KR100813152B1 - 단열 및 내화성능이 향상된 흑연발포폴리스티렌 비드를사용한 경량콘크리트 패널 및 그 제조방법 - Google Patents

단열 및 내화성능이 향상된 흑연발포폴리스티렌 비드를사용한 경량콘크리트 패널 및 그 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 단열 및 내화성능이 향상된 흑연발포폴리스티렌 비드를 사용한 경량콘크리트 패널 및 그 제조방법에 관한 것으로, 발포 폴리스티렌 비드와 콘크리트의 색상차이에 의한 시각적인 거부감이 해소되고, 종래의 패널보다 열전도율이 낮아져 단열 성능을 향상시키며, 2시간동안의 내화성능에 따른 최소두께가 얇아지게 하는 데 목적이 있다. 이를 위해 본 발명의 제조방법은 저회와 시멘트 및 발포 폴리스티렌 비드를 혼합하는 혼합물 준비단계와, 준비된 혼합물을 형틀에 주입하는 형틀 주입단계와, 형틀에 주입된 혼합물을 양생하는 실내 양생단계와, 실내 양생된 혼합물을 형틀에서 분리하는 형틀 분리단계와, 형틀에서 분리되는 혼합물을 양생하는 실외 양생단계와, 혼합물과 분리된 형틀을 청소하여 다시 조립하는 형틀 청소 조립단계를 포함하여 이루어지고, 상기 혼합물 준비단계에서 발포 폴리스티렌 비드는 흑연이 일정량 함침되는 것을 특징으로 한다.

Description

단열 및 내화성능이 향상된 흑연발포폴리스티렌 비드를 사용한 경량콘크리트 패널 및 그 제조방법{Lightweight concrete panels using expanded polystyrene beads contained graphite improving efficiency of insulation and fire-proofing and its fabrication method}
도 1은 종래의 경량 콘크리트 패널의 단면상태도.
도 2a 및 도 2b는 종래의 발포폴리스티렌 비드를 사용한 경량 콘크리트 패널의 단면상태도 및 그 제조방법의 블록도.
도 3은 본 발명에 따른 경량 콘크리트 패널의 제조방법의 블록도.
도 4는 본 발명에 따른 경량 콘크리트 패널의 제조시 사용되는 형틀의 일 실시예 사시도.
도 5는 본 발명에 따른 경량 콘크리트 패널의 제조시 사용되는 버텀애쉬의 입도곡선.
도 6은 본 발명에 따른 경량 콘크리트 패널의 단면상태도.
도 7a는 종래의 발포 폴리스틸렌 비드가 혼합된 경량 콘크리트 패널의 사진.
도 7b는 본 발명에 따른 흑연이 함침된 발포 폴리스틸렌 비드가 혼합된 경량 콘크리트 패널의 사진.
도 8a는 건축부재의 내화시험방법에 따른 수평단면도.
도 8b는 건축부재의 내화시험방법에 따른 온도측정위치 입면도.
도 8c는 건축부재의 내화시험방법에 따른 수직단면도.
도 8d는 도 8a 내지 도 8d의 범례이다.
도 9a는 본 발명의 차염성 실험을 위한 시험체의 가열 전 상태 사진.
도 9b는 본 발명의 차염성 실험을 위한 시험체의 가열 후 상태 사진.
도 10a는 본 발명의 차열성 실험 중 75㎜패널의 이면평균상승온도 그래프.
도 10b는 본 발명의 차열성 실험 중 75㎜패널의 이면최고상승온도 그래프.
도 11a는 본 발명의 차열성 실험 중 90㎜패널의 이면평균상승온도 그래프.
도 11b는 본 발명의 차열성 실험 중 90㎜패널의 이면최고상승온도 그래프이다.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *
21 : 혼합물 22 : 와이어 메쉬 철망
23 : 끼움돌기 24 : 끼움홈
본 발명은 단열 및 내화성능이 향상된 흑연발포폴리스티렌 비드를 사용한 경 량콘크리트 패널 및 그 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 경량콘크리트 패널에 흑연이 포함된 발포폴리스티렌 비드를 사용함으로써 패널의 색상을 다른 부재와 유사한 회색으로 조성하고, 열전도율을 낮추며 내화성능의 최소두께를 상대적으로 얇게 하는 단열 및 내화성능이 향상된 흑연발포폴리스티렌 비드를 사용한 경량콘크리트 패널 및 그 제조방법에 관한 것이다.
아파트의 벽식 구조에서는 하중을 받는 경계벽을 콘크리트로 구성하고 있다. 그러므로 상부의 하중을 받는 경계벽을 임의로 해체하거나 이동시 전체 구조물에 심각한 영향을 주게 된다. 따라서 벽체의 가변성이 없어서 식구가 줄거나 늘 때, 또는 일부 실의 개조를 하고자 할 때 벽체를 마음대로 바꿀 수가 없다.
그러나 철골 구조나 라멘 구조의 공동주택이나 건축물에서는 기둥을 세워 각각의 층을 구성한 후 기둥사이에 경계벽을 별도로 시공한다. 따라서 경계벽을 임의의 위치로 시공하는 것이 가능하므로 사는 사람이 원하는 평면대로 자유스럽게 변경이 가능하고, 정기적인 건물에 대한 유지보수만 해 준다면 장수명화 주택이 가능하다.
