1.1 연구 배경

Autoclaved Lightweight Concrete(ALC)는 규사에 시멘트와 기포제를 혼합한 다공질 물질을 180 °C, 10기압(≃10 kg/cm³)의 고온고압으로 증기양생 시켜 생성된 규산칼슘수화물(calcium silicate hydrates)을 기반으로 한 시멘트질 제품이다. ALC는 기포제인 알루미늄 분말에 의해 콘크리트 내부에 무수한 기포가 형성되어 밀도가 낮아(약 0.5 ton/m³) 운반과 시공이 용이하며, 열전도율이 낮아 단열성능이 우수하다. 하지만 ALC의 압축강도(3~6 MPa)는 일반 콘크리트 강도(21~27 MPa)보다 크게 낮기 때문에 구조 재료로 사용 시 충분한 구조성능 검증이 필요하다.

ALC는 1950년대 말 유럽기술이 일본으로 도입될 때 일본에서 만들어진 용어로 동남아시아에서 주로 사용되고 있으며, 아시아를 제외한 유럽 및 미주 등에서는 Autoclaved Aerated Concrete(AAC)로 사용되고 있다(본 논문에서는 ALC로 통일하여 표기). ALC는 1920년대 스웨덴 에릭슨 박사(Dr. Axel Eriksson)에 의해 처음 개발되었고, 1943년 독일 헤벨(Hebel) 사에 의해 전후 복구사업의 일환으로 고품질 ALC 블록과 패널이 생산되기 시작하였다. 국내에는 1970년대 후반에 처음 도입되어, 1980년대 중반부터 제품을 생산하기 시작하였다. 1990년대 중반부터 경량기포 콘크리트의 역학적 특성에 관한 연구가 진행되었다(Byun et al. 1997; Cho et al. 1997; Park et al. 1997)^(9,10,17).

1.2 국내외 기준

ALC 블록에 관한 국내 기준을 살펴보면, 1997년 건설교통부에서 고시한 ‘경량기포 콘크리트 블록구조 설계기준’ (MOLIT 1997)⁽¹⁵⁾에서는 허용응력 설계법 기반으로 허용 압축응력, 허용 휨압축응력, 허용 전단응력을 규정하고 있지만, 허용 인장응력에 관해서는 규정하지 않고 있다. 한국산업표준 KS F 2701(KATS 2012)⁽¹³⁾에는 재료 품질과 시험방법 등을 규정하고 있으며, 건조밀도에 따라 0.5품, 0.6품, 0.7품으로 구분하고 각각 최소압축강도를 제시하고 있다.

국외 기준을 살펴보면, ACI 523.4R(ACI committee 523 2009)⁽²⁾은 ACI 318-05(ACI Committee 318 2005)⁽¹⁾를 기본으로 2009년 미국에서 개정된 기준으로 유럽과 미국에서의 연구결과를 바탕으로 ALC 재료특성과 ALC 건축물의 구조설계를 위한 기준을 제시하고 있다. 재료강도에 따라 AAC 2.0/4.0/ 6.0(2/4/6 MPa)으로 구분하고 재료의 밀도 범위를 제시하고 있다. DIN EN 12602((DIN 2013)⁽¹²⁾는 2013년 유럽에서 개정된 기준으로 ALC를 구조재와 비구조재로 구분하여 제시하고 있다. ALC 재료특성과 구조설계기준 외에도 방화에 관한 내용도 기술되어 있다. 이외에도 Autoclaved Aerated Concrete - Properties, Testing, and Design(RILEM 1992)⁽¹⁸⁾은 미국, 유럽, 일본에서 연구한 결과를 발간한 서적으로 ALC 생산, 시공, 설계 등 전 분야에 대해 자세히 다루고 있다.

