2.1 재료 및 샘플준비

1종 포틀랜드 시멘트를 결합재로 사용하였으며 그 구성성분이 Table 1에 나타나 있다. 1~4 mm 크기의 바텀애쉬가 골재로 사용되었으며 바텀애쉬 골재의 물성 및 입도분포가 Table 2와 Fig. 1에 나타나 있다. 황산법으로 제조된 TiO$_{2}$ (NP-400, Bentech Frontier Co., LTD.) 광촉매가 사용되었으며 TiO$_{2}$의 물성 및 XRD 패턴이 Table 3과 Fig. 2에 나타나 있다. TiO$_{2}$는 anatase 상으로 이루어져 있다.

Table 4은 본 실험에 사용된 포러스 콘크리트의 배합비를 나타낸다. 본 실험에서 사용된 TiO$_{2}$의 적용방법은 3가지로, (1) TiO$_{2}$를 포러스 콘크리트 배합단계에서 단순 혼입하여 혼합하는 방법, (2) 바텀애쉬 골재를 TiO$_{2}$ 용액에 침지시켜 TiO$_{2}$가 함침된 골재를 제조하고 이를 시멘트와 배합하는 방법, (3) 제조된 포러스 콘크리트 샘플에 스프레이건을 이용하여 TiO$_{2}$ 용액을 표면 도포하는 방법이다. 본 연구에서 사용된 TiO$_{2}$가 함침된 골재의 제조과정은 다음과 같다. 시멘트 무게대비 10 % TiO$_{2}$를 물에 용해한 용액에 바텀애쉬 골재를 넣고 10분간 혼합하였다. 이 후 70 ℃의 오븐에서 건조시켜 수분을 천천히 증발시켰다. 바텀애쉬 골재 및 제조된 TiO$_{2}$ 함침 골재가 Fig. 3에 나타나 있다.

포러스 콘크리트의 목표 공극률은 35 %로 설정하였으며 이를 위해 물-시멘트비(W/C) 및 페이스트-골재 부피비(P/G)는 이전 연구들을 참고하여 각각 0.25 및 0.4로 설정되었다^{(Jang et al., 2015}; ^{Kim et al., 2017)}. 포러스 콘크리트의 혼합과정은 분체재 (시멘트, TiO$_{2}$)와 바텀애쉬 골재를 콘크리트 믹서에서 5분간 건비빔 한 후 물을 넣고 다시 5분간 혼합하였다. 혼합물은 압축강도, 공극률 측정을 위해 Φ 100 X 200 mm, Φ 100 X 100 mm 몰드에 각각 타설 되었으며, 흡음성능 및 질소산화물 제거성능 측정을 위해 ASTM E1050 및 ISO 22197-1 기준에 따라 각각 Φ 45 X 100 mm, 50 X 100 X 10 m 크기의 몰드에 타설되었다. 다공성 콘크리트는 샘플 제작과정에 따라 기계적 특성에 영향을 미칠 수 있기에 다음과 같은 방법으로 샘플을 제작하였다. 먼저, 몰드의 절반을 혼합물로 채우고 다짐봉을 이용해 10회 다짐을 수행하였다. 이후 혼합물로 몰드를 가득 채우고 진동다짐기를 이용해 10초간 다짐하였다. 하루 동안 실온양생 후 탈형하고 25 ± 3 °C의 온도에서 27일간 수중 양생 되었다. 양생 후 일부 샘플에 TiO$_{2}$ 용액의 도포를 위해 샘플을 60 °C의 오븐에서 하루동안 건조시킨 후 TiO$_{2}$ 용액을 스프레이건을 이용하여 도포하였다. 도포된 TiO$_{2}$의 양은 다른 샘플들과의 비교를 위해 10 %의 TiO$_{2}$가 단순 혼입되었을 때의 부피당 TiO$_{2}$ 혼입량을 계산하고 50 X 100 X 10 mm 크기의 샘플의 부피에 맞는 양을 산정하였다. 산정된 TiO$_{2}$를 물, Na2SiO3와 혼합하여 TiO$_{2}$ 용액을 제조하였다. TiO$_{2}$, 물, Na2SiO3를 1 : 9 : 1의 비율로 10분간 교반하고 초음파처리기를 이용하여 초음파처리하였다. Na2SiO3는 포러스 콘크리트 표면에 TiO$_{2}$ 입자를 보다 효율적으로 부착하기 위해 사용되었다. 도포 후 60 °C의 오븐에서 30분간 건조시키는 것을 1회로 설정하여 동일한 작업을 3회 반복하였다. 추가적인 대조군으로 15 %의 TiO$_{2}$가 단순 혼입된 샘플 또한 제조되었다. 본 연구에서 적용된 TiO$_{2}$ 적용방법 및 이에 대한 작업흐름도가 Fig. 4에 나타나 있으며, 유사한 배합비와 동일한 제조방법을 통해 제작된 포러스 콘크리트 샘플의 외부 형상은 ^{Yoon et al.(2021)}에 나타나 있다.

