A Study on the Performance of Foamed Concrete for Cores Material of Metal Vacuum Insulation Panel

(1)

J. Korea Inst. Build. Constr. Vol. 20, No. 5 : 417-423 / Oct, 2020

https://doi.org/10.5345/JKIBC.2020.20.5.417

www.jkibc.org

금속진공단열패널의 심재용 기포콘크리트의 성능에 관한 연구

A Study on the Performance of Foamed Concrete for Cores Material of Metal Vacuum Insulation Panel

1)

홍 상 훈

¹

김 봉 주

^2*

Hong, Sang-Hun

¹

Kim, Bong-Joo

^2*

Researcher, Graduate School, Kongju National University, Seobuk-Gu, Chungnam, 31080, Korea ¹ Professor, Graduate School, Kongju

National

University,

Seobuk

-Gu,

Chungnam

, 31080, Korea ²

Abstract

In order to reduce cooling and heating, which is 40% of the energy consumption of buildings, it is important to improve the insulation of the skin. In order to improve the existing insulation, research is being conducted to apply a vacuum insulation panel(VIP) to buildings. However, VIP cannot be repaired, so we considered the metal vacuum insulation panel. Since the core of the metal vacuum pressure and have low thermal conductivity, foam concrete is adopted. However, preliminary experiments confirmed that the time to reach 0.001torr differs depending on the amount and nature of the bubbles. This effect is determined by the type of foaming agent and the density of the bubble slurry, the vacuum delivery time is determined to be the optimum foam concrete conditions are necessary. Therfore, this study aims to present basic data applicable to core materials by measuring vacuum delivery time and thermal conductivity change according to the foaming agent type and foam slurry density of foam large concrete which is core material of metal vacuum insulation panel. Experimental results and analysis show that compressive strength can be used regardless of the type of foam, In terms of thermal conductivity, it is stable to use vegetable foaming agents at 0.9g/㎤ or less. In terms of the vacuum delivery time, the foaming agent appeared similar regardless of the type of foaming agent, but it is considered suitable to use vegetable foaming agent based on compressive strength and thermal conductivity

Keywords : metal vacuum insulation panel, vacuum time to reach, core, foamed concrete

1. 서 론

건축물의 전체 사용 에너지 중 40% 이상이 냉·난방에 사용 되며, 이를 줄이기 위한 외피의 단열성능 향상 기술 및 연구 가 중요시 되고 있다. 이를 위해 기존 단열재를 개선하기 위해 현재 가전제품에 사용되는 고성능 단열재인 VIP (Vacuum Insulation Panel 이하 VIP)를 건축물에 적용하 기 위한 연구가 진행되고 있다[1-3].

Received : February 13, 2020

Revision received : September 1, 2020 Accepted : October 7, 2020

* Corresponding author : Kim, Bong-Joo

[Tel: 82-41-521-9494, E-mail: [email protected]]

VIP는 고단열 자재지만 건축분야에 적용하기에는 고가의 가격, 심재의 가스 발생이나 시공 시 표면재의 파손 등으로 진공이 파괴되어 단열성을 잃게 되며, 이를 보수나 보강할 방법이 없는 실정이다[4].

본 연구에서는 그 대안으로 커튼월의 Non-vision 부분에 적용할 수 있는 보수보강이 가능한 금속진공단열패널을 고 려하였다[5,6].

금속진공단열패널의 외피는 손상을 막기 위한 강도가 높 은 금속재료를 사용하고, 내부 심재는 진공압력을 버티며 낮 은 열전도율을 가지는 기포콘크리트 및 무기질 재료를 사용 하였다. 또한, 밀폐재로는 진공 감압 후 내부의 진공이 깨지 지 않도록 외피와 외피 사이에 고무 오링(NBR,VITON)을 사용하였다. 금속진공단열패널의 구조는 Figure 1과 같다.

(2)

A Study on the Performance of Foamed Concrete for Cores Material of Metal Vacuum Insulation Panel

Figure 1. Structure diagram of metal vacuum insulation panel

이 중 심재는 내부의 공극량이 증가할수록 진공 영역이 증가하게 되어 단열성능을 증진 시킬 수 있다. 또한, 진공도 0.001torr로 감압 시 외피인 금속 외피가 진공압력에 의해 휘게 되어 이를 방지함과 동시에 진공압력을 심재가 버텨야 하므로 1MPa 압력 이상의 강도가 필요하다.

