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문제 정의
- 본 일련의 실험은 다공성 재료인 활성탄을 건축용 내장 재료로서 활용하기 위한 기초 연구로서 시멘트계 재료에 혼입하여 굳기 전 재료성능 및 역학적 특성, 열전도율, 밀도 등을 측정하였다.
- 이러한 배경 하에 본 연구는 다공성으로서 경량성과 단열성능, 오염물질 흡착성능이 탁월하다고 평가되고 있는[6,7] 활성탄을 건축마감재로 활용하기 위하여 마감재로서 확보해야하는 기초물성 평가를 실시하였다. 측정항목은 시공성 평가를 위하여 굳기 전 물성 평가와 경화 후 물성 평가로 분류하여 측정하였으며, 참나무 숯 함유 마감재와의 비교를 통하여 대나물 활성탄의 우수성에 대해서도 동시에 검증하였다.
- 흡착성능이 뛰어난 것으로 알려진 대나무 활성탄의 건축내장재로서의 활용을 검토하기 위한 일련의 기초실험을 실시하였다. 기존의 참나무 숯과 성능비교를 위하여 시멘트 모르타르를 혼입하여 압축강도, 휨강도, 플로우실험을 실시하였고 열적특성을 규명하기위해 열전도율, 밀도 등을 측정하였다.
제안 방법
- 흡착성능이 뛰어난 것으로 알려진 대나무 활성탄의 건축내장재로서의 활용을 검토하기 위한 일련의 기초실험을 실시하였다. 기존의 참나무 숯과 성능비교를 위하여 시멘트 모르타르를 혼입하여 압축강도, 휨강도, 플로우실험을 실시하였고 열적특성을 규명하기위해 열전도율, 밀도 등을 측정하였다. 이상의 실험을 실시한 결과, 아래와 같은 결론을 얻을 수 있었다.
- 대나무 활성탄 및 참나무 숯의 분쇄에 의한 최대 직경 및 실험인자는 Table 2와 같이 되도록 배합하였다. 대나무 활성탄 및 참나무 숯은 입자의 최대직경(mm)에 따라 1, 5, fp(0.046~0.13)로 분류하여 사용하였으며, 시멘트와의 수화반응을 없는 것으로 가정하고, 골재로서의 치환에 따른 물성변화를 꾀하기 위하여 일련의 실험을 실시하였다. Table 3는 본 실험에서 채용된 배합의 상세이며, Table 4는 대나무 활성탄 및 참나무 숯의 물성을 나타낸 정보이다.
- 이러한 배경 하에 본 연구는 다공성으로서 경량성과 단열성능, 오염물질 흡착성능이 탁월하다고 평가되고 있는[6,7] 활성탄을 건축마감재로 활용하기 위하여 마감재로서 확보해야하는 기초물성 평가를 실시하였다. 측정항목은 시공성 평가를 위하여 굳기 전 물성 평가와 경화 후 물성 평가로 분류하여 측정하였으며, 참나무 숯 함유 마감재와의 비교를 통하여 대나물 활성탄의 우수성에 대해서도 동시에 검증하였다.
대상 데이터
- 사용재료는 결합재는 보통 포틀랜드 시멘트를 사용하였으며, 잔골재는 하동산 육사를 사용하였다. 잔골재의 조립율은 2.
이론/모형
- Table 1은 열전도율 측정방법을 정상상태와 비정상상태로 분류한 것으로 본 연구에 사용된 방법은 비정상법의 Hot wire method에 해당한다. 측정원리는 Figure 1에 나타낸 바와 같이 두께 d(m)의 균질한 재료에 양단의 온도가 각각 T1 ,T2 (K)의 고온과 저온TL이라고 하면, 고온의 표면의 온도 TH와 저온측의 온도의 상태를 만드는 재료의 열전도율 λp는 식(1)로서 산출할 수 있다[11].
- 굳기 전 물성값인 플로우는 KS L 5111에, 경화 후 물성인 압축강도는 KS L 5201, 휨강도는 ASTM C 348에 준하여 측정하였다.
- 그러나 열선법 이외의 측정법은 측정값이 열확산율이고, 열전도율로 환산하기 위해서는 시료 표면에 흡수되어지는 열류값을 정확히 파악할 필요가 있지만 열선법의 경우에는 열전도율이 직접 측정되고 신속 정확하다는 장점이 있다. 본 연구에서 이용된 신속 열전도율계는 열선법을 계량한 프로브법을 기본원리로 한다. 프로브법은 Figure 2[11]와 같이 무한원통으로 간주할 수 있는 형상의 시료의 중심에 히터선을 붙이고 일정 전력(열량)을 지속적으로 가하면, 히터의 온도는 시간의 경과와 함께 지수함수로 증가한다.
성능/효과
- 1) 압축강도와 휨시험에서는 무혼입 모르타르보다 참나무 숯과 대나무 활성탄을 혼입한 모르타르가 높은 강도를 나타내었고, 대나무 활성탄을 혼입한 모르타르가 참나무 숯을 혼입한 모르타르 보다 강도가 다소 높게 나타났으며 혼입율이 증가할수록 강도가 저하하는 경향을 나타내었다. 대나무 활성탄을 혼입한 모르타르의 강도가 다소 높은 경향을 나타내었으나 두 혼화재 사이의 물성값은 비슷하게 나타났다.
