[논문]폐발포 폴리우레탄이 혼입된 경량 콘크리트의 기초적 연구

박상효; 이성규; 이민희

doi:10.14190/jrcr.2016.4.4.356

[국내논문] 폐발포 폴리우레탄이 혼입된 경량 콘크리트의 기초적 연구
A Basic Study on Light-weight Concrete Using Wasted Form Polyurethane 원문보기

Journal of the Korean Recycled Construction Resources Institute = 한국건설순환자원학회 논문집, v.4 no.4, 2016년, pp.356 - 362

박상효 (한국화학융합시험연구원 건설시스템팀) , 이성규 (한국화학융합시험연구원 건설시스템팀) , 이민희 (호원대학교 건축학과)

초록
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경량 콘크리트는 기포제를 사용하여 건축자재의 경량화와 단열성을 추구하고 있다. 그러나 기포제의 사용은 콘크리트의 체적이 감소되고, 압축강도가 낮아지는 문제점이 있다. 본 연구에서는 별도의 기포제를 사용하지 않고 산업 부산물인 폐발포 폴리우레탄을 재활용하여 콘크리트의 경량화와 단열성을 확보하고자 한다. 그리고 콘크리트의 시공성과 재료분리를 방지하기 위해 소량의 혼화재를 사용한다. 이러한 혼화재의 혼입률이 폐발포 폴리우레탄이 혼입된 경량 콘크리트의 물성에 미치는 영향을 확인하고자 한다. 실험 결과, 두 개 회사의 혼화재 중에서 폐발포 폴리우레탄이 고르게 분산되는 것을 사용하였다. 혼화재의 혼입률을 다르게하여 배합한 결과는 혼화재의 혼입이 많을수록 콘크리트의 유동성이 감소된 반면, 콘크리트의 함수율과 압축강도는 소폭 증가하였다. 또한, 난연성능과 차음성능을 확보할 수 있는 것으로 나타났다.

Abstract ▼ AI-Helper

Light-weight concrete uses forming agents for reducing weight and high heat insulation property. However, the forming agents make problems of decreased volume and compressive strength of the concrete. This research aims to having weight-reduction and securing heat insulation property using recycled wasted form polyurethane without any forming agents. A small quantity of admixture used for constructability and avoiding material segregation. We picked admixtures from two different companies which shows evenly dispersed of wasted form polyurethane. This research conducts a study on the effect of mixing ratio of admixture on the light-weight concrete used wasted form polyurethane. As a result of the test, increased mixing ratio of the admixtures results reduced fluidity of concrete. On the other hand, percentage of moisture content and compressive strength are increased slightly. Combustibility performance and sound insulation performance are also secured, as well.

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문제 정의

그중, 유동성 및 압축강도 실험은 현장 타설용 기포 콘크리트(KS F 4039 : 2004)의 0.5품 기준과 비교하여 현장 적용성을 평가하고자 한다.
본 연구에서는 기포제를 사용한 경량 콘크리트에서 발생될 수 있는 문제점을 해결하기 위해 기포제를 사용하지 않는 경량 콘크리트를 개발하고자 하며, 이를 위해 밀도가 낮은 폐발포 폴리우레탄과 혼화재에 대한 배합설계를 실시하여, 경량 콘크리트의 최적 배합에 대한 기초 자료를 제시하고자 한다.
본 연구는 기포제를 사용한 경량 콘크리트의 문제점(콘크리트의 체적 감소 및 강도 저하로 인한 균열 발생)을 개선시키기 위하여 기포제를 사용하지 않는 경량 콘크리트에 폐발포 폴리우레탄과 혼화재를 배합하여 건축 구조물의 온돌구조에 적용되는 현장 타설용 경량 콘크리트의 물성과 비교하는 것에 그 목적이 있다.
4(a)와 같이 폐발포 폴리우레탄의 부립과 모르타르의 침하로 재료분리가 발생하였다. 반면 샘플 B는 증점의 점도가 높고 폐발포 폴리우레탄의 분산 정도가 높은 것으로 판단되어 샘플 B의 혼화재료를 최종 배합에 사용하고자 한다.
본 연구에서는 폐발포 폴리우레탄을 이용한 콘크리트의 난연성능(준불연)을 평가하기 위하여 실험실에서 시료를 제작한 후 한국산업표준 KS F ISO 5660-1 [연소성능실험-열 방출, 연기발생, 질량감소율 제1부 : 열 방출률(콘칼로리미터법)]에 따른 실험 및 KS F 2271(건축물의 내장재료 및 구조의 난연성 실험방법)의 방법 중 가스유해성에 대한 실험을 실시하였다.