예비실험 결과 요구되는 성능을 갖춘 기포콘크리트라 하 여도 기포의 양을 20%씩 증가하였을 때 물리적 성질에 따라 진공도 0.001torr에 도달하는 시간이 짧게는 6시간에서 26 시간까지 차이가 발생하였으며, 기포제의 구조 및 밀도에 따 라 진공도달시간에 영향을 미치는 것을 확인되었다.

또한, 이 영향은 기포제의 종류 및 기포 슬러리 밀도에 의해서도 달라질 것이라 예상하여 이에 따른 최적 기포콘크 리트 배합조건을 찾고자 하였다.

따라서 본 연구에서는 금속진공단열패널의 심재로 사용되 는 기포콘크리트의 기포제 종류 및 기포 슬러리 밀도에 따라 진공도달시간 및 열전도율 변화를 통하여 금속진공단열패널 심재로 적용할 수 있는 배합에 대한 기초적 자료를 제공하는 것을 목적으로 하였다.

2. 실험계획 및 방법

2.1 실험 인자 및 수준

금속진공단열패널 심재로 사용되는 기포콘크리트의 실험 인자 및 수준은 Table 1과 같이 선정하여 실험을 진행하였 다. 기포 슬러리 밀도는 기존 ALC(경량기포콘크리트)배합인 0.6품(0.7g/cm³)을 기준으로 하여 더 낮은 0.5g/cm³와 0.9g/cm³, 1.2g/cm³로 선정하여 실험을 진행하였다. 또한, 기포제의 희석농도에 따라 물성이 변화하기 때문에 실험의 오차를 최소화하기 위해 사전실험을 통한 기포의 안정성이 높은 4%로 희석농도를 고정하여 실험을 진행하였다.

Factor Level Measurement

item Bubble slurry

density(g/cm³) 0.5, 0.7, 0.9, 1.2 - Compressive strength - Vacuum arrival time - Thermal

conductivity Foam type

Vegetable Foam (HIFAC), Animality Protein Foam

(HIFA)

Table 1. Factor and level

Figure 2. Vegetable foaming agent(HIFAC) and animal foaming agent(HIFA)

2.2 사용재료

기포제 종류는 크게 식물성·동물성 기포제로 나뉘게 되는 데 본 실험에서는 Figure 2와 같이 식물성 기포제(HIFAC), 동물성 기포제(HIFA)를 사용하였으며 물성은 Table 2와 같다.

pH (3%)

Specific

gravity solubility

Foaming density (g/cm³) Vegetable

Foam (HIFAC)

7±1 1±0.5 Easily soluble in water being

0.031 Animality Protein

Foam (HIFA) 0.041

Table 2. Foam properties

2.3 배합 설계

식물성 기포제(HIFAC)와 동물성 기포제(HIFA)의 발포된 기포 밀도인 0.031g/cm³, 0.041g/cm³을 고려하여 배합을 진행하였다. 배합은 파일럿 실험을 통해 시멘트량과 물시멘 트비를 고정한 후 기포량을 증가시켰을 때 기포 슬러리 밀도 를 측정하였다. 이를 통해 일정한 기포 슬러리 밀도를 맞추기 위한 배합은 다음 Table 3과 같다.

2.4 측정 기기

진공도달시간 및 열전도율을 측정한 기기와 기기의 성능

(3)

기위한 디지털 현미경의 성능이다.

Division Bubble Slurry Density

Unit cement amount (kg/㎥)

Water (l/㎥)

Bubble amount (l/㎥)

Vegetable Foam (HIFAC)

0.5

274 137

14.5

0.7 13.56

0.9 6.64

1.2 3.29

Animality Protein Foam (HIFA)

0.5 19.06

0.7 13.93

0.9 6.68

1.2 3.43

Table 3. Mix design

material : SUS Chamber spec : circle 500*450*6T Height 1,600

Reach vacuum degree : 0.0005 torr

Table 4. Vacuum pump and chamber specifications

Temperaturerange : -20 to 75℃

Temperature control accuracy :

±0.01℃

Thermal conductivity accuracy :

±2%

Thermal conductivity range : 0.005 torr, 0.35W/m·K Table 5. Thermal conductivity measuring instrument

specifications

Resolution : 2.00 Mega pixels, (1,600 × 1,200)

Magnification : 10 ～ 230×

Table 6. Digital microscope specifications

기포콘크리트의 제작방법으로 선발포방식과 후발포 방 식 이 둘을 혼합한 복합방식으로 구분된다. 본 실험에서는 기포의 안정성이 높은 선발포 방식을 채택하여 실험을 진행 하였다. 제조방식은 보통포틀랜드시멘트와 물을 먼저 Figure 3과 같이 혼합한 페이스트와 Figure 5와 같이 기포 를 발포하여 Figure 4에 넣은 후 Figure 6과 같이 혼합하여 제작하였다.

