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문제 정의
- 흡음률 측정 시 간이법으로 많이 사용되고 있는 관내법은 시험편 크기가 작아 제작 시 어려움이 많아 실제 흡음률이 낮게 나올 가능성이 많다. 따라서 본 실험에서는 결합재인 PCS 양을 적게 하여 펄라이트의 표면만 접착될 수 있도록 하여 많은 공극을 확보하기 위한 배합을 조정하였다. 본 배합은 흡음패널 크기 480 mm × 480 mm × 5 mm (두께)를 기준으로 1개 만들 수 있는 양이다.
- 5) 다른 재료에 영향을 미치지 않는 무기물이다. 따라서 본 연구에서는 펄라이트의 이러한 장점을 최대한 살릴 수 있는 도로의 방음벽과 실내 건축음향재료로서의 흡음재를 개발할 수 있는 가능성을 발견하였다. 펄라이트의 미세조직을 관찰하기 위하여 먼저 절건 상태의 펄라이트를 진공상태에서 수분을 제거한 후, 금증착기로 표면을 증착시킨 후, 주사형 전자 현미경을 사용하여 관찰하였다 (Fig.
- 본 연구는 건설재료중 무기질인 펄라이트의 기공성을 이용한다면 흡음재료로 사용할 수 있을 것으로 판단하여, 펄라이트에 각종 결합재를 사용하여 흡음소재를 개발할 목적으로 실시하였다. 본 연구에서는 먼저 우수한 흡음성능을 보유하고, 여기에 적정한 강도 및 동결융해저항성을 확보할 수 있는 배합조건을 도출하기 위한 기초적 실험을 실시하였다.
- 본 연구는 건설재료중 무기질인 펄라이트의 기공성을 이용한다면 흡음재료로 사용할 수 있을 것으로 판단하여, 펄라이트에 각종 결합재를 사용하여 흡음소재를 개발할 목적으로 실시하였다. 본 연구에서는 먼저 우수한 흡음성능을 보유하고, 여기에 적정한 강도 및 동결융해저항성을 확보할 수 있는 배합조건을 도출하기 위한 기초적 실험을 실시하였다.
- 본 연구에서는 펄라이트의 기초적 물성을 살펴보고, 결합재에 따른 각종 배합을 설정하여 방음벽에 사용될 수 있는 흡음재의 성능 실험을 실시하였다. 특히 흡음재에 대한 흡음시험은 관내법을 사용하였으며, 관내법에서 성능이 우수한 최적배합을 잔향실법을 이용하여 실제 현장에서 설치되는 조건으로 실험을 실시하였다.
제안 방법
- 28일간 기중양생 (20°C, R.H. 50%)을 실시한 40 × 40 × 160 cm 시험편을 KS F 2477 (폴리머 시멘트 모르타르의 강도시험 방법)에 준하여 휨강도와 압축강도시험을 실시하였다.
- 28일간 기중양생 (20°C, R.H. 50%)을 실시한 40 × 40 × 160 mm 시험편의 단위용적중량을 측정하여 펄라이트를 이용한 시험편의 경량성을 평가하였다.
- 28일간 기중양생 (20°C, R.H. 50%)을 실시한 40×40×160mm 시험편을 KS F 2456 (급속 동결융해에 대한 콘크리트의 저항 시험 방법)의 시험방법 A (수중 급속 동결융해시험)에 준하여 Fig. 3과 같은 시험기를 이용하여 동결융해 온도 −18°C에서 +4°C 범위에서 300 사이클 동안 반복적으로 시험을 실시하였다.
- 28일간 기중양생 (20°C, R.H. 50%)을 실시한 Fig. 4와 같은 지름 98.8 mm, 두께 40 mm와 지름 28.8 mm, 두께 40 mm의 시험편을 저주파 측정 장치와 고주파 측정 장치를 이용하여 분석 주파수 125 Hz에서 6,300 Hz 범위에서 흡음률을 측정하였다.
- 또한 방음벽의 형태중 흡음형 방음판의 흠음률은 시공 직전 완제품 상태에서 250, 500, 1,000 및 2,000 Hz에서의 흡음률 평균 (NRC)이 70% 이상인 것을 표준으로 한다.7) 본 연구에서 실시한 실험은 관내법으로서 저주파 시험기와 고주파 시험기를 사용하여 실시하였으며 사용주파수 범위는 125 Hz~6,300 Hz 범위이다. 그리고 본 흡음률 시험은 많은 배합중에서 강도 및 내구성 면에서 우수한 배합을 대표적으로 선택하여 실시하였다.