제안 방법

실험항목으로는 유동성, 겉보기 밀도, 압축강도, 난연성능, 바닥 충격음 차단 성능을 실시하였다. 그중, 유동성 및 압축강도 실험은 현장 타설용 기포 콘크리트(KS F 4039 : 2004)의 0.
폐발포 폴리우레탄을 이용한 콘크리트에 적용할 2개 샘플의 혼화 재료를 동일 배합 조건으로 적용하였으며 혼합방법은 원활한 작업성의 확보와 균질한 복합체의 제조를 위하여 폐발포 폴리우레탄에 혼화 재료를 투입하여 건비빔을 실시한 후, Table 3과 같은 배합으로 시멘트와 혼합수, 경량골재를 투입하여 믹서를 회전시켜 혼합하였다.
혼화재료 샘플 B를 이용하여 Table 4와 같이 3kg, 4kg, 5kg으로 투입량을 조절하여 배합을 실시하였다. 폐발포 폴리우레탄의 혼입률은 시멘트에 대한 질량비로 6.
혼화재료 샘플 B를 이용하여 Table 4와 같이 3kg, 4kg, 5kg으로 투입량을 조절하여 배합을 실시하였다. 폐발포 폴리우레탄의 혼입률은 시멘트에 대한 질량비로 6.3%, 경량골재는 폐발포 폴리우레탄의 15%로 고정하여 혼화재료의 분산정도, 유동성 개선효과를 평가하고자 한다.
폐발포 폴리우레탄을 이용한 복합체의 유동성 및 함수율 평가를 위해 흐름실험판 위에 몰드를 놓고 혼합된 시료를 2층으로 투입하여 20회씩 다진 후, 몰드를 들어 올리고 흐름실험판을 15초 동안 25회의 속도로 1.27cm의 높이에서 낙하시켜 시료의 흘러 퍼진 지름을 측정하여 흐름값을 산출하였다
기포제를 사용하지 않는 경량 콘크리트에 대하여 폐발포 폴리우레탄과 혼화재의 배합설계를 실시하였으며, 건축물 온돌구조용 경량 콘크리트의 현장에 적용성을 평가한 연구 결과는 다음과 같다.

대상 데이터

본 실험에 사용할 시멘트는 KS L 5201의 규정에 적합한 보통 포틀랜드 시멘트를 사용하였다.

이론/모형

폐발포 폴리우레탄의 품질특성을 평가하기 위하여 KS F 2502, KS F 2505의 표준에 준하여 평가하였으며, 그 결과는 Table 2, Fig. 2와 같으며, 폐발포 폴리우레탄의 미립분을 5mm체로 제거하고 잔류분만으로 배합을 적용하였다.
또한 폐발포 폴리 우레탄을 이용한 콘크리트의 겉보기 밀도은 KS F 2459에 준하여 실시하였으며, 함수율은 KS F 2459에 준하여 측정하였다.
폐발포 폴리우레탄을 이용한 콘크리트의 압축강도는 KS F 2459 및 KS F 2405에 준하여 재령 7일 및 재령 28일에 측정하였다.
바닥충격음 차단성능의 측정은 KS F 2810-1 및 KS F 2810-2에서 규정하고 있는 방법에 의하여 실시하였으며 경량충격음레벨 및 중량충격음레벨을 측정하였다.
5m) 떨어진 지점으로 하였다. 그리고 바닥 충격음 측정결과는 KS F 2863-1 및 KS F 2863-2에서 규정하고 있는 평가방법 중 역A특성곡선에 의한 평가방법을 이용하여 평가하였다.