Figure 3. Paste mixing Figure 4. Ribon mixer

Figure 5. Foaming Figure 6. Mixing

혼합 후의 기포 슬러리 밀도 측정은 Figure 7과 같이 2,000㎖ 용기에 담아 측정하였다.

Figure 7. Bubble slurry density measurement

(4)

양생 방법은 KS F 4039에 준하여 실험체를 타설하고 2일 후 탈형하여 28일 동안 습윤 양생을 하였다. 진공도 0.001torr 도달 실험과 열전도율 실험에 사용한 공시체는 절건 상태의 실험체를 사용하였다.

진공도달실험은 Figure 8과 같이 챔버에 금속진공단열패 널 구성 재료 중 심재로 사용되는 기포콘크리트를 넣은 후 진공상태 0.001torr까지 도달하는 시간을 측정하였다. 또한, 열전도율 실험은 Figure 9와 같이 열전도율 측정기기에 ASTM C 518 및 ISO 8301에 준하여 실험을 진행하였다.

Figure 8. Vacuum test Figure 9. Thermal conductivity measurement

3. 실험결과

3.1 측정항목에 따른 기포콘크리트 구조 성상

식물성 기포제의 경우 연속 기포로 되어있어, Figure 10과 같이 연속된 기포 성상을 나타냈다. 동물성 기포제는 Figure 11과 같이 기포가 독립적으로 형성되는 성상을 나타내었다.

또한, 진공실험 전, 후를 비교한 결과 50배로 확대하였을 때 공극이 변화한 것을 확인하였다. 이는 진공 감압시 압력에 의해 공극을 차지하고 있는 공기가 빠질 때 공극의 표면 부위 가 파괴되어 공극의 크기가 변화한 것으로 판단된다.

3.2 기포 슬러리 밀도에 따른 진공도달시간

Figure 12와 같이 기포 슬러리 밀도가 낮아질수록 진공도 달시간이 증가되는 경향을 보이고 있다. 이는 기포량이 증가 함에 따라 기포콘크리트 내의 공극이 증가하게 되고 공극 안에 진공을 만들기 위한 시간이 지체되는 것으로 판단된다.

동물성 기포제는 Figure 13과 같이 식물성 기포제와 유사한 경향을 보이고 있다.

식물성 기포제(HIFAC)와 동물성 기포제(HIFA)를 비교하 였을 때 동물성 기포제(HIFA)의 진공도달시간이 약 1시간

Figure 10. Vegetable foam structure (50X) Before vacuum test(left), After vacuum test(right)

Figure 11. Animality protein foam structure (50X) Before vacuum test(left), After vacuum test(right)

Figure 12. Vacuum arrival time depending on bubble slurry density (HIFAC)

Figure 13. Vacuum arrival time depending on bubble slurry density (HIFA)

(5)

기포제의 기포 구조가 다르기 때문에 독립 기포를 형성하는 동물성 기포제의 진공도달시간이 더 지체된 것으로 판단된다.

3.3 기포 슬러리 밀도에 따른 열전도율 변화

식물성 기포제(HIFAC) 및 동물성 기포제(HIFA)의 슬러리 밀도에 따른 열전도율 변화 그래프는 Figure 14와 같다. 식물 성 기포제의 경우 0.7g/cm³에서 열전도율이 약간 상승한 것 으로 나타났지만 실제로 0.011W/m·K로 차이가 크지 않았 으며 0.9g/cm³까지 동일한 수치 약 0.240W/m·K로 나타났 다. 1.2g/cm³는 0.7g/cm³의 결과보다 약 1.5배 상승한 0.369W/m·K를 나타내었다. 하지만 동물성 기포제의 경우 0.5g/cm³, 0.7g/cm³의 기포 슬러리 밀도에서 열전도율은 동일하였지만 0.9g/cm³, 1.2g/cm³기포 슬러리 밀도에서는 밀도의 증가에 따라 열전도율이 증가하는 경향을 보이고 있 다. 이는 기포콘크리트 안의 기포의 구조가 연속 기포와 독립 기포로 다르기 때문이라 판단되며, 열전도율 측면에선 기포 슬러리 밀도 0.9g/cm³이하의 범위에선 일정하게 낮은 열전 도율인 식물성 기포제의 사용이 적합할 것으로 판단된다.

