마그네시아 인산염 복합체 모르타르의 광학적 특성에 관한 연구 = A Study on the Optical Properties of Magnesia Phosphate Composite Mortar

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Recently, as air pollution problems such as fine particulate matter have intensified, there is an urgent need to establish countermeasures to reduce nitrogen oxides (NOₓ) emitted from vehicles, which are a major source of ultrafine particles generated along roadways. Accordingly, the necessity for effective particulate matter mitigation strategies in large open infrastructures such as roads and tunnels has been increasing. Although photocatalytic technologies have been actively introduced into social infrastructure, conventional ordinary Portland cement has inherent limitations due to its dark gray color, which absorbs light and consequently reduces photocatalytic efficiency.
As an alternative to overcome these limitations, magnesium phosphate composites have attracted considerable attention owing to their high whiteness, superior optical performance, and rapid-setting characteristics. Therefore, this study selected a magnesium phosphate composite with excellent whiteness, rapid-setting behavior, and high strength as a binder, aiming to derive the optimal mortar mix design that maximizes photocatalytic efficiency and to evaluate its engineering and optical performances.
First, to evaluate the intrinsic properties of the binder while excluding the influence of fine aggregates, standard sand was used as the fine aggregate, and the magnesium-to-phosphate ratio (M/P) and water-to-binder ratio (W/B) were set as experimental variables. Both engineering and optical properties were examined. The results showed that as the M/P ratio increased, the setting time was significantly shortened due to the increased specific surface area of magnesia participating in the reaction. In contrast, lower M/P ratios exhibited higher compressive strength and superior transmittance in the visible light region. Based on these results, the W30–P2.5 mix was determined as the optimal binder composition.
Subsequently, natural fine aggregate and dolomitic silica sand were applied to the optimized binder to comparatively analyze the effects of aggregate type and aggregate content on mortar performance. The mortar containing natural fine aggregate exhibited satisfactory flowability; however, due to the inherently dark color of the aggregate, the reflectance was limited to a maximum of approximately 56%. Conversely, the mortar incorporating dolomitic silica sand showed slightly reduced flowability owing to its angular particle shape, but achieved significantly higher reflectance exceeding 68% in the visible light region. This improvement was attributed to the high whiteness of the aggregate, which suppressed light absorption and induced diffuse reflection. In particular, the S90 W40 mix using dolomitic silica sand achieved a 28-day compressive strength of 42.64 MPa, ensuring structural stability while exhibiting excellent optical performance.
Furthermore, experiments incorporating photo-responsive pigments into the optimal S90–W40 mix revealed that physical behaviors varied depending on pigment color and type. Setting time and flowability showed distinct trends according to pigment color: Pink-series pigments reduced setting time and flowability, whereas Blue and Purple-series pigments increased setting time and secured higher flowability.
In terms of strength development, single pigments contributed to strength enhancement by acting as fillers that filled internal pores of the matrix, while mixtures of different pigments led to strength reduction due to weakened bonding. Regarding optical performance, the incorporation of pigments generally enhanced reflectance in the visible light region.
Overall, the magnesium phosphate composite mortar incorporating dolomitic silica sand demonstrated significantly superior reflectance performance and adequate engineering properties compared to conventional cement-based mortars. These results indicate that the proposed material can effectively enhance light utilization efficiency and maximize photocatalytic reactions when applied to social infrastructure such as urban roads and tunnels, where particulate matter mitigation is critically required

국문 초록 (Abstract)

