KR100997486B1

KR100997486B1 - 투수카본콘크리트 구조물

Info

Publication number: KR100997486B1
Application number: KR20100056274A
Authority: KR
Inventors: 권병무; 이장목; 권광주; 박상균; 장태권
Original assignee: 대명콘텍 주식회사
Priority date: 2010-06-15
Filing date: 2010-06-15
Publication date: 2010-12-01

Abstract

본 발명은 투수카본콘크리트 구조물에 관한 것으로 중량비로 고로시멘트 15~25%, 굵은골재 35~68.7%, 천연경량골재 15~40%, 실리카흄 1~5%, 섬유보강재 0.1~1.5%, 광촉매 담지폐목탄분말 0.1~0.5%, 혼화제 0.1~0.5%로 조성된 투수카본콘크리트 조성물 100중량부에 배합수 5~15%비율로 배합한 콘크리트몰탈로 성형 양생하므로서 우수한 투수성, 경량성과 수질정화기능을 확보할 수 있고 이에 더하여 단열, 방음 및 식생기능을 동시에 갖일 수 있으며 강도 또한 기존 투수콘크리트에 비해 동등 이상의 강도를 발현할 수 있는 친환경적인 투수카본콘크리트 구조물에 관한 것이다.

Description

투수카본콘크리트 구조물{carbon-concrete construction hawing porosity}

본 발명은 투수카본콘크리트 구조물에 관한 것으로, 구체적으로는 고로시멘트, 굵은골재, 천연경량골재, 실리카흄, 섬유보강재, 혼화제 그리고 오ㆍ폐수 처리에서 발생되는 염화티탄 및 황산티탄이 함유된 폐슬러지를 처리해서 얻어지는 광촉매(TiO₂)를 폐목을 탄화시켜 얻어진 폐목탄에 침투 결착시켜서된 광촉매 담지폐목탄분말로 조성되는 투수카본콘크리트 조성물에 소량의 배합수를 첨가한 콘크리트몰탈로 성형하므로서 제조되는 투수카본콘크리트 구조물로서 광촉매 담지폐목탄분말을 콘크리트에 적용하므로서 메틸렌블루 흡착률과 대기중에 존재하는 아세트알데히드 제거율이 탁월하며 수중의 화학적산소요구량(COD), 총질소(T-N), 총인(T-P)의 제거율을 높힐 수 있고 잔골재 없이 굵은 골재와 천연경량골재를 콘크리트 조성물로 사용하므로서 우수한 투수성 경량성을 확보할 수 있으며 투수성과 경량성에 의해 야기되는 강도의 취약점을 실리카흄 및 섬유보강재로 보상해서된 친환경성의 투수카본콘크리트 구조물에 관한 것이다.

최근 수질분야에서 환경오염에 대한 사회적인식이 증가하고 있으며, 수질오염에 대한 규제항목과 기준이 점점 강화되고 있다. 이와 같은 시점에서 4대강 유역개발 등 국내 하천 및 호수 등을 중심으로 한 개발이 계속 진행되고 있어 친환경적 개발에 대한 필요성이 계속적으로 증가하고 있다. 이에 하천범람을 조절하는 치수사업을 효율적으로 진행하면서 하천 및 호수의 수질을 유지하는 것이 매우 중요한 과제라 하겠다. 이와 같은 측면에서 식생이 가능하고 수질정화 기능성을 가지고 있음과 동시에 하천정비를 진행할 수 있는 제품에 대한 요구가 날이 가면 갈수록 증가하고 있다.

이와 함께 산업 및 제조공장, 일상생활의 부산물로 버려지는 폐기물 역시 환경을 파괴하는 주요한 요인으로 작용하고 있다. 예를들면, 2004년도에 국내 목재 폐기물은 약 1100만㎥ 발생한 것으로 여겨지며 이중 소각처리비율은 약 90%이상, 단순소각처리 비율도 30%이상을 차지하고 있다. 단순소각처리를 통해 발생하는 소각재(ash)는 현재 전량폐기되고 있으며, 소각공정에서 발생하는 매연 역시 대기오염을 유발하는 인자로 작용하고 있다. 또한 2004년도 국내 정수ㆍ하수처리과정 중에 발생하는 슬러지는 약 240만톤으로 알려져 있으며, 이중 재활용되는 양은 전체의 10%인 24만톤에 불과하다.

본 개발대상기술에서는 위에서 언급한 2가지 문제점을 동시에 해결할 수 있는 방안을 제시한다. 그것은 현재 발생하는 폐기물을 하천유역개발용으로 전용하여 사용하는 것이다. 그러나 단순히 폐기물을 하천유역개발용으로 전용하는 것은 무리가 있다. 왜냐하면 폐기물에는 어떤 유해물질이 존재할지 모르기 때문에 폐기물을 하천 정비용으로 사용할 경우 폐기물에서 용출되는 유해물질에 의한 2차 오염이 문제시될 가능성이 매우 높기 때문이다.

따라서 본 개발대상기술에서는 하천유역을 개발할 수 있는 콘크리트 2차 제 품을 개발하는데 폐슬러지 및 폐목재 등을 이용하고자 한다. 일단 이와 같은 폐기물을 이용함에 있어 유해성을 검증하며, 폐기물을 사용한 콘크리트 2차 제품의 성능이 얼마나 우수한지를 평가하고자 한다. 또한 이와 같은 폐기물을 가공ㆍ개조하여 환경정화기능을 가지는 제품으로 전환하여 사용하고자 한다.

