Mobile QR Code QR CODE : Korean Journal of Air-Conditioning and Refrigeration Engineering
Korean Journal of Air-Conditioning and Refrigeration Engineering

Korean Journal of Air-Conditioning and Refrigeration Engineering

ISO Journal TitleKorean J. Air-Cond. Refrig. Eng.
  • Open Access, Monthly
Open Access Monthly
  • ISSN : 1229-6422 (Print)
  • ISSN : 2465-7611 (Online)

  1. 연세대학교 건축공학과 박사후연구원 (Post-doc, Department of Architecture and Architectural Engineering, Yonsei University, Seoul 03722, Republic of Korea)
  2. 연세대학교 건축공학과 박사과정 (Ph.D Candidate, Department of Architecture and Architectural Engineering, Yonsei University, Seoul 037, Republic of Korea)
  3. 연세대학교 건축공학과 교수 (3Professor, Department of Architecture and Architectural Engineering, Yonsei University, Seoul 037, Republic of Korea)



바이오차, 건축마감재, 친환경자재, 난연성능, 황토, 열적성능
Biochar, Building finishing materials, Eco-friendly material, Flame retardant performance, Hwangtoh, Thermal performance

1. 서 론

2017년 발생한 그렌펠타워 화재는 가전제품에서 시작하여 60시간 동안 24층 건물을 불태우고, 그 결과 70명 이상의 사망자를 발생시킨 대형화제사고이다. Fig. 1은 국내에서 발생한 대형화재의 사례 모습이다. 의정부 아파트 화재사고는 주변 주거건물에 불을 옮겨 붙게 하였으며, 총 5명이 사망하고, 125명이 부상한 사고이다. 제천 스포츠센터 화재사고의 경우, 29명의 사망자, 37명의 부상자가 발생했으며, 진압된 화재의 재확산으로 인해 큰 피해를 야기한 사건이다. 울산 아파트 화재 사고의 경우 93명의 부상자가 발생하였으며, 약 100억 원의 재산피해를 입힌 사건이다. 이러한 대형 화재사고의 원인으로, 발생된 화재가 마감재 및 건축자재를 통해 확산되는 것이 지목되고 있다.(1) 국내의 경우 2012년 이후로 외장재의 난연성능을 준불연 및 불연재료 등급으로 인정받은 자재만 사용하도록 규정하고 있으나, 그렌펠타워 화재사건을 계기로 진행한 국토교통부의 조사에 의하면, 고층건축물의 135동이 가연마감재를 사용한 것으로 조사되었다.

이러한 배경을 바탕으로, 화재안전성능평가, 건축물화재 안전기반강화등 화재안전대책이 강구되어지고 있으며, 각종 마감재, 단열재 등 건축자재에 대한 난연성능과 같은 화재안전관련 성능의 확보 필요성이 강조되고 있다.(2) 또한 건축자재 및 구조 관련 화재안전성능 관련 기준인 ‘건축물 마감재료의 난연성능 및 화재 확산 방지구조 기준’, ‘내화구조의 인정 및 관리기준’, ‘방화문 및 자동방화셔터의 인정 및 관리기준’을 ‘건축자재 등 품질인정 및 관리기준’으로 통합하여 관리하는 등 건축자재의 난연성능 및 화재확산방지와 관련된 중요성이 강조되고 있다.

Fig. 1 Large-scale fire incidents, (a) Uijeongbu, (b) Jecheon, (c) Ulsan.
../../Resources/sarek/KJACR.2023.35.5.235/fig1.png
Fig. 2 Changes in building fire safety laws and regulations.
../../Resources/sarek/KJACR.2023.35.5.235/fig2.png

