Research Paper

Journal of Korean Tunnelling and Underground Space Association. September 2020. 591-610
https://doi.org/10.9711/KTAJ.2020.22.5.591


ABSTRACT


MAIN

  • 1. 서 론

  • 2. 실험 방법

  •   2.1 시편의 준비

  •   2.2 전기비저항 측정 시스템 및 보정

  •   2.3 포화도에 따른 전기비저항 실험과정

  • 3. 전기비저항 결과 및 분석

  •   3.1 유체 혼합물 시편 결과

  •   3.2 시멘트 시편 결과

  • 4. 활성탄과 TiO2에 따른 시멘트 도포체 특성 논의

  •   4.1 공극률 변화 특성

  •   4.2 터널 내 미세먼지 저감 도포체 활용을 위한 전기비저항 특성

  • 5. 결 론

1. 서 론

미세먼지(Particulate Matter, PM)는 2013년 세계보건기구(WHO) 산하의 국제암연구소(International Agency for Rearch on Cancer, IARC)로부터 1군 발암물질로 지정되었다. 또한 세계보건기구에서 미세먼지로 인하여 2014년 한 해에 약 700만 명의 사람이 기대수명에 미치지 못하고 사망하는 것으로 발표하였다(Kim, 2017). 미세먼지는 입자 크기에 따라 PM10 (직경 10 µm 이하) 및 PM2.5 (직경 2.5 µm 이하)로 구분되며, 입경이 작은 PM2.5는 PM10보다 심각한 인체질환 및 환경 훼손(산성비, 시정장애)을 유발한다(Kang et al., 2006; Lee, 2018). 최근 국내외에서 입자 크기가 더 작은 미세먼지 PM2.5에 대한 환경기준이 신설되거나 단계적으로 강화되고 있다. 미세먼지는 발생원으로부터 고체 상태 미세먼지(1차 발생원)와 가스 상태 미세먼지(2차 발생원)로 구분된다. 2차 발생원은 자동차 배기가스로부터 나오는 질소산화물(NOx)이 대기 중의 수증기 등과 화학반응을 통해 생성되며, 미세먼지(PM2.5) 발생량의 약 66.7%를 차지한다.

산업화 및 공업화로 도로 및 터널 건설은 증가하고 있지만, 차량 배기가스에 대한 저감시설 설치는 제한적으로 이루어지고 있다. 도로터널 내부에서의 NOx 농도는 일반대기보다 약 3.7배 높으며, 도로터널의 연장이 길면 NOx 농도가 높은 경향을 보인다(Kang et al., 2017). 터널내부 NOx 관리를 위해 연장이 짧은 터널에서는 자연환기로 충분하지만 연장이 긴 터널에서는 기계적 환기시설이 필수적이다. 하지만 환기시설 사용에 따른 NOx 잔존 여부와 제거율 판단을 위한 자료의 부족으로 인해 효과적인 환기시설 사용이 어려운 실정이다(Jang, 2017).

최근 광촉매를 혼합한 콘크리트 구조물은 구조물 주변 NOx 제거를 위하여 활용하고 있다. 광촉매 물질로는 이산화티탄(TiO2), 산화아연(ZnO), 황화카드뮴(CdS), 갈륨인(GaP) 등이 있다. 이 중 TiO2는 독성과 빛에 의한 부식이 없고 용매로 사용되는 산, 염기, 유기물질에 침식되지 않아 가장 대표적인 광촉매로 활용되고 있다. 광촉매 물질은 빛 에너지에 반응하여 전자(Electron)와 정공(Hole)을 생성하며, 전자와 정공은 공기 중 물과 산소에 반응하여 슈퍼옥사이드(O2-)와 수산화 라디칼(OH·)을 생성한다(Kim et al., 2014). TiO2가 혼합된 콘크리트에서 광촉매 반응으로 생성된 OH·는 대기 중 NOx를 콘크리트 표면에 포집 및 산화시켜 제거한다(Beeldens, 2006; Boonen and Beeldens, 2014).

로마 Umberto Ⅰ터널에서는 광촉매 시멘트를 이용하여 터널 벽면 보수에 따른 NOx 수치 모니터링이 수행된 바 있으며, 터널 중심부에서 NOx 평균값은 351 ppb에서 279 ppb로 감소하여 약 21% 제거율을 보이는 것으로 파악되었다(Guerrini, 2012). Cárdenas et al. (2012)은 시멘트 중량대비 0~5%의 TiO2 (100% anatase)가 혼합된 시멘트 페이스트(paste)의 NOx 제거율을 평가하였으며, TiO2 혼합량이 증가함에 따라 NOx 제거율이 증가(1.3 → 9.4%)하는 결과를 보였다. Seo and Yun (2016)은 시멘트 중량대비 5%의 TiO2 (85% anatase, 15% rutile)가 혼합된 시멘트 모르타르를 포화도에 따라 일산화질소(NO) 제거율을 평가하였다. 포화도 감소함에 따라 NO 제거율은 증가하였으며, 35.7%의 포화도에서 NO 제거율은 약 45%에 해당하여 건조 상태에서 NO 제거율과 유사한 결과를 보였다. Park et al. (2019)은 시멘트 중량대비 3~7%의 TiO2 (100% anatase)가 혼합된 콘크리트의 NO 제거율을 평가하였다. NO 제거율은 4.7~8.3% 수준에 해당하였으며, TiO2 함량이 5%에서 가장 우수한 성능(제거율, 압축강도, 탄성계수)을 보였다. 또한, Folli et al. (2015)은 현장 실험을 통해 TiO2가 첨가된 콘크리트 도로포장을 적용할 경우 NO 수치를 약 22% 저감시킬 수 있을 것으로 보고한 바 있다.

