[논문]폐유리를 활용한 불연 무기물 발포 보드 개발 및 성능평가

김현수; 최원영; 김상헌; 최승환; 박순돈

doi:10.14190/jrcr.2020.8.1.17

폐유리를 활용한 불연 무기물 발포 보드 개발 및 성능평가
Development and Performance Evaluation of Non-flammable Mineral Foam Board Using Waste Glass 원문보기

Journal of the Korean Recycled Construction Resources Institute = 한국건설순환자원학회 논문집, v.8 no.1, 2020년, pp.17 - 25

김현수 (한국건설기술연구원 국민생활연구본부) , 최원영 (한국건설기술연구원 건설시험인증본부) , 김상헌 (한국건설기술연구원 국민생활연구본부) , 최승환 (부림산기(주)) , 박순돈 (부림산기(주))

초록
AI-Helper

본 연구에서는 폐유리 불연 무기물 발포 보드를 개발하고, 국내 시장에서의 사용 활성화를 위한 과정으로 물리적·역학적·환경적 특성 시험을 통해 건축 내외장재로 활용하기 위한 검증을 목적으로 한다. 이를 위해, 물리·역학적 특성으로 밀도, 흡수율, 압축강도, 내동해성에 대한 시험을 실시하였으며, 환경적 특성으로 열전도율, 불연성능, 가스유해성, 중금속 함유, 곰팡이 저항성 등의 시험을 실시였다. 또한, 실제 건축물 내외장재로 활용하기 위한 적용을 실시하여 실제 건축 자재로 활용하기 위한 검증을 진행하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, non-flammable mineral foam board using waste glass that can be produced to standardized specifications were developed and evaluated for the performance. In addition to the physical and mechanical performance, the environmental properties such as insulation, non-combustibility, gas hazard, sound absorption, etc. were tested to verify the use as interior and exterior building materials. Through the structural review, the validity was verified for the application of the office and restaurant building.

주제어

표/그림 (18)

표 Table 1. Environmental impact of recycled aggregate
표 Table 2. Environmental impact of recycled aggregate
표 Table 3. Method of manufacture
표 Table 4. Physical properties
표 Table 5. Strength comparison
표 Table 6. Frost resistance test result
표 Table 7. Appearance change
표 Table 8. Enlargement print of production
표 Table 9. Heat conductivity comparison
표 Table 10. Energy saving design standard of building
표 Table 11. Result for nonflammable and gas hazard tests
표 Table 12. Result for waste process test
표 Table 13. Result for fungal pathogen protection test
표 Table 14. Result for sound absorbing coefficient test
표 Table 15. Sound absorbing coefficient comparison
표 Table 16. Environmental impact of recycled aggregate
표 Table 17. Dead load calculation
그림 Fig. 1. Application of non-flammable mineral foam board

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

또한, 폐유리를 활용하여 개발하고자 하는 자재임에 따라, 인체 유해성에 대한 성능 시험을 실시하여 무해·환경적 특성을 확인함으로써 본 자재가 건축용 내·외장재로 활용되기에 적합한지에 대한 여부를 확인하고자 한다.
본 연구에서 목표로 하는 폐유리 불연무기물 발포보드 개발을 위해 1,600℃ 의 유리용융 과정 없이 분쇄한 폐유리 분말과 발포첨 가제를 섞어 800℃ 정도의 저온 소결 발포 및 냉각하여 생산하기 위한 제조 과정을 진행하였다.
본 연구에서는 폐유리 불연 무기물 발포 보드를 개발하고, 국내 시장에서의 사용 활성화를 위한 과정으로 물리적·역학적·환경적 특성 시험을 통해 건축 내외장재로 활용하기 위한 검증을 목적으로 하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
본 장에서는 본 연구를 통해 개발하고자 하는 폐유리 불연무기물 발포 보드를 건축용 자재가 기본적으로 요구하는 물리·역학적인 성능을 평가하고자 하였다.

