1. 서 론
플라스틱은 중량 대비 강도가 높으며 가공성이 좋고, 저렴하며 썩거나 녹이 슬지 않는 등 내구성이 우수하여 산업 전반 및 우리의 일상생활에서 없어서는 안될 재료이다. 인구 및 소득의 증가로 인해 플라스틱 생산량은 인류 역사상 전례 없는 성장을 거듭하였으며, 전 세계 플라스틱 생산량은 2000년 2억 3,400만 톤에서 2019년 4억 4,600만 톤으로 20년도 채 되지 않아 두 배로 급증하였다.1) 특히 최근 전 세계적인 COVID-19 발병으로 인해 일회용 플라스틱 제품에 대한 수요가 크게 증가하였고, 이는 고스란히 폐기물의 발생으로 이어졌다.2,3,4) 하지만 이런 막대한 폐기물 발생량에 비해 재활용률이 낮은 대표적인 재료 중 하나이다. 플라스틱 폐기물은 발생량의 10 % 미만만이 재활용되는 것으로 나타났으며, 나머지는 폐기 및 소각되었다.5,6) 일반적으로 플라스틱은 생분해성이 없기 때문에 폐기물이 토양, 바다 및 강에 축적되어 반영구적인 환경 오염을 발생시킨다.7) 이러한 플라스틱 폐기물은 자외선에 노출되거나 물리적인 마찰이 발생할 경우 미세 플라스틱이 되어 해양 생태계에 큰 악영향을 미친다.8,9)
다양한 플라스틱들 중 폴리에틸렌 테레프탈레이트(polyethylene terephthalate, PET)는 투명하고 위생적이며, 높은 물리적 강도 및 내마모성을 가져 일상생활에서 떼 놓을 수 없는 재료인 만큼 그 폐기물 발생량도 막대하다. 1960년부터 2012년까지 미국 도시에서 발생한 플라스틱 폐기물 중 PET의 비율이 14 % 이상을 차지했다.5) 또한 바다에서 발견되는 가장 많은 양을 차지하는 플라스틱 폐기물 중 하나로 PET가 지목되었다.10) 여러 플라스틱들에 비해 PET의 재활용률은 비교적 높은 편에 속하지만 고작 20 % 미만에 불과하여 추가적인 재활용 방안이 필요한 상황이다.11) 더불어 PET는 기계적 공정으로 재활용될 경우 그 품질이 점차 떨어지며, 소각을 통해 에너지를 회수할 경우 이산화탄소 및 유독 물질을 방출하게 된다.12)
이에 대해 PET 폐기물을 콘크리트 첨가재로 사용하는 방법들이 연구되었다.13,14,15,16,17,18,19,20,21,22) 이 방법은 한번에 대량의 PET 폐기물을 처리할 수 있으며, 콘크리트의 긴 수명동안 내부에 고정되어 친환경적이고, 추가적인 비용이 발생하지 않는다는 장점이 있다. 하지만 콘크리트에 PET 폐기물을 혼합하면 기계적 강도가 떨어지는데, 이는 PET가 소수성 표면을 가져 수경성 시멘트와의 부착력이 낮은 것이 원인으로 지목되고 있다.23,24) 이 때 PET에 감마선을 조사할 경우 폴리머 사슬 절단 및 가교 현상이 일어나고, 표면이 개질되어 친수성이 증대된다.25,26,27,28) 이는 PET혼입 콘크리트 제작 시 기계적 강도에 긍정적인 영향을 미칠 수 있다. 이에 본 연구에서는 감마선을 조사한 다양한 형태의 재활용 PET를 콘크리트에 첨가하여 물리적 강도의 변화를 확인하였으며, 시멘트 경화체와의 부착 성능을 분석하였다.
2. 실험 방법
펠릿형, 분말형 섬유형 및 분석을 위한 평판형 재활용 PET를 대한민국 및 중국에서 구입하였으며, 육안상의 형태를 Fig. 1및 Table 1에, 각 PET의 화학적 구성 성분을 Table 2에 나타냈다. 이후 해당 PET를 감마선 조사설비를 갖춘 업체에 의뢰하여 감마선을 조사하였다. Co-60 핵종을 사용하여 10 kGy/h 환경에서 진행되었으며, 흡수선량은 50 kGy로 조정하였다.
Table 1.
Detailed information on PET types.
| Item | Shape | Diameter | Length | Color |
| Pellet | Cylindrical | 3 mm | 4~4.5 mm | Light yellow |
| Powder | Powder (spherical) | 25~40 µm | - | White |
| Fiber | Fiber | 20~25 µm | 12 mm | White |
Table 2.
