2.2.1 피톤치드(phytoncide)

국내에 유통되는 피톤치드 대부분은 편백나무에서 추출한 제품으로, 피톤치드를 비교적 많이 배출하는 나무로 알려진 편백나무의 잎을 건조 및 파쇄 후 저온고압 추출과정을 통하여 피톤치드를 얻을 수 있다. 본 연구에 사용된 피톤치드는 사전실험을 통하여 결정하였다. 두 종류의 피톤치드(S사, B사)를 사용하여 모르타르의 플로, 압축강도, 폼알데하이드 농도 변화를 평가하였고, 상대적으로 폼알데하이드 농도 저감에 효과가 있는 B사의 피톤치드를 사용하기로 결정하였다. 따라서 본 연구에서 사용된 피톤치드는 B사를 통해 유통되는 편백나무 추출 원액(편백수) 제품이다.

2.2.2 결합재 및 골재

본 연구에서는 결합재로 보통 포틀랜드 시멘트(KATS 2016)⁽⁵⁾와 고로슬래그(BFS)를 사용하였으며, BFS는 시멘트 질량의 30 %를 대체하여 사용하였다. 결합재의 물리적, 화학적 특성을 Table 4에 나타내었다. 굵은 골재는 최대 치수 25 mm의 쇄석을 사용하였으며, 잔골재는 최대 치수가 5 mm인 모래를 사용하였다. 사용된 골재의 물리적 특성을 Table 5에 나타내었다.

Fig. 2 Mortar flow test

Fig. 3 Compressive strength of mortar

Fig. 4 Compressive strength and modulus of elasticity

2.3.1 굳지 않은 콘크리트 특성(플로, 슬럼프)

피톤치드를 혼입한 굳지 않은 모르타르의 시공성을 평가하기 위해 모르타르 플로를 측정하였다. 플로는 KS L 5105 (KATS 2007)⁽⁴⁾ 기준에 따라 실시하였다. 플로 시험 전경을 Fig. 2에 나타내었다.

피톤치드를 혼입한 굳지 않은 콘크리트의 시공성을 평가하기 위해 슬럼프를 측정하였다. 슬럼프는 KS F 2402(KATS 2017a)⁽⁵⁾ 기준에 따라 실시하였다.

2.3.2 압축강도 및 탄성계수

모르타르의 압축강도는 KS L 5105(KATS 2007)⁽⁴⁾ 기준에 따라 50×50×50 mm 크기의 큐브 시험체를 사용하여 측정하였다. 탈형 후 시험체를 비닐소재로 밀봉하고 항온항습실(20 °C, RH 60 %)에서 재령 14일간 양생한 후 만능재료 시험기를 사용하여 압축강도를 측정하였다. 결과 값은 시험체 6개의 평균값을 사용하였다. 모르타르 압축강도 시험 전경을 Fig. 3에 나타내었다.

콘크리트의 압축강도는 KS F 2405(KATS 2017b)⁽⁶⁾ 기준에 따라 ∅100×200 mm 크기의 실린더 시험체를 사용하여 측정하였다. 탈형 후 시험체를 비닐소재로 밀봉하고 항온항습실(20 °C, RH 60 %)에서 재령 28일간 양생한 후 만능재료 시험기를 사용하여 압축강도를 측정하였다. 이 때, 선형 변위 측정기를 설치하고 콘크리트의 변형률을 측정하여 탄성계수를 산정하였으며, 결과 값은 시험체 3개의 평균 값을 사용하였다. 콘크리트 압축강도 및 탄성계수 시험 전경을 Fig. 4에 나타내었다.

2.3.3 폼알데하이드 농도 변화 분석

피톤치드가 혼입된 모르타르 및 콘크리트를 KS M 1998 (KATS 2017c)⁽⁷⁾ 기준의 데시케이터 방법에 따라 분광 광도계(UV-VIS)를 이용하여 폼알데하이드 농도 변화를 측정하였다. 본 연구에서는 폼알데하이드 발생 물질로 공업용 본드를 사용하였다. 각 시험체는 타설 24시간 후에 탈형하였고, 휘발성인 피톤치드가 충분한 성능을 발휘할 수 있도록 탈형 후부터 측정을 시작하였다. 탈형 후 데시케이터(11±2L) 안에 시험체와 공업용 본드(15.7 g), 증류수를 넣고 각 측정 재령에 도달하면 증류수에 녹아든 폼알데하이드 농도를 측정하였다. 폼알데하이드 농도는 폼알데하이드 표준용액을 이용한 검정곡선의 기울기와 시험체를 넣지 않은 데시케이터에서의 폼알데하이드 바탕시험 용액의 흡광도를 이용하여 식 (1)에 의해 계산된다. 데시케이터는 실험종료시까지 항온항습실(20 °C, RH 60 %)에 보관되었으며, 모르타르는 실험 시작 후 재령 14일까지, 콘크리트는 재령 28일까지 측정하였다. 데시케이터의 보관 전경과 분광 광도계(파장 412 nm)를 이용한 폼알데하이드 농도 측정 전경을 Figs. 5~7에 각각 나타내었다.