- PCS 결합재를 사용한 경우에는 먼저 시멘트와 폴리머 디스퍼션을 적당한 중량비로 혼합하여 제작한 후 펄라이트와 비빔을 하여 형틀에 넣어 제작하였다. PCS를 형틀의 밑으로 가능한 한 배출되게 하여 투수가 가능한 조직이 될 수 있도록 제작하였다. PCS가 너무 많으면 공극을 막아 투수성능을 현저하게 저하시켜 흡음률을 떨어뜨린다.
- 7) 본 연구에서 실시한 실험은 관내법으로서 저주파 시험기와 고주파 시험기를 사용하여 실시하였으며 사용주파수 범위는 125 Hz~6,300 Hz 범위이다. 그리고 본 흡음률 시험은 많은 배합중에서 강도 및 내구성 면에서 우수한 배합을 대표적으로 선택하여 실시하였다. Fig.
- 흡음재의 흡음성능을 평가하는 방법중에서 전술한 관내법은 시험편의 제작과정 및 크기에 따른 영향이 커 실제 공사현장에서 사용될 수 있는 조건으로 하여 잔향실법에 의한 흡음률 시험이 가장 정확한 흡음계수를 측정할 수 있다. 따라서 관내법에 의한 결과를 기초로 하여 다양한 방법으로 최적의 흡음용 패널 배합을 정하여 이 배합으로 만든 흡음용 패널에 대한 압축강도, 동결융해 시험 및 잔향실법에 의한 흡음계수를 측정하였다.
- 본 연구에서의 동결융해시험은 일반적으로 강한 시멘트 콘크리트의 경우에는 300 사이클 (−18°C~ + 2°C: 1 사이클 : 약 4시간) 까지 시험하지만 본 연구에서는 비교 시험으로 일반 시멘트 콘크리트의 표면의 변화를 일으킬 수 있는 100 사이클까지만 실시하였다.
- 배합번호 11까지의 시멘트와 폴리머 디스퍼션 복합체를 결합재로 한 경우에 무기질결합재에 비해 단위용적중량이 상대적으로 컸으며, 배합번호 4, 5, 6과 같이 폴리머 시멘트비가 큰 경우에 단위용적중량이 작게 나타났다. 시험편의 단위용적중량은 제작 과정에서의 결합재가 펄라이트를 충분히 적시고 형틀 아래로 남아 층을 이루는 것이 아니라 시험편 아래로 통과시키면서 제작되었기 때문에 펄라이트의 장점인 연속기공을 폴리머 디스퍼션 필름으로 채우지 않는 배합으로 조정하였다.
- 시험편인 흡음판재는 Fig. 5와 같이 가압방법을 택하여 제작하였으며, 가압 압력도 패널당 (480 mm × 480 mm), 5,000 kgf, 7,500 kgf, 10,000 kgf, 15,000 kgf 등 다양한 방법으로 가압한 후, 강도와 경제성, 그리고 투수 정도 등을 종합하여 7,500 kgf (319 kN/m2)의 하중으로 결정하였다.
- 6 및 7과 같이 단위 형틀 (면적 12 m2)에 흡음용 판재로 조립 제작하였다. 실제 현장에서 설치하는 방법과 같은 방법으로 방음벽을 제작하여 국가공인 시험기관에 시험을 의뢰하여 흡음률을 측정하였다. 난입사 흡음률 측정법으로 실제 현장에선 이 방법에 의한 흡음률이 활용된다.
- 잔향실법 시험을 위한 시험편을 제작하기 위하여 무기질 결합재 6가지, 폴리머 디스퍼션을 사용한 배합 4가지에 대한 제작 시 시공성, 다량생산 가능성, 강도, 투수성능 및 경제성 등을 고려하여 Table 5와 같은 최적배합을 도출하였다. 흡음률 측정 시 간이법으로 많이 사용되고 있는 관내법은 시험편 크기가 작아 제작 시 어려움이 많아 실제 흡음률이 낮게 나올 가능성이 많다.
- 10은 각 배합조건에 따른 흡음재의 압축강도를 나타내고 있다. 전술한 휨강도와 마찬가지로 방음벽의 흡음재는 구조재가 아니기 때문에 강도에는 문제점이 없으나, 내구성 측면에서 일정한 강도를 보유하여야 하기 때문에 압축강도 시험을 실시하였다. 압축강도는 배합번호 4, 9, 10에서 높은 강도를 나타냈으며, 대분의 배합에서2 MPa 이상의 강도를 보였다.
