KR100807244B1 - 고내화성 무기결합재 조성물 및 이를 이용한 내화보드 - Google Patents

Abstract

본 발명은 초고층 및 지하 콘크리트구조물에서 화재에 의한 고온으로 발생하는 단면손실 및 폭발성 폭렬을 방지하여 구조물 주요 부재의 구조안전성 및 차열성을 향상시킨 고내화성 무기결합재의 부정형 조성물, 이 조성물로부터 제작된 정형 내화보드에 관한 것으로, 본 조성물은 플라이애쉬 5~20 중량%, 메타카올린 5~20 중량%, 잔골재 35~70 중량%, 알칼리자극제 5~15 중량% 및 규산알칼리용액 5~10 중량%를 함유하며, 고강도콘크리트 구조물의 내화성능을 향상시킬 수 있으며 화재초기의 수증기압과 열응력에 의해 발생하는 콘크리트 구조물의 폭렬을 예방할 수 있다.

내화보드, 무기결합재, 조성물, 뿜칠, 폭렬

Description

고내화성 무기결합재 조성물 및 이를 이용한 내화보드{inorganic binder composition having high fire resistance and fire resistant board using it}

도 1은 본 발명의 고내화성 무기결합재 조성물을 뿜칠하는 공정을 설명하기 위한 모식도이다.

도 2는 본 발명의 고내화성 무기결합재 조성물을 이용한 내화보드의 기둥면이나 벽면의 시공 이음방법을 적용한 구조체 단면의 일례를 나타낸 도면이다.

도 3은 스테인레스스틸 이음철물로 본 발명의 내화보드를 부착하는 것을 설명하기 위한 모식도이다.

도 4는 본 발명 내화보드 부착방법의 일 예로 구조물과 본 발명의 내화보드의 사이에 본 발명 조성물을 도포하여 직접 접착하는 것을 설명하기 위한 모식도이다.

도 5는 본 발명 조성물 표면의 미세구조를 보여주는 전자현미경 사진이다.

도 6은 본 발명 조성물의 양생후 온도에 따른 압축강도 변화를 나타낸 그래프이다.

본 발명은 화재시 고강도콘크리트로 시공된 건축물 기둥 등의 폭렬에 의한 단면손실로부터 구조물 보호에 적합한 고내화성 무기결합재의 비정형 조성물과 이 조성물로 되는 정형 경량내화보드에 관한 것이다.

국내에서 건축물의 방화구획을 구성하는 내화구조의 마감재로는 ALC나 석고보드가 주로 이용되며 외국의 경우는 규산칼슘보드가 이용된다. 그러나 ALC나 석고보드는 수분에 매우 약하며, 강도가 낮아 파손이 쉽고 법규에서 요구하는 내화시간을 만족하기 위해서는 단면이 증가하는 등의 문제점이 있으며, 규산칼슘보드의 경우 다양한 형태의 디자인과 용도로의 사용제한과 수입에 따른 생산단가가 높다는 문제점을 가지고 있다.

또한 이러한 제품들은 일반강도콘크리트 벽체 등의 내화구획에 사용되었고 고강도콘크리트가 적용된 경우 3시간의 내화성능을 만족하기에는 적합하지 않다. 고강도콘크리트는 초고층이나 주상복합 건축물의 기둥에 주로 적용되며 조직이 치밀하여 내구성이 우수하고 기둥단면을 줄일 수 있어 효율적인 공간 활용이 가능하다는 장점을 지니나 화재와 같은 고온에는 취약하여 박락, 팝아웃 및 폭렬과 같은 단면손실이 발생하기 쉽다. 특히 고강도콘크리트의 폭렬현상은 화재발생시 갑작스럽게 고온에 노출되어 표층부의 온도가 급격히 상승하는 경우 콘크리트 내부에서 수증기의 발생, 발생된 수증기의 응축과 집중되어 표층부에 수증기압이 형성되거나 압축이나 인장을 받는 부재에서 고온에 의한 부재의 신축이 구속되어 발생하는 열응력에 기인하는데 폭음과 함께 콘크리트의 표면이 비산하여 박락하며 구조내력을 현저하게 저하시킨다. 또한, 폭렬현상이 발생하는 경우 건축법규에 정하는 내화시간을 만족하지 못할 뿐만 아니라 구조안전성에도 심각한 영향을 미치게 된다. 이와 같은 문제에도 불구하고 콘크리트부재의 경우는 당연 내화구조로 인식되어 대비책이 소홀했으며 내화공법이 적용되지 않았다.

