[논문]비정형 패널의 형상 품질확보를 위한 적정 배합비 도출

김민식; 박채울; 김기혁; 도성록; 이동훈

doi:10.5345/jkibc.2019.19.5.449

비정형 패널의 형상 품질확보를 위한 적정 배합비 도출
Proper Mixing Ratio for Securing Quality of Free-form Panel 원문보기

한국건축시공학회지 = Journal of the Korea Institute of Building Construction, v.19 no.5, 2019년, pp.449 - 456

김민식 (Department of Architectural Engineering, Hanbat University) , 박채울 (Department of Architectural Engineering, Hanbat University) , 김기혁 (Department of Architectural Engineering, Hanbat University) , 도성록 (Department of Facilities Engineering, Hanbat University) , 이동훈 (Department of Architectural Engineering, Hanbat University)

초록
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최근 비정형 건축물의 비중이 증가함에 따라 거푸집 재사용이 불가하여 건설폐기물이 증가하고 있는 추세이다. 또한 비정형 건축물 건축 시 생산자의 숙련도에 따라 비정형 패널의 품질이 결정되며 이에 따른 정확한 공사비 측정불가 및 인건비 증대라는 문제점이 있다. 본 연구는 이러한 비정형 건축물의 문제점을 보완하기 위하여 오차율이 적고 작업성이 좋은 최적의 배합을 찾는 것을 목표로 실험을 진행한다.

Abstract ▼ AI-Helper

Recent developments in architectural technologies and programs have enabled architects to think creatively and design free-form architecture. however, there are many problems in the production technology of FCP(Free-Form Concrete Panel). In particular, reduced accuracy due to lack of free-form panel production technology can lead to redesign of buildings as a result, problems such as an increase in construction cost and period. Therefore, this experiment aimed to compensate the decrease of the accuracy according to the displacement difference and to derive the proper mixing ratio for maintaining the shape during the free-form panel curing. In this study, molds were made using paraffin that is a recyclable phase change material. Concrete Panel is usually produced from Portland cement, dead burn magnesia, phosphate, borax and fine aggregate. In this study, four mixing ratios of FCP were selected after each material was blended to determine the proper blending ratio of the fluidity phase, the water absorption rate and the water content of the test piece. FCP was fabricated on the basis of the selected four compounding ratios and thickness and error rate were measured. Based on the error rate of the measured FCP, the quality standard was satisfied among the four compounding ratios.

주제어

표/그림 (24)

그림 Figure 1. Ratio of irregular high-rise buildings compared to general buildings
그림 Figure 2. Daily average waste generation
그림 Figure 3. Displacement of CNC equipment
그림 Figure 4. Formwork fabrication method
표 Table 1. Chemical composition of cement
표 Table 2. Chemical composition of dead-burn magnesia
표 Table 3. Physical properties of dead-burn magnesia
표 Table 4. Chemical composition of sodium phosphate
표 Table 5. First basic experimental batch table
표 Table 6. Secondary basic experimental mixer including fine aggregates
그림 Figure 5. Flexural and compressive strength of the first test
그림 Figure 6. Flexural and compressive strength of the second test
그림 Figure 7. Absorption ratio of the first basic experiment
표 Table 7. Third basic experiment placement table
그림 Figure 8. The coagulation time according to the addition ratio of borax
그림 Figure 9. Flexural and compressive strength of the third basic test
그림 Figure 10. Flexural and compressive strength of the 4th basic test
표 Table 8. 4th basic experiment placement table including fine aggregate and borax
그림 Figure 11. Absorption ratio of the second basic experiment
그림 Figure 12. Intervals for each node of CNC equipment
표 Table 9. Measurement results by section of panel (mm)
표 Table 10. Measurement results by section of panel (mm)
표 Table 11. Measurement results by section of panel (mm)
표 Table 12. Measurement results by section of panel (mm)