- 본 연구에서는 펄라이트의 기초적 물성을 살펴보고, 결합재에 따른 각종 배합을 설정하여 방음벽에 사용될 수 있는 흡음재의 성능 실험을 실시하였다. 특히 흡음재에 대한 흡음시험은 관내법을 사용하였으며, 관내법에서 성능이 우수한 최적배합을 잔향실법을 이용하여 실제 현장에서 설치되는 조건으로 실험을 실시하였다.
- 따라서 본 연구에서는 펄라이트의 이러한 장점을 최대한 살릴 수 있는 도로의 방음벽과 실내 건축음향재료로서의 흡음재를 개발할 수 있는 가능성을 발견하였다. 펄라이트의 미세조직을 관찰하기 위하여 먼저 절건 상태의 펄라이트를 진공상태에서 수분을 제거한 후, 금증착기로 표면을 증착시킨 후, 주사형 전자 현미경을 사용하여 관찰하였다 (Fig. 1). 펄라이트 조직의 표면은 열에 의해 발포된 공극 (기공)이 존재하였으며, 이 공극은 연속되어 있는 것이 관찰되었다.
대상 데이터
- 잔향실법에 의한 흡음용 패널의 흡음률 측정을 위하여 Figs. 6 및 7과 같이 단위 형틀 (면적 12 m2)에 흡음용 판재로 조립 제작하였다. 실제 현장에서 설치하는 방법과 같은 방법으로 방음벽을 제작하여 국가공인 시험기관에 시험을 의뢰하여 흡음률을 측정하였다.
- 본 배합에서 사용된 St/BA는 스티렌과 부칠과의 공중합체로 PA의 아크릴이 주성분인 PA에 비해 휨인성이 크기 때문이다. 그러나 PA는 St/BA에 비해 가격면에서 20~30% 저렴하기 때문에 본 연구에서 채용하여 사용하였다. 실내에서의 흡음재로 사용한다면 휨강도는 큰 문제점이 없으나, 외부에서의 방음벽의 흡음재로 사용하기 위해서는 외기 환경에 따른 내구성을 확보하기 위해 휨강도도 가능하면 높은 것이 유리하다고 할 수 있다.
- 본 배합은 흡음패널 크기 480 mm × 480 mm × 5 mm (두께)를 기준으로 1개 만들 수 있는 양이다.
- 본 실험에 사용된 시멘트는 보통시멘트 및 백색시멘트를 사용하였다.
- 본 실험에 사용한 시멘트 혼화용 폴리머 디스퍼션은 아크릴계 에멀젼 (PA)과 스티렌-부칠 아크릴산 공중합체(St/BA)를 사용하였으며, 그 성질은 Table 1과 같다.
- 본 연구에 사용된 펄라이트는 공장에서 생산되어 널리 사용되는 제품으로서 일반적 성질은 Table 2와 같다.
- 본 연구에 사용한 무기질계 결합재로서는 주성분이 실리콘과 활성운모를 혼합한 결합재 (실리콘계)이며, 현재 유기접착제의 사용으로 인한 유해물질 배출의 심각성이 대두되고 있는 아파트 공사에서 사용되는 접착제를 대체하기 위하여 순수한 무기계로만 만든 친환경성 접착제이다. 펄라이트의 결합재로 사용하여 고온으로 가열하면 결합재의 강도가 커져 흡음재로서 최소한의 강도를 유지할 수 있다.
성능/효과
- 1) 펄라이트를 이용한 흡음재의 단위용적중량은 0.3 ~ 0.65 g/cm3범위로 시중에서 판매되는 ALC의 0.53 g/cm3와 비슷하고 초경량 재료인 셀스톤의 0.23 g/cm3보다는 약간 컸으며, 폴리머 시멘트비가 클수록 단위용적중량이 작게 나타났다.
- 2) 폴리머 디스퍼션을 혼입한 폴리머 시멘트 슬러리를 결합재로 한 각종 배합조건에서 흡음재로서 적당한 압축강도, 휨강도 및 동결융해 저항성을 얻을 수 있었다.
- 3) 관내법에 의한 흠음재의 감음계수는 폴리머 디스퍼션을 결합재로 사용한 경우 0.48 ~ 0.51, 무기질 결합재를 사용한 경우 0.72를 나타냈다.
