양근혁
(Keun-Hyeok Yang)
1iD
문주현
(Ju-Hyun Mun)
2iD†
-
경기대학교 건축공학과 교수
(Professor, Department of Architectural Engineering, Kyonggi University, Suwon 16227,
Rep. of Korea)
-
경기대학교 건축공학과 조교수
(Assistant Professor, Department of Architectural Engineering, Kyonggi University,
Suwon 16227, Rep. of Korea)
Copyright © Korea Concrete Institute(KCI)
키워드
SO$_{X}$, NO$_{X}$, 투수블록, 제올라이트, 야자각 분말
Key words
SO$_{X}$, NO$_{X}$, permeable block, zeolite, coconut shell activated carbon
1. 서 론
자동차 배기가스와 대기 중의 수증기, 오존 또는 암모니아와의 결합에 의해 생성된 황산염이나 질산염 등의 화합물들은 전체 미세먼지의 약 60 %를 차지한다(Jiang et al. 2020). 황산염 또는 질산염(대기전구물질)은 유독성의 화학물질이며, 특히 그 분자 크기가 50 µm 이하는 호흡기를 통해 폐나 혈관에 침투할 수 있어 인체에
매우 해롭다(Yu et al. 2010). 결과적으로 황산염과 질산염은 차량의 배기가스에서 배출되는 질소산화물 및 아황산가스와의 화학반응에 의해 생성되므로 이를 직접적으로 제거하는 것이
미세먼지를 감소시키는데 효과적이다(Jiang et al. 2020). 세계보건기구(world health organization, WHO)에서는 이 미세먼지를 1급 발암물질로 지정하고 있다. 이러한 미세먼지 생성의
원인이 되고 있는 대기전구물질을 감소시키기 위해서 건설산업에서도 미세먼지 저감이 가능한 블록 제품들이 개발되고 있다(Guo et al. 2015; Jung et al. 2019). 기존의 미세먼지 저감이 가능한 블록은 대부분 TiO$_{2}$를 이용하여 광촉매에 의한 질소산화물(nitrogen oxides, NO$_{X}$)을
제거하는 화학적 흡착에 의존하고 있다(Yoon et al. 2017). 하지만, TiO$_{2}$는 물에 의해 융해되는 수용성으로서 외부에서 설치되는 블록에서 장기적으로 안정적인 대기전구물질의 흡착을 기대하기 어렵다(Dylla et al. 2011). 또한 TiO$_{2}$의 광촉매 반응을 위해서는 강한 자외선(ultraviolet ray, UV)이 필요한데, 흐린 날 또는 저녁에는 UV가 약해져
TiO$_{2}$의 반응에 의한 대기 화합물들의 제거를 기대할 수 없다(Seo 2016).
제올라이트는 극성이 강한 물질로서 비슷한 영역의 쌍극자 모멘트(dipole moment)를 갖는 SO$_{2}$와의 공유결합으로 황산화물(sulfur
oxides, SO$_{X}$) 제거에 주로 이용된다(Wang et al. 2016). Lee et al.(1990)은 SO$_{X}$의 제거율이 90%임을 보였는데, 그 제거 성능은 반복적인 환경에서도 동일한 성능을 확보하고 있음을 확인하였다. KopaÇ and Kocabaş(2003)는 SO$_{X}$의 제거에 대한 효율성을 향상시키기 위해 제올라이트의 표면개선을 통한 물리적 흡착 메커니즘을 제안하였다. 한편, 활성탄은 극성이
작은 물질로서 쌍극자 모멘트가 낮은 NO$_{X}$와의 공유결합에 효과적이다(Wang et al. 2016). 또한 활성탄에서 야자각 분말은 NO$_{X}$의 활동반경과 비슷한 공극의 크기를 가지고 있어 공유결합뿐만 아니라 NO$_{X}$를 물리적으로도
흡착시킬 수 있다(Al-Rahbi and Williams 2016). Lee et al.(2007)은 다양한 기공크기를 갖는 석탄계, 야자계 및 목탄계 활성탄에 대해 흡착 효율성을 평가하였는데, 10 암스트롱(Å)의 기공 크기를 갖는 야자계 활성탄에서
그 흡착 효율성이 가장 높았다. 이와 같이 TiO$_{2}$의 광촉매 반응이 아닌 다공성 소재를 이용한 대기전구물질의 제거는 물이 접촉되는 환경이나
UV의 조사가 없는 환경에서도 안정적인 SO$_{X}$와 NO$_{X}$ 제거 효율성을 할 수 있을 것으로 기대된다.
