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문제 정의
- 그러므로 본 연구에서는 우수한 단열성능 및 공학적 특성을 갖는 무기계 단열벽체 개발을 위한 일련의 실험으로서, 단열소재 중 비교적 가볍고, 사용량이 많은 발포 폴리스티렌(이하 EPS)과 화재 및 균열에 효과적인 무기계 질석(이하V), 세라믹비드(이하 CB) 및 퍼라이트(이하 PL) 등 단열소재의 종류 및 혼입률 변화에 따른 시멘트 모르터의 제반 물성을 평가한 후 최적의 성능을 발휘하는 단열소재와 적정혼입률을 선정하고자 한다.
- 따라서 본 절에서는 3.1절에서 얻어진 결과를 토대로 실제 제조 공정에서 단열소재를 조합 사용한 경우 패널의 역학적 성능을 평가하고자 하는데, 이를 위해 KS F 4735에서 규정하고 있는 압출성형 콘크리트 패널의 휨강도에 미치는 단열소재의 조합사용의 영향을 분석하였다.
- 본 연구의 실험계획은 시리즈 Ⅰ 및 Ⅱ로 나누어 각각 진행하였는데, 시리즈Ⅰ은 단열소재 종류 및 혼입률에 따른물성을 평가하기 위한 목적으로 진행되며, 시리즈 Ⅱ는 시리즈 Ⅰ에서 선정된 단열소재별 적정 혼입률에 단열소재를 2종 이상 혼합한 경우의 실제 공장 생산조건하에서 강도특성을 평가할 목적으로 수행하고자 한다. 그 실험계획은 Table 1 및 2와 같고, 배합사항은 Table 3 및 4와 같다.
제안 방법
- 먼저 시리즈 Ⅰ에서는 모르터 혼합의 경우 모르터 믹서를 사용하여 혼합하는 것으로 하였으며, 시험체 제작은 40×40×160 mm 사이즈를 테이블 바이브레이터를 이용하여 30초간 진동다짐을 실시하였다.
- 먼저, 배합사항으로 시리즈 Ⅰ 및 Ⅱ 모두 W/C 70%에 배합비 1:1.2로 설정하고, 시리즈 Ⅰ에서는 목표 플로우를 W/C 및 C:S 비에 의해 결정하는 것으로 하였으며, 시리즈Ⅱ는 공장에서 시제품으로 생산 시 KS F 4735 기준을 참고하여 목표 휨강도를 14 MPa로 설정하였다. 실험변수로서 시리즈 Ⅰ의 경우 단열소재는 질석(이하 V), 세라믹비드(이하 CB) 및 퍼라이트(이하 PL)를 잔골재에 대한 질량비로 0, 2, 4, 6, 8 및 10% 치환하였고, 발포 폴리스티렌(이하 EPS)을 0, 0.
- 본 연구에서는 건축구조물용 외벽단열 패널을 개발하기위한 일련의 실험을 진행하였는데, 이를 위해 단열소재의 종류, 조합 및 치환률 변화에 따른 시멘트 모르터의 공학적특성을 분석하여 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
- 실험사항으로 시리즈 Ⅰ의 굳지않은 모르터의 측정사항은 플로우, 공기량 및 단위용적질량을 측정하는 것으로 하였고, 경화 모르터의 휨강도는 각각 주어진 재령에 맞추어 측정하는 것으로 계획하였다. 시리즈 Ⅱ에서는 경화 모르터의 측정사항은 휨강도를 측정하는 것으로 계획하였다.
- 8 및 1%를 치환하였다. 시리즈 Ⅱ에서는 단열소재를 조합사용한 것으로써 V, CB, PL을 잔골재에 대한 질량비로 3% 치환하는 것으로 계획하였고, V+CB, V+PL, CB+PL를 각각 1.5% 치환하여 총 3% 치환하는 것으로 계획 하였으며, V+CB+PL는 각각 1%씩 치환하여 총 3% 치환하는 것으로 계획하였다.
- 시리즈 Ⅱ에서는 모르터 혼합의 경우 고속 건식 믹서(1500 rpm)를 이용하여 5분간 건식 믹싱 후 모르터 믹서를 이용하여 5분간 습식 믹싱한 다음 배출함으로써 믹싱을 완료하였다. 시험체 제작은 모르터 믹서에서 배출된 모르터 배합을 압출 성형기에 넣고 압출 성형하여 50×50×200mm 사이즈로 배출 하였고, 양생방법은 Figure 3와 같은 온도곡선에 의거 오토클레이브 양생을 실시하였다.
- 시험체 제작은 모르터 믹서에서 배출된 모르터 배합을 압출 성형기에 넣고 압출 성형하여 50×50×200mm 사이즈로 배출 하였고, 양생방법은 Figure 3와 같은 온도곡선에 의거 오토클레이브 양생을 실시하였다.
