고온다습지역에 적합한 압출성형 콘크리트패널 소개
Introduction of Extruded Concrete Panel that Suitable for High Temperature and Humidity Areas
채창우 Chang-U Chae 한국건설기술연구원
국민생활연구본부 선임연구위원 E-mail : [email protected]
송태협 Tae-Hyeb Song 한국건설기술연구원 국민생활연구본부 연구위원 E-mail : [email protected]
김상희 Sang-Hee Kim 한국건설기술연구원 국민생활연구본부 신진연구원 E-mail : [email protected]
1. 머리말
최근 신흥 개발도상국을 대상으로 현지화를 위한 다양한 용도의 건설제품 개발에 관한 연구 및 지원이 증대되고 있다.
신흥 개발도상국의 저소득 계층을 위한 주거환경 개량 사업의 일환으로 염해 및 고온다습 환경에서 장기적으로 안정적인 유지할 수 있도록 건식공법으로 신속시공과 내구성이 우수한 압축성형 콘크리트패널을 적용 하고자 하였다.
고온다습 환경인 방글라데시 남부해안 지역에 염해 저항성이 높은 내구성 주택 건설을 위해서는 철근 또는 금속재료를 사용하지 않 는 고밀도 압출성형 패널 적용이 최적일 것으로 판단되었다. 그러나 저소득 가구를 대상으로 할 경우 적정 경제성 확보에 어려움이 있 기 때문에 현지에 적합한 압출성형 패널이 필요할 것으로 사료되었다.
2. 압출성형 방식 및 압출성형 콘크리트패널 소개
각종 패널류 등의 판재 및 봉재, 기타 선형부재의 생산을 위한 방법으로서 가장 보편적인 생산기법인 압출성형이 기존의 생산시스템 으로는 생산성이나 경제성 면에서 가장 유리한 방식으로 알려져 있다.
이는 압출성형방식 자체가 가지고 있는 특징인 연속적인 생산 방식이 이러한 제품들의 일방향적인 제품형상과 잘 맞기 때문이며, 가 장 널리 쓰이고 있는 방식중의 하나이며, 압출성형방식의 장단점은 아래와 같다.
[표 1] 압출성형공법의 특성
장 점 단 점
- 습식의 프리캐스트 제품에 비해 가벼움 - 강도 높음
- 치수안정성 우수
- 표면 경도가 높아 차음성이 좋음
- 폭방향의 자유로운 크기의 변화가 불가능
[표 2] 압출성형 콘크리트 패널 비교
일반적인 압출성형방식은 투입재료가 소성상태에 있을 때 금형(die)을 통해서 압출성형하는 방식이다. 이 방법은 보통 내화벽돌, 하수관, 중공타일, 기능세라믹 및 전기절연체 등을 생산하며, 건축재료로는 박판 흡음재, 문틀, 각종 새시류 등의 선형부재를 연속적으로 생산할 때 이용된다. 가장 널리 이용 되는 방법은 모터에 의해 구동되는 오거(motor-driven auger)에 의해 배합된 시멘트재료를 경질의 강이나 합금다이 (die)를 통해 압출하는 진공오거압출이다.
그러나, 특수한 경우 가공오차의 범위를 줄이기 위해 고압 하에서 피스톤압출에 의해 생산되기도 한다.
압출성형 공정은 원료의 계량 → 건식 혼합 → 습식혼합 → 퍼그스크류 → 오거스크류 → 진공공정 → 성형 → 1차 양생 → 2차 양생 → 최종 가공 순으로 이루어진다.
기존의 진공압출성형 기법을 적용하여 고온다습한 현지지 역의 최적화된 압출성형 콘크리트 패널을 제안하였다.
우선적으로 저밀도 20 mm 얇은판 구성을 위하여 아래와 같이 재료시험을 실시하였다.