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 본 연구에서는 이와 같은 기존 방식의 문제점을 개선한 FCP(Free-form Concrete Panel) 생산 방식에 대한 연구를 실시한다. 본 연구에서 사용하는 FCP 생산 방식은 거푸집 폐기물 발생량을 저감시키며 숙련된 기술을 요하지 않아 보다 균일한 제품을 생산할 수 있을 것으로 기대된다.
본 연구에서 사용하는 FCP 생산 방식은 거푸집 폐기물 발생량을 저감시키며 숙련된 기술을 요하지 않아 보다 균일한 제품을 생산할 수 있을 것으로 기대된다. 또한 본 연구에서 실시한 방법으로 FCP를 생산할 시 최적의 품질을 확보한 FCP를 생산할 수 있는 최적의 콘크리트 배합비를 도출하는 연구를 실시하고자 한다.
본 연구에서는 현재 비정형 패널 생산에 대한 비싼 인건비, 폐기물 발생 등의 문제점을 해결하기 위해 파라핀을 이용한 새로운 방식의 FCP 제작 방법에 대한 실험을 진행했다. 본 실험의 목적은 FCP 제작을 위한 최적의 재료와 그에 따른 배합비를 도출하여 생산된 패널의 두께를 측정하여 오차율을 측정했으며 다음과 같은 결론을 도출했다.
또한 비정형 건축물 건축 시 생산자의 숙련도에 따라 비정형 패널의 품질이 결정되며 이에 따른 정확한 공사비 측정 불가 및 인건비 증대라는 문제점이 있다. 본 연구는 이러한 비정형 건축물의 문제점을 보완하기 위하여 오차율이 적고 작업성이 좋은 최적의 배합을 찾는 것을 목표로 실험을 진행한다.
본 연구에서는 현재 비정형 패널 생산에 대한 비싼 인건비, 폐기물 발생 등의 문제점을 해결하기 위해 파라핀을 이용한 새로운 방식의 FCP 제작 방법에 대한 실험을 진행했다. 본 실험의 목적은 FCP 제작을 위한 최적의 재료와 그에 따른 배합비를 도출하여 생산된 패널의 두께를 측정하여 오차율을 측정했으며 다음과 같은 결론을 도출했다.

제안 방법

Figure 12는 두께 위치를 구간별로 나누어 표시한 그림이다. 두께측정 방법은 제작된 패널에 CNC장비에 H1부터 H36까지 36개 노드별 위치를 표시한 뒤 전동드릴을 사용하여 구멍을 뚫는다. 그 후 구멍을 통한 두께를 측정하여 각 구간별 평균값을 계산하여 변위에 따른 두께의 변화, 양생 시 생기는 변화량을 식 1을 사용하여 계산한다.
슬럼프 플로우 값은 시멘트 페이스트가 좋은 성형성을 갖도록 160mm를 만족하는 배합비를 찾는 목적으로 W/B를 변화하여 실험을 진행하였다. 또한 3, 7, 28일에서 압축강도 및 휨강도를 측정하였으며 공시체의 양생은 수중 양생으로 진행한 뒤 흡수율을 측정하기 위해 항온항습양생을 실시한다. 잔골재를 포함하여 흡수율 증가여부 및 재품 활용성을 평가하기 위하여 보통 포틀랜드 시멘트와 물을 사용한 배합은 Table 5, 잔골재를 포함한 배합은 Table 6으로 나누어 실험을 진행한다.
붕사의 첨가율의 경우 기존 문헌을 참고하여 첨가율 수준을 결정하였다[5]. 마그네시아 시멘트를 기반으로 물, 잔골재, 붕사를 조합하여 여러 경우의 배합을 나누어 실험을 진행하며 각 배합의 배합비를 변경하여 실험을 진행한다. 성능 실험2도 성능 실험1과 마찬가지로 3일, 7일, 28일의 휨강도 및 압축강도를 측정하였으며 수중 양생 후 흡수율을 측정하였다.
본 연구에서 실시한 실험에서는 성형성, FCP 생산시간 단축, 건설 폐기물 발생저감에 초점을 두어 비정형 패널을 제작하였다. 현장 거푸집으로 인한 폐기물 발생의 저감을 위하여 재활용이 가능하며 경제적인 재료로 파라핀을 선정하였으며 형상 제작을 위해서 CNC(Computer numerical control)장비를 사용했다.
본 연구에서는 비정형 패널의 요구성능 중 성형성을 중점으로 실험을 진행한다. 슬럼프 플로우 값은 시멘트 페이스트가 좋은 성형성을 갖도록 160mm를 만족하는 배합비를 찾는 목적으로 W/B를 변화하여 실험을 진행하였다.
마그네시아 시멘트를 기반으로 물, 잔골재, 붕사를 조합하여 여러 경우의 배합을 나누어 실험을 진행하며 각 배합의 배합비를 변경하여 실험을 진행한다. 성능 실험2도 성능 실험1과 마찬가지로 3일, 7일, 28일의 휨강도 및 압축강도를 측정하였으며 수중 양생 후 흡수율을 측정하였다. Table 7과 Table8은 붕사 및 잔골재를 포함하지 않은 배합과 포함한 배합을 나타낸 표이다.
본 연구에서는 비정형 패널의 요구성능 중 성형성을 중점으로 실험을 진행한다. 슬럼프 플로우 값은 시멘트 페이스트가 좋은 성형성을 갖도록 160mm를 만족하는 배합비를 찾는 목적으로 W/B를 변화하여 실험을 진행하였다. 또한 3, 7, 28일에서 압축강도 및 휨강도를 측정하였으며 공시체의 양생은 수중 양생으로 진행한 뒤 흡수율을 측정하기 위해 항온항습양생을 실시한다.
마그네시아와 인산나트륨이 결합할 경우 초속경 반응이 일어나게 되며 이는 작업시간이 감소하는 문제점이 발생한다. 이를 조절하기 위해 붕사를 첨가하여 실험을 진행하며 첨가율은 마그네시아의 중량을 기준으로 0.5%, 1%, 1.5%로 나누어 진행한다. 붕사의 첨가율의 경우 기존 문헌을 참고하여 첨가율 수준을 결정하였다[5].
본 연구에서 실시한 실험에서는 성형성, FCP 생산시간 단축, 건설 폐기물 발생저감에 초점을 두어 비정형 패널을 제작하였다. 현장 거푸집으로 인한 폐기물 발생의 저감을 위하여 재활용이 가능하며 경제적인 재료로 파라핀을 선정하였으며 형상 제작을 위해서 CNC(Computer numerical control)장비를 사용했다. CNC 장비 변위의 경우 비정형 장비의 노드별 변위차가 15mm이하가 되도록 각 노드를 0mm, 15mm, 30mm, 45mm, 30mm, 15mm로 설정했다.

