2.1 차폐 콘크리트

방사선 차폐용 콘크리트(이하 차폐 콘크리트)는 주로 생물 체의 방호를 위하여 X선, γ선 및 중성자선을 차폐할 목적으 로 사용되는 콘크리트를 말한다. 차폐 콘크리트에 사용되는 재료 중 시멘트는 부재 단면이 일반적으로 크기 때문에 중용 열 시멘트, 플라이애시 시멘트와 같이 수화열 발생이 적은 시멘트를 선정하도록 유도하고 있다. 또한, 골재의 경우에는 콘크리트의 밀도를 보통의 경우보다 높여 주기 위해 바라이 트, 자철광, 적철광 등의 밀도가 높은 중량 골재를 사용하도 록 권장하고 있다(^{KCI, 2009}).

방사선의 종류는 α선, β선, γ선, X선, 중성자선으로 5가지 로 나눌 수 있으며, 방사선 차폐는 각각 방사선 종류에 따라 다양한 차폐설계를 진행해야 하지만, 이중 투과력이 높은 γ 선과 중성자선의 효과적인 차폐를 진행하면 다른 방사선의 경우도 차폐가 가능하다. 이때, 차폐 콘크리트의 차폐 성능 은 타설되는 콘크리트 벽 두께를 증가시키거나 밀도가 높은 골재를 사용하여 콘크리트의 단위 질량을 증가시켜 확보 할 수 있는 것으로 보고되고 있다(^{Neville 1981}; ^{Mehta 2014}).

2.2 차폐 콘크리트의 차폐 성능

콘크리트의 단위용적질량과 차폐율에 대한 관계는 많은 연구가 진행된 바 있으며(^{Kim et al, 2005}; ^{Chang, 1999}, ^{Lim et al, 2011}; ^{T. C. Ling et al 2011}), 그 식은 식(1)~(4) 에 나타내었다.

여기서 S₂₈은 재령 28일에서의 방사선 차폐율(%), W는 콘 크리트의 단위용적질량(kg/m³) A는 방사선 흡수선량(mGy) 이다.

본 연구에서는 기존 연구를 통해 입증된 콘크리트의 단위 용적질량과 차폐율의 회귀 분석 식을 이용하여 폐유리를 혼 입한 모르타르의 차폐 성능을 평가하였다.

3.1 사용재료 및 실험 변수

3.1.1 폐유리

본 연구에서 사용된 폐유리는 폐 브라운관 후면부에서 발 췌하였으며 브라운관 제조사에 따라서 중금속 함유량의 차 이가 있었으나, 폐유리를 구성하는 성분에는 큰 차이가 없었다.

분쇄 과정은 수거된 폐유리를 jaw crusher를 이용하여 파 쇄하여 사용하였으며, 실험에 사용된 폐유리의 밀도는 3.0 g/cm³이며, 폐유리의 전경은 Photo 1에, 입도분포 곡선은 Fig. 1에 나타내었다.

Fig. 1.

Grading curves of natural aggregate and crushed heavy weight waste glass

Photo 1

Heavy weight waste glass

3.2.1 강도 측정 방법

폐유리를 혼입한 모르타르의 압축강도는 KS L 5105에 의 거하여 50 mm의 입방 시험체를 제작하여 측정하였다. 모든 시험체는 종류별로 6개씩 제작하였으며, 온도 20±1 ℃에서 수중양생 후 재령 7일, 28일에 압축강도 시험을 실시하였다. 또한, 휨강도의 경우에는 KS L ISO 679에 따라 40×40×160 mm인 각주형 시험체를 제작하여 압축강도 시험체와 동일한 양생조건을 유지한 후 재령 7일, 28일에서 측정하였다.