- 2로 설정하고, 시리즈 Ⅰ에서는 목표 플로우를 W/C 및 C:S 비에 의해 결정하는 것으로 하였으며, 시리즈Ⅱ는 공장에서 시제품으로 생산 시 KS F 4735 기준을 참고하여 목표 휨강도를 14 MPa로 설정하였다. 실험변수로서 시리즈 Ⅰ의 경우 단열소재는 질석(이하 V), 세라믹비드(이하 CB) 및 퍼라이트(이하 PL)를 잔골재에 대한 질량비로 0, 2, 4, 6, 8 및 10% 치환하였고, 발포 폴리스티렌(이하 EPS)을 0, 0.2, 0.4, 0.6, 0.8 및 1%를 치환하였다. 시리즈 Ⅱ에서는 단열소재를 조합사용한 것으로써 V, CB, PL을 잔골재에 대한 질량비로 3% 치환하는 것으로 계획하였고, V+CB, V+PL, CB+PL를 각각 1.
- 실험사항으로 시리즈 Ⅰ의 굳지않은 모르터의 측정사항은 플로우, 공기량 및 단위용적질량을 측정하는 것으로 하였고, 경화 모르터의 휨강도는 각각 주어진 재령에 맞추어 측정하는 것으로 계획하였다. 시리즈 Ⅱ에서는 경화 모르터의 측정사항은 휨강도를 측정하는 것으로 계획하였다.
- 먼저 시리즈 Ⅰ에서는 모르터 혼합의 경우 모르터 믹서를 사용하여 혼합하는 것으로 하였으며, 시험체 제작은 40×40×160 mm 사이즈를 테이블 바이브레이터를 이용하여 30초간 진동다짐을 실시하였다. 양생방법은 실무의 제조업체에서 권장하고 있는 35゜D․D의 적산온도가 될 때까지 14시간 동안 50℃의 온도로 시 험체를 증기양생 한 후 소요 재령까지 수중양생 하였다.
대상 데이터
- 본 연구에 사용한 재료의 물리 · 화학적 성질은 Table5~13과 같고, 단열소재의 형상은 Figure 1과 같다.
- 본 연구에 사용한 재료의 물리 · 화학적 성질은 Table5~13과 같고, 단열소재의 형상은 Figure 1과 같다. 즉, 시멘트는 국내 A사의 OPC를 사용하였고, 잔골재로서 규사는 국내 K사의 분말도 3000 ㎠/g 급을 사용하였으며, 규회석, 펄프 및 PP섬유도 모두 국내산을 사용하였다. 또한 기타 단열소재인 V, CB, PL 및 EPS도 모두 국내산을 사용하였다.
이론/모형
- 굳지 않은 모르터의 특성 실험으로 플로우는 KS L5111, 공기량은 KS F 2421, 단위용적질량은 KS F 2409에 의거 실시하였고, 경화 모르터의 특성 실험으로 압축강도는 KS F 5105, 휨강도는 ASTM C 348에 의거 계획된 재령에서 측정하였다.
성능/효과
- 1) 단열소재 종류 및 치환률 변화에 따른 플로우는 단열소재의 치환률이 증가할수록 저하하는 것으로 나타났으며, 공기량의 경우 단열소재의 치환률이 증가할수록 시멘트와 잔골재의 내부 공극이 증가됨에 따라 공기량이 증가하는 것으로 나타났다. 단위용적질량의 경우 공기량과 반대의 경향을 나타내었다.
- 2) 단열소재 종류 및 치환률 변화에 따른 휨강도는 전반적으로 플레인에 비해 치환률이 증가할수록 저하되는 경향을 나타내었고, PL을 2% 치환할 시 PL 흡수율에 의한 시멘트 물비 감소로 휨강도는 증진되는 결과를 나타내었으나 2%이상에서는 치환률이 증가될수록 소재 자체의 낮은 강도로 인하여 강도 증진은 점차 상쇄되었다.
- 3) 단열소재의 치환률이 증가될수록 열전도율은 저하되는 것으로 나타났고, 단열소재 중 PL 및 EPS의 경우 우수한 열전도율을 나타내었으며 단위용적질량과 열전도율의 상관관계는 단위용적질량이 감소될수록 열전도율은 저하되는 결과를 나타내었다.
- 4) 단열소재 조합에 따른 휨강도는 전반적으로 단열소재를 사용함에 따라 플레인과 큰 차이는 없는 것으로 나타났으나 V+CB+PL 조합의 경우는 소재의 연속입도 분포에 기인하여 모르터 내부가 밀실 해지면서 플레인보다 약 10%이상 높은 강도 값을 나타내어 단열소재 종류 및 조합 가운데 V+CB+PL을 3% 치환할 경우 제반 역학적 특성에서 가장 우수한 결과 도출할 수 있었다.