활성탄소는 활성화 과정에서 분자 크기 정도 미세공 형성에 따라 큰 내부 표면적을 가지게 되며, 목재, 갈탄, 무연탄 및 야자껍질 등을 원료로 제조된다. 흡착제인 활성탄은 분자 크기 미세공이 형성되어 큰 내부 표면적을 가진다. 또한, 활성탄 표면에 존재하는 탄소 원자의 관능기가 주위 액체 및 기체에 인력을 작용하여 피흡착질 분자를 흡착하는 성질을 가진다(Ahn et al., 2020). 이러한 흡착특성을 활용하여 지하구조물 및 도로 주변 NOx 제거에 활용된다. Horgnies et al. (2012)은 터널 적용을 위해 시멘트 중량대비 활성탄 분말을 1.5% 첨가된 콘크리트의 이산화질소(NO2) 제거율을 평가하였다. 활성탄 분말 첨가 콘크리트를 터널에 적용한 경우 일반 콘크리트보다 NO2 제거율이 약 2.3배 증가하는 결과를 보였다. Horgnies et al. (2014)은 활성탄 콘크리트를 사용한 차고의 NO2 제거율을 평가하였다. 활성탄 콘크리트를 사용한 차고는 일반 콘크리트를 사용한 차고에 비하여 약 25배 높은 NO2 제거율을 보였다. 또한, Di Tommaso and Bordonzotti (2016)은 일반 콘크리트와 시멘트 중량대비 1.1%의 활성탄 분말이 첨가된 콘크리트의 NO2 제거율을 평가하였으며, 활성탄 콘크리트는 일반 콘크리트보다 약 6배 높은 NO2 제거율을 보이는 것으로 보고하였다.

이와 같이 터널 및 지하구조물에서 미세먼지 저감을 위하여 기존 구조물에 광촉매/활성탄이 혼합된 시멘트를 다양한 방법으로 활용하고 있다(Guerrini, 2012; Horgnies et al., 2012). 그러나 주변환경(온도, 습도, 침출수 등)에 의하여 구조물이 노후화되면 활성탄/광촉매가 포함된 콘크리트가 손상되어 원 콘크리트 표면이 노출될 수 있다. 이러한 활성탄/광촉매가 포함된 콘크리트의 손상 및 박리는 미세먼지 저감 효율을 급격하게 감소시키기 때문에 손상 및 박리 모니터링이 필수적이다. 이에 따라 본 연구에서는 일반 시멘트 경화체와 광촉매/활성탄이 포함된 시멘트 경화체의 전기비저항 특성을 이용하여 박리 유무평가에 대한 기초 실험연구를 수행하였다. 광촉매(TiO2)와 활성탄의 기본적인 전기비저항 특성을 규명하기 위해 용해된 조건(유체 혼합물 상태)에서의 전기비저항 값을 분석하였다. 또한, 실제 시멘트 시편을 활성탄 및 TiO2 혼합비에 따라 제작하여 시편의 전기비저항 값을 포화도에 따라 분석하였다. 본 연구에서 규명된 전기비저항 특성은 터널 및 지하구조물에서 미세먼지 저감 구조체의 박리 유무를 평가하기 위한 기초 전기비저항 데이터를 제공하고, 향후 전기비저항을 이용한 박리평가 기법 개발에 유용하게 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

2. 실험 방법

2.1 시편의 준비

실험 시편은 유체 혼합물 형태와 시멘트 경화체 형태로 나누어 준비하였다. 전기비저항 실험 시편을 제작하기 위해 활성탄(Activated carbon), TiO2 (Titanium dioxide), 포틀랜드 시멘트(Portland cement), 물(증류수 및 수돗물)을 기본 배합재료로 사용하였다(Fig. 1). 본 연구에서 사용한 활성탄은 90% 순도이며 일부 석영(SiO2)이 포함되어 있다. TiO2는 Anatase 계열로 평균 입도는 0.30 µm이고 순도는 99%이다. 시멘트 재료는 1종 보통 포틀랜드 시멘트를 사용하였으며, 비중은 3.14, 비표면적은 4,030 cm2/g, 평균 입도는 11.76 µm이다.

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Fig. 1.

Materials for test specimens

유체 혼합물 시편은 시멘트 재료를 제외하고 유체에 활성탄과 TiO2를 혼합하여 준비하였으며, 유체는 증류수와 수돗물을 사용하였다. 우선, 활성탄 및 TiO2의 순수한 전기적 성질을 분석하기 위해 증류수를 사용하여 시편을 제작하였다. 추가적으로, 현장조건을 가정하기 위하여 현장 용수와 전기적 성질이 비슷한 수돗물을 실험 유체로 사용하였다. 유체 혼합물 시편은 총 35 케이스로 구성되며, 활성탄과 TiO2의 함량은 유체(증류수 또는 수돗물) 중량 기준(130 g)으로 결정되었다. 활성탄 혼합비는 유체 중량 기준 0, 0.05, 0.1, 0.2, 0.3이고 TiO2 혼합비는 0, 0.05, 0.1, 0.2, 0.3, 0.4, 0.5이다. Table 1은 활성탄 및 TiO2 혼합비에 따른 유체 혼합물 비율을 보여준다.

Table 1.

Test cases for fluid mixture specimens

Fluid type Mixture material
Activated carbon (A) (g) Titanium dioxide (T) (g)
Distilled water (130 g) 0, 6.5, 13, 26, 39 0, 6.5, 13, 26, 39, 52, 65
Tap water (130 g) 0, 6.5, 13, 26, 39 0, 6.5, 13, 26, 39, 52, 65

시멘트 경화체 시편은 활성탄, TiO2, 시멘트를 수돗물과 혼합하여 제작하였다. 활성탄과 TiO2의 함량은 시멘트 중량(260 g) 기준으로 결정하였으며, 시편은 활성탄과 TiO2의 함량에 따라 총 24가지로 준비하였다. 선행 연구에서 유해물질 저감을 위한 일반적인 활성탄 혼합비는 시멘트 중량대비 0.01~0.50이며, TiO2 혼합비는 시멘트 중량대비 0.05~0.40이다(Ra et al., 2003; Oh et al., 2004; Zhang et al., 2017; Baek et al., 2019). 본 연구에서는 선행 연구 배합비를 참고하여 활성탄(0~0.15)과 TiO2 (0~0.25)의 배합비를 결정하였다. Table 2는 시멘트 경화체 시편의 배합조건을 나타낸다.