그림 1. 진공압출성형장치
그림 2. 진공압출성형 공정 (출처 : 벽산 기술자료집)
- 압출성형 패널의 최대 단점 → 고강도 고밀도 이지만 취성재료
- 이를 보완하기 위하여 밀도와 강도가 20 % 정도 낮고 취성을 개선 제품 적용을 위한 재료 개발
방법 1 : 보강섬유의 개선 → 기존 PP 섬유를 대체하여 볏짚 섬유 활용 취성 개선효과 획득
방법 2 : 강도 감소 최소하 → 분말도 7,000 cm2/g 플라이 애시 적용
항목 기존 패널제품 개발 패널제품
제품 두께 •35~60 mm •20~60 mm
밀도A •1.8±0.1 g/cm3 •1.4~1.9 g/cm3
휨강도 •14MPa 이상 •경량제품 10 MPa 이상
길이 변화율 •0.08% 미만 •0.10 % 미만
사용 보강섬유 •폴리프로필렌 •볏짚섬유
특성 •취성재료(순간적인 충격 및 인성 취약) •취성 개선(볏짚섬유 활용을 통한 인성 개선)
•고분말(분말도 7,500 cm2/g) 사용에 따른 밀도 개선
■압출성형 패널의 재료구조
- 압출성형 패널에 사용되는 재료는 결합재로 보통 포틀 랜드 시멘트를 사용하고, 이외에 보강섬유, 증점제 등이 사용된다.
① 결합재 : 보통포틀랜드 시멘트, 플라이애시, 고로슬래 그 미분말
• 일반적으로 시멘트만을 결합재로 사용하고 있으나 경제적인 문제, 양생공정과 같은 기능적인문제, 강 도 확보 등의 문제 해결을 위하여 플라이애시 또는 슬래그 미분말을 사용하게 된다.
• 본 제품에는 Free-CaO 함량이 높은 순환유동층 보 일러 플라이애시를 보완 사용하였다.
② 규사 : 규사는 200 mesh 미만의 입도를 가진 SiO2함 량 95 % 이상으로 시멘트의 CaO성분과 반응하여 강 도를 발현하는 수화물을 생성한다.
• 시멘트와 규사의 사용량은 C/S mole비를 0.9~0.95 이내로 조정하여 사요량을 공급한다. 또한 하절기 및 동절기 외기 온도의 변화가 발생하면 재료의 상 승 온도를 조절하기 위하여 규사를 사용한다.
• 1, 2차 증기 양생과정을 거치면 토버모라이트 수화물이 생성되어 재령 28일 강도를 완전하게 구현할 수 있다.
③ 보강섬유 : 보강섬유로 과거에는 석면을 사용하였으 나 지금은 대부분 펄프, 폴리프로펠렌, 규회석 등을 사 용하고 있다.
• 펄프는 취성을 개선하여 힘 흡수력을 보완함으로써 인성을 개선하는 기능을 가지며, 폴리프로필렌 섬유
는 섬유장 효과로 인장력을 부여하는 기능을 가지고 있다. 그러나 표면이 매끄러운 성질을 가지고 있어 Pull-out 현상이 부분적으로 나타나기도 한다.
④ 증점제 : 압출성형 시멘트 패널의 원료중 가장 소량 을 사용하고 있으나 가장 중요한 원료이다.
• 압출성형 과정에서 재료들이 지속적으로 혼련되면 서 마찰이 일어난다. 이때 재료간의 마찰력이 높아 지면 제품의 성형이 제도로 이루어지지 않는 특성이 있다. 또한 압출성형 패널은 대부분 중공부를 형성 하고 있으며 이러한 중공부의 보형을 유지하기 위해 서는 재료간의 결합력이 우수하여야 한다.
• 증점제의 종류는 여러 가지가 있으나 일반적으로 압 출성형에 사용되는 것은 HPMC 계열이며, 점도는 15,000~100,000 cps 범위를 사용한다. 성분의 구분 은 에칠계와 메칠계로 구분된다
• 방글라데시 현지화 제품의 제조에 있어서 증점제의 사용은 원가 상승에 많은 영향을 미친다. 석면을 대 체하여 사용하는 펄프 및 폴리프로필렌의 윤활성을 보완하기 위하여 증점제의 사용량이 높아진다.
■방글라데시 현지화 방안
- 방글라데시 현지 조건에 맞는 압출성형 시멘트 패널을 제조하기 위해서는 가장 먼저 경제성을 충족하여야 한 다. 가장 많이 사용하는 시멘트를 대체할 수 있는 재료를 사용하여야 하며, 증점제의 사용량을 최소화할 수 있어 야 한다.
