 시험체 모두 표면에서 수직 혹은 수평 균열이 관찰되었다. 시험체가 양생되는 과정에서 콘크리트의 건조수축으로 인한 내부응력이 발생하여 아크릴재의 변형을 일으켜 시험체 표면 에서의 균열이 발생한 것으로 판단된다. 후속 연구에서는 내 부에 경량의 단열성능을 가지며, 건조수축으로 인한 응력에 저항이 가능한 방안을 고려하고자 한다. 또한, 시공성 향상 및 광촉매 혼입량 절감으로 인한 경제성이 고려된 시험체 제작 을 할 필요가 있을 것으로 판단된다.

    Fig. 10은 광촉매 적용 빛투과콘크리트 블록 단면의 변수를 나타낸 그림이다. 단면의 가로 길이를 L, 세로 길이를 H라 하 고, 봉의 직경을 Di, 봉의 간격을 Ii로 나타내었으며 콘크리트 단면적에서 플라스틱 봉이 차지하는 면적비를 Apr이라 하였 다. LEFC는 플라스틱 봉의 삽입으로 OPC에 비해 광촉매 반 응 면적 Pa는 감소하는 것을 Fig. 15를 통해 확인하였다. OPC 의 Pa는 블록 단면 면적을 A라고 하였을 때 A = L * H가 되 는 반면, 광촉매 적용 빛투과콘크리트 블록은 봉의 직경 Di 와 간격 Ii에 따라 Pa가 변화한다. 이를 구하기 위해 플라스틱 봉 수는 100mm x 100mm x 400mm 휨 공시체를 기준으로 다 음과 같은 식에 따라 계산하였다. Fig. 11

    x i D i + ( x i 1 ) I i + 2 t m = 400
    (1)

    y i D i + ( y i 1 ) I i + 2 t m = 100
    (2)

    여기서, xiDiIi에 따른 가로축(L) 봉의 개수이고 yiDiIi에 따른 세로축(H) 봉의 개수이다. 콘크리트 단면 의 파단을 고려하여 단면 최소 두께 tm을 10mm씩을 부여하였 고 xiyi는 이를 넘지 않는 최대 정수로 구하였다. 식 (1), (2) 에 따라 LEFC는 투과면이 존재하여 단순 계산에 따라 2배가 되기 때문에

    P a = 2 ( A x i y i π D i 2 / 4 )
    (3)

    이 도출된다. 위 식에 따라 DiIi 별 플라스틱 봉의 수, Pa, Apr 등을 구하였고 Table 5에 나타내었다. 전체 콘크리트 체적 중 광촉매를 혼입한 콘크리트 체적을 Vpc라 하였으며 광촉매 사 용량 Pu는 Vpc 100%를 기준 1로 하여 나타내었다. Table 5와 Fig. 12에서는 콘크리트 체적이 80%일 때에는 광촉매 사용량 이 20% 감소하기 때문에 광촉매 사용량을 1/5로 절감할 수 있 다는 것을 확인하였다. 또한, 단위중량의 감소 효과도 나타내 었다. 체적 20% 광촉매 콘크리트는 단위중량 0.44t/m3 로서 초경량 콘크리트 블록을 제작할 수 있다는 것을 수치적으로 확인하였다. 변수에 대한 데이터를 기반으로 향후 광촉매 적 용 LEFC 블록을 제작할 수 있을 것으로 기대된다. 직경 5mm ∼10mm의 봉을 1mm 간격으로 봉 간격에 따른 콘크리트의 단면적 비율을 Fig. 13에 나타내었고 Ii가 커짐에 따라 Apr이 감소하는 반면 Di가 커짐에 따라 Apr이 증가하는 것을 확인하 였다. 콘크리트 단면적의 변화에 따라 광촉매 반응 면적도 변 화하기 때문에 OPC와 LEFC의 광촉매 반응효과 Pe의 변화를 Figs. 14, 1516에 나타내었다.

