2.1 사용 재료 및 배합

이 연구에서 사용한 미립분은 일반적인 점토, 팽윤성 점토, 그리고 석분 3가지이며, 이를 대표할 수 있는 시료 3종을 선정하였다(Table 1). 점토광물의 팽윤성 및 활성도와 관련된 선행 연구에 따르면, 1:1 층상 구조를 지닌 카올린(Kaolin: $\text{Al}_{2}\text{Si}_{2}\text{O}_{5}(\text{OH})_{4}$)은 비팽윤성이며 화학적 안정성을 띠는 반면, 몬모릴로나이트(Montmorillonite)는 2:1 층상 구조를 가지며 강한 양이온 교환 능력과 화학적 층간 흡착 특성으로 인해 콘크리트의 성능을 심각하게 저하시키는 고활성 광물로 보고된 바 있다(Li et al., 2023). 이러한 광물학적 특성을 근거로, 이 연구에서는 골재에 섞여 있는 일반적인 점토를 대변하기 위해 팽윤성이 없고 화학적으로 안정적인 카올린을 기준 시료로 선정하였다. 반면, 콘크리트의 품질을 저하시키고 물을 강하게 흡수하여 팽창하는 유해 미립분을 대변하기 위해 몬모릴로나이트가 주성분인 벤토나이트(Bentonite: $(\text{Na}, \text{Ca})_{0.33}(\text{Al}, \text{Mg})_{2}\text{Si}_{4}\text{O}_{10}(\text{OH})_{2}\cdot n\text{H}_{2}\text{O}$)를 대표 시료로 채택하였다. 또한, 부순 잔골재에는 파쇄 과정에서 필연적으로 발생하는 암석 미분말(Rock dust, 석분) 형태의 미립분이 함유되어 있다. 전 세계적으로 부순 골재의 원석으로 가장 많이 사용되는 암석 중 하나가 석회암(Limestone)이며, 이 석회암의 주성분이 탄산칼슘($\text{CaCO}_{3}$)이다. 탄산칼슘은 물과 화학적으로 반응하거나 부피가 팽창하지 않는 불활성 특성을 지닌다. 따라서 점토와 달리 팽윤성이나 화학적 반응성 없이 단지 미세 공극을 채우는 물리적 채움재 역할을 대변하는 시료로 판단되어, 선정하였다.

Table 2는 실험 변수와 배합 조건을 나타낸다. 실험은 미립분 성분이 계측기에 미치는 개별 광학밀도를 수식화하기 위한 ‘단독 미립분 현탁액 계측군(K, B, S)’과, 모래 입자의 물리적 공존에 따른 거동 변수를 규명하기 위한 ‘잔골재 혼합 현탁액 계측군(K-A, B-A, S-A)’의 조건으로 구분하여 설계하였다. 또한 KBS는 3종의 미립분(카올린, 벤토나이트, 탄산칼슘)을 1:1:1의 중량비로 균일하게 배합하여 혼합 미립분 시료를 의미한다. 여기서 K, B, S는 각각 카올린(Kaolin), 벤토나이트(Bentonite), 탄산칼슘(Calcium carbonate)을 의미하며, A는 잔골재의 혼입을 의미한다.

모든 배합에서 증류수 200 g과 세척 잔골재 100 g(잔골재 혼합 계측군에 한함)을 기준량으로 균일하게 적용하였다. 증류수량은 사용한 센서와 시험 용기의 제약을 고려하여 결정하였다. 이 센서의 프로브는 상단 회로 결합부가 비방수 구조여서 하단 U자형 광학 감지부만 침적할 수 있으므로, 회로 결합부를 수면 위에 유지하면서 광학 감지부가 충분히 잠기는 최소 용액량이 필요하다. 또한 현탁액 농도가 과도하게 높으면 출력전압이 수광 하한에 근접하여 시료 간 변별이 어려워지므로, 계측 대상 미립분 함량 구간에서 전압이 유효하게 변화하도록 희석 비율을 확보해야 한다. 이 두 조건을 만족하면서 사용한 시험 용기에 투입 가능한 증류수 상한이 약 200 g이었으며, 이를 기준으로 물-잔골재 질량비를 2:1로 고정하여 모든 배합에 균일하게 적용하였다. KS F 2527 “콘크리트용 골재”에서 잔골재의 유해 물질 함량의 허용값 중 0.08 mm 이하 미립분 함량은 잔골재 종류에 따라 3.0 % 이하에서 7.0 % 이하로 규정되어 있다(KS F 2527, 2024). 따라서 이를 고려하여 미립분 혼입량을 정하였다. 다만 KBS 시료의 경우 미립분 함량과 적외선 투과광 센서의 전압 관계를 도출하기 위해 세척 잔골재 100 g에 미립분을 1 g 간격으로 10 g까지 첨가하였으며, 합계 질량 기준 미립분 함량은 0.99 %에서 9.09 %에 해당한다.

