하수경
(Soo-Kyoung Ha)
1†
최기선
(Ki-Sun Choi)
2
-
정회원, 한국건설기술연구원 건축연구본부 박사후연구원, 교신저자
-
정회원, 한국건설기술연구원 건축연구본부 연구위원
Copyright © The Korea Institute for Structural Maintenance and Inspection
키워드
외단열 복합시스템, 부착강도, ETAG 004, 준불연 단열재, 직접인발실험
Key words
External thermal insulation composite systems, Bond strength, ETAG 004, Quasi-Non-combustible Insulation, Pull-off test
1. 서 론
건축 및 건설 부분은 전 세계 에너지 소비량의 32%, 이산화탄소(CO2) 배출량의 34%를 차지하며, 기후 위기의 주요 원인으로 주목받고 있다(United Nations Environment Programme, 2025). 국내 정부 또한 건축 부분 온실가스 감축을 위해, ｢국토교통 2050 탄소중립 로드맵｣(Ministry of Land, Infrastructure and Transport, 2021) 을 발표하고, 제로에너지 건축 의무화 및 기존 노후 건축물의 그린 리모델링 사업을 적극적으로 추진하고 있다.
건축 부분에서 탄소중립 실현을 위한 방법으로 외단열 복합시스템(Exterior Thermal Insulation Composite System, ETICS)이
효과적인 대책으로 주목받고 있다. 외단열 복합시스템은 건축물의 외벽에 설치하여 에너지 성능을 효과적으로 개선(Rhee and Jung, 2017, Park et al., 2015, Cho et al., 2016) 할 수 있는 대표적인 방법으로, 단열재를 외부 벽체에 접착제를 사용하여 부착하거나, 앵커나 프로파일 등을 사용하여, 기계적으로 고정할 수 있다.
특히, 건축물의 철거나 거주자의 이주를 요구하지 않고(Guedes et al., 2009), 기존 외벽 형태나 상태에 크게 영향을 받지 않고 시공할 수 있어, 그린 리모델링 사업에 적합한 기술로 평가된다.
유럽에서는 외단열 복합시스템에 관한 기술 표준이 명확하게 정립되어 있다. 유럽 시험규격위원회(EOTA)의 ETAG 004(European Organisation for Technical Approvals, 2013)에서는 외단열 복합시스템에 대한 요구성능과 시험방법을 구체적으로 제시하고 있고, 이 시험을 통과한 제품만 사용을 승인하고 있다. 그러나 국내의 경우,
외단열 복합시스템에 대한 직접적인 요구성능과 시험방법이 아직 표준화되어 있지 않다. 특히 외단열 복합시스템의 구조적 성능에 대하여, 기술 표준에 근거한
연구가 부족하다. 최근 국내 연구 중 ETAG 004에 근거한 연구(Hong et al., 2023, Kim et al., 2021)가 일부 수행되었으나, 수분 침투 및 열적 성능 평가에 집중되어 있다.
단열재를 콘크리트 벽체에 부착하여 안정적인 단열 성능을 제공하기 위해서는, 부착하는 벽체와 충분한 부착성능을 확보하는 것이 중요하다. ETAG004에
따라 다양한 외단열 시스템의 부착성능을 평가한 연구(Malanho and Veiga, 2020)에서는 다양한 단열재와 접착제의 특성에 따라 외단열 시스템의 부착성능이 달라지고, 안정적인 부착성능 확보가 외단열 시스템 전체의 성능 유지에 필수적임을
강조하고 있다.
본 연구는 국내에서 사용되고 있는 부착식 외단열 시스템 중, 준불연 외부 마감재 2개에 준불연 심재를 끼워 만든 샌드위치형 준불연 복합단열판에 대하여,
부착성능을 평가하였다. ETAG 004 표준을 참고하여 단열재와 콘크리트 기판 간 직접인발 부착강도 실험을 수행하였다. 이 시스템은 외벽에 접착제로
전면 부착 또는 콘크리트 현장 타설 방식으로 시공할 수 있다. 제안하는 시스템에 대한 부착성능의 신뢰성을 확보하기 위하여 규격화된 콘크리트 거푸집을
활용하여 외부 마감재 및 준불연 복합단열판 2가지에 대하여 부착강도를 평가하였다. 또한 현장타설형 시공법을 재현한 준불연 복합단열판 실험체를 제작하여,
접착제로 후 부착한 실험체와의 부착성능을 비교 분석하였다.
2. ETAG 004 표준 - Bond strength
유럽 시험규격위원회(EOTA)는 외단열 복합시스템의 성능을 평가하기 위한 기술 표준인 ETAG 004(Guideline for European Technical
Approval of External Thermal Insulation Composite Systems with Rendering)를 통해 외단열
복합시스템의 요구 성능과 시험방법을 제시하고 있다. 전체 시스템을 하나의 키트로 간주하며, ETAG 004는 개별 구성요소보다 시스템 단위의 통합적
성능 확보를 목표로 하고 있다.
