3.1 실험 계획

본 연구에서는 기능성 재료인 구리 분말, 피톤치드, 제올라이트를 각각 콘크리트에 혼입하여 기초 물성과 내구성을 평가하였다. 모든 콘크리트의 물-결합재비(W/B)는 45%로 설정하였다. 구리 분말은 시멘트 질량 대비 2.5%, 5.0%, 7.5%, 제올라이트는 시멘트 질량 대비 5.0%, 7.5%, 10.0%를 대체하여 사용하였다. 피톤치드는 배합수 질량 대비 5.0%, 7.5%, 10.0%를 대체하여 사용하였다. 본 연구에 사용된 배합 설계는 Table 2에, 실험 변수는 Table 3에 정리하였다.

3.2 사용 재료

3.2.2 기능성 재료

본 연구에서는 기능성 재료로 구리 분말, 피톤치드, 제올라이트를 사용하였으며, 각 재료의 특성은 다음과 같다.

구리 분말은 H사를 통해 유통되는 순도 99.5% 이상의 제품을 사용하였으며, 형태는 비정형(Irregular), 입자 크기는 25~45 μm, 밀도는 4.10 g/cm3이다. 사용된 구리 분말의 SEM 이미지는 Photo 1(a)에 제시하였다.

피톤치드는 K사를 통해 유통되는 투명한 액상 제품으로, 잎 편백수 원액을 사용하였다. 잎 편백수는 편백나무 잎에서 추출된 천연 항균 물질로, 일반적으로 가장 널리 활용되는 형태이다.

Photo 1 SEM images

제올라이트는 D사를 통해 유통되는 국산 제품을 사용하였으며, 평균 입자 크기는 45 μm, 밀도는 2.22 g/cm3이다. 사용된 제올라이트의 물리적 및 화학적 조성은 Table 3에 정리하였으며, SEM 이미지는 Photo 1(b)에 제시하였다.

^{Shekarchi et al. (2023)}의 연구에 따르면, 천연 제올라이트는 시멘트 수화 과정에서 Ca(OH)₂를 지속적으로 소비하여 미세구조를 치밀하게 형성함으로써 장기 강도 발현을 촉진하는 것으로 보고되었다. 또한, ^{Yoon and Lee (2020)}의 연구에서도 제올라이트 치환율 10% 이하일 때 포졸란 반응이 활성화되며, 장기적인 압축 강도 증가 및 공극 감소 효과가 확인되었다. 본 연구에 사용된 천연 제올라이트 또한 유사한 화학 조성을 가지며, 위 선행 연구들과 유사한 포졸란 반응을 통해 콘크리트의 물성 및 내구성 향상에 기여할 것으로 판단된다.

3.3 실험 방법

3.3.4 콘크리트의 건조수축

본 연구에서 콘크리트의 건조수축은 K사의 매립형 스트레인 게이지를 이용하여 측정하였다. 매립형 스트레인 게이지는 콘크리트 내부에 매립하여 스트레인을 측정하는 데 적합하며, 본 연구에서는 PMF type을 사용하였다. 실험은 100×100×400 mm 크기의 각주형 시험체를 사용하여 수행하였다. 몰드 중앙에 스트레인 게이지를 고정한 후 콘크리트를 타설하였으며, 타설 후 24시간 동안 경화시킨 후 탈형하였다. 탈형 후 시험체는 수중 양생(20℃)을 6일간 실시한 후 항온⋅항온실(20℃, 60%)로 옮겨 보관하였으며, 데이터 로거를 이용하여 재령 250일까지 건조수축을 측정하였다. 건조수축 값은 시험체 3개의 평균값을 사용하였다.

Photo 2 Electric resistivity test setup

4.1 슬럼프 및 공기량

기능성 재료를 혼입한 콘크리트의 슬럼프와 공기량 측정 결과를 기능성 재료별로 Fig. 1에 제시하였다. 실험 결과, 구리 분말을 혼입한 콘크리트는 혼입률에 따라 슬럼프와 공기량 모두 큰 차이 없이 유사한 경향을 나타내었다(Fig. 1(a)). 기준 배합(Ref.)을 포함한 슬럼프의 최소값과 최대값 차이는 10 mm(130∼140 mm), 공기량 차이는 0.2%(3.8∼4.0%)로 나타났다. 피톤치드를 혼입한 경우에도 슬럼프와 공기량은 혼입률 변화에 따라 큰 차이를 보이지 않았으며, 유사한 수준을 유지하였다(Fig. 1(b))^{(Kim et al., 2021b}). 슬럼프의 최소값과 최대값 차이는 3 mm(135∼138 mm), 공기량 차이는 0.2%(3.9∼4.1%)로 나타났다. 이러한 결과를 바탕으로, 구리 분말과 피톤치드의 혼입은 콘크리트의 슬럼프 및 공기량에 미치는 영향이 크지 않은 것으로 판단된다.