- EPS의 치환률 변화에 따른 휨강도의 경우 Plain 대비 여타 단열소재에 비해 전반적으로 강도 발현이 크게 낮은 것으로 나타났는데, 이는 EPS의 경우 소재 자체의 강도가 가장 낮고, 모르터 배합 시 시멘트와 잔골재 사이의 공극이 커짐에 따라 재령이 경과하여도 강도발현이 크게 나타나지 않는 것으로 판단된다.
- 본 연구에서는 단열소재 종류 및 조합의 치환률 변화에 따른 외벽단열패널의 공학적 특성에 대하여 분석하였는데, 그 결과 굳지않은 모르터의 플로우의 경우 단열소재 치환률이 증가할수록 급격히 저하되는 결과를 나타내었으며, 공기량의 경우 단열소재 치환률이 증가될수록 점차 증가되는 결과를 나타내었다. 경화 모르터의 휨강도의 경우 단열소재 치환률이 증가될수록 전반적으로 플레인에 비해 점차 강도가 저하되는 경향을 나타내었으나 PL 2% 치환 시 증가되는결과를 나타내었다. 열전도율의 경우 단열소재 치환률이 증가될수록 급격히 낮아지는 경향을 나타내었으며, 단위용적 질량과 열전도율의 상관관계의 경우 단위용적질량이 감소할수록 열전도율은 우수한 결과를 나타내었다.
- 열전도율의 경우 단열소재 치환률이 증가될수록 급격히 낮아지는 경향을 나타내었으며, 단위용적 질량과 열전도율의 상관관계의 경우 단위용적질량이 감소할수록 열전도율은 우수한 결과를 나타내었다. 단열소재 종류 및 조합에 따른 휨강도의 경우 전반적으로 플레인과 유사한 강도값을 나타내었으나 V+CB+PL을 3% 치환한 조합의 경우 모르터 내부가 밀실해짐에 따라 강도값이 증가되는 결과를 나타내어 단열소재 종류 및 조합 가운데 가장 우수한 결과를 도출할 수 있었다.
- 먼저, 공기량의 경우 단열소재 종류 및 EPS 치환률이 증가할수록 전반적으로 증가되는 경향을 나타내었다. 단열소재 종류별로는 EPS를 사용한 경우 치환률이 증가함에 따라 공기량 증가가 급격하게 나타났는데, 이는 EPS의 경우 입형이 커서 시멘트와 잔골재 사이에 공극이 커짐에 따라 증가된 것으로 판단된다. 단위용적질량은 단열소재 종류 및 치환률 증가에 따라 공기량과 반대의 경향을 나타내었으며, V, CB 및 PL에 비해 EPS의 경우 가장 낮은 단위용적질량을 나타내었는데, 이는 EPS의 밀도가 여타 단열소재에 비해 가장 낮기 때문에 나타난 것으로 판단된다.
- 단열소재 종류별로는 EPS를 사용한 경우 치환률이 증가함에 따라 공기량 증가가 급격하게 나타났는데, 이는 EPS의 경우 입형이 커서 시멘트와 잔골재 사이에 공극이 커짐에 따라 증가된 것으로 판단된다. 단위용적질량은 단열소재 종류 및 치환률 증가에 따라 공기량과 반대의 경향을 나타내었으며, V, CB 및 PL에 비해 EPS의 경우 가장 낮은 단위용적질량을 나타내었는데, 이는 EPS의 밀도가 여타 단열소재에 비해 가장 낮기 때문에 나타난 것으로 판단된다.
- Figure 14는 단위용적질량과 열전도율의 상관관계를 나타낸 것이다. 단위용적질량이 감소될수록 열전도율은 낮아지는 것으로 나타났고, 단위용적질량이 1700 kg/㎥ 이하일 경우 열전도율은 급격히 저하되는 것으로 나타났는데 이는 EPS의 낮은 밀도와 열전도율에 의해 나타난 것으로 판단된다.
- Figure 4 및 5는 단열소재 종류 및 EPS 치환률 변화에 따른 플로우를 나타낸 그래프이다. 먼저 단열소재 종류별로 치환률이 증가함에 따라 전반적으로 플로우는 저하하는 경향을 나타내었다. 특히 EPS의 경우는 치환률 증가에 따라 타 단열소재에 비해 낮은 플로우 치를 나타내었는데, 이는 EPS의 경우 타 단열소재에 비해 입형이 큰 것에 기인하여 플로우 치가 저하된 것으로 판단된다.