콘크리트는 강도, 내구성, 치밀성 등의 강고한 특성을 지녔고 경제적인 면도 우수하며, 구조물의 건설재료로 유효하여 대량으로 사용되고 있다. 콘크리트 자체가 내구성이 우수한 재료이기 때문에 장기간 사용되어 환경부하가 크지 않은 장점을 가지고 있으나 물, 공기, 기타물질의 순환과 생물의 휴식공간확보라는 측면에서 볼때 환경적인 측면에서 많은 단점이 될 수 있다. 실제적으로 지금까지 콘크리트제품들이 자연순환, 생물배려, 경관배려 등에 대한 개선노력이 그다지 이루어지지 않았고, 콘크리트가 금후에도 유용한 건설재료로 사용되기 위해서는 환경부하를 미치지 않아온 것이 사실이며, 콘크리트가 금후에도 유용한 건설재료로 사용되기 위해서는 환경부하를 미치지 않는 것뿐만 아니라 이것을 저감 할 수 있는 기능을 가지며 콘크리트로 변화하는 것이 중요하다. 이를 위해 콘크리트에 폐기물재료 등을 도입하여 자원순환성 기능성을 가지게 하는 것과 콘크리트 자체가 식생, 수질정화기능성 등을 가지게 하는 것이 필요하다. 이와 같은 콘크리트가 식생, 수질정화 등의 기능성을 가지게 하는데 있어 가장 적합한 형태가 포러스 콘크리트타입의 콘크리트 2차 제품일 것이다. 콘크리트를 다공질로 한다는 것은 콘크리트 내에 연속공극, 독립공극, 혹은 이 양자를 다량으로 도입한 것을 의미한다. 연속공극을 많이 함유한 포러스콘크리트는 경화체 내에 물이나 공기가 자유로이 통과하기도 하며, 식재에 필요한 양분이나 뿌리가 침입하기도 하고 내부를 포함하여 매우 넓은 표면을 지니고 있다. 이 때문에 투수성, 흡음성, 수질정화 기능성이 있으며, 식재도 가능하며 열특성이 보통 콘크리트와 다른 특징을 가지고 있어 환경부하저감을 위한 다방면의 이용을 고려할 수 있다.

이와 같은 형태의 종래제품으로 일본의 오카노콘크리트(OKano Concrete)에서는 숯이 3~5% 함유된 콘크리트수로관, 호안블록을 생산, 판매하고 있다. 숯 함유 콘크리트는 다공성구조를 가지고 있어 14일간 일반콘크리트 대비하여 화학적산소요구량(COD) 및 생물화학적 산소요구량(BOD), 총인(T-P) 등의 수질오염지표를 절반 이하로 감소시켰다고 오카노콘크리트에서 주장하고 있다.

또한 일본의 치바콘크리트에서는 기능성 에코콘크리트를 제작하여 생산하고 있다. 본 제품은 식생기능성 및 투수성을 가지고 있으나, 직접적인 수질정화기능성 등에 대한 언급이 없다.

이외에 환경부하를 감소시킬 수 있는 기능성 콘크리트제품으로 다음과 같은 것들이 연구되었다.

일본공개특허 2004-099663에는 수쇄슬러그, 제올라이트, 수용성폴리머 등이 혼입되어 있어 투수성 및 내크랙 성능 등의 기계적 강도가 우수한 콘크리트제품을 제시하고 있으나 환경정화기능에 대한 언급은 없다.

일본공개특허 1997-328734에는 식생 등이 가능한 포러스(porous)콘크리트 2차 제품에 대한 기술이 제시되어 있으나, 본 제품 역시 수질오염물질을 제거하는 개념이 아니라 단순 흡착하는 개념이기 때문에 앞에서 언급한 것과 같이 장기간에 걸쳐 환경개선효과가 저하될 우려가 있다.

그밖에 국내등록특허공보(등록번호 제10-089401호)에는 "송이석을 이용한 투수성 콘크리트 구조물"이 소개되고 있으며, 이는 송이석골재, 포트랜드시멘트 그리고 트리칼슘알루미네이트, 트리칼슘실리케이트, 칼슘설포알루미네이트 및 칼슘실리케이트성분으로 구성된 고강도 시멘트로 조성된 콘크리트조성물로 성형한 콘크리트 구조물에 관한 것으로 다공성물질이여서 수분을 쉽게 흡수하고 여과하는 특성에 대하여는 언급하고 있지만 광촉매기능에 의한 오염물질의 분해 정화기능은 언급되지 않고 있다.

종래기술로서 공개특허공보(공개번호 제2010-18122호)에는 "환경친화형 다공성 식생콘크리트 조성물"에 관한 것으로 하천 및 해안의 호안블록이나 도로의 법면을 안정시키기 위한 호안블록이나 식생블록을 제조하는 다공성 식생콘크리트조성물로서 시멘트, 식물성 기포제, 양이온 흡착제, 식물성장 촉진제, 동결방지제 조성물로 발포시킨 다공성 식생콘크리트제품으로 다공질의 구성에 의해 수분의 배수 및 배수가 용이하여 식물의 성장을 용이하게 하는 다공성의 기능은 있지만 이 발명 역시 유해물질이나 오염물질 분해제거하는 기능은 언급되지 않고 발포시킨 다공체는 콘크리트 구조물의 강도가 취약하다.

수처리를 위해 응집ㆍ응결 침강제로 사용된 염화티탄 및 황산티탄의 폐슬러지와 폐목을 처리하여 광촉매와 폐목탄을 얻으므로서 1차 공해요인을 저감시키며 폐목탄분말에 광촉매를 침투결착시켜 광촉매 담지폐목탄분말을 제조하여 투수카본콘크리트에 적용하므로서 대기중의 유해물질인 아세트알레히드 또는 포름알데히드 제거기능, 수중에서 오물의 우수한 흡착능 그밖에 화학적산소요구량(COD), 총질소(T-N) 및 총인(T-P)의 제거율을 높힐 수 있는 수질정화기능과 투수성, 식생성 및 열차단성 및 보온성, 경량성을 확보할 수 있고 통상의 경량콘크리트강도와 대비 동등 이상의 강도를 나타내는 친환경성 투수카본콘크리트 구조물을 제공함에 있다.

중량비로 고로시멘트 15~25%, 굵은골재 35~68.7%, 천연경량골재 15~40%, 실리카흄 1~5%, 섬유보강재 0.1~1.5%, 광촉매 담지폐목탄분말 0.1~0.5%, 혼화제 0.1~0.5%로 조성된 투수카본콘크리트 조성물 100중량부에 배합수 5~15% 비율로 배합한 콘크리트몰탈로 성형된 투수카본콘크리트 구조물을 제조하므로서 본 발명의 목적을 달성할 수 있다.