Table 2.

Test cases for cement specimens

Specimen
symbol
Water
(g)
Cement
(g)
Activated carbon
(g)
Titanium dioxide
(g)
W
(-)
C
(-)
A
(-)
T
(-)
A0T0 130 260 0 0 0.5 1 0 0
A1T0 130 260 13 0 0.5 1 0.05 0
A2T0 130 260 26 0 0.5 1 0.10 0
A3T0 130 260 39 0 0.5 1 0.15 0
A0T1 130 260 0 13 0.5 1 0 0.05
A1T1 130 260 13 13 0.5 1 0.05 0.05
A2T1 130 260 26 13 0.5 1 0.10 0.05
A3T1 130 260 39 13 0.5 1 0.15 0.05
A0T2 130 260 0 26 0.5 1 0 0.10
A1T2 130 260 13 26 0.5 1 0.05 0.10
A2T2 130 260 26 26 0.5 1 0.10 0.10
A3T2 130 260 39 26 0.5 1 0.15 0.10
A0T3 130 260 0 39 0.5 1 0 0.15
A1T3 130 260 13 39 0.5 1 0.05 0.15
A2T3 130 260 26 39 0.5 1 0.10 0.15
A3T3 130 260 39 39 0.5 1 0.15 0.15
A0T4 130 260 0 52 0.5 1 0 0.20
A1T4 130 260 13 52 0.5 1 0.05 0.20
A2T4 130 260 26 52 0.5 1 0.10 0.20
A3T4 130 260 39 52 0.5 1 0.15 0.20
A0T5 130 260 0 65 0.5 1 0 0.25
A1T5 130 260 13 65 0.5 1 0.05 0.25
A2T5 130 260 26 65 0.5 1 0.10 0.25
A3T5 130 260 39 65 0.5 1 0.15 0.25

W : Ratio of water/cement, C : Ratio of cement/cement, A : Ratio of Activated carbon/cement, T : Ratio of Titanium dioxide

직경 50 mm 및 높이 100 mm 원통형 몰드를 이용하여 시멘트 시편을 제작하였으며 물/시멘트비는 0.5로 고정하였다. 양생과정 동안 수분 증발을 방지하기 위해 시편을 완전밀봉하였으며, 실험실 환경조건(온도 22.8 ± 0.3°C, 습도 71.5 ± 7.0%)에서 14일 동안 양생을 실시하였다. 양생완료 후 균일한 전기비저항 측정값을 획득하기 위해서, 시편 측정표면 연마를 실시하였다(Fig. 2).

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Fig. 2.

Cured cement specimens for measuring electrical resistivity

2.2 전기비저항 측정 시스템 및 보정

Fig. 3은 시편 전기저항 측정을 위하여 구성한 다채널 전기비저항 측정 시스템을 보여준다. 전기저항 시스템은 LCR meter, DAQ, 그리고 데이터 저장장치로 구성된다. LCR meter (Keysight, E4980A)는 시편에 전압을 가하였을 때, 매질에 흐르는 전류를 측정하여 저항값을 도출한다. 가진 주파수는 20 Hz에서 2 MHz까지 조절할 수 있으며, 가진 전압 범위는 0.1~20 V에 해당한다. 다채널 전기저항 데이터 수집을 위해 DAQ (Keysight, 34972A)를 사용하였으며, 본 실험에서는 5개 채널을 사용하여 전기저항을 측정하였다. 전기저항 데이터는 LCR meter를 통해 10번 측정된 저항 데이터 평균값이며, 데이터 저장장치에 저장되도록 설계하였다. 본 전기저항 측정실험에서 사용된 가진 전압은 1 V (Voltage)이다. 한편 AC (Alternating Current)를 사용하여 전기저항 측정 시, 측정 주파수에 따라 분극 및 공진이 발생할 수 있다. 따라서 분극 및 공진을 방지하기 위해 주파수 스위핑(sweeping)을 수행하였으며, 안정 주파수는 1 kHz로 결정하여 실험을 수행하였다.

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Fig. 3.

The system of multichannel electrical resistivity measurement with high current (Hc), high potential (Hp), low current (Lc), and low potential (Lp)

측정되는 전기저항은 동일한 물질에서 실험 셀(cell)과 전극의 형상, 크기, 재질 등에 영향을 받는다. 따라서 물질 고유의 전기비저항 특성을 규명하기 위해 전기저항-전기비저항 보정이 필수적이다. 전기비저항 보정 환산은 식 (1)과 같이 계산된다.

$$\rho\;=\;\alpha\cdot R$$ (1)

여기서, ρ (Ω ‧ m)는 전기비저항, R (Ω)은 전기저항, 그리고 α (m)는 보정실험을 통해 결정되는 환산상수이다. 전기비저항 보정 환산상수는 염화나트륨(NaCl) 수용액 농도에 따라 전기저항과 전기비저항의 상관관계를 통해 결정된다. 보정을 위한 수용액의 전기비저항은 Electrical Conductivity Meter (XEBEX, CM-30R)를 이용하여 측정되었다. 온도 영향을 최소화하기 위하여 보정실험을 포함한 모든 전기비저항 측정실험은 일정한 온도 조건(23.0 ± 1.0°C)에서 수행되었다.