Chemical composition of PET types.
| Type | C (wt%) | O (wt%) |
| Pellet | 66.63 | 33.37 |
| Powder | 67.91 | 32.09 |
| Fiber | 65.45 | 34.55 |
고강도용 콘크리트 시편 제작을 위해 시멘트 수화 과정에 포함되어 미세 공극 충진에 관여하는 반응성 분체인 실리카흄과 KS L 5201에 명시된 보통 포틀랜드 시멘트를 사용한 반응성 분체 콘크리트(reactive powder concrete, RPC)를 제작하였으며, 각 재료에 대한 화학적 조성 및 물리적 특성을 Table 3에 정리하였다. 골재는 폭렬 시험에 적합한 고강도 RPC 제작을 위해 밀도 2.65 g/cm3, SiO2함량이 82 % 이상인 국내산 규사 S1 (입도 0.3~0.5 mm) 및 평균 입경이 약 45 um인 석영미분을 사용하였다. 또한 직경 0.5 mm, 길이 60 mm, 비중 7.8, 인장강도 1,195 MPa의 고탄성 강섬유 및 ASTM C494 규격을 준수하는 콘크리트용 폴리카르본산계 고성능 유동화제를 사용하였다.
Table 3.
Chemical composition of binder.
| Oxide (%) | Cement | Silica fume |
| SiO2 | 20.57 | 91.92 |
| Al2O3 | 5.48 | 0.20 |
| Fe2O3 | 3.18 | 0.10 |
| CaO | 63.03 | 0.32 |
| MgO | 3.41 | 0.3 |
| Na2O + K2O | 0.52 | 0.58 |
| SO3 | 2.23 | 0.18 |
공시체는 감마선을 조사하지 않은 펠릿, 분말 및 섬유형 PET를 5 % 첨가한 3종류, 감마선 조사 PET를 첨가하여 제작한 3종류 및 PET를 첨가하지 않은 대조군 1종류까지 총 7종류의 공시체를 제작하였다. 반응성분체 및 강섬유를 포함한 고강도 콘크리트를 제작하였으며, 그 배합비를 Table 4에 나타냈다. 공시체는 압축강도 측정을 위한 50 × 50 × 50 mm의 정육면체 형태, 인장강도 측정을 위한 40 × 40 × 160 mm의 직육면체 형태로 성형하여 제작하였다.
3. 결과 및 고찰
퓨리에 변환 적외선 분광기(fourier transform infrared spectroscopy, FT-IR) 분석을 통해 얻은 2,000-500 cm-1 영역의 전체 스펙트럼을 감마선 조사 유무에 따라 정리하여 Fig. 2에 나타내었다. 감마선 조사에 의한 PET의 화학적 구조 변형은 전반적인 FT-IR 피크의 강도를 증가시켰다. 페닐 고리의 C=C 결합에 해당하는 1,246 cm-1, 에틸렌의 =CH2에 해당하는 1,328 cm-1 및 카르보닐기의 C=O 결합에 해당하는 1,716 cm-1 피크 강도 또한 감마선을 조사한 PET에서 컸으며, 이는 고분자 절단 및 가교 과정에 의한 것으로 나타났다.25,26,27) 또한 감마선 조사로 인해 산소를 포함한 작용기가 증가하게 되면 재료의 표면 친수성이 증대된다.28)
감마선 조사로 인한 PET 표면 친수성의 변화를 확인하기 위해 평판형 PET에 대해 추가적으로 물 접촉각 측정을 진행하였으며, 그 결과를 Fig. 3에 나타내었다. 물 접촉각은 감마선을 조사하지 않은 PET에서 83.50°, 감마선 조사 PET에서 78.83°으로, 앞선 FT-IR 분석에서 예상할 수 있었던 표면 친수성 증가와 일치하는 결과를 나타냈다.
