Tech Trend - 단열성능 향상 콘크리트의 생산 기술개발
TECH TREND는 기술을 선도하는 혁신기업으로부터 듣는 최신 기술동향입니다.
박영신 연구소장
한라엔컴(주) 기술연구소
youngshin.park@halla.com
들어가는 말
전 세계적으로 기후조건과 환경의 급격한 변화로 냉난방 에너지 사용이 증가되고 있으며, 이로 인해 화석 연료 사용량 증가와 CO2 배출량 상승 그리고 지구 온난화 등 환경과 에너지에 대한 수많은 문제가 발생하고 있다.
우리나라 또한 이상기온 현상으로 여름과 겨울 일수가 길어지고 폭염과 혹한이 잦아지면서 에너지 사용량이 증가하고 있는 추세이다.
지난 여름은 연일 계속되는 폭염으로 에너지 사용량의 급증과 원전 가동 중단 사태 등 발전설비 악재로 최악의 전력난을 겪고 있는 가운데, 정부는 건물 냉방온도, 공공기관 전기사용 제한 등 전력수급 안정을 위한 에너지 강제적 규제를 시행하였다.
이처럼 에너지 절약이 국가적 과제로 떠오름에 따라 건축물의 에너지 절감에 필요성도 날로 높아지고 있는 상황이다01.
이에 정부는 ‘친환경 주택의 건설기준 및 성능’을 고시함으로써 2025년까지 제로에너지 주택 공급을 목표로 에너지 의무 절감율의 단계적 상향을 추진해오고 있다.
특히 2014년 12월 일부 개정을 통해 에너지 의무 절감율을 계획 대비 5∼10% 상향시킴으로써 건축물 에너지 저감 기술개발의 중요성은 점차 부각될 것으로 전망된다.
이와 같은 흐름 속에서 건설재료는 건설산업의 인프라를 제공하는 기술 분야로서 대량의 온실가스를 발생시키는 시멘트, 철강, 발전산업 분야와 밀접한 관계를 지니고 있으며 건축물의 냉난방 에너지절감 및 건설재료 제조산업을 포함하여 국가적 비중과 역할이 크다고 볼 수 있다.
국토부 고시 기준을 살펴보면 ‘친환경주택의 건설기준 및 성능’ 평가항목은 냉난방과 급탕, 조명, 환기시스템, 신재생 에너지를 포함하는 Active 시스템과 고성능 외단열 시스템, 고성능 고기밀 창호, 폐열 회수형 환기장치, 자연채광 등의 Passive 시스템 기술 분야로 구분된다.
경제적 관점에서 볼 때 에너지와 환경, 경제성을 동시에 해결할 수 있는 Passive 개념은 요소기술의 개발 및 적용이 필요한 시점에 도달한 상태이다.
우리나라의 총 에너지 소비량 중에 건물 부분이 약 25%를 차지하며 다른 산업 분야에 비해 연간 에너지 소비증가율이 높은 편이다.
특히 건물에서 에너지 손실이 가장 큰 부위는 외피로서 이 부분의 에너지 손실을 감소시키기 위한 연구가 활발히 진행되고 있다.
그러나 대부분은 창호 및 단열재에 대한 연구이며 건물 외피의 70% 이상을 차지하고 있는 콘크리트에 대한 연구는 미미한 실정이다.
따라서 건물의 에너지 손실을 최소화하기 위해서는 콘크리트 자체에서 단열성능을 확보할 수 있어야 하며 이에 대한 해결책이 새롭게 요구되고 있다.
콘크리트의 성능 관련 연구동향
콘크리트에 대한 기존 연구는 2000년대 중후반까지 콘크리트 구조물이 고층화·대형화됨에 따라 고강도·고내구성·고유동성 등의 고기능성 콘크리트 연구개발이 주를 이루었다.
그러나 정부의 온실가스 저감정책에 따라 에너지 사용량을 감소시키는 건축물의 필요성이 부각되면서 콘크리트의 단열성능 향상을 위한 연구가 필요하게 되었다.
콘크리트의 단열성능 확보에 관한 기존 연구는 기포제·발포제 등을 사용하여 시멘트 매트릭스에 다량의 기포를 독립적으로 분산시키는 방법과 골재 내부가 다공질로 구성된 골재타입을 콘크리트 배합에 사용하였다.
두 가지 모두 경량성과 단열성이 높지만 낮은 압축강도와 높은 흡수성으로 인해 건축물 바닥공사에 사용되는 정도에 그치고 있다.
또한 2차 제품 중 건식경량벽체, ALC 등은 실을 분리하는 칸막이 벽체로 사용되고 있으며 부족한 기계적 성질에 의해 비구조용에 국한되어 왔던 것이 사실이다.
