1. 서론

 

시멘트 모르타르와 콘크리트에서 혼합수의 품질과 양은 시멘트 모르타르와 콘크리트의 성질을 결정짓는데 중요하다는 사실은 잘 알려져 있다. 물은 콘크리트에 이로운 효과와 해로운 효과를 동시에 가지고 있다. 일반적으로 마실 수 있는 물이라면, 콘크리트를 위한 혼합수로서 적절하다. 그러나 중금속(Hg, Cu, Ni, Zn, Cr, Pb, Cd, Fe) 등을 포함하는 산업 폐수 등과 같은 마실 수 없는 물도 시멘트 모르타르를 만드는데 적당하다. 불순물들을 가진 물이라도 콘크리트에 증발 후의 표면 위에 어떤 해로운 불순물도 남기지 않는다면 양생에서 더 적은 신축성을 만들어 낼 수 있다. 심지어 콘크리트 장치를 세척하는데 사용한다면 더 많은 양의 불순물들도 물속에서 허용될 수 있다. 많은 연구가 시멘트, 골재, 화학 물질, 혼화재 등과 같은 서로 다른 콘크리트 구성요소의 상호작용을 이해하기 위해서 연구되었지만, 콘크리트에서 혼합수의 역할에 대한 연구는 아직까지 거의 연구되지 않았다.

 

몇몇 연구진들이 완전하게 처리되거나 부분적으로 처리된 폐수를 사용한 연구를 수행했지만 혼합수에서 특정 구성요소의 효과와 이것의 최고 허용 용량(maximum permissible limit)에 대한 조사는 수행되지 않았다. 이런 이유 때문에, 혼합수 특정 구성요소의 허용 한계에 대한 가이드라인을 본 연구를 통해 조사하였다.

 

2. 연구의 중요성

 

이 논문은 시멘트 모르타르에서 혼합수에 잔류하는 납의 최대 허용 한계와 다양한 농도의 황산마그네슘의 효과를 조사했다. Babu et al. (2007)은 Pb, Zn, Hg, Cu, Ni, Fe, Cr이 600 mg/L까지 시멘트 모르타르에 잔류해도 호의적이라는 연구결과를 보고했다. Mindess과 Young (1981)은 Cu, Pb, Zn, Mn의 허용 한계가 500 mg/L이라고 보고했다. Tay와 Yip (1987)은 콘크리트 혼입 시에 하수처리수를 사용해도 콘크리트에 어떤 부작용도 일으키지 않는다는 사실을 증명했다. Ramana 등 (2006)은 생물학적으로 오염된 물이 긍정적인 효과와 부정적인 효과를 동시에 가진다는 다소 막연한 결과를 보고했다. Cebeci와 Saatcis는 생활 폐수가 콘크리트의 혼합수로 사용될 때 그 효과가 증류수와 다르지 않다는 사실을 발견했다. 그러나 Cu, Zn, Pb와 같은 중금속은 시멘트 모르타르의 강도 발현과 초기 수화의 지연을 불러왔다(Tashiro, 1980).

 

심지어 생물학적으로 처리된 하수와 하수처리수가 혼입된 경우에도 콘크리트를 사용할 수 있다고 보고되었지만, 혼입수에서 중금속의 최대 허용 한계에 대한 정보는 거의 없다. 그래서 고강도 시멘트 모르타르의 안정성, 응결 시간, 압축 강도에 대한 혼합수에서의 납의 효과를 이해하고 동일한 시멘트 모르타르에 대한 황산마그네슘의 영향을 평가하기 위해서 이번 연구를 수행하였다.

 

3. 방법

 

3-1 재료

 

시멘트-IS: 12269-1987 규정을 따르는 보통 포틀랜드 시멘트가 사용되었다.

 

모래-IS:650-1966을 따르는 Ennore sand가 사용되었다. 시멘트와 잔골재의 비율은 모르타르 혼합물에서 1:3(무게비)을 유지했다.

 

유동화제-공업용 유동화제가 사용되었다. 수많은 시도를 통해서, (시멘트의 무게에 비례해서) 0.8%가 적당하였다.

 

물-증류수가 참고 표본으로 사용되었고, 서로 다른 농도를 가진 납을 포함한 증류수가 시험 표본으로 사용되었다.

 

실리카 흄(Silica fume)-실리카 흄이 이번 조사에 사용되었다. 시멘트의 9%가 실리카 흄으로 대체되었는데, 이때 최대 압축 강도에 도달되었다.

 

황산염-황산마그네슘은 참조 및 시험 표본에 대한 황산마그네슘의 영향을 조사하기 위해서 서로 다른 농도에서 사용되었다.

 

3-2 절차

 

납은 10, 50, 100, 500, 1000, 2000, 3000, 4000, 5000 mg/L의 농도로 증류수 속에 삽입되었다. 수많은 조합을 시도한 후에, 최대 압축 강도를 가지는 참조 표본으로 한 개의 조합(시멘트 + 9% SF + 0.8% SP)을 지정했다.

