황토를 이용한 온돌재 개발에 관한 연구(2) 韓忠洙 농학박사 / 충북대학교 농업기계 공학과 교수 崔泰燮 / 한국원적외선협회 전무이사 廉泰龍 / 한국건자재시험연구원 연구원 3. 결과 및 고찰 3-1. 압축강도의 특성 3-1-1. 황토의 배합비와 경과 일수가 압축강도에 미치는 영향 그림1은 황토 배합비가 90(Ⅳ-1), 87(Ⅳ-2), 84(Ⅳ-3), 80%(Ⅳ-4)일 때 무기바인더를 각각 10%, 13%, 16%, 20% 배합한 경우 시편별로 각각 3일, 10일 압축강도 변화에 대한 실험결과를 나타낸 것이다. 그림에 나타냈듯이 황토의 배합비가 감소하고 무기바인더 배합비가 증가할수록 압축강도는 뚜렷하게 증가하는 경향을 나타내었고 경과일수가 긴 것이 강도도 증가하였다. 특히 황토 87%(Ⅳ-2)에 무기바인더 배합비 13%인 경우가 온돌재의 기준강도에 적합한 것으로 나타났다. 3일 후 압축강도에 비하여 10일 후 강도의 증가율은 황토 배합비가 90%인 경우 18.0%, 87%인 경우 25.7%, 84%인 경우 22,4% 80%인 경우 24.8% 증가하였다. 이것은 고화제를 사용하지 않은 황토의 배합비에 따른 강도 증가율보다 9.3~3.1% 높은 것으로 고화제가 강도 증진에 영향을 미친 것으로 판단된다. 따라서 강도 증진을 위해 황토의 배합비를 너무 낮게 할 필요는 없을 것으로 판단된다. 3-1-2. 시공 몰탈의 배합비와 압축강도 시공상에 적합한 황토와 무기바인더의 배합비를 결정하기 위해 경제적이고 효과적인 배합비를 결정할 필요가 있다. 따라서 앞에서 서술한 황토 87%인 배합비를 기준으로 황토 88(V-1), 87(V-2), 86(V-3), 85(V-4)%에 무기바인더의 배합비를 각각 12, 13, 14, 15%로 하여 시공상 몰탈의 적합한 배합비를 검토한 결과는 다음과 같다. 그림 2에 몰탈 조제시 황토 배합비를 88, 87, 86, 85%로 했을 경우 3일, 7일, 28일 경과 후의 압축강도 변화를 나타냈다. 그림에서와 같이 황토의 배합비가 감소하고 무기바인더의 배합비가 증가할수록 경과일수에 따른 몰탈의 압축강도는 증가하는 경향을 나타냈다. 3일 경과 후 압축강도에 비해 7일 후 강도의 증가율은 황토 배합비가 88%인 경우 20.0%, 87%인 경우 17.4%, 86%인 경우 15.7%, 85%인 경우 15.1% 증가하였다. 또한 3일 경과 후 압축강도에 비해 28일 후 강도의 증가율은 황토 배합비가 88%인 경우 24.0%, 87%인 경우 22.4%, 86%인 경우 19.9% 85%인 경우 18.0% 증가하였다. 3일 후 압축강도에 비해 7일과 28일 후 강도의 증가율 차이는 배합비에 따라 약 5%이내였고, 시공에 적합한 강도를 발현하는 황토 배합비는 V-2(87%)나 V-3(86%)로 나타났고, 28일 후 압축 강도는 각각 116,141kgf/㎠이였다. 몰탈 바닥재의 기준 강도에 준하여 시공할 황토와 무기바인더 배합비는 V-2나 V-3가 안전할 것으로 판단되나 안전을 고려하여 28일 강도가 141kgf/㎠인 V-3가 적합한 것으로 판단된다. 3-2. 충격특성 건물이 충격을 받을 경우 균열, 파손 및 박리현상 등으로 인해 손상되는 경우를 흔히 볼 수 있다. 여기서 충격실험한 시공용 몰탈인 V-1, V-2, V-3, V-4 시편에 대해서만 실시하였다. 그 결과 배합비별 몰탈 표면에 균열과 박리현상 등과 같은 손상은 발견되지 않았고, 온돌재로써 내충격성에는 문제가 없을 것으로 판단된다. 3-3. 