1.3 ALC 블록의 제작방법 및 주요특징

ALC 제작에 사용되는 주원료는 규석(사), 시멘트, 생석회, 석고로 구성된다. 배합비는 ALC 제조회사별로 조금씩 차이가 있으며, 한국경량기포콘크리트협회의 자료에 따르면 주원료 배합비율은 Table 1과 같다. 기본적인 원료는 물과 배합되어 슬러리(slurry) 형태로 만들어진 후, 소량의 알루미늄 분말의 배합비에 따라 기포량이 조절되어 ALC의 규격(밀도)과 강도가 결정된다. 거푸집의 슬러리가 충분히 경화되면 거푸집을 해체한 후 Fig. 1(a)와 같이 필요한 규격에 맞게 절단한다. 절단된 제품은 고온고압 증기양생기(autoclave)로 이동하여 180 °C, 10기압으로 증기양생한다. 증기양생 직후 ALC는 30 % 이상의 높은 함수율을 갖기 때문에 자연건조를 통해 함수율을 조절한다.

ALC 블록은 Fig. 2와 같이 증기양생 과정을 통해 80 % 공기층과 20 % 경화체로 구성되기 때문에 낮은 밀도(350~700 kg/m³)를 갖게 된다. 이는 콘크리트 밀도(2,400 kg/m³)의 약 1/4 수준이고, 물보다 가볍기 때문에 물에 뜨는 성질을 갖고 있다. 또한, 기포층이 형성된 ALC의 열전도율 0.08~0.2 W/m･K(RILEM 1992)⁽¹⁸⁾은 콘크리트의 1/10 수준으로 단열성능도 우수하다.

1.4 ALC 건축물 적용 및 시공사례

ALC를 사용하여 시공한 단독주택 사례를 Fig. 3에 나타냈다. 외부와 내부 벽체는 ALC 블록으로 구성되고, 지붕과 슬래브에는 철근으로 보강된 장스팬 ALC 패널이 사용된다. 문과 창문 상단부에는 ALC 인방보가 설치되어 개구부가 형성된다. 이외에도 구조보강을 위해 ALC 블록 사이에 유리섬유 시트가 부착되고, 벽체가 교차하는 모서리부와 테두리보에는 철근이 보강된다. ALC 블록과 패널 사이 접합면에는 ALC 전용 모르타르가 사용되어 ALC 부재를 일체화시킨다.

본 연구에서는 위와 같이 국내에서 개발되어 사용 중인 ALC 블록의 역학적 특성을 분석, 검증하였다. 재료시험을 통해 ALC 블록의 압축강도, 탄성계수, 휨인장강도를 평가하였고, ALC 주택의 구조적 성능에 큰 영향을 미치는 ALC 블록 접착제인 모르타르의 성질에 대해서도 살펴보았다.

2.1 시험변수

ALC 블록의 압축강도는 재료의 밀도와 함수비에 영향을 크게 받는다. 재료의 밀도는 ALC 제작과정에서 사용되는 기포제(알루미늄 분말)량에 의해 결정된다. 함수비는 절건상태 ALC에 대한 수분 함량으로, 일반적으로 함수비가 낮을수록 압축강도는 증가한다. ALC 블록의 함수량을 일정하게 조절하기는 어렵기 때문에 본 연구에서는 함수비 5~15 % 상태에서의 밀도를 주요 시험변수로 고려하였다. 총 3가지 다른 밀도의 ALC 블록에 대해 압축강도 시험을 하였다. 0.35품 블록은 밀도 0.35 ton/m³으로 0.5품 블록보다 기포량을 증가시켜 단열효과를 증대시킨 제품이고, 0.5품 블록은 밀도 0.5 ton/m³으로 ALC 건축물에 가장 많이 사용되고 있는 제품이다. 0.6품 블록은 밀도 0.6 ton/m³으로 다른 제품에 비해 밀도를 증가시켜 압축강도를 향상시킨 제품이다.

