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1 KICT 친환경발광시멘트 - 콘크리트블록및활용기술개발 Development of Environmental Friendly Cement-Concrete Block and Application Technology

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5 Executive Summary I. Title Development of Environmental Friendly Cement-Concrete Block and Application Technology II. Objectives The purpose of this study is to develop advanced future type of concrete which utilizes transparent plastic types of fiber replacing previously used high price optical fiber and porous type of steel mold to induce its mass production. New type of concrete solved problems of construction and economy can make it easily their application to construction market. III. Necessities Recetly, the demand for new types of concrete which can affect resident emotion are increasing. Furthermore, interdisciplinary convergence research have been emphasizing to all around fields. The state of the art of concrete is start to come from those kinds of atmosphere. Although LitraCon developed by Aron Losonczi in 2001 have been appling to many parts of building and urban environments, the work or recongnition of new type of concrete in Korea was lacking to researchers both university and research laboratory related to government. IV. Contents and Scopes This study contains analysis of current situation of developing of future type of concrete, analysis of mechanism for transfering lights through the concrete, finding of replacement materials for optical fibers and manufacturing system by using TRIZ method. Finally, the application of industrial by-products recycling to substitute the amount of cement are required to develop environmental friendly concrete which affects person s mind. - iii -

6 V. Results and Discussion The results of this study showed that high priced optical fibers were replaced by using transparent plastic fibers or arcylics tube much lower price compared to original ones. The effective manufacturing system was constructed by appling outside multiple porous mold which have different sizes and gaps allowing easy light transfer as well as construction method. The application of blast-furnace slag about 5 to 20% to reduce cement amounts resulted in reduction of carbon dioxide as well as improvement of long-term strength. TRIZ method was found as an effective tool to solve the existing problems creatively. VI. Utilization and Expected effect The development of light emotion friendly concrete is new types of future oriented concrete which can significantly affect living and urban environments. Specifically, it may apply to internal wall, partition, door, and desk as well as sculpture related to religion. - iv -

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16 [ 그림 1.1] 연속적혁신과비연속적혁신 ( 겐리흐알트슐러, 2012)

17 [ 그림 1.2] 국내에서개발된반투명콘크리트 ( 광섬유사용 ) ( 연합뉴스, 2004) [ 그림 1.3] 반투명콘크리트 ( 연합뉴스. 2004) [ 그림 1.4] 다양한제품 ( 연합뉴스. 2004)

18 거주자중심의안정적인실내환경 투과성변화를통한제품종류다양화 고성능확보기술에의한보수보강無 부정적이미지개선에의한부가가치증대 [ 그림 1.5] 연구비전및목표

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20 < 표 1.1> 성과목표및내용 성과목표 국내 외첨단미래형콘크리트개발현황조사및분석 국내 외친환경콘크리트개발현황조사및분석 친환경산업부산물활용기술 친환경발광시멘트 - 콘크리트블록제작기술 시공성및경제성확보기술개발 시제품제작및현장적용 내용 미국, 유럽, 일본의미래지향적콘크리트개발현황분석최첨단광학분야의콘크리트융합가능성검토 미국, 유럽, 일본의친환경콘크리트개발현황분석 친환경산업부산물의적용가능성 ( 고로슬래그 ) 친환경재료의적용으로인한개발기술의건설환경개선효과 건축분야미적축조기술 ( 감성친환경콘크리트제작기술 ) 경량골재및기포적용시공성향상기술대형몰드적용대량생산시스템구축 대형간판제작및현장적용

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22 < 표 2.1> 시멘트-콘크리트이산화탄소발생량 (2012) 항목 콘크리트 시멘트 생산량 135,000,000m3 52,000,000ton CO 2 원단위 400kg/ m3 900kg/ton 발생량 54,000,000ton 46.8,000,000ton

23 < 표 2.2> 미래형콘크리트유형및종류 유형 유해물질차단형 감성친화형 특수기능형 종류 박테리아콘, 바이오콘, 공기정화콘, 에코시멘트, 반곰팡이트콘, 항균콘, 전자차폐용콘크리트 사진식각콘, 빛 ( 온도 ) 반응콘, 식생콘, 문양콘, 칼라콘, 방오콘크리트 축광 발광콘, 저탄소콘, 스마트콘, 반투명콘크리트