본 발명의 주된 목적은 상기와 같은 문제점들을 해결하고 화재와 같은 고온에 의한 고강도콘크리트의 구조안전성 및 내화성능의 확보를 위한 고내화성 무기결합재 조성물을 제공하는데에 있다.

본 발명의 다른 목적은 고내화성 무기결합재 조성물로 되는 내화보드를 제공하는데에 있다.

본 발명의 다른 목적은 본 발명의 무기결합재 조성물 또는 내화보드를 기둥이나 보 등의 부재에 적용하는 방법을 제공하는데에 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명자의 연구에서 필수성분으로 플라이애쉬, 메타카올린, 잔골재, 알칼리자극제, 규산알칼리용액과 선택성분으로 경량잔골재, 수성폴리머디스퍼젼, 유기섬유 등을 이용한 부정형 조성물 및 이 조성물을 이용한 뿜칠시공이나 경량보드를 제조하여 콘크리트구조물에 적용하면, 고강도콘크리트 구조물 및 지하터널 등의 내화성능 확보가 필요한 부재의 화재에 의한 폭렬을 방지하고 내화성능 확보할 수 있다는 사실을 발견하고 본 발명을 완성하게 된 것이다.

그러므로 본 발명에 의하면, 플라이애쉬 5~20 중량%, 메타카올린 5~20 중량%, 잔골재 35~70 중량%, 알칼리자극제 5~15 중량% 및 규산알칼리용액 5~10 중량%를 함유하는 고내화성 무기결합재 조성물이 제공된다.

본 발명의 무기결합재 조성물은 수성폴리머디스퍼젼, 유기섬유, 무수석고, 생석회 및 소석회로 이루어진 군에서 선택되는 1종 또는 2종 이상의 혼합물을 더 함유할 수 있다.

바람직하게 본 발명의 무기결합재 조성물은 상기한 플라이애쉬, 메타카올린, 잔골재, 알칼리자극제 및 규산알칼리용액으로 되는 기본배합물 100중량%에 대해 외할(外割)로 수성폴리머디스퍼젼 5~10중량%, 유기섬유 0.5~2.0중량%, 무수석고 1~3중량%, 생석회 1~3중량%, 소석회 1~3중량%를 더 함유할 수 있다.

이하, 본 발명을 보다 상세하게 설명하기로 한다.

본 발명의 고내화성 무기결합재 조성물에 있어서, 플라이애쉬, 메타카올린 및 잔골재의 함량은 각각 5~20 중량%, 5~20 중량% 및 35~70 중량%가 바람직한데, 그 이유는 다음과 같다.

플라이애쉬는 자체적으로 수화할 수 있는 잠재수경성을 거의 발휘하지 못하지만 플라이애쉬 자극제로 강 알칼리용액 및 규산알칼리용액을 사용하여 응결·경 화시킬 수 있다. 본 조성물중 플라이애쉬의 함량이 5중량% 미만이면 무기결합재 내화보드의 제조시 작업성이 크게 저하되며, 20중량%을 초과하면 알칼리 활성화 반응이 충분히 일어나지 못해 강도를 향상시키는 효과가 낮다.

본 조성물중 메타카올린은 기존에 마이크로필러 역할로서 사용되는 혼화재인 실리카퓸을 혼입한 경우보다 우수한 효과를 가지며 보다 가격이 저렴해 경제적인 혼화재로서, 메타카올린의 함량이 5중량% 미만이면 무기결합재 내화보드의 제조시 작업성이 크게 저하되며, 20중량%를 초과하면 조성물의 표면구조가 치밀해지지 못해 강도를 향상시키는 효과가 낮다.