ALC 압축강도에 영향을 주는 다른 요소는 Fig. 1(b)와 같이 블록을 채취하는 위치이다. 이는 기포제의 화학반응으로 발생한 가스가 상부로 올라가서 상대적으로 기포가 많이 포함된 상부에서의 ALC 밀도가 낮아지기 때문이다. KS F 2701(KATS 2012)⁽¹³⁾에 따르면 ALC 압축강도를 확인하기 위한 공시체는 블록의 중앙부에서 채취하도록 규정되어 있다. 본 연구에서는 블록의 위치에 따른 압축강도 차이를 확인하기 위해 ASTM C1693-11(2017)⁽⁶⁾에 따라 상단부, 중앙부, 하단부에서 각각 5개의 블록을 채취하여 강도시험을 수행하였다.

마지막으로 국내에서 사용되고 있는 두 업체의 제품(SY, SE)에 대해 각각 재료시험을 수행하였다. 시험변수와 시험체 개수는 Table 2에 나타냈다.

2.2 시험방법

ALC 블록은 함수비에 영향을 받기 때문에 ASTM C1693- 11(2017)⁽⁶⁾에서 제시하는 함수비 5~15 %를 맞추기 위해 오븐에서 70 °C로 건조한 이후 압축강도 시험을 하였다.

압축강도 시험에는 Fig. 4(a)와 같이 최대하중 2,000 kN의 만능재료시험기(UTM)를 사용하였다. 변위제어로 압축력을 가하였고 시험체 별로 1~2분이 소요되도록 계획하였다.

압축강도 시험체로 ASTM C1693-11(2017)⁽⁶⁾에 따라 100 mm 정육면체 블록을 사용하였고, 시험 수행 이전에 시험체별로 질량을 측정하여 각 블록의 밀도를 계산하였다(Fig. 4(b)).

2.3 시험결과 및 분석

ALC 블록의 압축강도와 밀도 관계를 Fig. 5에 나타냈다. 가로축은 시험 당시 계측한 블록의 밀도(ton/m³)이고, 세로축은 압축강도(MPa)이다. 빨간색 원형 표식은 상단부(upper) 블록, 흰색 삼각형 표식은 중앙부(middle) 블록, 파란색 사각형 표식은 하단부(lower) 블록의 결과값을 나타낸다. 시험결과와 비교를 위해 ASTM C1693-11(2017)⁽⁶⁾에서 제시하는 ALC 제품에 따른 압축강도와 밀도 범위를 점선으로 표시하였다. RILEM(1992)⁽¹⁸⁾에서 제시하는 건조밀도(oven dry density)에 따른 압축강도 범위는 회색 음영으로 표시하였다.

3.1 시험변수

탄성계수 평가를 위한 ALC 블록은 가로 100 mm, 세로 100 mm, 높이 200 mm 직육면체(ASTM C1693-11 2017)⁽⁶⁾로, 시험변수는 압축강도 시험과 동일하다. Table 3과 같이 첫 번째 변수는 밀도(0.35품, 0.5품, 0.6품)이고, 두 번째는 블록의 위치(Fig. 1(b)의 상부, 중부, 하부), 마지막은 국내에서 생산되는 두 업체의 제품(SY 블록과 SE 블록)이다.

3.2 시험방법

ALC 블록의 탄성계수를 측정하기 위해서는 블록 중앙부에 길이 방향으로 변형률 게이지(strain gauge)를 부착하여 변형률을 계측하여야 한다. 탄성계수는 Fig. 6(a)와 같이 최대응력 $f_{ALC}$의 5, 33 % 지점의 기울기 값(ASTM C1693-11 2017)⁽⁶⁾으로 계산하였다. 압축강도 시험과 동일하게 만능재료시험기를 사용하여 변위 제어로 압축력을 가하였고 시험체 별로 1~2분이 소요되도록 계획하였다. 하중은 ASTM C1693-11 (2017)⁽⁶⁾에 따라 ALC 타설 시 슬러리가 상승하는 방향(direction of rise)에 수직으로 가력하였다.

