1. 서    론

생물학적 판넬(Biological Panels)은 (미)생물 등을 착근시킨 구조물 외장재이고 구조물의 외벽과 옥상에 적용하여 감소한 녹지 면적의 재생효과를 얻을 수 있는 친환경 건설재료로 시공 중인 건축물뿐만 아니라 공용중인 건축물에도 적용이 가능하기 때문에 경제‧사회적 가치가 매우 큰 건설재료 분야이다(de los Ríos et al. 2009). 생물학적 판넬의 효과는 CO₂ 감소에 의한 온난화 방지 및 산소량 증가에 따른 쾌적한 대기환경을 조성할 수 있으며, 콘크리트 외벽으로부터 반사되는 열을 흡수하여 도시의 열섬현상을 저감시키는데 기여할 수 있다(Perini et al. 2011). 또한 구조물의 단열 효과를 증대하여 건물 내부의 냉‧난방 비용의 절감 및 소음 차단효과를 기대할 수 있기 때문에 국내와 같이 국토면적이 협소하고 아파트가 밀집된 주거형태를 갖는 특수한 조건에 매우 적합한 것으로 판단된다. 추가적으로 다양한 건물외관의 색상변화에 따라 수려한 도시경관을 확보할 수 있어 본 기술을 적용할 경우 주민들을 심리적으로 안정시키는 효과도 기대할 수 있다(Eggert et al. 2006).

종래의 친환경 또는 특수한 목적의 건설재료는 국내뿐만 아니라 국외에서도 다양하게 이루어져 왔으나 대부분 고강도, 고내구성, 친환경, 탄소저감형 및 자기치유 콘크리트 기술들에 집중되어 왔다. 그밖에 원적외선 방사, 전자파 차단 등의 특수 목적을 위한 건설재료의 개발이 수행되어 왔으나 생물학적 건설재료와 관련된 연구 및 기술 개발에 대하여 시도된 사례가 전무한 실정이다. 이와 유사한 기술로는 수직정원(Vertical Garden, Fig. 1)이 있으나 구조물 외벽과 일체화가 이루어질 수 없는 단점을 가지고 있으며, 복잡한 지지 구조물을 별도로 설치해야 하기 때문에 설치비와 유지관리 비용이 동일한 면적의 일반 정원과 비교하여 약 3배가량 증가되어 비경제적인 것으로 나타나고 있다(Jeon et al. 2014). 또한 본 기술에서 콘크리트 판넬의 생물학적 층 역할을 대신하는 수직정원의 스펀지나 매트타입 또는 블록타입으로 제작된 인공 경량 토양의 경우 내구성에 문제점이 많은 것으로 보고되고 있다(Lee et al. 2012).

생물학적 판넬(Fig. 2)과 관련된 기술 선도 국가는 대표적으로 스페인의 UPC(Universitat Politecnica de Catalunya) 대학교 구조기술그룹(Structural Technology Group)과 영국의 ULC(University College London) 대학교 건축학부가 있다. 최근 국외 연구동향을 살펴보면 생물학적 층의 설계를 위한 요소 기술로 (미)생물이 착근하기 위한 판넬을 구성하는 모 재료의 화학성분, pH, 질감, 거칠기, 공극률, 수분 함유량, 밀도 및 투수율 등에 대하여 연구가 수행된 바 있다(Guillitte and Dreesen 1995; Papida et al. 2000; de los Ríos et al. 2009; Favero-Longo et al. 2009). (미)생물의 성장조건과 생물학적 판넬의 화학 및 물리적 특성은 매우 밀접한 관련이 있으며, 그 관련성은 기후조건에 따라 상이하게 나타나므로 국외에서 개발된 기술이나 제품을 국내에 바로 적용할 수 없는 실정이다. 이에 따라 국내 환경여건에 적합하도록 생물학적 판넬을 연구‧개발하는 과정이 반드시 필요한 실정이며, 현재 국내 기술수준을 고려할 경우 공개되거나 알려진 연구사례가 미흡한 수준으로 자료수집의 한계에 따른 많은 실험과 경험이 필요하기 때문에 요소기술에 관한 많은 기초연구가 수반되어야 한다.