대상 데이터

Table 9는 구간별 두께측정 결과의 평균값과 구간별 오차율의 평균을 나타낸 표이다. CNC장비의 변위를 각 0mm, 15mm, 30mm, 45mm, 30mm, 15mm로 설정한 결과 제작되어진 파라핀 거푸집의 변위는 45, 30, 15, 0,15, 30mm로 제작되었다. 패널의 두께는 일반적으로 사용되고 있는 50mm를 목표로 실험을 진행하였다.
기초실험 2에서는 마그네시아 시멘트와 인산나트륨을 사용한 실험을 진행한다. 마그네시아와 인산나트륨이 결합할 경우 초속경 반응이 일어나게 되며 이는 작업시간이 감소하는 문제점이 발생한다.
Table 11은 구간별 두께측정 결과와 패널의 구간별 오차율을 나타낸 표이다. 앞서 실험한 제 1 실험 패널과 같은 변위 및 두께를 사용하였으며, 1구간부터 6구간까지 패널두께의 평균값은 각각 45.8mm, 51.3mm, 50.8mm, 45.5mm, 49.3mm, 47.3mm 이다. 제 3 기초실험 패널의 경우 초속경의 성질을 이용하여 제작한 것으로 작업시간이 충분히 확보되지 않았으나 초속경의 성질로 인하여 경화시 높이차에 따른 두께변화가 없는 것으로 나타났다.
Table 10은 구간별 두께측정 결과와 패널의 구간별 오차율을 나타낸 표이다. 앞서 실험한 제 1 실험 패널과 같은 변위와 두께를 사용하였으며, 1구간부터 6구간까지 패널두께의 평균값을 측정한 결과 각각 49.8mm, 51mm, 47mm, 52.1mm, 51.3mm, 44.8mm 로 측정되었다. 패널두께는 구간 4과 구간 6에서 가장 큰 오차 값을 가지며 원이는 경화 중 높이 차이와 작업의 숙련도 부족이 원인이라 판단된다.
CNC장비의 변위를 각 0mm, 15mm, 30mm, 45mm, 30mm, 15mm로 설정한 결과 제작되어진 파라핀 거푸집의 변위는 45, 30, 15, 0,15, 30mm로 제작되었다. 패널의 두께는 일반적으로 사용되고 있는 50mm를 목표로 실험을 진행하였다. 1구간부터 6구간까지의 패널두께의 평균값을 측정한 결과는 각각 31.