3.3 시험결과 및 분석

ALC 블록의 탄성계수 시험결과는 Fig. 7에 나타냈다. 노란색 삼각형 표식은 SY 시험체, 회색 원형 표식은 SE 시험체, 흰색 사각형 표식은 ACI 523.4R(ACI committee 523 2009)⁽²⁾에서 설계식 제안 시 사용된 기존 ALC 블록의 시험결과(Snow 1999; Dembowski 2001; Argudo 2003; Tanner 2003)^(3,11,19,20)를 나타낸다.

4.1 시험변수

횡력저항시스템에 사용되는 ALC 블록의 인장강도는 압축강도만큼 중요한 재료성질이다. 본 연구에서는 휨인장강도 시험을 통해 ALC 블록의 인장강도를 측정하였다. 주요 시험변수로 Table 4와 같이 ALC 블록의 밀도(0.35품, 0.5품, 0.6품)와 국내에서 생산되는 두 가지 다른 제품(SY 블록과 SE 블록)을 고려하였다. Table 4와 같이 SY-0.35와 SE-0.5는 두 차례 걸쳐 휨인장강도 시험을 수행하였고 각각의 경우 ALC 블록의 압축강도를 측정하였다.

4.2 시험방법

휨인장강도 시험은 ASTM C78(2017)⁽⁸⁾에 따라 2점 가력하였다(Fig. 8). 하중은 Fig. 8(b)와 같이 ALC 타설 시 슬러리가 상승하는 방향(direction of rise)에 수직으로 가력하였다. 블록의 크기는 150×150×600 mm이고 가력점과 지점 사이의 거리 $a$는 150 mm이다(전단경간비 $a/h$ = 1.0).

휨인장강도 $f_{r}$은 ALC 블록 중앙부에 균열이 발생하는 시점의 블록 하단부 인장응력으로 다음의 식(3)으로 계산된다.

여기서, $b$는 블록의 폭, $h$는 블록의 높이, $P$는 작용하중, $L$은 지점 간의 거리이다. ACI 523.4R(2009)⁽²⁾에 따르면, 설계 시 쪼갬인장강도 $f_{t}$는 휨인장강도 $f_{r}$의 1/2로 예측할 수 있다.

4.3 시험결과 및 분석

ALC 블록의 휨인장강도 결과는 Fig. 9와 Table 4에 나타냈다. 노란색 삼각형 표식은 SY 시험체, 회색 원형 표식은 SE 시험체, 흰색 사각형 표식은 ACI 523.4R(2009)⁽²⁾에서 설계식 제안 시 사용된 기존 ALC 블록의 시험결과(Snow 1999; Dembowski 2001; Argudo 2003; Tanner 2003)^(3,11,19,20)를 나타낸다. 시험결과를 평가하기 위해 RILEM 제안식, UT Austin 제안식(ACI 523.4R)⁽²⁾, DUTCH 제안식(NNI 1987)⁽¹⁶⁾을 함께 표시하였다. 제안식은 식(4)~(6)과 같다.

UT Austin 식(5)는 휨인장강도 $f_{r}$이 압축강도 $f_{ALC}$의 1/2승에 비례하도록 예측하고 있다. 시험결과를 평균 1.09와 변동계수 0.26으로 가장 잘 예측하고 있으나 $f_{ALC}$가 증가할수록 $f_{r}$을 과소평가한다. 그에 반해, 휨인장강도와 압축강도를 선형관계로 평가하는 RILEM 식(4)(평균 0.79, 변동계수 0.24)와 DUTCH 식(6)(평균 1.39, 변동계수 0.24)은 각각 시험결과를 비안전측으로 예측하거나 크게 보수적으로 예측하고 있다.