외단열 복합시스템의 구조적 안전성 및 내구성 확보를 위해, 외단열 시스템과 벽체(기판) 사이의 부착 안전성 검증은 핵심적인 평가항목이다. 태풍과 같은
외부 환경의 변화로 인해, 외벽으로부터 단열재의 탈락 또는 접착 부의 균열 등 성능 저하가 발생할 수 있어, 안정적인 부착성능 확보가 중요하다. 국내의
경우, 외단열 복합시스템에 대한 직접적인 부착강도 시험 규정이 마련되어 있지 않아, ETAG 004를 근거로 부착성능을 평가할 수 있다.
ETAG 004 5.1.4.1장에서는 부착강도에 대한 시험방법을 안내하고 있다. 부착식 외단열 시스템과 벽체에 대한 부착성능을 평가하기 위해서는 3가지
부착강도에 대한 시험방법을 진행하여야 한다. 1) 단열재와 기저층, 2) 접착제(모르타르 또는 페이스트)와 벽체인 기판, 3) 접착제와 단열재 간의
부착강도이다. 시험방법을 정리하면 Table 1과 같다.
3가지 시험방법의 공통적인 요소는 다음과 같다. 외단열 시스템에서 구성요소 간의 부착강도를 평가하기 위해, (23 ± 2) °C, 상대습도 (50
± 5) % 조건에서 최소 28일 동안 시험체를 양생한다. 여기서 시험체는 정사각형으로, 조건별 5개씩 제작한다. 단열재의 치수는 제품의 기술 규격에
명시된, 표면에 수직 방향 인장강도 시험을 위한 샘플과 같게 제작한다. 건조상태는 필수적으로 시험한다. 별도의 접착제를 사용하여 시험체에 금속판을
부착하고, 인장 속도 10±1 mm/min으로 직접 인발시험을 수행한다. 시험 결과인 파괴강도는 개별 값과 평균값을 기록하며, 결과는 N/mm²(MPa)
단위로 표현한다.
ETAG 004 6.1.4.1장에 따르면, 건조상태 조건의 시험체에 대하여 부착강도 요구성능은 Table 2와 같다. 파괴모드에 따라 요구되는 최소 부착강도 값이 달라질 수 있다. 접착제와 기판 간의 부착강도는 건조상태 조건에서는 0.25 MPa 값을 요구하고
있다. 접착제와 단열재 간의 부착강도는 0.08 MPa 이상이어야 하며, 단열재 내부의 응집파괴가 나타난 경우에도 최소 0.03 MPa를 만족해야
한다.
본 연구에서는 앞서 언급한 시험방법 중, 2) 접착제와 기판, 3) 접착제와 단열재 간의 부착강도 시험방법을 참고하여 진행한다. 특히 본 연구에서는
일반적으로 평가되는 접착제에 의한 전면 부착뿐만 아니라 현장 타설 콘크리트로 부착하는 방법이 부착성능에 미치는 영향을 비교 평가하려 한다. 이를 위하여
구성요소를 별도로 구분하지 않고, 콘크리트 기판에 접착제로 후 부착 또는 현장 타설 콘크리트로 부착한 준불연 복합단열판 실험체에 대하여, 직접 인발실험을
수행하였다. 실험 결과에서 파괴모드를 확인하고, 파괴강도가 파괴유형에 따른 요구 성능을 만족하는지 확인한다.
Table 1 ETAG 004 bond strength test methods and conditions
|
Test Items
|
Base coat - Insulation product
|
Adhesive - Substrate
|
Adhesive - Insulation product
|
|
Applicable Materials
|
Insulation product and base coat
|
Concrete slab (Thickness ≥ 40 mm,Tensile strength ≥ 1.5 N/mmm2,Moisture content ≤ 3%)
|
Insulation product
|
|
Application of Adhesive or Base Coat
|
Per the manufacturer's instructions
|
Thickness of 3-5 mm unless otherwise agreed
|
|
Curing Conditions
|
(23±2)°C, (50±5)% RH, Minimum 28 days
|
|
Sample Dimensions
|
Squares with specified size
|
Squares of 15-25 cmm2
|
Squares with specified size
|
|
Sample Cutting Method
|
Cut through base coat
|
Cut through adhesive layer
|
|
Number of Samples
|
5
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15 total (5 for each conditions
|
|
Test Conditions
|
Dry condition
|
Dry condition
Immersion in water for 2 days, drying 2 hours
Immersion in water for 2 days, drying minimum 7 days
|
|
Method of Metal Plate Attachment
|
Bond metal plates to cut areas using adhesive
|
|
Test Method
|
Pull-off test
|
|
Test Speed
|
10±1 mm/min
|
|
Result Evaluation
|
Individual and mean values, N/mmm2 (MPa)
|
|
Additional Reporting
|
Not applicable
|
Record tested thickness of adhesive
|
Table 2 ETAG 004 Requirements for the values of failure resistance for bond strength
test
|
Mode of failure
|
Base coat - Insulation product
|
Adhesive - Substrate
|
Adhesive - Insulation product
|
|
Adhesive rupture
|
0.08 MPa or more1)
|
0.25N/mmm2 or more2)
|
0.08 MPa or more1)
|
|
Cohesive rupture in base coat or adhesive
|
|
Cohesive rupture in insulation product
|
Less than 0.08 MPa1)
|
0.03 MPa or more
|
Note 1) Only one individual test result between 0.06 MPa and 0.08 MPa is permissible.
2) Only one individual test result between 0.02 MPa and 0.25 MPa is permissible.
