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문제 정의
- 또한, 경화 후에는 공극만 남게 되고 포막을 형성하던 액체는 증발하여 없어지게 되므로 경화한 기포 콘크리트의 중량은 주로 분체계 재료와 배합수로 이루어지는 시멘트 슬러리의 무게에 의존하게 된다.11) 따라서 이 연구에서는 재료와 배합비를 동일하게 설정하여 오직 기포의 특성에 의한 밀도 변화에 대해 검토하였다.
- 이 연구의 실험 계획은 Table 1과 같다. 기포제 종류 및 희석농도가 기포 콘크리트에 미치는 영향을 파악하기 위하여 우선 기포제 자체의 재료특성을 검토하였다. 기포제는 국내 시장에서 유통 중인 음이온계 계면활성제가 주성분인 AES와 AOS, 식물성 수지 비누계의 VS, 가수 분해 단백질계인 FP의 4종을 대상으로 하였다.
- 또한, 상기 실험에서 도출된 기포의 특성이 기포 콘크리트의 물리적 특성 및 열적 특성 변화에 미치는 영향을 검토하였다. 기포제 4종을 1%, 3%, 5%의 희석농도로 하여 제조된 기포를 슬러리 용적 대비 30%, 50%, 70%로 혼합하여 기포 콘크리트의 밀도영역을 세 수준으로 설정하였으며 굳지 않은 상태에서 플로우와 슬러리 밀도를, 경화상태에서 절건밀도와 압축강도, 열전도율, 공극형상을 측정하였다.
- 65 t/ m3, 분말도 4,000 cm2/g)를 사용하였다. 소석회는 calcium silicate 화합물의 수화 촉진을 위해, 무수석고는 알루미나 시멘트에 의한 믹싱 중 응결방지를 목적으로 첨가하였다. 고성능 감수제는 나프탈렌계로써 시멘트 중량의 1% 사용하였다.
- 이 연구는 건물부문의 에너지 절감을 목적으로 건물에 적용가능한 경량기포 콘크리트 단열패널을 개발하기 위한 연구의 일부로서 현재 상용화되어 있는 4종류의 기포제를 대상으로 최적의 기포 콘크리트 제조조건을 검토한 것이다.
가설 설정
- 13) 즉, 밀도가 높다는 것은 경화 매트릭스의 공극율이 작으며 단위 시멘트량이 상대적으로 많다는 것으로써 압축강도에 직접적인 영향을 미치게 된다. 이 연구에서도 밀도는 압축강도에 지배적으로 영향을 미치고 있어 이에 대한 변화를 분석하였고 그 결과는 Fig.
제안 방법
- 기포제는 국내 시장에서 유통 중인 음이온계 계면활성제가 주성분인 AES와 AOS, 식물성 수지 비누계의 VS, 가수 분해 단백질계인 FP의 4종을 대상으로 하였다. 각 기포제의 농도를 0.5%, 1%, 3%, 5% 중량비로 희석한 후, 기포 희석액의 표면장력을 측정하였고 기포발생기에서 제조된 기포의 발포율과 단위중량을 측정하였다.
- 선발포 방식은 미리 제조한 기포를 기포 콘크리트 슬러리에 첨가하는 것으로 기포의 조절이 자유로워 경화체의 밀도를 컨트롤할수 있으며, 시공성이 양호하고 구형의 기포를 생성할 수 있다. 기포 제조는 공기압출방식으로 기포제 희석 수용액을 유입시킨 후 발포기를 통해 제조하였고, 시멘트페이스트는 수열합성반응을 유도하기 위해 보통 포틀랜드 시멘트와 규사미분을 기본으로 기타 혼합재를 아스팔트믹서를 사용하여 30초간 건비빔한 후, 배합수를 첨가하여 저속에서 1분, 고속에서 1분간 혼합하여 제조하였다.