따라서 생물학적 판넬 개발을 위한 일환의 기초 연구 중 하나로 판넬의 모 재료로 사용가능한 시멘트 복합재료를 검토 하였다. 생물학적 판넬에 적용하기 위한 시멘트 복합재료는 질감, 거칠기, 투수 및 수분 함유량 등을 고려하여 기포 시멘트 복합재료를 대상으로 하였다. 기포 시멘트 복합재료는 생물학적 수용성에 대하여 함께 고찰되어야 하지만 본 연구에서는 기포 시멘트 복합재료로 적용 가능한 재료적 고찰을 하였으며, 후기포 방식을 적용한 시멘트 복합재료의 품질특성을 평가하였다. 본 논문의 결과를 통하여 생물학적 판넬 설계시 판넬 모 재료의 품질 제어를 위한 기초 자료로 활용하고자 한다.

2. 실험개요

2.1 사용재료

2.1.1 시멘트 복합재료

시멘트 복합재료(Cement Composite Materials, 이하 CCM으로 약함)는 3수준의 결합재를 사용하였다. 국내 H사의 1종보통포틀랜드시멘트(Ordinary Portland Cement)를 사용한 시멘트 복합재료(이하 OPC로 약함), 국내 U사의 알루미나시멘트(Alumina Cement)를 사용한 시멘트 복합재료(이하 AC로 약함) 및 1,500 °C 이상에서 고온 소성된 국내 D사의 사소 마그네시아시멘트(Dead Magnesia Cement(MgO), 이하 M으로 약함)를 사용한 시멘트 복합재료(이하 MPPC로 약함)를 사용하였다. MPPC의 경화반응제는 제 1 인산칼륨(Potassium Phosphate Monobasic, KH₂PO_4, 이하 P로 약함)과 지연제로 붕산(Boric acid 99%, H₃BO_3, 이하 R로 약함)을 사용하였다. Table 1은 사용된 결합재의 주요 화학성분 및 물리적 특성을 나타낸 것이다.

2.1.2 후기포

시멘트 복합재료에 후기포 방식을 적용하여 기포 시멘트 복합재료(Formed Cement Composite Materials, 이하 FCCM)를 제조하였다. 시공현장에서 주로 사용되는 선기포 방식과 다른 판넬, 블록, 2차 제품을 목적으로 사용되는 후기포 방식은 결합재와 반응하여 기포를 발생시키는 매커니즘을 가지고 있으므로 결합재에 따라 기포 반응재료(Forming Material, 이하 FM으로 약함)를 달리하였다. OPC 및 AC는 알루미늄 분말과 시멘트가 수화과정에서 생성되는 수산화칼슘 성분과 반응하여 기포를 발생시키는 국내 U사의 알루미늄 분말(Aluminum Powder, 이하 Al로 약함) (Sim 2009)을 MPPC는 인산염에 산성이온과 반응하여 기포를 발생시키는 국내 D사의 탄산수소나트륨(NaHCO₃)을 사용하였다(Ma and Chen 2017).

2.2 실험계획

본 논문에서는 생물학적 판넬의 모 재료로로 적용하기 위한 FCCM의 품질특성을 평가하기 위하여 3수준의 CCM (OPC, AC 및 MPPC), W/B 3수준(35, 40 및 45 %)에 대하여 플로우, 압축강도, pH, 수분함유량 및 겉보기 밀도를 측정하였다. 특히 압축강도는 생물학적 판넬에 사용을 위한 FCCM은 프리캐스트 방식을 적용하기 위하여 초기 강도인 1, 3 및 7일 압축강도를 평가하였으며, 요구조건은 10 MPa 이상을 기준으로 하였다. Table 3은 실험에 사용된 FCCM의 배합비를 나타낸 것이다.