2.2.1 유체 혼합물 시편 전기비저항 보정

유체 혼합물 시편의 전기비저항 측정용 셀은 아크릴 재질에 해당하며 전극은 스테인리스로 구성하였다. 전극은 직경 2.9 mm의 원형판 형태이며 셀 양쪽에 각각 3쌍을 설치하였다. 보정상수 결정을 위한 실험 결과, 순수 증류수 전기비저항 값은 약 9.22 kΩ ‧ m이고 수돗물 전기비저항 값은 약 36.0 Ω ‧ m으로 확인되었다. 유체 혼합물 시편 실험을 위한 셀의 전기비저항 보정 환산상수는 0.008 m로 획득되었다(Fig. 4).

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Fig. 4.

Electrical resistivity calibration of test cell for fluid mixture specimens (1 V, 1 kHz)

2.2.2 시멘트 시편 전기비저항 보정

시멘트 경화 시편 셀의 전기비저항 보정 환산상수를 획득하기 위해서 양생몰드 상/하부 표면에 직경 50 mm, 두께 1 mm 원형 스테인리스 전극을 설치하였다. 보정실험 결과, 시멘트 경화 시편 셀의 전기비저항 보정 환산상수는 0.018 m로 획득되었다(Fig. 5).

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Fig. 5.

Electrical resistivity calibration of test cell for cement specimens (1 V, 1 kHz)

2.3 포화도에 따른 전기비저항 실험과정

시편의 포화도는 전기비저항 측정결과에 민감하게 영향을 미치는 요인에 해당한다. 실제 현장에서 고압살수차는 미세먼지 제거를 위해 운영되고 있으며, 터널/지하구조물 내부 벽체 및 천정은 살수 후 세척되어 콘크리트 구조물의 포화도는 높은 상태이다(Lee et al., 2010). 콘크리트 구조물 내 공극이 포화되면 통전성이 증가하여 포화도가 증가하게 되며, 이에 따라 전기저항 값은 감소한다(Lee et al., 2020).

포화도에 따른 전기비저항 특성분석을 위해 시멘트 시편에 대한 전기비저항 측정실험을 수행하였다. 본 연구에서 고려한 포화도 실험범위는 양생 완료 후 평균적인 포화도인 86.3 ± 5.0% (탈형 포화도)부터 100%까지 해당한다. 포화도에 따른 측정 실험순서는 시편을 24시간 수침한 후 실험실 환경조건에서 7일간 자연 건조하며 탈형 포화도 상태(약 86%)에 도달할 때까지 전기비저항을 측정하였다.

대조군으로 건조 조건에서도 전기비저항 측정을 수행하였다. 시편의 건조는 건조기를 사용하여 24시간 온도 105°C 조건으로 건조를 실시하였으며, 건조기 사용 직후 시편이 고온이기 때문에 온도 영향을 방지하기 위해 시편 온도가 23°C까지 감소 된 후 실험을 수행하였다. 시편의 건조상태는 온도감소 과정 중, 주변 습기의 흡착으로 인하여 실제 측정시 포화도는 2.0% 미만으로 정의된다.

3. 전기비저항 결과 및 분석

3.1 유체 혼합물 시편 결과

3.1.1 활성탄에 따른 전기비저항 변화

Fig. 6(a)는 증류수를 이용하여 활성탄 투입량에 따른 유체 혼합물 전기비저항을 측정한 결과이다. TiO2가 존재하지 않는 시편의 경우, 활성탄 양의 증가에 따라 전기비저항이 명확히 감소하는 결과를 보였다. 증류수에서 활성탄 혼합비가 0에서 0.30으로 증가하면 전기비저항은 약 164배 감소하였다. 활성탄 혼합비는 유체 중량 대비 활성탄 중량의 비율로 정의된다. 반면에 TiO2가 존재(6.5 g, 물 무게 대비 5%) 하는 경우, 활성탄 혼합비 0.1까지는 전기비저항 값의 변화가 없었으며 활성탄 투입비 0.2 이상 부터는 전기비저항 값이 다소 감소하는 경향을 보였다. TiO2가 혼합된 조건에서 활성탄 혼합비가 0에서 0.30으로 증가하면 전기비저항 값은 약 2.6배 감소하는 것으로 분석되었다. 상기 결과는 TiO2 존재가 활성탄 투입량 증가에 따른 전기비저항 저감 민감도를 감소시킴을 보여준다.

Fig. 6(b)는 수돗물을 이용하여 제작된 유체혼합물의 활성탄에 따른 전기비저항 변화를 보여준다. TiO2가 존재하지 않는 시편의 경우, 활성탄 혼합비가 0에서 0.1로 증가하면 전기비저항 값은 오히려 증가하는 경향을 보였다. 활성탄 혼합비가 0.2 이상으로 다량 투입되면 전기비저항은 활성탄 혼합비 증가에 따라 감소하였다. TiO2가 포함(6.5 g)된 시편의 경우에도 유사한 경향을 보이는 것으로 분석되었다. 활성탄 혼합비가 0에서 0.05로 증가하는 초기 투입량에서는 전기비저항 값은 소폭 증가되며, 이후 활성탄 혼합비 0.1 이상에서는 전기비저항 값이 감소하였다. 이와 같은 현상은 수돗물이 다량의 이온들을 포함하여, 전기비저항 값이 활성탄보다 상대적으로 낮기(약 36.0 Ω ‧ m) 때문이다. TiO2가 없는 수돗물에서 활성탄 혼합비가 0에서 0.30으로 증가함에 따라 최종적으로 전기비저항은 약 42% 감소하고, TiO2가 혼합된 수돗물에서는 약 43% 감소하는 것으로 분석되었다.

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Fig. 6.

