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.

Fig. 4 Process of preparing specimens for experiment.

2.2 실험 방법

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.

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.

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. 8과 Table 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.

Fig. 8 Heat release rate change according to mixing biochar.