이 연구의 목적은 제올라이트 분말, 제올라이트 비드 및 야자각 분말과 같은 다공성 소재를 이용하여 제조된 투수블록의 SO$_{X}$와 NO$_{X}$의
제거율을 평가하는데 있다. 제올라이트 분말과 야자각 분말은 Yang et al.(2020)에 의해 제시된 침지법을 이용하여 바텀애시 골재 표면에 코팅하였다. 제올라이트 비드와 코팅된 바텀애시 골재는 투수블록 제조 시 골재 대비 체적 치환율의
변수에 따라 투입되어 실내 실험실 및 블록제조 공장생산라인에서 각각 4개씩 제조하였다. 실내 실험실에서 제조된 투수블록은 투입된 다공성 소재들의 종류
및 치환율에 대한 대기전구물질 제거율의 영향을 중점적으로 평가하였다. 블록제조 공장생산라인에서 제조된 투수블록은 대기전구물질 제거율에 대한 세정 및
동결융해의 영향을 평가하고, 더불어 KS F 4419(KATS 2016)에서 요구하는 기본적인 요구성능인 압축강도, 휨강도, 흡수율 및 투수계수와 비교하였다. 최종적으로 KS F 4419 기준에 만족하면서 세정 및 동결융해 환경조건에서도 안정적인 SO$_{X}$와 NO$_{X}$의 제거율을 갖는 투수블록을 제조할 수 있는 배합조건을
제시하였다.
2. 실 험
2.1 주요변수 및 배합 상세
Table 1에는 배합방법에 따라 두 그룹으로 구분하였다. 그룹 1에서는 실내 실험실 배합으로, 그룹 2에서는 실제 블록을 제조하는 생산라인을 이용한 현장배합을
진행하였다. 그룹 1에서 주요변수는 전체 골재 대비 다공성 소재들의 체적 치환율($R_{p}$)로서 10 %, 20 %, 30 % 및 40 %로 변화하였다.
다공성 소재는 제올라이트 분말 및 야자각 분말이며, 에폭시를 이용하여 바텀애시 골재에 이들 소재들로 코팅하였다. 각 $R_{p}$에서 제올라이트 분말
및 야자각 분말로 각각 코팅된 바텀애시 골재는 5:5의 중량비로 고정하였다. 그룹 2에서의 주요변수는 제올라이트 분말 및 야자각 분말로 각각 코팅된
바텀애시 골재의 중량비와 제올라이트 비드와 야자각 분말로 코팅된 바텀애시 골재의 중량비이다. 제올라이트 분말 및 야자각 분말로 각각 코팅된 바텀애시
골재들의 혼입비율은 2:8 및 3:7로 변화하였다. 제올라이트 비드와 야자각 분말로 코팅된 바텀애시 골재의 혼입비율은 10:0 및 5:5로 변화하였다.
또한 그룹 2에서 제조된 투수블록들의 세정회수는 0회, 10회 및 50회로, 동결융해 회수는 0회 및 10회로 변화하였다. 그룹 2에서 $R_{p}$는
10 %로 고정하였다. 모든 그룹의 배합에서 물-시멘트비($W/C$)는 0.4이며, 골재-시멘트비($S/C$)는 3.65로 고정하였다.
실험체명에서 첫 번째 숫자는 그룹명을, 두 번째 숫자는 $R_{p}$를, 세 번째 숫자는 각 $R_{p}$에서 다공성 소재들의 구성비율을, 네 번째
알파벳은 사용된 다공성 소재의 종류(Z=zeolite powder, ZB=zeolite bead, C=coconut shell activated carbon)를
나타낸다. 예를 들어 2-10-3:7(Z:C) 실험체는 그룹 2(블록제조 공장생산라인)에서 $R_{p}$가 10 %인 실험체이며, 제올라이트 분말과
야자각 분말로 코팅한 바텀애시 골재가 각각 3:7 비율로 혼입되었음을 의미한다.