3.2.2 공극 측정방법

폐유리 혼입형태에 따른 모르타르의 공극 구조를 분석하 기 위하여 91일 이상 수중 양생한 시험체를 사용하여 모르타 르 표면의 거시 공극 분포(Macropore-size-distribution)를 ASTM C 457시험법에 의거한 화상분석법(Image Analysis Method) 으로 측정하였다. 또한 내부 미세 공극 분포(Micropore-sizedistribution) 는 ASTM C 4284에 의거하여 수은압입법(Mercury Intrusion Porosimetry)으로 분석하였다.

4.1 고밀도 폐유리의 기초물성

분쇄된 고밀도 폐유리의 콘크리트용 잔골재로서 활용가능 성 검토를 위한 기초 물성 실험 결과 중 조립률 결과(Fig. 1) 를 살펴보면, 폐유리의 처리 방법에 따라 조립률의 범위가 4.03 ~ 3.1까지 나타났다. 우선 폐유리를 jaw crusher를 이용 하여 분쇄만 진행한 경우에는 최대 4.03이 나타났으며, 5 mm체를 통과시킨 경우에는 조립률이 3.34까지 감소하는 것 으로 나타났다. 이에 따라 일반적으로 건설재료로 사용되는 잔골재의 조립률 범위인 2.3~3.1의 범위를 다소 벗어나는 것 으로 보이나, 천연 잔골재도 함께 사용하면 조립률 조절은 가능 할 것으로 보인다. 또한, 세척한 폐유리의 경우 세척하 지 않은 경우의 폐유리보다 조립률이 감소하는 것은 세척과 정에서 상대적으로 크기가 큰 폐유리가 새로이 파쇄되어 폐 유리의 통과율이 증가한 것에 기인한다고 판단된다. Fig. 2(a), Fig. 2(b)에는 파쇄된 폐유리를 콘크리트 잔골재로 적 용하기 위한 기초 물성 분석을 위해 X-선 형광 분석(XRF) 방법을 통해 분석한 실험 결과를 나타낸 것이다.

Fig. 2.

Composition of waste glass

폐 브라운관 제조사 및 브라운관의 규격에 따라 분류하여 나타낸 결과를 살펴보면, 규격에 상관없이 모든 폐유리에서 는 Fe(철)를 비롯하여 중금속이 대부분을 차지하고 있는 것 으로 나타났다. 이는, 브라운관 제작시 브라운관 후면부에는 높은 전압이 걸리므로 봉입부에 Pb(납)을 비롯한 중금속을 많이 포함하여 높은 전기 저항을 버틸 수 있는 유리를 사용 해야하기 때문에 중금속을 함유한 것으로 보인다. 또한, 폐 유리 밀도 실험 결과 역시 모든 경우에서 밀도가 3.0 g/cm³ 이상으로 나타났으며, 이는 XRF를 통한 폐유리의 성분 분석 결과와 같이 중금속을 함유하기 때문에 밀도가 일반 유리에 비해 크게 증가한 것으로 보인다.

4.2 폐유리 모르타르의 유동성

Fig. 3에는 폐유리 처리 방법에 따른 모르타르의 유동성 실험 결과를 나타낸 것이다. 실험 결과를 살펴보면, 비세척 폐유리의 경우 폐유리 표면 상태로 인해 유동성이 증가한 것 으로 보인다(^{Ling et al, 2011}). 그러나 폐유리를 세척한 경 우에는 오히려 일반 모르타르의 경우에 비해 유동성이 감소 하는 것으로 나타났다. 즉, 분쇄한 폐유리의 세척은 모르타 르 유동성을 다소 저하시키는 것으로 나타났다. 이에 비해, 폐유리의 입도조절 여부는 유동성에 큰 영향을 미치지 않는 것으로 판단된다.

Fig. 3.