    Pe는 Pa와 달리 광촉매 면적이 아닌 광촉매 효율이기 때문 에 빛, 아크릴 및 거리 등을 고려해야 하나, 본 논문에서는 아 크릴 투과율 및 벽면의 반사율을 일부 고려하였고 광원과의 거리, 광원의 세기, 빛의 회절 및 간섭 등은 고려하지 않았는 데 이는 빛의 사용에 따라 발생하는 변수이지만 과도하게 다 양한 변수를 고려할 시 본 논문의 주제를 벗어난다고 판단하 였기 때문이고 광원은 콘크리트 단면에 수직 방향으로 입사 되며 직진성을 갖고 이외의 빛은 존재하지 않는 것으로 가정 하였다. 이를 적용한 식은 다음과 같다.

    P e A = ( A x i y i π D i 2 / 4 ) A * 100
    (4)

    P e B = ( A x i y i π D i 2 / 4 ) A * T a c r y l i c * R * 100
    (5)

    여기서, P e A 는 LEFC 입사면 광촉매 효율이고, P e B 는 LEFC 투과면의 광촉매 효율을 뜻한다. 아크릴의 투과율 (Tacrylic)은 PMMA계로 0.92를 적용하였고 거리에 의한 빛의 세기 감소는 무시하였으며 벽면은 백색으로서 반사율(R)을 0.85로 적용하였다(Yang et al, 1993;Oh et al, 2018). 빛의 입사 면 A만을 고려하였을 때에는 LEFC보다 OPC가 효율이 우수 하다고 판단할 수 있으나 LEFC는 빛이 투과되기 때문에 투과 면 B에서의 반응으로 인해 우수한 Pe를 갖게 된다. OPC의 광 촉매 반응 Pe = 100%라 할 때, LEFC 블록의 빛 입사면 LEFC_A는 플라스틱 봉의 삽입으로 Pe가 감소하나 투과면 B 를 고려하였을 때의 LEFC_A+B는 빛 입사면 뿐만 아니라 투과 면까지 광촉매 반응 효과가 나타나기 때문에 Figs. 14, 1516 에서 OPC는 100%의 Pe를 나타내고 LEFC_A는 광촉매가 혼입 된 콘크리트 단면의 감소로 효율이 감소하게 된다. 그러나, 투 과면을 고려한 LEFC_A+B는 150% 이상의 Pe를 가질 수 있는 것으로 보인다. 현재 이는 산술적인 수치이나, 실질적인 LEFC의 광촉매 효율 검증을 위하여 빛의 투과성을 고려한 시 험 기준 마련 및 시험 결괏값을 제시할 필요가 있다고 판단된 다. 결과적으로 LEFC는 봉 간격 증가에 따라 봉이 차지하는 단면적의 감소로 제작 용이성은 상승하지만, 투명성(해상도) 및 빛 투과로 인한 광촉매 반응효과가 감소한다. 광촉매 적용 LEFC 블록 제작 시 봉의 직경 및 간격 변화로 인한 콘크리트 표면에서의 광촉매 반응면적비를 고려하여야 하고 향후 시작 품 제작 시 적용 위치별 최적화된 P-LEFC 제작에 위 데이터 를 중요한 변수로 활용하고자 한다. 또한, 위 실험 및 데이터 를 기반으로 향후 연구에서 P-LEFC와 OPC의 NOx 제거 성능 평가를 KS L ISO 22197-1에 따라 비교 시험하여 우수한 NOx 제거성능평가가 요구된다.

    3.4 EDS를 통한 미세구조 분석

    TiO2 광촉매를 빛투과 콘크리트에 활용하고자 EDS 분석 을 실시하여 TiO2의 분포도를 수치적으로 Table 5와 같이 확 인하였고, Fig. 17, 1819에서 Ti 입자 분포를 구분할 수 있었 다. 시멘트 중량비 광촉매 5% 혼입 결과, Ti 입자가 2.1% 분포 하는 것을 확인하였으며, 광촉매 10% 혼입 시편에는 4.1% 분 포하였고 15% 혼입 시편에는 Ti 입자가 4.9% 분포하는 것을 확인하였다. 결론적으로 광촉매 혼입률이 증가함에 따라 시 편에 존재하는 Ti 입자량이 증가하는 것을 확인하였고 이를 바탕으로 향후 광촉매 혼입률을 10% 이하로 세분화하여 광촉 매 콘크리트인 P-LEFC의 NOx 등의 미세먼지 전구물질 분해 성능 평가를 진행할 예정이다. Table 6

    4. 결 론

    현재 국내⋅외적으로 중요한 화두인 미세먼지 저감을 위해 저비용 고성능 광촉매 활용 빛투과 콘크리트 블록을 개발하 고자 하였다. 그 결과는 다음과 같다.