내균열성 특성 온도와 압력에 대한 균열, 박리 정도를 육안 검사한 결과, 균열이나 박리현상은 발견되지 않았다. 한편 몰탈의 일부에 표면 색상이 약간 변색되었으나, 이것은 몰탈가 고온, 고압하에서 물과 접촉하기 때문에 발생한 것으로 실제 시공상에는 큰 문제가 없을 것으로 판단된다. 3-4. 내마모성 몰탈는 주로 건물내부의 바닥이나 벽면에 사용하는 것으로, 실제 사용할 때 접촉과 마찰에 의해 표면의 스크렛치나 박리 등이 발생될 수 있다. 그림 3에 황토 배합비가 88(V-1), 87(V-2), 86(V-3), 85(V-4)%인 시공용 몰탈에 대하여 각 시편별 마모율을 나타냈다. 초기 무게 80.08~82.12g 정도인 시편에 대한 마모감량은 0.10-0.29g 범위를 나타냈다. 그림에서 보는바와 같이 마모율은 황토 배합비가 88, 87, 86, 85%일 때 각각 0.36, 0.19, 0.16, 0.12%로 황토 배합비가 증가할수록 마모율은 약간 높게 나타났다. 이것은 배합비가 증가하면 무기바인더의 함량이 감소하여 경도가 작아지기 때문으로 판단된다. 따라서 압축강도를 기준으로 시공용 몰탈의 적정 황토 배합비는 87, 86%에 무기바인더를 각각 13, 14% 배합한 것의 마모율이 비교적 낮은 값으로 실제 시공상에 큰 문제가 없을 것으로 생각된다. 3-5. 색도 색도는 시공 후, 소비자에게 신뢰감과 안정감을 줄 뿐 아니라 상품 가치에 큰 영향을 미치는 중요한 인자 중에 하나이다. 여기에서는 황토 원료와 무기바인더 배합비에 따라 시공 몰탈의 색도 변화율을 비교하였다. 그림 4는 황토 배합비에 따라 각 시편별 a값(클수록 적색에 가까움)을 나타낸 것이다. 그림에서와 같이 a값은 황토 배합비가 클수록 커지는 경향을 나타내었다. 원료의 a값은 6.08인데 비해 황토 배합비가 88, 87, 86, 85%인 경우 각각 4.16, 4.65, 3.42, 3.28를 나타냈다. 이와 같이 황토 배합비가 작을수록 a값이 작아지는 것은 회색 계통의 무기바인더의 함량이 증가하여 적색이 엷어지기 때문으로 사료된다. 3-6. 투수 특성 투수율은 몰탈의 불완전한 다짐이나 배합시 물의 양에 의해서 발생하는 연결된 기공의 수나 직경, 굴곡도, 균열의 존재여부, 구조물에 작용하는 수압 등에 의해서 영향을 받는다. 그림 5에 시편의 바깥벽에 0.1kgf/㎠의 수압으로 1시간 가한 황토 배합비별 투수율을 나타냈다. 그림에서와 같이 투구율은 황토 배합비가 낮아질수록 감소하는 경향을 나타냈고 황토 배합비가 88, 87, 86, 85%일 때 각각 0.058, 0.055, 0.035, 0.036%로 황토 배합비가 감소할수록 투수율은 낮게 나타났다. 이것은 황토 배합비가 감소하면 무기바인더의 함량이 증가하여 미세한 무기바인더 분말이 황토 사이의 공극을 채워주고 조직을 치밀하게 하여 기공 발생을 억제하기 때문이라 생각된다. 압축강도를 기준으로 시공용 황토 배합비로 추천된 87, 86%의 경우, 황토 배합비가 87%인 것의 투수율은 배합비가 88%인 것과 비슷하고, 배합비가 86%인 것의 투수율은 배합비가 85%인 것과 비슷하게 나타났기 때문에 실제 시공상에서는 황토 배합비를 86%로 하는 것이 바람직하다고 판단된다. 3-7. 동결융해성 특성 계절이 변화에 따른 기온차이는 건축내, 외장재의 균열이나 박리현상을 동반하고 실제 시편의 조직이 조밀하지 못한 경우는 동결과 융해의 반복에 따라 수축팽창이 발생하여 균열이 나타난다. 시험결과 시편에는 균열, 박리 현상 등은 나타나지 않았다. 이것은 조직이 조밀하여 동결융해에 의한 변형에 잘 견디기 때문이라 판단된다. 3-8. 