3. 실험 계획 및 방법
3.1 실험체 구성
본 연구의 부착강도 시험에 사용된 준불연 외단열 시스템은 탄산칼슘계(CaCO3) 무기질 발포 판상 단열재인 록셀보드(RCB)와 준불연 심재 및 이로 구성된 준불연 복합단열판(Quasi Non-combustible ETICS)(Korea Rock Cell Board Inc., 2022)이다. Fig. 1 (b), (c)와 같이 샌드위치형 단열재로 구성된다. 심재는 준불연 EPS(Expanded Polystyrene) 심재 또는 준불연 PIR(Poly isocyanurate)
심재 2가지를 사용하였다.
실험 변수는 단열재 종류와 부착 공법이다. 총 4가지 조건에 대하여 각각 5개씩, 총 20개의 실험체를 제작하였다. 실험체 크기는 Table 3에 정리하였다. 단열재는 외부 마감재인 록셀보드(RCB) 그리고 준불연 EPS 심재를 적용한 준불연 복합단열판(QN-c-E ETICS)과 준불연 PIR
심재를 적용한 준불연 복합단열판(QN-c-P ETICS)으로 총 3가지를 사용하였으며, 실험체 치수를 Fig. 1에 도시하였다.
선행연구(Choi et al.,(2021(a)), Choi et al.,(2022(b)))에서 준불연 EPS 심재를 적용한 준불연 복합단열판(QN-c-E ETICS)에 대하여, 인장, 압축, 굴곡, 전단의 역학적 특성을 분석하였으며, BS
EN 1607(British Standards Institution, 2013)표준에 따른 수직 방향 인장강도 시험을 시행하였다. 이때 실험체 두께는, 현행 패시브 하우스의 외벽 열관류율 목표성능인 0.15 W/m2⋅K를 만족하도록 220 mm(외부 마감재 각 10 mm, 심재 200 mm)로 제작하였다. 따라서 본 연구에서도 동일한 치수를 적용하여, 준불연
복합단열판(QN-c-E ETICS)은 200 mm×200 mm×220 mm로 제작하고, 외부 마감재인 록셀보드는 200 mm×200 mm× 10 mm로
제작하였다. 본 연구에서 추가 적용한 준불연 PIR 심재의 열전도율은 0.020 W/m²⋅K로 선행연구에서 적용한 준불연 EPS 심재의 열전도율 0.030
W/m²⋅K보다 약 33% 낮다. 따라서 동일한 단열성능을 확보하기 위해 심재 두께를 130 mm를 사용하였으며, 준불연 PIR 심재를 사용한 준불연
복합단열판의 실험체 치수는 150 mm×150 mm×150 mm로 제작하였다.
부착 방법으로는 1) 콘크리트 기판을 선 제작한 후, 외단열시스템 전용 접착제로 부착하는 공법과 2) 단열재를 먼저 설치한 후 콘크리트 기판을 후
타설하는 현장 타설 공법에 대하여 실험체를 제작하였다. 여기서, 실험장비에 고정하기 위한 콘크리트 기판의 크기는 단열재 치수보다 더 큰 250×250×40
mm로 제작하였다. 기판에 사용한 콘크리트에 대하여 28일 후 압축강도 시험 결과, 평균 31.6 MPa로 평가되었다.
후 부착 공법 실험체 제작과정은 Photo 1과 같다. 콘크리트 표면을 청소하고 프라이머를 균일하게 도포하였다. 외단열시스템 전용 불연 접착제인 T사의 스치로본드 DP와 물을 혼합하여 제작하였다.
혼합 비율은 제조사의 지침을 따랐다. 흙손을 사용하여 단열판 전면에 두께는 10 mm 이하로 접착제를 균일하게 도포하였다. 단열판을 콘크리트 기판에
눌러 부착하였다. 현장 타설 공법 실험체는 실험체 거푸집에 복합단열판을 삽입한 후 콘크리트를 타설하여 제작하였다. 모든 실험체는 실험실 환경에서 28일간
추가로 양생하였다.
Fig. 1 Details of specimens for the pull-off test
Photo 1 Poduction process by the full bonding method
Table 3 Details of specimens for the pull-off bond strength test
|
Specimen
|
Bond method
|
Insulation (mm)
|
Substrate (mm)
|
Number
|
|
Product
|
Length
|
Width
|
Thickness
|
Width×Length
|
Thickness
|
|
RB_B1∼5
|
Full bonding
|
RCB
|
200
|
200
|
10
|
250×250
|
40
|
5
|
|
PETB_B1∼5
|
QN-c-P ETICS1)
|
150
|
150
|
150
|
5
|
|
EETB_B1∼5
|
QN-c-E ETICS2)
|
200
|
200
|
220
|
5
|
|
EETB_P1∼5
|
Cast-in-place
|
QN-c-E ETICS2)
|
200
|
200
|
220
|
5
|
Note 1) Quasi Non-combustible ETICS with RCB and Quasi Non-combustible PIR.
2) Quasi Non-combustible ETICS with RCB and Quasi Non-combustible EPS.