본 발명에 의한 투수카본콘크리트 구조물은 중금속용출이 거의 없고 대기중에서는 인체에 유해한 증발성 유기화합물의 흡착성이 우수하고 수중에서는 미세오염물질의 흡착성과 화학적산소요구량(COD), 총질소(T-N) 및 총인(T-P)의 제거율이 탁월하며 식생이 가능하고 투수, 경량성, 열차단성, 보온성을 보유하면서도 통상의 투수 및 경량 콘크리트에 비해 동등 이상의 압축강도(100kgf/㎠이상)를 갖는 친환경성의 투수카본콘크리트 구조물이라 할 수 있다.

도 1은 폐슬러지를 재활용한 광촉매 사진.
도 2는 폐슬러지 재활용 광촉매가 적용된 광촉매 담지폐목탄 사진.
도 3의 (가)는 폐목탄의 SEM 이미지, (나)는 광촉매 담지 폐목탄 SEM 이미지(image).
도 4는 (가)는 폐목탄의 EDS 결과를 (나)는 광촉매 담지폐목탄의 EDS 결과를 나타낸 그림.
도 5는 투수계수 실험 모식도.
도 6은 압축강도 측정기(Universial Testing Machine).
도 7은 열전도도 측정기.
도 8은 수질정화성능의 기능유지 실험장치.
도 9는 투수카본콘크리트를 적용한 각 구조물의 사진.

본 발명의 특징은 수처리에 응집ㆍ응결 침강제로 염화티탄, 황산티탄을 사용함으로써 발생되는 폐슬러지와 폐기되고 있는 목탄을 처리하므로서 얻어지는 광촉매 담지폐목탄분말을 콘크리트조성물에 적용하므로서 대기중에서는 인체에 유해한 아세트알테이트, 포름알데히드 등의 VOC(증발성 유기화물)의 흡착력은 물론 수중에서도 오염물질의 흡착능이 우수하고 화학적산소요구량(COD) 및 총질소(T-N), 총인(T-P)을 크게 줄일 수 있어 수질정화능이 뛰어나고 또한 굵은 골재와 경량골재를 사용하므로서 투수성과 식생기능 및 경량성을 확보할 수 있으며 투수성과 경량성을 얻으므로서 취약해지는 강도를 실리카흄 및 섬유보강재의 첨가로 보상받을 수 있으므로서 통상의 투수경량 콘크리트의 강도대비 동등 이상의 강도를 높힐 수 있는 투수카본콘크리트 구조물이라 할 수 있으며, 이와 같은 구조물을 얻기 위한 조성물을 구체적으로 설명하면,

중량비로 고로시멘트 15~25%, 굵은골재 35~68.7%, 천연경량골재 15~40%, 실리카흄 1~5%, 섬유보강재 0.1~1.5%, 광촉매 담지폐목탄분말 0.1~0.5%, 혼화제 0.1~0.5%로 조성된 투수카본콘크리트 조성물 100중량부에 배합수 5~15% 비율로 배합한 콘크리트몰탈로 성형된 친환경성 투수카본콘크리트라 할 수 있다.

이상의 투수카본콘크리트조성물의 작용과 특징을 알아보면,

고로시멘트에 함유된 고로슬래그 또는 고로슬래그를 첨가한 시멘트는 포트랜드시멘트나 일반시멘트에 비해 내화학성이 우수하므로서 수중에 존재할 수 있는 수질오염물질에 대한 저항성이 강하고 알카리용출의 억제효과가 있기 때문에 식생 및 수질정화를 목적으로 하는 콘크리트에 사용함이 적절하고 고로시멘트 중에서도 내화학성과 침식이 적은 3300㎠/g 이상의 표면적을 갖는 3종 고로시멘트가 가장적합하다.

굵은 골재는 20mm메쉬를 100%통과하고 5mm메쉬를 14%통과하고 1.2mm메쉬에 남게되는 굵은 골재를 사용하고 큰 골재를 분쇄한 굵은 골재를 사용하였다.

본 발명 투수카본콘크리트 구조물에 사용된 굵은 골재의 물성치는 표(1)과 같다.

이상에서 정한 굵은 골재의 범위는 조립율, 안정성, 표건밀도, 절건밀도가 적절한 범위이고 지나치게 굵은 골재는 조성물에 첨가되는 광촉매 담지폐목탄분말의 분산면적을 적게 할 수 있으며 자갈과 같은 매끄러운 골재보다 큰 골재를 분쇄한 굵은 골재가 표면의 요철로 광촉매 담지폐목탄이 쉽게 고착될 수 있고 골재끼리의 맞물림 효과가 크다.

콘크리트제조에 사용된 굵은 골재의 물성치.

물 성 항 목		물 성 값	시 험 방 법
입도(%) (체를 통과하는 백분율)	20 mm	100	KS F 2502
	13 mm	98
	10 mm	59
	5 mm	14
	2.5 mm	3
	1.2 mm	1
조립률		6.21	KS F 2527
안정성 (Na₂SO₄)		4.4	KS F 2507
표건 밀도 (g/㎤)		2.63	KS F 2503
절건 밀도 (g/㎤)		2.61	KS F 2503
흡수율 (%)		0.85	KS F 2503
마모율 (%)		20.2	KS F 0508
실적율 (%)		59.7	KS F 2527

경량골재로는 밀도가 2.5g/㎤ 이하의 골재를 사용하고 이와 같은 경량골재로는 화산자갈, 응회암 등의 천연경량골재와 팽창성혈암, 팽창성점도(펄라이트, 버미귤레이트) 구조로 사용하고 특히 화산석계열의 천연경량골재가 아주 적합하다.