이에 이 글에서는 일반 콘크리트보다 열전도율이 2배 개선되고 압축강도는 유사한 수준을 지닌 단열성능 향상 콘크리트를 현장 적용한 결과를 소개하고자 한다.
콘크리트의 단열성능 향상 방안
콘크리트의 단열성능을 향상시키기 위한 방법으로는 시멘트 매트릭스에 공극을 형성하는 방법과 다공질 재료를 콘크리트에 혼입시키는 방법 그리고 배합설계에 의한 방법으로 구분할 수 있다.
(1) 콘크리트 자체 공극에 의한 단열성능 개선
콘크리트 자체 공극은 콘크리트 제조시 자연적으로 생성되는 갇힌 공기와 인위적으로 콘크리트 속에 공극이 형성되도록 발생시킨 연행공기, 경화시 시멘트 입자 사이에 수화물로서 채워지지 않고 남는 미세한 공극이 있다.
이와 같이 내부 공극을 증가시킴으로써 콘크리트의 단열성능을 개선할 수 있다.
(2) 재료에 의한 단열성능 개선
단열성능 향상 재료와 같은 다량의 공극을 함유하고 있거나 발생시키는 재료는 콘크리트의 대류, 복사에 의한 열 이동을 억제하기 때문에 열전도율을 낮출 수 있다.
(3) 배합설계에 의한 단열성능 개선
콘크리트 배합에 사용되는 물은 모두 시멘트 수화반응에 사용되는 것이 아니며 상당량은 시공과정에서 요구되는 시공성의 확보를 위해 사용되는 것이다.
수화반응에 사용되지 않는 물은 이후 콘크리트 내부의 자유수로 존재하게 되어 콘크리트가 굳은 후 증발로 인해 공극으로 남게 된다.
또한 잔골재율이 높을 경우에는 밀실한 굵은 골재의 사용량이 감소되어 콘크리트의 단열성능을 개선할 수 있다.
단열성능 향상 콘크리트 개발
단열성능 향상 콘크리트를 제조하기 위해 콘크리트 내부에 다공성을 확보함과 동시에 강도 발현이 가능한 분체, 액상, 골재타입의 3개를 선정하였다.
(1) 단열성능 향상 재료
단열성능 향상 콘크리트에 사용된 분체타입은 분말 입경이 10㎛의 다공성물질로서 시멘트의 염기성 수화물질과 반응하여 강도를 증진시키고 미세한 공극을 충전시키는 효과에 의해 콘크리트 내부가 밀실해지는 효과가 있다.
액상타입은 콘크리트 비빔과정 중 마찰에 의해 기포가 발생하는데 이를 통해 콘크리트 내부에 다량의 공극형성을 유도한다.
본 연구에 사용된 액상타입 재료는 소포가 적고 연행된 기포의 크기가 10∼100㎛로 매우 미세하여 압축강도 감소폭이 적은 것이 장점이다.
골재타입은 팽창점판암을 로터리 킬른에서 1,200℃의 온도로 소성하여 제조된 재료로서 내부에는 소성과정에서 발생된 가스로 인해 다량의 공극이 형성되어 있다.
(2) 생산설비 개선 및 현장적용
선정된 단열성능 향상 재료를 일반콘크리트와 비교하기 위해 현장적용을 진행하였다. 콘크리트의 단열성능을 향상시킨 구조용 콘크리트를 제조하기 위해서는 아래와 같은 방법으로 생산된다.
단열성능 향상 재료 중 액상타입 재료를 배치플랜트 믹서에 투입하기 위해서는 기존 설비 부문의 개선이 요구되었으며 이에 따라 고점성의 액상타입을 이송하여 계량할 수 있는 설비로 개선하였다.
골재타입은 구형과 고흡수율로 인해 생산시 계량단위 수량 부족에 기인하여 물성이 악화되는 결과를 나타내기 때문에 골재 야적장에 살수설비를 구축하여 배합 전 사전흡수시키는 프리웨팅(Prewetting)방식을 적용하고 이를 해결하였다.
(3) 현장적용 결과
개발된 기술의 성능을 일반 콘크리트와 비교하기 위하여 경기도 일산에 위치한 한국건설기술연구원 부지에 건설되는 실증주택 지상 2, 3층에 현장 적용을 실시하였다.
실증주택은 크게 2개 동으로 분리되어 있으며, 1개동은 기존 기술을 적용한 레퍼런스, 나머지 1개동은 개발된 실증기술을 적용하였다.
생산지부터 타설 위치까지 거리는 약 17km이며 믹서트럭 차량 기준으로 약 40분 소요된다.
시간 경과에 따른 단열성능 향상 콘크리트와 일반 콘크리트의 물리적 특성 변화를 비교하였다.
