KIEAE Journal

기포콘크리트의 배합은 총 2개의 단계로 진행을 하였다. 1차 배합에서는 단위 시멘트량 및 물·결합재 비를 변화시켜 실시를 하였으며, 기포량은 단위용적에 대하여 시멘트 페이스트의 용적을 제외한 용적만큼 투입되도록 조정하였다.

2차 배합에서는 1차 배합에서 물성을 검토하여 도출되어진 1개의 배합을 기준으로 Fly-ash 치환율을 변화시켜 실험을 실시하였다. Fly-ash의 경우 일반 포틀랜드시멘트와 비교하여 비중이 낮아 기존 강도를 유지하면서 경량화가 가능하나 치환율이 증가하는 경우 강도증진과 동시에 중량이 커질 가능성이 있으므로 Fly-ash 치환율에 따른 변화를 확인하기 위해 단위결합재 용적을 고정시킨 상태에서 기포제 용적의 변화를 준 것과, 기포제 용적을 고정시킨 상태에서 단위 결합재 용적을 변화시킨 배합을 실시하였으며, 각 배합의 계산은 용적에서의 치환율과 질량에서의 치환율에 변화를 주어 배합을 실시하였다.

이 연구는 경량기포콘크리트 패널개발을 위한 기초적인 연구로서 KS F 4736 압출성형 경량콘크리트 패널 기준에 부합하기 위해 각 배합에 따른 기포콘크리트의 기본적인 물성을 확인하였다. 각 실험 방법은 KS기준 및 ASTM기준에 의거하여 실험을 실시하였다.

2) 기계적 특성

• 압축강도 실험 (ASTM C 39)
• 휨강도 실험 (ASTM C 293)
  - 휨강도 시험은 40*40*160mm의 시험체를 이용하여 지점사이의 거리를 100mm로 하며, 공시체를 성형하였을 때 측면의 중앙에 매초 (50±10)N의 하중 속도를 재하 하여 실시하고, 최대 하중을 구하였다. 압축강도 시험은 휨강도 시험을 한 1조 3개의 공시체의 절편 6개에 대하여 공시체를 성형하였을 때의 양쪽면을 가압면으로 하여, 하중용 가압판을 사용하며, 공시체 중앙부에 매초 (800±50)N의 하중 속도로 재하하여 최대 하중을 구하였다.

Fig. 4  
Test Methods

Figure 5에 나타낸 것과 같이 기포콘크리트의 플로우는 단위 시멘트량 및 물 시멘트 비가 증가함에 따라 유도성이 증가되는 것으로 확인되었다. 대부분의 시험체에서 200~250mm 범위 안에서 플로우가 변화되는 양상을 보였으며, 단위 시멘트량 600kg/m³의 경우 다른 시험체와 비교하여 플로우 증가량이 비교적 적은 것으로 확인 되었다.

Fig. 5  
Flow Test Result

Fig. 6  
Density Test Result

Fig. 7  
Compressive Strength Test Result

Figure 6과 같이 물 시멘트 비가 낮은 경우 겉보기 비중이 증가하는 결과를 나타냈으며, 단위 시멘트량이 증가할수록 물시멘트비에 따른 증가에 따른 겉보기비중의 폭은 감소되는 것으로 확인 되었다. 또한, Figure 7과 같이 단위 시멘트량 600kg/m³을 제외한 모든 시험체에서 단위 시멘트량이 증가하는 경우 큰 폭으로 압축강도가 증가하는 경향을 나타냈다.

이 실험의 결과로 KS F 4736에서 기준 하는 10MPa 기준을 만족시키며, 이 연구에서 목표로 하는 비중 1.0kg/m³을 만족시키기 위해선 W/C 50%에서 단위 시멘트량이 500kg/m³인 배합이 가장 근접한 값을 나타내는 것으로 확인 되었다.

선행되어진 1 단계의 실험결과에서 도출되어진 배합을 기준으로 KS F 4736에 부합하기 위해 전술한 바와 같이 Fly-ash를 혼입하여 배합을 실시하였다.

Fig. 8  
Flow Test Result

Fig. 9  
Dry Density Test Result

Fig. 10  
Compressive Strength Test Result

Figure 8과 같이 Fly-ash를 10~30% 치환한 경우 유동성에 있어서 큰 차이가 나타나지 않았다. 하지만 50%를 치환하는 경우 대부분의 배합에서 큰 폭으로 유동성이 감소되는 경향을 나타내었다. 또한, Figure 9에서 겉보기비중의 시험결과와 동일한 경향으로 유동성이 저하되는 것만큼 겉보기비중이 증가하는 경향을 나타냈으며, Figure 10에서의 결과와 같이 압축강도 또한 큰 폭으로 증가되는 것으로 확인 되었다.