화산석(scoria)계열의 천연경량골재는 중금속흡착에도 뛰어난 효과가 있으며 원적외선 방사율도 92% 이상 방사하고 물리적인 특성으로는 내화도 1120~1210℃이고 흡수율은 17.7~32.5%로 일반자갈이나 모래보다는 높으며 기공내의 수분함량에 기인하는 절대건조비중은 1.31~1.90의 범위를 보이며 표면건조 비중 1.85~2.45보다 작다.

실리카흄은 1~5%정도 첨가할 경우 콘크리트의 강도를 높힘에 효과적이라 할 수 있고 5%이상의 많은량을 첨가하면 본 발명에서 시도하는 투수성을 효과적으로 기대할 수 없고 특히 투수성을 얻기 위해서 잔골재 없이 굵은 골재와 경량골재를 사용하므로서 취약해지는 강도보강을 위하여 실리카흄의 첨가는 필수적이라 할 수 있고 그밖에도 실라카흄은 재료분리 저항성, 내약품성을 증가시키는 효과가 있다.

섬유보강재 역시 투수 및 경량화에 따른 강도보강을 위하여 첨가되는 재료로서 인장강도, 휨강도, 충격강도를 높힐 수 있고 에너지흡수능력을 크게 할 수 있으며 또한 섬유보강재의 첨가로 워커빌리티의 감소를 막고 골재를 붙잡는 효과를 증가시킬 수 있는 섬유보강재로서 높은 강도를 갖는 나일론계열의 프래트얀을 사용한다.

혼화제는 실리카흄, 섬유보강재, 굵은골재의 다량사용에 따른 워커빌리티의 증가를 위해 혼화제의 사용은 필수적이며 혼화제로는 폴리카본산계의 고성능혼화제를 사용하였다.

그밖에 본 발명의 핵심적인 기술로 첨가되는 광촉매 담지폐목탄분말은 먼저 광촉매 및 폐목탄분말을 얻는 방법과 광촉매분말을 폐목탄에 담지하므로서 얻어지는 광촉매 담지폐목탄분말을 얻는 방법으로 구분된다.

(1) 광촉매.

오래전부터 오ㆍ폐수처리공정에서 쉽게 침전되지 않는 콜로이드상의 고형물과 침전속도가 극히 느린 부유고형물, 용존된 금속염, 기타유기화합물을 응집 응결 기작에 의한 플록생성, 화학반응에 의한 침전 pH의 이동에 의한 금속염의 석출 등의 매카니즘에 의해 발생하는 침강슬러지를 얻기 위해 응집 응결 침강제로서 황산알루미늄(Al₂O₄)₂, 황산제 1철(FeSO₄), 황산제 2철(Fe₂(SO₄)₃), 염화제 2철, 석회 등을 사용해 왔다. 그러나 최근에 이산화티타늄(TiO₂)계의 전구체인 염화티탄(TiCl₄), 황산티탄(Ti(SO₄)₂)이 응집 응결 침강제로서 우수한 효과가 인정되므로서 전술한 종래 응집 침강제를 대체 되어 가고 있다. 이와 같은 응집 응결 침강제에 의해 생성되는 염화티탄 및 황산티탄이 함유된 슬러지가 발생하게 되는데 이와 같은 슬러지를 탈수, 건조 소성하므로서 이산화 티타늄 광촉매를 얻을 수 있다.

여기에서 염화티탄과 황산티탄이 함유하는 슬러지를 소성하면 슬러지중의 유기물은 산화되어 제거되고 염화티탄과 황산티탄은 고열에 의해 분해되어 염소개스나 황산개스는 제거되고 티탄은 산화되어 이산화티타늄이 생산된다.

물론 이와 같은 이산화티타늄에는 비연소성의 무기물질이 소량함유된 광촉매(TiO₂)라 할 수 있다.

(2) 폐목탄분말.

폐목을 온도 500~800℃범위로 유지된 밀폐전기로에서 4~5시간 탄화시켜 얻어진 폐목탄을 분쇄하여 325±100메쉬로 분쇄하므로서 폐목탄분말을 얻었다.

(3) 광촉매 담지폐목탄분말.

상기 (1)에서 얻은 광촉매를 물 93.9~97.9중량%, 광촉매 1~3중량%로 분산시키고 볼밀에서 30RPM의 속력으로 10시간 볼밀링하여 평균입도 5㎛로 조정한 광촉매 수분산액에 암모늄기를 가진 양이온계 분산제를 0.1중량% 첨가하고 아크릴계 수용성 바인더 1~3중량% 첨가하여 광촉매 코팅액을 완성한다. 여기에 별도로 폐목을 온도 500~800℃로 유지된 밀폐전기로에서 4~5시간 탄화시킨 폐목탄을 325메쉬로 분쇄한 다음 이것을 앞에서 제조한 광촉매 코팅액과 1:5의 비율로 넣어 침지시키고 교반균질화시킨 다음 120℃에서 12시간 건조시킨후 물로 세척하여 폐목탄에 침투결착되지 않은 이산화티타늄입자(광촉매)를 세척하고 다시 120℃에서 4시간 건조시켜 분쇄하므로서 광촉매 담지폐목탄분말을 얻었다.

그밖에 배합수는 순수를 사용하여 배합수의 량은 강도에 영향을 미친다.

본 발명에서는 숯의 다공성조직에 시멘트실리카흄의 초미세입자들의 침투량을 줄여 다공성을 확보를 위해 침투분산매 역활을 하는 배합수의 량을 가능한한 줄이고 있다.

도 1은 폐슬러지를 재활용한 광촉매 사진이다.

도 2는 폐슬러지 재활용 광촉매가 적용된 광촉매 담지폐목탄 사진.

도 3은 (가)는 폐목탄의 SEM 이미지, (나)는 광촉매 담지 폐목탄 SEM 이미지(image).

상기 도 4에서 알 수 있는 바와 같이 EDS 측정결과 폐목탄의 경우 단순히 탄소(carbon)만이 존재하는 것을 알 수 있으나 폐슬러지 재활용 광촉매가 적용된 광촉매 담지폐목탄의 경우 탄소 외에 이산화티타늄(TiO₂)이 존재하는 것을 알 수 있다. 이를 보아 실제적으로 폐슬러지재활용 광촉매가 폐목탄에 적용이 되었음을 알 수 있다.