3.2 실험방법
본 연구의 직접인발 부착강도 실험은 EATG 004의 표준 절차를 준수하여 진행하였다. 실험에 사용된 가력 장치는 최대 하중 50 kN의 UTM(Universal
Testing Machine)이다. 실험체의 상부 단열판 표면에 금속판을 에폭시 수지를 이용하여 견고하게 부착하였다. 실험체 하부 콘크리트 기판은
고정철물을 사용하여 Photo 2와 같이 실험장비 하부에 고정하였다. 상부 금속판을 연결 철물을 사용하여 UTM과 연결하고 직접 인발실험을 진행하였다. 실험의 가력 속도는 EATG
004에 명시된 바와 같이 10±1 mm/min의 일정한 속도로 진행하였다.
실험체의 부착강도는 실험을 통해 측정된 최대 파괴하중(N)을 실험체 단면적(mm²)으로 나눈 파괴강도(MPa)로 산정하였다. 단열재 종류와 부착 공법을
변수로 한 실험체 조건 4가지에 대하여 각각 수행한 5개의 실험체에 대한 개별 파괴강도 값과 평균값을 기록하였다.
아울러 실험체별로 파괴모드를 육안으로 관찰하여 접착파괴와 응집파괴로 구분하였다. 접착파괴는 서로 다른 재료의 경계면에서 분리가 발생하는 파괴이고,
응집파괴는 단일 재료 내부에서 분리되거나 찢어지는 형태의 파괴이다. 기판에 샌드위치형 복합단열판을 부착한 실험체에서 관측할 수 있는 파괴모드는 Fig. 2와 같이 총 5가지이다. 1) 외부 마감재와 콘크리트 기판 사이의 접착파괴, 2) 외부 마감재의 응집파괴, 3) 외부 마감재와 심재 사이의 접착파괴,
4) 심재의 응집파괴, 5) 외부 마감재와 실험장비와 연결된 금속판 사이의 접착파괴. 5번째 파괴모드가 관측되면 단열재의 실제 부착성능을 확인할 수
없으므로, 본 연구에서는 고점도의 에폭시를 사용하여 실험 대상인 단열재와 금속판을 강력하게 부착하였다. 파괴강도와 파괴모드를 바탕으로 단열재 종류와
부착 공법이 외단열 시스템의 부착성능에 미치는 영향을 평가하였다.
Fig. 2 Failure mode of the pull-off bond strength test
Photo 2 Test equipment and setup for the pull-off test
4. 실험 결과
4.1 파괴강도
본 연구에서는 외부 마감재인 록셀보드(RCB), 2개의 외부 마감재 사이에 준불연 EPS 심재를 끼워 만든 준불연 복합단열판(QN-c-E ETICS),
준불연 PIR 심재를 적용한 준불연 복합단열판(QN-c-P ETICS), 총 3가지 단열재를 대상으로 직접 인발실험을 진행하였다. 앞서 언급한 3가지
단열재를 외단열 전용 접착제를 사용하여 전면 부착하여 제작한 실험체와 준불연 EPS 심재를 끼워 만든 준불연 복합단열판(QN-c-E ETICS)에
대하여 콘크리트 현장타설 방식으로 제작한 실험체로 나누어 부착공법에 따른 부착성능을 비교⋅평가하였다.
실험을 통해 측정된 최대 하중을 실험체 단면적으로 나눈 값을 파괴강도로 산정하고, 각 변수 4가지 조건에 따라 5개씩 제작된, 총 20개의 실험체의
개별 파괴강도를 Fig. 3에 도시하였다. 아울러, 개별 파괴강도와 각 5개 실험체 파괴강도의 평균값 및 표준편차를 Table 4에 정리하였다. Fig. 3에는 ETAG 004에 따른 1) 접착파괴시 최소 요구성능(0.08 MPa), 2) 접착파괴시 1개의 실험체에 대한 허용 최저치(0.06 MPa),
그리고 3) 단열재 내 응집파괴시 최소 요구성능(0.03 MPa)을 구분하여 표시하였다.
실험 결과 외부 마감재(RCB)를 콘크리트 기판에 전면 부착한 실험체 RB_B1∼5 5개에 대하여 파괴강도는 0.217 MPa에서 0.257 MPa의
높은 범위로 확인되었다. 준불연 EPS 심재를 끼워 만든 준불연 복합단열판(QN-c-E ETICS)을 콘크리트 기판에 전면 부착한 실험체 EETB_B1∼5에
대하여 1개 실험체 EETB_B3가 0.037 MPa로 비교적 낮은 파괴강도가 관측되었다. 이를 제외하면, 심재를 포함한 복합단열시스템을 콘크리트
기판에 부착한 14개의 실험체에 대하여, 외부 마감재(RCB) 실험체보다는 낮지만, 모두 0.06 MPa를 초과한 파괴강도(0.064 MPa에서 0.140
MPa)로 확인되었다. 특히, 접착제로 후시공 전면 부착한 실험체 EETB_B1∼5의 파괴강도(평균 0.1056 MPa, 표준편차 0.0446)보다
현장타설형 실험체 EETB_P1∼5의 파괴강도가(평균 0.1304 MPa, 표준편차 0.0073) 상대적으로 높고 안정적으로 나타나, 현장 타설 방식이
더 우수한 부착성능을 확보한 것으로 평가되었다.