본 조성물중 잔골재는 무기결합재를 사이를 충전하는 역할로 사용량이 35중량% 미만이면 결합재의 양의 많아지게 되며 70중량%를 초과하면 강도 및 시공성이 저하된다.

본 발명의 조성물에는 잔골재로서 비중 1.5이하, 지름 5mm이하의 경량잔골재, 비중 1.5이상, 지름 5mm이상의 중량잔골재, 또는 이들의 혼합물을 사용할 수 있으며, 중량 잔골재만을 사용하는 경우에는 35~60중량%의 양으로 사용하는 것이 바람직하다. 경량잔골재는 조성물의 밀도를 조절하는데 효과적이며, 특성상 흡수율이 높으므로 배합시 골재의 수분흡수 정도에 따라 시공성이 저하되므로 흡수율이 적은 경량골재가 유리하며, 경량잔골재를 사용함에 따라 조성물의 중량을 줄일 수 있다. 경량잔골재의 경우 시중에서 시판되는 경량잔골재를 사용할 수도 있으며, 유리슬러지를 소성하여 발포한 경량골재를 사용하는 경우 골재 표면이 코팅되어 흡수율이 5%미만으로 아주 작기 때문에 혼합시 수분의 흡수에 따른 작업성이 저하되지 않고 혼입율에 따라 조성물의 밀도를 조절할 수 있다.

본 발명의 조성물에 있어서, 알칼리자극제로는 pH가 12~14이고 농도가 3~12몰 농도(용질의 몰수(mol)/용액의 부피(L))인 수산화칼륨 또는 수산화나트륨 용액이 바람직하고, 규산알칼리 용액으로는 이산화규소 함량이 20~30중량%이며 점도가 15~200cP이상인 규산나트륨, 규산리튬 또는 규산칼륨용액이 바람직하다.

본 조성물에 있어서, 알칼리자극제와 규산나트륨용액의 혼합비는 알칼리자극제 5~15중량%와 규산나트륨용액 5~10 중량%이다. 알칼리자극제의 사용량이 5중량%미만이면 알칼리 활성화 반응에 필요한 OH-의 이온공급이 줄어들어 강도증진 효과가 낮으며 15중량%를 초과하면 백화현상이 발생하는 마감성능이 저하한다. 또한, 규산알칼리용액의 사용량이 5중량% 미만이면 조기강도발현이 어려우며 10중량% 초과하면 무기결합재 내화보드의 제조시 작업성이 크게 저하된다.

또한, 본 발명은 고내화성 무기결합재 조성물에는 물성을 향상시키기 위하여 수성폴리머디스퍼젼, 유기섬유, 무수석고, 생석회, 소석회 등을 더 함유될 수도 있다.

수성폴리머디스퍼젼은 조성물의 점도조절이 가능하며 흐름성이 좋아 작업성을 높이며 경화된 후에는 조성물의 간극사이에 충전하여 내부를 밀실하게 한다. 이에 따라 이산화탄소의 침투로 인한 시험체 및 조성물의 내구성을 좋게 한다. 또한, 화재에 노출되는 경우 충전된 내부에서 용융되어 공극을 형성하여 단면손상과 같은 폭렬의 원인이 되는 수증기압 및 열에 의한 팽창을 완화하여 열응력을 저감하여 고강도콘크리트에서 발생하기 쉬운 폭렬을 방지한다. 상기와 같은 특성은 PP섬유의 화재의 열에 의한 용융과 응력의 완화 매커니즘과 유사하다. 이러한 수성 폴리머 디스퍼젼에 사용될 수 있는 폴리머의 예로는 스틸렌부타디엔러버(이하 SBR), 폴리아크릴산에스테르(이하 PAE), 에칠렌비닐알콜(이하 EVA), 메칠셀룰로우스(이하 MS) 등이 있다. 수성폴리머디스퍼젼의 바람직한 함량은 본 조성물의 기본배합물 100중량%에 대해 외할로 5~10중량%이다.