Fig. 2에는 건축물의 화재안전과 관련된 기준의 변화를 나타낸다. 2008년 이천 냉동창고 화재 및 물류창고 화재 사건을 계기로 2010년 창고 내부마감재의 난연성 이상 재료의 의무화가 실시되었다. 2010년 해운대 오피스텔 화재 사건을 계기로, 2012년 건축물 마감재를 난연성능 이상으로 사용하도록 하였으며, 2013년 안성 냉동창고 화재 이후, 창고 내부 마감재의 난연성능 이상 사용이 의무화되었다. 이후 2016년 가연성 외장재 사용 금지, 2017년 화재 감시자 의무 배치, 2019년 환재안전 기준 건축법 개정 등, 화재안전과 관련한 기준은 강화되어져 왔다. 국토교통부장관이 정하여 고시하는 화재 확산 방지구조는 수직 화재확산 방지를 위하여 외벽마감재와 외벽마감재 지지구조 사이의 공간을 다음 각 호 중 하나에 해당하는 재료로 매 층마다 최소 높이 400 mm 이상 밀실하게 채우도록 되어있다. 한국산업표준 KS F 3504(석고 보드 제품)에서 정하는 12.5 mm 이상의 방화 석고 보드, 한국산업표준 KS L 5509(석고 시멘트판)에서 정하는 석고 시멘트판 6 mm 이상인 것 또는 KS L 5114(섬유강화 시멘트판)에서 정하는 6 mm 이상의 평형 시멘트판인 것 한국산업표준 KS L 9102(인조 광물섬유 단열재)에서 정하는 미네랄울 보온판 2호 이상인 것 한국산업표준 KS F 2257-8(건축 부재의 내화 시험 방법-수직 비내력 구획 부재의 성능 조건)에 따라 내화성능 시험한 결과 15분의 차염성능 및 이면온도가 120 K 이상 상승하지 않는 재료. 또한, 5층 이하이면서 높이 22 m 미만인 건축물의 경우에는 화재확산방지구조를 매 두 개 층마다 설치하도록 규정되어있다. 따라서 화재확산방지구조와 관련된 규정을 고려하였을 때, 건축자재의 난연성능이 필수적으로 확보될 필요가 있다.

건축자재와 관련된 성능 평가 기준은 강도, 경량성과 같은 성능과 더불어 탄소배출저감 및 탄소중립 필요성에 의해 단열성능, 축열성능과 같은 건물에너지와 관련된 열적성능도 함께 중요한 요소로서 고려되어지고 있다. 나아가 건축자재 및 건축물의 전생애주기동안의 탄소배출량을 고려하는 탄소배출 및 고정 성능도 함께 고려되어 지고 있다.(3) 따라서 건축자재 개발을 위해, 강도, 난연성능, 열적성능, 친환경성이 종합적으로 고려될 필요가 있다.

따라서 본 연구에서는 친환경 무기질 재료인 황토와 식물 등의 생물기반 물질을 열분해하여 생산되는 바이오차(biochar)를 활용한 건축마감재료를 개발하고, 열적성능과 난연성능을 평가하고자한다.

2. 재료 및 실험방법

2.1 재료 및 시편제작 방법

친환경 건축마감자재 제작 및 평가를 위해 황토 및 바이오차를 선정하였다. 황토는 천연자원으로서 매장량이 풍부하고 다양한 기능을 가지고 있어 건축자재로서 개발가치가 높으나 일반적으로 황토를 함유한 혼합물은 강도가 저하되는 것으로 알려져 있어 황토혼합물의 강도를 고려할 필요가 있다. Hwang et al.(4)은 국내 지역별 황토의 화학적 조성을 연구하여 개발된 황토 바인더의 특성을 분석하였다. 그 결과 경상도 황토와 석회계 재료의 포졸란 반응이 장기강도 향상에 미치는 영향이 더 큰 것으로 나타났다. 이러한 배경을 바탕으로 본 연구에서는 경상도에서 생산되는 황토를 사용하였으며, 경화특성을 가지기위해 생황토분말 40%, 무수석고 30%, 이산화규소 30%로 구성된 황토 바인더를 제조하였다.