표(2)에는 폐목탄과 폐슬러지재활용 광촉매가 적용된 광촉매 담지목탄의 메티렌 블루 흡착성을 나타내고 있다. 메틸렌블루 흡착성능은 KSM 1802의 활성탄의 흡착성능평가 시험방법을 이용하는 성능시험결과 폐목탄 단위 g당 약 100mg정도의 메틸렌블루를 흡착할 수 있는 것 이여서 광촉매 담지폐목탄의 경우 수질정화제로 사용하기에 충분한 기능성을 보유하고 있는 것으로 판단된다.

폐목탄과 광촉매 담지 폐목탄의 메틸렌블루 흡착성능 결과.

시료구분	폐목탄	폐슬러지재활용 광촉매 적용 폐목탄
초기농도(mg/L)	1200 mg/L	1200 mg/L
말기농도(mg/L)	780 mg/L	840 mg/L
시료 투입량(g)	0.102	0.099
흡착성능(mg/L)	103	91

※ 흡착성능의 계산(mg/g) =

C : 메틸렌블루의 잔류 농도(mg/L)

S : 시료 투입량(g)

또한 폐슬러지 재활용촉매, 폐목탄, 폐슬러지재활용 광촉매가 적용된 광촉매 담지폐목탄의 아세트알데하이드(CH₃CHO) 제거성능평가를 통해 광촉매로서의 기능을 평가하였다. 아세트알데하이드 제거성능은 한국광촉매협회 및 전 일본광촉매협회에서 제시하는 가스백 B법을 이용하였다. 이 방법은 흡착력이 있는 광촉매의 성능평가를 위한 방법으로서 표(3)에서 가스백 B법에 의한 구체적인 시험조건을 나타내었다.

가스백 B법에 의한 광촉매 성능시험 조건.

조건구분	광 원	광 량	시 험 편	가스 및 초기농도	시험시간
조건 값	Sanyo-Denki FL20 BLB 20 W lamp 2개	1mW/㎠	시료 0.1g을 5cm×5cm 유리판에 도포	아세트알데하이드 (CH₃CHO) 90ppm 3L를 5L 테프론백에 주입	5시간 암조건 방치 후 20시간 광조사

표(4)에는 가스백 B법에 의한 광촉매의 성능평가 시험결과를 나타내었다. 시험결과 폐슬러지재활용 광촉매가 적용된 광촉매 담지폐목탄의 경우 아세트알데하이드가 거의 100% 분해되어 광촉매로서 우수한 기능성을 보여주었다. 이에 반해 폐목탄은 광촉매로서의 기능성은 거의 없는 것으로 보이는데 이것은 광촉매 기능성을 가지는 이산화티타늄이 폐목탄 자체에 존재하지 않기 때문으로 여겨진다.

가스백 B법에 의한 광촉매 성능평가 시험결과.

평가치 ＼시료구분	폐슬러지 재활용 광촉매		폐목탄		광촉매 담지폐목탄
평가치 ＼시료구분	암조건	명조건	암조건	명조건	안조건	명조건
초기농도(0시간)	90	90	90	90	90	90
말기농도(20시간)	90	0	65	62	68	0
제거율(%)	100%		4.6%		100%

※ 제거율의 계산(%) =

×100

위의 실험결과로 미루어 보았을 때 폐목탄과 폐슬러지재활용 광촉매를 적용한 광촉매 담지폐목탄은 상당한 수질정화 성능을 가지고 있다고 말할 수 있다. 또한 폐슬러지재활용 광촉매는 단순히 흡착에 의한 수질오염물질의 흡착 외에 수질오염물질 자체를 광촉매 자체로 분해할 수 있어 장기적인 측면에서 수질정화성능을 장기적으로 구현할 수 있는 것으로 판단된다.

상술한 본 발명 투수카본콘크리트 구조물의 특성을 평가하기 위해 본 발명에서 한정한 조성물과 조성비에 따른 콘크리트의 실시예와 이와 비교되는 다른 조성물 및 조성비에 따른 콘크리트의 실시예를 들어 물성을 비교하였으며 콘크리트 조성물에 따른 실시예를 표(5)에 나타내었다.

콘크리트 조성물에 따른 실시예.

실시예＼조성물	고로슬래그 시멘트	분쇄한 굵은골재	경량골재	실리카흄	섬유 보강제	광촉매 담지 폐목탄	혼화제	물
조성 2-A	418	1693	-	-	-	-	3.34	105
조성 2-B	376	1693	-	42	7.5	-	5.02	105
조성 2-C	418	-	961.6	-	-	-	3.34	105
조성 2-D	376	-	961.6	42	7.5	-	5.02	105
조성 2-E	376	-	961.6	42	7.5	11.3	5.02	105
조성 2-F	376	846.5	480.8	42	7.5	3.75	5.02	105
조성 2-G	376	846.5	480.8	42	7.5	7.5	5.02	105

※ 상기 실시예의 조성 2-F 및 조성 2-G가 본 발명 콘크리트 구조물의 조성비에 해당됨.

가. 수질정화 성능평가.

본 과제를 통해 제조한 콘크리트가 실제적으로 수질정화성능을 보유하고 있는지를 평가하기 위해 수질정화성능을 평가하였다. 수질정화성능은 삼각플라스크에 파쇄한 콘크리트 2g과 메틸렌블루(MB) 2.4mg/L 용액 25mL를 넣고 30분 동안 진탕배양기(shaking incubator)에 넣고 교반한 후 메틸렌블루의 농도변화를 자외ㆍ가시선 분광광도계(US-Vis spectrophotometer)를 이용하여 측정ㆍ평가하였다. 또한 이와 별도로 콘크리트 공시체를 파쇄하고 300mL 용량의 삼각플라스크에 50g씩 넣고 오염된 물을 200mL씩 넣은 다음 20±1℃의 온도에서 30일 이상 방치하면서 화학적산소요구량(COD), 총질소(T-N), 총인(T-P)와 같은 수질오염지표의 변화를 관찰하는 방법으로 진행하였다.