- 또한, 상기 실험에서 도출된 기포의 특성이 기포 콘크리트의 물리적 특성 및 열적 특성 변화에 미치는 영향을 검토하였다. 기포제 4종을 1%, 3%, 5%의 희석농도로 하여 제조된 기포를 슬러리 용적 대비 30%, 50%, 70%로 혼합하여 기포 콘크리트의 밀도영역을 세 수준으로 설정하였으며 굳지 않은 상태에서 플로우와 슬러리 밀도를, 경화상태에서 절건밀도와 압축강도, 열전도율, 공극형상을 측정하였다. Table 2는 실험배합을 나타낸 것으로 물·결합재 40%, CaO/SiO2 mol ratio는 1.
- 기포 콘크리트는 다공극으로 되어있어 흡습과 흡수를 방지하여야 하나 이 공극이 수증기 상태나 물의 상태에 있으면 단열효과가 떨어진다. 따라서 이 실험에서는 각 시험체를 100℃로 건조시켜 절대건조상태에서 열전도율을 측정하였다.
- 열전도율은 300 mm×300 mm×50 mm 형태로 성형한 기포 콘 크리트 패널을 독일 N사의 HFM436을 이용해 <KS L 3808, 발포 폴리스티렌(PS) 단열재>에 의거하여 실시하였고, 평균온도 21±3°C 범위에서 열류방향은 위쪽으로 향하게 하였다. 또한, 시험체의 중앙을 절단한 후 절단면의 공극형상을 광학현미경을 통해 10배율로 관찰하였다.
- 시험체의 밀도, 압축강도는 100 mm 큐빅 몰드, 휨·인장강도는 100 mm × 100 mm × 400 mm 빔 몰드, 열전도율은 300 mm × 300 mm × 50 mm 프리즘 몰드에 성형하여 측정하였다.
- 기포 자체의 재료특성을 알아보기 위한 기포 희석액의 표면장력실험은 <KS M ISO 304 계면활성제 - 액체막을 끌어올림에 의한 표면장력의 측정>에 준하여 Du nouy tensiometer를 이용해 측정하였다. 압축공기에 의해 발생된 기포의 발포율은 3 L 단위용적용기의 중량 대비 용적으로 측정하였다.
- 열전도율은 300 mm×300 mm×50 mm 형태로 성형한 기포 콘 크리트 패널을 독일 N사의 HFM436을 이용해 에 의거하여 실시하였고, 평균온도 21±3°C 범위에서 열류방향은 위쪽으로 향하게 하였다.
대상 데이터
- 소석회는 calcium silicate 화합물의 수화 촉진을 위해, 무수석고는 알루미나 시멘트에 의한 믹싱 중 응결방지를 목적으로 첨가하였다. 고성능 감수제는 나프탈렌계로써 시멘트 중량의 1% 사용하였다.
- Table 4는 사용된 재료의 화학조성을 나타낸 것이다. 기포 콘크리트의 강도발현을 위한 수열합성반응에서 칼슘질 원료로 사용되는 시멘트는 KS L 5201 규정에 만족하는 국내 H사의 보통 포틀랜드 시멘트(밀도 3.15 t/m3, 분말도 약 3,000 cm2/g)를 사용하였다. 실리카질 원료로는 분말도가 3,000 cm2/g 이상이며 SiO2 함량이 약 88%인 규사미분을 사용하였다.
- 기포제 종류 및 희석농도가 기포 콘크리트에 미치는 영향을 파악하기 위하여 우선 기포제 자체의 재료특성을 검토하였다. 기포제는 국내 시장에서 유통 중인 음이온계 계면활성제가 주성분인 AES와 AOS, 식물성 수지 비누계의 VS, 가수 분해 단백질계인 FP의 4종을 대상으로 하였다. 각 기포제의 농도를 0.
- 실리카질 원료로는 분말도가 3,000 cm2/g 이상이며 SiO2 함량이 약 88%인 규사미분을 사용하였다. 또한 초기 응결촉진 및 재료분리 방지를 위해 Al2O3 함량이 약 60%인 알루미나 시멘트(밀도 2.65 t/ m3, 분말도 4,000 cm2/g)를 사용하였다. 소석회는 calcium silicate 화합물의 수화 촉진을 위해, 무수석고는 알루미나 시멘트에 의한 믹싱 중 응결방지를 목적으로 첨가하였다.