24 [ 그림 2.1] 활성탄의표면및세공종류 ( 윤기원외, 2009)

25 [ 그림 2.2] 콘크리트포토에칭기술의예 ( 윤기원외, 2009)

26 [ 그림 2.3] 폐기물자원화공정 ( 한형섭외, 2009)

27 [ 그림 2.4] 빛변화콘크리트 ( 좌 ) 및온도반응콘크리트 ( 우 )( 윤기원외, 2009) [ 그림 2.5] 축광및발광석현장시공사례 ( 윤기원외, 2009)

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29 [ 그림 3.1] 지속가능시멘트 - 콘크리트기술사례 ( 이한승외, 2009)

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31 [ 그림 3.2] 고강도콘크리트의단면적감소효과 ( 이한승외, 2009) < 표 3.1> 고로슬래그성분

32 [ 그림 3.3] 급랭슬래그방법의모식도 ( 고압수적용 ) (Mindess et al, 2003) 석회석철광석코크스 용광로선철 용융고로슬래그 급냉 ( 고로수쇄슬래그제조설비 ) 고로수쇄슬래그 건조 분쇄 ( 롤러밀 ) 분쇄 ( 볼밀 ) 고로슬래그미분말 롤러밀방식 고로슬래그미분말 볼밀방식 [ 그림 3.4] 고로슬래그미분말제조공정 ( 한국콘크리트학회, 2011)

33 [ 그림 3.5] 고로슬래그미분말

34 < 표 3.2> 콘크리트용고로슬래그미분말의품질규격 종 류 고로슬래그미분말 품 질 1종 2종 3종 비 중 (g/cm3) 2.80 이상 2.80 이상 2.80 이상 비표면적 (cm2/g) 8,000~10,000 6,000~8,000 4,000~6,000 재령 7일 95 이상 75 이상 55 이상 활성도지수 재령 28일 105 이상 105 이상 95 이상 재령 91일 105 이상 105 이상 95 이상 플로값비 (%) 95 이상 95 이상 95 이상 산화마그네슘 (MgO) (%) 10.0 이하 10.0 이하 10.0 이하 삼산화황 (SO3) (%) 4.0 이하 4.0 이하 4.0 이하 강열감량 (%) 3.0 이하 3.0 이하 3.0 이하 염화물이온 (%) 0.02 이하 0.02 이하 0.02 이하

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36 [ 그림 3.6] 고로슬래그미분말의콘크리트적용효과

37 < 표 3.3> 고로슬래그미분말의장점및효과 장점분류 상세내용 콘크리트제조시첨가하는시멘트량을대체 (20~50%) 함으로써콘크리트제조원가를절감가능 고로슬래그의잠재수경성으로장기간지속적인강도증가와보통포틀랜드시멘트보다우수한강도를발현 시멘트중에알칼리성분이높으면응결시간조정이어렵고알칼리골재반응을일으켜내부팽창에의한콘크리트균열이발생되는데, 고로슬래그를사용시저알칼리로균열을예방가능 보통포틀랜드시멘트보다수화열발생이적어수화열에의한콘크리트구조물의균열을예방 슬래그의포졸란반응에따른 Ca(OH)2 감소로보통포틀랜드시멘트보다내화학성이높고, 수산화나트륨침적시강도감소율, 팽창율이보통포틀랜드시멘트, 내황산시멘트보다적음 고로슬래그는소성과정이없어제조시사용되는화석에너지사용을크게감소할수있으며, 산업부산물의재활용차원에서도환경친화적 고로슬래그치환율이높을수록세공반경이감소하여보통포틀랜드시멘트보다수밀성이우수 고로슬래그치환시 C3A 량이감소하고, 세공반경감소에따른염화물이온의투과율저하로내해수성이증대 배합시물과즉시반응하지않으며, 시멘트입자의분산성을가짐으로써단위수량감소, 배합후슬럼프로스가적기때문에출하후현장까지운반시슬럼프의변화가적음

38 [ 그림 3.7] 플라이애쉬발생과정 ( 한국콘크리학회, 2011)

39 [ 그림 3.8] 플라이애쉬의형상 (SEM) (Mindess et al, 2003)