표(6)에는 각 콘크리트 조성들의 메틸렌블루 탈색성능을 나타내었다. 각 조성들에 대한 메틸렌블루 탈색성능을 평가한 결과 경량골재 및 광촉매 담지폐목탄을 첨가한 시편이 우수한 흡착성능을 보여주었다. 또한 광촉매 담지폐목탄의 첨가량이 증가함에 따라 메틸렌블루 탈색력이 증가하였다. 경량골재를 첨가한 시편이 폐목탄을 첨가한 시편보다 메틸렌블루 탈색력이 높은 이유는 경량골재는 광촉매 담지폐목탄에 비해 무게비로 50~100배 정도 다량 첨가되었기 때문으로 여겨진다.

콘크리트조성에 따른 메틸렌블루 탈색능력.

배합별 조성	조성2-A	조성2-B	조성2-C	조성2-D	조성2-E	조성2-F	조성2-G
30분후 메틸렌블루 농도 (mg/L)	1.062	0.955	0.244	0.211	0.055	0.401	0.255
메틸렌블루 흡착량 (mg MB/g 콘크리트)	0.0167	0.0181	0.0270	0.0274	0.0293	0.0250	0.0268
메틸렌블루 흡착속도 (mg MB/L-min)	0.048	0.052	0.075	0.076	0.082	0.070	0.075

표(7)에는 각 콘크리트 조성물들이 시간이 지남에 따라 COD, T-N, T-P를 어떻게 변화시키는 지를 나타내었다. 시험결과 경량골재로 사용한 천연화산석의 경우 COD 및 T-P의 저감에는 효과적이었으나, T-N 저감능력은 조금 부족하였다. 광촉매 담지폐목탄의 경우 COD, T-N, T-P의 모든 경우에 고른 저감능력을 보여주었으며 광촉매 담지 폐목탄의 첨가량에 따라 수질오염지표에 대한 저감능력은 증가하였다.

콘크리트 배합조성에 따른 장기간에 걸친 수질오염 지표변화.

시료구분	COD(mg/L)			T-N(mg/L)			T-P(mg/L)
시료구분	초기	7일	28일	초기	7일	28일	초기	7일	28일
blank	129	142	161	10.945	10.046	11.218	2.443	2.228	2.227
조성 2-A		101	95		9.445	9.123		1.288	0.993
조성 2-B		115	114		9.556	9.322		1.244	1.164
조성 2-C		48	29		9.044	8.688		0.227	0.044
조성 2-D		58	36		9.062	8.871		0.304	0.068
조성 2-E		41	26		7.622	6.832		0.134	0.032
조성 2-F		64	52		8.327	8.063		0.588	0.462
조성 2-G		54	49		8.224	7.786		0.501	0.362

나. 투수계수시험.

제조한 콘크리트 시편들에 대한 투수계수시험을 실시하였다. 투수계수시험은 KS F 2322에 제시되어 있는 방법에 의거하여 실시하였다. 표(8)에는 콘크리트 배합조성에 따른 투수계수를 나타내었다. 실험결과 실리카흄 등을 사용한 것이 투수계수가 좋지않음을 알 수 있었다. 또한 경량골재를 사용한 시편들의 투수계수가 높지 않았다. 이와 같은 현상이 발생하는 이유는 실리카흄이나 다공성의 경량골재가 물빠짐을 나쁘게 하기 때문에 여겨진다. 이와 같은 현상들이 발생함에도 불구하고 제조한 시편들의 투수계수의 환경마크 0.01cm/s 이상으로 투수성은 모두 우수하였다.

도 5는 투수계수 실험(모식도)이다.

콘크리트조성에 따른 투수계수.

시료구분	조성2-A	조성2-B	조성2-C	조성2-D	조성2-E	조성2-F	조성2-G
투수계수 (cm/s)	5.39	0.20	2.33	0.45	0.31	0.98	0.42

다. 중금속용출시험.

제조한 콘크리트 시편들에 대한 중금속용출시험을 실시하였다. 납(Pb), 카드뮴(Cd), 비소(As)와 같은 중금속들은 인체에 일단 흡수되면 배출되지 않고 축적되어 미나마따병, 이따이이따이병 등과 같은 다양한 질환을 유발하며, 물속에 매우적은 양이 존재하더라도 몸속에서 배출이 되지 않고 계속 축적되기 때문에 지속적으로 인체에 축적될 경우 각종 질환을 일으킬 수 있다는 측면에서 매우 위험하다 할 수 있다. 따라서, 호안블록 등 물에 접촉되는 콘크리트에서 중금속이 용출될 경우 환경에 미치는 악영향은 매우 지대하다 할 수 있다.

중금속용출은 지름 10cm의 원통형 공시체를 높이 10cm로 절단한 뒤 1000mL 비이커에 넣고 증류수를 500mL 넣고 7일간 방치한 뒤 남은 용출수를 유도결합 플라즈마 발광광도계(Ion-conductive plasma spectroscopy, ICP)를 이용하여 측정하였다. 사용한 ICP는 Perkin-Elmer사의 Optimer 5300DV였다. 중금속은 납(Pb), 비소(As), 카드뮴(Cd)에 대해 실시하였으며 측정결과를 표(9)에 나타내었다. 시험결과 모든 콘크리트 조성의 용출수에서는 납, 비소, 카드뮴이 검출되지 않아 중금속에 의한 환경오염은 일으키지 않을 것으로 여겨진다.

콘크리트조성에 따른 중금속 용출검사.

배합별 조성	조성2-A	조성2-B	조성2-C	조성2-D	조성2-E	조성2-F	조성2-G
납(Pb)	N.D.	N.D.	N.D.	N.D.	N.D.	N.D.	N.D.
비소(As)	N.D.	N.D.	N.D.	N.D.	N.D.	N.D.	N.D.
카드뮴(Cd)	N.D.	N.D.	N.D.	N.D.	N.D.	N.D.	N.D.