시험을 위해서 9 개의 표본이 만들어졌다. 시험 표본들은 시멘트 + 9% SF + 0.8% SP + 납으로 만들어졌다. 납 농도는 10, 50, 100, 500, 1000, 2000, 3000, 4000, 5000 mg/L의 농도를 가졌고, 이것들은 증류수 속에 삽입되어서 시험 표본으로 사용되었다. 각 표본의 시멘트, Ennore sand, 혼합수의 양은 각각 200g, 6000g, (P/4) +3으로 지정되었다. 초기 및 최종 응결 시간은 비카침 시험 장치(Vicat’ apparatus)로 측정되었다. Le-Chatelier 장치는 참조 및 시험 표본의 안정성을 확인하는데 사용되었다. 참조 및 시험 표본들은 모르타르의 압축 강도를 측정하기 위해서 7.06 x 7.06 x 7.06 cm의 표준 금속 육면체 몰드를 사용해서 제조되었다. 시멘트와 모래 비율은 무게로 1:3이었다. 참조 및 시험 표본의 압축 강도는 서로 다른 기간 즉 3일, 7일, 28일, 90일, 180일, 365일에 조사되었다. 몰드 속의 표본들은 24 시간 동안 90%의 상대 습도와 27 ± 2°의 온도가 유지되었다. 탈형(demolding) 후에, 표본들은 27일 동안 증류수 속에서 양생되었다. 응결 및 안정도 시험에서, 3 개의 값의 평균은 참조 표본의 결과와 비교해서 만들어졌다. 압축 강도 시험의 경우에, 3 개의 시험 표본들이 3 개의 참조 표본들과 비교되었다.

 

황산마그네슘의 영향을 조사하기 위해서, 28일 동안의 양생 후에, 참조 모르타르 표본들이 5 개의 플라스틱 탱크 속에 침지되었다. 황산마그네슘 농도는 각각 1, 1.5, 2, 2.5, 4%이었다. 이런 농도들은 ACI 318-99 규정에 따르면 심각한 황산염 노출 조건에 해당된다.

 

황산마그네슘 용액들은 증류수에서 황산마그네슘을 분해함으로써 제조되었다. 15 개의 표본들이 12 개월까지 각 농도 속에 침지되었다. 용액의 농도는 주기적으로 기록되었고 용액은 매 4 개월마다 변화되었다. 이전 방법도 시험 표본에 적용되었다. 유사한 조성을 가진 3 개의 모르타르 표본들은 1, 3, 6, 9, 12 개월의 침지 후에 황산마그네슘 용액에서 회수되었다. 참조 및 시험 표본의 성능에 대한 황산마그네슘 농도의 영향은 압축 강도의 감소를 측정함으로써 평가되었다. 황산마그네슘 용액 속에 침지된 참조 및 시험 표본에서의 압축 강도의 감소는 증류수에서 양생된 참조 표본의 것과 비교되었다.

 

3-3 분말 X-선 산란 연구

 

분말 X-선 회절은 수화된 시멘트 풀(cement paste)에서 결정성 화합물을 조사하는데 일반적으로 사용되는 기술 중 하나이다. 참조 표본(시멘트 + 9% SF + 0.8% SP + 증류수)과 시험 표본(시멘트 + 9% SF + 0.8% SP + 납이 삽입된 증류수)이 X-선 회절 시험을 위해서 제조되었다.

 

4. 결과 및 토론

 

4.1 응결 시간

 

그림 1은 초기 및 최종 응결 시간에 대한 증류수(참조)와 납 포함된 증류수(시험)의 영향을 보여준다. 초기 및 최종 응결 시간은 납 농도가 증가할 때 증가했다.

5000 mg/L의 최대 농도에서, 시험 표본은 참조 표본에 비해서 초기 응결 시간에서 67분 증가했고 최종 응결 시간에서 74분 증가했다. 10, 50, 100, 500, 1000, 2000, 3000, 4000, 5000 mg/L의 농도에서, 초기 응결 시간의 증가는 각각 0, 0, 1, 7, 14, 26, 40, 54, 67분이었다. 상응하는 농도에서, 최종 응결 시간은 0, 0, 1, 8, 16, 28, 44, 59, 74분이었다.

 

그림 1. 혼합 시멘트의 응결 시간에 대한 납의 효과.

 

4.2 압축 강도

 

그림 2는 납이 포함된 증류수의 사용 때문에 시험 표본의 압축 강도 변화를 보여주고 있다. 참조 및 시험 표본에서 강도 발현은 100 mg/L까지 농도와 관계없이 동일하였다. 500 mg/L의 농도에서, 3 일 후에 참조 표본에 비해서 2.4%의 압축 강도의 감소가 관찰되었다. 3 일 후에, 참조 및 시험 표본에서 압축 강도 발현은 동일하였다. 1000 mg/L의 농도에서, 3 일 후의 압축 강도의 감소는 3.06%이었지만, 7, 28, 90, 180, 365일 후에 참조 표본에 비해서 압축 강도가 0, 0.66, 1.03, 0.61, 0.61%로 약간의 증가를 보였다.