    • 1) 자기충전성능을 확보하기 위해 UHPC 재료인 실리카 퓸, 실리카 샌드, 충전재, 고성능감수제 등을 활용하여 재료 배합을 실시하였다. 최적 배합인 W/C 30%, ALC 50%, STF 0%에서 가장 우수한 자기충전성능을 갖는 것 으로 확인되었다.

    • 2) 굳지 않은 콘크리트 시험 분석 결과, 경량골재 혼입율과 물/시멘트비의 증가에 따라 flow 및 J-ring flow가 점차 감소하는 직선 혹은 직선에 가까운 경향을 나타내는 것 을 확인하였다.

    • 3) 블록의 압축강도는 ALC의 혼입으로 평균 60MPa 이상, 휨강도는 평균 6MPa 이상의 충분한 역학 특성을 확보하 였고 향후 다양한 건축물의 내·외장재에 적용할 수 있을 것으로 기대된다.

    • 4) 미세구조 분석 결과, 광촉매 혼입률이 상승할수록 시편 에 포함된 광촉매 분포도 또한 상승하는 것으로 나타났 다. 광촉매 혼입률 15%일 때, 분포도 증가가 미비한 것 으로 확인되어 광촉매 혼입률은 10% 이하가 적당한 것 으로 판단되며, 향후 광촉매 혼입률을 10% 이하로 세분 화하여 시편을 제작한 후 NOx 등 미세먼지 전구물질 분 해 성능 평가를 진행할 예정이다.

    • 5) 광촉매 빛투과 콘크리트 블록 제작을 통하여 내부의 빈 공간 구성으로 광촉매를 혼입한 콘크리트 체적을 현저 히 줄일 수 있고, 상대적으로 고가인 광촉매를 표면에 집 중시킬 수 있었으며, 이는 경제성이 뛰어난 블록을 제작 할 수 있을 것으로 판단된다.

    그러나 본 연구 수행 과정에서 발견된 빛투과 블록에서의 건조 수축에 의한 균열 발생 문제는 경량 소재 혹은 우수 단열 성능 재료를 활용하여 내부에 채우거나, 두께를 조절하는 등 실무적 후속 연구를 통하여 현장 보급이 가능한 광촉매 빛투 과 콘크리트 블록으로 개선하고자 한다.

    감사의 글

    This research was supported by the Ministry of Land, Infrastructure and Transport Construction Technology Research Project(19SCIP-B146251-02).

    Figure

    JKSMI-23-6-120_P1.gif

    Flexural Strength test result and cross-section(Kim, 2018)

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    3D model of photocatalytic LEFC

    JKSMI-23-6-120_F2.gif

    Examples of LEFC bock

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    Slump test

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    Mixing procedure

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    J-ring appratus by ASTM C 1621

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    Procedure of LEFC

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    J-ring test

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    L-Box test

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    Flow versus aggregate replacement rate

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    J-ring flow versus aggregate replacement rate

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    The result of compressive strength test

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    The result of flexural strength test

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    Procedure and result of photocatalytic LEFC blocks

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    Parameters of photocatalytic LEFC

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    Parameters of photocatalytic LEFC

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    Rate of photocatalytic usage and unitweight to volume of photocatalytic LEFC

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    section ratio to interval of plastic rods

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    Pe to type of concrete(Ii 10mm)

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    Pe to type of concrete(Ii 15mm)

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    Pe to type of concrete(Ii 20mm)

    JKSMI-23-6-120_F17.gif

    The result of EDS (5% photocatalyst to cement ratio)

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    The result of EDS (10% photocatalyst to cement ratio)

    JKSMI-23-6-120_F19.gif

    The result of EDS (15% photocatalyst to cement ratio)

    Table

    Properties of materials

    Mix proportion (ratio in weight) and experimental conditions

    Photocatalytic concrete block volume optimization test plan

    Test results

    Parameters of lightweight photocatalytic LEFC blocks

    Element content of photocatalytic concrete

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