세대 간의 경계벽은 습식공법이나 건식공법으로 시공하고 있다. 이중에서 습식 공법은 벽돌이나 블록을 사용하는 공법으로 기능 인력의 부족으로 사용이 점차 줄고 있으며, 건식공법으로는 석고보드를 이용한 칸막이가 많이 사용되는 공법이다.
석고보드 벽체는 가벼워서 설치하기에 쉬운 장점이 있으나 단점으로는 차음 성능이 부족하고, 못을 박기가 어려우며, 주먹으로 치는 등의 충격에 손상이 쉽게 되면서도 옆 세대에도 충격음이 잘 들리는 문제를 가지고 있다.
이러한 습식과 건식벽체의 단점을 보완한 경량콘크리트 패널이 최근에 많이 사용되고 있다. 경량 콘크리트 패널은 일반콘크리트보다 가벼워서 벽돌을 사용한 습식보다 시공이 쉽다.
또한 크기도 세대 높이에 맞추어서 절단하여 제작하므로 설치 인원을 줄이는 효과도 있어 최근에 시공되는 철골이나 라멘조에서 경량콘크리트 패널이 많이 사용되고 있는 실정이다.
한국산업규격(KS F 4736)에는 압출성형 경량 콘크리트 패널이 규격화 되어 있다. 규격에는 재료로 시멘트, 경량골재, 모래, 혼화재, 물 등이 규정되어 있고, 폭은 600mm, 두께는 75, 100mm로 규정이 되어 있다. 경량콘크리트 패널을 제조하는 위해서는 시멘트나 모래 이외에 경량골재를 혼합하여 사용하고 있다.
도 1에서 보는 바와 같이 종래의 경량콘크리트 패널은 중앙부에 다수의 중공부(3)가 형성되어 있으며, 외곽부와 중공부 사이에는 모래와 시멘트(1) 및 경량골재(2)를 혼합하여 사용하고 있다.
경량 골재를 사용한 'A'사의 경우 수입된 골재를 사용하고 있다. 그 이유는 국내에서 제조된 경량 골재가 압축강도가 낮아서 패널을 제조하기 위한 사출 성형하는 과정에서 골재가 파손되기 때문이다.
따라서 수입된 경량 골재를 이용하여 제품을 제조하는 이유로 제품의 가격이 고가인 단점이 있으며, 골재의 도입에 시간이 소요되므로 제품 생산 일정과 공급 일정에 차질이 발생하고 있다.
또 다른 경량콘크리트 패널로 도 2a와 같은 시멘트 보드를 활용한 제품도 있다. 이 제품은 도 1과 같은 기존의 경량 콘크리트보다 무게가 70% 정도로 가볍고 표면의 손상이 적어서 공동주택의 벽체로 많이 사용이 되고 있다.
이 제품은 발포 폴리스티렌 경량콘크리트 복합패널(Expanded polystyrene light-weight concrete composit panel)로 불리는 것으로서 3.2mm 또는 4.5mm의 두께를 가진 시멘트보드를 표면재로 하여 그 사이에 시멘트와 폴리스티렌에 물과 유동화재를 혼입한 경량 콘크리트를 넣어서 양생한 제품이다.
도 2a에서 보는 바와 같이 시멘트보드를 활용한 경량 콘크리트 패널은 내측에 발포 폴리스틸렌 혼입 기포콘크리트(2a)가 내장되고, 양 외측면에 시멘트보드(1a)가 부착 형성된다.
도 2b에서 보는 바와 같이 시멘트보드를 활용한 경량 콘크리트 패널의 제조방법은 물, 시멘트, 발포 폴리스티렌 입자 그리고 감수제를 혼합기에 주입하여 혼합하고, 혼합물을 틀에 부어 1차적으로 실내 양생을 시킨다. 여기서 틀의 내측면에는 시멘트보드가 삽입된 상태이다.
또한 양생된 제품은 틀과 분리과정을 거쳐 틀은 청소된 후 조립하여 다시 내측면에 시멘트보드를 삽입하고, 분리된 제품은 적재됨으로써 2차적으로 실외 양생이 이루어진 후 포장 출하과정을 거치게 된다.
시멘트 보드는 자체의 인장강도나 압축강도가 높고 물에 대한 저항성도 커서 표면재로의 문제는 없다. 따라서 내부에 압축강도가 높지 않은 충진재를 넣게 된 다. 충진재는 앞서 설명한 것처럼 시멘트와 폴리스티렌 입자의 혼합물이다.
그러나 종래의 경량콘크리트 제조를 위하여 시멘트 혼합물에 섞어서 사용하는 발포폴리스티렌 비드는 색상이 흰색이어서 회색의 콘크리트와 혼합시 색상이 눈에 띄어 시각적으로 거부감이 생기는 문제점이 있었다.
또한 시멘트 보드를 수입하여 사용하므로 제품의 가격이 고가인 단점이 있으며, 시멘트 보드의 도입에 시간이 소요되므로 제품 생산 일정과 공급 일정에 차질이 발생하고 있다.