Electrical resistivity of fluid mixtures according to the activated carbon ratiofor (a) distilled water and (b) tap water

3.1.2 TiO2에 따른 전기비저항 변화

Fig. 7은 TiO2 투입량 증가에 따른 전기비저항 변화를 보여준다. TiO2 투입량은 혼합비로 정의되며 유체 중량 대비 TiO2 중량 비율이다. Fig. 7(a)는 증류수를 이용하여 TiO2 혼합비에 따른 유체 혼합물 전기비저항을 측정한 결과이다. 증류수에 TiO2 혼합비가 증가하면 전기비저항 값은 감소하였다. 활성탄이 0~13 g 혼합된 초기 투입조건(13 g, 물 중량의 10% 투입)에서, TiO2 혼합비가 증가함에 따라 전기비저항은 급격하게 감소하는 경향을 보였다. 그러나 활성탄 투입이 20% 이상이 되면 TiO2 투입량 증가에 따른 전기비저항 감소폭이 낮아지는 것으로 분석되었다. TiO2 혼합비 0.05 기준으로 TiO2 혼합비가 0.5로 10배 증가하면, 활성탄 13 g (10%) 투입조건에서 전기비저항 값은 약 7.8배 감소하였다. 그러나 활성탄 투입이 39 g (30%)로 높아지면 전기비저항 값은 약 3.8배 정도만 감소하였다. TiO2 혼합비가 0.5까지 증가함에 따라 활성탄이 혼합된 증류수의 최종 전기비저항 값은 약 9 Ω ‧ m으로 수렴하는 것으로 확인되었다(Fig. 7(a)). 따라서 활성탄 투입량이 많을수록 TiO2에 의한 전기비저항 저감 효과는 낮아지는 것으로 분석된다.

TiO2 혼합비-전기비저항 관계 분석에서도 동일한 결과가 도출되었다. TiO2 혼합비-전기비저항 관계는 지수함수에서 높은 상관성을 보인다. 지수함수에서 지수값은 x축 값의 변화에 대한 y축 값의 민감도를 의미한다. 낮은 활성탄 투입조건(6.5~13 g)에서 지수값(b)은 0.860~0.908로 크며, 높은 활성탄 투입조건(39 g)에서 지수값(b)은 0.583으로 가장 낮은 값을 보였다. 이는 TiO2 혼합비 증가에 따른 전기비저항 민감도는 활성탄 투입이 많을수록 낮아짐을 보여준다.

Fig. 7(b)는 수돗물 이용하여 활성탄 및 TiO2 혼합비 따른 유체 혼합물 전기비저항 값의 변화를 보여준다. TiO2 혼합비가 증가하면 전기비저항은 감소하는 경향을 보인다. 수돗물로 혼합된 유체는 수돗물 자체에 이온들이 존재하기 때문에 수돗물의 전기비저항 값은 약 36.0 Ω ‧ m으로 낮은 값을 가진다. 따라서 활성탄이 없는 조건(A = 0 g)에서, TiO2 혼합비가 가장 낮은 0.05에서는 대략 수돗물의 전기비저항 값과 비슷한 결과를 보인다. TiO2 혼합비가 0.5까지 증가함에 따라 활성탄이 혼합된 증류수의 최종 전기비저항 값은 증류수 유체시편과 비슷하게 약 9 Ω ‧ m으로 수렴하는 것으로 확인되었다.

TiO2 혼합비 증가에 따른 전기비저항 값의 감소 정도는 증류수 유체 시편결과와 비교하여 낮은 수준에 해당하는 것으로 분석되었다. TiO2 혼합비가 0.05에서 0.5로 10배 증가하는 경우, 전기비저항 값은 2.4~3.5배만이 감소하는 결과를 보였다. 활성탄 6.5 g (5%) 투입조건에서는 전기비저항은 약 3.5배 감소하였으며, 활성탄 39 g (30%) 투입조건에서 전기비저항은 약 2.4배 감소하였다. 모든 활성탄 투입조건에서 지수함수의 지수값(b)은 0.392~0.534로 증류수의 최대 활성탄 투입량 조건(39 g)의 지수값(0.583)과 비슷한 결과를 보였다. 이와 같은 결과는 증류수와 같이 순수한 물질에서 TiO2 투입 영향이 전기비저항에 더 민감할 수 있음을 보여준다.

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Fig. 7.

Electrical resistivity of fluid mixtures according to the TiO2 ratio for (a) distilled water and (b) tap water

3.2 시멘트 시편 결과

활성탄 및 TiO2 혼합비에 따라 총 24종 시멘트 시편을 제작하여 전기비저항 특성 실험을 수행하였다. 본 실험에서 활성탄은 A 및 TiO2는 T로 표기하였다. 활성탄 및 TiO2의 혼합비율 0, 0.05, 0.10, 0.15, 0.20, 0.25는 각각 0, 1, 2, 3, 4, 5로 표기하였다. 예를 들어 A3T5 시편은 활성탄 혼합비율 0.15 및 TiO2의 혼합비율은 0.25를 의미한다.

활성탄과 TiO2가 혼합된 시멘트 시편의 전기비저항 값은 시편의 포화상태에 큰 영향을 받는다. 일반적으로 포화도가 증가하면 전기전도성이 증가하여 전기비저항 값은 감소한다. 이에 따라 본 연구에서는 건조에 가까운 상태(<2.0%, 건조상태로 정의)와 포화상태가 높은(80~100%) 경우로 구분하여 전기비저항 값을 분석하였다.

