한국건설신문 김덕수 기자 = 지난해(2015년) 프랑스 파리에서 열린 기후변화협정에서 교토의정서의 내용을 대체하는 새로운 합의문이 도출됐는데 우리나라의 2030년까지 온실가스 감축목표는 BAU (851백만톤) 대비 37% 감축이 확정됐다.
이에 산업 전분야에서 온실가스 저감의 중요성이 다시금 부각되고 있으며, 이를 실현하기 위한 노력이 가속화 될 것으로 보인다.
우리나라의 총 에너지 소비량 중 건물 부분이 차지하는 비율은 약 23%에 달하며 다른 산업 분야에 비해 연간 에너지 소비 증가율이 높은 편이다.
건물 부분에서 에너지 소비 비율이 가장 높은 곳은 외피로 약 60~70% 이상을 차지하고 있으므로 외피에서 손실되는 에너지를 감축하는 방안이 매우 중요하다고 할 수 있다.
외피의 에너지 손실을 감축하기 위해 대부분 창호 및 단열재에 대한 연구가 주를 이루고 있고 콘크리트에 대한 연구는 미미한 상황으로 건물의 에너지 손실을 최소화하기 위해서는 콘크리트 자체에서도 단열성능을 확보할 수 있어야 하며 이에 대한 해결책이 새롭게 요구되고 있다.
기존에 단열성능을 확보한 콘크리트는 뛰어난 열전도율 개선에도 불구하고 낮은 압축강도로 인해 건축물 바닥이나 건식경량벽체, ALC 등과 같은 비구조용으로 사용되고 있는 실정이다.
그러나 비구조용은 건축에서 일부분만 사용하고 있으며 비구조용으로 국한되지 않고 전 건축분야에 사용하기 위해서는 구조용으로 개발되어 사용되어야 한다.
이에 한라엔컴(주)은 국토교통부 건설기술연구사업 중 하나인 ‘탄소저감형 콘크리트 구조재료 및 에너지 절감형 건축재료ㆍ자재개발 연구단’의 일원으로 열전도율이 일반콘크리트 대비 2배이상 개선됨과 동시에 압축강도가 24MPa이상인 구조용 단열성능 향상 콘크리트를 개발했다.
본 개발품이 건축에 적용되면 많은 면적을 차지하는 콘크리트의 열소비 차단효과가 향상돼 에너지 소비량이 줄어들고 실거주자가 부담하는 에너지 사용비와 환경부하를 발생시키는 온실가스를 동시에 절감할 수 있을 것이다.
단열성능 향상 콘크리트의 개발과정과 결과는 아래와 같다.
■콘크리트의 단열성능 향상 방법
콘크리트의 단열성능을 향상시키기 위한 방법으로는 시멘트 매트릭스에 공극을 형성하는 방법과 다공질 재료를 콘크리트에 혼입시키는 방법 그리고 배합설계에 의한 방법으로 구분할 수 있다.
◇콘크리트 자체 공극에 의한 단열성능 개선= 콘크리트 자체 공극은 콘크리트 제조시 자연적으로 생성되는 갇힌 공기와 인위적으로 콘크리트 속에 공극이 형성되도록 발생시킨 연행공기, 경화 시 시멘트 입자 사이에 수화물로서 채워지지 않고 남는 미세한 공극이 있다. 이와 같이 내부 공극을 증가시킴으로써 콘크리트의 단열성능을 개선할 수 있다.
◇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.
◇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 돼 콘크리트 굳은 후 증발로 인해 공극으로 남게 된다.
또한 잔골재율이 높을 경우에는 밀실한 굵은골재의 사용량이 감소되어 콘크리트의 단열성능을 개선할 수 있다.
■단열성능 향상 콘크리트 제조방법
단열성능 향상 콘크리트를 제조하기 위해 콘크리트 내부에 다공성을 확보함과 동시에 재령 28일에서 압축강도 24MPa 이상 발현하기 위해 사용재료, 적정 배합, 그리고 최적 혼합방법 등이 필요하다.
◇단열성능 향상 재료= 단열성능 향상 재료로 분체, 액상, 골재타입 3개의 복합재료를 선정했다. 분체타입은 분말 입경이 10㎛의 다공성 물질로써 시멘트의 염기성 수화물질과 반응해 강도를 증진시키고 미세한 공극을 충전시키는 효과에 의해 콘크리트 내부가 밀실해지는 효과가 있다.
액상타입은 콘크리트 비빔과정 중 마찰에 의해 기포가 발생되는데 이를 통해 콘크리트 내부에 다량의 공극형성을 유도한다.
본 연구에 사용된 액상타입 재료는 소포가 적고 연행된 기포의 크기가 10~100㎛ 이내로 매우 미세해 압축강도 감소폭이 적은 것이 장점이다.
골재타입은 팽창점판암을 로터리 킬른에서 1천200℃의 온도로 소성하여 제조된 재료로써 내부에는 소성과정에서 발생된 가스로 인해 다량의 공극이 형성돼 있다.
◇제조 프로세스= 콘크리트의 단열성능을 향상시킨 구조용 콘크리트를 제조하기 위해서는 아래와 같은 방법으로 생산된다.