그림 3. 염해 및 수분 저항성이 높은 20mm 패널 생산 공정
그림 4. 보강섬유의 물리적 특성 비교
- 섬유의 사용에서도 폴리프로필렌의 사용량을 줄임으로 써 원가를 절감할 수 있다.
- 기후현황을 고려할 때 조습성을 부여하기 위해서는 경 량화와 함께 사용하는 섬유를 다공성 섬유로 변경하는 것이 좋다.
- 따라서 본 연구에서는 볏짚을 보강섬유로 하여 압출성 형 패널을 제조하고자 하였다. 볏짚을 사용할 때의 장점 은 다음과 같다.
• 풍부함 원재료 : 3모작을 실시하는 방글라데시에 볏 짚은 풍부하게 공급 가능함.
• 높은 인장력 : 섬유화한 볏짚의 인장력은 펄프에 비 하여 높은 값을 가진다. 섬유의 다공성을 유지하면 서 강도의 확보가 가능하다.
• 시멘트와 친화력이 높음 : 강알카리인 시멘트와의 친화력이 매우 높은 특성을 가지고 있다. 유리섬유 및 폴리프로필렌 섬유의 경우 표면 침식 등이 발생 하여 인장력이 하락 하는 현상이 있으나, 볏짚은 성 질을 계속적으로 유지할 수 있는 장점이 있다.
• 요철 구조의 표면 : 표면이 폴리프로필렌과 같이 매 끄럽지 않고 요철 구조를 가지고 있어 패널의 높은 인장강도를 유지할 수 있다.
■볏짚을 활용한 압출성형 패널 생산 시험
- 목적 : 기존에 사용하고 있는 폴리프로필렌 및 펄프 섬
유 대체
방글라데시 풍부하게 획득 가능한 볏짚 활용 → 섬유화 후 압출 실험
- 실험방법
① 볏짚의 섬유화 : 길이 10~15 mm, 섬유두께 0.5 mm 미만 분쇄
② 섬유 함유량의 결정 : 0.3~0.5 중량%
③ 첨가물질의 결정 : Talc 및 Sodium Silicate 함유
④ 결합재 및 바인더의 결정 : 시멘트 35~55 중량%, 규 석분 35~43 중량% 함유
⑤ 압출시험 단면 : 4구 패널, 단구 봉 형태의 제품 - 볏짚의 섬유화는 1차적으로 절단기로 Chop 상태로 만
든 후 헤머밀의 회전수를 조절하여 섬유의 굵기를 조 절하였다.
- 볏짚의 섬유화 과정에서 볏짚간의 뭉침 현상을 방지하 기 위하여 탈크와 분상의 소듐 실리케이트를 함침하였 다. 이를 혼합하는 목적은 섬유화 과정에서 뭉침현상을 방지하는 것이 가장 큰 목적이다.
- 일반적으로 펄프와 같은 천연 섬유들을 시멘트와 같이 혼련할 경우 정전기 발생 등으로 섬유상끼리 뭉침현상이 발생하고, 이러한 뭉침이 압출단계의 중공구조에 껴서 불량 현상이 나타날 수 있다.
- 습식 혼합단계에서 섬유의 마찰력을 최소화 할 수 있다.
마른 볏짚의 표면은 거친 정도가 매우 높다. 경화 후 인장
25 mm 절단 500 rpm 분쇄 1000 rpm 분쇄 2000 rpm 분쇄
그림 5. 볏짚의 섬유화 – 분쇄 회전수에 따른 섬유 길이 및 굵기 결정
력을 유지하는데 효과적으로 작용할 수 있으나 2단의 스 크류와 믹서를 통과하고 최종적으로 금형을 통과하는 단 계에서는 높은 마찰력으로 인하여 윤활성이 낮아지는 현 상이 나타날 수 있으므로 이를 방지하는 목적으로 탈크 와 소듐 실리케이트를 사용할 수 있다.
- 볏짚의 사용량은 밀도를 고려하여 0.3 %로 한정하였다.
질량비로 0.3 % 이기 때문에 소재 내에서 인장력을 충분 히 발휘할 수 있는 특성을 가질 수 있다.