- 15 t/m3, 분말도 약 3,000 cm2/g)를 사용하였다. 실리카질 원료로는 분말도가 3,000 cm2/g 이상이며 SiO2 함량이 약 88%인 규사미분을 사용하였다. 또한 초기 응결촉진 및 재료분리 방지를 위해 Al2O3 함량이 약 60%인 알루미나 시멘트(밀도 2.
이론/모형
- 기포 자체의 재료특성을 알아보기 위한 기포 희석액의 표면장력실험은 에 준하여 Du nouy tensiometer를 이용해 측정하였다.
- 기포 콘크리트의 플로우는 , 절건 밀도는 에 준하여 실시하였다.
- 압축강도는 <ASTM C 495-99a standard test method for compressive strength of lightweight insulating concrete>에 의하여 측정하였다.
성능/효과
- 하지만 밀도가 증가할수록 기포제 종류에 따라 압축강도의 차이가 발생하였다. 0.8 t/m3 수준에서 AOS와 FP를 사용한 시험체의 압축강도는 약 7 MPa로 가장 큰 값을 나타냈고 VS, AES의 경우 약 5 MPa 수준의 강도를 갖는 것으로 나타났다. 1.
- 1) 기포 희석액의 표면장력은 FP를 사용한 경우 기포제 희석농도가 증가할수록 완만하게 감소하여 가장 큰 값을 나타낸 반면 AOS의 경우 매우 적은 양으로도 표면장력을 용이하게 낮출 수 있었다.
- 1) 실례로, 2010년 부산에서 발생한 초고층 오피스텔 건물의 화재는 건물 외벽에 미관을 위해 사용된 알루미늄 패널과 그 심재인 가연성 폴리에틸렌이 원인으로 나타났다.
- 8 t/m3 수준에서 AOS와 FP를 사용한 시험체의 압축강도는 약 7 MPa로 가장 큰 값을 나타냈고 VS, AES의 경우 약 5 MPa 수준의 강도를 갖는 것으로 나타났다. 1.0 t/m3수준에서는 FP와 VS가 약 11 MPa로써 비슷한 강도를 나타냈으며 AOS와 다른 기포제와의 강도 차이는 더크게 나타났다. 기포 콘크리트 제조용 기포제로서 AOS와 FP가 압축강도에 가장 효과적인 것으로 판단되며, 가장 낮은 압축강도를 나타낸 AES와 비교하면 약 2~3 MPa 정도의 강도 차이가 나타났다.
- 2) AES와 VS를 사용하여 제조한 기포의 발포력이 더 우수하여 단위중량은 낮은 값을 나타냈으며 FP의 경우 농도 1%로써 제조된 기포는 다량의 수분을 함유하기 때문에 3% 이상의 농도를 사용해야 안정적인 기포를 생성할 수 있다.
- 3) 굳지 않은 기포 콘크리트의 유동성에 대한 기포제 희석농도의 영향은 나타나지 않았고 기포농도 1% 조건에서는 기포의 특성이 유동성에 큰 영향을 주는 것으로 나타났다. 또한, 3% 이상의 조건에서 기포제 종류에 따른 영향은 나타나지 않았다.
- 4) 슬러리 밀도는 기포 단위중량에 의해 영향을 받아 유사한 값을 나타냈지만 양생과정에서 기포의 손실작용에 의해 기포제 종류에 따른 절건밀도의 차이가 나타났다
- 5) 밀도의 증가에 따른 강도발현 추이는 기포제 종류별로 다르게 나타났으며 AOS와 FP가 강도 발현에 가장 효과적인 것으로 나타났다.
- 6) 기포 콘크리트에서의 열전도율은 밀도보다는 기포 자체의 특성에 의해 차이를 나타내고 천연소재의 기포제를 사용한 시험체의 경우에 가장 우수한 열전도율을 나타냈으며 4종의 기포제 모두 KS기준을 만족하였다.
- 7) 기포제 희석농도와 기포율이 증가할수록 공극의 양과 크기는 커지며 기포간 결합이 활발해져 열린공극이 형성된다.
- 8) 제조된 기포의 특성과 기포 콘크리트 경화체의 물리·역학적, 열적 특성 등을 고려할 때, 기포제는 FP, 기포제 희석농도는 3%를 사용할 경우 안정적인 강도와 뛰어난 단열성능을 확보할 것으로 판단된다.