수축율 그림 6은 경과 시간에 따라 황토 배합비별 수축율을 나타낸 것이다. 그림에서 1일 경과 후 시편의 수축율은 황토 배합비에 관계없이 낮은 변화율을 나타냈고, 3일 경과 후 수축율은 황토 배합비가 감소 할수록 낮아지는 경향을 나타냈다. 1일 경과 후 시편의 수축율은 황토 배합비가 88, 87, 86, 85%일 때 각각 0.26, 0.25, 0.24, 0.23%를 배합비에 따라 거의 차이가 없는 것으로 나타났고, 3일 경과 후 시편의 수축율은 각각 3.24, 2.24, 1.48, 0.28%를 나타냈다. 이와 같이 황토 배합비가 감소에 따라 수축율이 낮아지는 것은 황토의 배합비가 감소하면 무기바인더의 함량 증가로 미세한 무기바인더 분말이 수축과 팽창이 용이한 황토 사이의 공극을 채워주고 조직을 치밀하게 하여 수축이 억제되기 때문이라 판단된다. 따라서 수축율을 고려한 실제 시공시 황토 배합비는 86% 정도가 적합한 것으로 판단된다. 3-9. 흡수율 그림 7은 황토 배합비에 따라 흡수율을 나타낸 것이다. 그림에서 보는 바와 같이 흡수율은 황토 배합비가 감소할수록 낮아지는 경향을 보였고, 황토 배합비가 88, 87, 86, 85%일 때 각각 3.9, 3.5, 2.9, 2.8%를 나타냈다. 이것은 앞절의 투수율에서도 설명한 바와 같이 황토의 배합비 감소로 무기바인더 함량이 증가하여 경도가 커지고, 조직이 치밀하게 되므로 기공 발생이 억제되어 투수가 어려운 조직이 되기 때문이라 생각된다. 압축강도를 기준으로 황토 배합비로 추천된 87, 86%의 경우에 흡수율도 앞절의 투수율과 마찬가지로 황토 배합비가 87%인 것은 88%와, 배합비가 86%인 것은 85%와 같게 나타났다. 따라서 실제 시공상의 황토 배합비는 압축강도와 특성실험 결과 등을 고려할 때 86% 정도로 하는 것이 적절할 것으로 생각된다. 3-10. 길이 변화율 일반적으로 시멘트 몰탈 등은 건조수축에 의한 길이 변화값이 매우 커 균열을 초래하는 경우가 많지만, 황토를 원료로 사용한 몰탈의 경우에도 예외가 아니다. 따라서 원료배합시 수축 보강재가 첨가되는 경우도 있으며 건조 수축값이 작은 것이 요구되고 있다. 그림 8에 경과일수에 따른 배합비별 길이 변화율을 나타냈다. 그림에서 알 수 있듯이 1일 경과 후, 길이의 변화는 매우 미세하기 때문에 무시할 수 있을 정도의 변화를 나타냈으나, 시간이 경과할수록 무기바인더 배합비가 낮을수록 즉, 황토의 배합비가 증가할수록 약간씩 길이가 감소되는 경향이 확인되었다. 이와 같은 원인으로서는 황토 자체가 물과 혼합된 후, 건조시 수축율이 크기 때문이라 판단된다. 그러나 길이 변화값은 극히 미미하여 실제 시공기에는 문제가 없는 것으로 생각된다. 3-11. 항곰팡이 특성 일반으로 곰팡이류는 사방으로 뻗은 실과 같은 균사체를 가지고 있으며, 포자에 의해 증식되며 비교적 저온에서도 성장을 하는 것으로 알려져 있다. 황토 배합비에 따른 곰팡이 혼합균주의 4주 후 항곰팡이 시험결과, 몰탈 시편 자체(20×30×3mm)에서의 곰팡이 서식부위와는 관찰되지 않았고, 시편의 주변에 곰팡이가 서식하는 것으로 보아 시편 주변까지 항곰팡이 능력은 없는 것으로 판단된다. 실제 곰팡이균의 경우, 약산성의 생육조건을 좋아하는 것으로 보도되고 있고 또한 생육속도도 느린 것으로 알려져 있지만, 황토 등의 세라믹은 구성된 원소 자체가 약알카리성이 많고 세라믹스로부터 미량 해리된 항균금속이온 등도 영향을 줄 것으로 추정된다. 