3.2.1 건조 상태 조건

건조 상태 시멘트 시편의 전기비저항 값 측정결과, 활성탄 및 TiO2 함량이 증가할수록(A0 → A3, T0 → T5) 전기비저항 값은 감소하는 경향을 보였다. TiO2가 포함되지 않은 시편(T0)에서 활성탄 혼합비율이 0 (A0)에서 0.15 (A3)로 증가하는 경우, 전기비저항 값은 약 31% 감소하였다(Fig. 8). 이와 마찬가지로, TiO2 혼합비율이 0.25 (T5)인 경우, 활성탄 혼합비율이 0 (A0)에서 0.15 (A3)로 증가함에 따라 전기비저항 값은 약 43% 감소하였다.

반면에 활성탄이 포함되지 않은 시편의 경우(A0), TiO2 혼합비율이 0 (T0)에서 0.25 (T5)로 증가함에 따라 전기비저항 값은 약 24% 감소하는 것으로 파악되었다(Fig. 8). 활성탄 혼합비가 0.15 (A3)인 경우에는 TiO2 혼합비율이 0 (T0)에서 0.25 (T5)로 증가함에 따라 전기비저항 값은 약 37% 감소하는 결과를 보였다. 이러한 활성탄 증가에 따른 전기비저항 값의 감소는 활성탄이 전도성이 높은 물질이기 때문으로 판단된다. 활성탄의 탄소 성분은 양생 후 시편 내 전도성 고리를 형성하게 되며, 이러한 전도성 고리를 통하여 자유 전자가 이동하기 때문에 전자 전도 증가에 따라 전기비저항 값이 감소하게 된다(Han et al., 2015; Belli et al., 2020).

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Fig. 8.

Electrical resistivity of cured cement specimens under a dry condition

3.2.2 포화 상태 조건

활성탄 및 TiO2가 혼합된 시멘트 시편에서 포화도(80~100% 범위)에 따른 전기비저항 값을 분석하였다. 실험결과, 본 연구에서 설정한 모든 TiO2 혼합비율에서 시편의 포화도가 증가하는 경우(80 → 100%), 전기비저항 값이 감소하는 것으로 파악되었다(Fig. 9). TiO2가 포함되지 않은 시편(T0)의 경우, 활성탄이 포함되지 않은 시편(A0)에서 포화도가 85%에서 100%로 증가함에 따라 전기비저항 값이 약 2,675배 감소하였다(Fig. 9(a)). 또한 활성탄 혼합비율이 0.15 (A3)인 시편에서, 포화도가 85%에서 100%로 증가함에 따라 전기비저항 값이 약 14배 감소하였다. 한편, TiO2 혼합비율이 0.25 (T5)인 경우, 활성탄 혼합비율이 0 (A0)와 0.15 (A3)인 시편은 포화도가 85%에서 100%로 증가함에 따라 전기비저항 값은 각각 약 287배 및 347배 정도만 감소하는 결과를 보였다(Fig. 9(f)). 시멘트 시편 내 공극수는 전도체(36.0 Ω ‧ m)로써 전류의 흐름을 연결시켜 주기 때문에 포화도의 증가는 전기비저항 값을 감소시키는 요인에 해당한다(Layssi et al., 2015; Lee et al., 2020).

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Fig. 9.

Electrical resistivity of cured cement specimens under saturation conditions according to TiO2 ratio

시멘트 시편 내 활성탄 함량이 증가할수록(A0 → A3) 전기비저항 값은 감소하는 것으로 파악되었다. TiO2가 포함되지 않은 시편(T0) 조건에서, 활성탄 혼합비율이 0 (A0)에서 0.15 (A3)로 증가함에 따라 전기비저항 값은 약 50% 감소하였다(포화도 85% 조건). 한편 포화도가 높은 조건(e.g., 85% 포화도 이상)에서 TiO2의 함유량이 전기비저항 값에 미치는 영향은 미미하였다. 본 연구에서 고려된 TiO2 혼합 시편(T1~T5)에서, 활성탄 혼합비율이 0 (A0)에서 0.15 (A3)로 증가하면 전기비저항 값은 평균적으로 약 66% 감소하였다(포화도 85% 조건).

한편 포화도가 증가하면 활성탄 혼합비율에 따른 전기비저항의 감소율은 둔감해지는 경향을 보였다. 이러한 감소율 둔감 현상은 포화도가 높은 상태에서 공극내 전도성을 가진 유체의 전기전도도 영향을 크게 받기 때문이다. 예를 들어 포화도가 98% 조건일 때, 활성탄 혼합비율이 0 (A0)에서 0.15 (A3)로 증가함에 따라 TiO2가 혼합되지 않은 시편의 전기비저항은 약 12%만이 감소되었다(Fig. 9(a)).

4. 활성탄과 TiO2에 따른 시멘트 도포체 특성 논의

4.1 공극률 변화 특성

활성탄 및 TiO2는 양생 후 시멘트 시편 내 공극의 크기에 영향을 미친다. Fig. 10은 활성탄 및 TiO2의 증가에 따른 시멘트 시편의 공극률 감소를 보여준다. TiO2가 포함되지 않은 시편(T0)의 경우, 활성탄 혼합비율이 0 (A0)에서 0.15 (A3)로 증가함에 따라 공극률은 약 4.8% (39.9 → 35.1%) 감소하였다. 활성탄이 포함되지 않은 시편(A0)에서는 TiO2 혼합비율이 0 (T0)에서 0.25 (T5)로 증가함에 따라 공극률은 약 5.6% (39.9 → 34.3%) 감소하였다. 한편, 활성탄 및 TiO2가 포함되지 않은 시편(A0T0)에서 활성탄 및 TiO2 혼합비율이 동시에 증가(A0 → A3, T0 → T5)함에 따라 공극률은 약 8.1% (39.9 → 31.8%) 감소하였다. 시멘트보다 분말도가 높은 활성탄은 시멘트 페이스트를 형성하는 과정에서 점성을 증가시킨다. 활성탄이 증가함에 따라 배합과정에서 다량의 수분을 흡수하기 때문에 시멘트 페이스트의 수화반응에 사용되는 유효 물-시멘트 비율을 감소시킨다(Lee and Lee, 2017). 따라서 활성탄 및 TiO2의 혼합비가 증가하면 유효 물-재료(시멘트, 활성탄, TiO2)비가 감소하기 때문에 양생 후 활성탄 및 TiO2의 혼합비율이 높은 시편일수록 공극률은 감소하게 된다(Lee et al., 2019).