3.4 기포 슬러리 밀도에 따른 압축강도 변화

압축강도 변화 결과는 Figure 15, Table 7과 같으며 기포 슬러리 밀도 0.7g/cm³에선 동물성 기포제보다 식물성 기포 제가 초기강도는 약 1.4∼1.5배 높은 것으로 나타났으나 28 일 강도에선 2.3MPa로 유사하게 나타났으며 기포 슬러리 밀도 1.2g/cm³에선 식물성 기포제에 비해 동물성 기포제가 28일 강도에서 약 1.16배 높은 것으로 나타났다.

Figure 16은 식물성 기포제(HIFAC)의 양생 기간에 따른 압축강도 변화이며 0.5g/cm³7일에선 증가가 나타나지 않았

Figure 14. Thermal conductivity according to bubble slurry density

Figure 15. Comparison of compressive strength by foam type

Figure 16. Compressive strength according to bubble slurry density (HIFAC)

Figure 17. Compressive strength according to bubble slurry density (HIFA)

지만 28일에선 23.08% 증가한 것으로 나타났다. 0.7g/cm³ 은 7일 4.86%, 28일 27.27% 증가하였으며, 0.9g/cm³은 7일 10.91%, 28일 6.56% 증가하였고, 1.2g/cm³은 7일 5.06%, 28일 8.43% 증가한 것으로 나타났다. Figure 17은

(6)

동물성 기포제 (HIFA)의 양생 기간에 따른 압축강도 변화이 며 0.5g/cm³ 7일에선 9.09%, 28일에선 25% 증가하였다.

0.7g/cm³은 7일 14.29%, 28일 25% 증가하였고, 0.9g/cm³ 은 7일 15.09%, 28일 14.75% 증가하였고, 1.2g/cm³은 7일 9.78%, 28일 8.91% 증가하였다.

결과적으로 0.9g/cm³, 1.2g/cm³의 기포 슬러리 밀도에 선 동물성 기포제의 강도는 최대 1.3배까지 높게 나타나 연 속기포구조가 아닌 독립기포구조가 압축강도 측면에서 유리 하며, 기포 밀도에 의해서도 영향을 미치는 것으로 판단된다.

Division 3 day

(MPa)

7 day (MPa)

28 day (MPa) Vegetable

Foam (HIFAC)

density (g/cm³)

0.5 1.3 1.3 1.6

0.7 2.1 2.2 2.3

0.9 5.5 6.1 6.5

1.2 7.9 8.3 9

Animality protein

Foam (HIFA) density (g/cm³)

0.5 1.1 1.2 1.5

0.7 1.4 1.6 2

0.9 5.3 6.1 7

1.2 9.2 10.1 11

Table 7. Compressive strength

3.5 열전도율 및 진공도달시간의 관계

Figure 18과 같이 식물성 기포제 0.7g/cm³, 0.9g/cm³ 기포 슬러리 밀도에서 진공도달시간 및 열전도율은 일정하 게 나타났으며 식물성 기포제를 사용할 때에는 낮은 밀도로 사용하는 것이 적합할 것이라 판단된다.

Figure 19와 같이 동물성 기포제는 기포 슬러리 밀도에 따라서 열전도율이 유사하게 나타날 경우, 진공도달시간도 유사하게 나타나는 것으로 나타났다. 따라서 열전도율과 진 공도달시간의 관계가 반비례하는 것으로 나타났다.

Figure 18. Relationship between thermal conductivity and vacuum delivery time (HIFAC)

Figure 19. Relationship between thermal conductivity and vacuum delivery time (HIFA)

4. 결 론

기포콘크리트의 진공도달시간 및 열전도율 측정을 통해 금속진공단열패널의 심재로 적용하기 위한 최적 배합 검토 에 대한 실험결과 다음과 같은 결론을 도출하였다.

