각설하고, 이번 호에서는 필자가 과거 재임 중 실무를 하면서 틈틈이 메모해둔 백화 부분의 축적된 자료들을 토대로, 백화 분석 결과의 해석, 백화 메커니즘 과정을 그림을 통하여 알아보고, 마지막 부분에서는 백화 발생 영향 인자, 품질에 미치는 영향, 백화의 제거와 방지 방법에 대하여 알아보고자 한다. 백화(白華)는 영어로는 efflorescence라고 하고, 백화는 계절을 가리지 않고 발생하며, 주로, 봄 가을철에 많이 발생하는 것으로 알려져 있다. 또한, 시멘트를 주성분으로 하는 콘크리트 블록은 백화가 피는 조건(온·습도, 풍속의 영향이 큼)이 되면 언제든지 백화가 나올 수 있다. 여기서 설명하고자 하는 백화 석출물의 대상은 콘크리트 블록이고, 2008년 12월경에 경기도 지역 야적장에서 발생한 것이다. 통상 기업은 현장에서 방문 요청을 받으면 영업직원과 함께 바로 달려가서 메이커의 이야기를 잘 경청하고, 문제가 된 부위의 시료를 채취(사진 1)하고, 제조 및 시공지역의 최근 기상자료 수집, 제조 시 배합(단위 수량, 시멘트 종류, 혼화제 등) 및 골재 실험 결과, 양생 공정을 포함한 공정상 특이점, 시공조건 등을 확인한다. 그리고 돌아와서는 화학분석을 비롯하여 각종 기기분석을 통하여 분석하고, 문헌 검토와 병행하여 해결 방안을 제시해주는 것이 고객에 대한 도리라고 생각된다. 

 백화의 주성분은 시멘트 성분이다. 백화 부분을 화학적으로 분석하면 물에 불용성인 탄산칼슘(CaCO3)이다. 콘크리트는 경화 과정에서 물과 시멘트가 반응하여 규산칼슘 수화물이 형성되고, 동시에 다량의 수산화칼슘(Ca(OH)2)이 만들어진다. 이 수산화칼슘이 물에 녹아있는 탄산가스(CO2)와 반응하여 물에 녹지 않는 탄산칼슘으로 변화한다. 콘크리트가 건조하면 콘크리트의 잉여물에 녹아있는 이 수산화칼슘이 잉여물과 함께 콘크리트 표면에 이동하고, 잉여물이 증발하고 하는 과정에서 표면에 수산화칼슘이 잔존한다. 이 수산화칼슘은 신속하게 탄산가스(CO2)를 흡수하여 물에 불용성인 탄산칼슘으로 바뀐다. 초기에 발생하는 백화현상은 메커니즘에 의한 것이 많아 이것을 1차 백화라고 부른다. 콘크리트 내에 비나 이슬에 의해 새로운 물이 침투하면 이 수산화칼슘을 용해시키고, 위의 메커니즘에 의해 표면에 백화현상이 발생하는 경우가 있다. 비교적 장기 재령에서 발생하는 이 백화를 2차 백화라고 부른다. 이상의 메커니즘을 정리하면 아래와 같은 식으로 표현된다.

(10월호 참조)

분석 방법 중 가장 많이 사용하는 것이 XRD(정성분석, XRD는 시멘트를 비롯한 무기질의 성분 및 결정형태를 분석하는 장치), 현미경관찰(실체 및 전자현미경), 기공율 정도이다. 백화인 경우에는 이미 문헌에 많은 것들이 보고되어 원인을 분석하는 데 그리 어렵지 않은 편이다. 2008년 12월경에 발생한 백화 부분의 XRD 시험 결과(그림 1)는, 블록 표면의 백화 석출물은 문헌에서 보아 왔듯이 탄산칼슘(CaCO3) 성분이 주 피크로 나타나 일단 백화 성분으로 추정한다. 기공율 분석(백화가 일어난 부위의 샘플은 겉보기 비중이 클 것으로 판단되어 시험) 결과(그림 2)는 백화 발생 부위의 기공분포 및 기공률은 백화 유·무에 관계없이 동등하게 나타났다. 실체 현미경(×150배)(사진 2)으로 백화 발생 부위를 정밀하게 확인한 결과, 백화는 주로 공극 사이에서 발생하였고, 치밀한 조직에서는 발생하지 않았다. 그리고 전자현미경(SEM) 및 EDAX 분석 결과(사진 3) 백화 발생 부위는 전형적인 탄산칼슘(CaCO3) 형태이고, 미 발생 부위는 시멘트 수화물 형태로 확인되었다고 해석한다.

 백화 발생 원인을 분석하기 위하여, 백화 진행 과정을 아래 그림과 같이 4단계로 모사하여 보았다. 단계 1에서는 콘크리트 블록에는 물에 용해될 수 있는 성분인 알칼리 또는 칼슘 성분이 많이 포함되어 있다. 단계 2에서는 비, 눈, 서리 및 살수 등의 조건에 따라서 블록 기공 내부의 성분이 녹아 나온다. 단계 3에서는 블록 내부에 녹아있는 성분이 표면로 이동하여 공기 중의 이산화탄소 등과 반응, 건조되면서 수분이 증발하고, 내부 성분이 결정화된다. 단계 4에서는 하얀 색깔의 백화가 발생한다. 결과적으로, 블록 내·외부의 온도 차이가 발생하면서 백화 물질은 공극 내·외부를 들락날락하면서 단단하게 석출되는 되는 것이다.

 백화현상은 아래 표 1과 같이 주위 환경 조건, 특히 기후 조건에 따라 발생하기 쉽다고 알려져 있다. 그리고 백화가 품질에 미치는 영향은 표면에서 일어나는 현상으로 품질에 미치는 영향은 없다고 말할 수 있다. 다시 말해 백화가 생기더라도 콘크리트 구조물의 강도에는 문제가 없고, 생성물도 무해하지만, 외관상의 문제는 될 수 있다. 끝으로, 백화의 제거와 방지를 위해서는 백화 성분 중 수용성 알칼리염은 물로 즉시 제거할 수가 있고, 탄산칼슘과 같은 난용성은 브러시나 사포로 문질러 제거할 수가 있다. 상기 방법이 불가능할 경우 약 3% 정도의 염산 용액으로 용해한 후 즉시 물로 닦아낸다. 시멘트를 사용하는 한 백화 문제를 영원히 없애는 것은 본질적으로 쉬운 문제가 아닌 것 같다. (이상)