이는 Fly-ash의 치환에 따라 Fly-ash 내부의 C-H가 C-S-H 수화물을 생성함에 따라 전체 수화물의 비중이 증가하였으며, 이에 따라 강도가 증진 되는 것으로 생각된다.

따라서 이 실험결과에 따라 경량기포콘크리트, 패널을 제작하기 위한 기초배합으로 Fly-ash의 치환율은 20% 가 적정한 것으로 판단되며, 30% 이상이 치환되는 경우 강도는 다소 증가하는 경향을 보이나 비중이 크게 감소되는 것으로 확인되었다.

2 단계에서 도출되어진 배합을 기준으로 PCM을 단위시멘트 중량대비 10%~30%로 치환을 하여 배합을 실시하였다.

Figure 11에 나타낸 것과 같이 PCM 10%의 경우 치환하지 않은 기준 시험체와 유사한 강도를 나타냈으나, 20%의 경우 1.8배의 강도 증진 효과를 나타냈으며, 30%의 경우 20%로 치환배합과 비교하여 다소 강도가 저감되는 경향을 나타내었다.

이는 Figure 12에 나타낸 기공률 결과와 같이 PCM을 치환함에 따라 강도 저감에 영향을 미치는 공극이 감소되는 것을 확인 하였으며, 전체적인 공극률이 감소되는 결과를 나타냄에 따라 PCM 마이크로캡슐이 큰 공극 내부로 침투되어 강도 증진 효과가가 나타는 것으로 판단되었다.

Fig. 11  
Compressive & bending strength test result

Fig. 12  
Porosimeter Test Result

또한 이 실험에서 사용한 PCM의 경우 벽재를 생성하고 있는 멜라민 수지가 열중합 반응에 따라 표변이 성게와 유사한 바늘 형태의 형상을 나타내어 내부에 침투되어 정착되는 경우, 이 실험 배합에 포함되지 않은 잔골재와 유사한 영향을 주며 마찰계수의 증가로 강도가 증진 하는 것으로 생각된다.

하지만, PCM의 잔골재 역할에 따라 다소 비중이 증가하는 경향 및 단열성을 좌우하는 전체 공극률의 감소는 추후 검토가 필요할 것으로 판단된다.

1 단계에서 사용한 PCM의 경우 질석을 이용하여 질석 내부에 파라핀 왁스를 침투 시키고 멜리민 수지로 코팅하여 PCM을 제조하는 방식을 이용하였으며, 2 단계에서는 1-도데카놀을 심재로 사용하였으며, 이에 멜라민 수지를 벽재물질로 이용하여 마이크로 캡슐화 시켜 PCM을 제작하였다.

Figure 13 (a), (b)는 질석을 사용한 PCM을 1단계에서 도출되어진 경량기포콘크리트 배합에 치환하여 열적 특성을 평가한 결과이며, Figure 13 (c)는 1-도데카놀을 심재로 사용한 PCM을 2단계에서 도출되어진 배합에 치환한 시험체와 1 단계에서 이용한 PCM을 사용한 시험체를 비교한 결과이다. 외기를 약 4시간 간격으로 20℃~35℃로 변화를 주었으며 이에 따라 변화되는 내부의 온도를 열전대를 이용하여 결과를 측정하였다. 1 단계에서는 Figure 13 (a), (b)와 같이 외기 온도변화에 비해 PCM이 혼입되지 않은 경량기포콘크리트의 경우 평균적으로 약 0.8℃정도의 온도차를 나타내었으며, PCM이 10% 혼입되어진 시험체와 비교하는 경우, 외기온도에 비해 약 1℃정도의 차이를 나타내는 것으로 확인되었다. 하지만 30℃의 온도를 넘어서는 경우 PCM이 치환되지 않은 경량콘크리트와 비교하여 온도 역전현상이 나타내어 30℃ 이상에서는 경량콘크리트의 경우가 단열성이 높아지는 것으로 확인 되었다.

Fig. 13  
Heat Insulation Property Test Result

2 단계에서 이용한 PCM의 경우 온도 변화 폭은 1 단계에서 사용한 PCM과 대부분 유사한 경향을 나타내었으나, 시험체의 두께가 증가하는 경우, PCM치환율에 따른 온도저감 효과에 비해 두께증가에 따른 온도 저감현상이 큰 것으로 확인 되었다.

이 실험에 사용된 PCM의 상변위 온도점이 25~28℃인 것을 고려했을 때 상변위 이후에 내부의 심재가 액상화 되면서 열전도율이 높아져 온도 역전 현상이 나타나는 것으로 판단된다.