- 4) 잔향실법에 의한 흡음용 패널의 흡음계수는 저주파수 영역 (250 Hz ~ 500 Hz)에서 0.84 ~ 1.00, 고주파수 영역에서 0.57 ~ 0.77로 비교적 높은 흡음률을 나타냈으며, 감음계수도 0.77로 방음벽의 환경부 고시기준인 0.7에 비해 높게 나타나 직접 현장에서 방음벽으로 사용될 수 있는 배합조건으로 평가되었다.
- 5) 본 연구 결과, 잔향실법에 의해 평가해 볼 때 폴리머 시멘트 슬러리를 결합재로 사용하여 제작한 펄라이트 흡음패널은 적절한 역학적 성질을 보유하면서 흡음성능이 우수하여 폴리머 종류 PA, 폴리머 시멘트비 20%, 물시멘트비 48%, 319 kN/m2의 가압조건, 28일간 기중양생의 최적배합 및 제작 조건을 도출할 수 있었다.
- 건축재료 중 흡음재는 조직구조에 많은 기공이 존재하여야 하기 때문에 공시체의 단위용적중량을 측정하여, 같은 강도라면 단위용적중량이 작게 배합설계를 하여야 한다. 각 배합의 단위용적중량은 0.3~0.65 g/cm3 범위로 시중에서 판매되는 ALC (그림에서 A)의 0.53 g/cm3와 거의 비슷하였으며, 셀스톤 (그림에서 셀) 0.23 g/cm3에비해서는 약간 단위용적중량이 컸다. 배합번호 11까지의 시멘트와 폴리머 디스퍼션 복합체를 결합재로 한 경우에 무기질결합재에 비해 단위용적중량이 상대적으로 컸으며, 배합번호 4, 5, 6과 같이 폴리머 시멘트비가 큰 경우에 단위용적중량이 작게 나타났다.
- 보통 시멘트 콘크리트의 동결융해 시 300 사이클 (−18°C ~ +2°C:1사이클)을 기준으로 하고 있으나, 투수성의 재료에 있어서는 60 사이클 미만에서 균열을 발생시킨다. 그러나 본 연구에서 사용한 패널의 압축강도가 2.6 MPa 정도이나 동결융해 사이클인 300 사이클까지도 외관상으로 전혀 균열이나 탈락을 일으키지 않아 동결융해 저항성이 매우 우수하였다. 이는 결합재로 사용한 폴리머 시멘트 슬러리에 다량의 폴리머가 함유되어 있어 동해에 대한 저항성능이 우수하게 나타난 결과로 볼 수 있다.
- 압축강도는 배합번호 4, 9, 10에서 높은 강도를 나타냈으며, 대분의 배합에서2 MPa 이상의 강도를 보였다. 높은 휨강도를 나타냈던 배합번호 4와 11에서는 배합번호 4번의 경우에만 높은 압축강도를 보였으며 모든 배합에서 셀스톤에 비해 1.5배~3.2배의 높은 강도를 나타냈다. 이와 같이 압축강도와 휨강도의 차이가 별로 나지 않는 것은 시멘트 콘크리트와는 달리 결합재가 거의 폴리머 디스퍼션에 의해 영향을 받기 때문이다.
- 23 g/cm3에비해서는 약간 단위용적중량이 컸다. 배합번호 11까지의 시멘트와 폴리머 디스퍼션 복합체를 결합재로 한 경우에 무기질결합재에 비해 단위용적중량이 상대적으로 컸으며, 배합번호 4, 5, 6과 같이 폴리머 시멘트비가 큰 경우에 단위용적중량이 작게 나타났다. 시험편의 단위용적중량은 제작 과정에서의 결합재가 펄라이트를 충분히 적시고 형틀 아래로 남아 층을 이루는 것이 아니라 시험편 아래로 통과시키면서 제작되었기 때문에 펄라이트의 장점인 연속기공을 폴리머 디스퍼션 필름으로 채우지 않는 배합으로 조정하였다.
- 0 MPa 이상의 휨강도를 나타냈으며, 배합번호 4와 배합번호 11에서는 특히 큰 휨강도를 나타냈다. 배합번호 4는 배합 중에서 가장 큰 폴리머 시멘트비를 나타내 폴리머 필름에 의한 특성인 휨 인성이 크게 증진되었으며, 배합번호 11의 경우에는 다른 배합과는 달리 폴리머 시멘트비가 27%로 크지 않으면서 휨강도가 크게 나타난 것은 폴리머 종류에 따른 차이로 볼 수 있다. 본 배합에서 사용된 St/BA는 스티렌과 부칠과의 공중합체로 PA의 아크릴이 주성분인 PA에 비해 휨인성이 크기 때문이다.
