3.1.1 플로우

Fig. 2는 탄화붕소 및 질화붕소를 혼입한 모르타르의 플로우 시험 결과를 나타낸 그림으로 타설 직후부터 시간의 변화에 따라 플로우를 측정하였다. 분석결과 기준 시험체(Ref.)는 배합 직후 약 180 mm 수준의 플로우를 보이며 배합 후 2시간 시점에는 약 150 mm으로 나타내었다.

탄화붕소인 BC1 및 BC2를 혼입한 시험체의 플로우 값은 배합 직후 약 200 mm로 기준 시험체보다 높게 나타났으며, 이는 탄화붕소의 물에 대한 낮은 용해도와 낮은 흡수율로 인해 유효 배합수량이 상대적으로 확보되었기 때문으로 판단된다. 배합 후 시간이 경과함에 따라 BC1의 경우 플로우가 감소하였으며 배합 후 2시간 시점에는 150 mm 나타낸 반면 BC2는 전반적으로 기준 시험체보다 높은 플로우를 유지하였다. 특히, BC2의 경우 배합 후 2시간 시점에서 상대적으로 높은 플로우를 보였으며 이러한 원인은 BC2가 BC1보다 입자 사이즈가 커 비표면적이 작고, 이에 따라 시간 경과에 따른 유동성 손실이 상대적으로 작았기 때문으로 판단된다.

질화붕소를 혼입한 시험체의 경우 배합 직후 약 170~180 mm로 기준 시험체와 유사한 값을 나타내었으며 시간이 지남에 따라 기준 시험체와 약 30 mm 이상의 플로우 차이를 나타내었다^{(Seo et al. 2024)}. 질화붕소를 혼입한 시험체가 탄화붕소를 혼입한 시험체보다 플로우가 낮은 원인은 질화붕소의 입자 사이즈가 탄화붕소보다 작아 비표면적이 증가하여 플로우가 감소한 것으로 판단된다.

Fig. 2 Flow test

3.1.2 응결 시험

Table 6 및 Fig. 3은 탄화붕소 및 질화붕소를 혼입한 모르타르의 응결 시험 결과를 정리한 것으로 기준 시험체의 경우 초결은 약 4시간 30분, 종결은 12시간으로 나타났으며 총 응결 진행 시간은 7시간 30분으로 나타났다.

탄화붕소를 혼입한 시험체의 경우 기준 시험체보다 초결 지연이 발생하였는데, BC1의 경우 배합 후 6시간 30분으로 약 2시간 지연되었으며, BC2는 5시간 30분으로 기준 대비 약 1시간 지연이 발생하였다. 종결 시간은 기준 시험체와 유사한 시간을 나타내었으며, 응결 진행 시간으로는 BC1의 경우 약 5시간으로 기준 시험체보다 빠르게 진행되었고 BC2의 경우 약 7시간으로 기준 시험체와 유사한 진행 시간을 나타내었다.

질화붕소의 경우 탄화붕소보다 초결이 빠르게 진행되었으며 BN1은 초결이 5시간, 종결이 11시간 40분으로 나타났으며 BN2는 초결이 5시간 30분, 종결이 11시간 50분으로 나타났다. 질화붕소의 응결 진행 시간으로는 BN1은 6시간 40분, BN2는 6시간 20분으로 기준 시험체보다 빠르게 진행되었다.

한편, 탄화붕소 및 질화붕소를 혼입한 시험체는 기준 시험체보다 초결 시간은 지연되었으나 총 응결 진행 시간은 빠르게 나타났다. 이러한 결과와 관련하여 Chidiac et al.은 상용 BC 분말에 포함된 사솔라이트(Sassolite)가 초기 수화반응에 영향을 미쳐 응결 지연을 유발할 수 있다고 보고하였으며, Glinicki et al.(2018) 역시 난용성 붕소계 재료라 하더라도 재료의 종류, 표면 특성 및 용출 특성에 따라 시멘트 수화 및 응결 특성이 달라질 수 있음을 보고하였다^{(Glinicki et al. 2018; Chidiac et al. 2021)}. 이 외에 관입저항 시험의 영향 즉, 관입저항 시험은 시멘트 수화반응뿐만 아니라 입자 간 연결성, 응집 구조 등을 함께 반영하는데 이러한 요인도 초결에 영향을 미친 것으로 판단되며, 향후 등온열량 분석, 수화열 분석 등을 통해 추가 연구가 필요할 것으로 판단된다.