이론/모형

Table 2와 3은 마그네시아의 물리적, 화학적 구성표를 나타낸 것으로, 마그네시아는 산화마그네슘의 공업적인 명칭이다. 마그네시아의 소성온도는 경화속도에 큰 영향을 미치며 본 연구에서는 인산염과 반응하여 속경하는 성질을 가지는 사소 마그네시아를 사용한다[2-3].

성능/효과

1) 성능 실험에서의 휨강도 및 압축강도를 측정한 결과 휨강도는 제 1 실험 패널의 경우 13.21MPa, 제 2 실험 패널의 경우 7.86MPa, 제 3 실험 패널의 경우 7.26MPa, 제 4 실험 패널의 경우 3.14MPa이며, 압축강도는 제 1 실험 패널의 경우 73.35MPa, 제 2 실험 패널의 경우 29.83MPa, 제 3 실험 패널의 경우 40.42MPa, 제 4 실험 패널의 경우 13.24MPa로 측정되었다. 강도의 경우 제 1 실험 패널이 가장 높은 값을 가지며 그 이유는 W/B가 실험 배합 중 가장 낮으며 시멘트만을 사용한 배합이기 때문이라 판단된다.
패널의 두께는 일반적으로 사용되고 있는 50mm를 목표로 실험을 진행하였다. 1구간부터 6구간까지의 패널두께의 평균값을 측정한 결과는 각각 31.3mm, 40.1mm, 45.3mm, 61.6mm, 57mm,47.1mm로 측정되었다. 패널두께는 거푸집의 변위가 큰 곳에서 낮은 곳으로 두께의 차이를 보이며 그 원인은 경화 중 높이 차이로 인해 시멘트 페이스트가 흘러내린 것이라 판단된다.
2) 성능 실험에서의 흡수율을 측정한 결과 제 1 실험패널의 경우 7.2%, 제 2 실험 패널의 경우 8.8%,제 3 실험 패널의 경우 13.6%, 제 4 실험 패널의 경우 7.2%로 제 3 실험 패널을 제외한 모든 패널은 KSF 4735의 기준을 만족한다. 제 3 실험 패널의 경우 사소 마그네시아가 다른 재료에 비해 흡수율이 높아 KS 기준에 만족하지 못한 것이라 판단된다.
3) 실험 패널의 오차율의 평균은 1구간부터 6구간까지 측정한 결과 제 1 실험 패널이 9.1%, 제 2 실험 패널이 2.5%, 제 3 실험 패널이 2.9%, 제 4 실험 패널이 2.6%로 측정되었다. 오차율이 생긴 이유는 경화 중 높이차이로 인한 흘러내림 현상 및 작업자의 숙련도 부족에 의해 생긴 것이라 판단된다.
4) 흡수율과 오차율을 보았을 때 제 2 실험 패널의 배합이 흡수율이 KS기준에 만족하며 오차율이 가장 적으므로 콘크리트 형상 구현 및 성능이 가장 좋은 최적의 배합이라 판단된다.
66%로 측정 되었다. 두 배합모두 KS F 4735의 품질기준을 만족하지 못했으며, experiment 4의 W/B 55% 평균 흡수율은 7.2%로 품질기준에 만족한다.
마그네시아 시멘트와 인산염을 사용한 배합을 잔골재와 붕사를 첨가한 배합의 슬럼프 값에 따른 W/B를 변경함으로서 배합을 도출하였으며 그 결과 experiment 4는 KS F4735의 품질기준을 모두 만족하였으나, experiment 3의 경우 품질기준을 만족시키지 못하였다. 따라서 성능만을 고려할 경우 experiment 2가 최적의 배합이라 판단된다.
82%로 품질기존에 적합한 값을 가진다. 이를 통해 잔골재를 첨가함으로서 흡수율이 증가한다는 사실을 확인하였으며, 본 실험에서 제작된 FCP의 실용성 여부를 확인한 결과 적합한 것으로 판단된다.
잔골재와 붕사를 포함한 배합비로 실험한 결과 휨·압축강도는 감소하며 휨강도의 경우 시간이 경과할수록 점차 감소한다.
3mm 이다. 제 3 기초실험 패널의 경우 초속경의 성질을 이용하여 제작한 것으로 작업시간이 충분히 확보되지 않았으나 초속경의 성질로 인하여 경화시 높이차에 따른 두께변화가 없는 것으로 나타났다.
2%로 제 3 실험 패널을 제외한 모든 패널은 KSF 4735의 기준을 만족한다. 제 3 실험 패널의 경우 사소 마그네시아가 다른 재료에 비해 흡수율이 높아 KS 기준에 만족하지 못한 것이라 판단된다.
1mm 이다. 제 4 기초실험 패널의 경우 초속경의 성질을 이용하여 제작한 것으로 응결 지연제를 첨가한 결과 작업시간을 확보할 수 있었으며 패널두께 오차율의 경우 경화 시 높이 차이에 의한 것으로 나타났다.