기존의 KS F 4734(발포 폴리스티렌 경량 콘크리트 복합 패널)는 중앙부에 폴리스티렌비드와 시멘트혼합물을 주원료로 사용하고 표면에 섬유보강 시멘트보드 접합하여 만들도록 규정된 패널이다. 현재까지 이러한 복합 패널은 흰색의 발포폴리스티렌 비드를 사용하여 회색의 콘크리트와 혼합함으로서 색상이 눈에 띄어 시각적으로 거부감이 발생하였다.
이러한 색상의 차이에 의한 시각적인 거부감을 해소하기 위해 표면을 회색으로 코팅한 발포폴리스티렌 비드를 사용할 수 있으나, 시멘트 혼합물과의 혼합과정에서 표면의 코팅막이 벗겨지게 된다. 따라서 본래의 흰색이 노출되어 색상차이에 의한 시각적인 거부감이 해소되지 못하였다.
종래의 발포 폴리스티렌 경량 콘크리트 복합 패널은 열전도율이 ALC (Autoclave lightweight concrete) 벽체보다 높아서 높은 단열 성능을 요구하는 장소에는 사용이 어려운 문제점이 있었다.
종래의 발포 폴리스티렌 경량 콘크리트 복합 패널의 다른 문제로는 내화성능 에 대한 최소두께문제이다. 통상적으로 내화할 수 있는 시간을 2시간기준으로 할 때 종래의 패널은 100mm가 되어야 2시간 기준을 충족시킨다. 따라서 내화성능을 요구하는 부위에서는 벽체를 얇게 만드는 것이 어려워 불필요하게 패널의 두께가 두꺼워지는 문제점이 있었다.
따라서 본 발명은 이러한 사정을 감안하여 개발된 것으로, 발포 폴리스티렌 비드의 색상이 콘크리트의 색상과 유사해져 색상차이에 의한 시각적인 거부감이 해소되고, 종래의 발포 폴리스티렌 경량 콘크리트 복합 패널보다 열전도율이 낮아져 단열 성능을 향상시키며, 2시간동안 불에 견딜 수 있는 패널의 최소두께가 얇아져 동급제품에 비해 가벼워지는 단열 및 내화성능이 향상된 흑연발포폴리스티렌 비드를 사용한 경량콘크리트 패널 및 그 제조방법을 제공하는 데 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 단열 및 내화성능이 향상된 흑연발포폴리스티렌 비드를 사용한 경량콘크리트 패널의 제조방법은 저회와 시멘트 및 발포 폴리스티렌 비드를 혼합하는 혼합물 준비단계와, 준비된 혼합물을 형틀에 주입하는 형틀 주입단계와, 형틀에 주입된 혼합물을 양생하는 실내 양생단계와, 실내 양생된 혼합물을 형틀에서 분리하는 형틀 분리단계와, 형틀에서 분리되는 혼합물을 양생하는 실외 양생단계와, 혼합물과 분리된 형틀을 청소하여 다시 조립하는 형틀 청소 조립단계를 포함하여 이루어지고, 상기 혼합물 준비단계에서 발포 폴리스티렌 비드는 흑연이 일정량 함침되는 것을 특징으로 한다.
상기 발포폴리스티렌 비드는 1-5mm의 크기로, 흑연이 함침된 폴리스티렌 비드가 발포되어 이루어진 것을 특징으로 하는 단열 및 내화성능이 향상된 흑연발포폴리스티렌 비드를 사용한 경량콘크리트 패널의 제조방법을 제공한다.
흑연이 포함된 폴리스티렌 비드를 얻는 또 다른 방법으로는 흑연이 함침된 발포폴리스티렌 보온재를 재활용하여 얻는 방법이다. 이때의 발포폴리스티렌 비드는 1-10mm의 크기로, 흑연이 함침된 발포폴리스티렌 보온재가 분쇄되어 이루어진 것을 특징으로 하는 단열 및 내화성능이 향상된 흑연발포폴리스티렌 비드를 사용한 경량콘크리트 패널의 제조방법을 제공한다.
상기 혼합물 준비단계에서 물에 시멘트와 플라이애쉬(비회)를 넣고 페이스트를 만든 후 고성능 감수제와 EPS 입자를 넣고 혼합하며 저회를 넣고 증점제를 가하여 혼합물을 만들고, 상기 혼합물 준비단계에서 5mm 이하의 저회는 체적비 5-7%를 사용하고, 시멘트는 체적비 8-11%를 사용하며, 플라이애쉬(비회)는 체적비 2-4%를 사용하고, 물은 체적비 11-17%를 혼합하며, EPS 입자는 체적비 65-72%를 혼합하는 것을 특징으로 하는 단열 및 내화성능이 향상된 흑연발포폴리스티렌 비드를 사용한 경량콘크리트 패널의 제조방법을 제공한다.
한편, 단열 및 내화성능이 향상된 흑연발포폴리스티렌 비드를 사용한 경량콘크리트 패널은 혼합물(21)로 이루어지되 혼합물은 체적비 5-7%의 5mm 이하인 저회, 체적비 8-11%의 시멘트, 체적비 2-4%인 플라이애쉬 체적비 11-17%인 물, 체적비 65-72%인 EPS 입자로 혼합되며, EPS 입자는 일정량의 흑연이 함침되어 이루어지고, 서로 끼우기 용이하도록 일측에 끼움돌기(23)가 돌출 형성되면서 타측에 끼움홈(24)이 요홈 형성되는 것을 특징으로 한다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 예시도면을 참고하여 상세히 설명하고자 한다.