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Fig. 10.

Porosity variation of cured cement specimens with activated carbon and TiO2

4.2 터널 내 미세먼지 저감 도포체 활용을 위한 전기비저항 특성

질소산화물(NOx)을 분해하는 물질(수산화 라디칼, OH·)은 TiO2가 빛 파장에 반응해야 생성되기 때문에 빛과 접촉하는 구조물 표면에 광촉매가 존재해야 NOx 제거 효과가 발휘된다(Kim et al., 2014). 또한, 활성탄의 표면 흡착특성은 콘크리트 벽면에 NOx를 흡착 및 저감시키기 위하여 활용될 수 있다. 이러한 터널 내 NOx 제거를 위해 활성탄이 혼합된 콘크리트 및 광촉매가 혼합된 시멘트를 터널 벽면에 도포하는 기법이 적용되었다(Guerrini, 2012; Horgnies et al., 2012). NOx 저감을 위해 TiO2를 콘크리트나 모르타르에 혼합하는 방법이 있으나, TiO2를 효율성 있게 콘크리트에 적용하기 위하여 콘크리트 표면 일부를 광촉매가 혼합된 콘크리트로 도포하는 방법이 있다(Park et al., 2019). 도포 방식을 적용한 구조물은 주변환경에 의해 노후화가 진행되면 표면 광촉매 콘크리트가 손상 및 박리로 원 콘크리트 표면이 노출된다. 이와 같은 현상은 미세먼지 저감 효율을 급격하게 감소시킨다. 따라서 지속적인 NOx 저감 성능을 유지하기 위해 NOx 저감 구조체의 박리 유무평가는 필수적이다.

4.2.1 도포체 종류에 따른 전기비저항 특성

본 연구에서 수행된 전기비저항 측정 결과, 활성탄 및 TiO2가 포함되지 않은 시멘트 시편(A0T0)보다 활성탄 및 TiO2가 포함된 시편에서 전기비저항은 낮은 값을 보인다. 일반 콘크리트 표면에 NOx 저감 시멘트가 도포되면 표면의 전기비저항은 감소되며, 만약 표면 NOx 저감 시멘트가 박리되면 표면의 전기비저항은 증가할 것으로 예상된다. 이와 같은 결과값을 바탕으로 본 연구에서는 콘크리트 표면에 도포용으로 사용될 NOx 저감 시멘트 도포체는 총 3가지로 고려하였다. 1) 활성탄만 혼합된 시멘트 시편(A3T0), 2) TiO2만 혼합된 시멘트 시편(A0T5), 3) 활성탄 및 TiO2가 혼합된 시멘트 시편(A3T5)이다. Fig. 11은 활성탄 및 TiO2가 포함되지 않은 시멘트 시편(A0T0)의 전기비저항 값을 기준으로 건조 및 포화 상태에 따라 각각 정규화한 결과에 해당한다. 활성탄 및 TiO2가 포함되지 않은 시멘트 시편(A0T0)은 대조군으로서, 본 연구에서는 일반 시멘트 시편으로 정의하였다. 한편 실험군은 활성탄 및 TiO2 혼합비율 3가지 경우(A3T0, A0T5, A3T5)를 선정하여 전기비저항 값을 비교 분석하였다.

건조 상태 시편의 경우, 활성탄만 혼합된 시편(A3T0)은 일반 시멘트 시편(A0T0)에 비하여 공극률이 약 4.8% 감소하였으며, 전기비저항 값은 약 1.4배 감소하는 것으로 평가되었다. 또한, TiO2만 혼합된 시편(A0T5)과 활성탄 및 TiO2가 혼합된 시편(A3T5)은 일반 시멘트 시편에 비하여 공극률이 각각 약 5.6%, 8.1% 감소하였으며, 전기비저항은 약 1.3배, 2.3배 감소하였다. 건조 상태 시편의 경우, A3T5가 가장 큰 전기비저항 차이를 보여준다.

일반 시멘트 시편에서 내부 공극이 감소하는 경우, 경화된 시멘트는 전기전도성이 낮은 물질이기 때문에 건조상태에서 전기비저항 값은 매우 커진다. 반면 본 실험에서 사용된 활성탄은 높은 전기전도성을 지닌 재료이기 때문에, 시편내 공극의 크기가 작아지면 활성탄 입자간 접촉 면적이 넓어져 전기비저항이 오히려 감소되는 경향을 보였다. 또한, 활성탄 및 TiO2 배합비율 증가에 의한 공극 감소는 탄소가 형성하는 전도성 고리 생성 증가를 의미하며 이에 따라 전기비저항 값이 감소하는 것으로 분석된다.

포화 상태의 전기비저항 값은 포화도 85~98%에 해당하는 전기비저항 값의 평균에 해당한다. 포화 상태 시편의 경우, 활성탄이 혼합된 시편(A3T0, A3T5)은 일반 시멘트 시편(A0T0)에 비하여 공극률이 각각 약 4.8%, 8.1% 감소하였으며, 전기비저항 값은 약 3.5배, 2.8배 감소하여 건조 상태 시편보다 더 큰 전기비저항 차이를 보였다(Fig. 11(b)). 그러나 TiO2가 혼합됨에 따라 전기비저항 값에 대한 민감도는 TiO2가 혼합되지 않는 시편에 비하여 감소하는 경향을 보였다. TiO2만 혼합된 시편(A0T5)은 일반 시멘트 시편(A0T0)에 비하여 공극률이 약 5.6% 감소하였지만 전기비저항 값은 약 4% 증가함으로써 큰 변화가 없는 것으로 파악되었다.