Fig. 5 Variation of formaldehyde concentration (desiccator method)

Fig. 6 Formaldehyde concentration measurement (UV-VIS)

Fig. 7 UV-VIS value of formaldehyde concentration

여기서, $G$는 시험편의 폼알데하이드 농도(mg/L), $F$는 폼알데하이드 표준용액에 대한 검정곡선의 기울기(mg/L), $A_{d}$는 시험편을 넣은 데시케이터 내 용액의 흡광도, $A_{b}$는 폼알데하이드 바탕시험 용액의 흡광도, $S$는 시험편의 표면적(cm$^{2}$)이다.

Fig. 8 Results of flow value

3.1.1 모르타르 시공성

피톤치드의 혼입률에 따른 모르타르의 플로 값을 Fig. 8에 나타내었다. 실험결과, 피톤치드의 혼입률이 증가하더라도 플로 값은 피톤치드가 혼입되지 않은 기준 배합(Ref.)과 큰 차이없이 유사하게 나타났다. 이는 기존 연구(Kim et al. 2018)⁽⁹⁾와 유사한 결과로, 피톤치드의 혼입률만큼 배합수량이 줄어들었지만, 액상인 피톤치드가 배합수 역할을 하여 시공 성능에 큰 차이가 없었던 것으로 판단된다. 피톤치드를 6 %까지 혼입하여도 모르타르 플로 값에는 큰 영향을 주지 않는 것으로 판단된다.

3.1.2 모르타르 압축강도

피톤치드가 혼입된 모르타르의 재령 14일 압축강도 측정결과를 Fig. 9에 나타내었다. 실험결과, 모르타르의 압축강도는 피톤치드 혼입률에 따라 큰 차이가 없는 것으로 나타나, 기존 연구(Kim et al. 2018)⁽⁹⁾와 유사한 경향을 나타내었다. 피톤치드의 혼입으로 유효 물-시멘트비가 감소하여 압축강도가 증가할 것으로 예상할 수 있지만, 액상의 피톤치드에 포함된 수분의 영향으로 압축강도가 큰 차이없이 나타난 것으로 판단된다.

한편, 다른 기존 연구(Lee et al. 2016)⁽¹³⁾에서는 피톤치드의 혼입률이 증가할수록 압축강도가 감소하였다. 본 연구에서는 배합수를 대체하여 피톤치드를 혼입하였지만, Lee et al.(2016)⁽¹³⁾는 배합수의 감소없이 추가로 피톤치드를 혼입하였다. 따라서 추가된 피톤치드가 물-시멘트비에 영향을 주어 압축강도가 감소한 것으로 판단할 수 있다.

Fig. 9 Results of compressive strength

Fig. 10 Variation of formaldehyde concentration (mortar)

3.1.3 폼알데하이드 농도 변화 분석

피톤치드 혼입률에 따른 폼알데하이드의 농도 변화 곡선을 Fig. 10에 나타내었고, 재령 14일에서의 폼알데하이드 농도 감소율을 Table 6에 나타내었다. 기준 배합(Ref.)의 경우, 피톤치드를 혼입하지 않은 모르타르 시험체와 공업용 본드를 넣은 데시케이터 안의 폼알데하이드 농도 변화이다. 실험 결과, 시간이 지남에 따라 기준 배합(Ref.)의 폼알데하이드 농도가 급격히 증가하는 것을 확인할 수 있었다. 반면, 피톤치드가 혼입된 경우는 기준 배합(Ref.)보다 폼알데하이드 농도가 많이 감소하는 것으로 나타났으며, 혼입률이 증가할수록 농도 감소율이 증가하는 경향을 나타내었다. 피톤치드에 의한 유해물질의 제거 효과는 모르타르에 혼입시에도 유지되는 것으로 판단된다. 한편, 피톤치드 혼입률 4~6 %는 기준 배합(Ref.) 대비 농도 감소율이 58.1~62.1 %로 크게 나타났으며, 혼입률 2 %에서의 농도 감소율 35.7 %와 큰 차이가 있었다. 따라서 폼알데하이드를 효율적으로 제거하기 위해서는 피톤치드를 4 % 이상 혼입하여야 하는 것으로 판단된다.