Fig. 1. Granulometric Curve of Bottom ash Aggregate

Fig. 2. XRD Pattern of TiO$_{2}$

Fig. 3. Bottom ash Aggregate (a) Before and (b) After TiO2Treatment

Fig. 4. Workflow of Fabrication of Porous Concrete with Different TiO2Application Methods

2.2 실험방법

압축강도는 2,500 kN 용량의 UTM을 사용하여 ASTM C39 기준에 따라 측정되었다. 배합당 3개의 샘플을 측정하였으며 평균값이 계산되었다. 샘플의 공극률은 이전 연구들에서 수행되었던 ‘volume method’ 방법을 이용하여 측정하였으며, 열린공극, 닫힌공극, 총공극률의 계산식은 다음과 같다^{(Jang et al., 2015}; ^{Kim and Lee, 2010)}.

여기서$V_{open}$,$V_{close}$,$V_{total}$,$W_{1}$,$W_{2}$,$W_{3}$, $V$,$\rho_{w}$는 각각 열린공극률(%), 닫힌 공극률(%), 총 공극률(%), 수중에서의 샘플의 무게, 표면건조 상태에서의 샘플의 무게, 절대건조 상태에서의 샘플의 무게, 샘플의 부피와 물의 비중을 나타낸다^{(Jang et al., 2015}; ^{Kim and Lee, 2010)}. 배합당 3개의 샘플에 대해 공극률을 측정하고 평균값을 계산하였다.

샘플의 흡음계수 $\alpha$는 ASTM E1050 기준에 따라 315~1600 Hz 주파수 범위에서 임피던스 튜브법을 이용하여 측정하였다. 제작된 샘플을 임피던스 튜브에 설치한 후 한쪽 면에서 음원을 발생시킨 후 반대쪽 면에서 측정되는 음원을 측정하였다. 자세한 실험 설정 및 방법은 ^{Kim and Lee (2010)}에 나타나 있다.

샘플의 질소산화물 제거성능은 ISO 22197-1 기준에 따라 측정되었다. 제작된 샘플을 질소산화물의 농도 조절이 가능한 가스 챔버에 넣은 후 NO 가스를 주입하여 1 ± 0.05 ppmv 농도를 유지한 후 UV를 60분간 조사하였다. UV를 조사하는 동안 질소산화물 분석기를 이용해 질소산화물의 가스농도를 측정하였다. NO 제거율(%)은 초기 NO 농도와 광촉매 반응 후 NO 농도의 차이를 이용하여 계산하였다. 자세한 실험방법은 ^{Rhee et al.(2018)}에 나타나 있다.

3.1 압축강도

Fig. 5는 TiO$_{2}$ 적용방법에 따른 포러스 콘크리트의 압축강도를 나타낸다. CON, T10, T15, B10, SP 샘플의 압축강도는 각각 7.2, 4.8, 4.2, 7.3, 9.9MPa 이었다. TiO$_{2}$를 단순 혼입하였을 경우 TiO$_{2}$ 함량이 증가함에 따라 압축강도가 감소하는 경향이 나타났다. 이는 TiO$_{2}$ 함량이 증가함에 따라 시멘트 바인더와 바텀애쉬 골재 사이의 결합력을 약화시켰기 때문인 것으로 추측된다. TiO$_{2}$가 함침된 골재를 사용한 B10 샘플의 경우 CON 샘플과 유사한 강도를 나타내었으며 동일한 TiO$_{2}$량을 단순 혼입한 T10 샘플에 비해 높게 측정되었다. 이러한 이유는 TiO$_{2}$와 바텀애쉬를 미리 전처리 할 경우 나노입자의 TiO$_{2}$가 다공질의 바텀애쉬에 미리 침투하게 되어 시멘트 바인더와 혼합시 골재 사이의 결합력에 큰 영향을 미치지 않기 때문인 것으로 판단된다. TiO$_{2}$ 용액을 스프레이 건으로 표면 도포한 SP 샘플의 경우 CON 샘플보다 높은 강도를 나타냈으며 이는 스프레이 처리의 경우 60 °C 오븐에서의 처리과정이 추가적으로 수행되었기 때문에 다른 샘플들에 비해 더 많은 수화가 이루어졌기 때문으로 여겨진다.