바이오차를 수화물에 혼합하면 연성을 높이고 모르타르 압축 강도를 높일 수 있다.(5) 이는 바이오차가 압축 강도를 향상시키고 인장 강도를 보완하기 위한 기계적 보조제 역할을 할 수 있는 재료임을 의미한다. 또한 바이오차는 다공질의 성질을 갖는 물질로, 단열성능의 증가와 경량화에 기여할 수 있는 재료로 알려져 있다.(6) 바이오차는 가공 온도, 가공 시간, 가공 재료와 같은 변수로 인해 매우 다양하며 성능도 광범위하다. 열분해된 바이오차는 열분해로 인해 많은 공극을 가진 구조체로 개질되며, 이러한 공극은 습도와 온도에 대한 영향을 변화시키고 흡착 성능을 가질 수 있게 기여한다. 실험에 사용된 재료의 모습은 Fig. 3과 같다. 본 실험에 사용된 바이오차의 종류는 각각 450, 800, 1000℃의 무산소 환경에서 열분해된 왕겨, 코코넛 껍질, 대나무이다. 각각. 열 분해된 바이오차는 300 ㎛ 이하의 크기로 분쇄하여 분말의 형태로 혼합되었다.

황토, 물, 바이오차의 혼합비는 Table 1과 같다. H는 바이오차가 혼합되지 않은 황토를 의미하며, 바이오차는 중량대비 각각 2.5, 5, 7.5, 10% 혼합하였다. 혼합에 따라 왕겨(R, rice husk), 코코넛 껍질(C, coconut), 대나무(B, Bamboo)와 중량 대비 혼합 비율로 케이스를 정의하였다.

열적성능 및 난연 성능 분석을 위한 시편제작 과정은 Fig. 4와 같은 절차로 진행되었다. 먼저 황토분말과 바이오차 분말이 잘 섞이도록 물을 넣지 않고 건비빔을 실시하였다. 이때 교반기를 이용하여 1000 rpm으로 30 분간 혼합한다. 여기에 황토 중량 대비 23.5%의 물을 넣고 침전물이 생기지 않도록 섞는다. 물을 넣은 후 교반기를 사용하여 1000 rpm으로 30초간 혼합한다. 물을 첨가한 후 시편을 실온에서 6시간 동안 양생하였다. 이 과정에서 최소한 강도를 확보한 후 몰드를 제거하였다. 시편은 100 mm × 100 mm × 20 mm(가로×세로 × 높이)로 제작되었다. 몰드 제거 후, 60℃의 온도에서 48시간 동안 양생을 진행하였다. 48시간 양생 후 상온에서 28일간 양생하였다.

Fig. 3 Prepared Hwangtoh and biochar powder.
../../Resources/sarek/KJACR.2023.35.5.235/fig3.png
Table 1 Mixing design for specimens for experiment

Case definition

Hwangtoh (g)

Water (g)

Biochar (g)

W/H ratio (%)

Biochar/H ratio (%)

H

400

92

-

23.5

-

R2.5, C2.5, B2.5

400

92

10

23.5

2.5

R5, C5, B5

400

92

20

23.5

5

R7.5, C7.5, B7.5

400

92

30

23.5

7.5

R10, C10, B10

400

92

40

23.5

10

H: Hwangtoh, R: Rice husk, C: Coconut, B: Bamboo

Fig. 4 Process of preparing specimens for experiment.
../../Resources/sarek/KJACR.2023.35.5.235/fig4.png

2.2 실험 방법

2.2.1 열적성능 평가방법

건축물 에너지성능에 영향을 미치는 열적 성능을 분석하기 위해, 열전도율, 비열, 밀도를 측정하였다. 열전도율의 경우 건물의 외기에 대한 실내의 열전달 획득 및 열손실을 판단하는 데 주요한 물성으로 평가된다. 열전도율의 경우 평판열류계법을 통하여, 제작된 시편을 대상으로 20℃의 온도에서 분석되었다. 건축물 구성물의 열저장 성능을 향상시킬 수 있는 요인인 열용량을 평가하기 위해 비열 및 밀도를 측정하였다. 비열의 경우 시차주사열량계를 활용하여 도출되었다. 밀도의 경우 건축자재의 경량화 성능을 평가하는 지표로 활용할 수 있으며, 단위 부피당 열용량을 평가하기 위해 측정하였다.