라. 압축강도시험.

콘크리트제품의 상품성을 좌우하는 요소 중 가장 중요한 요소가 강도 즉 내구성이라 할 수 있다. 아무리 기능성이 우수한 제품이라 해도 쉽게 파괴되어 내구성이 떨어지는 콘크리트제품은 재공사를 요구하기 때문에 막대한 비용을 발생하게 만든다. 본 과제에서는 콘크리트의 강도를 압축강도로 측정함으로써 평가하였다. 압축강도의 KS F 2405에 의거하여 지름 10cm, 높이 30cm 공시체를 제조하고 7일, 28일 경과후의 압축강도를 도 6에 나타낸 것과 같은 Universial Testing Machine을 이용하여 측정하였다. 측정은 3회를 실시하고 이를 평균하였다. 표(10)는 각 조성에 따른 콘크리트 공시체의 압축강도를 나타내었다.

콘크리트의 조성에 따른 압축강도.

배합별 조성	조성2-A	조성2-B	조성2-C	조성2-D	조성2-E	조성2-F	조성2-G
7일 압축강도(MPa)	4.98	9.88	3.81	7.62	6.51	8.62	7.99
28일 압축강도(MPa)	5.97	13.13	4.67	9.50	8.10	10.63	10.01

마. 열전도도 시험.

콘크리트제품의 열전도도를 측정하여 콘크리트제품의 단열성이 정도를 측정하였다. 열전도도 측정은 도 7과 같은 열전도도 측정기를 이용하여 KS F 9106에 의거하여 측정하였다. 열전도도 측정을 위한 시편은 따로 가로×세로×높이 : 30×30×10cm의 크기를 가지는 공시체를 제작하여 진행하였다. 표(11)에는 열전도도 시험결과를 나타내었다. 열전도도 시험결과 굵은골재만을 사용한 공시체의 경우 콘크리트 전체에서 공극이 많기 때문에 열전도도는 일반적인 콘크리트보다 낮았다. 특히 천연화산골재를 사용한 경우 열전도도는 크게 감소하였는데, 이것은 화산석이 공극이 많아 상대적으로 열이 이동할 수 있는 통로가 매우 적기 때문으로 여겨진다.

콘크리트 조성에 따른 열전도도 시험결과.

시험항목＼조성구분	조성2-A	조성2-B	조성2-C	조성2-D	조성2-E	조성2-F	조성2-G
열전도도 Kcal/mh℃	0.92	0.94	0.25	0.26	0.25	0.38	0.39

바. 수질정화 성능의 장기적인 기능유지 실험.

콘크리트 시편 자체가 장기간에 걸쳐 수질정화성능을 제대로 유지할 수 있는지를 평가하기 위해 콘크리트 시편을 앞서 1개월 동안 COD, T-N, T-P 변화를 살펴본 시편의 일부를 90일 동안 계속 방치하고 수질정화성능을 재평가하였다.

수질정화성능의 시험은 메틸렌블루 탈색도와 COD, T-N, T-P 변화를 이용하여 측정하였다. 7일 및 28일 시점에서 상당량의 물이 분석에 사용되었기 때문에 오염수를 1회 보충한 뒤 2개월 동안 관찰하면서 수질정화 성능을 평가하였다.

도 8은 수질정화성능의 기능유지 실험장치이다.

표(12)에서 보는 것과 같이 조성2-A, 조성2-B의 시편들은 메틸렌블루 흡착량이 크게 감소한 것에 비해 조성2-C, 조성2-D, 조성2-E, 조성2-F, 조성2-G와 같이 경량화산골재를 사용한 시편의 경우 거의 감소하지 않은 것을 알 수 있었다. 이것은 콘크리트 전체에 상대적으로 오염물질을 제거할 수 있는 경량골재와 광촉매 담지폐목탄이 다량 투입되어 흡착용량이 상승되었기 때문인 것으로 여겨진다.

표(13)에는 3개월 동안 콘크리트 시편을 방치하였을 경우 수질오염지표의 변화량을 나타내었다. 장기간 동안 콘크리트 시편이 오염에 노출되면서 가장 우려되는 사항은 콘크리트 및 그 안에 존재하는 흡착성 시편에 흡착된 오염물질이 재용출되는 것이라 할 수 있는데, 본 시험결과 용출이 되지 않고 그 기능이 지속적으로 유지됨을 나타내고 있다.

3개월 방치한 콘크리트 시편의 메틸렌블루 탈색력 변화.

배합별 조성	조성2-A	조성2-B	조성2-C	조성2-D	조성2-E	조성2-F	조성2-G
30분후 메틸렌블루 농도 (mg/L)	1.328	1.322	0.324	0.321	0.088	0.344	0.346
메틸렌블루 흡착량 (mg MB/g 콘크리트)	0.014	0.013	0.028	0.026	0.029	0.026	0.025
메틸렌블루 흡착속도 (mg MB/L-min)	0.038	0.039	0.074	0.073	0.080	0.072	0.074

3개월 방치한 콘크리트 시편의 장기간 걸친 수질오염 지표변화.

시료구분	COD(mg/L)		T-N(mg/L)		T-P(mg/L)
시료구분	1개월 경과	3개월 경과	1개월 경과	3개월 경과	1개월 경과	3개월 경과
blank	154	184	10.426	13.644	3.066	3.684
조성 2-A	145	110	10.326	8.234	3.168	0.843
조성 2-B	148	104	10.432	8.214	2.885	0.704
조성 2-C	98	24	9.884	7.084	1.845	0.055
조성 2-D	112	42	9.654	7.022	1.546	0.045
조성 2-E	105	32	9.233	6.632	1.244	0.022
조성 2-F	124	48	10.604	6.763	1.688	0.225
조성 2-G	110	45	10.443	6.886	1.655	0.285

사. 경량성.