Fig. 5. Compressive Strength of the Samples

3.2 공극률

Fig. 6는 TiO$_{2}$ 적용방법에 따른 포러스 콘크리트의 공극률을 나타낸다. 본 실험에서 제조된 포러스 콘크리트는 목표 공극률을 35 %로 설정하였으며, 대부분 시편에서 목표 공극률보다 더 높은 공극률이 측정되었다. 여러 연구에서 W/C와 P/G의 비율이 포러스 콘크리트의 공극률을 결정하는 가장 큰 요인들이라고 보고되었으며, 제조과정에서의 다짐에도 큰 영향을 받는다고 알려져 있다^{(Kim et al., 2017}; ^{Torres et al., 2018)}. 이러한 요인들로 샘플들의 총 공극률이 목표 공극률보다 조금 더 높았을 수 있다고 판단된다. B10 샘플이 가장 낮은 공극률을 나타냈으며, 이는 TiO$_{2}$를 바텀애쉬에 함침시키는 과정이 바텀애쉬의 다공질 감소에 영향을 미칠 수 있기 때문인 것으로 판단된다.

Fig. 7은 샘플들의 열린 공극률 및 닫힌 공극률을 나타낸다. CON 샘플과 TiO$_{2}$를 단순 혼입한 샘플들인 T10, T15를 비교할 때 TiO$_{2}$ 혼입에 따라 닫힌 공극률의 큰 변화는 관찰되지 않았지만 열린 공극률이 오히려 증가하는 경향을 나타내었다. 이러한 이유는 TiO$_{2}$의 다량 혼입이 수화과정에서 핵형성 효과를 방해하고 수화 생성물의 성장을 저지하여 시멘트 매트릭스의 미세구조를 거칠게 만들었기 때문일 수 있다^{(Zhang and Li, 2011)}. 한편, B10 샘플의 경우 앞서 설명한 바와 같이, TiO$_{2}$의 전처리가 바텀애쉬의 다공질을 감소시켜 열린 공극률을 크게 감소시킨 것이 확인되었다. TiO$_{2}$ 용액을 표면에 도포한 SP 샘플의 경우 CON 샘플과 유사한 공극률을 나타내었으며, 이는 TiO$_{2}$가 표면에만 도포되기 때문에 내부의 공극에는 크게 영향을 미치지 않기 때문인 것으로 여겨진다.

Fig. 6. Total Void Ratios of the Samples

Fig. 7. Opened and Closed Void Ratio of the Samples

3.3 질소산화물 제거성능

Fig. 8는 TiO$_{2}$ 적용방법에 따른 포러스 콘크리트의 질소산화물 제거성능을 나타내며, NO의 제거량과 제거효율이 Table 5에 정리되었다. 10분 후 UV 광선이 조사됨에 따라 광촉매 반응이 발생하였으며, UV 광선 조사 60분 후 UV를 제거하자 광촉매 활성이 사라짐이 관찰되었다. T10, T15, B10, SP 샘플들의 NO 제거효율은 각각 5.5, 7.0, 10.8, 19.4 %로 측정되었다. 광촉매 반응은 대분분 콘크리트 표면에서 일어나기 때문에 표면에 TiO$_{2}$가 더 많이 분포할수록 질소산화물 제거성능이 향상될 수 있다^{(Macphee and Folli, 2016)}. 이러한 이유로 TiO$_{2}$ 용액을 표면에 도포한 SP 샘플에서 가장 높은 광촉매 반응이 발생하였음을 확인할 수 있다. 한편, TiO$_{2}$가 함침된 바텀애쉬 골재를 이용한 B10 샘플의 경우 동일량의 TiO$_{2}$를 단순 혼입한 T10 샘플보다 약 2배의 높은 질소산화물 제거성능을 나타내었으며, 이는 15 %의 TiO$_{2}$가 단순 혼입된 T15 샘플의 질소산화물 제거성능보다 높았다. 이는 바텀애쉬를 TiO$_{2}$와 전처리 할 경우 바텀애쉬의 다공질에 나노입자인 TiO$_{2}$가 침투하여 시멘트와 혼합 시 표면에 노출될 수 있는 TiO$_{2}$량이 증가했기 때문인 것으로 추측된다. ^{Rhee et al.(2018)}에서는 TiO$_{2}$ 혼입 시멘트 페이스트 제작과정에서 TiO$_{2}$ 입자가 가라앉는 현상으로 인해 표면 노출이 감소할 수 있다고 보고되었다^{(Rhee et al.(2018))}. 이러한 이유로 본 연구에서 TiO$_{2}$가 단순 혼입된 T10, T15 샘플의 질소산화물 제거성능이 더 낮게 측정된 것으로 판단된다.