Table 1. Mixture proportions of permeable blocks for removal SO$_{X}$ and NO$_{X}$
|
Group
|
Specimens
|
$W/C$
|
$S/C$
|
Unit contents (kg/m3)
|
Porous materials-to-total aggregate ratio by volume (%)
|
Component ratio of porous materials for coating BA
|
|
$C$
|
$W$
|
$S$
|
BA
|
ZB
|
BA
|
ZB
|
Zeolite powder
|
Coconut shell activated carbon
|
|
1
|
1-10-5:5(Z:C)
|
0.4
|
3.65
|
452
|
181
|
1,486
|
165
|
0
|
10
|
0
|
50
|
50
|
|
1-20-5:5(Z:C)
|
435
|
174
|
1,271
|
318
|
0
|
20
|
0
|
|
1-30-5:5(Z:C)
|
419
|
168
|
1,071
|
459
|
0
|
30
|
0
|
|
1-40-5:5(Z:C)
|
404
|
162
|
885
|
590
|
0
|
40
|
0
|
|
2
|
2-10-2:8(Z:C)
|
452
|
181
|
1,486
|
165
|
0
|
10
|
0
|
20
|
80
|
|
2-10-3:7(Z:C)
|
452
|
181
|
1,486
|
165
|
0
|
10
|
0
|
30
|
70
|
|
2-10-10:0(ZB:C)
|
406
|
162
|
1,334
|
0
|
148
|
0
|
10
|
0
|
0
|
|
2-10-5:5(ZB:C)
|
428
|
171
|
1,406
|
78
|
78
|
5
|
5
|
0
|
100
|
|
Note: $C$: cement; $W$: water; $S$: sand; BA: bottom ash aggregate coated with zeolite
powder and coconut shell activated carbon; ZB: zeolite bead
|
2.2 재료
Table 2에는 사용된 재료들의 물리적 특성을 나타내었다. 다공성 소재로 사용된 제올라이트 분말은 크기가 3~10 µm이며, 밀도가 2.37 g/cm3인 4 Å의 제품을 사용하였다. 제올라이트 비드는 크기가 2.5~5 mm이며, 밀도가 0.76 g/cm3인 4 Å의 제품을 사용하였다. 야자각 분말은 활성탄의 종류로 크기가 5~10 µm이며, 밀도 1.56 g/cm3인 제품을 사용하였다. 접착제로 사용된 에폭시수지는 경화되었을 때 밀도가 1.18 g/cm3이며, 경도가 83 Shore D인 제품을 사용하였다. Fig. 1에는 사용된 재료들의 기공의 범위를, Fig. 2에는 내부의 공극을 나타내었다. 시편은 24시간 동안 건조로에서 수분을 완전히 건조시켰으며, 공극을 228 MPa까지의 압력을 가할 수 있는 장비를
이용하여 수은압입법(mercury intrusion porosimetry, MIP)으로 측정하였다. 내부의 공극은 주사전자현미경(scanning electron
microscopy, SEM)을 이용하여 미세구조를 분석한 이미지를 Fig. 2에 나타내었다. 제올라이트 분말과 제올라이트 비드는 마이크로 포어(micropore), 메소 포어(mesopore) 및 매크로 포어(macropore)에서
각각 7.4 %, 2.7 % 및 89.9 %로서 매크로 포어가 대부분을 차지하고 있다(Fig. 2(a)). 반면, 야자각 분말은 마이크로 포어, 메소 포어 및 매크로 포어에서 각각 74.7 %, 9.7 % 및 15.6 %로서, NO$_{X}$의 활동반경(Al-Rahbi and Williams 2016) 크기와 비슷한 마이크로 포어가 대부분을 차지하고 있음을 확인하였다. 야자각 분말의 내부는 다수의 작은 공극을 갖는다(Fig. 2(b)). 에폭시는 마이크로 포어, 메소 포어 및 매크로 포어에서 각각 15.0 %, 2.7 % 및 82.3 %로서 매크로 포어가 대부분을 차지하고 있다.
이 매크로 포어는 SO$_{X}$와 NO$_{X}$의 활동반경 보다 약 5.7배 이상 큼을 확인하였다. 또한 에폭시의 내부도 50~100 nm의 크기를
갖는 다수의 공극을 가지고 있기 때문에 SO$_{X}$와 NO$_{X}$가 야자각 분말 또는 제올라이트 계열의 소재로의 이동이 가능함을 확인하였다(Fig. 2(c)).