제안 방법

1. 폐유리를 재활용하고 알루미늄 드로스, 석탄회를 이용하여 열처리 및 냉동 단계 등에서 발생하는 문제를 해결하는 등의 노력을 통해 친환경적 불연 무기물 발포 보드를 개발하였다.
5. 본 연구를 통해 개발하고, 성능평가를 통해 성능이 검증된 폐유리 불연 무기물 발포 보드를 외벽용 불연 마감재, 내벽 경량마감재로 적용하여 외단열 성능 및 화재 안전성 등 다양한 성능에 대한 구현성을 확인하였다.
개발된 발포 보드의 곰팡이 저항성 시험은 ASTM G -21에 의해 4주간 실시되었다. 건축물 외장재에서 주로 발견되는 Aspergillus niger ATCC 9642, Penicillium pinophilum ATCC 11797, Chaetomium globosum ATCC 6205, Gtiosiadium virens ATCC 9645, Aureobasidium pullulans ATCC15233를 시험편에 접종한 후 균사의 발육을 확인하였다.
개발된 발포 보드의 곰팡이 저항성 시험은 ASTM G -21에 의해 4주간 실시되었다. 건축물 외장재에서 주로 발견되는 Aspergillus niger ATCC 9642, Penicillium pinophilum ATCC 11797, Chaetomium globosum ATCC 6205, Gtiosiadium virens ATCC 9645, Aureobasidium pullulans ATCC15233를 시험편에 접종한 후 균사의 발육을 확인하였다. 그 결과 개발된 발포 보드에서는 균사의 발육이 인지되지 않음을 확인할 수 있었다.
고정하중 검토는 KCC 외단열 미네랄울 보드에 대하여 작용 가능한 최대외력을 적용 하였으며, 검토를 위한 자재 구성은 Table 17과같이하여 콘크리트 벽면에 단열재(미네랄울)를 붙이고 그 외측에개발된 제품을 붙이는 형태로, 단열재와 개발 제품의 비중과 두께로고정하중을 산정하였다. 풍하중은 ‘KBC-2016’의 지역별 기본풍속 (Vo) 중 부산지역 기준의 38m/s 와 각종 하중계수를 적용하여 2.
1과 같이 경 기도 분당의 리모델링 주택과 경남 김해시 식당 건물 신축 시에 외벽용 불연 마감재로 활용하여 외단열 성능을 구현하고, 화재로 인한 건축물 피해 저감이 가능하도록 하였다. 또한, 부산 해운대구의 사무실 인테리어 시 내벽 경량 마감 벽체로 적용하여 인체에 무해하며 흡음, 단열, 항균 성능 등 기능적인 측면에서 기존의 마감재에 비해 우수한 성능을 구현함과 동시에, 현무암과 유사한 질감의 외관으로 디자인적인 요소도 가미할 수 있도록 활용하였다.
또한, 제품 생산을 통한 검증과 현장에 적용하기 위한 과정의 일환으로 물리·역학적 성능과 환경적 성능평가를 Table 1과 같이 실시하였다.
본 연구를 통해 개발된 폐유리 불연무기물 발포 보드는 유리질이셀의 내벽을 감싸는 형태로 되어있어 각각의 독립적인 기공으로 구성이 되며 이는 생산되는 제품이 우수한 경량성을 지니도록 한다.
상기 구조검토 결과를 바탕으로 개발한 자재는 Fig. 1과 같이 경 기도 분당의 리모델링 주택과 경남 김해시 식당 건물 신축 시에 외벽용 불연 마감재로 활용하여 외단열 성능을 구현하고, 화재로 인한 건축물 피해 저감이 가능하도록 하였다.
상기 문제점들을 해결 및 극복하기 위해 표준화된 규격으로 생산 가능한 폐유리 불연 무기물 발포 보드를 개발하였고, 물리·역학적 성능을 비롯해 단열성, 불연성, 가스유해성, 흡음성, 등 환경적 특성 시험을 통해 건축 내외장재로 활용하기 위한 검증을 실시하였으며, 구조검토를 통해 사무실, 식당 건물 등 현장적용을 통해 그 유효성을 확인하였다.
흡수율 시험은 GR L 2002(재활용 발포유리블럭)에 의거하여 시편의 크기는 50*300*450(mm)이상으로 하였고, 실험실 온도는 21±3℃, 상대습도는 50±10%로 유지하였다.

