2.1 나노버블수 제작

본 연구에서는 Fig. 1과 같이 splitting-type의 발생 장치를 사용하여 나노버블이 포함된 나노버블수를 제작하였다. 해당 장치는 기체와 액체를 혼합하는 장치가 격벽으로 분리되어 이루어져있으며 mixing chamber를 관통하며 혼합된 유체를 고속으로 통과시키는 splitter로 구성되어있다(^{Kim, 2018}).

나노버블의 생성을 위하여 수조에 물을 채운 후 유속을 300mL/min으로 일정하게 설정하였다. 이후 펌프를 이용해 수조에 담긴 물을 안정적으로 10분 동안 유입한 뒤, 30mL/min의 일정한 유속으로 기체를 발생 장치에 유입시켜 매크로사이즈의 기포를 발생시켰다. 발생된 매크로사이즈의 기포를 전단력을 이용하여 보다 작은 기포로 쪼개어 나노버블을 제조하였다(^{Kim, 2010}; ^{Kim, 2014}; ^{Kim et al., 2017}; ^{Kim, 2018}). 이 때, 나노버블 발생 장치 안으로 유입되는 물과 제작되는 물이 서로 상호 순환되는 방식을 통하여 수조에 담겨있는 물이 모두 나노버블수로 제작되었다. 생성된 나노버블수는 5 L 크기의 부피플라스크에 담아 질소기체를 주입하였고 나노버블이 소멸되지 않는 것을 확인하기위해 30분간 뿌옇게 흐려지지 않는 것을 확인한 후에 실험에 사용할 양 만큼 보관하여 준비하였다(^{Kim et al., 2019}).

Fig. 1. Formation of nano bubble water

이러한 방법으로 생성된 나노버블수는 자연 발생하는 나노버블수와 같이 그 생존시간이 충분히 길어 시멘트 복합재료에 작업성을 증진시킬 수 있을 것이라 판단하여 실험을 진행하였다. Fig. 2에 도시된 바와 같이 기존의 매크로 버블이 빠르게 상승하다 수면에서 압력차로 인하여 소멸되고 마이크로 버블은 자기압력으로인해 작아지다 소멸하지만 소멸되지않고 남은 나노 버블이 물 속에 존재하게되어 나노버블수를 구성하기 때문이다(^{Takahashi et al., 2007}; ^{Cha, 2011}; ^{Song et al., 2013}).

Fig. 2 Characteristics of fabricated bubbles (Takahashi et al., 2007)

2.2 사용된 재료, 시편 제작 및 양생 조건

본 연구에서는 U사의 시멘트, E사의 실리카퓸, S사의 규사, 그리고 D 사의 고성능 감수제를 사용하여 시멘트계 건설재료를 제작하였으며 각각 원재료들의 X-선 형광분석 결과는 Table 1에 나타내었다. 원재료들의 입자 크기 분석을 위해 마이크로입도 분석장비를 활용하여 입도를 분석하였으며 재료의 구성성분에 따라 이소프로필알코올과 증류수를 분산매로 사용하였다. 위 과정으로 얻은 측정결과는 Fig. 3에 도시되어있다.

Fig. 3. Particle size distribution of raw materials

사용된 배합비는 Table 2에 나타나있다. 배합비는 기존 선행연구를 참고하여 설정하였으며(^{Kang et al., 2019}; ^{Lee et al., 2020}) 특히 경량 시멘트 복합체의 배합비는 재료의 경량화를 위하여 잔골재로 사용되는 규사 대신 T사에서 제작된 중공입자를 사용하여 제작되었다. 규사대신 포함된 중공입자가 물을 흡수하여 유동성이 감소하는 효과를 방지하기 위하여 기존 초고성능 콘크리트 대비 많은 양의 고성능감수제가 사용되었다. 시멘트 모르타르 시편은 현장에서의 유동성을 고려하여 물-시멘트 비를 0.4로 설정하였다. 압축강도 측정은 ASTM C 109의 기준에 따라 50 × 50 × 50 mm$^{3}$의 정육면체의 큐브 시편을 사용하였으며 각각 3개의 시편을 시험한 후 3개의 시편들의 평균값을 사용하였다(^{ASTM, 2012}).

제조한 시멘트 복합체, 경량시멘트복합체, 모르타르 샘플 그리고 초고성능콘크리트는 타설 후 24시간 이후에 탈형하여 20 ℃의 온도와 60 %의 상대습도로 설정된 항온항습기에서 양생되었으며, 실험 변수는 나노버블수의 사용 유무로서 Fig. 4에 도시되어 있다. 시편명 설정은 CC는 시멘트복합체, CM은 시멘트 모르타르, UHPC는 초고성능 콘크리트, Lw는 경량시멘트복합체 그리고 나노버블수를 사용한 시편은 NB로 나타냈다.