Table 2. Physical properties of porous materials
|
Type
|
Particle size (µm)
|
Density
(g/cm3)
|
Fineness (cm2/g)
|
|
Zeolite powder
|
3~10
|
2.37
|
2.3
|
|
Zeolite bead
|
2,500~5,000
|
0.76
|
-
|
|
Coconut shell activated carbon
|
2.38
|
1.56
|
1,130
|
Fig. 1. Pore distribution of each material used
Fig. 2. Internal microstructure of each material used
2.3 제올라이트 분말 및 야자각 분말의 코팅
제올라이트 분말 및 야자각 분말은 Yang et al.(2020)에 의해 제시된 침지법으로 코팅하였다. Fig. 3에는 Yang et al.(2020)에 의해 제시된 침지법에 의한 제올라이트 분말과 야자각 분말을 코팅하는 방법을 나타내었다. 에폭시의 점성은 매우 높기 때문에 제올라이트 분말과 야자각
분말을 뭉치게 할 가능성이 높다(Zhang and Jia 2006). 따라서 이러한 현상을 제어하기 위해서는 에폭시를 유동성이 우수한 용액으로의 희석이 필요하다(Varley 2004). 희석을 위한 용액인 정제수는 에폭시의 레진과 3분 동안 혼합하였다. 이후, 제올라이트 분말 또는 야자각 분말을 투입한 후 5분 동안 혼합하였고,
에폭시 경화제를 마지막으로 투입하여 2분 동안 더 혼합하였다. 에폭시와 다공성소재가 첨가된 용액은 최종적으로 바텀애시 골재를 투입하여 30분 동안
침지한 후 온도 20±2 °C 및 상대습도 60±5 %의 그늘 환경에서 건조하였다.
Fig. 3. The coating process of BA aggregates using porous materials
Fig. 4. The production of permeable block specimens in the laboratory and factory
2.4 블록의 제조방법 및 양생
Fig. 4에는 다공성 소재를 이용하여 실내 실험실 및 블록제조 공장생산라인에서 제작한 투수블록의 시편을 나타내었다. 실내 실험실 배합에서는 결합재와 다공성
소재로 코팅된 바텀애시 골재를 투입하여 1분 동안 건비빔 한 후 배합수를 투입하여 2분 동안 습비빔하였다. 이후 145×75×65 mm 크기의 몰드에
콘크리트 배합을 투입하여 온도 20 °C의 대기에서 1일 동안 양생 후 탈형하여 재령 28일까지 온도 20±2 °C 및 습도 60±5 %의 항온･항습실에서
양생하였다. 투수블록 제조용 콘크리트 배합은 재료의 투입 순서 및 혼합시간을 실내배합과 동일하게 하였다. 제조된 투수블록은 4시간동안 70 °C 및
습도 90 %의 환경에서 증기양생 이후 온도 20±2 °C에서 표준 양생하였다.
2.5 측정요소
투수블록은 반복적인 우천 및 동결융해 등의 외기환경에 직접적으로 노출되며, 이로 인해 다공성 소재에 사용된 에폭시의 접착성능이 저하될 수 있다(Park et al. 2009). 이는 외기환경 노출 이후에 투수블록에서 대기전구물질의 흡착능력이 저하될 수 있음을 의미한다. 따라서 에폭시를 이용한 코팅조건에서 외기환경 노출(세정
및 동결융해 환경)에서도 안정적인 투수블록의 SO$_{X}$와 NO$_{X}$의 제거율이 가능한지를 평가하였다. 세정은 우천 시 평균 유속인 3~4
m/s로 흐르는 물에 투수블록을 적시는 방법을 이용하였다. 동결융해는 투수블록을 물에 적셔 온도 -14 °C인 챔버에서 24시간 넣었으며, 이후 20±2
°C 및 습도 60±5 %에서 융해하는 방법을 이용하였다. 세정 또는 동결융해된 투수블록은 최종적으로 그늘환경에서 건조 후 대기전구물질을 측정하였다.