2.3 실험방법

2.3.1 기포 시멘트 복합재료의 혼합

OPC와 AC의 혼합은 각각 FM(Al)을 투입하여 약 2분간 건비빔을 하였으며, MPPC의 혼합은 P 및 R을 투입하여 약 2분간 건비빔을 실시한 다음 배합수 및 FM 투입 후 1속 1분, 2속 2분 믹싱 후 토출하였다. MPPC 혼합의 P:MPPC는 P와 MPPC에 혼합비율에 따른 예비시험을 통한 품질특성 검토 결과 적합한 P:MPPC비인 0.5를 적용하였다(Choi et al. 2017).

2.3.2 플로우

FCCM의 플로우는 “KS L 5105 수경성 시멘트 모르타르의 압축강도 시험방법”에 준하여 플로우를 측정하였다.

2.3.3 압축강도

FCCM의 압축강도는 “KS L 5105 수경성 시멘트 모르타르의 압축강도 시험방법”에 준하여 50×50×50 mm 큐브형 공시체를 제조하여 24시간 기건 양생을 실시한 다음 탈형을 실시하였으며, 재령일에 도달시점에 만능시험기(UTM)를 통하여 압축강도를 측정하였다.

2.3.4 pH

FCCM의 pH는 국내 H사의 PH Electrode모델을 사용하여 KS M 0011 “수용액의 pH 측정 방법”에 준하여 페이스트 분쇄법에 따라 시료를 가공하여 FCCM의 pH를 측정하여 FCCM의 pH 수준과 재령일에 따른 pH 수준을 검토하였다.

2.3.5 수분 함유량

FCCM의 함유량은 전자저울을 사용하여 KS F 2459 “기포 콘크리트의 겉보기 밀도, 함수율, 흡수율 및 압축 강도 시험 방법”에 준하여 7일간 시편을 수증양생을 실시하여 습윤상태의 시편과 건조로 넣어 건조상태의 시편의 질량을 측정하였다.

2.3.6 겉보기 밀도

FCCM의 기포 발생량에 따른 품질 규정이 없기 때문에 종래의 경량 기포 콘크리트 판넬의 규정등급과 비교하고자 KS F 2459 “기포 콘크리트의 겉보기 밀도, 함수율, 흡수율 및 압축 강도 시험 방법”에 따라 겉보기 밀도를 측정하였으며, KS F 4914 “경량 기포 콘크리트 패널”의 겉보기 밀도 규정등급과 비교하여 FCCM의 품질 수준을 자체적으로 평가하였다.

2.3.7 표면 거칠기

FCCM의 거칠기는 특별한 품질 규정이 없기 때문에 국외 F사의 Roughness tester 장비를 사용하여 FCCM의 종류에 따라 최대 및 최소 거칠기 값을 측정하여 기포발생에 따른 표면 거칠기의 수준을 개략적으로 평가하였다.

3. 실험결과 및 고찰

3.1 플로우

Figs. 3~5는 FCCM의 W/B에 따른 플로우 측정결과를 나타낸 것이다. Figs. 3~5의 플로우 실험결과 W/B에 관계없이 FCCM는 AC의 플로우가 가장 큰 것으로 나타났으며, OPC의 플로우가 가장 낮은 것으로 나타났다.

이러한 원인은 OPC의 경우 FM의 첨가와 함께 점성이 증가하는 경향이 나타나 플로우 콘을 들어 올렸을 때 점성이 높은 경우의 현상이 발생함에 따라 유동성이 없는 결과가 나타났다. 그러나 AC의 경우 OPC와 비교하여 재료자체의 밀도가 약 9 % 낮기 때문에 혼합에 사용되는 결합재의 절대량이 감소하게 되어 상대적으로 점성이 적게 작용된 원인에 기인한 것으로 판단된다. 그러나 MPPC의 경우에는 속경성인 특징을 가지는 재료이지만 급결을 방지하고 작업성을 확보하기 위하여 응결지연제가 첨가되었기 때문에 OPC와는 다르게 유동성을 가질 수 있는 것으로 판단된다. OPC의 플로우는 W/B 5 % 증가에 따라 약 20 % 향상되는 경향이 나타났으며, MPPC의 플로우의 경우 W/B 5 % 증가에 따라 약 30 % 증가되는 경향이 나타났다. AC의 플로우는 W/B 5 % 증가에 따라 약 10 % 향상되는 경향이 나타났다. 또한 W/B 증가에 따라 FCCM의 관계없이 일반적인 W/B 이론과 같이(KCI 2009) 플로우가 증가하는 경향이 나타났다. 이러한 결과를 통하여 플로우 결과만을 평가하였을 경우에는 생물학적 판넬용 모 재료의 성형시 AC가 유동성이 크기 때문에 작업성에 유리할 것으로 판단된다.