성능/효과

실험 결과는 Table 5와 같이, 폐발포 폴리우레탄 경량 콘크리트의 유동성은 240mm, 198mm, 174mm로 측정되었으며, 겉보기 밀도는 0.62g/cm³, 0.58g/cm³, 0.54g/cm³로 나타났다.
반면, 함수율의 경우에는 혼화재의 투입량이 증가할수록 5.25%, 5.48%, 5.63%로 점차 증가하는 것으로 나타나 유동성과 겉보기 밀도와의 측정값과 상반되는 경향을 보였다.
혼화재의 투입량이 증가할수록 재료의 점성이 증가하는 경향이 나타났으며, KS F 4039의 0.5품 기준인 180mm 이상을 만족하는 것은 Case 1과 Case 2로 나타났다. 그러나 겉보기 밀도의 기준이 0.
4N/mm²이다. Table 6에서 압축강도가 전반적으로 높은 Case 3의 경우는 7일 압축강도가 KS F 4039 기준 대비 167% 향상되었으며, 28일 압축강도는 150% 향상된 것으로 나타났다.
기존의 기포제를 사용한 경량 콘크리트보다 기포제를 사용하지 않고 폐발포 폴리우레탄을 적용한 경량 콘크리트의 압축강도가 약 150%이상 향상되었다. 이는 건축물의 온돌구조용으로 적용할 경우에 바닥 콘크리트의 균열 발생 저감에 영향을 미칠 것으로 판단된다.
폐발포 폴리우레탄을 이용한 콘크리트의 준 불연 실험 결과는 Table 7과 같이 총 방출열량이 3.7MJ/m², 4.8MJ/m², 4.5MJ/m²로 나타났고 열방출율 200kW/m², 초과 시간이 0초, 가스유해성은 14분 21초, 14분 41초를 나타났다.
또한, 준 불연 실험 후에 시험체의 표면을 검사한 결과, 시험체를 관통하는 방화상 유해한 균열, 구멍 및 용융 등의 현상이 발생되지 않는 것으로 나타났다.
따라서 폐발포 폴리우레탄을 이용한 경량 콘크리트는 국토해양부 고시에서 규정하고 있는 준 불연재료의 성능기준을 만족시키는 것으로 나타나 난연 성능을 확보할 수 있는 것으로 판단된다.
실험 결과는 Table 8과 같으며, 폐발포 폴리우레탄을 이용한 콘크리트의 표준 경량 충격원에 의한 역 A특성 가중 규준화 바닥 충격음 레벨 측정과는 53dB로 나타났으며, 표준 중량 충격원에 의한 역 A특성 가중 규준화 바닥 충격음 레벨 측정결과는 45dB 로 나타났다.
국토해양부 고시에서는 경량충격음 및 중량충격음의 정도에 따라 바닥충격음 차단성능은 등급기준을 1급에서 4급까지 총 4단계로 구분하고 있으며, 본 연구대상의 폐발포 폴리우레탄이 혼입된 경량 콘크리트는 경량충격음 3급, 중량충격음 3급에 해당하는 것 으로 나타났다.
1. 시중에서 판매되고 있는 샘플 A와 이를 개량한 샘플 B의 혼화재료를 대상으로 실험배합을 실시한 결과, 샘플 A는 폐발포 폴리우레탄의 부립과 모르타르의 침하로 재료분리가 발생된 반면, 샘플 B는 증점의 점도가 높고 고르게 분산된 것이 확인되었다.
2. Case 1과 Case 2는 KS F 4039의 0.5품 기준인 유동성 180mm 이상을 만족시키지만 겉보기 밀도가 기준보다 약 150% 이상 높기 때문에 현장 적용성이 낮을 것으로 예상되며, Case 3은 유동성과 겉보기 밀도가 KS F 4039의 기준과 근접하기 때문에 현장 적용 가능성이 높은 것으로 판단된다.
3. 압축강도 실험 결과, 재령 7일과 재령 28일 모두 KS F 4039 기준 대비 약 150% 이상 압축강도가 향상된 것으로 나타났다. 따라서 건축물의 온돌구조용 현장에 적용할 경우에 바닥 콘크리트의 균열저감 효과 개선에 영향을 미칠 것으로 판단된다.
4. 난연성능 실험 결과는 총 방출열량이 평균 4.3MJ/m², 가스유해성 약 14분으로 국토해양부 고시의 준 불연재료 성능을 만족하는 것으로 나타났으며, 바닥 충격음 차단성능 또한 경량 충격음과 중량 충격음이 각각 3급에 해당되는 것으로 확인되어 폐발포 폴리우레탄을 이용한 경량 콘크리트는 단열성능과 더불어 충격음 차단성능도 일정 수준 이상 확보할 수 있는 것으로 판단된다.