대상 데이터

본 연구에서 목표로 하는 자재의 개발을 위해 사용하는 주 원료로는 폐유리분말과 알루미늄 드로스, 석탄회가 있다.
본 연구에서는 금속 알루미늄 성분이 완전히 제거된 알루미늄 드로스를 발포제로 사용하였다. 금속 알루미늄 성분이 포함된 알루미늄 드로스를 사용할 경우 발포제로 사용하기 위해 많은 양의 알루 미늄 드로스를 유리 분말에 첨가하여야 하고, 그에 따라 최종 생산 물인 발포 단열재의 비중이 증가하여 시공성을 저하시키며, 기공과 기공 사이의 막 두께가 두꺼워져 발포 단열재의 공극률 저하로 이어지기 때문이다.

이론/모형

내동해성 시험은 KS F 2604에 의거하여 실시하였다. 내동해성 시험결과는 Table 6과 7에 나타내었다.
본 시험의 밀도는 KS F 2459에 규정하여 실시하였으며 규격은 900*600*30T를 기준으로 측정하였다.
본 자재를 내·외장재로 현장에 적용하기 위해서는 최대외력(고 정하중, 풍하중)에 대하여 벽체와의 접합성 등을 검토할 필요가 있음에 따라 설계하중을 ‘건축구조기준 및 해설 KBC-2016(국토교통부 고시)’의 기준에 따라 산정하였다.
압축강도 시험은 KS L ISO 679에 의거하여 실시하였으며, 압축강도 Table 5와 같이 시험결과 5.5N/mm² 의 강도를 나타내는 것으로 확인되었다. 이는 국내에서 건축자재로 많이 사용되고 있는 ALC 에 대한 KS 성능기준 2.
본 개발 자재를 내장용 보드로 활용하기 위한 만큼 열전도율 특성에 대한 시험결과는 매우 중요하다. 열전도율 시험은 KS L 9016 에 보온재의 열전도율 측정방법에 대하여 규정하고 있다. 이 규정중 평판 직접법으로 측정하였으며, 이는 시험체를 통과하는 열류량을 직접 전기적으로 측정하고, 이 때 시험체의 온도차를 측정하여 열전도율을 구하는 방법이다.
흡율률 측정은 KS F 2814-2에 의거한 전달함수법으로 실용 주파수 범위에서의 흡음률을 측정하였다. 흡음율측정 시, 전달함수법, 정재파비법 공히 임피던스튜브를 사용하는데 임피던스튜브 직경의주파수 제한으로 고주파수영역은 29mm,저주파수영역은 99.