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Fig. 11.

Electrical resistivity comparison between (a) dry condition and (b) saturation condition

4.2.2 전기비저항을 이용한 도포체 박리 평가

현장에서 터널 내 콘크리트 표면은 주변 환경에 의해 건조 또는 포화 상태일 것으로 예상되므로 전기비저항을 이용한 도포체 박리 평가 기술 활용을 위하여 건조 및 포화 조건에서 전기비저항 특성을 분석하였다. 건조 조건에서 콘크리트 표면에 도포된 TiO2 시멘트가 박리되는 경우 원 콘크리트 표면이 노출되며 이때 표면에서 전기비저항 값은 약 1.3배 증가된다(Fig. 11(a)). 예를 들어 TiO2 시멘트의 전기비저항이 7,700 Ω ‧ m이면 콘크리트 표면 TiO2 시멘트 경화체가 박리됨에 따라 전기비저항 값이 10,000 Ω ‧ m로 증가한다. 포화 조건에서 콘크리트 표면에 도포된 TiO2 시멘트는 박리가 되어 원 콘크리트 표면이 노출되어도 표면의 전기비저항 값은 변화가 미미할 수 있다(Fig. 11(b)). 이와 같은 결과는 TiO2만 혼합된 시멘트 도포체의 경우, 포화 조건에서 박리 유무를 정확하게 평가할 수 없을 것으로 판단된다.

하지만 활성탄 및 TiO2가 혼합된 도포체는 표면이 박리됨에 따라 노출면의 전기비저항 값이 건조 조건에서 약 2.3배, 포화 조건에서 약 2.8배 증가 변화하는 것을 확인하였다. 따라서 활성탄 및 TiO2가 혼합한 도포체를 적용하는 경우, 전기비저항을 이용한 터널 내 표면 박리 유무평가가 충분히 가능할 것으로 판단된다.

5. 결 론

본 연구는 활성탄과 TiO2가 혼합된 시멘트 경화체를 실험적으로 검토하여 터널 내 전기비저항을 통한 박리 유무평가 가능성을 목적으로 수행되었다. 증류수와 수돗물을 이용한 유체 혼합물 시편의 전기비저항을 측정하여 활성탄과 TiO2에 대한 전기비저항 민감도를 분석하였다. 또한, 활성탄과 TiO2가 포함된 24종 시멘트 시편을 대상으로 전기비저항 값을 비교 분석하였다. 주요 결과는 다음과 같다.

유체 혼합물 시편에서 활성탄 양의 증가에 따라 전기비저항은 명확히 감소하였으며, TiO2가 존재하는 경우 일정 활성탄 혼합비(증류수; 0.10, 수돗물; 0.05) 이상부터 전기비저항 값이 감소하였다. TiO2 존재가 활성탄 투입량 증가에 따른 전기비저항 저감 민감도를 감소시킨다. 증류수와 같은 순수한 물질에서 TiO2 투입 영향이 전기비저항에 더 민감할 수 있음을 보여준다.

건조 상태 시편에서 전기비저항 측정결과, 활성탄 혼합비가 증가하는 경우 전기비저항 값은 최대 49% 감소하는 결과를 보였다. 이와 마찬가지로 TiO2 혼합비가 증가하면 전기비저항 값은 최대 41% 감소하는 결과를 보였다. 전기비저항 감소는 활성탄에 의해 더 많이 감소하는 결과를 보였다.

포화 상태(포화도 = 85~98%) 시편에서 전기비저항 측정결과, 모든 시편에서 포화도가 증가하는 경우 전기비저항 값이 감소하였다. 포화도가 증가(85 → 98%)에 따라 활성탄 혼합비율에 따른 전기비저항 감소율은 둔감 되는 경향을 보인다. 포화도가 약 85%인 TiO2 혼합 시편(T1~T5)에서, 활성탄 혼합비율이 0 (A0)에서 0.15 (A3)로 증가하면 전기비저항 값은 평균적으로 약 66% 감소하였다.

건조 조건에서 TiO2 시멘트 시편은 일반 시멘트 시편(A0T0)보다 전기비저항 값이 약 24% 감소한다. 이와 반대로 포화 조건에서 TiO2 시멘트 시편은 활성탄 및 TiO2가 혼합되지 않은 시편보다 전기비저항 값이 4% 증가함으로 변화가 미미하였다. 이와 같은 결과는 포화 조건인 경우, 콘크리트 표면에서 TiO2만 혼합된 시멘트 도포체의 박리 유무평가는 한계가 있을 것으로 예상된다.

건조 또는 포화 조건에서 활성탄 및 TiO2가 혼합된 도포체는 박리됨에 따라 전기비저항 값이 2.3~2.8배 증가함으로써 박리 유무평가는 가능할 것으로 판단된다. 본 연구는 향후 전기비저항을 이용한 터널 내 활성탄/TiO2 시멘트가 도포된 콘크리트 표면 박리평가 기법 개발에 유용하게 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

Acknowledgements

본 연구는 국토교통부 국토교통기술촉진연구사업의 연구비지원(20CTAP-C152124-02)에 의해 수행되었습니다. 이에 깊은 감사를 드립니다.

저자 기여도

공태현은 실험계획 및 수행, 연구결과 분석 및 논문원고 작성을 하였고, 이종원은 실험데이터 수집 및 분석과 원고검토를 하였고, 예지훈은 실험데이터 수집 및 분석을 하였고, 안재훈은 연구비 수주, 연구개념 수립을 하였고, 오태민은 연구개념 및 설계, 연구개념 계획, 원고검토를 하였다.

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