이전 연구에서는 제올라이트의 혼입 시 콘크리트(또는 모르타르)의 시공성이 감소하는 경향이 보고된 바 있다^{(Sabet et al., 2013; Raggiotti et al., 2018)}. 이에 따라 본 연구에서는 제올라이트 혼입률 증가에 대응하여 감수제 사용량을 조정한 배합을 적용하였다(Table 2). 실험 결과, 제올라이트를 혼입한 콘크리트의 슬럼프는 기준 배합(Ref.) 대비 약 55∼75 mm 감소하였다(Fig. 1(c)). 이는 제올라이트의 미세 다공성 구조가 배합수를 흡수하여 시공성이 저하된 것으로 판단된다. 원활한 시공성을 확보하기 위해서는 고성능 감수제의 사용 또는 감수제 사용량 증가가 필요할 것으로 판단된다.

또한, 제올라이트 혼입률이 증가함에 따라 콘크리트의 공기량도 감소하는 경향을 나타내었다(Fig. 1(c)). 일반적으로 슬럼프 감소는 다짐 상태, 배합수량 등의 영향으로 공기량 감소를 유발할 수 있다. 본 연구에서도 제올라이트 혼입으로 인한 슬럼프 감소가 공기량 감소로 이어진 것으로 판단된다. 실험 결과, 제올라이트 혼입 콘크리트의 공기량은 기준 배합(Ref.) 대비 최대 1.1% 감소하였으며, 슬럼프 감소폭이 클수록 공기량 감소 경향이 더욱 뚜렷하게 나타났다.

Fig. 1 Results of slump value and air contents

4.2 콘크리트의 압축 강도

기능성 재료를 혼입한 콘크리트의 압축 강도를 기능성 재료별로 Fig. 2에 제시하였다. 실험 결과, 구리 분말을 혼입한 콘크리트는 기준 배합(Ref.)보다 전반적으로 압축 강도가 증가하는 경향을 나타내었다(Fig. 2(a)). 재령 28일 및 91일의 압축 강도는 C2 > C1 > C3 순으로 나타났으며, 그 차이는 재령별 차이는 1.5 MPa 이하로 크지 않았다. 구리 분말 5.0%를 혼입한 C2 배합은 재령 91일에서 39.5 MPa로 가장 높은 압축 강도를 나타냈으며, 이는 기준 배합(36.8 MPa) 대비 7.3% 증가한 수치이다. 이전 연구에서도 구리 분말을 모르타르에 혼입할 경우, 혼입률이 5.0%까지 증가할 때 압축 강도 향상 경향이 보고된 바 있다^{(Kim et al., 2024)}. 이를 고려할 때, 구리 분말의 적정 혼입률은 5.0% 이내로 설정하는 것이 적절한 것으로 판단된다.

피톤치드를 혼입한 콘크리트의 압축 강도는 혼입률에 관계없이 모든 재령에서 큰 차이를 보이지 않았다(Fig. 2(b)). 재령 91일 기준, 피톤치드 혼입 콘크리트의 압축 강도는 37.1 MPa로, 기준 배합(36.8 MPa)과 유사한 수준이었다. 기존 연구^{(Kim et al., 2021b})에서도 피톤치드 혼입률이 6% 이하일 경우, 압축 강도 변화가 크지 않다는 유사한 경향이 보고된 바 있다. 한편, 칼 피셔 적정법을 통해 측정한 피톤치드의 수분 함유량은 98.8%로, 다량의 수분이 배합수로 작용하여 압축 강도에 미치는 영향이 제한적인 것으로 판단된다.

제올라이트를 혼입한 콘크리트는 혼입률이 증가할수록 압축 강도가 증가하는 경향을 보였다(Fig. 2(c)). 특히 제올라이트 10.0%를 혼입한 Z3 배합은 재령 91일에서 44.5 MPa로 가장 높은 압축 강도를 나타냈으며, 기준 배합(36.8 MPa) 대비 20.9% 증가한 수치이다. 기존 연구에서도 제올라이트 혼입률이 10.0%까지 증가할 경우 압축 강도가 향상되는 경향이 보고된 바 있다^{(Ahmadi and Shekarchi, 2010; Sabet et al., 2013; Ramezanianpour et al., 2015)}. 이러한 결과는 제올라이트가 배합수를 흡수하여 유효 물-결합재비를 감소시키고, 포졸란 반응을 통해 장기 강도를 증진시키기 때문인 것으로 판단된다.