도 3은 본 발명에 따른 경량 콘크리트 패널의 제조방법의 블록도이다.
도 3에서 보는 바와 같이, 본 발명에 따른 저회를 이용한 경량 콘크리트 패널의 제조방법을 설명하자면, 첫 번째 단계는 혼합물 준비단계로서, 저회와 시멘트 및 발포 폴리스티렌 비드를 혼합하는 단계이다.
혼합물 준비단계에서 물에 시멘트와 플라이애쉬를 넣고 페이스트를 만든 후 고성능 감수제와 EPS 입자를 넣고 혼합하며 마지막으로 저회를 넣고 증점제를 가하여 혼합물을 만든다.
혼합물 준비단계에서 1.25-5mm 이하의 저회는 체적비 5-7%를 사용하고, 시멘트는 체적비 8-11%를 사용하며, 플라이애쉬는 체적비 2-4%를 사용하고, 물은 체적비 11-17%를 혼합하며, 발포 폴리스티렌 비드(EPS) 입자는 체적비 65-72%를 혼합한다.
여기서 발포 폴리스티렌 비드(EPS)는 흑연이 일정량 함침된다. 발포 폴리스티렌 비드에 흑연을 함침시켜 경량 콘크리트 패널에 혼합시키는 방법은 흑연이 포함된 폴리스티렌을 직접 발포시킨 후 혼합시키는 방법과, 흑연이 포함된 폴리스티렌 제품을 분쇄시켜 혼합시키는 방법이 있다.
첫 번째 방법의 흑연이 함침된 폴리스티렌이 발포되어 이루어지는 발포폴리스티렌 비드는 원형상의 1-5mm의 크기가 바람직하다.
발포방식에서 비드의 크기를 한정하는 이유는 다음과 같다. 원료 비드의 크기에 따라 발포된 크기도 달라진다. 발포된 입자의 크기가 커지면 체적에 대비한 표면적이 커져서 입자가 떠오르려는 분리현상이 커진다. 다시 말해 스티로폴 알갱이의 비중은 0.01이고, 시멘트 혼합물의 비중은 2.0 정도가 되어서 입자의 크기가 클수록 떠오르려는 성질이 강하다. 따라서 흑연이 함침된 폴리스틸렌 원료회사에서 공급이 가능한 최소입자의 크기를 발포하여 사용하고자 한다.
두 번째 방법의 흑연이 함침된 발포폴리스티렌 제품이 분쇄되어 이루어지는 발포폴리스티렌 비드는 1-10mm의 크기가 바람직하다.
분쇄방식에서 비드의 크기를 한정하는 이유는 다음과 같다. 흑연이 함침된 비드를 원료로 하여 제작된 단열재(스티로폴 KS 2종)나 바닥충격음 완충재로 사용하는 발포폴리스티렌 제품을 분쇄하여 사용할 수 있다. 분쇄과정에서 여러 입도의 미분이 발생하게 되나 큰 입도(10mm 초과)의 입자는 강도 저하에 우려가 있게 된다. 따라서 1-10mm 사이의 크기를 사용하는 것이 좋다. 분쇄방식에서는 성형된 제품을 분쇄함으로서 입자의 형상이 불규칙하고, 이 때문에?시멘트와 잘 혼합된다. 다만, 입자가 너무 크게 되면 시멘트와 혼합시 스티로폴만 있게 되어 강도를 저하시키는 요인이 되므로 입자의 크기를 일정하게 한정하고자 한다.
패널 내에 비드의 체적비를 일정하게 하는 이유는 비드 사용이 증대되면 비중이 낮아지고 강도가 저하되며, 비드 사용이 감소되면 비중이 증가되고 강도가 증 가된다. 따라서 적당한 체적비의 비드를 패널 내에 혼합시킨다.
본 발명은 비드의 내부까지 회색 색상을 가지게 됨에 따라 시멘트혼합물과의 혼합시에도 색상이 변함이 없고, 경량콘크리트 패널을 임의의 위치에서 절단하여도 시멘트색상과 유사하여 비드의 혼합 여부를 인지하게 어렵게 한다.
다음 단계는 준비된 혼합물을 형틀에 주입하는 형틀 주입단계이다. 형틀 주입단계에서 휨 강성을 보강하도록 형틀 중앙에 와이어 메쉬 철망을 위치시킨 상태에서 형틀에 혼합물을 주입시킬 수 있다.
다음 단계는 형틀에 주입된 혼합물을 양생하는 실내 양생단계이고, 다음 단계는 실내 양생된 혼합물을 형틀에서 분리하는 형틀 분리단계이다.
도 4는 본 발명에 따른 경량 콘크리트 패널의 제조시 사용되는 형틀의 일 실시예를 표시한 사시도이다.