2.2.2 난연성능 평가방법

친환경 마감재의 난연성능은 KS F ISO 5660-1: 열방출율 시험방법-콘칼로리미터법, 총열방출량, 최대방열율, 단열재의 연소도에 따라 평가하였다. 콘칼로리미터는 시료를 원추형 히터로 가열함과 동시에 전기 스파크로 점화시켜 발열량과 질량 감소율을 분석하는 시험법으로 주로 재료의 화재 안전성 평가에 사용된다. KS F ISO 5660-1 또는 KS F ISO 1182의 연소 성능 시험 결과에 따라 단열재의 난연 성능은 최종적으로 불연성, 불연성 및 가연성 등급으로 분류된다. Fig. 5는 콘 칼로리미터 테스트의 방법의 모식도와 사진을 보여준다.(7) 내부마감재의 맞닿는 면에 대해 3회 시험을 실시하였고 가열조건은 50 kW/m2로 설정하였다. 실험대상 시편은 H와 각 바이오차가 중량 비 5% 혼합된 시편에 대해 시행하였다.

Fig. 5 Heat release rate test setup using a cone calorimeter.
../../Resources/sarek/KJACR.2023.35.5.235/fig5.png

3. 결과 및 토의

3.1 열적 성능 평가 결과

제작된 시편에 대한 밀도, 열전도율, 비열, 열용량 측정 결과는 Fig. 6에 나타나있다. 밀도의 경우 다공질 경량성질을 가진 바이오차의 첨가로 인해 감소하는 경향이 나타났다. 황토 페이스트 대비 R의 경우 중량 대비 감소량 및 비율이 가장 큰 것으로 도출되었다. 최대 10% 혼합할 경우, 밀도가 60% 감소하였다. C와 B의 경우 각각 최대 18%, 3% 감소하였다. 경량형 건축자재 개발을 목표로 할 경우, R의 경우가 가장 적절한 바이오차로 고려될 수 있으나, 열용량은 밀도에 비례하기 때문에 크게 감소할 수 있다. 가장 흔하게 사용되는 실내 마감재인 석고의 경우 일반적으로 800 kg/m3의 밀도를 가지는 것으로 알려져 있으며, R이 7.5% 이상 혼합된 경우 더 가벼운 자재로서 활용할 수 있다. 콘크리트의 경우 일반적으로 밀도가 2,400 kg/m3인 것으로 알려져 있으며, 황토기반 재료가 콘크리트 기반 재료에 비해 상대적인 경량성을 가지는 것으로 사료된다.

열전도율의 경우 황토 마감재의 열전도율은 0.244 W/mK으로, 일반적으로 알려진 물성정보인 석고보드 0.25-0.4 W/mK의 값 보다 단열 성능이 우수한 것으로 나타났다. 바이오차를 혼합량이 증가함에 따라, 열전도율이 감소하는 경향이 확인되었다. 이는 다공질 성질을 가지는 바이오차의 공극구조가 시편과 혼합되면서 단열 구조를 형성하였기 때문으로 사료된다. R의 경우 최대 51% 열전도율이 감소하였으며, C와 B의 경우 각각 최대 27%, 41% 감소하였다. R과 C의 경우 경량화 특성인 밀도 분석 결과와 유사한 경향을 보였으나, B의 경우 밀도 감소율에 비해 큰 열전도율 감소가 확인되었다. 시차주사열량계를 통해 도출한 비열값과 밀도값을 통해 열용량을 분석하였다. 비열의 경우 바이오차 혼합에 의해 감소하는 것으로 나타났으며, R의 경우에서 최대 9% 감소하였다. 열용량의 경우 R10의 경우에서 상대적으로 크게 감소한 밀도에 의해 64% 감소하였다. B의 경우 최대 6% 감소하여 H의 경우에서 소폭 감소하는 것으로 도출되었다. 열중량 구조체로 활용가능한 콘크리트의 경우, 알려진 값인 2,400 kg/m3의 밀도와 950 J/kgK의 값을 고려하였을 때 2.28 MJ/m2K의 열용량을 가질 수 있는 것으로 판단된다. H시편과 R2.5와 C, B의 모든 케이스에서 콘크리트보다 높은 열용량을 가질 수 있는 것으로 확인되었다. 석고보드의 경우 0.8 MJ/m2K의 열용량을 가질 수 있을 것으로 판단되며, 이는 모든 케이스에서 석고보드보다 낮은 열전도율과 높은 열용량을 가진 건축자재임을 의미한다.