후속연구

연소성능 실험은 가열실험 개시 후 10분간 총방출열량이 8MJ/m²이하이며, 10분간 최대 열방출율이 10초 이상 연속으로 200kW/m²를 초과하지 않으며, 10분간 가열 후 실험체를 관통하는 방화상 유해한 균열, 구멍 및 용융(복합자재의 경우 심재가 전부 용융, 소멸되는 것을 포함한다) 등이 없어야 하고, 가스유해성 실험은 실험결과 실험 용 쥐의 평균행동정지 시간이 9분 이상이여야 한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	콘크리트의 단점은?	건설 기술의 발달로 인해 콘크리트 구조물의 규모는 대형화, 고층화 되어가고 있으나, 주요 건설자재인 콘크리트는 강도에 비해 단위용적 질량이 크기 때문에 구조물의 자중을 증대시키는 단점이 있다. 이러한 단점을 개선시키기 위해 재생골재를 활용하여 자원 재활용뿐만 아니라 경량화를 기대할 수 있는 경량골재 콘크리트 개발과 더불어 산업 부산물인 건설 폐기물을 재활용한 경량 콘크리트 개발이 학계 및 산업계, 그리고 정부를 주축으로 이루어지고 있다.
	경량 콘크리트는 건축자재의 경량화와 단열성 추구를 위해 어떤 것을 사용하는가?	경량 콘크리트는 기포제를 사용하여 건축자재의 경량화와 단열성을 추구하고 있다. 그러나 기포제의 사용은 콘크리트의 체적이 감소되고, 압축강도가 낮아지는 문제점이 있다.
	경량 콘크리트가 기포제를 사용함으로써 발생하는 문제점은?	경량 콘크리트는 기포제를 사용하여 건축자재의 경량화와 단열성을 추구하고 있다. 그러나 기포제의 사용은 콘크리트의 체적이 감소되고, 압축강도가 낮아지는 문제점이 있다. 본 연구에서는 별도의 기포제를 사용하지 않고 산업 부산물인 폐발포 폴리우레탄을 재활용하여 콘크리트의 경량화와 단열성을 확보하고자 한다.

참고문헌 (6)

Baek, J.W. (2013). A Study on the Physical Characteristics of Lightweight Foamed Concrete according to Porosity, Master's Thesis, Konkuk University [in Korean].
https://www.fuji-keizai.co.jp/market/13043.html
Korea Environment and Resources Corporation (1997). A Study on the Optimum Techniques and Occurences of Wasted Form Polyurethane, Korea Environment and Resources Corporation [in Korean].
Lee, D.G. (2010). An Experimental Study on the Properties of Light-weight Foamed Concrete Using Waste Concrete Powder, Master's Thesis, Kongju University [in Korean].
Park, H.J. (2001). An Experimental Study on the Strength Properties of the Foamed Concrete with Wasted Expanded Poly-styrene for On-dol Structure, Master's Thesis, Konkuk University [in Korean].
Yim, G., Yim, C.S. (2006). Preparation of lightweight aerated concrete and characteristic analysis of foaming agent, Journal of the Engineering, Paichai University, 8(1), 31-50 [in Korean].

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