도 4에서 보는 바와 같이 본 발명에 사용되는 형틀에 대해 설명하면 다음과 같다. 단위패널(600(폭) * 2400-3500(높이) * 50-100(두께))(단위:mm)을 제작하기 위해서는 단위 형틀이 필요하다. 단위 형틀의 기본적인 구성은 측면판(11) 2개와 암수의 모서리틀(12,13)을 필요로 한다. 이러한 단위 형틀을 여러 개 조립하여 조합된 형틀을 만든다. 조합된 형틀은 대량생산을 위한 방안이다.
다음 단계는 형틀에서 분리되는 혼합물을 양생하는 실외 양생단계이고, 다음 단계는 혼합물과 분리된 형틀을 청소하여 다시 조립하는 형틀 청소 조립단계이다.
따라서 외부에 적재된 시멘트 제품은 시간이 경과하면서 2차로 경화(양생)되고, 분리된 경량 시멘트 패널은 치수 검사 등의 품질 검수과정을 거쳐 불량품을 제 외한 규격에 통과한 제품만 일정 개수를 포장하여 외부에 적재한다.
경량 콘크리트 패널의 제작을 위하여 사용하고자 하는 재료의 특성은 다음과 같다.
본 실험에 사용된 결합재는 보통포틀랜드 시멘트와 플라이애쉬를 사용하였다. 플라이애쉬는 한국중부발전(주)의 서천화력에서 발생하는 것을 사용하였다. 아래 표는 결합재의 화학적 성질과 결합재의 물리적 성질이다.
표 1. 결합재의 화학적 성질
구분 SIO2 AL2O3 FE2O3 CAO MGO NA2O K2O SO3 LOI CI (ppm)
시멘트 20.7 6.2 3.2 63.6 2.2 0.11 0.81 1.91 - -
플라이애쉬 49.5 29.9 4.7 0.6 0.6 0.0 3.8 0.1 9.0
표 2. 결합재의 물리적 성질
시험항목 응결시간(길모아시험) 압축강도 (kgf/㎠) 안정도 분말도 (㎠/g) 비중
초결(분) 종결(분)
시멘트 259 639 28일 382 0.07 3304 3.15
플라이애쉬 - - - - 1940 2.0
본 실험에 사용된 골재는 버텀 애쉬로 국내 화력발전소에서 발생하는 비정제 석탄회이다. 도 5는 본 발명에 따른 경량 콘크리트 패널의 제조시 사용되는 버텀애쉬의 입도곡선이고, 표 3은 Bottom Ash의 화학적 성질이다.
표 3. 석탄회의 화학성분 분석결과
시료명 SiO₂ Al₂O₃ Fe₂O₃ CaO MgO K₂O SO₃ TiO₂ Ig-loss Na₂O
Bottom Ash (비선별) 47.7 25.1 5.7 0.6 0.7 3.3 0.1 1.4 15.3 0.0
Bottom Ash (선별) 55.4 23.9 5.6 0.6 0.6 3.7 0.1 1.2 8.9 0.0
저회와 일반 강모래와 비교한 물성(KS F 2526, 2527)은 표 4와 같다. 강모래와 비교하여 일반적인 물성은 비슷하면서도 비중이 가볍다는 면이 가장 큰 장점이며 경량 골재가 없이도 경량 콘크리트 패널을 제조할 수 있는 특징을 가진다.
표 4. 저회와 일반 강모래의 물성 비교
규격항목 비중 흡수율 마모율 안정성 0.08mm 체 통과량 알칼리 골재반응
저회 2.0 이하 8% 이하 40% 10% 1.0%미만 무해
강모래 2.5 이상 3% 이하 40% 12% 1.0%미만 무해
또한 발포 폴리스티렌 비드를 30-50배 발포한 3-5mm의 크기의 입자를 사용한다.
배합비의 사례
본 발명에서는 결합재로 시멘트를 사용하였으며 골재로는 화력발전소의 부산물인 바텀애쉬와 경량 EPS(Expanded Poly-Styrene)를 사용하여 경량 EPS 콘크리트패널 개발하는 것에 목적을 두었다.
골재인 바텀애쉬는 체가름 실험을 통한 5mm이하의 바텀애쉬를 절건처리한 것 을 사용하였으며, 또한 충전재로서 플라이애쉬를 사용하였으며, 고성능 감수제 및 증점제를 소정의 량을 첨가하여 물결합재비에 따른 경량EPS콘크리트의 품질특성을 파악하기 위하여 다음과 같은 실험을 실시하였다.
표 5. 각 실시예의 실험수준
구분 W/B(%) 골재 입도 (㎜) 체적비(%)
시멘트 바텀애쉬 플라이애쉬 물 EPS
실시예 1 35 5㎜ 이하 9.48 5.59 2.39 12.29 70.25
실시예 2 40 9.48 5.59 2.39 14.05 68.49
실시예 3 45 9.48 5.59 2.39 15.81 66.73
실험방법
경량EPS콘크리트의 비빔은 용량 250ℓ의 리본믹서를 사용하였으며, 맨 처음 물을 투입하여 믹서를 회전시키고 시멘트와 플라이애쉬를 투입하여 페이스트 상태로 만든 후 고성능 감수제를 투입한 후 EPS를 투입, 페이스트와 EPS가 잘 혼합이 되도록 60초간 비빔한 후 바텀애쉬를 첨가한 후 마지막으로 증점제를 첨가하여 비빔하였다.