Fig. 6 Thermal performance analysis results according to mixing biochar.
../../Resources/sarek/KJACR.2023.35.5.235/fig6.png

3.2 난연성능 평가 결과

Fig. 7에는 시험 전/후의 시편의 모습이 나타나있다. 색상의 외관상의 변화는 가열로 인해 바인더 내의 황토가 활성화 된 것으로 판단되며, 갈라짐 및 대량의 중량손실은 발생하지 않은 것으로 판단된다.(8) Fig. 8Table 2에는 콘칼로리미터를 활용한 열방출량 시험의 결과가 나타나있다. 총 중량 손실의 경우 H가 2.9 g, R의 경우 26 g, R5, C5, B5의 경우에서 각각 26 g, 11 g, 4 g로 나타났다. 중량 감소율의 경우 H의 경우 0.8%, R5, C5, B5의 케이스에서 각각 10.5%, 3.3%, 1.1%로 도출되었다. B의 경우에서 가장 작은 중량 손실이 발생하였다. 이는 바이오차의 열분해 온도와 고려하였을 때, 왕겨 및 코코넛이 450℃, 800℃에서 분해되어 상대적으로 1,000℃에 열분해된 B에 비해 열분해 및 연소가 일어난 것으로 판단된다. 그러나 착화시간의 경우 모두 착화가 확인되지 않아, 온도에 의한 열분해가 일어난 것으로 판단된다. 총열방출량의 경우, H의 경우에서 1.73 MJ/m2, R5, C5, B5의 경우에서 각각 1.94 MJ/m2, 4.02 MJ/m2, 5.32 MJ/m2으로 나타났다. KS F ISO 5660-1 기준에 의한 준불연재료의 총열방출량 기준은 10분간 가열 후 총 8 MJ/m2 이하로, 모든 케이스에서 준불연재료 이상의 성능을 가진 것으로 도출되었다. 또한 연속으로 10초 이상 200 KW/m2를 초과하지 않아야 하는 기준 역시 만족하는 것으로 나타났다. 최대 열방출율은 B5에서 가장 높았으며, 바이오차 혼합에 의해 모두 증가하는 경향을 보였다. 총열방출량 역시 바이오차 혼합에 따라 높아지는 것으로 도출되었다. 이는 열분해된 식물성분의 다공질 구조체가 황토바인더에 비해 낮은 난연성능을 가지는 한계인 것으로 분석된다. 그러나 착화가 나타나지 않았으며, 낮은 중량 감소율을 보이고, 형태적 변형이 나타나지 않았으며, 열방출율 시험의 결과를 통해 준불연재료 성능 이상의 난연성능이 보장될 수 있다고 판단된다.

Fig. 7 Specimens before and after heat release rate test.
../../Resources/sarek/KJACR.2023.35.5.235/fig7.png
Fig. 8 Heat release rate change according to mixing biochar.
../../Resources/sarek/KJACR.2023.35.5.235/fig8.png
Table 2 Overview of the results of heat release rate test

H

R5

C5

B5

Peak Heat Release Rate (kW/m2)

6.10

8.19

11.39

16.95

Time to Ignition (s)

-

-

-

-

Total Heat Release (MJ/m2)

1.73

1.94

4.02

5.32

Total Smoke Production (m2)

0

0.01

0.63

0.01

Effective Heat of Combustion (MJ/kg)

59793.62

7211.71

35624.22

132017.29

Mass lost (g)

2.90

26.90

11.30

4.03

Mass lost rate (%)