Fig. 4. Notation of specimens

3.1 나노버블수 제작결과

일반적으로 나노버블수를 제작할 시에 나노버블수는 부상공정에서 버블의 크기가 작을수록 접촉단계에서 버블와 플록간의 충돌효율이 상승한다. 또한 한 개의 플록에서 여러 개의 버블가 부착되어 플록-버블 결합체의 상승속도가 빨라지므로 이로인해 분리효율이 증가된다는 장점이있다. 즉, 버블의 크기가 작을수록 높은 충돌효울로 인하여 플록-버블 결합체에 부착된 버블의 수가 많아지기때문에 결국 큰 버블만큼 상승속도가 증가하게된다(^{Kim et al., 2007}). 하지만 본 연구에서는 나노사이즈의 작은 버블를 필요로하기에 이를 발생시키기 위해서는 많은 에너지와 정밀한 조작이 필요하며 이는 비용의 증가를 야기한다. 따라서 본 연구에서는 저비용-저에너지로 버블의 크기를 자유롭게 변화시킬 수 있도록 제작된 선행연구에 따라 나노버블수를 제작하였으며, 제조된 나노버블수 내의 버블의 평균크기는 약 750 nm의 입자크기를 지니고 있으며 배합수 내에서 나노버블의 혼입률은 약 7%로 분석되었다. 나노버블의 입도 사이즈는 나노버블의 이미지를 촬영하여 기포의 개수와 크기를 분석하여 대략적인 값으로 파악하고 실험에 활용하였다. 또한 제작한 정육면체 시편이 포함하고있는 나노버블의 양은 약 8.75 ml로 계산되었다(^{Fan et al., 2010})

3.2 압축강도 및 플로우 실험결과

압축강도 측정 결과를 Fig. 5에 나타냈다. 나노버블수를 사용한 시편과 그렇지 않은 control 샘플의 압축강도 차이가 모든 재령에서 거의 나타나지 않음을 확인하였다. 일반적으로 제작된 UHPC 시편이 가장 높은 압축강도를 발현하였으며 CM 시편 세트가 가장 낮은 압축강도를 발현하였다.

Fig. 6은 나노버블수의 작업성 증진 효과를 확인하기 위한 플로우 실험 결과이다. 플로우 실험 값을 확인하여보면 CM시편에서 가장 낮은 플로우 값이 측정된 것을 확인할 수 있다. 이는 실리카퓸과 석영질이 혼입된 UHPC, CC, Lw 시편의 경우 구형인 실리카퓸과 석영질의 볼-베어링 효과로 인해 실리카퓸과 석영질이 혼입되지 않은 CM시편보다 높은 플로우값을 지닌 것으로 파악된다. 샘플에 나노버블이 첨가된 경우 적게는 3%(CC), 많게는 22%(UHPC)까지 플로우가 증진됨을 확인하였다. 이는 추가적인 혼화재 사용없이 배합수만 나노버블이 포함된 나노버블수의 효과로 볼 수 있으며, 나노버블이 배합시까지 사라지지 않고 존재한다면 공기연행제와 유사하게 작업성 증진에 매우 효과적일 수 있음을 보여주고 있다. 이러한 플로우 증진효과는 물-시멘트비가 낮은 UHPC의 경우에 매우 두드러지게 나타났으며, 추후 나노버블수 사용으로 인한 플로우 증진을 고려하여 고성능유동화재의 양을 줄이거나, 다른 물리적인 혼화재를 줄일 수 있는 여지를 제공해 줄 수 있을 것으로 판단된다.

Fig. 5. Compressive strength results of specimens

Fig. 6. Flow table results of specimens

하지만, 선행 연구의 경우 나노버블수를 사용할 시 플로우값이 감소하는 연구결과를 보였다(^{Kim et al., 2021}). 이는 나노버블의 입자 크기와 관련이 있는 것으로 보이며, 마이크로 버블과 나노버블은 입자 크기가 작아지며 물 속에서 안정적으로 용해되는 과정 속에서 표면장력으로 인한 자기가압효과와 동시에 정전기력이 발생하게되어 대전체가 된다. 이때 발생한 정전기력은 Eq. 1의 식을 따르게된다(^{Takahashi et al., 2020}).

F=정전기력, k=쿨롱상수

q1, q2=전하량, r=전하와 전하 사이의 거리

이때 작은 사이즈의 나노버블과 0.1um(100nm)의 입자 크기를 가진 실리카퓸의 관계는 나노버블의 크기가 커질수록 실리카퓸 입자간의 간격이 줄어들게되고 이로인해 정전기력 F가 증가하게된다. 따라서 나노버블의 크기가 작아질수록 단위부피당 나노버블의 개수가 증가하게되고 나노버블들이 높은 정전기력으로 실리카퓸에 끌어당겨 오히려 볼-베어링 효과를 저지하게 될 수 있다. 반대로 나노버블의 입자 크기가 지나치게 큰 경우는 높은 부력과 낮은 자기가압으로 배합수 내에서 떠올라 소실되게된다.

플로우 값과 앞서 기술한 압축강도 결과와의 연관성을 확인하여보면 모든 시편에서 나노버블수를 활용하였을 때 플로우 값이 증가하였고 압축강도에 미치는 영향은 미세한 것으로 나타났다. 이는 파우더 재질의 여러 재료로 이루어지는 시멘트계 건설재료의 특징 상 각각의 재료들이 고르게 혼합되어야 높은 작업성과 압축강도를 발현하게 되는데 나노버블수는 나노미터에서 마이크로 미터 사이의 미세한 버블들이 배합수 안에 분포하고 있으며 분포된 버블들은 볼-베어링 역할을 하게 되어 작업성을 증진시킨 것으로 판단된다(^{Asadollahfardi et al., 2019}; ^{Maruyama et al., 2015}; ^{Grzegorczyk-Frańczak et al., 2021}).