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41 주의사항 초기양생 연행공기량감소 응결시간지연 플라이애쉬고결 Ÿ Ÿ Ÿ Ÿ Ÿ Ÿ Ÿ Ÿ < 표 3.4> 플라이애쉬사용시주의사항 상세내용 강도향상, 수밀성향상을충분히가지기위해서는포졸란반응이충분히이루어져야함초기습윤양생이매우중요하며, 또한양생온도도주의할필요가있음 AE콘크리트의경우플라이애쉬중의미연탄소분에의해 AE제등이흡착되어연행공기량이현저히감소목표공기량을얻기위해서는 AE제의사용량을증가필 플라이애쉬콘크리트의응결시간지연정도는플라이애쉬미연탄소함량과산화바나듐성분함량이많을수록현저함바나듐성분은화력발전소에서석탄과중류를혼용할때배출되는플라이애쉬에포함 자체의수경성은없으나공기중의수분과반응및응집되어가압상태에서고결되는현상이있음고결현상을방지하기위해서는플라이애쉬와접하는공기의습도를낮추거나, 플라이애쉬를미리물과배합하여슬러리상태로대량저장하고교반하면서계량하는방법이있음 < 표 3.5> 건축및토목분야플라이애쉬이용기술 이용재료시멘트혼합재시멘트점토제품콘크리트용혼합재콘크리트용골재아스팔트충전재인공경량골재단열흡음재신경화재노반재기와및세라믹제품성토및매립조성 기술현황혼화재로사용되어경제성면에서우월하고최대 30% 대체가능 석탄회로시멘트원료중에하나인점토대체하여자원절약가능 각종콘크리트에공기연행제를조절하여약 20~30% 혼합사용이가능하며 RCC 사용의경우약 30~50% 혼합사용이가능 클링커를콘크리트용잔골재로서사용가능 충전재 ( 석회석분 ) 의대체로써사용가능 석탄회에발포제및점토증의바인더를첨가하고혼련하여소성한것석탄회를부원료 ( 돌로마이트 ) 와혼합하여가열 / 용해하여제조석탄회를석고 / 철강슬래그와혼합, 첨가재를사용하여고열처리한것클링커를도로의노반재로이용기와의경우점토대체한도약 15%, 품질변동고려시약 10% 옥내저정시설필요 해면매립 ( 간척사업 ), 농지조성, 택지조성, 매립이용

42 [ 그림 3.9] 실리카퓸의형상 (SEM) (Mindess et al, 2003) μ μ

43 α μ

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45 < 표 3.6> 각종섬유의물리적특성 (Mindess et al, 2003) 섬유의종류 구 분 직경 (10 mm ) 길이 ( mm ) 밀도 (10 kg / m3 ) 탄성계수 (10 MPa) 인장강도 (MPa) 파괴시변형률 (%) 석면 탄소섬유 유리섬유 크리스타일청석면 pan pitch 계 E-glass Cem-Fil 0.02~ ~1,840 2~3 0.1~20 < ,570 2~3 7~ , , ~10 10~ , , 강섬유 200~600 10~ ~2, 비닐론섬유 ~37 310~710 3~13 폴리프로필렌섬유 100~ ~18 260~710 5~21 아라미드섬유 ~136 70~ ~2.7 나일론 >4 5~ ~ 폴리에틸렌섬유 ~ ~2,960 10~15 폴리에스테르섬유 ~880 11~13 pan 섬유 ~19 350~950 9~11 레이온섬유 ~510 10~20 μ

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47 [ 그림 3.10] 섬유보강콘크리트의파괴거동 (Mindess et al, 2003) Ÿ Ÿ

48 Ÿ Ÿ Ÿ Ÿ β β

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54 [ 그림 4.1] 반투명콘크리트의원리및물리적특성 ( 아론로손치, 2016)

55 < 표 4.1> 기존광섬유적용에대한문제점 문제점 시공성 설명 콘크리트의넓은표면적에광섬유 ( 직경 1mm 이하 ) 를직선으로배열하여시공하는과정에서시간및인력에대한소모가커기존콘크리트제품과비교시시공성이매우나쁨 경제성 직경 1mm : 1,000 원 /m 직경 2mm : 3,000 원 /m 직경 3mm : 5,000 원 /m vs. 아크릴환봉 (4mm : 500 원 /m)