후속연구

따라서 본 연구에서는 이와 같은 기존 방식의 문제점을 개선한 FCP(Free-form Concrete Panel) 생산 방식에 대한 연구를 실시한다. 본 연구에서 사용하는 FCP 생산 방식은 거푸집 폐기물 발생량을 저감시키며 숙련된 기술을 요하지 않아 보다 균일한 제품을 생산할 수 있을 것으로 기대된다. 또한 본 연구에서 실시한 방법으로 FCP를 생산할 시 최적의 품질을 확보한 FCP를 생산할 수 있는 최적의 콘크리트 배합비를 도출하는 연구를 실시하고자 한다.
추가적인 연구로는 패널제작 재료의 변경에 따른 영향, 비정형 패널의 거푸집 제작방식 변경, 콘크리트 경화 시발생되는 페이스트의 흘러내림 등의 문제점을 보완에 대한 추가적인 연구가 필요하며, 이러한 추가 연구를 통해 향후 FCP 생산 및 개발에 큰 기여를 할 것이라 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	가경식 믹서란 무엇인가?	비빔에서 사용한 믹서는 가경식 믹서를 사용하였다. 가경식 믹서의 경우 드럼이 회적하여 드럼내부의 날에 의해 비빔이 완료되는 중력식 믹서이다. 드럼내부에 잔골재와 분체를 투입 후 90초간 건비빔을 통하여 1차 비빔을 진행한다.
	비정형 건축물 건설 시 건설 폐기물이 증가하는 이유는 무엇인가?	마지막으로 비정형 건축물 건설 시 거푸집을 재사용 할 수 없기 때문에 형틀 및 거푸집 제작, 건설 폐기물 발생의 문제점이 있다.
	비정형 건축물의 기술력에는 어떤 한계들이 있는가?	첫 번째로 비정형 패널의 종류가 많아지고 굴곡의 변위차등이 커짐에 따라 공사비가 증가하며, 생산공의 숙련도 미숙으로 인해 유지 및 보수 관리가 필요하기 때문에 L.C.C가 증가하는 문제점이 있다. 두 번째로 보통 비정형 패널의 경우 콘크리트를 사용하여 만들어지기 때문에 완공 이후에도 품질관리 문제에 따른 공사비의 증가에 대한 문제점이 있다. 마지막으로 비정형 건축물 건설 시 거푸집을 재사용 할 수 없기 때문에 형틀 및 거푸집 제작, 건설 폐기물 발생의 문제점이 있다.

참고문헌 (5)

Lee EY, Kim YS. An analysis and improvement of free form building's construction productivity -Focused on Exposed Concrete Work. Journal of the Korea Construction Engineering and Management. 2014 may;15(3):38-46. https://doi.org/10.6106/KJCEM.2014.15.3.038

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Kang JS. Properties of radon adsorption matrix utilizing diatomite and powered active carbon to adsorbent [master's thesis]. [Daejeon (Korea)]: hanbat university; 2018. 39 p.
Kim BK. Physical properties evaluation of flooring using a rigid hardening magnesia phosphate ceramics [master's thesis]. [Daejeon (Korea)]: hanbat university; 2016. 84 p.
Lee HS, Park JH, Yim JH, Seo HJ, Son TW. Polymer Korea. Preparation and properties of shape-stabilized phase change materials from UHMWPE and paraffin wax for latent heat storage. Journal of Korea The Polymer Society. 2015 Jan39(1):23-32. https://doi.org/10.7317/pk.2015.39.1.23

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Kim TH, Properties of inorganic filler adhesive utilizing dead-burn magnesia and fly ash [master's thesis]. [Daejeon (Korea)]: hanbat university; 2018. 36 p.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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