- Figure 15는 단열소재 종류 및 조합에 따른 휨강도를 나타낸 것이다. 먼저 플레인의 경우 약 20 MPa의 강도를 나타내어 KS F 4735의 규격인 14 MPa를 만족하는 것으로 나타났고, 단열소재 종류 및 조합에 따라서도 플레인과 큰 차이 없이 유사한 강도를 나타내었으나 PL, V+PL 및 CB+PL의 경우 플레인 대비 약 10% 정도 저하된 강도 값을 나타내었다.
- Figure 12 및 13은 단열소재 종류 및 치환률 변화에 따른 열전도율을 나타낸 것이다. 먼저, Plain에 비해 단열소재 종류별 치환률이 증가할수록 열전도율은 급격히 낮아지는 것으로 나타났고, PL 및 EPS의 경우 다른 단열소재에 비해 낮은 열전도율을 나타내었는데, 이는 밀도가 낮은 경량골재 내의 낮은 열전도율의 정지공기가 단열효과를 높이는 역할을 하여 나타난 것으로 판단된다[8].
- 먼저, 공기량의 경우 단열소재 종류 및 EPS 치환률이 증가할수록 전반적으로 증가되는 경향을 나타내었다. 단열소재 종류별로는 EPS를 사용한 경우 치환률이 증가함에 따라 공기량 증가가 급격하게 나타났는데, 이는 EPS의 경우 입형이 커서 시멘트와 잔골재 사이에 공극이 커짐에 따라 증가된 것으로 판단된다.
- 반면, V+CB+PL 조합의 경우 플레인 보다 약 11%정도 높은 강도 값을 나타내었는데, 이는 입형이 다른 세가지 단열소재가 연속입도를 가짐에 따라 모르터 내부의 공극이 감소되면서 강도 값이 증가된 것으로 판단되며, 단열소재종류 및 조합 가운데 V+CB+PL를 3% 치환한 배합에서 가장 우수한 결과를 도출할 수 있었다.
- 본 연구에서는 단열소재 종류 및 조합의 치환률 변화에 따른 외벽단열패널의 공학적 특성에 대하여 분석하였는데, 그 결과 굳지않은 모르터의 플로우의 경우 단열소재 치환률이 증가할수록 급격히 저하되는 결과를 나타내었으며, 공기량의 경우 단열소재 치환률이 증가될수록 점차 증가되는 결과를 나타내었다. 경화 모르터의 휨강도의 경우 단열소재 치환률이 증가될수록 전반적으로 플레인에 비해 점차 강도가 저하되는 경향을 나타내었으나 PL 2% 치환 시 증가되는결과를 나타내었다.
- 앞의 3.1절에서는 단열소재 종류 및 치환률에 따른 제반물성을 평가하였는데, 그 결과 단열소재 가운데 PL을 2% 전후로 치환하였을 경우 강도 및 단열성능이 가장 우수함을 알 수 있었다.
- 경화 모르터의 휨강도의 경우 단열소재 치환률이 증가될수록 전반적으로 플레인에 비해 점차 강도가 저하되는 경향을 나타내었으나 PL 2% 치환 시 증가되는결과를 나타내었다. 열전도율의 경우 단열소재 치환률이 증가될수록 급격히 낮아지는 경향을 나타내었으며, 단위용적 질량과 열전도율의 상관관계의 경우 단위용적질량이 감소할수록 열전도율은 우수한 결과를 나타내었다. 단열소재 종류 및 조합에 따른 휨강도의 경우 전반적으로 플레인과 유사한 강도값을 나타내었으나 V+CB+PL을 3% 치환한 조합의 경우 모르터 내부가 밀실해짐에 따라 강도값이 증가되는 결과를 나타내어 단열소재 종류 및 조합 가운데 가장 우수한 결과를 도출할 수 있었다.
- 그러나 2% 이상 치환률에서는 PL 치환률이 증가하여도 PL 자체의 낮은 강도로 인하여 물 시멘트비 감소에 따른 강도의 증가 현상은 점차 상쇄되어 치환률이 일정 수준을 넘게 되면 점차 강도가 감소하는 것으로 판단된다. 재령 3일 및 7일의 경우 재령 1일과 유사한 경향으로 재령이 증가할수록 PL 2% 및 4%의 치환의 경우 강도값이 다소 증가하는 경향을 나타내었으나, 다른 단열소재의 경우 강도 값의 큰 변화는 나타나지 않았다. 재령 28일의 경우도 마찬가지로 재령 1, 3 및 7일의 경우와 유사한 강도 경향을 나타내었으며, 나머지 단열소재의 경우 재령이 경과하여도 강도를 크게 발휘하지 못하는 것으로 나타났다.
- Figure 10 및 11은 단열소재 종류 및 치환률 변화에 따른 재령별 휨강도를 나타낸 것이다. 전반적으로 플레인에 비해 단열소재를 종류별로 치환할수록 강도가 저하되는 경향을 나타내었고, 치환률이 증가할수록 크게 강도가 저하되었다.
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