- AES, VS, FP를 사용한 패널은 비교적 완만하게 직선적으로 증가하는 경향을 나타내고 있지만 AOS의 경우 그래프의 기울기가 가장 크게 나타나 밀도 증가에 따른 단열성능은 다른 실험군에 비하여 떨어지는 것으로 나타났다. 또한, 일부 AOS를 사용한 시험체를 제외한 모든 시험체가 <KS F 4039, 현장 타설용 기포 콘크리트>에서 규정하고 있는 기포 콘크리트의 열전도율(0.
- 5는 기포의 단위중량을 나타낸 것으로 발포율과 반비례적으로 나타나고 있다(FP>AOS>VS>AES). AES와 VS는 1% 농도까지 감소하지만 이후에는 거의 변화가 없었으며, AOS와 FP는 3% 농도까지 단위중량이 감소하는 것으로 나타났다. 3% 이상에서는 34~48 kg/m3로 4종의 기포제가 모두 유사하게 나타났다.
- 12는 기포제 종류에 따른 각 기포 콘크리트 패널의 열전도율을 측정한 결과이다. AOS와 AES, VS, FP를 사용한 시험체의 열전도율은 각각 0.09~0.39, 0.11~0.35, 0.10~0.30, 0.09~0.27 W/mK의 범위로 나타났으며 기포율이 증가할수록 열전도율은 감소하는 것으로 나타났다. 저밀도 영역에서는 기포제 종류에 따른 열전도율의 차이는 거의 없지만 밀도가 증가할수록 큰 차이를 나타내고 있다.
- 15 mN/m인데 비하여 기포제를 첨가한 희석액의 경우 저하하고 있으며 기포제의 종류에 따른 차이는 FP>AES≒VS>AOS의 순서로 나타나고 있다. FP는 농도 5%에서 60.94 mN/m로 농도의 증가에 따라 완만하게 표면장력이 감소하였지만, AES와 VS, AOS의 경우 농도 0.5%에서 각각 42.08, 39.60, 30.92 mN/m로 감소하여 매우 적은 양으로도 수용액의 표면장력을 저하시킬 수 있었다. 그러나 그 이상의 농도 증가에 따른 표면장력 감소는 없었으며 오히려 약간 증가하는 경향을 나타냈다.
- 결과적으로 FP와 VS를 3% 이상 희석하여 사용하였을 경우 기포 콘크리트 단열패널로서 가장 우수한 단열성능을 가질 것으로 판단된다.
- 0 t/m3수준에서는 FP와 VS가 약 11 MPa로써 비슷한 강도를 나타냈으며 AOS와 다른 기포제와의 강도 차이는 더크게 나타났다. 기포 콘크리트 제조용 기포제로서 AOS와 FP가 압축강도에 가장 효과적인 것으로 판단되며, 가장 낮은 압축강도를 나타낸 AES와 비교하면 약 2~3 MPa 정도의 강도 차이가 나타났다. 밀도 증가에 따른 강도발현 추이는 기포제 종류에 따라 다른 양상으로 나타났으며 기포제 자체의 특성이 결과적으로 기포 콘크리트 경화체의 강도 특성에도 영향을 주는 것으로 판단된다.
- 농도 1% 수준에서는 AES>VS>AOS>FP 순으로 기포의 발포율이 높게 나타났으며 농도 2%를 기점으로 VS 가 AES보다 약간 높은 값을 나타내었다.
- 동일 밀도 상에서 희석농도가 작을수록 열전도율은 증가하는 것으로 나타났다. 농도 3%와 5%로써 제조한 패널의 열전도율은 거의 유사하게 나타났으나 1%농도를 사용한 시험체의 경우 비교적 높은 열전도율 값을 나타냈다. 이는 기포제 희석농도 1%만으로 제조된 기포는 단위중량이 크고 발포율이 낮아 기포 콘크리트 경화체의 기포구조를 적절히 만들지 못하여 나타난 것으로 사료된다.
- 13은 기포제 희석농도와 열전도율의 상관관계를 나타낸 것이다. 동일 밀도 상에서 희석농도가 작을수록 열전도율은 증가하는 것으로 나타났다. 농도 3%와 5%로써 제조한 패널의 열전도율은 거의 유사하게 나타났으나 1%농도를 사용한 시험체의 경우 비교적 높은 열전도율 값을 나타냈다.