성능/효과

2. 물리·역학적인 특성을 파악하기 위해 밀도, 흡수율, 압축강도, 내동해성에 대한 확인을 한 결과 ALC 기준에 비해 낮은 밀도, 흡수율 1.1%, 압축강도 5.5N/mm2 , 내동해성 시험에 큰변화가 없는 등 건축용 마감재로 활용하기에 적합한 것으로 확인되었다.
3. 환경적 특성으로 열전도율 시험 결과 0.05W/mK로 단열특성이 뛰어나 에너지 효율적인 벽체 조성이 가능하며, 불연성이며 유독가스를 발생하지 않아 화재에 대한 안전성이 매우 뛰어나다.
4. 폐기물공정시험기준에 따른 폐기물 항목별 물질이 검출되지않고 곰팡이 저항성 시험에 따른 균사 발육이 인지되지 않으며, 기존 실내 마감재와 유사한 범위내의 흡음률을 나타내어 내장재로 활용 시 인체에 무해하며 흡음성능도 확보 될 것으로 판단된다.
500Hz를 초과하는 고주파 영역에서는 ALC, 모르타르 바름, 석회 바름에 비하여 우수한 흡음성능을 보였고, 목모 보드와 합판, 구멍합판, 구멍석고보드, 철판에 비하여 우수한 흡음성능을 나타내었다.
내동해성 시험결과는 Table 6과 7에 나타내었다. 겉보기모양에는 변화가 없었으며 질량변화율 0.2%, 두께변화율 -1.1%, 길이변화율 -0.1%, 부피변화율 -1.3%, 강도변화율 0.08%로 동결융해를 12싸이클을 반복했음에도 제품에 큰 변화가 없는 것으로 확인 되었고, 이는 건축용마감재로 적합하다는 것으로 판단할 수 있다.
본 연구를 통해 단열보드의 흡음 능력은 500Hz 미만의 저주파영역에서는 모르타르 바름(두께25mm)이나 석회 바름(두께 18mm) 과 비교하면 높은 수준인 것으로 확인 되었다.경량기포콘크리트 (ALC)와는 비슷한 수준으로 확인 되었으며, 그 이외에 타 재료와비교 하였을 때 흡음성능이 다소 열세인 것으로 나타났다.
건축물 외장재에서 주로 발견되는 Aspergillus niger ATCC 9642, Penicillium pinophilum ATCC 11797, Chaetomium globosum ATCC 6205, Gtiosiadium virens ATCC 9645, Aureobasidium pullulans ATCC15233를 시험편에 접종한 후 균사의 발육을 확인하였다. 그 결과 개발된 발포 보드에서는 균사의 발육이 인지되지 않음을 확인할 수 있었다. 상기 시험방법에의한 개발 자재의 곰팡이 저항성 시험결과는 Table 13과 같다.
그 결과, Table 4와 같이 밀도는 0.29g/cm3 로 대리석 및 화강석 밀도에 비하여 1/9에 불과하며, KS에서 제시한 ALC 기준인 0.45∼ 0.55g/cm3 보다도 가벼운 것으로 폐유리를 활용한 자재인 만큼 경량 성이 우수한 것으로 확인되었다.
본 실험을 통한 흡수율 시험 결과는 1.1%로 충분한 내수성을 가지며 습도에 큰 영향을 받지 않아 내장재로 활용하기에 적합한 것으로 판단된다.
본 연구를 통해 개발된 폐유리 불연무기물 발포 보드는 Table 16에 나타난 바와 같이 발포에 적합한 유리를 만들기 위한 1600℃ 이상의 고온 용융 유리 제조 과정을 생략하여, 일반 폼글라스 제품 제조에 대해 단순 온도 상승 기준 비교 시 약 60%의 에너지 사용량을 절감이 가능하다.
본 연구를 통해 단열보드의 흡음 능력은 500Hz 미만의 저주파영역에서는 모르타르 바름(두께25mm)이나 석회 바름(두께 18mm) 과 비교하면 높은 수준인 것으로 확인 되었다.경량기포콘크리트 (ALC)와는 비슷한 수준으로 확인 되었으며, 그 이외에 타 재료와비교 하였을 때 흡음성능이 다소 열세인 것으로 나타났다.
본 연구를 통해 폐유리 불연 무기물 발포 보드의 물리적·역학적·환경적 성능을 검증하고, 단열 및 내화성이 뛰어난 외벽 자재로의 활용 가능성을 제시하였으며, 흡음, 단열, 항균 성능으로 내장재 로서의 활용 가능성도 확인하였다.
이 규정중 평판 직접법으로 측정하였으며, 이는 시험체를 통과하는 열류량을 직접 전기적으로 측정하고, 이 때 시험체의 온도차를 측정하여 열전도율을 구하는 방법이다.본 자재를 상기 KS L 9016규정에 따라 시험한 결과 열전도율이 0.05W/mK 로 확인되었다. 이는 내장용 보드류로 활용되는 석재, 미장모르타르, 목재 등과 비교하여 매우 뛰어난 성능을 나타내는것으로 확인되었다.
상기 시험에 의해 개발 자재를 시험한 결과 모든 물질에 대해검출이 되지 않아, 환경보호에 기여하고 에너지 또한 절감할 수 있는 자연친화적 자재임을 확인할 수 있다.
상기 실험에 의해 불연성 및 가스유해성 시험을 실시한 결과로 질량 감소율은 30% 이하 기준에는 충분히 만족하며, 감소율 변화가 거의 없는 것으로 확인되었으며, 최종평형온도차 또한 20K를 넘지 않아 기준을 만족하였으며, 가스유해성은 9분을 넘는 15분에 도달 하여 각 기준을 충분히 만족시키는 것으로 나타났다.
5N/mm² 의 강도를 나타내는 것으로 확인되었다. 이는 국내에서 건축자재로 많이 사용되고 있는 ALC 에 대한 KS 성능기준 2.9N/mm² 에 비하여 약 2배에 해당하는 수준을 나타내는 것으로 단위용적질량이 낮아 경량인 것에 반하여 높은 강도 수준을 지니고 있음을 확인할 수 있다.
05W/mK 로 확인되었다. 이는 내장용 보드류로 활용되는 석재, 미장모르타르, 목재 등과 비교하여 매우 뛰어난 성능을 나타내는것으로 확인되었다.