유기섬유는 화재시 폭렬 방지효과를 향상시키기 위하여 첨가될 수 있는 것으로, 이러한 유기섬유의 예로는 폴리프로필렌(이하 PP)섬유, 폴리비닐알콜(이하 PVA)섬유 등이 있으며, 특히 PP섬유가 바람직하다. 유기섬유의 바람직한 함량은 본 조성물의 기본배합물 100중량%에 대해 외할로 0.5~2.0중량%이다.

또한 무수석고, 생석회 및 소석회의 바람직한 함량은 본 조성물의 기본배합물 100중량%에 대해 외할로 각각 1~3중량%이다.

본 발명에 따르는 고내화성 무기결합재 조성물은 스프레이 뿜칠에 사용하거나, 상기 조성물을 메탈라스 등을 삽입하여 몰딩하고 양생하여 정형의 내화보드를 제조하는데 이용될 수 있다.

앞서 서술한 바와 같이 플라이애쉬가 알칼리자극제와 혼합하여 경화되기 위해서는 알칼리성의 자극 물질을 첨가하여 OH- 이온이 충분한 양으로 공급되어야 한다. 즉, 자극물질이 불규칙적인 3차원 쇄상결합을 파괴하면서 내부에 포위되어 있던 Ca2+, Al3+ 등 수식이온들을 용출시키며 조성물의 초기강도 발현은 주로 pH에 의존하므로 자극제의 첨가에 따른 pH의 강약은 조성물의 물리적·화학적 특징을 결정하는 주요소이다. 이러한 알칼리 활성화 반응은 고온에서 더 잘 일어나며 좀 더 치밀한 입자사이의 결합으로 온도가 높을수록 더 좋은 물리적·화학적 특성을 나타낸다.

알칼리 활성화 반응에 의한 경화는 시멘트의 수화반응과 생성물이 다르며 고 내화성능을 요구하는 고온에서 수화물의 분해가 다르게 나타난다. 시멘트수화물의 경우 C-S-H계 수화물, 에트린자이트, 모노설페이트, 수산화칼슘(Ca(OH)₂)이 생성되어 온도의 상승에 따라 화학적으로 결합된 수분이 탈수한다. 특히, 약 450~550℃의 범위에서 수산화칼슘이 탈수하며 이에 따라 시멘트 경화체는 강도가 저하하게 된다. 하지만 알카리활성화 반응에 의한 경화체의 경우 수산화칼슘을 형성하지 않기 때문에 500℃ 정도의 고온에서도 강도의 저하가 작다.

본 조성물로 제조될 수 있는 고내화성 무기결합재 내화보드는 천연원료를 사용하는 석고보드나 규산칼슘보드와는 달리 산업부산물인 플라이애쉬를 사용하며 고온 소성반응을 거치지 않으므로 경제적인 측면에서도 유리하다. 또한 국내에서는 산업부산물로 다량의 플라이애쉬가 발생되고 있어 천연자원의 대체 및 고부가 가치화를 위한 제품 개발에도 적극 대응할 수 있다. 또한, 규산알루미나질을 주성분으로 하기 때문에 고내화성 무기결합재 내화보드의 제조에 양호한 조건을 갖추었다고 할 수 있다.

상기한 바와 같이, 본 발명에 따르는 조성물과 이를 이용한 내화보드는 우수한 내화성능을 갖는데 이는 플라이애쉬의 알칼리반응이 수화반응이 아닌 세라믹결합을 하고 있어 열적 안정성을 갖고 있기 때문이다.

본 발명의 조성물은 직접 뿜칠하여 콘크리트 구조체에 부착하거나 내화보드를 제작하여 부착시킬 수 있다.

내화보드로 제작하여 부착하는 경우 두가지의 방법으로 구분하며 전자는 내화보드를 스테인레스스틸 이음철물이나 본 발명의 조성물로 구조체에 직접 부착하는 방법이며 후자는 내화보드로 거푸집을 제작하여 콘크리트 타설과 함께 일체화하여 부착하는 방법이다.