- 동일 밀도 그룹에서 기포제 희석농도가 증가하면 단일 기포의 크기가 커지고 기포간 계면이 파괴되어 연속공극을 형성하며 결과적으로 낮은 압축강도를 나타낸 것으로 사료된다. 또한 밀도가 높을수록 기포농도에 따른 압축강도의 차이는 다소 증가되는 것으로 나타났다.
- 또한, 일부 AOS를 사용한 시험체를 제외한 모든 시험체가 에서 규정하고 있는 기포 콘크리트의 열전도율(0.4 t/m3-0.13 W/ mK 이하, 0.5 t/m3-0.16 W/mK 이하, 0.7 t/m3-0.19 W/mK 이하) 기준을 모두 만족하였으며 특히 FP와 VS를 사용한 경우에 가장 우수한 단열성능을 나타냈다.
- 모든 조건에서 기포율이 증가할수록 상대적으로 시멘트 페이스트의 양이 감소함에 따라 공극은 증가하며 이러한 경향은 단면 사진으로도 확인할 수 있었다. 또한, 기포농도가 증가할수록 기포의 크기는 커지고 기포 계면이 파괴되면서 열린공극이 형성되었다.
- 기포 콘크리트 제조용 기포제로서 AOS와 FP가 압축강도에 가장 효과적인 것으로 판단되며, 가장 낮은 압축강도를 나타낸 AES와 비교하면 약 2~3 MPa 정도의 강도 차이가 나타났다. 밀도 증가에 따른 강도발현 추이는 기포제 종류에 따라 다른 양상으로 나타났으며 기포제 자체의 특성이 결과적으로 기포 콘크리트 경화체의 강도 특성에도 영향을 주는 것으로 판단된다.
- 8과 같다. 슬러리 밀도 대비 절건밀도의 차이는 AES, FP, AOS의 경우 약 0.20~0.22 t/m3 , VS의 경우 0.16 t/m3로 나타났고, 기포제 종류에 따른 절건밀도는 VS가 다소 높고 AES, FP, AOS는 서로 유사하게 나타났다. VS가 다소 높은 현상은 전치 양생과정 중에 굳지 않은 기포 콘크리트 내의 기포가 일부 소포되고, 그 결과 용적의 감소량이 보다 많아 발생된 것으로 판단된다.
- 이 연구에서 사용한 선발포 방식의 기포 제조는 기포율 30%, 50%, 70%에 대하여 절건밀도는 각각 1.00~1.20, 0.67~0.82, 0.34~0.44 t/m3로 일정하게 나타나 기포율의 조절을 통한 밀도 컨트롤이 가능하였다.12)
- 1%의 경우 기포제 종류별로 차이가 발생하고 3% 이상의 경우 표면장력이 낮은 기포제가 다소 높은 값이 나타나지만 그 차이는 매우 미비하여 전체적으로 유사한 경향이 나타났다. 희석농도 1%의 조건에서 기포제 종류별 플로우의 차이는 기포의 단위중량과 표면장력의 영향을 받은 것으로 AES, AOS, VS는 기포제의 표면장력과 유사한 변화가 나타나고, FP는 표면장력이 높음에도 플로우가 높은 것은 발포율이 낮아 물을 많이 함유하고 있어 발생된 것으로 판단된다. 희석농도 3% 이상의 조건에서 플로우는 기포제의 CMC에 의해 안정적인 기포가 형성되어 유사한 경향이 나타난 것으로 판단된다.
- FP의 경우 다른 실험군에 비해 발포율이 낮은 경향을 보이며 안정적인 기포를 얻기 위해서는 기포제 희석농도를 더 증가시켜야 할 것으로 판단된다. 희석농도에 따른 발포율 증가 추이를 살펴보면, AES와 VS는 농도 3%까지는 발포율이 증가하지만 그 이후에는 2,600~2,800%를 유지하는 것으로 나타났으며, AOS와 FP는 농도 5%까지 점진적으로 증가하는 경향을 나타내었다.
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