3.2 압축강도

Figs. 6~8은 FCCM의 W/B에 따른 압축강도 측정결과를 나타낸 것으로 Fig. 6은 재령 1일, Fig. 7은 재령 3일 및 Fig. 8은 재령 7일 압축강도 실험결과를 나타낸 것이다. Figs. 6~8의 결과 W/B 35의 OPC는 재령 1일, 3일 및 7일 압축강도가 2 MPa을 상회하는 수준으로 나타났으며, W/B 증가에 따라 비례적으로 감소하는 경향이 나타남에 따라 최소 요구강도인 10 MPa을 발현하지 못하는 결과가 나타났다. 따라서 OPC의 경우 목표강도 미달에 따라 부적합 한 것으로 판단된다. AC는 재령 1일 및 재령 3일 압축강도가 W/B 35일 경우 5MPa를 상회하는 수준으로 나타났으며, W/B 증가에 따라 비례적으로 감소하였다. W/B 35의 경우 AC의 재령 7일 압축강도는 소요 강도 이상을 만족하는 것으로 나타났지만 W/B 40 및 W/B 45의 경우에는 소요 강도 이하인 것으로 나타나 강도기준에서 생물학적 판넬용 모 재료를 고려할 경우에는 AC의 경우 W/B 35의 재령 7일 이상이 가능할 것으로 판단된다. 그러나 MPPC의 경우에는 재령 1일 압축강도가 W/B에 관계없이 소요 강도 이상을 만족하는 결과가 나타났으며, W/B 35 재령 7일 압축강도의 경우 최대 30 MPa를 상회하는 결과가 나타났으며, W/B 감소에 따라 비례적으로 감소하는 경향이 나타났다. 따라서 MPPC의 경우에는 강도기준에서 생물학적 판넬용 모 재료를 고려할 경우 모든 경우에서 가능하나 플로우에 의한 작업성 및 생물학적 수용성에 대한 검토와 함께 고찰하여 적합한 혼합비를 적용하는 것이 필요할 것으로 판단된다.

3.3 pH

Figs. 9~11은 FCCM의 결합재에 따른 재령 1일, 3일 및 7일 pH 측정결과를 각각 나타낸 것이다. Figs. 9~11의 결과 OPC의 경우 재령이 증가함에 따라 증가하는 경향이 나타났으며, OPC는 일반적으로 pH 12-13 이상의 강알칼리 재료이기 때문에 재령이 경과할수록 pH가 약 13 강알칼리에 가까워지는 것으로 판단된다. AC의 경우 OPC의 화학성분과 비교하여 CaO 함량이 적기 때문에 반응할 수 있는 CaO 감소에 따른 Ca(OH)₂의 저하로 OPC와 상대적으로 pH가 감소하는 것으로 판단되며, 초기 pH가 약 알칼리 영역에서 재령이 경과함에 따라 pH가 약 12에 가까워지는 경향이 나타나 알칼리 영역에 가까워지는 것으로 판단된다.