- 제작 후 28일간 기중양생을 실시한 후, 패널을 50 × 50 × 50 mm로 절단하여 압축강도를 실시하였으며 그 결과는 Table 7과 같다. 본 시험편의 압축강도는 ALC와 비교해 비슷하며, 셀스톤에 비하면 큰 압축강도를 나타냈다. 흡음용 패널 제작 시 가압하중에 따라 강도를 높일 수 있으나 치밀한 조직구성은 오히려 흡음률을 저하시킬 수 있으며, 과하중에 의한 펄라이트 입자가 깨질 수 있다.
- 12는 관내법에 의한 흡음률 측정 결과이다. 시험 결과에서 알 수 있는 바와 같이, 폴리머 디스퍼션을 결합재로 사용한 펄라이트 흡음재는 배합에 상관없이 주파수 400 Hz 이하의 흡음계수가 0.4 이하로 낮았으며, 주파수가 작아질수록 작은 흡음계수를 나타냈다. 또한 주파수가 800 Hz 영역에서 가장 높은 흡음계수를 나타냈다.
- 일반적으로 압축강도와 마찬가지로 방음재 및 흡음재는 구조재가 아니기 때문에 휨강도 특성이 크게 문제가 되지는 않는다. 시험결과 거의 모든 배합에서 1.0 MPa 이상의 휨강도를 나타냈으며, 배합번호 4와 배합번호 11에서는 특히 큰 휨강도를 나타냈다. 배합번호 4는 배합 중에서 가장 큰 폴리머 시멘트비를 나타내 폴리머 필름에 의한 특성인 휨 인성이 크게 증진되었으며, 배합번호 11의 경우에는 다른 배합과는 달리 폴리머 시멘트비가 27%로 크지 않으면서 휨강도가 크게 나타난 것은 폴리머 종류에 따른 차이로 볼 수 있다.
- 51로 낮게 나타났다. 이는 ALC의 일반적인 감음계수 0.2 ~ 0.3에 비해 우수하였으며, 0.7 ~ 0.8의 감음계수를 나타내는 셀스톤에 비해서는 감음계수가 현저하게 작게 나타났다. 이는 흡음재를 제작할 때, 가능한 한 공극을 많이 확보하도록 시도하였으나, 결과적으로는 관내법에 의한 흡음률 시험을 위한 작은 시험편을 제작하는 데는 폴리머 디스퍼션을 결합재로 사용할 때의 한계점이 있었다.
- 제작된 시험편은 28일간 기중양생 (20°C, R.H. 50%)을 실시하였으며, 제작 후 2일째부터 5일간은 표면에 물을 충분히 적혀 주었다.
- 따라서 흡음재의 성능을 평가할 때, 모든 영역에서의 흡음계수에 대한 평가보다는 대표적인 주파수인 250, 500, 1,000 및 2,000 Hz에서의 흡음계수 평균을 흡음재의 감음계수 (NRC)라 하여 평가한다. 폴리머 디스퍼션을 결합재로 사용한 경우 흡음재의 감음계수 (NRC)는 0.43 ~ 0.51로 낮게 나타났다. 이는 ALC의 일반적인 감음계수 0.
- 이와 같이 압축강도와 휨강도의 차이가 별로 나지 않는 것은 시멘트 콘크리트와는 달리 결합재가 거의 폴리머 디스퍼션에 의해 영향을 받기 때문이다. 흡음재 내부에 많은 공극을 유도하고, 펄라이트 자체의 공극을 메우지 않는 배합으로서 압축강도를 확보하기는 힘들지만 본 연구에서의 모든 배합에서 나타난 압축강도는 흡음재의 강도로서 큰 문제는 없을 것으로 사료된다.
후속연구
- 이미 펄라이트는 경량성, 단열성, 무독성, 사용 온도의 광범위성, 불연성 등의 성질을 이용하여 건축 분야에서도 이미 경량 단열 모르타르, 경량콘크리트의 경량골재 등으로 그 성능이 입증된 상황이다. 이러한 기존 성능을 이용하고 조직구조에서의 개기공 (open cell)을 이용한다면 흡음효과가 뛰어난 흡음재를 개발할 수 있을 것으로 평가된다. 또한 백색의 화학적으로 안정된 미분말로 다른 재료와 배합해 사용하는데 적합한 성질을 가지고 있으며 공장에서 대량으로 생산되어 경제성면에서 유리하다.
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