Fig. 5에는 제조된 투수블록들의 SO$_{X}$ 및 NO$_{X}$ 측정을 위한 장비를 나타내었다. 측정장비는 ISO 22197-1(ISO/TC 206 2007)에서 제시하고 있는 NO$_{X}$ 측정상세를 기반하여 제작된 ㈜인비지블의 가스 저감 측정장비를 이용하였다(Bong et al. 2015; Yang et al. 2020). 이 장비는 유속제어기, 유량제어기, 가스주입구, 가스 배출구 및 가스 분석기로 구성된다. 측정기기 내부의 크기는 150×100×80 mm이며,
블록시편의 크기는 145×75×65 mm이다. 유속 및 유량제어기는 SO$_{X}$ 및 NO$_{X}$의 가스를 주입하고 가스배출구에 연결된 가스
분석기로부터 블록에 의해 저감된 농도를 측정한다. 각 배기가스에서의 유속 및 유량은 투수블록이 없는 상태의 측정기기 챔버 내부에서 1 ppm을 유지하기
위해 필요한 가스 주입속도 및 주입량으로 결정하였다. SO$_{X}$ 및 NO$_{X}$의 제거율은 투수블록이 없는 상태에서 측정된 시간에 따른 농도와
투수블록에서 측정된 농도를 비교하였다. SO$_{X}$ 및 NO$_{X}$의 제거율($R$)은 다음의 식을 이용하여 산정하였다(Lee et al. 2020).
Fig. 5. Set-up for measurement of SO$_{X}$ and NO$_{X}$ removal rates
여기서, $E$는 배기가스가 주입되는 동안의 시간에 따른 농도 그래프의 전체면적을, $D$의 면적은 감소된 가스 농도의 면적을 의미한다. 실내 실험실에서
제조된 투수블록은 SO$_{X}$ 및 NO$_{X}$ 제거율을 평가하였으나 블록제조 공장생산라인에서 제조된 투수블록은 생산일정의 차질로 인한 시편부족으로
SO$_{X}$ 제거율만을 측정하였다.
실내 실험실 및 블록제조 공장생산라인에서 제조된 투수블록들의 압축강도는 50×50×50 mm의 크기로 절단하여 재령 7일 및 28일에서 만능재료시험기(universal
testing machine, UTM)를 이용하여 측정하였다. 휨 강도, 흡수율 및 투수계수는 블록제조 공장생산라인에서 제조된 투수블록에서 재령 28일에
KS F 4419(KATS 2016)의 기준에 준하여 측정하였다.
3. 실험결과 및 분석
3.1 SO$_{X}$ 제거율
Fig. 6에는 실내 실험실에서 제조된 투수블록의 SO$_{X}$ 제거율을 나타내었다. SO$_{X}$의 농도는 시간이 증가함에 따라 점차 증가하였는데, 그
증가 기울기는 $R_{p}$가 증가할수록 감소하였다. 하지만 시간에 따른 SO$_{X}$ 농도의 증가는 매우 작은 수준으로서 20시간동안 0.05
ppm 이하이었다. 특히 $R_{p}$가 30 % 및 40 %인 투수블록의 SO$_{X}$ 농도는 이 시점까지 0 ppm을 유지하였다. 그룹 1에서
제올라이트 분말 및 야자각 분말로 각각 코팅된 바텀애시 골재를 5:5의 중량비로 투입된 투수블록의 SO$_{X}$ 제거율은 $R_{p}$에 관계없이
96.9 % 이상이었으며, $R_{p}$가 10 %에서 40 %로 변화할 때 1.03배 증가하였다. Fig. 7에는 블록제조 공장생산라인에서 제조된 투수블록의 SO$_{X}$ 제거율을 나타내었다. 그룹 2에서 제올라이트 분말 및 야자각 분말로 각각 코팅된 바텀애시
골재를 2:8 및 3:7 중량비로 투입된 투수블록의 SO$_{X}$ 제거율은 각각 74.5 % 및 98.9 %이었다. 제올라이트 분말로 코팅된 바텀애시
골재의 비율이 높을수록 SO$_{X}$ 제거율이 증가하였으며, 이는 제올라이트 분말로 코팅된 바텀애시 골재가 SO$_{X}$ 제거율에 매우 효과적임을
의미한다. 제올라이트 비드와 야자각 분말로 코팅된 바텀애시 골재의 혼입비율을 10:0 및 5:5 중량비로 투입된 투수블록의 SO$_{X}$ 제거율은
다공성 소재들의 혼입비율에 관계없이 92.7 % 이상이었다. 그룹 2에서 SO$_{X}$ 제거율은 세정회수가 증가함에 따라 다소 감소하였지만, 그
감소율은 세정 50회에서 최대 5 %이었다. 또한, 10회 동결융해 이후에도 그 감소율은 5 % 이하이었다. 결과적으로 제시된 코팅 방법을 이용한
다공성소재의 코팅방법은 세정 및 동결융해의 환경에서도 안정적인 SO$_{X}$ 제거율을 확보할 수 있음을 확인하였다. 이와 같이 제올라이트는 비슷한
분극의 크기를 가지고 있는 SOx와 공유결합이 효과적이기 때문에 $R_{p}$가 증가할수록 증가한다(Yang et al. 2020).
