2.1 백시멘트와 OPC의 주요 차이점

콘크리트의 색상발현과 물성에 대한 다양한 영향 평가를 위해서 콘크리트의 배합 조건과 잔골재의 종류별 물성평가를 진행하였으며, 콘크리트의 색상 발현을 위한 안료 첨가 조건별 실험을 진행하였다. 본 연구에서 사용되는 백시멘트는 C₄AF 광물은 1% 이하로 억제하고 그 대신 C₃S 광물 생성을 기존의 60%에서 70%로 증가시키고 분말도 또한 높여서 시멘트의 초기강도와 후기강도를 모두 높게 나오도록 제조하였다. OPC와 비교하면 백시멘트의 클링커 광물조성은 Table 1∼3와 같이 물리적인 특성과 더불어 색차에 영향을 미치는 부분으로 C₃S함량을 높게 관리하는 측면도 있다.[3,4] 백시멘트의 경우 클링커의 화학조성중 CaO 성분이 매우 높고 Fe₂O₃ 성분이 매우 낮아서 소성온도가 높지만, 고분말도, 고강도 제품이 사용되어, OPC 대비 응결시간이 상대적으로 빠르며 높은 초기강도(1∼3일)를 나타낸다. 조강 및 고강도 특성을 갖는 백시멘트의 경우에는 1일 압축강도가 20 MPa, 28일 압축강도가 70 MPa의 압축강도가 발현된다. 국제표준에 따른 시멘트의 색차를 나타내는 두개의 국제표준(Fig. 1)이 색과 백색도 측정에 사용되는데, CIE (The Commition internationale de I’ Eclairage 와 US National Bureau of Standards system 이다. 많은 산업과 시멘트 업종에서도 CIE 색공간이 사용되고 있지만, 백시멘트의 백색도 시험방법 KS L 5113에 따른 백색도 측정방법은 Hunter 색공간을 사용하는데 문제점이 청색은 빛의 일부를 흡수하여 Hunter L값을 감소시키는 문제점이 있다.

Table 1.

시멘트 클링커 광물조성과 색차 분석 결과 [4,5]

Table 2.

시멘트 종류별 화학분석 및 물리적 특성 [4]

Table 3.

시멘트별 물리적 특성 (KS L ISO 679) [4]

Fig. 1.

대표적인 색공간 (Hunter L,a,b (왼쪽), CIE L*a*b* (가운데), CIE Chromaticity Diagram (오른쪽))

Table 4.

콘크리트 배합표 [4]

Table 5.

슬래그 색차 분석결과 [4]

Table 6.

골재 종류 및 슬래그 첨가에 따른 콘크리트의 물리적 특성 [4]

헌터 백색도 식은 다음과 같다.

백시멘트 클링커 소성은 OPC 클링커 소성보다 매우 어렵다. 소성시 백시멘트 원료 혼합분에 광화제(형석 등)를 첨가하여 칼슘실리케이트 광물(C₃S, C₂S)의 생성을 촉진시킨다. 그런데, 백색도 89이상(국제 경쟁력 91이상)의 백시멘트를 제조하기 위해서는 사용되는 연료의 재(ash)도 문제가 되어 제어하고 있으며, 중금속 및 유해성분은 백시멘트의 상품성에 문제를 발생시켜 대체 연료(폐합성수지)를 적용하기가 어려운 상황이다.

2.2 콘크리트의 색도 및 물리적특성에 미치는 사용재료의 영향

콘크리트의 색 발현 효과가 요구되는 현장타설 노출콘크리트와 도로의 강성방호울타리인 중앙분리대의 각각의 콘크리트 배합에 따른 특성을 비교하였다. 이와 함께 기존의 초고성능콘크리트(UHPC, Ultra High Performance Concrete)와는 다르게 실용적인(강섬유와 실리카퓸이 첨가되지 않아 사용자의 편리성 증진시킨 건축용 UHPC) 조강형 백색 초고성능 콘크리트에 대한 연구를 진행하였다.

2.2.1 물리적 특성 평가

백시멘트와 잔골재 종류별로 콘크리트 제조시, L값이 높고 b(Yellow Index) 값이 매우 낮은 돌로마이트질 석회암 잔골재를 적용하면 다른 잔골재보다 매우 높은 백색도가 나타난다(Fig. 2).

Fig. 2.

콘크리트 종류별 경화체 사진 (잔골재 종류) [4] (Table 4의 노출콘크리트 배합, 빨간색 숫자: 백색 안료 투입량)

콘크리트의 결합재로 백색도가 높은 백시멘트에 노랑색 안료를 첨가하면 b(Yellow Index) 값을 보다 높게 형성시켜서 (성대적으로 적은 양의 안료 첨가로도) 콘크리트의 색상을 더욱 효과적으로 노랑색으로 만들 수 있다(Fig. 3).