Fig. 3 Setting time test

3.1.3 탄화붕소 및 질화붕소 최종 선정

탄화붕소의 경우 BC1 및 BC2 모두 배합 직후 약 200 mm 수준의 플로우를 나타냈으나 시간이 경과함에 따라 BC2는 플로우를 유지하는 반면 BC1은 플로우가 감소하였다. 응결 시험 결과에서도 BC2는 BC1보다 초결 지연이 작았으며 총 응결 진행 시간이 7시간으로 기준 시험체와 유사한 값을 나타내었다. 또한, 경제성 측면에서도 BC2가 BC1보다 약 3배 낮은 가격을 나타내었으며 종합적으로 BC2를 최종 재료로 선정하였다.

질화붕소의 경우 BN1 및 BN2 모두 기준 시험체보다 낮은 플로우를 나타내었으며 시간이 경과에 따른 플로우가 지속적으로 감소하였다. 응결 시험 결과에서는 BN2는 기준 시험체보다 초결 지연이 발생하였으나 BN1은 기준 시험체와 거의 유사한 응결 거동을 나타내었다. 경제성 측면에서는 BN2가 BN1보다 약 30 % 저렴한 가격을 나타내었다. 따라서 최종 재료로 BN1을 선정하였다. BN2는 BN1보다 경제적인 측면이 유리하지만, 유동성 및 응결 안정성 등을 고려하여 BN1을 최종 재료로 선정하였다.

탄화붕소 및 질화붕소를 혼입한 모르타르의 플로우 및 응결 시험 결과 탄화붕소의 경우 BC2를, 질화붕소의 경우 BN1을 최종 재료로 선정하였다. 따라서 선정된 재료를 바탕으로 콘크리트로 제작한 후 압축강도 및 중성자 차폐 성능을 평가하였다.

3.2.1 압축강도

Fig. 4는 탄화붕소 및 질화붕소를 혼입한 콘크리트의 재령 28일차 압축강도 시험 결과를 나타낸 것이다. 본 연구에서는 고가의 탄화붕소 및 질화붕소의 사용량을 최소화하기 위하여 50 mm 정육면체 시편을 사용하여 압축강도를 측정하였다. 앞서 2.3절에서 언급한 바와 같이 본 시험 결과는 표준 공시체를 이용한 압축강도와 직접 비교하기보다는 동일한 조건에서 제작된 배합 간 상대적인 강도 경향으로 해석하는 것이 적절할 것으로 판단된다. 또한, 모든 배합에서 압축강도 표준편차의 최대값이 1.8 MPa 이하였으며 변동계수(coefficient of variation)는 10 % 이하로 나타나 동일 조건에서 배합 간 상대적인 강도 경향을 비교하기 위한 재현성은 확보된 것으로 판단된다.

28일차 압축강도 시험 결과, 기준 콘크리트는 약 63 MPa의 강도를 나타내었고 탄화붕소는 약 65 MPa, 질화붕소는 약 55 MPa의 강도를 나타내었다. 탄화붕소는 기준 시험체와 유사한 강도를 나타내었으며 이는 탄화붕소가 다른 붕소화합물과 달리 물에 대한 용해도가 낮고 시멘트 수화에 미치는 영향이 낮기 때문으로 판단된다. 또한, 탄화붕소 입자가 콘크리트 매트릭스 내부의 미세공극을 충전하여 조직을 치밀하게 하는 요인 역시 강도에 영향을 미친 것으로 판단된다.

반면 질화붕소 혼입 콘크리트의 경우 기준 시험체보다 약 13 % 낮은 강도를 나타내었으며 이러한 원인에 관하여 선행 연구에서는 입자의 응집 및 분산성 저하에 따른 내부 공극의 증가로 보고하고 있다^{(Choi and Shin 2020; Gurbuz and Erdem 2025)}. 또한, 앞 절의 3.1.1의 플로우 시험 결과에서도 질화붕소를 혼입한 시험체의 플로우가 기준 및 탄화붕소를 혼입한 시험체보다 낮게 나타났으며 이러한 요인 역시 압축강도 저하에 영향을 미친 것으로 판단된다.

Fig. 4 Compressive strength test

3.2.2 중성자 차폐 시험

중성자 차폐 시험은 한국원자력연구원의 노외 중성자 조사 시설에서 수행하였으며 사용된 중성자 선원은 ²⁵²Cf이다^{(Kim et al. 2025)}. Fig. 5는 중성자 투과율을 나타낸 그림으로 여기서 투과율(Transmittance, T)은 시험체를 통과한 후 검출된 중성자량($C_i$)을 시험체가 없을 때의 중성자량($C_0$)으로 나눈 값이다.

Fig. 6는 중성자 차폐 효율을 나타낸 그림으로 1에서 투과율을 뺀 후 이를 백분율($(1 - C_i / C_0) \times 100$)로 계산한 값이다.