2.2 계측 장치 및 측정 방법

미립분 종류 및 함량이 적외선 투과광에 미치는 영향을 조사하기 위해 사용한 시스템은 적외선 투과광 센서(TS-300B), 데이터 처리를 위한 아두이노(Arduino) 제어 보드, 시리얼 통신용 케이블, 그리고 데이터 취득 시스템으로 구성된다. 적외선 투과광 센서는 물의 탁한 정도를 빛의 광학적 투과율을 이용하여 측정하고, 이를 아두이노가 판독할 수 있는 전기적 신호(전압)로 변환한다. 센서는 크게 시료에 직접 담그는 센서 프로브(측정부)와 신호를 변환하는 신호 변환 기판(제어부) 두 부분으로 나뉜다(Fig. 1). U자 형태로 설계된 센서 프로브의 한쪽 끝(발광부)에는 적외선 LED가 배치되어 있고, 마주 보는 반대쪽 끝(수광부)에는 포토트랜지스터가 대향 배치되어 있다. 발광부에서 방출된 적외선 영역의 빛은 용액 매질을 통과하는 과정에서 현탁된 미립분 입자들에 의해 흡수 및 산란 현상을 겪는다. 용액의 탁도가 높을수록 수광부에 도달하는 빛의 강도가 감소하게 되며, 이에 따라 센서의 출력전압값(V)이 낮아지는 반비례 양상을 띤다. 프로브와 아두이노 사이에 연결되는 신호 변환 기판은 센서가 읽어 들인 미세한 광량의 변화를 아두이노가 처리할 수 있는 약 0 V에서 5 V 사이의 전압 값으로 증폭 및 변환한다. 이 기판은 가변저항으로 기준치를 설정해 임계값을 넘으면 0 또는 1을 반환하는 디지털 출력(D0) 방식과, 탁도에 따라 연속적이고 세밀한 전압 값을 실시간으로 반환하는 아날로그 출력(A0) 방식을 모두 지원한다. 이 연구에서는 미립분량의 미세한 농도 변화폭을 정량적으로 추정하는 것이 목적이므로, 아날로그 출력 방식을 채택하여 계측 시스템을 구성하였다. 증류수 200 g만 담은 조건의 출력전압은 4.77 V, 여기에 세척 잔골재 100 g을 투입한 조건의 출력전압은 4.564 V로 나타났다. 미립분 10 g을 혼입한 고농도 조건의 최저 출력전압은 0.02 V였다. 잔골재 혼입 조건의 광학밀도 산정에는 세척 잔골재 100 g만 투입한 전압 4.564 V를 기준값으로 사용하였다. 해당 적외선 투과광 센서의 프로브는 상단 회로 결합부의 비방수적 구조로 인해 수용액 내 완전 침수가 불가능한 하드웨어적 한계가 존재한다. 따라서 내부 회로의 단락을 방지하기 위해 센서의 투입 깊이를 하단의 U자형 광학 감지부로 제한하였으며, 결과적으로 이 연구의 계측 시스템은 전체 교반 용액 체적 중 상층부의 탁도를 국부적으로 감지하는 방식으로 운용되었다. 또한 가시광선의 영향을 배제하기 위해 차광조건에서 측정하였다.