MPPC의 pH는 초기 pH 약 8 수준에서 재령이 경과함에 따라 재령 7일 pH가 약 9 수준으로 증가하는 경향이 나타나 중성 영역에 가까운 것으로 판단된다. 생물학적 판넬용 모 재료는 이후 (미)생물 등을 착근시켜 유지하여야 하기 때문에 pH의 영향검토는 필수사항으로 판단된다. 강알칼리 영역에서 생존 가능한 (미)생물을 선정할 경우에는 OPC를 활용 가능하지만 (미)생물의 선정 범위를 광범위하게 고려하기 위해서는 pH 범위를 넓게 선정하고 결정하는 것이 다양한 (미)생물을 선정하고 검토하는데 유리할 것으로 판단되며, 특히 구조재가 아닌 외장재로 사용되는 판넬의 경우에는 될 수 있는 한 중성에 가까울수록 생물학적 수용성에 유리하기 때문에 OPC와는 상대적으로 중성영역에 가까운 AC 또는 MPPC의 활용이 적절할 것으로 판단된다.

3.4 수분 함유량

Fig. 12는 FCCM의 W/B에 따른 수분 함유량 측정결과를 나타낸 것이다. 수분 함유량 시험은 시험편 내부에 발생된 기포의 량을 개략적으로 평가 하였다. 즉, 내부의 공극이 많을수록 많은 량의 수분을 함유할 수 있다는 전제하에 정성적으로 평가하였다. Fig. 10의 결과 OPC의 수분 함유량은 약 20 % 이상인 것으로 나타났으며, AC의 수분 함유량의 경우 약 15 %인 것으로 나타남에 따라 OPC의 수분 함유량이 AC의 수분 함유량과 비교하여 약 2배 큰 경향이 있는 것으로 나타났다. 이러한 결과는 OPC와 AC는 FM으로 동일한 알루미늄 파우더를 사용하였지만 FM이 Ca(OH)₂와 반응하여 수소가스 발생에 따른 기포 형성 매커니즘을 가지기 때문에 OPC보다 상대적으로 CaO 함량이 적은 AC는 Ca(OH)₂이 적어지게 되어 기포 형성량이 작아진 것으로 판단되며, 더불어 OPC와 상대적으로 작은 밀도를 가지는 AC의 경우 총 분체량에서 적게 사용되는 경우가 되기 때문에 기포가 발생하는 데 영향을 미친 것으로 판단되지만 동일한 부피일 경우에는 이러한 결과가 변화할 수 있으므로 추가적인 면밀한 검토가 수행되어야 할 것으로 판단된다. MPPC의 수분 함유량은 10 % 이하로 나타나 OPC와 AC보다 적은 수준의 기포가 형성됨을 개략적으로 확인할 수 있었다. 또한 모든 FCCM은 W/B 증가에 따른 영향은 적은 결과가 나타났다.

이러한 결과를 통하여 생물학적 판넬용 모 재료로 활용할 경우에는 수분 함유량 또는 기포 발생량에 따른 영향을 변수 화하여 소요 수분 함유량 및 기포 발생량을 결정하여야 할 것으로 판단된다.

그러나 본 연구결과만을 고려할 경우에는 OPC의 경우 상대적으로 수분 함유량이 크기 때문에 (미)생물에 공급하기 위한 수분의 저장이 용이 할 것으로 판단되지만 생물학적 판넬 제조를 위한 작업성 확보 및 소요 강도의 확보가 어렵기 때문에 AC 또는 MPPC에서 최적 혼합비를 도출하여야 할 것으로 판단된다.