Fig. 3 Individual failure resistance for the pull-off bond strength test
Table 4 Experimental failure resistance of specimens for the pull-off bond strength
test
|
Specimen
|
Bond method
|
Insulation (mm)
|
Max load (N)
|
Failure resistance(MPa)
|
|
Product
|
Area(mm2)
|
Thickness (mm)
|
Individual
|
Mean
|
Standard deviation
|
|
RB_B1
|
Full bonding
|
RCB
|
40,000
|
10
|
10,275
|
0.257
|
0.231
|
0.0186
|
|
RB_B2
|
40,000
|
10
|
8,735
|
0.218
|
|
RB_B3
|
40,000
|
10
|
8,680
|
0.217
|
|
RB_B4
|
40,000
|
10
|
9,770
|
0.244
|
|
RB_B5
|
40,000
|
10
|
8,735
|
0.218
|
|
PETB_B1
|
QN-c-P ETICS1)
|
22,500
|
150
|
1625
|
0.072
|
0.080
|
0.0167
|
|
PETB_B2
|
22,500
|
150
|
1437
|
0.064
|
|
PETB_B3
|
22,500
|
150
|
1592
|
0.071
|
|
PETB_B4
|
22,500
|
150
|
2377
|
0.106
|
|
PETB_B5
|
22,500
|
150
|
1939
|
0.086
|
|
EETB_B1
|
QN-c-E ETICS2)
|
40,000
|
220
|
5,118
|
0.128
|
0.105
|
0.0446
|
|
EETB_B2
|
40,000
|
220
|
3,362
|
0.084
|
|
EETB_B3
|
40,000
|
220
|
1,468
|
0.037
|
|
EETB_B4
|
40,000
|
220
|
5,540
|
0.139
|
|
EETB_B5
|
40,000
|
220
|
5,587
|
0.140
|
|
EETB_P1
|
Cast-in-place
|
QN-c-E ETICS2)
|
40,000
|
220
|
4,940
|
0.124
|
0.130
|
0.0073
|
|
EETB_P2
|
40,000
|
220
|
5,105
|
0.128
|
|
EETB_P3
|
40,000
|
220
|
4,943
|
0.124
|
|
EETB_P4
|
40,000
|
220
|
5,585
|
0.140
|
|
EETB_P5
|
40,000
|
220
|
5,430
|
0.136
|
Note 1) Quasi Non-combustible ETICS with RCB and Quasi Non-combustible PIR.
2) Quasi Non-combustible ETICS with RCB and Quasi Non-combustible EPS.
4.2 파괴모드
본 연구에서는 부착공법에 따른 부착성능의 차이를 비교하기 위하여, 기판에 복합단열판을 부착한 실험체에 대하여 직접인발 부착강도 실험을 수행하였다.
실험 결과 파괴모드는 Fig. 2의 (b) Failure mode 1 외부 마감재와 콘크리트 기판 사이의 접착파괴와 Fig. 2의 (e) Failure mode 4 심재의 응집파괴로 확인되었다. 실험 종료 후 실험체 파괴 모습을 Fig. 4에 정리하였다. 개별실험체의 파괴모드를 Table 5에 요약하였다.
외부 마감재(RCB)를 콘크리트 기판에 부착한 실험체 RB_B1∼5에 대하여 모두 기판과 단열재 사이의 접착파괴가 발생하였다. 준불연 PIR 심재를
사용한 실험체 PETB_B1∼5는 모두 심재 내부에서 응집파괴를 보였으나, 일부 실험체 PETB_B3에서는 외부 마감재와 심재 사이의 계면에서 접착파괴가
동시에 확인되었다. 준불연 EPS 심재를 사용한 실험체 EETB_B1∼5 또한 대부분 심재 내부에서 응집파괴가 확인되었으나, 실험체 EETB_B2는
외부 마감재(RCB)와 콘크리트 기판 사이의 접착파괴가, 실험체 EETB_B3은 외부 마감재(RCB)와 EPS 심재 사이의 접착파괴가 확인되었다.
후시공 전면 부착 실험체와 달리 현장타설형 실험체 EETB_P1∼5는 모두 안정적으로 심재에서만 응집파괴가 나타났다. 본 연구를 통해 실험 대상인
준불연 복합시스템은 심재 자체의 인장강도가 외부 계면의 접착 강도보다 낮으므로, 심재의 인장강도가 전체의 부착성능을 결정하는 주요한 요인으로 작용함을
확인하였다.