Fig. 8. NOx-concentration of the Samples During the NOx-removal Experiment

3.4 흡음성능

Fig. 9는 TiO$_{2}$ 적용방법에 따른 포러스 콘크리트의 주파수별 흡음계수를 나타낸다. 본 연구에서 제조된 포러스 콘크리트의 흡음성능은 중저주파 대역(800 Hz 이하)에서의 흡음성능이 고주파 대역에서 측정된 흡음성능보다 높은 것으로 관찰되었다. T15 샘플을 제외한 모든 샘플에서 약 400 Hz 및 1250 Hz에서 흡음계수의 피크가 관찰되었으며 400 Hz에서의 계수 값이 더 크게 측정되었다. 이는 제조된 포러스 콘크리트가 400 Hz에서 가장 높은 흡음 효율을 나타내는 것을 의미하며 동일한 두께의 포러스 콘크리트의 흡음계수를 측정한 이전 실험의 결과와 유사한 경향을 나타내었다^{(Zhang et al., 2020)}. T15 샘플의 경우 1600 Hz에서 다른 샘플들에 비해 높은 흠음계수가 측정되었다. 1600 Hz를 제외한 대역에서의 T15 샘플의 흡음계수는 다른 샘플들과 모두 유사한 경향을 보이고 있기 때문에 이는 포러스 콘크리트의 불연속적인 공극분포로 인한 실험 오차로 판단되며 이와 관련한 추가적인 연구가 필요할 것으로 여겨진다. 샘플들의 각 주파수에서 측정된 흡음계수의 평균이 Table 6에 계산되었다. CON, T10, T15, B10, SP 샘플들의 흡음계수 평균은 각각 0.43, 0.47, 0.54, 0.47, 0.36이었다. SP 샘플을 제외한 모든 샘플에서 CON 샘플보다 더 큰 흡음계수 평균값이 계산되었다. 일반적으로 흡음특성은 재료의 종류, 두께, 공극률 등에 따라 크게 영향을 받는다고 보고 되었다^{(Tian et al., 2014)}. TiO$_{2}$를 단순 혼입한 T10, T15 샘플의 경우 CON 샘플보다 흡음계수가 크게 측정되었다. 이는 앞서 공극률 실험을 통해 언급하였듯이 다량의 TiO$_{2}$ 혼입으로 인해 시멘트 매트릭스 구조의 성장을 방해하여 공극률이 증가했기 때문인 것으로 보인다^{(Zhang and Li, 2011)}. 반면, B10 샘플의 경우 CON 샘플보다 낮은 공극률을 가졌음에도 흡음계수는 더 크게 측정되었으며, 또한 SP 샘플의 경우에도 CON 샘플과 유사한 공극률을 가짐에도 다른 샘플들에 비해 낮은 흡음계수를 가졌다. 동일한 배합에서 유사한 공극률을 가진 포러스 콘크리트에서 TiO$_{2}$ 적용방법에 따라 흡음계수가 달라질 수 있음이 확인되었으며 이러한 현상에 대한 추가적인 연구가 필요할 것으로 판단된다.

Fig. 9. Sound-Absorption Coefficient of the Samples

3.5 상관관계 분석

Fig. 10은 각 샘플별 압축강도, 공극률, NO 제거효율, 흡음계수 간의 상관관계를 나타낸다. 동일한 배합비에 TiO$_{2}$ 함량만 다른 CON, T10, T15 샘플들을 비교할 때 TiO$_{2}$ 함량이 증가함에 따라 공극률 증가와 이에 따른 압축강도 감소와 흡음계수 증가가 관찰되었다. 또한, TiO$_{2}$ 함량 증가에 따라 NO 제거효율이 증가하였다. 동일한 TiO$_{2}$ 함량에서 TiO$_{2}$ 적용방법을 달리한 T10, B10, SP 샘플들을 비교할 때 TiO$_{2}$ 적용방법에 따른 공극률 변화는 크지 않았음에도 압축강도는 큰 차이를 보였으며, 이는 TiO$_{2}$의 단순 혼입이 시멘트 바인더와 바텀애쉬 골재 사이의 결합력을 약화시켰기 때문인 것으로 보인다. 일반적으로 흡음계수 및 NO 제거성능은 공극률에 큰 영향을 받을 수 있지만^{(Tian et al., 2014)} TiO$_{2}$의 적용방법을 달리한 3개의 샘플들에서는 공극률과 흡음계수 및 NO 제거성능 간의 상관관계는 관찰되지 않았다. 동일한 배합에서 TiO$_{2}$의 함량이 다른 경우에는 압축강도, 공극률, NO 제거효율, 흡음계수 간의 상관관계 분석이 가능할 수 있지만, 본 연구와 같이 TiO$_{2}$ 적용방법이 크게 다를 경우에는 각 방법에 따른 상관관계 분석이 어려울 수 있으며, 각 적용방법별 TiO$_{2}$의 함량을 달리하는 추가연구가 필요할 것으로 판단된다.

Fig. 10. Correlations Among Compressive Strength, Total Void Ratio, NO Removal Performance, and Sound Absorption Coefficient