Fig. 6. SO$_{X}$ removal rate of permeable blocks produced in laboratory
Fig. 7. SO$_{X}$ removal rate of permeable blocks produced in factory
3.2 NO$_{X}$ 제거율
Fig. 8에는 실내 실험실에서 제조된 투수블록의 NO$_{X}$의 제거율을 나타내었다. NO$_{X}$의 농도도 시간이 증가함에 따라 점차 증가하였는데, 그
증가기울기는 $R_{p}$가 증가함에 따라 감소하였다. NO$_{X}$ 농도의 증가는 초기에 급격하지만, 5시간 이후부터는 완만하였다. 특히 $R_{p}$가
40 %인 투수블록은 가장 낮은 NO$_{X}$의 농도를 보였으며, NO$_{X}$의 농도가 완만히 변하는 시점도 가장 느렸다. 제올라이트 분말 및
야자각 분말로 각각 코팅된 바텀애시 골재를 5:5의 중량비로 투입된 투수블록의 NO$_{X}$ 제거율은 15.4~43.4 % 범위에 있었다. 실내
실험실에서 제작한 투수블록은 $R_{p}$가 증가함에 따라 급격히 증가하였는데, $R_{p}$가 40 %일 때 43.4 %이었다. 블록제조 공장생산라인으로
제조된 투수블록의 NO$_{X}$ 제거율은 시편 개수의 부족으로 인해 측정하지 못하였다. 하지만 실내 및 블록제조 공장생산라인으로 제조된 투수블록에서
비슷한 SO$_{X}$ 제거율의 결과를 고려하여 볼 때, 블록제조 공장생산라인으로 제조된 투수블록의 NO$_{X}$ 제거율도 실내에서 제조된 투수블록과
비슷한 성능을 확보할 것으로 판단된다.
Fig. 8. NO$_{X}$ removal rate of permeable blocks produced in laboratory
3.3 압축강도
Fig. 9에는 제조된 투수블록의 압축강도($f_{ck}$)를 나타내었다. $R_{p}$가 10 %인 투수블록의 재령 7일 및 28일 $f_{ck}$는 각각
38.6 MPa 및 41.8 MPa으로 비슷한 수준에 있었다. 반면, $R_{p}$가 4배 증가할 때에 제조된 투수블록의 $f_{ck}$는 평균 80
% 감소하였다. 블록제조 공장생산라인에서 제조된 투수블록들은 투입되는 다공성 소재의 종류에 관계없이 재령 28일 $f_{ck}$가 23.5~25.8
MPa으로 비슷한 수준에 있었는데, 이 값들은 실내 실험실에서 제조된 $R_{p}$가 10 %인 투수블록 보다 평균 41 % 낮았다. 이와 같이 블록제조
공장생산라인에서 제조된 투수블록들의 압축강도가 거의 비슷한 이유는 블록의 성형 시 도입되는 진동가압공정으로 인해 골재와 페이스트 사이의 공극률이 비슷하게
형성되었기 때문이다.
Fig. 9. Compressive strength of permeable blocks
3.4 휨강도
Fig. 10에는 블록제조 공장생산라인에서 제조된 투수블록의 휨강도($f_{r}$)를 나타내었다. 투수블록의 압축강도($f_{ck}$)의 경향과 마찬가지로 투입되는
다공성 소재의 종류에 관계없이 재령 28일 $f_{r}$이 5.3~5.5 MPa으로 비슷한 수준에 있었는데, KS F 4419(KATS 2016)에서 제시하고 있는 4 MPa 보다 약 1.4배 이상 높았다. 따라서 3.2절의 압축강도 분석에서 얻어진 결과에 기반하여 다공성 소재들을 이용하여
블록제조 공장생산라인에서 제조된 투수블록은 KS F 4419에서 제시하고 있는 $f_{r}$을 만족하기 위해서는 10 % 이하의 $R_{p}$가 요구된다.