최근 미세먼지와 같은 대기오염 문제가 심화됨에 따라, 도로변에 발생한 초미세먼지의 주요원인인 자동차에서 배출되는 질소산화물을 저감하기 위한 대책 마련이 시급한 실정이다. 이에 따라도로나 터널 등 대규모 개방공간의 미세먼지 저감대책의 필요성이 높아지고 있다. 사회기반시설물에 광촉매 기술을 도입하려는 시도가 이어지고 있으나, 기존에 주로 사용되는 보통 포틀랜드 시멘트는 자체의 짙은 회색 색상으로 인해 빛을 흡수하여 광촉매 효율을 저하시키는 한계가 있다. 이러한 문제점을 보완하기 위한 대안으로, 백색도가 우수하여 광학적 성능이 뛰어나고 속경성 및 고강도 특성을 지닌 마그네시아 인산염 복합체가 주목받고 있다. 따라서 본 연구에서는 이를 바인더로선정하여 광촉매 효율을 극대화할 수 있는 모르타르의 최적 배합 조건을 도출하고, 그 공학적·광학적 성능을 평가하였다.
먼저 마그네시아 인산염 복합체 바인더 자체의 특성을 평가하기 위해 표준사를 잔골재로 적용하고, 마그네시아-인산염 비(M/P)와 물-결합재 비(W/B)를 변수로 하여 공학적 및 광학적 특성을분석하였다. 실험 결과, M/P 비가 증가할수록 응결시간이 급격히 단축되는 경향을 보였다. 반면, 강도 및 광학적 측면에서는 M/P 비가 낮을수록 높은 압축강도와 가시광선 영역에서 우수한 투과율을 발현하는 것으로 확인되었다. 이에 따라 M/P 2.5 배합을 최적의 바인더 조건으로 도출하였다. 이어 도출된 최적 바인더에 천연 잔골재와 백운석 규사를 각각 적용하여 골재 특성과 골재량이모르타르의 성능에 미치는 영향을 비교 분석하였다. 천연 잔골재를 사용한 경우 양호한 유동성을확보하였으나, 골재 고유의 짙은 색상으로 인해 반사율이 최대 56% 수준에 머물렀다. 반면, 백운석 규사를 적용한 모르타르는 입형의 각진 특성으로 인해 유동성은 다소 저하되었으나, 골재 자체의 높은 백색도가 빛의 흡수를 억제하고 난반사를 유도하여 가시광선 영역에서 최대 68% 이상의높은 반사율을 나타냈다. 특히 백운석 규사를 적용한 S90-W40 배합은 재령 28일 압축강도 42.64MPa를 기록하여 구조적 안정성을 확보함과 동시에 우수한 광학적 성능을 발현하였다.
이후 최적 배합인 S90-W40에 광감응성 안료를 혼입한 실험에서는 안료의 색상과 종류에 따라물리적 거동이 상이하게 나타났다. 응결 및 유동성 특성은 색상 계열에 따라 뚜렷한 대조를 보였는데, Pink 계열은 응결 시간이 단축되고 유동성이 저하되는 특성을 보인 반면, Blue 및 Purple 계열은 응결 시간이 지연되고 높은 유동성을 확보하는 경향을 나타냈다. 강도 측면에서는 단일 안료가매트릭스 내부의 공극을 채우는 필러(Filler) 역할을 하여 강도 증진에 기여하였으나, 이종 안료를혼합할 경우 결합력 약화로 인해 강도가 감소하는 것으로 분석되었다. 광학적 성능은 안료 혼입시 가시광선 영역의 반사율이 전반적으로 향상되었다.
종합적으로 백운석 규사를 기반으로 한 마그네시아 인산염 복합체는 기존 시멘트 모르타르 대비월등한 반사 성능과 적정 수준의 공학적 특성을 발현하였다. 이는 도심지 도로 및 터널 등 미세먼지 저감이 필요한 사회기반시설물에 적용 시 광원 활용 효율을 높여 광촉매 반응을 극대화할수있는 효과적인 건설 재료가 될 것으로 판단된다.

목차 (Table of Contents)

• 목 차ⅰ
• 표 목 차ⅲ
• 그 림 목 차ⅳ
• 제 1 장 서 론 01
• 1.1. 연구 배경 및 필요성 01
• 1.1.1 연구 배경 01
• 1.1.2 연구 필요성 03
• 1.2. 연구 내용 및 방법 04
• 제 2 장 기존 문헌 고찰 06
• 2.1 국외 연구 동향 06
• 2.2 국내 연구 동향 08
• 제 3 장 실험계획 및 방법 11
• 3.1 실험계획 11
• 3.2 사용재료 13
• 3.2.1 산화 마그네슘 13
• 3.2.2 제1 인산칼륨 14
• 3.2.3 잔골재 15
• 3.2.4 광감응성 안료16
• 3.3 배합 계획17
• 3.4 실험방법 18
• 3.4.1 유동성 19
• 3.4.2 응결시간 19
• 3.4.3 압축강도 20
• 3.4.4 부착강도 21
• 3.4.5 광투과율22
• 3.4.6 반사율 22
• 제 4 장 실험 결과 및 분석23
• 4.1 바인더 특성별 실험 결과 23
• 4.1.1 유동성 23
• 4.1.2 응결시간24
• 4.1.3 압축강도25
• 4.1.4 장기 광 투과율27
• 4.1.5 소결 28
• 4.2 잔골재 특성별 실험 결과 29
• 4.2.1 유동성 29
• 4.2.2 응결시간31
• 4.2.3 압축강도34
• 4.2.4 부착강도37
• 4.2.5 반사율 39
• 4.2.6 소결 41
• 4.3 광감응성 안료 특성별 실험 결과 42
• 4.3.1 유동성 42
• 4.3.2 응결시간43
• 4.3.3 압축강도45
• 4.3.4 반사율 47
• 4.3.5 소결 47
• 제 5 장 결 론 49
• □ 참고문헌51
• □ Abstract55