3.5 겉보기 밀도

Fig. 13은 FCCM의 W/B에 따른 겉보기 밀도 측정결과를 나타낸 것이며, 2차 제품 제작 시 경량화된 판넬(시공성, 경제성) 목적으로 측정하였다. 겉보기 밀도 시험은 수분 함유량 시험과 동일하게 시험편 내부에 발생된 기포의 량을 개략적으로 평가하고자 시험을 실시하였다. 시험편 내부의 공극이 많을수록 상대적으로 질량이 가벼울 것이라는 전제하에 정성적인 평가를 실시하였다. Fig. 11의 결과 FCCM은 W/B가 증가할수록 겉보기 밀도는 모든 결합재가 동일하게 감소하는 경향이 나타났다. 이러한 결과는 W/B 증가에 따라 유동성이 증가하는 경향이 나타나기 때문에 기포를 발생시키는 가스가 시험편 내부에 균일하게 퍼지기 용이한 조건이 되며, 점성이 낮아지게 되어 기포 발생 조건에 유리해 지기 때문에 W/B 증가에 따라 기포가 상대적으로 다량 발생되어 질량이 작아지는 것으로 판단된다. 그러나 AC는 수분 함유량의 분석결과에서는 MPPC와 비교하여 소량의 기포가 발생된 것으로 분석되었기 때문에 겉보기 밀도의 경우 MPPC의 겉보기 밀도와 비교하여 큰 값으로 나타나야 하지만 이러한 결과는 AC의 밀도가 MPPC의 밀도보다 상대적으로 작기 때문에 재료자체의 질량의 저감으로 겉보기 밀도가 작아진 것으로 판단된다. 그러나 OPC와 비교할 경우에는 OPC의 밀도가 AC와 비교하여 큰 경우에도 수분 함유량 분석결과와 같이 내부 기포량이 약 2배 이상 나타난 것으로 보아 내부 구조적인 측면의 영향이 더 큰 것으로 판단된다.

3.6 표면 거칠기

Fig. 14는 FCCM의 표면 거칠기 측정결과를 나타낸 것이며, 공극으로 인한 표면 거칠기는 (미)생물의 착근, 착생에 매우 유리한 부분이다. Fig. 14의 결과 OPC는 20~100 µm 범위로 평균 70 µm 정도인 것으로 나타났으며, AC의 경우 50~100 µm 범위로 평균 50 µm 정도인 것으로 나타났다. 또한 MPPC는 5~50 µm 범위로 평균 30 µm 정도인 것으로 나타났다. 따라서 표면 거칠기 측면에서는 OPC가 상대적으로 넓은 범위의 기포를 통하여 표면의 거칠기를 크게 할 수 있을 것으로 판단되며, AC 및 MPPC의 경우 OPC와 비교하여 좁은 범위의 기포가 발생되는 것으로 나타났으나, 기포가 발생되지 않은 표면 거칠기의 경우 약 3~10 µm 범위를 나타나기 때문에 표면의 거칠기를 크게 할 수 있는 것으로 판단된다. Fig. 15는 본 논문에서 평가된 실험의 결과를 자체적인 지표를 통하여 “Good”, “Normal” 및 “Bad”로 3단계로 구분하여 FCCM의 성능을 나타낸 것이다. Fig. 15의 결과 OPC의 경우 가장 중요한 성능인 목표 강도를 만족하지 못하는 결과가 나타남에 따라 생물학적 수용성에 요구되는 성능이 큰 결과가 나온 경우에도 생물학적 판넬의 모 재료로 활용이 어려울 것으로 판단된다. 이러한 결과를 통하여 생물학적 판넬의 모 재료로 활용하기 위한 FCCM은 AC 및 MPPC를 사용하는 것이 소요의 작업성, 목표 강도를 만족하는 범위에서 생물학적 수용성을 향상시킬 수 있을 것으로 판단된다.

4. 결    론

생물학적 판넬 개발을 위한 일환의 기초 연구 중 하나로 판넬의 모 재료로 사용가능한 시멘트 복합재료를 검토하고자 판넬과 같이 2차 제품 제작시 적용되는 후기포 방식을 적용한 기포 시멘트 복합재료의 품질특성을 평가하였으며, 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.

1)생물학적 판넬용 모 재료로 일반 시멘트를 적용할 경우에는 주요 성능인 작업성 확보와 소요 강도 확보가 어렵기 때문에 부적합한 것으로 판단된다.

2)생물학적 판넬용 모 재료에 적용하기 위한 적합한 시멘트 복합재료는 작업성능 확보와 동시에 소요 강도 확보 및 pH 영역이 중성영역에 가까운 경향이 나타나는 알루미나 시멘트 및 마그네시아 시멘트가 적합할 것으로 판단된다.

3)생물학적 판넬에 적용하기 위한 기포 시멘트 복합재료는 품질제어를 위한 특성 외에 (미)생물의 착근 및 성장조건에 따른 생물학적 수용성에 대하여 추가적인 검토가 수반되어야 할 것으로 판단된다.