56 [ 그림 4.2] 창의적문제해결기본원리 ( 겐리흐알트슐러, 2011)

57 [ 그림 4.3] 문제해결 Hill Model ( 겐리흐알트슐러, 2011)

58 [ 그림 4.4] 현재의대상과원하는대상모형도 ( 겐리흐알트슐러, 2011)

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61 [ 그림 4.5] 원하는대상과현재의대상과의거리

62 < 표 4.2> ENV 모델에의한문제점해결 Element Name of feature Current(object) Value of feature Desired(product) 투과재질빛투과광섬유 플라스틱섬유, 유리, 석영, 아크릴 야간발광빛발생근원지외부조명축광안료 빛투과 + 야간발광 투명재질및축광성질 - 투명재질파이프 + 축광안료 시공성제작방법연결재외측다공형대형몰드 경제성투명재질배열방법일체형절단형

63 [ 그림 4.6] 비정질강섬유의전자현미경표면상태 ( 앞 / 뒤 ) < 표 4.3> 비정질강섬유특성 Type 비정질강섬유 탄성계수 (MPa) 비중 7.2 두께 (μm) 35 길이 (mm) 10 형상 Linear

64 < 표 4.4> 고로슬래그특성 밀도 (g/cm3) Blaine(cm2/g) 흡수율 (%) Ig. Loss(%) SiO2 Fe2O3 Al2O3 MgO CaO Na2O K2O TiO [ 그림 4.7] 유리봉, 아크릴환봉, PC 파이프, 아크릴파이프 ( 시계방향 )

65 < 표 4.5> 실험에사용된재료의종류및특징 종류 직경 (mm) 가격 ( 원 /m) 투명재질의특징 아크릴환봉 Ÿ 빛에대한투명성우수 아크릴환봉 5 1,000 Ÿ 가격저렴 아크릴파이프아크릴파이프 Ÿ Ÿ 빛에대한투명성우수가격저렴 PC파이프 Ÿ 빛에대한투명성및인테리어효과우수 PC파이프 10 1,100 Ÿ 환봉에비해가격이상대적으로높음 유리봉 유리봉 5 2,000 유리봉 10 4,000 Ÿ Ÿ Ÿ 빛에대한투명성이아크릴보다낮음타설시부러지기쉽고콘크리트블록의무게증가콘크리트강도저하발생억제효과

66 배합명물시멘트 < 표 4.6> 빛투과콘크리트배합설계 (kg/m 3 ) 고로슬래그 잔골재비정질강섬유 투명재질 고성능감수제 LEFC_ 아크릴환봉 (3 mm) 5.5 LEFC_ 아크릴환봉 (5 mm) 5.5 LEFC_ 아크릴파이프 (3 mm) 5.5 LEFC_ 아크릴파이프 (5 mm) 5.5 LEFC_ PC 파이프 (5 mm) 5.5 LEFC_ PC 파이프 (10 mm) 5.5 LEFC_ 유리봉 (3 mm) 5.5 LEFC_ 유리봉 (3 mm) 5.5 LEFC_ 유리봉 (3 mm) 5.5

67 [ 그림 4.8] 발광시멘트 - 콘크리트블록제작프로세스 < 표 4.7> 외측형몰드준비 몰드준비 (3, 5mm) 직경 3mm 5mm 몰드준비 (10mm, 혼합 ) 직경 10mm 3mm, 5mm, 10mm 혼합

68 < 표 4.8> 투명재질삽입및타설 투명재료삽입 배합및타설

69 < 표 4.9> 표면가공전빛의효과 발광재료및효과 유리봉 (3mm) 아크릴봉 (3mm) 아크릴봉 (5mm) 아크릴파이프 (5mm) 유리봉 (10mm) 혼합 ( 유리, 아크릴 ) 아크릴파이프 (10mm) < 표 4.10> 빛투과콘크리트가공전빛의효과 외부물체 ( 인체 ) 에의한발광 ( 투과 ) 콘크리트블록효과

70 < 표 4.11> 빛투과콘크리트블록의가공 대형다이아몬드콘크리트절단기및콘크리트블록 < 표 4.12> 콘크리트가공후빛투과성효과 빛투과전 빛투과후