1) 금속진공단열패널의 제작 시간과 관련되는 진공도달 시간의 경우, 기포제의 종류에 관계없이 기포 슬러리 밀도가 증가함에 따라 약 2시간 가량 감소 되는 것으 로 나타났다. 기포 슬러리 밀도 증가에 따라 내부 공극 이 줄어들면서 나타나는 현상으로 판단되며, 열전도율 과의 연관성 검토를 통해 적정 밀도의 선정이 필요할 것으로 판단된다.

2) 열전도율 측면에선 식물성 기포제의 경우 기포 슬러리 밀도 0.5g/cm³∼0.9g/cm³까지 열전도율 결과가 유 사하게 나타났으며, 1.2g/cm³에서 약 1.5배 증가한 열전도율 값을 나타냈다. 동물성 기포제의 경우 기포 슬러리 밀도 0.5g/cm³, 0.7g/cm³에서 열전도율이 유 사하게 나타났으나 이후 슬러리 밀도가 증가할수록 열전도율 값은 최대 1.2배 정도 상승하는 경향으로 나타났다. 앞선 진공도달시간과 비교하였을 때, 열전 도율이 유사하게 나타나는 식물성 기포제를 사용하는 것이 적절하다고 판단된다.

3) 압축강도 측면에선 식물성 기포제와 동물성 기포제 모두 기포 슬러리 밀도가 증가할수록 강도가 증진 되 는 것으로 나타났으나 식물성 기포제와 동물성 기포제 의 강도를 비교하였을 때 기포 슬러리 밀도 1.2g/cm³ 를 제외한 기포 슬러리 밀도에서 유사한 것으로 나타 났으며 28일 강도는 동물성 기포제가 22% 높은 것으

(7)

4) 열전도율 및 진공도달시간의 관계 그래프에서 동물성 기포제와 식물성 기포제는 반비례 관계를 나타내었다.

열전도율과 진공도달시간을 목적으로 두었을 때 유리 한 기포제는 낮은 열전도율을 가지며 진공도달시간이 짧은 기포제는 식물성 기포제이며, 기포 슬러리 밀도 를 0.7g/cm³이하일 때 열전도율이 0.240W/m·K로 낮기 때문에 이를 활용하면 금속진공단열패널의 심재 용도로 사용이 가능할 것으로 판단된다.

5) 전체적인 결과 기포제 종류에 관계없이 모두 1MPa이 상으로 나타나 진공압력에 의한 금속패널의 휨 변형방 지용인 심재로 사용이 가능할 것으로 판단된다. 하지 만 식물성 기포제의 기포 슬러리 밀도 0.9g/cm³이하 에서 열전도율 값이 안정적이며, 동물성 기포제는 기 포 슬러리 밀도 0.7g/cm³이후 열전도율 값이 증가하 는 경향을 나타냈으며 또한 진공도달시간 측면에서 식물성 기포제가 동일조건에서 약 1~2시간 빠른 것으 로 나타나 식물성 기포제를 사용하는 것이 적합한 것 으로 판단된다.

요 약

건축물의 에너지 소비 중 40%인 냉·난방을 줄이기 위해 외피 단열향상이 중요시되고 있다. 이에 기존 단열재를 개선 하기 위해 진공단열패널VIP(Vacuum Insulation Panel)을 건축물에 적용하기 위한 연구가 진행되고 있다. 하지만 VIP 는 보수보강이 불가능해 이를 개선한 금속진공단열패널을 고려하였다. 금속진공단열패널의 심재는 진공압력을 버티 고, 낮은 열전도율을 가져야 하므로 기포콘크리트를 채택하 였다. 하지만 예비 실험을 통해 기포의 양이나 성질에 의해 0.001torr에 도달하는 시간이 다른 것을 확인하였다. 이러한 영향은 기포제의 종류 및 기포 슬러리 밀도 등에 의해 진공도 달시간이 달라질 것이라 판단하여 최적 기포콘크리트 조건 이 필요하다. 따라서 본 연구에서는 금속진공단열패널의 심 재인 기포큰크리트의 기포제 종류 및 기포 슬러리 밀도에 따라 진공도달시간 및 열전도율 변화를 측정하여 심재로 적 용 가능한 기초적 자료를 제시하는 것을 연구목적으로 한다.

키워드 : 금속진공단열패널, 진공도달시간, 공극, 기포콘크 리트

This work was supported by the research grant of the Kongju National University in 2019.

ORCID

Bong-Joo Kim, https://orcid.org/0000-0002-6275-2078 Sang-Hun Hong, https://orcid.org/0000-0003-2482-9852

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