Results of flow value

4.3 폐유리 모르타르의 단위용적질량

Fig. 4는 폐유리를 혼입한 모르타르의 재령 28일 단위용적 질량을 일반 모르타르와 비교하여 증감여부를 함께 나타낸 그래프이다. 실험 결과를 살펴보면, 폐유리의 처리 방법에 관계없이 폐유리를 사용하면 일반적인 모르타르에 비해 단 위용적질량이 증가하는 것으로 나타났다. 이는 폐유리가 중 금속을 함유하여 밀도가 높은 것에 기인하는 것으로 판단되 며, 폐유리를 잔골재로 대체하면 콘크리트의 단위용적질량의 증가가 가능할 것으로 보인다.

Fig. 4.

Results of unit weight

4.4 단위용적질량에 따른 차폐율 평가

2.2절에서 제시된 단위용적질량-차폐율 관계식을 이용하여 폐유리를 혼입한 모르타르의 차폐증가율을 일반 모르타르와 비교하여 Fig. 5에 나타내었다. 분석 결과를 살펴보면, 연구 자에 따라 결과가 상이하게 나타났으나, 모두 단위용적질량 이 증가함에 따라 차폐율이 증가하는 것으로 나타났다.

Fig. 5.

The correlation between waste glass treatment type and increasing ratio of radiation shielding

즉, 고밀도 폐유리를 잔골재로 활용함에 따라 차폐 성능을 상당부분 개선하는 것이 가능할 것으로 판단된다.

4.5 폐유리 모르타르의 압축강도

Fig. 6에는 재령 7일, 28일에서 폐유리를 혼입한 모르타르 의 압축강도를 측정한 결과를 나타내었다. 실험 결과, 폐유 리를 혼입한 모르타르의 경우, 폐유리의 처리 방법과 무관하 게 모든 배합에서 일반 모르타르의 경우보다 압축강도가 감소 하는 것으로 나타났다. 재령 7일에서 강도 감소율은 4.5~27% 이며, 재령 28일에서는 10.5~36%로 일반 모르타르와 폐유리 를 혼입한 모르타르의 강도 차이는 재령 28일에서 더 크게 나타났다. 이는 폐유리 표면과 시멘트 수화물 사이의 부착력 감소 및 혼합된 폐유리에 존재하는 균열로 인해 발생하는 것 으로 사료된다(^{Ismail and AL-Hashmi, 2009}; ^{Ling et al, 2011}).

Fig. 6.

Results of compressive strength

한편, 폐유리 세척 여부에 따라 압축강도 측정 결과를 비 교하여 보면, Non-Washed, No-Adjust(비세척, 입도 비조절) 의경우가 Washed, No-Adjust(세척, 입도 비조절)의 경우보다 28일 재령에서 강도 증진이 큰 것으로 나타났다. 이는 세척과 정에서 폐유리 미립분의 손실로 인해 재령이 증가함에 따라 강도 증진 효과가 감소하는 것으로 보이며, 폐유리 미립분이 강도 증진에 영향을 미치는 것으로 보인다. 한편 Non-Washed, Adjust(비세척, 입도조절)의 경우, 타 경우에 비해 압축강도 가 크게 낮아 압축강도 시험체 제작시에 오류가 있던 것으로 판단되어 평가에서 제외하였다.

전체적으로 세척하지 않은 폐유리를 사용한 경우의 압축 강도가 높게 나타났으며, 입도조절은 압축강도에 크게 기여 하지 않는 것으로 나타났다.

4.6 폐유리 모르타르의 휨강도

Fig. 7에는 재령 28일에서 폐유리를 혼입한 모르타르의 휨 강도를 측정한 결과를 나타낸 그래프이다. 실험 결과, 폐유 리를 혼입한 모르타르의 휨강도는 Non-Washed, No-Adjust 의 경우를 제외하고 모든 배합에서 일반적인 모르타르의 휨 강도보다 감소하였으며, 강도 감소율은 최소 10%에서 최대 32%까지 나타났다. 이는 압축강도 실험 결과와 마찬가지로 폐유리를 혼입하면 폐유리의 표면이 잔골재의 표면보다 매 끄럽기 때문에 시멘트 수화물과 폐유리 표면 사이의 부착력 감소로 인해 강도감소가 나타나는 것으로 판단된다. 그러나 비세척에 의해 미립분이 존재하는 경우에는 부착성에 다소 유리하게 작용되어 휨강도 개선에 기여하는 것으로 사료된다.