0.8%

10.5%

3.3%

1.1%

4. 결 론

본 연구에서는 친환경재료인 황토와 바이오차를 활용하여 열적성능과 난연성능이 우수한 건축마감재를 개발하고 평가하고자 하였다. 황토바인더의 경우, 바이오차를 혼합하지 않아도 석고보다 우수한 단열성능과 콘크리트보다 높은 축열량을 가질 수 있는 것으로 나타났다. 경량화 성능의 경우 왕겨 바이오차를 활용하는 것이 가장 효과가 우수하였으며, 최대 중량대비 10%를 혼합할 경우 60% 밀도가 감소하였다. 열전도율의 경우 바이오차 혼합에 의해 낮아져, 단열성능이 향상될 수 있는 것으로 나타났다. 열용량의 경우 대나무 바이오차를 혼합한 경우에서 적은 감소를 보였으며, 콘크리트에 비해 대부분의 경우에서 높은 축열량을 가질 수 있는 것으로 도출되었다. 난연성능의 경우 각 바이오차가 5% 혼합되었을 때, 황토바인더에 비해 높은 총열방출량을 나타내었으나, 착화가 감지되지 않았으며, 준불연 이상의 성능을 보일 수 있는 것으로 나타났다. 중량 감소가 최대 10.5%로 나타났으며, 강도를 형성하는 구조에 큰 변화가 발견되지 않았다.

본 연구의 한계는 콘칼로리미터법을 기반으로 하는 열방출량 실험을 통해 불연재료 기준에 부합하는지 판단이 불가능하다는 것이며, 추후 연구를 통해 본 연구를 통해 개발된 재료의 난연 성능을 추가적으로 평가할 예정에 있다. 본 연구를 통해 개발된 마감재가 내, 외장재로서 높은 열적 성능을 가지는 고난연 건축자재로 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

후 기

이 성과는 정부(과학기술정보통신부)의 재원으로 한국연구재단의 지원을 받아 수행된 연구임(No. 2021R1A4A1032306).

References

1 
Huh, Y., Kim, Y., Kim, H., Lee, B., Jin, S., and Kwon, Y., 2021, Study on Combustion Characteristics of Ceiling Materials Using Cone Calorimeter, Journal of Korean Society of Hazard Mitigation, Vol. 21, No. 1, pp. 111-117DOI
2 
Kwark, J.-H., Choi, J.-M., and Ku, J.-H., 2011, A Study on Evaluation Methods for the Fire-retardant Performance of Hanok Components. FIRE SCIENCE AND ENGINEERING, Vol. 25, No. 5, pp 1-7.URL
3 
Choi, J.-M., Oh, D.-S., Kim, H.-D., Choi, K.-S., and You, Y.-C., 2013, A Study on the Carbon Emissions Calculation from Old Buildings Downtown Area, Journal of the Architectural Institute of Korea Planning & Design, Vol. 29, No. 12, pp. 231-238.DOI
4 
Hwang, H.-Z., Kim, J.-G., and Yang, J.-H., 2006, A Study on the Chemical Properties and Strength Development of Regional Hwangto, KIEAE Journal, Vol. 6, No. 2, pp. 11-18.URL
5 
Gupta, S., Kua, H. W., and Koh, H., 2018, Application of Biochar from Food and Wood Waste as Green Admixture for Cement Mortar, Science of The Total Environment, Vol. 619-620, pp. 419-435.DOI
6 
Yang, S., Wi, S., Lee, J., Lee, H., and Kim, S., 2019, Biochar-red Clay Composites for Energy Efficiency as Eco-friendly Building Materials: Thermal and Mechanical Performance, Journal of Hazardous Materials, Vol. 373, pp. 844-855.DOI
7 
Babrauskas, V., 2016, The Cone Calorimeter, SFPE Handbook of Fire Protection Engineering, Springer, Chapter 3-1, pp. 1-37URL
8 
Go, S.-S., Lee, H.-C., Lee, J.-Y., Kim, J.-H., and Chung, C.-W., 2009, Experimental Investigation of Mortars Using Activated Hwangtoh, Construction and Building Materials, Vol. 23, No. 3, pp. 1438-1445.DOI