Fig. 4 Specimens after the pull-off bond strength test
Table 5 Experimental failure mode of specimens for the pull-off bond strength test
|
Specimen
|
Bond method
|
Insulation (mm)
|
Failure resistance (MPa)
|
Failure mode
|
|
Product
|
Area(mm2)
|
Thickness (mm)
|
Location
|
Type
|
|
RB_B1
|
Full bonding
|
RCB
|
40,000
|
10
|
0.257
|
RCB-Substrate
|
Adhesive rupture
|
|
RB_B2
|
40,000
|
10
|
0.218
|
RCB-Substrate
|
Adhesive rupture
|
|
RB_B3
|
40,000
|
10
|
0.217
|
RCB-Substrate
|
Adhesive rupture
|
|
RB_B4
|
40,000
|
10
|
0.244
|
RCB-Substrate
|
Adhesive rupture
|
|
RB_B5
|
40,000
|
10
|
0.218
|
RCB-Substrate
|
Adhesive rupture
|
|
PETB_B1
|
QN-c-P ETICS1)
|
22,500
|
150
|
0.072
|
QN-c PIR core
|
Cohesive rupture
|
|
PETB_B2
|
22,500
|
150
|
0.064
|
QN-c PIR core
|
Cohesive rupture
|
|
PETB_B3
|
22,500
|
150
|
0.071
|
QN-c PIR core
|
Cohesive rupture
|
|
RCB-QN-c PIR
|
Adhesive rupture
|
|
PETB_B4
|
22,500
|
150
|
0.106
|
QN-c PIR core
|
Cohesive rupture
|
|
PETB_B5
|
22,500
|
150
|
0.086
|
QN-c PIR core
|
Cohesive rupture
|
|
EETB_B1
|
QN-c-E ETICS2)
|
40,000
|
220
|
0.128
|
QN-c EPS core
|
Cohesive rupture
|
|
EETB_B2
|
40,000
|
220
|
0.084
|
RCB-Substrate
|
Adhesive rupture
|
|
QN-c EPS core
|
Cohesive rupture
|
|
EETB_B3
|
40,000
|
220
|
0.037
|
RCB-QN-c EPS
|
Adhesive rupture
|
|
EETB_B4
|
40,000
|
220
|
0.139
|
QN-c EPS core
|
Cohesive rupture
|
|
EETB_B5
|
40,000
|
220
|
0.140
|
QN-c EPS core
|
Cohesive rupture
|
|
EETB_P1
|
Cast-in-place
|
QN-c-E ETICS2)
|
40,000
|
220
|
0.124
|
QN-c EPS core
|
Cohesive rupture
|
|
EETB_P2
|
40,000
|
220
|
0.128
|
QN-c EPS core
|
Cohesive rupture
|
|
EETB_P3
|
40,000
|
220
|
0.124
|
QN-c EPS core
|
Cohesive rupture
|
|
EETB_P4
|
40,000
|
220
|
0.140
|
QN-c EPS core
|
Cohesive rupture
|
|
EETB_P5
|
40,000
|
220
|
0.136
|
QN-c EPS core
|
Cohesive rupture
|
Note 1) Quasi Non-combustible ETICS with RCB and Quasi Non-combustible PIR.
2) Quasi Non-combustible ETICS with RCB and Quasi Non-combustible EPS.
4.3 부착성능 및 최소 허용 부착면적 평가
4.3.1 부착성능 분석
본 연구에서는 Table 4의 파괴강도와 Table 5의 파괴모드를 검토하여 변수 4가지 실험체의 부착성능을 분석하였다. 본 실험체는 ETAG 004에서 요구하는 접착제와 기판 및 접착제와 단열재에 대하여
개별적으로 평가하는 대신, 부착공법(후시공 및 현장타설)에 대한 부착성능을 효과적으로 비교하기 위해, 하나의 시스템으로 함께 평가하였다. 이를 고려하여,
ETAG 004에서 파괴모드 별로 요구하는 부착강도 만족 여부를 확인하고, 요구 성능을 만족하는 평가 결과에 대하여 평균 부착강도를 산정하고 Table 6에 정리하였다.
외부 마감재(RCB)를 콘크리트 기판에 후시공 전면 부착한 실험체 RB_B1∼5의 경우, 모든 실험체에서 단열재와 기판 사이의 접착파괴가 확인되었으며,
실험체 RB_B1의 파괴강도만 ETAG 004에 따른 접착제와 기판 간의 요구 성능(0.25 MPa)을 만족하였다. 아울러, 1개 실험체는 0.2
MPa∼0.25 MPa를 만족할 수 있다는 조건에 따라, 실험체 RB_B4도 추가 만족하였다고 볼 수 있다. 반면에 5개의 실험체 모두 단열재와 접착제
간의 요구 성능(0.08 MPa)을 만족하였다. 이에 따라 외부 마감재(RCB)의 경우 ETAG 004에 따른 단열재와 접착제 간의 계면에서 부착강도는
0.231 MPa로 산정할 수 있으나 접착제와 기판 간의 요구 성능 만족 여부는 제한적으로만 확인할 수 있었다.
준불연 PIR 심재를 적용한 준불연 복합단열판(QN-c-P ETICS)을 콘크리트 기판에 후시공 전면 부착한 실험체 PETB_B1∼5는 주로 심재에서
응집파괴가 확인되었다. 2개 실험체 PETB_4∼5는 ETAG 004에 따른 접착제와 단열재 간의 요구 성능(0.08 MPa)을 만족하였고, 다른
3개 실험체(PETB_B1∼3)도 0.06 MPa에서 0.08 MPa 사이의 응집파괴 나타났다. ETAG 004에 따르면, 이러한 시험 결과는 단
1개만 허용된다. 따라서 준불연 PIR 심재를 적용한 준불연 복합단열판(QN-c-P ETICS)에 대하여, 단열재와 접착제 간의 계면에서 부착강도는
0.088 MPa로 산정할 수 있다. 그러나 ETAG 004의 요구사항을 엄격하게 준수할 경우, 본 연구에서 평가한 준불연 복합단열판(QN-c-P
ETICS)은 준불연 PIR 심재 내의 파괴강도가 불충분하다. 따라서 ETAG 004의 사용성 기준을 만족하기 위해서는 PIR 심재의 인장강도를 개선하거나,
기계적 부착 방법을 추가로 고려해볼 수 있다.