Fig. 1 (a) Configuration of the TS-300B infrared transmission sensor, (b) test setup

Fig. 2는 측정 프로세스를 나타낸다. 이는 예비 실험을 포함한 모든 계측 과정에 공통으로 적용되는 기본 프로토콜이다. 모든 계측은 용기에 증류수 200 g(배합 조건에 따라 세척 잔골재 100 g 포함)과 미립분을 투입한 후, 유리 막대를 이용하여 15회 교반하여 현탁액을 조성하는 것을 기준으로 하였다. 교반이 완료된 직후 용액 상부층에 적외선 투과광 센서의 프로브를 지정된 깊이만큼 침적시켜 측정 간의 일관성을 유지하였다. 계측 과정에서 용액 내 입자들의 비중 차이에 의한 침강 현상이 필연적으로 발생하여 상층부 탁도가 지속적으로 저하되므로, 시료 내 입자가 가장 균일하게 분산된 교반 직후 초기 10초 구간만을 유효 계측 시간으로 통제하였다. 해당 10초 동안 총 50개의 아날로그 전압(V) 데이터를 획득하며, 수집된 데이터는 USB 시리얼 통신을 거쳐 노트북의 엑셀 데이터 스트리머(Excel data streamer)로 실시간 전송된다. 수중 광학 계측의 특성상 발생할 수 있는 순간적인 기포나 빛 간섭에 의한 이상치를 배제하기 위해, 획득된 50개의 데이터 중 중앙값을 대표 계측 수치로 채택하였다. 데이터의 통계적 신뢰성을 확보하기 위해, 각 미립분 함량 변수당 이와 같은 1회 측정(10초간 50개 데이터 획득) 프로세스를 총 5회씩 반복 수행하였으며, 5회 측정의 결과값들의 평균값을 측정값으로 정하였다. 따라서 이 반복 결과는 시료 제조에 따른 변동을 제외한, 센서 계측 자체의 단기 반복 정밀도를 나타낸다. 이렇게 측정된 미립분 함량과 적외선 투과광량에 따른 전압의 관계식을 도출하였다.

Fig. 2 Flowchart of the measurement process

3.1 미립분 종류에 따른 영향 평가 실험 결과

Fig. 3은 미립분 단독 현탁액(K, B, S)과 잔골재가 결합된 혼합 현탁액(K-A, B-A, S-A) 혼입량에 따른 적외선 투과광 센서의 전압 신호를 나타낸다. 전체적으로 미립분 혼입량이 증가할수록 측정 전압이 작아지는 것을 알 수 있다. 미립분 단독 조건에서는 혼입량 1 g에서 10 g으로 증가할 때의 전압 하락폭이 카올린에서 가장 크게, 탄산칼슘에서 가장 작게 나타났다. 다만 1 g의 저농도 단일 조건만 비교하면 탄산칼슘의 전압이 가장 낮아, 혼입량 구간에 따라 광물 간 순위가 달라졌다. 또한 모래 입자의 물리적 공존 여부가 현탁액의 분산 상태와 적외선 투과광 센서의 전압에 광물 종류별로 상이한 영향을 미침을 확인하였다.

Fig. 3 Measured voltage as a function of fines content under single-component and fine-aggregate-mixed conditions: (a) K type; (b) B type; and (c) S type mineral fines

카올린은 모래 혼합 유무에 따라 가장 뚜렷한 적외선 투과광 변화를 나타내었다. 1 g∼10 g의 전 농도 구간에서 모래 혼합 시 전압이 급감하는 현상이 관찰되었다. 1 g 저농도 조건에서 미립분 단독 시 4.66 V를 나타내었으나, 모래 투입 후 0.849 V로 탁도가 급증하였다. 고농도인 10 g 구간 역시 단독 시 0.154 V에서 모래 혼합 시 0.050 V로 하락하며 센서 포화 영역에 도달하였다. 이러한 현상은 카올린 입자의 카드하우스 구조가 해체된 결과로 판단된다. 카올린은 수중에서 입자의 양전하 끝단과 음전하 표면이 정전기적으로 결합하여 엉킴 구조를 형성하며 자발적으로 침강하는 특성을 지닌다. 그러나 음전하를 띠는 모래($\text{SiO}_{2}$)가 혼입되면 카올린의 양전하 끝단이 교란되고, 모래와의 물리적 마찰로 인해 기존 결합이 파괴된다. 그 결과 카올린이 얇은 개별 판상 입자로 분산되면서 빛의 산란 및 흡수율이 증가하게 된다. 즉, 잔골재의 기계적⋅정전기적 분산 작용이 입자의 자발 침강을 억제하여 광 투과율을 저하시킨 것으로 판단된다. 다만 이 연구에서는 제타전위와 입도분포를 계측하지 않았으므로 이 해석은 추가 검증이 필요하다.