본 과제를 통해 개발된 콘크리트블록의 경우 화산석 계열의 경량골재를 사용하여 경량화를 이룩하였다. 조성에 따른 무게측정결과를 표(14)에 나타내었다. 무게측정은 지름 10cm, 높이 20cm 크기의 공시체의 무게를 측정하였으며, 양생 후 24시간 상온에서 방치한 뒤 전체가 표건상태를 유지하는 시점에서 무게를 측정하였다. 여기에서 주목할 것은 경량골재를 사용하지 않은 조성(조성 2-A, B)에 비해 경량골재를 사용한 조성(조성 2-C~G)이 무게가 20% 이상 감소하였다는 것이다. 특히 조성 2-F, 조성 2-G의 경우는 압축강도도 100kgf/㎠ 이상으로 경량화를 달성함과 동시에 상당한 강도를 유지할 수 있었다.

각 콘크리트 조성에 따른 시편의 무게변화.

조성구분	조성2-A	조성2-B	조성2-C	조성2-D	조성2-E	조성2-F	조성2-G
무게(g)	3132.3	3114.7	2141.3	2350.0	2308.6	2690.6	2689.9

이상의 시험결과를 토대로 각 조성물에 따른 콘크리트 구조물을 전체적으로 평가하면 표(15)와 같은 종합적인 결과를 얻을 수 있다.

각 조성물에 따른 콘크리트 구조물의 종합적인 성능평가 결과.

항목＼조성구분	조성2-A	조성2-B	조성2-C	조성2-D	조성2-E	조성2-F	조성2-G
메틸렌블루 흡착량	×	×	○	○	○	○	○
COD(28일간)	×	×	○	○	○	○	○
T-N(28일간)	×	×	×	×	○	○	○
T-P(28일간)	×	×	○	○	○	○	○
투수계수기준 (환경마크 0.01cm/s)	이상	이상	이상	이상	이상	이상	이상
중금속용출(Pb,As,Cd)	N.D.	N.D.	N.D.	N.D.	N.D.	N.D.	N.D.
압축강도	×	○	×	△	△	○	○
열차단성	×	×	○	○	○	○	○
경량성(g)	△	△	○	○	○	○	○

※ ○ : 우수함, △ : 양호함, × : 나쁨을 나타내는 기호이다.

이상의 표(15)에 나타난 바와 같이 콘크리트 구조물의 종합 성능평가결과에서 조성 2-A ~ 2-D 까지는 수질정화기능, 압축강도, 열차단성, 경량성 중에서 적어도 2이상의 문제점이 있고 조성 2-E, 조성 2-F, 조성 2-G는 수질정화기능, 투수성, 콘크리트로서의 투수계수, 중금속용출, 열차단성, 경량콘크리트로서의 경량성에 문제점이 없으나 조성 2-E는 표(10)에 나타나 있는 바와 같이 투수화 경량을 목적으로 하는 콘크리트에 있어 압축강도가 다소 취약한 문제점이 있다 하므로서 본 발명에서 목적하고 있는 투수카본콘크리트는 조성 2-F 및 조성 2-G로서 종합 성능평가가 우수하고 이는 본 발명 투수카본콘크리트 조성물의 범위 내에 속하는 콘크리트 조성물이라 할 수 있다.

이상의 본 발명 조성물로 얻어진 콘크리트 구조물은 중금속용출이 전혀 없고 대기중에서는 아세트알데히드 및 포름알데히드의 인체에 유해한 증발성 유기화합물의 흡착성이 우수하고 수중에서는 오염물질의 흡착능과 화학적산소요구량(COD)의 감소와 총질소 및 총인의 제거율이 탁월하고 식생이 가능하며 투수와 경량성, 열차단성을 가지면서도 통상의 투수 및 경량성 콘크리트에 비해 동등 이상의 압축강도 (100kgf/㎠이상)를 갖는 친환경성의 수질정화 투수카본콘크리트 구조물이라 할 수 있다.

본 발명에 의한 수질정화 투수카본콘크리트는 보도블록, 식생호안블록, 식생옹벽블록, 세굴방지용블록, 친환경수로관, 사각수로관, 암거, 맨홀, 빗물저류조에 이용함에 이용하므로서 본래의 기능적인 효과를 최대한 발휘할 수 있는 콘크리트 구조물이라 할 수 있다.

도 9는 투수카본콘크리트를 적용한 각 구조물의 사진이다.

Claims

중량비로 고로시멘트 15~25%, 굵은골재 35~68.7%, 천연경량골재 15~40%, 실리카흄 1~5%, 섬유보강재 0.1~1.5%, 광촉매 담지폐목탄분말 0.1~0.5%, 혼화제 0.1~0.5%로 조성된 투수카본 콘크크리트 조성물 100중량부에 배합수 5~15% 비율로 배합한 콘크리트몰탈로 성형된 친환경성 투수카본콘크리트 구조물.
삭제
청구항 제1항에 있어서, 경량골재는 화산석계열의 경량골재임을 특징으로 하는 투수카본콘크리트 구조물.
청구항 제1항에 있어서, 투수카본콘크리트 구조물의 압축강도가 100kgf/㎠ 이상임을 특징으로 하는 투수카본콘크리트 구조물.
청구항 제1항에 있어서, 투수카본콘크리트 구조물의 투수계수가 0.42cm/s 이상임을 특징으로 하는 투수카본콘크리트 구조물.
청구항 제1항에 있어서, 투수카본콘크리트 구조물의 열전도도가 0.39 kcal/mh℃ 이하임을 특징으로 하는 투수카본콘크리트 구조물.
청구항 제1항에 있어서, 섬유보강재는 나일론 프래트얀임을 특징으로 하는 섬유보강재임을 특징으로 하는 투수카본콘크리트 구조물.
청구항 제1항에 있어서, 투수카본콘크리트 구조물이 보도블록, 식생옹벽블록, 식생호안블록, 세굴방지용블록, 친환경수로관, 사각수로관, 암거, 맨홀, 빗물저류조임을 특징으로 하는 투수카본콘크리트 구조물.