Fig. 10. Flexural strength of permeable blocks
Fig. 11. Mechanical properties of permeable blocks
3.5 흡수율 및 투수계수
Fig. 11에는 블록제조 공장생산라인에서 제조된 투수블록의 흡수율 및 투수계수를 나타내었다. 투수블록의 흡수율은 투입되는 다공성 소재의 종류에 관계없이 5.7~6.7
%이었다. 또한 투수블록의 투수계수도 투입되는 다공성 소재의 종류에 관계없이 0.10~0.14 mm/s로 비슷한 수준에 있었다. 이 흡수율과 투수계수들은
KS F 4419(KATS 2016)에서 제시하고 있는 요구값(흡수율 평균 7 % 이내, 투수계수 0.1 mm/s 이상)을 모두 만족하였다.
3.6 최적 $R_{p}$의 결정
일반적으로 투수블록은 KS F 4419에서 제시된 바와 같이 요구성능인 휨 강도 4 MPa 이상, 흡수율 7 % 이내 및 투수계수 0.1 mm/s
이상을 만족하여야 한다. 따라서 기본적인 요구성능을 만족하는 수준을 갖는 투수블록에서 SO$_{X}$와 NO$_{X}$의 제거율이 가장 높을 때로
$R_{p}$를 결정하였다. 투수블록들은 $R_{p}$가 10 %로 첨가된 모든 실험체는 SO$_{X}$ 및 NO$_{X}$ 제거율이 다른 실험체에
비해 낮았지만, KS F 4419(KATS 2016)에서 제시하고 있는 투수블록의 요구성능을 만족하였다. 따라서 투수블록으로서의 기능을 발휘하면서 대기전구물질을 제거하기 위한 최적의 $R_{p}$는
10 %로 결정될 수 있었다.
4. 결 론
이 연구에서는 다공성 소재인 제올라이트 분말, 제올라이트 비드 및 야자각 분말을 이용하여 실내 실험실 및 블록제조 공장생산라인에서 제조된 투수블록의
대기전구물질 제거율과 KS에 제시하는 요구성능의 만족여부를 평가한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.
1) 제올라이트 분말로 코팅된 바텀애시 골재 또는 제올라이트 비드를 이용한 투수블록의 SO$_{X}$ 제거율은 투입되는 다공성 소재들의 혼입 중량비에
관계없이 74.5 % 이상이었다.
2) 블록제조 공장생산라인에서 제조된 투수블록의 SO$_{X}$의 제거율은 세정회수가 증가하거나 동결융해가 진행된 이후 다소 감소하였지만, 그 최솟값은
70.7 %로서 높은 제거율을 유지하였다.
3) 제올라이트 분말 및 야자각 분말로 각각 코팅된 바텀애시 골재를 5:5의 중량비로 투입하여 실내 실험실에서 제조된 투수블록의 NO$_{X}$ 제거율은
전체 골재 대비 체적 치환율($R_{p}$)이 40 %일 때 43.4 %로 가장 높았다.
4) 블록제조 공장생산라인에서 제조된 투수블록의 재령 28일 압축강도는 다공성 소재의 종류에 관계없이 23.5~ 25.8 MPa의 범위에 있었는데,
$R_{p}$가 10 %인 실내에서 제조된 투수블록 보다 평균 41 % 낮았다.
5) 블록제조 공장생산라인에서 제조된 투수블록의 휨 강도($f_{r}$), 흡수율 및 투수계수는 각각 5.3~5.5 MPa, 5.7~6.7 % 및
0.10~0.14 mm/s이었는데, 이 값들은 KS F 4419에서 제시하고 있는 요구값(휨강도 4 MPa 이상, 흡수율 7 % 이내 및 투수계수
0.1 mm/s 이상)을 만족하였다.
6) 투수블록배합에서 제올라이트 비드와 제올라이트 분말 또는 야자각 분말로 코팅된 바텀애시를 전체 골재 대비 10 %로 체적 치환하면, 74.5 %
이상의 SO$_{X}$ 제거율과 KS F 4419에서 요구하는 휨강도, 흡수율 및 투수계수의 성능을 만족하는 투수블록을 제작할 수 있다.
감사의 글
본 연구는 산업통상자원부와 한국에너지기술평가원의 지원을 받아 수행한 연구 과제(No. 2018111020007)이며, 중소벤처기업부와 중소기업기술정보진흥원의
지원을 받아 수행한 연구 과제입니다(No. S3112995).
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