- 2) 열전도율을 측정한 결과는 두혼화재 모두 치환율이 증가할수록 열전도율은 점차 감소하는 것으로 나타났다. 또한 치환율 50%에서부터는 열전도율의 감소율이 현저하여 마감재료로서의 단열성능이 우수함을 나타내었다.
- 3) 참나무 숯과 대나무 활성탄을 혼입한 모르타르의 밀도를 측정한 결과 치환율이 증가할수록 밀도가 감소하는 경향을 나타내었고 분말도가 커질수록 밀도가 감소하는 경향을 나타내었다. 이는 다수의 공극을 포함한 두 혼화재를 치환하여 건축내장재로 사용할 경우, 오염물질 등의 흡착성능은 물론 열 차단성능에서도 우수함을 보여주는 것이다.
- 열적 특성은 치환율이 증가할수록 두 혼화재 모두열전도율이 감소하는 경향을 보여 단열성능이 우수함을 입증하였다. 결과적으로 활성탄을 혼입한 모르타르가 강도와 단열성능이 우수함을 증명하여 기존의 활성탄이 가지고 있는 오염물질 흡착성능과 함께 우수한 건축 마감재로서의 여러 성능이 검증되었다.
- Figure 4는 대나무 활성탄과 참나무 숯의 치환율에 따른 굳지 않은 상태의 모르타르의 플로우 값이다. 대나무 활성탄 또는 참숯을 골재대용으로 치환하면 이들 재료가 배합단계에서 다소 수분을 흡수하는 경향이 있어 플로우값이 약간 감소하는 것으로 나타났다. 활성탄이나 참나무 숯의 비중이 다른 재료에 비해 작기 때문에 모르타르 믹싱 및 플로우 시험 시 모르타르 위쪽으로 부유하거나 과도한 분리를 일으키지 않는 범위 내에서는 유동성에 미치는 영향은 그리 크지 않은 것으로 평가 되었다.
- Figure 5는 대나무 활성탄과 참나무 숯의 분말크기와 치환율에 따른 단위용적질량을 나타낸 것이다. 대체적으로 치환율이 증가할수록, 분말도가 클수록 단위용적질량이 감소하는 경향을 나타내었다. 이는 밀도가 작은 활성탄과 참나무 숯의 함유에 의한 것으로 그 값은 약 2,000(kg/m3)정도로서 일반 시멘트 모르타르 및 콘크리트에 비해서는 다소 낮은 값을 나타내었다.
- 실험결과 참나무 숯과 대나무 활성탄 모두 치환율이 증가할수록 열전도율은 점차 감소하는 것으로 나타났다. 두 재료의 열전도율의 차이는 뚜렷하게 나타나지는 않았지만 참나무 숯과 대나무 활성탄 모두 치환율이 50%에서부터는 열전도율의 감소율이 현저하여 마감재료로서의 단열효과가 뚜렷해질 것으로 기대된다. 이렇게 열전도율이 전반적으로 감소하는 것은 활성탄과 참나무 숯의 치환율이 커질수록 상대적으로 늘어난 수많은 공극이 열전도를 저해하기 때문이라고 사료되어 진다.
- 2) 열전도율을 측정한 결과는 두혼화재 모두 치환율이 증가할수록 열전도율은 점차 감소하는 것으로 나타났다. 또한 치환율 50%에서부터는 열전도율의 감소율이 현저하여 마감재료로서의 단열성능이 우수함을 나타내었다.
- 본 연구를 통하여 대나무 활성탄 혼입 모르타르가 건축 마감자재로서 기존의 친환경성과 더불어 열적특성에서도 우수함이 확인되었으며, 건축물 내 마감재로 사용할 경우에 유해환경의 정화와 새집증후군의 피해를 예방하는 동시에 에너지 효율 또한 높일 수 있을 것이라 생각된다.
- Figure 8은 참나무 숯과 대나무 활성탄을 혼입한 모르타르의 열전도율을 나타낸 것이다. 실험결과 참나무 숯과 대나무 활성탄 모두 치환율이 증가할수록 열전도율은 점차 감소하는 것으로 나타났다. 두 재료의 열전도율의 차이는 뚜렷하게 나타나지는 않았지만 참나무 숯과 대나무 활성탄 모두 치환율이 50%에서부터는 열전도율의 감소율이 현저하여 마감재료로서의 단열효과가 뚜렷해질 것으로 기대된다.