또한 경량EPS콘크리트의 작업성을 고려하여 고성능 감수제는 1%이하로 첨가하고 페이스트와 EPS와의 점성유지를 위한 증점제는 0.1% 내외로 비빔을 하여 총 비빔시간이 240초 이내가 되도록 비빔시간을 설정하였다.
공시체 제작은 KS 방법에 준하여 실시하였으며 공시체 제작 후 20± 2℃의 수중양생 후 경량EPS콘크리트의 시험체를 표면 마감성 및 재령 7, 14, 28일의 압축강도를 측정하였다.
압축강도 시험방법은 φ10× 20㎝ 원주형 공시체를 제작하여 KS F 2408 「콘크리트 압축강도 시험방법」에 준하여 실험을 실시하였다.
실험 결과
경량EPS콘크리트 시험체는 물결합재비가 낮을수록 압축강도가 높게 나타났고, 재령에 따른 강도발현의 차이는 미미한 수준이었다. 표면마감성은 육안관측 결과 물결합재비가 높을수록 우수하게 나타났으며 실시예 2와 실시예 3과는 거의 비슷한 것으로 나타났다.
표 6. 각 실시예의 결과
구분 압축강도(MPa)
7일 14일 28일
실시예 1 5.8 6 6.1
실시예 2 4.2 4.6 5.4
실시예 3 3.8 3.9 4.0
본 발명에 따른 저회를 이용한 경량 콘크리트 패널을 설명하자면, 도 6에서 보는 바와 같이 휨 강성을 보강하도록 길이방향 내부 중간에 와이어 메쉬 철망이 위치하고, 서로 끼우기 용이하도록 일측에 끼움돌기가 돌출 형성되면서 타측에 끼움홈이 요홈 형성된다. 도 6은 본 발명에 따른 경량 콘크리트 패널의 단면상태도이다.
또한 본 발명의 경량 콘크리트 패널은 혼합물로 이루어지되 혼합물은 체적비 5-7%의 5mm 이하인 저회, 체적비 8-11%의 시멘트, 체적비 2-4%인 플라이애쉬 체적 비 11-17%인 물, 체적비 65-72%인 EPS 입자로 혼합된다. EPS 입자에는 일정량의 흑연이 함침된다.
기존의 ‘발포 폴리스티렌 경량콘크리트 복합패널‘과 본 발명의 저회를 사용한 경량콘크리트와의 물리적인 차이는 다음과 같다.
경량골재를 사용한 경량콘크리트 패널과 본 발명에 의한 제품 간에 물리적 특성을 100mm제품을 기준하여 비교하면 다음과 같다.
표 7. 종래와 본 발명의 경량 콘크리트 패널의 비교
종래 경량콘크리트 복합패널 흑연 함침 발포 폴리스티렌을 사용한 경량콘크리트 패널
주요 성분 시멘트보드, 시멘트, 일반 발포 폴리스티렌 저회, 시멘트, 흑연 함침 발포 폴리스티렌
주용도 내부 벽체용 좌동
비중 0.8 내외 좌동
압축강도 (kgf/cm2) 외부(시멘트보드) 200 이상 60 이상
내부(경량콘크리트) 30 이상
차음성능(dB at 500Hz) 35 이상 좌동
내화 성능 2시간 이상 좌동
비드 색상 흰색 회색
열전도율(W/mk) 0.32 0.25
2시간 내화 성능의 최소두께(mm) 100 75
기존의 시멘트 보드를 사용한 경량시멘트 복합패널은 내부의 충진물에 강도가 약하다. 따라서 외부에 시멘트보드를 사용하지 않고는 벽체용으로는 사용이 불가능하다. 충진물 자체의 강도를 높이기 위해서는 발포 폴리스티렌 비드의 양을 줄이면서 모래를 부분적으로 첨가하여야 한다. 이때는 무게가 크게 증가한다.
본 발명은 다공성으로서 비중이 가벼운 저회를 사용함으로서 무게를 낮춤과 동시에 압축강도를 높일 수 있는 장점이 있다. 따라서 고가의 수입제품인 시멘트보드를 사용하지 않고도 경량의 콘크리트 패널을 만들 수 있는 특징이 있다.
사용하고자 하는 발포폴리스티렌 비드는 KS 3808-2005(발포폴리스티렌 보온재)에 새롭게 2종으로 규정된 흑연이 포함된 제품(스티로폴 KS 2종)의 원료로 사용하는 발포폴리스티렌 비드이다. 이 제품은 흑연에 의하여 비드 내부까지 회색을 띠고 있다. 회색의 색상으로 인하여 콘크리트와 혼합시에도 비드의 포함 여부를 알 수 없게 된다. 따라서 기존의 흰색의 발포폴리스티렌 비드에 비하여 경량콘크리트 제품에 대한 거부감을 줄인다.
도 7a 와 도 7b를 비교해보면, 발포 폴리스티렌 비드의 시각적인 색상의 차이를 현격히 알 수 있다.