■압출실험 결과
① 표면 상태 : 제품의 표면에 돌출되는 상황 없이 매끄러 운 상태 유지
② 섬유의 분산 : 섬유끼리 뭉치는 현상 없이 분산성 양호
③ 압출속도 : 기존 폴리프로필렌 섬유 배합보다 압출 속 도 우수
④ 표면 윤활성 : 탈크 함유에 따른 윤활성 개선
⑤ 증점재의 사용량 : 기존 배합 대비 15 % 정도 추가 사용 - 압출실험결과 소재의 압출속도, 표면, 섬유의 분산성 등 은 모두 기존 배합과 동등 또는 그 이상의 효과를 획득하 였다.
- 휨강도 측정 결과 12 MPa 이상을 발현하는 것으로 나타 났다. 이는 경량성을 부여한 특성을 고려할 때 매우 높은 결과 값이라 할 수 있다.
- 따라서 볏짚을 섬유상으로 압출성형에서 사용하는 것은 기존 섬유의 문제점을 극복할 수 있는 방안으로 활용할 수 있을 것으로 판단한다.
압출속도 관리 양생준비
압출성형 판재의 압출성형
Pilot 압출 건습식 일체형 혼련기
그림 6. 압출실험 과정
침수대비 성토층 골파타와 대나무로 구성된 집
지하수의 높은 염도 조적과 슬레이구성 집
주민과의대화 마을 진입로
그림 7. 방글라데시 해안지역 주택 현황조사
3. 고온다습 적합형 고밀도 경량 압출성형 콘크리트 패널 현장적용
고온다습환경에서 내구성이 우수한 압출성형패널 제품의 신흥 개발도상국(방글라데시) 남부 해안지역(Satkhria와 Bagerhat 등)에 현장적용 하였다.
건설 자재 공급 인프라 현황 조사와 함께 건축 자재의 직접 공급 또는 현지 생산을 위한 인프라 현황을 조사 한 결과 방글 라데시 남부 해안지역 주택의 벽체는 대나무, 흙 등이 대부분 이며, 부분적으로 조적벽 구성, 지붕재료는 볏짚, 골파타(Gol pata), 슬레이트와 CGI Sheet 라는 얇은 함석판이었다.
정부 지원 또는 외부 원조에 의한 주택 개량이 가능하며, 내부 지역의 도로 인프라가 원활한 지역임에 따라 저비용으로 압출성형 패널의 공급이 가능하였다.
■A타입 저소득층
• 기본 Concept :
- 현지 재료를 활용한 건축용 벽체 개발
- 기존의 활용 시스템에서 내구성을 보완할 수 있는 방안 - 벽체의 구성 재료를 현지에서 모두 확보할 수 있는 재료
로 구성
- 벽체의 재료 가격은 USD 3/m2를 넘지 않도록 함
그림 8. A타입 3D 모델
조사지역 Satkhria Bagerhat
세부지역 Shyamnagar 지역 6개 마을 Mongla 지역 3개 마을
조사대상 가구 및 인구 500가구 2,800명 500가구 3,000명
주택 주요재료 슬레이트, 함석, 벽돌, 대나무 등 다양한 재료 활용 Gol pata, 함석 sheet, 진흙, 일부 벽돌 구조 [표 3] 방글라데시 해안지역 주거환경
원자재 첨가물 세부설명 명세
짚, 흙
시멘트, 합성수지,
석회
•주요 재료는 현지 흙을 사용하며, 보강성을 높이기 위하여 지푸라기를 사용
•외장용 벽체는 Resine을 혼합하여 내수성 강화
•내장용 재료는 조습성 향상을 위하여 시멘트 또는 Sodium silicate 만을 사용
•300*300*150 mm, 300*150*150 mm 등 다양한 Brick 형태로 제작
•균열파괴를 방지하기 위하여 중간 Hollow 구조로 함
•지푸라기 길이를 다양하게 조절 가능
•밀도 : 1.0~1.2 g/cm3
•내압강도: 10~15 MPa
•첨가물 : >10 %
•합성수지 : >5 % [표 4] A타입 재료선정 및 성형공정
원자재 첨가물 세부설명 명세