벤토나이트는 점토광물 고유의 팽윤성과 콜로이드 안정성을 뚜렷하게 나타내었다. 벤토나이트의 주성분인 몬모릴로나이트는 수중에서 부피가 팽창하고 입자 표면에 강한 음전하를 띠어 상호반발력을 유발한다. 이로 인해 자발적 침강이 억제된 안정한 콜로이드 현탁액(Gel) 상태를 유지하므로, 단독 용액 조건에서는 농도 증가에 따라 전압이 가파르게 하락하였다(3 g 단독 0.774 V, 5 g 단독 0.228 V). 반면 모래를 혼입한 조건에서는 3 g 이상부터 단독 현탁액보다 높은 전압을 나타냈다. 이 차이는 벤토나이트의 팽윤⋅응집 거동과 모래 표면 부착 또는 모래 침강에 수반된 미립분 이동이 복합적으로 작용한 결과일 수 있다.

불활성 석분을 대변하는 탄산칼슘은 저농도 구간의 초기 탁도 유발 효과가 3종 중 가장 크게 나타났다. 탄산칼슘은 용해도가 낮은(poorly soluble) 결정성 고체 입자로, 굴절률(약 1.59)이 물(1.33)과 큰 차이를 보여 투사된 적외선을 강하게 산란시킨다. 이로 인해 단독 용액 상태에서 1 g 투입만으로도 현탁액이 불투명해지며 전압이 0.69 V로 급락하였다. 모래를 혼합한 1 g 및 3 g 저농도 구간에서는 미립분 단독 조건(0.69 V, 0.165 V) 대비 모래 혼합 시(0.89 V, 0.183 V) 전압이 소폭 상승하였다. 이는 상대적으로 밀도가 큰 모래 입자가 침강하며 부유하던 탄산칼슘 미립자를 포획하여 동반 침전시키는 쓸어내림 현상이 작용한 결과로 판단된다.

용액을 통과하는 빛의 세기는 매질 내 입자의 농도가 높아질수록 지수함수적으로 감소하며, 이는 비어-람베르트(Beer-Lambert) 법칙으로 설명된다. 이 연구에서 계측된 적외선 투과광 센서의 출력전압(V) 역시 미립분 농도 증가에 따라 비선형적인 감쇠 곡선을 나타내므로, 이를 농도와 정비례하는 선형적 지표로 해석하기 위해 광학밀도(OD, Optical Density)로의 수학적 변환이 필수적이다. 적외선 투과광 센서의 전기적 출력 특성과 계측 환경을 반영하여 조정한 전압-OD 환산식은 식 (1)과 같다.

여기서 $V_{0}$는 미립분이 포함되지 않은 세척 잔골재와 증류수 혼합액의 초기 기준 전압인 4.564 V를 의미하며, $V_{\min}$은 10 g 고농도 시료에서 측정된 센서의 수광 한계(최저 전압)인 0.02 V이다. 이 변환식을 통해 비선형적인 전압 데이터를 미립자 농도에 정비례하는 선형 해석인자(OD)로 치환할 수 있다.

또한 비어-람베르트 법칙에 따르면, 저농도 현탁액에서 전체 광학밀도가 각 물질이 단독으로 존재할 때 나타내는 광학밀도의 단순 합산값과 같다는 선형 중첩 원리가 성립하는 것으로 알려져 있다. 실제 현장 모래에 혼재된 복합 미립분의 영향을 분석하기 위해, 카올린, 탄산칼슘, 벤토나이트가 1:1:1 중량비로 혼합된 총 3 g의 현탁액 조건을 상정하였다. 이에 따라 앞선 잔골재 혼입 실험에서 획득한 각 광물 단독 1 g 조건의 측정 전압을 식 (1)에 대입하여 성분별 광학밀도를 산출하고 기여율을 도출하였으며, 그 결과는 Table 3과 같다.