도 7a는 종래의 발포 폴리스틸렌 비드가 혼합된 경량 콘크리트 패널의 사진이다. 다른 콘크리트부분과 구별되는 흰색부분이 종래의 발포 폴리스틸렌 비드이다.
도 7b는 본 발명에 따른 흑연이 함침된 발포 폴리스틸렌 비드가 혼합된 경량 콘크리트 패널의 사진이다. 본 발명의 발포 폴리스틸렌 비드에는 흑연이 함침되어 있어 육안으로 발포 폴리스틸렌 비드와 콘크리트부분이 구분되지 않는다.
흰색의 색상을 가진 보통의 폴리스티렌 비드(스티로폴 KS 1종)를 포함한 경량콘크리트 패널과 비교시 열전도율이 우수하고, 화재를 대비한 내화의 성능도 우 수하다.
본 발명의 폴리스티렌 비드를 사용한 경량콘크리트 제품의 열전도율이 기존의 비드를 사용한 제품의 열전도율보다 20% 낮다. 열전도율이 낮으면 단열 성능이 우수한 것이므로 공동주택의 외벽용으로 사용시 에너지를 절약하는 효과가 있다.
고층 건물에서 비구조용 벽체로 사용하기 위해서는 2시간 내화성능을 만족해야 한다. 이때 기존의 폴리스티렌 비드를 사용하는 경우는 최소 두께가 100mm 이상이어야 한다. 반면에 본 발명의 폴리스티렌 비드를 사용한 경량 콘크리트패널은 75mm의 두께만으로도 내화성능의 법적인 기준을 만족시킬 수 있다. 따라서 내화성능만을 고려한 본 발명의 패널의 벽체두께는 종래 패널의 벽체두께보다 25%를 줄이는 효과가 있다.
이러한 내화성능에 대한 실험값을 통해 기존의 폴리스티렌 비드와 본 발명의 폴리스티렌 비드를 사용한 경량 콘크리트패널을 설명하면 다음과 같다.
우선 법적인 기준을 보면, 다음 표 8은 건설교통부고시 제2000-093호(내화구조 인정 및 관리기준)에 일반 및 주거시설에 대한 내화성능의 기준이다.
구성 벽 보 기둥 바닥 지붕
부재 외벽 내벽
용도규모 층수/ 최고높이(m) 내력벽 비내력벽 내력벽 비내력벽
연소우려 연소우려 x 간막이벽 샤프트실구획벽
12/50 초과 2 1 1/2 2 2 2 3 2 1
이하 2 1 1/2 2 1 1 2 2 1/2
4/20이하 1 1 1/2 1 1 1 1 1 1/2
위 표 8에서 비내력벽으로 내부 벽체로 사용하기 위해서는 2시간 내화 기준이 필요하다.
본 발명의 경량 EPS 콘크리트 패널의 내화성능 평가한 결과를 보면 다음과 같다.
건축물의 방화대책과 구성부재의 내화성능 확보가 중요하므로 건축물의 구성하는 부재에 대해서는 내화성능평가를 통해 요구목표를 만족할 수 있는지의 가능성 검토가 필요하다. 실험계획은 현재 공장에서 시험생산 중인 경량 EPS 콘크리트패널을 2종류(THK 75㎜, 90㎜)로 제작하여 KS F 2257-8(건축부재의 내화시험방법 - 수직 비내력 구획부재의 성능조건)의 시험방법에 따라 내화시험(2시간 가열)을 실시하여 내화성능을 측정하였다.
도 8a는 상기 실험방법에 따른 수평단면도이고, 도 8b는 상기 실험방법에 따른 온도측정위치 입면도이다. 도 8c는 상기 실험방법에 따른 수직단면도이며, 도 8d는 도 8a 내지 도 8d의 범례이다.
차염성에 대한 실험결과는 75㎜, 90㎜패널에 면패드를 적용했을 경우 개구부 및 화염발생이 없었으며, 균열게이지를 적용하여 시험체의 균열여부를 측정한 결과 개구부의 발생은 없었다. 도 9a 및 도 9b에서 보는 바와 같이 이면의 화염발생에 대한 부분도 화염발생이 일어나지 않아 차염성은 양호한 결과를 나타냈다. 도 9a는 본 발명의 차염성 실험을 위한 시험체의 가열 전 상태를 나타내고, 도 9b는 본 발명의 차염성 실험을 위한 시험체의 가열 후 상태를 나타낸다.
차열성에 대한 실험결과는 가열시험 중 시험체의 측정을 위한 시험체의 이면온도의 결과는 도 10a 내지 도 11b와 같다.
도 10a는 본 발명의 차열성 실험 중 75㎜패널의 이면평균상승온도 그래프이 고, 도 10b는 본 발명의 차열성 실험 중 75㎜패널의 이면최고상승온도 그래프이다.
도 11a는 본 발명의 차열성 실험 중 90㎜패널의 이면평균상승온도 그래프이고, 도 11b는 본 발명의 차열성 실험 중 90㎜패널의 이면최고상승온도 그래프이다.
도 10a 내지 도 11b의 시험 종료시까지의 이면평균 및 최고상승온도를 간략히 정리하면 아래 표 9와 같다.