재, 진흙, 대나무
시멘트, 규산나트륨,
Al 파우더
• 주요 재료 화력발전소 부산물(Fly ash), 점토(clay), Cement – 경량성을 부여하 기 위하여 발포 구조의 형태
•발포는 Al powder 또는 과산화수소(Hydrogen perroxide)를 사용함
•외장용 재료는 내수성 향상을 위하여 외부에 발수 처리
•최대 500*500*100 mm, 형태에 부어넣어 성형
•별도의 보강섬유 사용하지 않음
•제품의 경도 향상을 위하여 부분적으로 시멘트 혼합 가능
•벽체의 구성은 외부의 대나무 성형틀 안에 집어 넣어 쌓는 형식
•밀도 : 0.5 g/cm3 미만
•내압강도: 5 MPa 미만
•물 흡수량 : 15 % 미만 [표 5] B타입 재료선정 및 성형공정
원자재 첨가물 세부설명 명세
시멘트, 실리카 파우더
셀롤로우스섬유, 메틸 셀롤로우스
파우더
•주요 재료는 현지 흙을 사용하며, 보강성을 높이기 위하여 지푸라기를 사용
•외장용 벽체는 Resine을 혼합하여 내수성 강화
•내장용 재료는 조습성 향상을 위하여 시멘트 또는 Sodium silicate 만을 사용
•300*300*150 mm, 300*150*150 mm 등 다양한 Brick 형태로 제작
•균열파괴를 방지하기 위하여 중간 Hollow 구조로 함
•지푸라기 길이를 다양하게 조절 가능
•밀도 : 1.5 g/cm3 이상
•휨 강도 : 14 MPa 이상
•물 흡수량 : 15 % 미만 [표 6] C타입 재료선정 및 성형공정
■B타입 저·중소득층
• 기본 Concept :
- 방글라데시 지역 공급 원료 활용 벽체 개발
- 현재 사용하고 있는 시멘트 벽돌 등을 대체할 수 있는 개념 - 성형 방법 및 재료의 구성이 간단한 공정을 사용하여 할
수 있도록 함
- 벽체의 재료 가격은 USD 5/m2를 넘지 않도록 함
■C타입 중소득층 이상
• 기본 Concept :
- 내구성을 확보할 수 있는 재료, 특히 해수 등에 의한 부식 저항성이 높은 재료
- 현지에서 간단하게 조립 시공이 가능한 패널 - 부분적인 교체가 가능한 재료
- 벽체의 재료 가격은 USD 20~30/m2 정도
그림 9. B타입 3D 모델 그림 10. C타입 3D 모델
그림 11. 패널 외벽 적용 상세 도면
그림 12. 시범주택 준공 사진
4. 맺음말
신흥 개발도상국 중 방글라데시 남부해안 지역의 기후는 연중 고온 다습한 환경을 유지하고 있으며, 해안 지역의 특성 을 고려한 내구성 주택을 위해서는 고밀도 제품의 적용이 적 정한 것으로 나타났다.
본 연구에서는 방글라데시 남부해안 지역의 소득 수준 분 류에 따른 압출성형 콘크리트 패널 적용 시범 주택 설계안을 도출하였다. 저소득 계층의 경우 현지 재료와 최소의 2차 제 품을 적용하여 공급 하는 것으로 설계하였으며, 중산층 이상 의 가구는 내구성이 우수한 압출성형 패널 등을 적용하여 건
축할 수 있는 시스템을 구성하였다.
무엇보다도 현지 접근성이 어려운 상태로 우선적으로 마을 접근이 가능한 도로의 개설 등이 필요할 것으로 판단되었다.
마지막으로, 이러한 주택기술 적용을 방글라데시 내부에 서 원활하게 추진하기 위하여, 방글라데시 관련 공무원들과 전문가를 대상으로 전문적인 교육 및 연수가 요구된다. 이러 한 활동은 향후 압출성형콘크리트 제품의 방글라데시 내 적용 확대를 위한 네트워크 구축에 도움이 될 것으로 기대된다.
담당 편집위원 : 김태형(한국건설기술연구원)
설계 3D 투시도 완공된 건물 전경