- 활성탄을 혼입한 모르타르의 특성을 분석한 결과 유동성 측면에서는 무치환과 참나무 숯 모두 큰 차이를 보이지 않았고, 강도적인 측면에서는 활성탄을 혼입한 모르타르의 강도가 참나무 숯과 무치환 모르타르에 비해 높게 나타났다. 열적 특성은 치환율이 증가할수록 두 혼화재 모두열전도율이 감소하는 경향을 보여 단열성능이 우수함을 입증하였다. 결과적으로 활성탄을 혼입한 모르타르가 강도와 단열성능이 우수함을 증명하여 기존의 활성탄이 가지고 있는 오염물질 흡착성능과 함께 우수한 건축 마감재로서의 여러 성능이 검증되었다.
- 참나무 숯과 대나무 활성탄을 혼입한 경우 모든 배합에서 대체적으로 치환율이 50%일 때가 30%나 10%일 때보다 혼입한 분말의 분말도에 상관없이 압축강도가 낮아지는 경향을 나타내었다. 전반적으로 대나무 활성탄 및 참나무 숯의 분말도와의 상관관계는 미비한 것으로 나타났다. 이러한 경향은 배합단계에서 대나무 활성탄 및 참나무 숯이 수분을 흡수하여 물시멘트비에 영향을 미치게 되고, 이러한 현상이 강도 증진의 결과로 나타났다고 생각된다.
- 치환율이 증가할수록 밀도가 감소하는 경향을 나타내고 있고 분말도가 커질수록 감소하는 경향을 나타내고 있다. 전체적으로 무치환에 비해 참나무 숯과 대나무 활성탄을 혼입한 모르타르의 밀도가 감소한 것으로 나타나 열 차단성능이 우수한 것을 알 수 있고 입자가 커질수록 열 차단효과에 더 우수함을 나타내었다. 이러한 열적 특성을 열전달 해석의 입력값으로 사용될 수 있어 수치해석을 통한 예측시뮬레이션의 기초자료로 활용될 수 있을 것으로 생각된다.
- 참나무 숯이나 대나무 활성탄을 혼입한 경우 모두 무혼입 모르타르에 비해 휨강도가 높은 경향을 나타냈으며, 전반적으로 대나무 활성탄을 혼입한 모르타르의 휨강도가 참나무 숯 혼입의 경우보다 약간 높게 나타났다. 참나무 숯을 혼입한 모르타르의 경우는 대체적으로 치환율이 30% 일 때 휨강도가 비교적 낮게 나타났고, 치환율에 따른 휨강도 변화는 전체적으로 미비하게 나타났다.
- Figure 7에 참나무 숯 및 대나무 활성탄을 혼입한 시멘트 모르타르의 휨강도를 측정한 결과 그래프를 나타내었다. 참나무 숯이나 대나무 활성탄을 혼입한 경우 모두 무혼입 모르타르에 비해 휨강도가 높은 경향을 나타냈으며, 전반적으로 대나무 활성탄을 혼입한 모르타르의 휨강도가 참나무 숯 혼입의 경우보다 약간 높게 나타났다. 참나무 숯을 혼입한 모르타르의 경우는 대체적으로 치환율이 30% 일 때 휨강도가 비교적 낮게 나타났고, 치환율에 따른 휨강도 변화는 전체적으로 미비하게 나타났다.
- Figure 9는 참나무 숯과 대나무 활성탄을 혼입한 모르타르의 밀도를 나타낸 것이다. 치환율이 증가할수록 밀도가 감소하는 경향을 나타내고 있고 분말도가 커질수록 감소하는 경향을 나타내고 있다. 전체적으로 무치환에 비해 참나무 숯과 대나무 활성탄을 혼입한 모르타르의 밀도가 감소한 것으로 나타나 열 차단성능이 우수한 것을 알 수 있고 입자가 커질수록 열 차단효과에 더 우수함을 나타내었다.
- 활성탄을 혼입한 모르타르의 특성을 분석한 결과 유동성 측면에서는 무치환과 참나무 숯 모두 큰 차이를 보이지 않았고, 강도적인 측면에서는 활성탄을 혼입한 모르타르의 강도가 참나무 숯과 무치환 모르타르에 비해 높게 나타났다. 열적 특성은 치환율이 증가할수록 두 혼화재 모두열전도율이 감소하는 경향을 보여 단열성능이 우수함을 입증하였다.
후속연구
- 전체적으로 무치환에 비해 참나무 숯과 대나무 활성탄을 혼입한 모르타르의 밀도가 감소한 것으로 나타나 열 차단성능이 우수한 것을 알 수 있고 입자가 커질수록 열 차단효과에 더 우수함을 나타내었다. 이러한 열적 특성을 열전달 해석의 입력값으로 사용될 수 있어 수치해석을 통한 예측시뮬레이션의 기초자료로 활용될 수 있을 것으로 생각된다.
- 이렇게 열전도율이 전반적으로 감소하는 것은 활성탄과 참나무 숯의 치환율이 커질수록 상대적으로 늘어난 수많은 공극이 열전도를 저해하기 때문이라고 사료되어 진다. 향후 대나무 활성탄 및 참나무 숯 뿐만 아니라 이러한 재료를 혼입한 모르타르의 공극량도 정량적으로 평가함으로써 열전도율 감소 관계 분석의 기초자료로 활용해야 할 것으로 사료된다.
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