일반 콘크리트가 장거리 수송에 의해 작업성이 저하되어 건설현장에서 펌프압송시 발생되는 문제를 수반하지만, 당사에서 개발된 기술은 위와 같은 문제점을 해결할 수 있다는 것이 장점이다.
경과 시간에 따른 실험결과 일반 콘크리트보다 슬럼프(콘크리트의 작업성을 평가하는 척도) 감소가 낮게 나타났으며, 콘크리트의 내구성을 확보하는 중요 요소인 공기량도 경과시간에 따른 감소폭이 적은 것으로 나타났다.
일반적으로 공동주택에 타설되는 콘크리트는 호칭강도 기준으로 21∼27MPa이 가장 많이 사용된다. 이 글에 소개한 기술의 압축강도는 일반 콘크리트와 유사한 수준을 확보함과 동시에 단열성능이 기존보다 50% 향상된 결과를 나타내었다.
개발기술 적용시 파급효과
단열성능 향상 콘크리트를 건축물에 적용할 경우 발생되는 파급효과들은 다음과 같다.
첫째, 단열성능 향상 콘크리트와 일반 콘크리트를 사용할 경우 비교해 보면 실내온도에서 약 1℃ 차이가 발생한다.
에너지관리공단과 한국환경산업기술원에 따르면 실내온도를 약 1℃ 조정함에 따라 냉·난방비를 7% 절감할 수 있고 가구당 연간 231kg의 CO2 절감이 가능하므로 경제·환경적인 이점이 기대된다.
둘째, 벽체의 표면 결로는 내·외부 온도차가 클수록 많이 발생되는데, 특히 겨울철에는 그 빈도수가 높다.
이를 방지하기 위해서는 벽체의 열전도율을 낮게 하여 벽면 온도를 실내의 습공기의 노점온도 이상으로 상승시킴으로써 막을 수 있으며02 단열성능 향상 콘크리트를 사용함으로써 결로 방지에 도움이 될 것으로 기대된다.
셋째, 건물 실내 벽체의 표면온도는 외기온도의 크게 영향을 받으며 실내 거주자의 온열쾌적감 만족에 영향을 미친다.
온열 쾌적감이란 “환경 조건에 만족감을 느끼는 마음의 상태”로 정의되며, 그 요소는 신진대사율, 피복의 단열성, 공기의 온도, 복사 온도, 대류, 습도 6가지03로 분류할 수 있다.
인체의 감각에 영향을 주는 쾌적온열환경 조성은 인간생활에 있어 매우 중요한 부분이라 할 수 있으며, 건물 벽체의 표면온도를 조절함으로써 실내 환경을 개선하고 동시에 실내 거주자의 온열 쾌적감을 향상시킬 것으로 기대된다.
제언 및 향후계획
콘크리트와 관련된 연구동향은 1990년에 고강도 콘크리트, 2000년대는 고내구성·고유동성을 연구하였고 현재는 친환경 콘크리트 또는 타 학문과의 융합을 통한 스마트 콘크리트 등으로 진일보하고 있다.
이와 같은 연구는 건축물이 고층화·대형화됨에 따라 콘크리트가 갖추어야 할 요구 성능 항목이 점차 많아지고 있다는 것을 의미한다.
과거의 예로 고유동 콘크리트의 경우 과밀배근 구조물의 건설이 증가하였고 자연스럽게 현장에서 사용하게 되었으며, 내화성능 확보를 위해 섬유혼입 콘크리트를 타설하는 등의 성능설계 사례가 존재한다.
이와 같은 배경에 따라 콘크리트 또한 사양설계에서 성능중심설계로 변화가 필요한 시점이라 생각된다.
이 글에서 소개된 기술의 적극적인 현장적용을 위해서는 단열성능 향상 재료의 안정적인 품질과 물량을 공급할 수 있는 공급처가 필요한 상황이며, 건설사를 비롯한 사용자의 의식전환을 통한 수요증가가 반드시 수반되어야 할 것이다.
금번 실증주택 적용을 통해 외기온도 변화에 따른 실내온도변화, 벽체 단열성능 평가, 변형률계 설치를 통한 콘크리트의 길이변화율 계측을 장기간 모니터링 할 예정이며 결과에 따라 적극적인 현장적용을 추진할 계획이다.
01 최준호, ‘촉진내후성 시험에 의한 Ar 가스주입 단열유리의 성능에 관한 연구’, 인하대학교 대학원, 석사학위논문, 2014.
02 전인호, ‘지하주차장 벽체의 시공방법에 따른 표면결로 발생 특성에 관한 연구’, 인천대학교 대학원, 석사학위논문, 2012.
03 ASHR AE, 『Thermal Environment Conditions for Human Occupancy』, 미국:ANSI / ASHRAE Standard 55, 2004.