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72 < 표 4.13> 설계기준강도및단위용적질량 종류 굵은골재 1종 경량골재 2종 경량골재 사용골재 잔골재 모래, 부순모래, 고로슬래그잔골재경량골재나경량골재의일부를모래, 부순모래, 고로슬래그잔골재로대체한것 설계기준강도 (MPa) 기건단위용적질량 (kg/m 3 ) 1,700~2,000 1,400~1,700 [ 그림 4.9] 인공경량골재

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76 [ 그림 4.10] ALC 제조공정 ( 성은 ( 주 ) ALC)

77 물성 규격또는기준 ALC 제품 비고 절건밀도 0.45~ ~0.52 기건밀도 0.5~0.6 구조계산질량 (kg/m3) < 표 4.14> ALC 의특성 줄눈철근, 부착철물, 모르타르포함 압축강도 (MPa) ( 허용응력 ) 장기 : 1.3 단기 : 2 3.8~4.2 기건 인장강도 (MPa) 0.5~0.7 기건 휨강도 (MPa) 1~1.2 기건 전단강도 (MPa) ( 허용응력 ) 장기 : 0.08 단기 : 0.4~0.9 기건 0.12 탄성계수 (GPa) ( 구조계산용 ) 1.75 기건 1/3Fc시 크리프계수 1.1 열전도율 (W/m k) 0.14~0.19 비열 (J/kg K) 0.96~1.17 열팽창률 6.7~ 상온 투과손실 (db) 28~32 5,000 Hz 시, 100 mm 두께 흡음률 (%) 7~13 5,000 Hz 시, 100 mm 두께

78 [ 그림 4.11] 경량기포콘크리트표면 ( 성은 ( 주 ) ALC) [ 그림 4.12] 경량기포콘크리트블록 ( 성은 ( 주 ) ALC)

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81 [ 그림 4.13] 경량기포콘크리트제조공정 ( 성은 ( 주 ) ALC)

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83 [ 그림 4.14] 석탄회인공경량골재형상 ( 조병환외, 2004) < 표 4.15> 인공경량골재특성 골재 단위용적중량 (kg/m 3 ) 비중 공극율 (%) 흡수율 (%) 실적율 (%) 조립율 (%) 석탄회

84 < 표 4.16> 실험에사용된재료의종류및특징 종류 직경 (mm) 가격 ( 원 /m) 아크릴환봉 아크릴환봉 5 1,000 아크릴환봉 10 1,200 아크릴파이프 Ÿ Ÿ Ÿ Ÿ 투명재질의특징빛에대한투명성우수가격이저렴하여향후경제성이우수빛에대한투명성우수가격저렴하고빛의투과효과우수 < 표 4.17> 인공경량골재적용빛투과콘크리트배합설계 (kg/m 3 ) 배합명물시멘트 인공경량골재 잔골재 비정질강섬유 투명재질 LEFC_ 아크릴환봉 (3 mm) 5 LEFC_ 아크릴환봉 (5 mm) 5 LEFC_ 아크릴환봉 (10 mm) 5 LEFC_ 아크릴파이프 (10 mm) 5 고성능감수제

85 [ 그림 4.15] 대형몰드 ( mm) [ 그림 4.16] flow 시험

86 [ 그림 4.17] 실험준비 [ 그림 4.18] 타설완료후시험체

87 [ 그림 4.19] 절단및가공 종류 Active matter(%) < 표 4.18> 기포제의물리 - 화학적성능 Free oil (%) Na2SO4 Klett color (5%AM) PH (Neat, 25 비중 (20 ) AES

88 < 표 4.19> 실험에사용된재료의종류및특징 종류 직경 (mm) 가격 ( 원 /m) 아크릴환봉 아크릴환봉 5 1,000 아크릴환봉 10 1,200 아크릴파이프 Ÿ Ÿ Ÿ Ÿ 투명재질의특징빛에대한투명성우수가격이저렴하여향후경제성이우수빛에대한투명성우수가격저렴하고빛의투과효과우수 배합명물시멘트 Form 고성능감수제 (%) 투명재질총계 W/C (%) LEFC_ 아크릴환봉 (3 mm) LEFC_ 아크릴환봉 (5 mm) LEFC_ 아크릴환봉 (10 mm) LEFC_ 아크릴파이프 (10 mm) < 표 4.20> 경량기포콘크리트배합설계 (L/m 3 )