※설비 개선= 단열성능 향상 재료를 보편적으로 사용되고 있는 배치플랜트 설비에 적용하는데는 한계가 있으므로 이를 단열성능 향상 재료 특성에 맞게 개선했다.
◇현장적용= 단열성능 향상 콘크리트 성능을 일반콘크리트와 비교하기 위해 경기도 일산에 위치한 한국건설기술연구원 부지에 건설되는 실증주택 지상 2, 3층에 현장 적용을 실시하였다. 실증주택은 크게 2개 동으로 분리되어 있으며, 1개동은 기존 기술을 적용한 래퍼런스, 나머지 1개동은 개발된 실증기술을 적용했다.
생산지부터 타설위치까지 거리는 약 17km이며 믹서트럭 차량 기준으로 약 40분 소요된다. 단열성능 향상 콘크리트의 성능을 일반콘크리트와 경과시간이 지남에 따라 물리적 특성의 변화를 비교했다.
일반콘크리트가 장거리 수송에 의해 작업성이 저하되어 건설현장에서 펌프압송 시 발생되는 문제를 수반하지만, 당사에서 개발된 기술은 위와 같은 문제점을 해결할 수 있다는 것이 장점이다.
경과시간에 따른 실험결과 일반콘크리트보다 슬럼프(콘크리트의 작업성을 평가하는 척도) 감소가 낮게 나타났으며, 콘크리트의 내구성을 확보하는 중요 요소인 공기량도 경과시간에 따른 감소폭이 적은 것으로 나타났다.
또한 경량골재 사용 콘크리트는 타설시 부립으로 인해 표면에 경량골재가 불규칙하게 떠올라 현장 작업자들의 마감작업이 불편했으나 단열성능 향상 콘크리트는 표면이 일반콘크리트와 동일한 형태로 마감작업이 양호하다.
◇단열성능 평가= 일반과 단열성능 향상 콘크리트 실의 단열성능을 평가하기 위해 각 10평의 독립된 공간을 구성했고 온도, 습도, 전력량계를 설치하여 동절기 한달간(2016년 1월 22일부터 2016년 2월 21일까지) 측정을 (주)에코다와 함께 실시했다.
단열성능 평가 결과, 단열성능 향상 콘크리트 실의 실내온도가 일반콘크리트 실보다 평균 1.5℃ 높게 유지됐고 전력량은 34.94kW 절약되어 난방에너지 사용량 약 5.07%를 절감하는 효과를 나타냈다.
이는 가구당 연간 전기요금 약 34만원, CO2 발생량 약 200kg을 저감하는 효과이다.(주거시설 크기, 사용연료, 사용자 패턴 등에 따라 상이할 수 있음)
■개발기술 적용시 파급효과
한라엔컴(주) 기술연구소에서는 단열성능 향상 콘크리트를 건축물에 적용할 경우 발생되는 파급 효과를 크게 세 가지로 말하고 있다.
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. 리를 방지하기 위해서는 벽체의 열전도율을 낮게 해 벽면 온도를 실내의 습공기의 노점온도 이상으로 상승시킴으로써 막을 수 있으며 단열성능 향상 콘크리트를 사용함으로써 결로 방지에 도움이 될 것으로 기대된다.
셋째, 건물 실내 벽체의 표면온도는 외기온도에 크게 영향을 받으며 실내 거주자의 온열쾌적감 만족에 영향을 미친다.
온열 쾌적감이라 환경 조건에 만족감을 느끼는 마음의 상태로 정의되며, 그 요소는 신진대사율, 피복의 단열성, 공기의 온도, 복사온도, 대류, 습도 6가지로 분류할 수 있다.
인체의 감각에 영향을 주는 쾌적온열환경 조성은 인간 생활에 있어서 매우 중요한 부분이라 할수 있으며, 건물 벽체의 표면온도를 조절함으로써 실내 환경을 개선하고 동시에 실내 거주자의 온열 쾌적감을 향상시킬 것으로 기대된다.
아울러 미래의 콘크리트에 대해서도 언급했다.
콘크리트와 관련된 연구동향을 1990년대에는 일반 또는 고강도 콘크리트가 활발했고 2000년대에는 고내구성, 고유동성, 초고강도 연구가 활발하였으며, 현재는 친환경 콘크리트 또는 타 학문과의 융합을 통한 스마크 콘크리트 등으로 진일보 하고 있다.
이와 같은 연구는 건축물이 고층화·대형화 됨에 따라 콘크리트가 갖추어야 할 요구 성능 항목이 점차 많아지고 있다는 것을 의미한다.
과거의 예로 고유동 콘크리트의 경우 과밀배근 구조물의 건설이 증가했고 자연스럽게 현장에서 사용하게 됐으며, 내화성능 확보를 위해 섬유 혼입 콘크리트를 타설하는 등의 성능설계 사례가 존재한다.
이와 같은 배경에 따라 콘크리트 또한 사양설계에서 성능중심 설계로 변화가 필요한 시점이다.
한라엔컴은 마지막으로 단열성능 향상 콘크리트를 상용화 하기 위해 건설사를 비롯한 사용자의 의식전환을 통한 수요가 반드시 수반돼야 할 것이라고 밝혔다.