 

2000 mg/L의 농도에서, 초기 단계(3일과 7일)의 압축 강도는 8.16%와 3.38%까지 감소했지만 28일, 90일, 180일, 365일 후의 압축 강도는 참조 표본에 비해서 각각 2.0%, 2.33%, 1.85%, 1.82%까지 증가했다. 그러나 압축 강도의 감소 비율은 3000 mg/L에서 5000 mg/L까지 증가했다. 5000 mg/L에서, 압축 강도는 3일, 7일, 28일, 90일, 180일, 365일에 각각 32.65%, 28.81%, 22.00%, 23.37%, 25.92%, 29.97%까지 감소했다. 결국, 2000 mg/L 농도에서 압축 강도의 최대 증가가 관찰되었다.

 

그림 2. 납의 농도에 따른 압축 강도의 변화.

 

4.3 안정성

 

Le-Chatelier 시험 결과에서 시멘트의 팽창은 10 mm 이상이 되지 않았다. 안정성에 대한 증류수(참조 표본)와 납이 포함된 증류수(시험 표본)의 영향은 그림 3에서 보여주고 있다. 팽창은 0, 10, 50, 100, 500, 1000, 2000, 3000, 4000, 5000 mg/L 농도에서 각각 0.7, 0.7, 0.7, 0.8, 0.9, 1.2, 1.6, 1.9, 2.2, 2.6 mm이었다. 모든 측정값이 10 mm 이하이었기 때문에, 모든 샘플은 안정한 것으로 고려된다.

 

그림 3. 혼합 시멘트의 안정성에 대한 납의 영향.

 

4.4 황산염의 영향

 

그림 4에서 그림 8은 12 개월 동안 1, 1.5, 2.0, 2.5, 4% 황산마그네슘에 침지된 참조 및 시험 표본을 보여주고 있다. 노출 기간과 농도의 증가에 따라 압축 강도는 증류수에 침지된 참조 표본과 비교할 때 시험 표본에서 감소되었다. 압축 강도는 황산마그네슘 용액의 농도에 따라서 참조 및 시험 표본에서 유사한 감소를 보였다. 압축 강도의 감소는 참조 표본에 비해서 시험 표본에서 근소하게 더 적었다. 그러나 12 개월에서, 압축 강도의 감소는 황산마그네슘 용액의 농도 1, 1.5, 2.0, 2.5, 4%에 따라서 각각 참조 표본에서 2.4, 3.4, 4.7, 6.85, 10.5%이었고 시험 표본에서 2.35, 3.3, 4.59, 6.8, 10.2%이었다.

 

그림 4. 1% 황산마그네슘 용액에서 침지 기간에 따른 압축 강도의 감소.

 

그림 5. 1.5% 황산마그네슘 용액에서 침지 기간에 따른 압축 강도의 감소.

 

그림 6. 2.0% 황산마그네슘 용액에서 침지 기간에 따른 압축 강도의 감소.

 

그림 7. 2.5% 황산마그네슘 용액에서 침지 기간에 따른 압축 강도의 감소.

 

그림 8. 4% 황산마그네슘 용액에서 침지 기간에 따른 압축 강도의 감소.

 

4.5 증류수 및 납이 포함된 증류수로 만들어진 혼합 시멘트 풀

그림 9는 참조 및 시험 표본의 분말 X-선 회절 패턴을 보여준다. 두 개의 참조 및 시험 샘플(2000 mg/L)은 28일 동안 양생되었다. 시험 샘플을 XRD로 검사한 결과, 32.6, 32.6, 29, 20.6, 42.5, 31.5°에서 각각 C3S, C2S, C-S-H, Ca(OH)2, Pb(OH)2, Pb-S-H의 수화물이 발견되었다.

 

5. 결론

 

이 연구결과를 기반으로서, 다음과 같은 결론을 도출할 수 있었다: 납이 포함된 증류수는 응결 시간에 영향을 끼쳤다. 3000 mg/L과 그 이상의 농도에서, 응결 시간은 상당히 증가했다. 증류수에 고농도의 납(≥ 3000 mg/L)이 존재할 경우에 압축 강도를 상당히 감소되었다. 2000 mg/L의 농도에서, 3일과 7일의 경우에 압축 강도 발현은 느리지만 28일 이후의 경우에, 압축 강도 발현은 참조 표본의 것보다 약간 더 높았다. 시멘트 기질 속에 2000 mg/L까지의 납이 존재할 경우에 모르타르의 기능에 긍정적인 영향을 끼쳤다. 참조 및 시험 표본에서의 압축 강도 손실은 그들이 황산마그네슘 용액 속에 침지되었을 때와 거의 동일하였다. 강도 손실은 C-S-H의 탈회와 수산화칼슘의 해리 때문이었다.

 

그림 9. 28일 경과 후에 참조 및 시험 샘플의 XRD 패턴 간의 비교.