Fig. 5 및 6의 분석 결과 기준 시험체(Ref.) 경우 중성자 투과율은 약 0.85로 나타났으며 이에 따른 중성자 차폐 효율은 15 % 수준으로 나타났다. 반면 탄화붕소 및 질화붕소를 혼입한 시험체의 경우 기준 시험체보다 약 2배 높은 차폐 효율을 나타내었다. 탄화붕소를 혼입한 시험체의 중성자 투과율은 약 0.67로 나타났으며 이에 따른 중성자 차폐효율은 약 33 %로 나타났다. 질화붕소의 경우 중성자 투과율은 약 0.69, 중성자 차폐 효율은 약 31 %로 나타났다. 즉, 탄화붕소 및 질화붕소를 혼입한 시험체가 기준 시험체보다 약 2배 높은 차폐 효율을 나타내었다. 이러한 원인은 기존 문헌에서와 같이 붕소가 열중성자에 대한 흡수 단면적이 커서 감속된 중성자를 효과적으로 포획할 수 있었으며 이로 인해 차폐 성능이 향상된 것으로 판단된다.

한편, 탄화붕소를 혼입한 시험체가 질화붕소를 혼입한 시험체보다 더 높은 중성자 차폐 효율을 나타낼 것으로 예상한 것과 달리 실제 실험에서는 약 33 % 및 31 %로 거의 유사한 차폐 효율을 나타내었다. 이러한 결과는 중성자 차폐 성능이 붕소의 질량분율에만 비례하지 않기 때문으로 판단된다. 즉, 탄화붕소(B₄C)의 붕소 함량은 약 78 wt%로 질화붕소(BN)의 약 44 wt%보다 약 1.8배 높음에도 불구하고 입자 사이즈 및 분산 효과 등의 복합적인 요인으로 차폐 효율 차이가 붕소 함량 차이만큼 크게 나타나지 않은 것으로 판단된다^{(DiJulio et al. 2018)}. 또한, 본 연구에서 사용한 ²⁵²Cf 선원은 빠른 중성자를 방출하기 때문에 붕소에 의한 열중성자 흡수효과 외에 중성자의 감속 및 산란 등의 영향이 함께 작용하므로 붕소 함량 차이가 차폐 효율에 선형적으로 반영되지 않을 수 있을 것으로 판단된다.

Fig. 5 Transmittance

Fig. 6 Neutron shielding efficiency

3.2.3 붕소계 혼입 콘크리트 적용성 검토

연구에서는 탄화붕소 및 질화붕소를 혼입한 콘크리트의 기초 물성과 중성자 차폐 성능을 검토하였다. 모르타르 단계에서는 탄화붕소 2종과 질화붕소 2종을 대상으로 플로우 및 응결 특성을 평가하였고, 도출된 결과와 재료 비용을 고려하여 탄화붕소는 BC2, 질화붕소는 BN1을 최종 재료로 선정하였다. 이후 선정된 재료를 바탕으로 콘크리트를 제작하였으며 이를 대상으로 재령 28일차 압축강도와 중성자 차폐 시험을 수행하였다.

압축강도 시험 결과 탄화붕소 혼입 콘크리트는 기준 콘크리트와 유사한 강도를 나타낸 반면, 질화붕소 혼입 콘크리트는 기준 콘크리트보다 약 13 % 낮은 강도를 보였다. 중성자 차폐 시험은 두께 50 mm 조건에서 수행되었으며, 시험 결과 기준 콘크리트의 중성자 차폐 효율은 약 15 %로 나타난 반면 탄화붕소 및 질화붕소를 혼입한 콘크리트는 각각 약 33 % 및 31 %의 차폐 성능을 나타내었다. 즉, 동일 두께 조건에서 탄화붕소 및 질화붕소를 혼입한 콘크리트가 기준 콘크리트보다 약 2배 높은 중성자 차폐 성능을 보였다.

다만, 본 실험은 시멘트 질량 대비 5 wt%의 혼입률과 50 mm 단일 두께 조건에서 수행된 검토이므로 실제 차폐 구조물에서의 두께 절감 효과를 정량화하기에는 한계가 있다. 특히, 탄화붕소 및 질화붕소의 혼입률이 증가할 경우 차폐 성능은 향상되지만 콘크리트의 성능 즉, 유동성 저하, 수화 및 응결 지연, 강도 저하 등이 발생할 수 있으며, 경제성도 저하된다.

따라서 탄화붕소 및 질화붕소 혼입 콘크리트를 실제 차폐 구조물에 적용하기 위해서는 차폐 성능 외에 유동성, 강도, 경제성 등을 종합적으로 고려한 배합 최적화가 필요하며, 이를 정량적으로 평가하기 위해서는 다양한 두께 조건에서의 중성자 투과율 및 유효 감쇠계수 평가 등의 추가적인 연구가 필요할 것으로 판단된다.