Fig. 3.

콘크리트 종류별 경화체 사진 (시멘트 종류별, 안료 함량별) [4] (Table 4의 노출콘크리트 배합, 파란색 숫자: 노란색 안료 투입량)

골재별 색차 분석 결과 강사 잔골재 대비 돌로마이트질 석회암 잔골재를 사용하는 경우가 백색도가 높게 형성되었으며 이는 강사의 색차 분석 결과 중 b 값이 매우 높기 때문이며(Table 7), 결합재인 백시멘트에 시멘트 대체재(Supplementary Cementious Materials, SCMs)인 슬래그를 일정량 첨가시킨 경우에는 슬래그 첨가량에 따른 백색도 저하와 함께 청변 현상이 발생되어 백색도가 감소되었다(Table 8).

Table 7.

잔골재 종류에 따른 색차 비교 [4]

Table 8.

골재 종류 및 슬래그 첨가에 따른 콘크리트의 색차 비교 [4]

Table 9.

Low-Slump 콘크리트의 골재 종류 및 슬래그 첨가에 따른 물리적 특성 [4]

Table 10.

(바인더 종류 및 외부 조건별) 콘크리트 중앙분리대의 색차 및 반사율 비교 [4]

Table 11.

혼합 백시멘트(안료+백시멘트)이 안료 첨가량별 색차 분석 (실험실 제조기준)

2.3 콘크리트 응용분야에 대한 연구 (콘크리트 중앙분리대용 백색콘크리트)

Low-Slump 백색콘크리트의 경우 강성 방호울타리(콘크리트 중앙분리대) 배합 조건을 기준으로 배합 설계를 진행하였으며, 이 때 슬럼프는 5이하로 관리하였다.

2.3.2 콘크리트 중앙분리대의 백색도 및 시인성 비교

일반적으로 표면처리를 하지 않은 콘크리트는 물이 흡수되면서 우기시 다소 어두워지고, 시인성이 떨어지는 결과를 나타냄에 따라 콘크리트 표면이 노출되는 현장의 경우 외부 조건에 따른 색차 비교는 중요한 자료가 된다. 시험 결과, 건기에 비해 우기의 경우 반사율은 회색 45%, 백색 37% 정도 감소된 결과를 확인하였다.

Fig. 5의 콘크리트 중앙분리대 사진과 같이, 백색 콘크리트의 시인성 효과는 탁월하다. 우천시 주/야간 및 콘크리트에 빛의 조사되었을 때의 콘크리트별로 상대적인 시인성 평가를 진행하였다. 평가 결과, 백시멘트가 적용된 백색 콘크리트의 경우 OPC가 적용된 콘크리트 대비 시인성 및 반사율이 월등히 높은 것을 확인하였으며, 콘크리트 관련 문헌의 측정 결과와도 유사한 결과를 나타내었다.[4]

Fig. 5.

콘크리트 중앙분리대의 외부 조건별 시인성 비교 [4]

Fig. 4.

경화체 사진(Table 4 노출콘크리트 배합) [4]

2.4. 콘크리트 응용분야에 대한 연구 (백색 노출콘크리트 현장 시공)

현장 타설 백색 노출콘크리트의 균질한 색상 발현을 위해서 백시멘트 제조공장에서 백시멘트와 백색안료를 혼합시킨 후에 레미콘 업체로 백시멘트를 공급하였다. 백시멘트는 백색도가 91.9, Blaine(cm²/g) 분말도는 4,250 인 제품을 적용하였으며, 잔골재는 5 mm 크기로 조립률 2.8, 굵은골재는 20 mm 크기로 조립률은 6.7인 골재를 사용하여 콘크리트를 생산하여 현장에 적용하였다.

2.4.1 백시멘트 적용 백색 안료 혼합 비율에 따른 특성 비교

안료가 혼합된 혼합 백시멘트 콘크리트 시헙 결과와 그에 따른 물리적 특성 및 색차 비교 분석을 실시하였다.

혼합백시멘트를 레미콘 업체에 공급하기전에 Table 12와 같이 다시한번 안료의 혼합상태를 확인한 결과 원하는 색차의 혼합백시멘트를 실제 공장에서 제조가 가능한 것을 확인하였다.

Table 12.

혼합 백시멘트(안료+백시멘트)이 안료 첨가량별 색차 분석 (실험실과 공장제조품 비교결과)

Table 13.

콘크리트 시방 배합표

Table 14.