준불연 EPS 심재를 적용한 준불연 복합단열판(QN-c-E ETICS)을 콘크리트 기판에 후시공 전면 부착한 실험체 EETB_B1∼5 또한 주로 심재에서
응집파괴가 확인되었다. 그러나 특정 실험체 EETB_B3에서 접착파괴에 따른 파괴강도가 0.037 MPa로 현저히 낮게 나타났으며, 이는 ETAG
004에 따른 접착제와 단열재 간 접착파괴에 대한 최소 임계값인 0.08 MPa 만족하지 못하였다. 그러나 이를 제외한 실험체들은 모두 요구 강도(0.08
MPa)를 충분히 만족하고 있으므로, 해당 준불연 복합단열판(QN-c-E ETICS)에 대하여는 추가적인 실험을 통해 더 정확하게 평가할 수 있을
것으로 판단된다.
반면에 준불연 EPS 심재를 적용한 준불연 복합단열판(QN-c-E ETICS)을 콘크리트 기판에 현장 타설로 부착한 실험체 EETB_P1∼5는 모두
요구 강도(0.08 MPa)를 만족하는 안정적인 파괴강도와 심재의 응집파괴를 보여주었다. 이를 통해 본 연구에서 평가된 준불연 복합단열판은 접착제를
사용한 후시공 부착 공법보다 외벽과 단열재 사이에 콘크리트 현장 타설로 부착하는 방법이 이 외단열 시스템의 부착성능 확보에 매우 안정적인 공법이라고
판단할 수 있다.
Table 6 Experimental failure resistance of specimens for the pull-off bond strength
test
|
Specimen
|
Bond method
|
Insulation
|
Failure
resistance
(MPa)
|
Failure mode
|
ETAG 004 compliance
|
Bond
strength
(MPa)
|
Minimal admissible bonded surface area
|
|
|
Adhesive
- Substrate1)
|
Adhesive
- Insulation2)
|
|
RB_B1
|
Full bonding
|
RCB
|
0.257
|
Adhesive rupture in RCB-substrate
|
○
|
○
|
0.231
|
13.8%
(required ≥ 20%)6)
|
|
|
RB_B2
|
0.218
|
×
|
○
|
|
RB_B3
|
0.217
|
×
|
○
|
|
RB_B4
|
0.244
|
○3)
|
○
|
|
RB_B5
|
0.218
|
×
|
○
|
|
PETB_B1
|
QN-c-P ETICS
|
0.072
|
Cohesive
rupture
in insulation
|
-
|
○4)
|
0.0885)
|
41.7%5)
|
|
|
PETB_B2
|
0.064
|
-
|
×
|
|
PETB_B3
|
0.071
|
-
|
×
|
|
PETB_B4
|
0.106
|
-
|
○
|
|
PETB_B5
|
0.086
|
-
|
○
|
|
EETB_B1
|
QN-c-E ETICS
|
0.128
|
Cohesive
rupture
in insulation
|
-
|
○
|
0.1235)
|
35.7%5)
|
|
|
EETB_B2
|
|
0.084
|
-
|
○
|
|
EETB_B3
|
0.037
|
Adhesive
rupture in two insulation
|
-
|
×
|
|
EETB_B4
|
0.139
|
Cohesive
rupture
in insulation
|
-
|
○
|
|
EETB_B5
|
|
0.140
|
-
|
○
|
|
EETB_P1
|
Cast-in-place
|
QN-c-E ETICS
|
0.124
|
Cohesive
rupture
in insulation
|
-
|
○
|
0.130
|
24.2%
|
|
|
EETB_P2
|
0.128
|
-
|
○
|
|
EETB_P3
|
0.124
|
-
|
○
|
|
EETB_P4
|
0.140
|
-
|
○
|
|
EETB_P5
|
0.136
|
-
|
○
|
Note 1) Compliance with ETAG 004 performance requirements of bond strength test between
Adhesive and Substrate.
2) Compliance with ETAG 004 performance requirements of bond strength test
between Adhesive and Insulation product.
3) Only one individual test result between 0.02 MPa and 0.25 MPa is permissible.
4) Only one individual test result between 0.06 MPa and 0.08 MPa is permissible.
5) Failure experimental results for ETAG 004 compliance between the adhesive
and insulation product are not reflected.
6) The minimum admissible bonded area must exceed 20% as required by ETAG
004.
4.3.2 최소 허용 부착면적 평가
ETAG 004에서는 건조 상태 조건에서 접착제와 단열재 간의 부착강도 시험 값을 기준으로 외단열 복합시스템에서 접착제를 통해 기판과 단열재 사이를
고정할 때 최소한으로 부착되어야 하는 면적 비율을 최소 허용 부착면적(%)이라 하고 다음과 같이 정의하고 있다. 최소 허용 부착면적(%)=[0.03×
100]/[시험 결과 최솟값(MPa)]이다. 즉, 측정된 부착강도가 높을수록 최소 허용 부착면적은 작아져도 된다. 반대로 부착강도가 낮을수록 이 면적은
커지며, 이는 넓은 면적을 접착제로 처리하거나 추가로 기계적 부착을 통한 부착성능을 확보해야 함을 의미한다. 아울러, 측정된 부착강도가 높아도, 최소
허용 부착면적은 20% 이상이어야 한다.