후속연구

다만, 본 자재의 시공성 및 경제성에 대한 추가적인 검토가 이루 어진다면 건축물뿐만 아니라 선박, 토목 등 다양한 분야에 활용이 가능할 것으로 사료된다.
또한, 국토교통부 고시에 따라 시행중인 ‘건축물의 에너지 절약설계 기준’에서 단열재의 등급 기준 ‘라’에 해당하는 수준으로 단열 재용이 아닌 일반 내장재로 개발된 폐유리 불연무기물 발포 보드를 일반 단열재와 함께 내장재로 활용 시 벽체의 단열 특성이 매우 뛰어날 것으로 사료된다.
본 연구를 통해 개발된 단열보드를 활용하면 폐유리를 재활용하여 만든 무기물 발포 세라믹 보드인 만큼 불연성이 강한 자재임을확인할 수 있었으며, 화재발생 시 어떠한 유독가스도 발생시키지않아 2차 사고로 많이 발생하는 유독가스에 의한 질식사도 방지할수 있을 것으로 사료된다.
상기의 우수한 경량성, 단열성, 내수성 등을 장점으로 다양한 분야에 적용이 가능할 것이다. 특히, 물과 공기의 흐름을 필요로 하는 투수 블럭, 생태 블럭 또는 방열판(heat sink)으로 활용할수 있으며, 물과 공기가 통하지 않도록 기공을 조밀하게 형성하여 생산하면 단열 효과가 좋은 내외장재에, 습기에 자주 노출되는 지하의 차수벽이나 내벽 등으로도 활용 가능할 것으로 판단된다.
이에 상기의 분석 결과로부터 석면이나 경질 섬유판의 사례와마찬가지로 필요에 따라서 본 개발 제품에 구멍을 뚫거나 공기층을형성하도록 시공을 한다면 흡음성능을 보다 향상시킬 수 있을 것으로 기대된다.
상기의 우수한 경량성, 단열성, 내수성 등을 장점으로 다양한 분야에 적용이 가능할 것이다. 특히, 물과 공기의 흐름을 필요로 하는 투수 블럭, 생태 블럭 또는 방열판(heat sink)으로 활용할수 있으며, 물과 공기가 통하지 않도록 기공을 조밀하게 형성하여 생산하면 단열 효과가 좋은 내외장재에, 습기에 자주 노출되는 지하의 차수벽이나 내벽 등으로도 활용 가능할 것으로 판단된다.

참고문헌 (13)

Korea Resource Circulation Service Agency. (2018). Report for Amount of Recycled Glass Bottle, http://www.kora.or.kr/.
Lee, B.Y. (2012). Strategies for product development of building materials with recycled glass, The Korean Society of Living Environmental System, 19(3), 362-370.
KS F 2271 (2016). Testing Method for Gas Toxicity of Finish Materials of Buildings.
KS F 2459 (2017). Testing Method for Bulk Specific Gravity, Water Content, Absorption and Compressive Strength of Cellular Concrete.
KS F 2604 (2018). Standard Test Method for Frost Resistance of Exterior Wall Materials for Buildings(Freezing and Thawing Method).
KS F 2814-2 (2017). Acoustics-Determination of Sound Absorption Coefficient and Impedance in Impedance Tubes - Part 2: Transfer-Function Method.
KS L 9016 (2017). Testing Method for Thermal Transmiss Ion Properties of Thermal Insulations.
KS F ISO 1182 (2016). Test Method of Non-Combustibility of Building Products.
KS L ISO 679 (2016). Methods of Testing Cements - Determination of Strength.
ASTM G-21 (2014). Standard Practice for Determining Resistance of Synthetic Polymeric Materials to Fungi.
Park, S.K. (2009). An Experimental Study for Hwangto and Charcoal Board Development using Eco-Friendly Building Materials, Korea University.
Lee, K.Y. (2008). Development of Environment-Friendly Internal Finish Material of Building using Vermiculite, Kangwon National University.
Architectural Institute of Korea. (2016), Architectural Structural Standards and Commentary, Ministry of Land, Infrastructure and Transport.

저자의 다른 논문 :

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].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증