ALC 블록의 휨인장강도는 압축강도에 비례하여 증가하였다. 즉, 밀도가 큰 블록의 경우 높은 인장강도를 보였다. Table 4의 시험결과와 예측 값을 비교한 결과를 살펴보면, SY-0.35(1) 시험체의 휨인장강도는 다른 시험체들의 절반에도 미치지 못하였다(시험값/예측 비율 = 0.37~0.7). 이는 Fig. 10과 같이 0.35품 블록에 형성된 기포의 크기가 0.5품 블록보다 훨씬 크기 때문에 0.35품 블록은 인장에 취약한 결과를 보였다. 추가로 수행한 SY-0.35(2) 시험체의 휨인장강도는 다른 시험체와 비슷한 휨인장강도비를 보였다. 기포가 상대적으로 많은 0.35품 블록은 현행기준에서 제시하는 인장강도를 확보하기 위한 품질관리가 필요하다.

4.4 ALC 블록의 휨인장강도 제안식

본 연구와 기존 연구결과를 살펴보면(Fig. 9), ALC 블록의 휨인장강도$f_{r}$과 압축강도 fALC는 선형관계를 보인다. 또한, $f_{r}$과 $f_{ALC}$을 비선형관계로 평가하는 UT Austin 식(5)는 고강도 ALC 블록에 대한 $f_{r}$을 과소평가하고 있다. 이에 본 연구에서는 국내에서 생산되고 있는 ALC 블록에 대한 시험결과를 바탕으로 식(7)을 제안하였다.

제안식 식(7)은 휨인장강도와 압축강도를 선형관계로 평가하고 있으며, 본 연구결과 뿐만 아니라 기존 연구결과도 잘 예측하고 있다(평균 1.16, 변동계수 0.24).

5.1 시험변수

ALC 부재의 구조성능은 ALC 블록의 재료물성뿐만 아니라 ALC 블록을 접착시키는 모르타르의 재료성질에도 큰 영향을 받는다. 각 제조사에서 사용하고 있는 ALC 모르타르의 종류와 양생기간에 따른 압축강도 시험을 수행하였다. Table 5와 같이 양생기간 7, 14, 21, 28일에 맞춰 3개씩 압축강도 시험을 계획하였다. SY 시험체는 쌍용 ALC 모르타르로 물과 모르타르 분말의 무게비가 1 : 3.57이고 SE 시험체는 유니온 ALC 모르타르로 물과 모르타르 분말의 무게비가 1 대 4.17이다. 조적용 ALC 모르타르는 규사 60~80 %, 시멘트 20~40 %, 혼화제 0.3~1 %로 구성되어 있다.

5.2 시험방법

ALC 모르타르 공시체는 ASTM C1329-11(2017)⁽⁶⁾와 ASTM C109(2016)⁽⁴⁾에 따라 50 mm 정육면체로 계획하였고, ALC 블록 시험과 동일하게 만능재료 시험기를 사용하여 압축강도 시험을 수행하였다(Fig. 11).

5.3 시험결과 및 분석

ALC 모르타르의 양생기간에 따른 압축강도의 변화양상은 Fig. 12에 나타냈다. 가로축은 양생기간(일), 세로축은 최대 압축응력(MPa)을 나타낸다. 검은색 실선은 양생기간별로 3개 시험의 평균값을 이은 선이다.

시험결과를 평가하기 위해 ASTM C1329(2016)⁽⁵⁾에서 제시하는 S형와 M형 모르타르의 요구강도와 비교하였다. ASTM C1329(2016)⁽⁵⁾에서는 물리적 요구량에 따라 N, S, M형 모르타르로 구분하고, 각 모르타르의 요구강도를 Table 6과 같이 제시하고 있다. ASTM C270-14(2014)⁽⁷⁾에 따르면(Table 7), 내력벽(load-bearing wall)에는 N형 모르타르를 추천하고, S형과 M형 모르타르도 대안으로 사용할 수 있다. MSJC(2013)⁽¹⁴⁾에 따르면, 횡력저항시스템에서는 S형와 M형 모르타르를 사용하여야 한다.

압축강도 시험결과, SY와 SE의 ALC 모르타르 모두 S형 모르타르 이상의 압축강도를 발현하였고, M형 모르타르에 가까운 압축강도를 보였다.