Fig. 7.

Results of flexural strength

4.7 SEM 분석 결과

Fig. 8에는 6개월 이상 충분히 수화가 진행된 폐유리를 혼 입한 모르타르와 일반 모르타르의 SEM 분석 결과를 나타낸 것이다. Fig. 8(a)는 일반 모르타르의 골재와 페이스트 경계 를 관측한 결과이며, Fig. 8(b)에는 폐유리를 혼입한 모르타 르의 폐유리와 페이스트 경계를 관측한 결과이다. 실험 결과, Fig. 8(b)는 Fig. 8(a)의 경우보다 페이스트와의 경계면이 매 끄러운 것으로 나타났다. 이러한 결과를 종합하면, 앞서 진 행한 압축강도 및 휨강도 결과에서 나타낸 바와 같이, 폐유 리를 혼입하면 폐유리 표면 상태로 인해 시멘트 수화물과 폐 유리의 부착력 감소에 원인이 되는 것으로 판단되며(^{Ling et al, 2014}), 부착력 감소는 강도 감소에 영향을 미치는 것으로 사료된다.

Fig. 8.

SEM image of Mortar

4.8 공극 분석 결과

4.8.1 화상 분석 결과

이론적으로 수화반응 후 경화된 콘크리트의 경우, 여러 종 류의 공극들이 존재하며 이러한 공극들의 진전을 통해 콘크 리트 열화의 원인을 제공한다(^{Yang and Choi, 2011}; ^{Choi et al, 2012}; ^{Lee et al, 1999}). 따라서 콘크리트 특성을 분석 하기 위해서는 공극 분포 검토를 진행해야 하며, 본 연구에 서는 폐유리를 혼입한 모르타르와 일반 모르타르 표면을 10 μm 이상의 공극들을 화상 분석법으로 분석하여 Fig. 9에 나 타내었다.

Fig. 9.

Size distribution of marcopore

실험 결과를 살펴보면, 폐유리 혼입에 관계없이 모든 배합 에서 100~200 μm 크기의 공극들이 가장 많이 분포하였으 며, 폐유리를 혼입한 모르타르의 거시공극 분포 형태는 혼입 하지 않은 일반 모르타르와 유사한 경향을 나타내었다. 그러 나 고밀도 폐유리를 혼입한 경우, 100~200 μm 공극의 비율 은 다르게 나타나 고밀도 폐유리는 100~200 μm 공극에 영 향을 미치는 것으로 판단된다.

4.8.2 MIP 분석 결과

폐유리 혼입 여부에 따른 미세공극 분포 (micropore-sizedistribution) 를 분석하고자 충분히 수화가 진행된 모르타르 의 미세공극 분포를 Fig. 10에 나타내었다. 실험 결과를 살 펴보면, 모든 배합에서 10~100 nm 영역대의 공극이 가장 많 이 존재하는 것으로 나타났으나, 폐유리 처리 방법에 따라 peak의 크기가 변화하는 것으로 나타났다. 특히, 일반 모르 타르의 경우, 미세공극의 peak점이 50 nm 영역인데 반하여 폐유리를 혼입한 경우에는 100 nm 영역대로 나타난 것으로 보아, 강도에 영향을 미치는 공극의 영역이 영향을 받고 있 는 것으로 판단된다(^{Mehta, 2014}). 또한, 폐유리 처리 방법 에 관계없이 폐유리를 혼입한 모든 경우에는 일반 모르타르 에 비하여 10 nm 영역에서의 공극이 감소하는 것으로 나타 났다. 이는 폐유리의 미립분이 미세 공극 형성에 기여한 것 으로 판단된다.

Fig. 10.

Size distribution of micropore