도 1에는 본 발명의 조성물로 뿜칠시공하는 방법이 예시된다. 도시되는 뿜칠시공방법은 콘크리트앵커(11)에 의해 이음철물(12)과 간격 1~2cm의 스테인레스스틸 철망(13)을 콘크리트구조체(14) 표층부에 설치한 후 스프레이건(15)으로 본 발명의 무기결합재 조성물(1)을 뿜칠하는 것을 나타낸 것이다.

도 2는 본 발명의 조성물로 되는 내화보드를 벽면에 시공하는 방법을 예시한 것이다. 도시되는 방법은 콘크리트구조체(14)에 앵커(11)를 설치한 후 이음철물(12)을 장착하고 스테인레스스틸 스크류피스 또는 너트(16) 등을 이용하여 내화보드(10)를 본 발명의 조성물로 이음부(17)를 마감한다.

이음철물(12)의 내화성능 저하에서 오는 내화보드의 탈락과 탈락된 부위의 급격한 온도상승에 의한 폭렬을 방지하기 위해 이음철물의 소재로는 통상적으로 사용되는 아연도금 철제보다 스테인레스스틸이 바람직하다.

도 3은 스테인레스스틸 이음철물(12)과 본 발명의 내화보드(10)를 스테인레스스틸 스크류피스 또는 너트(16)로 부착하는 방법을 평면도로 나타낸 것이다.

도 4는 고강도 콘크리트 구조체(14)에 본 발명의 내화보드(10)를 부착하기 위하여 이들 사이에 이음철물(12)과 본 발명의 조성물(1)을 사용한 것을 나타낸 것이다. 본 발명의 시공방법 중 내화보드를 거푸집 형태로 제작하여 콘크리트 타설시 일체화하는 방법은 이음철물이나 별도의 부착이 불필요하며 일체화 시공이 가능한 장점이 있다.

이하 본 발명의 실시 예에 대하여 상세하게 설명하고자 하며, 본 발명의 범위가 이들 실시 예에 한정되는 것은 아니다.

[실시예 1]

알칼리자극제로 수산화칼륨용액을 사용하고 규산알칼리용액은 KS의 3호 규격품인 규산나트륨용액을 선택하여 무기결합재 조성물을 제조하였다. 사용된 수산화칼륨용액은 12몰이고 pH는 14이다.

플라이애쉬 12중량%, 메타카올린 12중량%, 중량잔골재 60중량%을 충분히 혼합되도록 건비빔한 후, 12몰의 수산화칼륨용액 8중량%, 액상규산나트륨 8중량%을 가해 모르타르 믹서로 2분30초 동안 비빔하여 고내화성 무기결합재 조성물을 제조하였다. 제조된 조성물을 도 1에 나타낸 바와 같이 스테인레스스틸철망 및 이음철물이 설치된 콘크리트 표면에 뿜칠한 후 평활하게 마감하였다.

[실시예 2]

수산화칼륨용액을 12중량% 사용하고 액상규산나트륨을 4중량% 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 절차를 반복하였다.

[비교예]

시멘트 26중량%, 중량잔골재 62중량% 및 혼합수 12중량%를 함유하는 조성물을 이용하여 실시예 1과 동일한 방법으로 콘크리트 표면에 뿜칠한 후 평활하게 마감하였다.

상기 실시예 1 및 2와 비교예 1의 시공후 3일과 7일에서 온도 변화에 따른 압축강도(MPa)를 측정하였다, 측정결과는 표 1에 제시된다.