3.2.1 콘크리트 슬럼프

피톤치드가 혼입된 콘크리트의 슬럼프 측정결과를 Fig. 11에 나타내었다. 실험 결과, 물-결합재 비가 증가할수록 슬럼프는 높게 나타나 일반적인 콘크리트의 경향과 일치하는 것으로 나타났다. 한편, 피톤치드의 혼입률이 증가할수록 슬럼프가 다소 증가하는 경향을 나타냈다. 이는 액상의 피톤치드가 슬럼프에 영향을 준 것으로 판단되며, 피톤치드의 혼입은 콘크리트의 시공성에 긍정적인 영향을 주는 것으로 판단된다.

Fig. 11 Results of slump test

3.2.2 콘크리트 압축강도 및 탄성계수

피톤치드가 혼입된 콘크리트의 재령 28일 압축강도 측정결과를 Fig. 12에 나타내었다. 실험 결과, 물-결합재 비가 증가할수록 압축강도가 낮아지는 일반적인 경향을 나타냈으며, BFS를 사용할 경우 압축강도가 증가하는 경향을 나타냈다. 상대적으로 분말도가 높은 BFS가 포졸란 반응이 빠르고 수화물 사이의 공극을 채워주는 등 강도발현이 우수하여 압축강도가 증가한 것으로 판단된다. 또한, 피톤치드를 2 % 이상 혼입하면, 혼입률이 증가할수록 압축강도가 증가하는 경향을 나타냈으며, 4 % 이상 혼입시 기준 배합(Ref.)보다 강도가 증가하는 것으로 나타났다. 콘크리트의 압축강도는 모르타르의 압축강도와 다른 경향을 나타냈는데, 이는 피톤치드의 성분과 굵은 골재가 시공성에 영향을 주고 개선된 시공성과 유효 물-시멘트비에 압축강도가 영향을 받은 것으로 판단된다. 따라서 피톤치드를 4 % 이상 혼입하면 콘크리트의 압축강도 개선에 효과가 있는 것으로 판단된다.

피톤치드가 혼입된 콘크리트의 탄성계수 측정결과를 Fig. 13에 나타내었다. 실험 결과, 탄성계수는 압축강도와 유사한 경향을 나타냈으며, 피톤치드의 혼입률에 따라 큰 차이를 보이지 않았다. 탄성계수는 일반적으로 압축강도와 유사한 경향을 나타내는 것이 대부분이고, 본 연구에서도 이와 같은 경향을 나타냈다. 따라서 피톤치드의 혼입은 콘크리트의 탄성계수에 큰 영향을 주지 않는 것으로 판단된다.

Fig. 12 Results of compressive strength

Fig. 13 Results of modulus of elasticity

3.2.3 폼알데하이드 농도 변화 분석

피톤치드가 혼입된 콘크리트에 의한 폼알데하이드 농도 변화 곡선을 피톤치드 혼입률에 따라 Fig. 14에 나타내었고, 재령 28일에서의 폼알데하이드 농도 감소율을 Table 7에 나타내었다. 기준 배합(Ref.)의 경우, 피톤치드를 혼입하지 않은 콘크리트 시험체와 공업용 본드를 넣은 데시케이터 안의 폼알데하이드 농도 변화이다. 실험 결과, 기준 배합(Ref.)과 피톤치드 혼입률 2 %에서의 폼알데하이드 농도는 재령 8일까지 급격히 증가하다가 이후에 완만해지는 경향을 나타내었다. 이는 폼알데하이드 발생 물질로 사용된 공업용 본드의 유해물질 방출량에 의한 영향인 것으로 판단된다. 그러나 피톤치드가 4 % 이상 혼입되면 폼알데하이드의 농도는 재령 8일까지 완만하게 증가하는 경향을 나타내었다. 피톤치드에 의한 유해물질의 제거 효과는 콘크리트에 혼입시에도 유지되는 것으로 판단되며, 피톤치드가 초기에 폼알데하이드를 제거하여 농도가 낮은 수준을 유지할 수 있는 것으로 판단된다. 또한, 피톤치드 혼입률 4~6 %는 기준 배합(Ref.) 대비 농도 감소율이 평균 65.4~77.5 %로 크게 나타났으며, 혼입률 2 %의 경우 21.4 %와 큰 차이가 있었다. 따라서 폼알데하이드를 효율적으로 제거하기 위해서는 피톤치드를 4 % 이상 혼입하여야 하는 것으로 판단된다.

한편, 물-결합재 비에 따른 폼알데하이드의 농도 변화는 저강도 콘크리트일수록 농도가 낮은 경향(50OPC<50BFS< 40OPC)을 나타냈으나, 그 차이는 크지 않았다. 높은 압축강도에 의한 콘크리트의 수밀성이 피톤치드의 방출에 영향을 준 것으로 판단된다. 따라서 피톤치드는 저강도 및 고강도 콘크리트에 모두 적용할 수 있으며, 압축강도가 폼알데하이드의 농도 변화에 미치는 영향은 크지 않을 것으로 판단된다.