ETAG 004에서 단열재와 접착제 간의실험 요구 성능(0.08 MPa) 및 예외 조건(0.06 MPa∼0.08 MPa)을 만족하는 실험 결과 중
최솟값을 적용하여 최소 허용 부착면적(%)을 산정하고, Table 6에 정리하였다. 외부 마감재 RCB는 최소 실험값(0.244 MPa)에 대하여, 허용 부착면적이 13.8%로 산정되었으나, ETAG 004의 최소
기준에 따라 RCB를 접착제로 후시공 부착할 때, 최소 허용 부착면적은 20%으로 산정한다. 준불연 PIR 심재를 적용한 준불연 복합단열판(QN-c-P
ETICS)은 최소 실험값(0.072 MPa)에 대하여, 접착제로 후시공 부착할 때, 최소 허용 부착면적이 41.7%로 산정되었다. 마찬가지로 준불연
EPS 심재를 적용한 준불연 복합단열판(QN-c-E ETICS)은 최소 실험값(0.084 MPa)에 대하여, 접착제로 후시공 부착할 때, 최소 허용
부착면적이 35.7%로 산정되었다. 이와 비교하여, 준불연 복합단열판(QN-c-E ETICS)을 현장 타설로 부착할 때 최소 허용 부착면적은 24.2%로
훨씬 낮게 산정되었다. 이러한 분석 결과는 준불연 복합단열시스템을 현장에 적용할 때, 부착 공법에 따라 부착강도의 안정성 확보와 최소 허용 부착면적이
크게 달라질 수 있음을 명확하게 보여주며, 시공방식의 최적화의 중요성을 시사한다.
5. 결 론
본 연구는 콘크리트 기판과 부착방법에 따른 준불연 복합단열시스템의 부착성능의 차이를 평가하고자 ETAG 004를 참조하여, 직접인발 실험을 수행하였다.
1) 외부 마감재인 탄산칼슘계 록셀보드(RCB)와 준불연 심재(EPS 또는 PIR) 사용한 준불연 복합단열판 에 대하여, 콘크리트 기판에 접착제를
사용한 후시공 부착공법과 현장타설형 공법을 적용한 실험체를 제작하고, 공법 간 부착성능을 비교하였다.
2) 실험 결과, 외부 마감재(RCB)를 후시공 부착한 실험체는 접착파괴가, 복합단열판은 주로 심재의 응집파괴가 확인되었다. 다만 일부 실험체에서
외부마감재와 심재간의 접착불량으로 낮은 파괴강도(0.037 MPa)가 확인되었다. 이는 복합단열판에서 심재와 마감재 간 계면의 품질과 재료의 균질성
확보가 중요함을 보여준다.
3) 준불연 EPS를 심재로 사용한 복합단열판에 대하여 부착방식별 파괴강도의 표준편차를 비교한 결과, 후시공 부착공법에서 0.0446인 반면, 현장타설형
공법에서는 0.0073으로 감소하였다. 이는 현장타설형 공법이 부착성능 측면에서 안전적인 시공품질을 확보할 수 있음을 의미한다. 다만, 해당 공법은
정밀한 타설 및 거푸집 설치가 요구되어, 실제 현장에서 시공성 측면에 제약이 있다.
4) 후시공 부착공법에서 외부 마감재(RCB)를 적용한 실험체의 평균 부착강도는 0.231 MPa로 가장 높았고, 준불연 EPS와 준불연 PIR 심재를
적용한 복합단열판은 각각 0.088 MPa, 0.123 MPa로 상대적으로 낮게 평가되었다. 반면, 현장타설형 공법의 경우, 복합단열판에서 평균 부착강도는
0.130 MPa 으로 후시공 부착공법보다 우수하게 평가되었다.
5) 준불연 EPS와 준불연 PIR 심재를 적용한 복합단열판을 후시공 전면부착한 실험체에 대하여는 최소 허용 부착면적이 각각 41.7%, 35.7%로
산정되었다. 이와 비교하여, 현장타설 방식으로 부착한 복합단열판은 24.2%로 비교적 낮은 값으로 산정되어 시공할 때 더 작은 면적으로도 안정적인
부착 성능을 확보할 수 있다.
6) 준불연 복합단열시스템의 부착성능과 최소 허용 부착면적은 심재의 종류와 부착공법에 따라 큰 차이를 보였다. 특히 현장타설 공법은 안정적인 성능확보에
효과적인 대안으로 판단된다. 반면에 후시공 부착공법의 경우, 접착제의 품질관리와 심재의 인장강도 개선을 요구할 수 있다. 본 연구는 국내 부착식 외단열
시스템의 구조적 안전성 및 신뢰성 확보를 위한 기초자료로 활용될 수 있다.
감사의 글
본 연구는 한국건설기술연구원 평가인증과제 지원을 받아 수행되었습니다(과제번호 20250068-001, 수직증축 리모델링 전문기관 2차 안전성
검토 - 반포엠브이아파트).
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