구 분 75㎜패널 90㎜패널
이면평균온도 80℃/120분 52℃/120분
이면최고온도 82℃/120분 66℃/120분
내화성능 2시간 통과 2시간 통과
상기 실험결과, 75㎜, 90㎜패널 모두 KS F 2257에 규정하는 성능기준(내화성능 2시간)을 만족하는 것으로 나타나 건축물의 칸막이재로의 사용가능성을 확인할 수 있다.
다음 표 10은 기존(아코텍)의 압출성형콘크리트 패널의 물성(시험성적서 기준)에 대한 표이다.
단 위 100T 75T 비 고
무 게 kg/m2 100 90
열관류율(K) W/m2K 2.59 3.50
흡수율 % 15.9 14.8 KS기준: 25이하
압축강도 kgf/cm2 123 123 KS기준: 100이상 (공시체)
휨강도 kgf/cm2 34 34 KS기준: 25이상 (공시체)
내화성능 hour 2 -
차음성능 Hz 37.5 33 500Hz
이 표 10을 통해 경량골재를 사용하는 압출성형콘크리트 제품의 경우 100mm 두께가 되어야 내화기준 2시간을 만족함을 알 수 있다.
이상, 본 발명의 원리를 예시하기 위한 바람직한 실시예와 관련하여 설명하고 도시하였지만, 본 발명은 그와 같이 도시되고 설명된 그대로의 구성 및 작용으로 한정되는 것이 아니다. 오히려, 첨부된 청구범위의 사상 및 범주를 일탈함이 없이 본 발명에 대한 다수의 변경 및 수정이 가능함을 당업자들은 잘 이해할 수 있을 것이다. 따라서 그러한 모든 적절한 변경 및 수정과 균등물들도 본 발명의 범위에 속하는 것으로 간주되어야 할 것이다.
이상 설명한 바와 같이 본 발명의 단열 및 내화성능이 향상된 흑연발포폴리스티렌 비드를 사용한 경량콘크리트 패널 및 그 제조방법은 발포 폴리스티렌 비드의 색상이 콘크리트의 색상과 유사해져 색상차이에 의한 시각적인 거부감이 해소되고, 종래의 발포 폴리스티렌 경량 콘크리트 복합 패널보다 열전도율이 낮아져 단열 성능을 향상시키며, 2시간동안 불에 견딜 수 있는 패널의 최소두께가 얇아져 동급제품에 비해 가벼워짐으로써 에너지를 절약할 수 있다.
경량콘크리트 패널에 저회를 활용함으로써 산업부산물을 재활용하여 환경을 보전하는 것과 함께 경량골재와 모래를 저회로 대체하여 저회의 대형 수요처를 확보하며, 제품의 가격이 저렴해지고, 재료 공급 일정과 제품 생산 일정이 원활해질 수 있다.

Claims (6)

  1. 저회와 시멘트 및 발포 폴리스티렌 비드를 혼합하는 혼합물 준비단계와,
    준비된 혼합물을 형틀에 주입하는 형틀 주입단계와,
    형틀에 주입된 혼합물을 양생하는 실내 양생단계와,
    실내 양생된 혼합물을 형틀에서 분리하는 형틀 분리단계와,
    형틀에서 분리되는 혼합물을 양생하는 실외 양생단계와,
    혼합물과 분리된 형틀을 청소하여 다시 조립하는 형틀 청소 조립단계를 포함하여 이루어지고,
    상기 혼합물 준비단계에서의 발포 폴리스티렌 비드는 1-10mm의 크기로 흑연이 함침된 플리스티렌 비드가 발포되어 이루어진 것이며,
    상기 양생된 혼합물의 두께는 75-100mm이면서 내화성능에 대한 법적기준(고층건물에서 내화성능이 2시간을 만족해야함을 명시한 건설교통부고시 제2000-093호: 명세서 내의 표8 참조)을 만족하는 것을 특징으로 하는 단열 및 내화성능이 향상된 흑연발포폴리스티렌 비드를 사용한 경량콘크리트 패널의 제조방법.
  2. 삭제
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 양생된 혼합물의 압축저항지표를 나타내는 압축강도는 30-60(kgf/㎠)이고, 단열지표를 나타내는 열전도율은 0.25-0.32(W/mk)인 것을 특징으로 하는 단열 및 내화성능이 향상된 흑연발포폴리스티렌 비드를 사용한 경량콘크리트 패널의 제조방법.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 혼합물 준비단계에서 물에 시멘트와 플라이애쉬(비회)를 넣고 페이스트를 만든 후 고성능 감수제와 발포 폴리스티렌 비드 입자를 넣고 혼합하며 저회를 넣고 증점제를 가하여 혼합물을 만들고,
    상기 혼합물 준비단계에서 5mm 이하의 저회는 체적비 5-7%를 사용하고, 시멘트는 체적비 8-11%를 사용하며, 플라이애쉬(비회)는 체적비 2-4%를 사용하고, 물은 체적비 11-17%를 혼합하며, 발포 폴리스티렌 비드 입자는 체적비 65-72%를 혼합하는 것을 특징으로 하는 단열 및 내화성능이 향상된 흑연발포폴리스티렌 비드를 사용한 경량콘크리트 패널의 제조방법.
  5. 삭제
  6. 삭제
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