감마선 조사 전후 PET의 표면 상태를 확인하기 위해 주사전자현미경(scanning electron microscope, SEM) 분석을 진행하였으며, 그 결과를 Fig. 4에 나타냈다. 감마선 조사 시 PET의 표면이 일부 열화되어 거칠기가 증가하였다. 이는 폴리머 사슬의 절단 과정에서 발생하며, 감마선 조사에 의해 폴리머에서 가스의 방출이 일어나 돌출부의 박리가 발생한 것으로 해석되고 있다. 이러한 표면 열화는 PET 표면의 거칠기를 증가시키며, 표면적 증가로 인해 시멘트 경화체와의 더 높은 부착을 야기할 수 있다.29,30)
콘크리트의 재령일, PET 형상 및 감마선 조사 유무에 따른 강도 변화를 Figs. 5, 6, 7, 8에 그래프로 나타냈으며, 붉은색 점선은 PET를 첨가하지 않은 대조군의 강도 값을 의미한다. 압축강도는 콘크리트에 첨가된 PET가 분말형일 때 가장 높았으며, 펠릿형과 섬유형 PET가 첨가된 콘크리트는 그보다 낮았다. 대조군과 비교한 압축강도 저감률은 분말형이 8.50 %, 펠릿형이 9.96 % 및 섬유형이 10.60 %를 나타냈다. PET는 일반적으로 소수성을 가지므로 수경성 시멘트를 사용한 시멘트 경화체와 부착력이 낮으며, 이로 인해 시멘트 경화체와 골재 사이에 발생하는 공극인 천이대가 발생한다.13,24) 분말형 PET는 단일 개체의 크기가 작아 천이대 또한 다른 형태의 PET에 비해 작게 형성될 것이며, 이것이 비교적 높은 압축강도 형성에 영향을 준 것으로 판단된다.31)
또한 PET의 감마선 조사선량이 높을수록 압축강도가 회복되는 경향을 보였다. 감마선 미조사 PET를 첨가한 콘크리트와 압축강도를 비교하였을 때, 분말형은 6.58 %, 펠릿형은 6.59 % 및 섬유형은 7.70 % 만큼 증가하였다. PET에 방사선을 조사할 경우 고분자 사슬 절단 및 가교 과정에 의해 친수성 작용기가 증가하여 표면 개질이 발생하기 때문이다.25,32) 또한 해당 과정에서 발생한 PET의 표면 거칠기 증가가 시멘트 경화체와의 더 높은 부착을 야기할 수 있다.29)
휨 강도는 압축강도와 다르게 콘크리트에 첨가된 PET가 섬유형일 때 가장 높았으며, 분말형과 펠릿형 PET가 첨가된 콘크리트는 그보다 낮았다. 대조군과 비교한 휨 강도 저감률은 분말형이 10.08 %, 펠릿형이 16.62 % 및 섬유형이 -3.64 %를 나타냈다. 섬유형의 경우 오히려 대조군에 비해 휨 강도가 높았으며, 이는 종횡비가 매우 큰 섬유형 PET가 콘크리트의 인장력을 보강해 줄 수 있는 형태이기 때문이다.
PET 감마선 조사 유무에 따른 휨 강도는 분말형이 -0.71 %, 펠릿형이 0.62 % 및 섬유형이 9.76 % 만큼 증가하였다. 압축강도에서의 경향과 다르게 콘크리트의 인장력을 보강해 줄 수 있었던 섬유형 PET에 대해서만 유의미한 휨 강도 증가가 나타났다.
4. 결 론
본 연구에서는 감마선을 조사한 PET가 콘크리트의 강도 및 내부 기공량에 주는 영향을 확인하였다. 3가지 형태의 재활용 PET에 50 kGy의 감마선을 조사하였으며, 화학적 변화를 FT-IR및 접촉각 측정을 통해, 표면 거칠기의 변화를 SEM을 통해 분석하였다. 이후 감마선이 조사된 PET를 콘크리트에 5 % 첨가하여 공시체를 제작하였고 강도 측정을 진행하였다.
PET에 대한 감마선 조사는 FT-IR 스펙트럼의 전체적인 피크 강도를 증가시켰으며, 카르보닐기의 C=O 결합에 해당하는 피크 강도의 증가를 통해 PET의 표면 친수성이 증대되었음을 확인하였다. SEM 분석 결과 폴리머 사슬 절단에 의한 표면 열화로 거칠기가 증가하는 것을 확인하였으며, 이는 시멘트 경화체와의 부착성 증가로 이어질 수 있다. 감마선 미조사 PET를 첨가한 콘크리트에 비해 감마선 조사 PET를 첨가한 콘크리트의 압축강도가 높았으며, 이는 조사한 감마선의 선량에 따라 더욱 커졌다. 섬유형 PET의 인장강도 또한 동일한 경향을 보였다. 이는 감마선 조사 PET의 표면이 친수성으로 개질되어 시멘트 경화체와의 부착성이 증대되었기 때문이라고 판단된다. 분말형 및 펠릿형 PET가 첨가된 콘크리트의 휨 강도는 PET감마선 조사선량에 대한 경향성을 나타내지 않았다. 이는 PET의 형태가 휨 강도를 보강할 수 있는 종횡비를 갖추지 못했기 때문이다.
실험 결과, 콘크리트 타설 시 PET를 적용함에 있어 감마선 조사가 콘크리트의 기계적 강도에 긍정적인 영향을 미칠 수 있음을 확인하였다. PET는 여전히 콘크리트 혼화재로서의 사용이 거의 없는 실정이지만, 대량의 재활용 PET를 소모시킬 좋은 방안이 될 수 있으며, 본 연구는 이에 기여할 자료로 활용될 수 있다. 해당 연구를 바탕으로 감마선이 조사된 PET가 콘크리트 내에서 강도 외에도 어떠한 영향을 미치는지 추가적인 연구가 필요하다고 판단하였다.