89 [ 그림 4.20] 대형몰드 ( mm) [ 그림 4.21] 5mm 아크릴환봉및파이프연결

90 [ 그림 4.22] 기포콘크리트배합 [ 그림 4.23] 타설완료후시험체

91 [ 그림 4.24] 시험체수조양생 [ 그림 4.25] 양생후시험체가공

92 [ 그림 4.26] 단위중량시험결과비교

93 < 표 4.21> 경량골재콘크리트압축강도시험 경량골재시험편표면 압축파괴사진 < 표 4.22> 경량기포콘크리트압축강도시험 경량골재시험편표면 압축파괴사진 [ 그림 4.27] 압축강도시험결과비교

94 [ 그림 4.28] 아크릴환봉 3 mm [ 그림 4.29] 아크릴환봉 5 mm

95 [ 그림 4.30] 아크릴환봉 10 mm [ 그림 4.31] 아크릴환봉혼합형

96 [ 그림 4.32] 경량기포시험체 [ 그림 4.33] 아크릴환봉 3 mm

97 [ 그림 4.34] 아크릴환봉 5 mm [ 그림 4.35] 아크릴파이프 10 mm

98 6.4.4 일반콘크리트 vs 경량콘크리트 비교 아래 표는 일반콘크리트와 경량콘크리트를 적용하여 빛의 투과성에 대하여 비교를 하 였다 mm의 시험체를 두께 50mm로 절단하였다. 일반콘크리트와 비교 시 시간, 노동력 및 경비가 크게 감소하였으며, 기포제를 적용한 경우가 가장 우수하였다. 경량의 골재 혹은 기포제를 적용하였을 때 빛의 투과성은 일반콘크리트와 거의 동등한 수준으로 물체가 또렷하게 나타났다. (표 4.23) <표 4.23> 일반콘크리트 vs 경량콘크리트 기술 비교 일반 콘크리 트기술 적용 경량 콘크리 트기술 적용 경량골재적용 84 친환경 발광 시멘트 콘크리트블록 및 활용기술 개발 경량기포적용

99 [ 그림 4.36] Light Emotion Friendly Concrete(LEFC) [ 그림 4.37] 광고효과 (No Boundary)

100 [ 그림 4.38] 축광안료적용 ( 밤 ) [ 그림 4.39] 사무실에서의인터리어효과 [ 그림 4.40] 머그컵의투과효과

101 [ 그림 4.41] 탄소저감형건축재료실증하우스시안

102 [ 그림 4.42] 시험체결합방법 [ 그림 4.43] 간판조명방법

103 [ 그림 4.44] 탄소저감형건설재료실증하우스 간판 [ 그림 4.45] 완료후간판

104 [ 그림 4.46] 빛투과에의한간판효과 [ 그림 4.47] LED 조명 ( 간판뒷면 )

105 [ 그림 4.48] 빛감성친화형콘크리트 (LEFC) 의우수성요약 < 표 4.24> 투명재료의경제성 고가의광섬유 저가의유리및아크릴투명재질 재료 ( 경제성 )

106 < 표 4.25> 제작방식의효율성

107 < 표 4.26> 현실에적용가능한경제적인비용 비경제성 합리적인경제성 실내인테리어재료

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115 1. Report ID KICT Project Classification Internal Research Project 3. Report Date Dec 31, Title Development of Environmental Friendly Cement-Concrete Block and Application Technology 6. Performing Organization Korea Institute of Civil Engineering and Building Technology 8. Performing Organization Address (Daehwa-Dong)283, Goyangdae-Ro, Ilsanseo-Gu, Goyang-Si, Gyeonggi-Do, , Korea 10. Co-performing Organization None 5. Research Period Jan. 1, 2014~Dec. 31, Authors Tae-Hyeob Song, Jin-oh Park, Byoungil Kim, Jun-Mo Yang 9. Sponsoring Agency None 11. Contact No. None 12. Abstracts 13. Keywords Environmental-friendly, Optical fiber, Plastic fiber, Blast-furnace slag, Arcylic, Phosphorescent pigments, Porous mold 14. Supplementary Notes None 15. Security Class 16. No. of Pages 17. Circulation 18. Price Unclassified 116 Pages 15 Copies

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