세 가지 광물의 개별 OD를 합산한 이론적 총 광학밀도는 1.6093으로 산출되었다. 광물별 탁도 기여율을 살펴보면 카올린이 45.9 %, 탄산칼슘이 44.6 %로 전체 탁도의 대부분을 차지한 반면, 벤토나이트는 9.5 %로 기여도가 현저히 낮게 나타났다. 이러한 기여율의 극명한 차이는 앞서 분석한 각 광물의 고유한 물리⋅광학적 거동 특성에 기인한다.

카올린은 모래의 분산 작용으로 인해 얇고 평평한 판상형 입자들이 수중에 넓게 퍼져 적외선 경로를 직접 차단하므로 가장 높은 탁도 기여율을 나타내었다. 탄산칼슘은 입자 자체의 굴절률(약 1.59)이 물(1.33)과 큰 차이를 띠어 투과광을 강하게 산란시키는 특성으로 인해 카올린에 필적하는 높은 기여율을 보였다. 반면, 벤토나이트는 물속에서 팽윤하여 안정한 젤을 형성하는 과정에서, 다량의 수분을 흡수함에 따라 입자의 유효 굴절률이 주변의 물과 거의 동일해지는 광학적 매칭 현상이 발생한다. 이로 인해 적외선 광선이 벤토나이트 입자에 의해 굴절되거나 차단되지 않고 대부분 그대로 투과하게 되며, 결과적으로 센서의 감지율이 크게 떨어져 탁도에 미치는 기여도가 9.5 % 수준에 머문 것으로 판단된다.

Fig. 4는 세척 잔골재에 혼합 미립분(카올린, 탄산칼슘, 벤토나이트 1:1:1 중량비) 투입 중량을 1 g 단위로 증가(합계 질량 기준 0.99 %∼9.09 %)시킨 시료에 대해 전압의 변화를 계측한 결과(반복 실험의 평균값)이다. 앞서 기술한 실험결과와 같이 미립분 함량이 증가할수록 적외선 투과광 전압이 비선형으로 감소하는 것으로 나타났다.

Fig. 4 Measured voltage as a function of fines content for KBS sample

3.2 미립분 함량 관계식 도출

미립분 함량과 적외선 투과광 센서의 전압 신호의 관계를 도출하기 위하여 미립분 함량 10개 조건에서 시료별로 각 5회씩 계측하여 얻은 값들을 회귀 분석에 사용하였다(Fig. 4). 두 변수의 경험적 관계를 나타내기 위하여 거듭제곱 모델을 적용하였으며, 도출한 적외선 투과광 전압-미립분 함량 관계식은 식 (2)와 같다.

여기서 $C$는 미립분 함량(%)을 의미하며, $V$는 적외선 투과광 센서를 통해 획득한 10초간의 전압 중앙값(V)이다.

탁도와 측정 전압은 반비례 관계에 있으므로, 식 (2)에서 전압 $V$의 지수가 –0.614의 음수로 도출된 것을 확인할 수 있다. 결정계수($R^{2}$)는 0.984로 실험 결과를 매우 잘 모사하는 것으로 나타났다.

혼합 미립분 총 1 g 조건에서 계측된 겉보기 광학밀도는 0.6558로, 단일 광물 자료로부터 산출한 가산 기대값 0.5365를 상회하였다. 여기서 가산 기대값은 세 광물이 각각 1/3 g씩 존재하고 겉보기 광학밀도가 질량에 정비례한다고 가정하여, 단독 1 g 조건의 광학밀도 세 값을 평균한 것이다. 다만 식 (2)에서 확인되듯 출력전압은 함량에 대해 비선형으로 변하므로, 이 가정은 근사에 해당한다. 실측값이 가산 기대값과 일치하지 않은 것은 다종의 미립분이 공존할 때 각 광물 고유의 응집 거동이 상호 간섭을 받아 입자가 더 넓게 분산되었기 때문으로 판단된다. 이와 함께 고농도 현탁액에서 발생하는 다중 산란과 센서 응답의 비선형성도 가산성 이탈에 관여할 수 있다. 이 연구에서는 이들 요인을 분리하여 계측하지 않았으므로, 어느 요인이 지배적인지는 확정하기 어렵다. 다만 혼합 조건의 광학 응답을 단일 성분의 합으로 산출할 수 없다는 사실은, 실용적인 관계식을 단일 광물이 아니라 혼합 시료를 기준으로 도출해야 함을 의미한다.