따라서 본 연구에 사용한 시편은 진핵 생물인 곰팡이류가 서식하기에는 좋은 조건이 아니므로 시편 자체에서의 곰팡이가 서식하지 못한 것으로 생각된다. 3-12. 탈취 특성 미장몰탈을 건물내부에 시공하여 여러 냄새 등을 제거하는 능력정도를 평가하기 위하여 가스점검관법을 이용하여 암모니아수 탈취 능력 시험을 실시하였다. 그림 9에 경과시간에 따른 배합비별 탈취율 변화를 나타냈다. 그림에 나타났듯이 무기바인더 배합비가 낮을수록 즉, 황토의 함량이 증가할수록 탈취율은 증가되는 것을 알 수 있다. 황토와 무기바인더의 배합비가 각각 88+12%, 87%13%, 86+14%, 85+15%인 경우, 120분 경과후 탈취율을 비교해 보면 각각 73, 65, 59%를 나타내, 황토 배합비에 따라 약 15%의 탈취율 차이를 보였다. 이와 같은 결과는 가스의 압력구배, 삼투효과 등에 의해서 좌우되고 있는 것으로 알려져 있으나 여기에서는 몰탈 원료 중 황토 구조에 형성되어 있는 기공과 밀접한 관계가 있는 것으로 생각되어진다. 또한 앞서 설명한 투수시험 결과에서도 무기바인더 배합비가 낮을수록 즉, 황토의 함량이 증가할수록 투구율이 증가하는 것과 맥락을 같이 한다. 한편 황토와 무기바인더의 배합비가 각각 86+14%, 85+15%인 경우의 탈취율은 거의 차이가 없는 것으로 나타나, 생산 단가와 탈취율을 고려할 경우 무기바인더 배합비를 15%로 하는 것보다는 14%가 바람직하다고 판단된다. 3-13. 열전도율 바닥 난방시 축열층은 바닥온도의 급격한 상승을 방지하고, 난방 종료 후 급격히 온도가 강하하지 않으면서 지속적인 방열 효과가 있어야 한다. 이를 확인하는 방법으로는 보온력 시험 등이 행해지고 있지만 열전도율 계수를 통해 단열 및 축열의 정도를 예측할 수 있을 것으로 사료된다. 길이를 통하여 흐르는 열량(Q)을 말하며 다시 말해 열전도율 계수는 주어진 시편에서 열이 얼마나 빨리 흐르는가를 나타내준다. 표 4에 황토의 배합비와 무기바인더 배합비에 따른 시편의 열전도율을 나타냈다. 표에서 보는 바와 같이 본 실험에 사용된 각 배합비별 시편의 열전도율은 황토의 배합비가 클수록 즉, 무기바인더 배합비가 적을수록 크게 나타났다. 황토 배합비 88%에 무기바인더 12%인 경우, 열전도율은 34℃에서 1.621w/m·k(1.394㎉m·hr·℃)의 값을 나타냈고, 황토 배합비 85%+무기바인더 15%인 경우에는 1,222w/m·k(1.051㎉m·hr·℃)를 나타내, 황토의 함량이 적을수록 열전도율이 낮아지는 경향을 나타냈다. 이것은 앞의 투수시험 결과에서도 설명한 바와 같이 무기바인더 함량 증가에 따라 조직이 치밀하게 되어 기공 분포가 적기 때문이라 생각한다. 일반적으로 시멘트 몰탈의 경우, 시멘트와 모래의 종류 및 배합비에 따라 열전도율이 다르지만, 평균적으로 2.09∼2.61w/m·k(1.8∼2.3㎉m·hr·℃)로 본 연구에 사용한 시편이 전반적으로 열전도율이 낮게 나타났다. 3-14. 적외선 열화상 측정 현재 적외선 열화상 측정장치는 의료용이나 시스템 예방정비, 생산라인의 온도제어 및 측정, 감시용 등에 주로 이용되어 왔으나, 최근 에너지 및 환경, 건축분야로의 응용도 확대되고 있다. 시간경과에 따른 각 배합비별 시편의 온도변화를 그림 10에 나타냈다. 그림에 나타났듯이 황토의 배합비가 클수록 온도의 떨어지는 폭이 작음을 알 수 있다. 초기상태 시편의 중심온도는 38.8∼38.9℃로 큰 편차가 없는 것으로 나타냈다. 