재령(일)	온도(℃)	압축강도(MPa)
		비교예	실시예 1	실시예 2
3	20	19.1	30.2	15.8
	200	32.3	49.3	54.7
	400	25.0	34.2	40.1
	600	16.7	27.4	34.1
	800	6.3	16.4	23.4
7	20	24.9	31.9	21.4
	200	35.3	51.1	55.9
	400	25.2	35.3	45.0
	600	17.6	30.0	36.7
	800	8.4	18.6	23.7
28	20	39.5	47.1	30.1
	200	45.5	52.8	58.9
	400	42.9	41.0	49.8
	600	25.2	33.5	41.1
	800	13.9	21.4	29.4

상기 표 1의 결과로부터 알 수 있는 바와 같이 본 발명의 고내화성 무기결합재의 조성물은 고강도콘크리트 구조물의 내화성능을 향상시킬 수 있으며 화재초기의 수증기압과 열응력에 의해 발생하는 콘크리트 구조물의 폭렬을 예방할 수 있다. 최근에 초고층건축물과 지하구조물의 시공이 빈번해 짐에 따라 화재에 의한 위험도 또한 증가하고 있는데 본 발명의 조성물을 적용함에 따라 화재안전성을 향상 시킬 수 있다. 현재, 화재에 대한 안전성 확보를 위한 무기결합재 내화재료의 조성은 주로 시멘트를 결합재로 하기 때문에 기존의 시멘트결합재 이상의 내화성능을 확보하기는 어렵다. 또한, 내화보드를 이용한 내화공법의 적용시 석고보드나 규산칼슘보드가 주를 이루지만 석고보드나 규산칼슘 보드는 수분에 약하고 쉽게 부서지는 단점을 지니고 있다.

본 발명은 시멘트결합재가 가지는 500℃ 이상의 온도에서의 급격한 강도저하 및 기존 내화보드의 강도 부족에서 오는 파손을 방지할 수 있을 뿐만 아니라 조성물을 정형 또는 부정형으로 사용할 수 있기 때문에 이용성이 우수하다. 또한, 본 발명에 따른 고내화성 무기결합재 내화보드를 적용하여 시공하는 경우 기존의 석고보드에 비해 내화성능이 우수하기 때문에 부재의 피복두께를 줄이거나 시공시의 부착매수를 줄일 수 있어 건축물의 유효단면적 확보가 가능하기 때문에 활용도, 시공 편의성 및 경제성 등에서 우수하다.

상기의 발명은 활용범위가 넓기 때문에 관련 신기술 확보가 가능하고 관련 제품 개발 및 상업화에 따른 국내 제반 기술력을 증대할 수 있으며 국내 고유 기술 개발에 의한 세계적 수준의 선도 기술을 확보할 수 있다.

Claims (6)

1. 플라이애쉬 5~20 중량%, 메타카올린 5~20 중량%, 잔골재 35~70 중량%, 알칼리자극제 5~15 중량% 및 규산알칼리용액 5~10 중량%를 함유하는 것을 특징으로 하는 고내화성 무기결합재 조성물.
2. 제 1 항에 있어서, 수성폴리머디스퍼젼, 유기섬유, 무수석고, 생석회 및 소석회로 이루어진 군에서 선택되는 1종 또는 2종 이상의 혼합물을 더 함유하는 것을 특징으로 하는 고내화성 무기결합재 조성물.
3. 제 2항에 있어서, 플라이애쉬, 메타카올린, 잔골재, 알칼리자극제 및 규산알칼리용액으로 되는 기본배합물 100중량%에 대해 외할로 수성폴리머디스퍼젼 5~10중량%, 유기섬유 0.5~2.0중량%, 무수석고 1~3중량%, 생석회 1~3중량%, 소석회 1~3중량%를 더 함유하는 것을 특징으로 하는 고내화성 무기결합재 조성물.
4. 제 1 항에 있어서, 상기 알칼리자극제가 pH가 12~14이고 농도가 3~12몰 농도(용질의 몰수(mol)/용액의 부피(L))인 수산화칼륨 또는 수산화나트륨 용액인 것을 특징으로 하는 고내화성 무기결합재 조성물.
5. 제 1 항에 있어서, 상기 규산알칼리 용액이 이산화규소 함량이 20~30중량%이며 점도가 15~200cP인 규산나트륨, 규산리튬 또는 규산칼륨용액인 것을 특징으로 하는 고내화성 무기결합재 조성물.
6. 상기 청구항 1 내지 5중 어느 한 항 기재의 조성물을 이용한 내화보드.

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