Fig. 2 Results of compressive strength

4.3 콘크리트의 염화물 저항성

기능성 재료를 혼입한 콘크리트의 염화물 저항성(전기 비저항) 측정 결과를 기능성 재료별로 Fig. 3에 제시하였다. 실험 결과, 구리 분말을 혼입한 콘크리트는 혼입률이 증가할수록 염화물 저항성이 감소하는 경향을 보였다(Fig. 3(a)). 일반적으로 압축 강도가 증가하면 내구성이 향상되어 염화물 저항성도 증가하는 경향이 있으나, 구리 분말을 혼입한 경우에는 전도체인 구리 입자의 영향으로 인해 전류 흐름이 증가하여 전기 비저항이 낮아진 것으로 판단된다. 재령 91일 기준, 구리 분말 7.5%를 혼입한 C3 배합의 염화물 저항성은 16.1 kΩ⋅cm로, 기준 배합(19.1 kΩ⋅cm) 대비 15.7% 감소하였다.

피톤치드를 혼입한 콘크리트는 모든 배합 및 재령에서 기준 배합(Ref.)과 유사한 염화물 저항성 값을 나타냈다(Fig. 3(b)). 재령 91일 기준, 피톤치드 혼입 콘크리트의 염화물 저항성은 18.9∼19.3 kΩ⋅cm 범위로, 기준 배합(19.1 kΩ⋅cm)과 큰 차이를 보이지 않았다. 이는 피톤치드에 다량 함유된 수분이 배합수로 작용하면서 전기적 특성에 미치는 영향이 제한적이었기 때문으로 판단된다.

제올라이트를 혼입한 콘크리트는 혼입률이 증가할수록 염화물 저항성이 향상되는 경향을 보였다(Fig. 3(c)). 특히 재령 91일 기준, 제올라이트 10.0%를 혼입한 Z3 배합의 염화물 저항성은 36.7 kΩ⋅cm로, 기준 배합(19.1 kΩ⋅cm) 대비 92.1% 증가하였다. 기존 연구에서도 제올라이트의 포졸란 반응에 의해 장기 재령에서 내구성과 수밀성이 향상되며 염화물 저항성이 증가하는 경향이 보고된 바 있다. 이는 제올라이트의 미세 다공성 구조가 배합수를 흡수하여 내부 조직을 더욱 치밀하게 형성하고, 포졸란 반응을 통해 장기적인 내구성 개선 효과를 유도했기 때문으로 판단된다.

Fig. 3 Results of chloride resistance

4.4 콘크리트의 건조수축

기능성 재료를 혼입한 콘크리트의 건조수축 측정 결과를 Fig. 4에 제시하였으며, 주요 양생 기간별 건조수축 값은 Table 7에 정리하였다. 본 연구에서는 기능성 재료별 경향을 보다 명확하게 분석하기 위해 P2, C2, Z2 배합은 제외하였다.

실험 결과, 피톤치드를 혼입한 콘크리트는 기준 배합(Ref.)과 유사한 건조수축 경향을 보였다. 이는 피톤치드가 배합수로 작용하면서 건조수축에 미치는 영향이 제한적이었기 때문으로 판단된다. 반면, 구리 분말을 혼입한 경우에는 혼입률이 증가할수록 건조수축이 소폭 증가하는 경향을 나타내었다. 이는 구리 분말의 미세한 입자가 수화 생성물의 내부 구조 형성에 영향을 미쳐 건조수축이 다소 증가한 것으로 해석된다.

제올라이트를 혼입한 콘크리트는 혼입률이 증가할수록 건조수축이 소폭 감소하는 경향을 보였다. 이는 제올라이트가 다공성 구조를 가져 초기 수분을 흡수하여 내부 수분의 균형을 유지하고, 포졸란 반응을 통해 장기적인 미세구조를 개선함으로써 건조수축을 완화한 것으로 판단된다^{(Najimi et al., 2012; Markiv et al., 2016)}.

재령 250일에서의 건조수축을 비교한 결과(Table 7), 피톤치드 혼입 콘크리트는 기준 배합 대비 최대 3 μ 감소, 구리 분말 혼입 콘크리트는 최대 26 μ 증가, 제올라이트 혼입 콘크리트는 최대 23 μ 감소하는 경향을 나타내었다. 이러한 결과를 종합적으로 고려할 때, 기능성 재료 혼입에 따라 건조수축이 증가 또는 감소하는 경향을 나타냈으나, 최대 차이가 26 μ 이내로 상대적으로 작은 수준이다. 따라서 기능성 재료 혼입이 콘크리트의 건조수축에 미치는 영향은 제한적인 것으로 판단된다.

Fig. 4 Results of drying shrinkage