한편 37℃로 유지한 항온조의 전원을 끄고, 시간 변화에 따른 온도분포변화를 비교하여 본 결과 초기상태보다 3분 후는 각 사편별로 온도는 0.6℃ 정도 내려갔고, 10분 후 황토의 혼합비가 88%인 것은 11℃, 87%는 1.5℃, 86% 및 85%는 각각 1.9℃, 2.2℃내려갔다. 이 결과는 30분이 경과한 후에도 같은 경향을 나타냈다. 이것은 황토의 배합비가 클수록 시편의 조직 속에 공극수가 많아 축열성이 양호하기 때문이라 생각된다. 이는 앞의 투수시험이나 비중 및 황토가 갖고 있는 다공성과도 밀접한 관계가 있음을 의미한다. 실제 앞의 결과에서 나타난 바와 같이 시간 경과에 따른 축열성은 황토의 함량이 증가될수록 우수한 것으로 확인되었다. 이와 같은 실험결과는 난방시 같은 양의 에너지를 공급할 경우, 열량 및 난방가열시간 단축에 상당한 영향을 미칠 것으로 사료된다. 3-15. 복사 특성 시공용 시편(표 3)에 대한 원적외선 복사특성을 확인하고 다른 특성과 병행하여 최적 조건의 시공용 배합비를 선정하고자 원적외선 복사특성 실험을 행하였다. 원적외선 복사특성 실험결과를 그림 11에 나타냈다. 그림에서와 같이 황토 배합비에 따른 원적외선 복사특성에서는 그다지 큰 차이를 보이지 않고 있으며, 황토 배합비에 따른 원적외선 복사특성에서는 그다지 큰 차이를 보이지 않고 있으며 황토 단미의 특성과 비슷한 양상을 보이고 있는 것이 확인되었다. 결국 원적외선 복사특성은 사용되고 있는 주원료에 영향을 받는 것으로 판단되며 40℃, 5∼20㎛ 파장영역에 있어서 전 복사율은 이상흑체대비 약 0.92를 나타내었다. 배합비에 따른 복사특성에 있어서는 무기바인더와 고화제의 함량이 적을수록 즉, 황토의 함량이 높을수록 복사율은 전파장에 걸쳐 약간씩 상승되는 경향을 나타냈다. 4. 결론 건축재료로서 시멘트 몰탈이 많이 사용되고 있으나 통기성 불량, 결로, 곰팡이 발생, 라돈 등이 배출되고 있는 것으로 알려져 있다. 이와 같은 단점을 해결하기 위해 원적외선 복사 세라믹스와 천연광물의 기능성을 응용하는 건축자재가 개발·시판되고 있으며 시멘트에 천연광물인 황토, 견운모, 맥반석, 등을 모래 대용으로 사용하는 것과 황토나 맥반석 등을 원료로 한 온돌 패널 등이 있다. 그러나 소비자가 신뢰하고 고품질의 기능성을 포함한 제품개발이 절실한 실정이다. 따라서 본 연구에서는 황토를 이용하여 물리·화학적 특성과 기능적인 면에서 우수한 고품질의 황토 온돌재를 개발하는데 목적이 있다. 그림 1. 황토 배합비에 따른 3일과 10일 압축강도 변화 시편의 종류 압축강도(kg/㎠) 그림 2. 시공 모르타르의 배합비열 압축강도 시편의 종류 압축강도(kg/㎠) 그림 3. 시편별 마모율의 변화 시편의 종류 마모량(g) 그림 4. 황토 배합비에 따른 a값의 변화 시편의 종류 a값(적색) 그림 5. 황토배합비에 따른 투수율의 변화 시편의 종류 투수량(g) 그림 6. 경과 시간에 따라 황토 배합비별 수축율 변화 경과시간(일) 수축율(%) 그림 7. 황토 배합비에 따른 흡수율의 변화 시편의 종류 흡수율(%) 그림 8. 경과일수에 따른 배합비별 길이 변화율 그림 9. 경과시간에 다른 배합비별 경과시간(분) 표 4. 배합비별 열전도율 배 합 비(%) 시 편 명 열전도율(w/m·k) 황토88+무기바인더12 V-1 1.621 황토87+무기바인더13 V-2 1.448 황토86+무기바인더14 V-3 1.374 황토85+무기바인더15 V-4 1.222 쪱1w/m·k=0.8598㎉/m·hr·℃ 그림 10. 경과시간에 다른 배합비별 경과시간(분) 그림 11. 배합비에 따른 시편의 원적외선 복사특성(40℃)