현장타설 콘크리트의 품질 주요 영향요인 및 관리사항

Table 15.

현장타설용 콘크리트 시험 결과

Table 16.

백색 초고성능 콘크리트 시험방법 및 주요 물성

Table 17.

염소이온 침투 깊이 및 확산계수

2.4.2 현장 타설

안료가 혼합된 혼합 백시멘트 콘크리트를 현장 조건별 시공 부위별로 타설을 진행하였으며, 슬럼프 조절 배합시험도 진행한 후 현장 시공이 진행되었다.

Fig. 6.

레미콘 업체 현장실험실 (현장타설용 콘크리트 시험)

Fig. 7.

백색 노출콘크리트 현장타설

Fig. 8.

백색 노출콘크리트 시공 후 전경

Fig. 9.

백색 초고성능 콘크리트 적용 가능분야

2.5. 콘크리트 응용분야에 대한 연구(초고성능콘크리트(Ultra High Performance Concrete, UHPC))

본 연구에서는 시멘트 종류에 따른 색차를 연구한 일환으로 백시멘트와 OPC틀 활용하여 백색과 회색의 초고성능콘크리트를 개발하였다. UHPC에 대한 연구는 프랑스 라파즈(강섬유 혼입제품)에서 상업화되어, 철근을 대체하는 구조용 재료로 진행되고 있지만, 가격이 고가이면서 강섬유와 실리카퓸이 다량 함유되어 일반 사용자가 제품을 사용하기가 매우 어려워서 건축 마감재로는 범용성이 크게 떨어져서, 본 연구에서는 기존 UHPC 와는 다르게 실용적인 제품(강섬유와 실리카퓸이 첨가되지 않는)으로 연구를 진행하며, 또한 이미 개발되어 건축용 패널 자재로 상용되는 전문가용 UHPC (4시간후 탈형이 가능한 속경형 제품)와 보다 범용적인 조강형 백색 초고성능 콘크리트에 대한 연구를 진행하였다.

일반적으로 수분이 필요이상 첨가되면 블리딩 및 레이턴스(수분 및 미분이 경화체 표면으로 용출되는 현상)가 발생할 가능성이 높은데, 이런 원인으로 균열 및 심미성이 나빠질 가능성이 있어 그에 따른 제품의 재료분리 가능성을 확인하기 위해 수분 첨가량별(W/M) 경화체의 파단면을 통해 확인한 결과 Fig. 10에서와 같이 12%±1%에서는 매우 양호한 상태임을 확인하였다.

Fig. 10.

백색 초고성능 콘크리트의 블리딩 및 레이턴스 평가 (경화체 파단면 시편)

Fig. 11.

고강도 콘크리트 및 백색 초고성능 콘크리트의 염소이온 침투 깊이

초고성능 콘크리트는 건축 또는 토목 구조물로서 많이 활용되어 내구성이 매우 중요하며 본 연구에서는 내구성 성능지표로 염소이온 침투저항성을 측정하였다.

염소침투저항성 시험은 경화체의 내구성을 평가하는 시험 중 하나로 본 시험은 NT BUILD 492 기준에 의거하여 고강도 콘크리트와 백색 초고성능 콘크리트의 염소이온 침투 깊이 및 확산계수를 비교하여 내구성능을 비교한 결과, 고강도 콘크리트 대비 염화물 침투 깊이는 14.2 mm인 반면에 백색 초고성능 콘크리트의 염화물 침투깊이는 0.21 mm로 매우 낮게 침투되었으며, 확산 계수는 비교가 어려울 정도로 매우 우수한 결과를 나타내었다.

그림 12에서와 같이 안료의 종류별로 첨가량을 2% 투입하여 안료 색상에 따른 특성을 파악하고, OPC(회색)와의 색상 표현성능을 비교한 결과 백색 초고성능 콘크리트의 경우 백색의 색상이 밝고, 깨끗한 느낌을 나타냄에 따라 색상 표현이 자유로운 결과를 나타내었다.

Fig. 12.

UHPC 의 안료 색상 발현 사진

Fig. 13.

초고성능 콘크리트의 경화체 표면 색차 (색차: L 88, a −0.7, b 1.9)

Fig. 14.

백색 초고성능 콘크리트의 정형 및 비정형 구조물 제작 사진

L값이 높고, b값이 1.9로 낮으며, a값은 0에 가까운 결과를 나타냄에 따라 백색 발현 및 표면 특성이 우수함을 확인하였다.

본 연구에서 제조한 백색 초고성능 콘크리트를 정형과 비정형 구조물로 제조한 결과 다양한 형태로 콘크리트 구조물을 제조할 수 있었다.