KR100666083B1 - 재생알루미나를 포함하는 내화 라이닝용 모르타르 조성물 - Google Patents

재생알루미나를 포함하는 내화 라이닝용 모르타르 조성물 Download PDF

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삼성물산 주식회사
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Abstract

본 발명은 재생알루미나 나아가 재생FCC촉매를 내화 라이닝용 모르타르의 주요 구성물질로 조성함으로써 단열성 및 내화성 등을 갖게 되어 터널 및 건축의 화재시에 콘크리트의 폭열방지에 따른 구조물의 붕괴예방 효과와 함께 기존 콘크리트 구조물의 손상부위 적용시 기계적 강도 발현으로 보수보강 효과를 발휘하는 재생알루미나를 포함하는 내화 라이닝용 모르타르 조성물에 관한 것이다.
본 발명은 구조체 표면에 일정 두께로 라이닝을 형성하는데 사용되는 내화 라이닝용 모르타르 조성물로서, 내화골재로 건조제, 흡착제, 촉매담체로 사용된 후 폐기되는 폐활성알루미나를 열처리한 재생알루미나를 포함하여 조성되는 내화 라이닝용 모르타르 조성물을 제공한다. 상기 내화 라이닝용 모르타르 조성물은 시멘트 5~50중량%; 재생알루미나 10~80중량%; 단열골재 1~20중량%; 및, 유기섬유 0.01~5중량%;를 포함하여 조성된 고형분에 물이 배합되며, 여기에서 고형분은 증점제, 급결제, 흡열재, 첨가제 등이 추가적으로 포함되어 조성될 수 있다. 특히, 상기 고형분을 시멘트 25~40중량%; 재생알루미나 30~60중량%; 단열골재 3~7중량%; 유기섬유 0.1~2중량%; 증점제 0.1~0.5중량%; 급결제 1~5중량%; 흡열재 0.01~30중량%; 및, 첨가제 0.1~0.5중량;을 포함하여 조성되도록 하는 것이 그 물성면에서 가장 우수한 효과를 발휘한다.
내화, 알루미나, FCC촉매, 모르타르, 라이닝, 터널, 화재

Description

재생알루미나를 포함하는 내화 라이닝용 모르타르 조성물{The mortar composition with recycled alumina for refractory lining}
본 발명은 석유화학 및 화학 공장의 부산물인 폐알루미나를 재생하여 이를 주요 골재로 사용한 터널 및 건축용 내화 라이닝용 모르타르 조성물에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 재생알루미나 나아가 재생FCC촉매를 내화 라이닝용 모르타르의 주요 구성물질로 조성함으로써 단열성 및 내화성 등을 갖게 되어 터널 및 건축의 화재시에 콘크리트의 폭열방지에 따른 구조물의 붕괴예방 효과와 함께 기존 콘크리트 구조물의 손상부위 적용시 기계적 강도 발현으로 보수보강 효과를 발휘하는 재생알루미나를 포함하는 내화 라이닝용 모르타르 조성물에 관한 것이다.
최근 대표적인 토목 구조물인 도로 및 철도터널에서 사상자를 동반한 대규모 화재사고가 세계 각지에서 발생하고 있으며 화재에 따른 경제적, 사회적 손실 또한 무시할 수 없을 만큼 방대해 지고 있는 실정이다.
외부가 노출된 다른 토목 구조물과는 달리 매우 폐쇄된 공간의 터널 내부에 서 화재가 발생할 경우 대형 참사와 터널붕괴로 이어질 가능성이 높으며 최근 터널의 장대화에 따라 이러한 우려는 더욱 현실적으로 나타나고 있다. 특히 숏크리트를 시공한 후 2차라이닝을 하는 NATM터널과 달리 숏크리트 없이 콘크리트 라이닝이 구조체 역할을 하는 쉴드터널, 침매터널, 개착터널 등에서는 화재로 인한 피해가 인명피해 뿐 아니라 고열에 의한 콘크리트 라이닝의 파손으로 인해 터널의 붕괴로 까지 이어질 가능성이 더욱 높으며, 이럴 경우 대형참사 뿐만 아니라 사회 기반인 교통망이 장기간 마비되고 복구를 위해서는 엄청난 공사비가 소요되어 사회적으로 미치는 영향이 매우 크다고 할 수 있다. 따라서 유럽 및 일본 등의 선진국에서는 터널 방재 개념으로 화재 감지 설비, 최소화설비, 배연설비 등의 소방설비에 대한 관심과 함께 터널 콘크리트의 화재 안전성에 대한 터널의 내화성에 대한 관심이 고조되는 상황에 있다.
이러한 문제는 고층건물의 화재에서도 심각하게 대두되고 있는 문제로서 화재가 조기에 진화되지 않으면 건물내의 슬래브나 골조 등의 철골 또는 콘크리트로 된 부분이 고열로 인해 열화되어 건물이 붕괴되거나 심각한 손상을 입어 건물을 철거해야 하는 문제가 발생하게 되는데 기존의 건축용 내화피복재로는 단시간의 화재에 대한 보호는 가능하지만 대형화재시의 고열에 의한 손상을 방지하기에는 부족한 실정이며 최근 이러한 대형화재로부터 건물을 안전하게 보호하기 위한 보다 안전한 방법이 요구되고 있다.
콘크리트의 온도에 대한 영향을 보면 약 250℃전후에서부터 탈수가 시작되 고, 450~500℃에 수산화칼슘이 분해되며 결정수분이 방출되어 수화물이 파괴되기 시작하며, 600~700℃이상에서는 탄산칼슘의 분해, 900℃에서는 시멘트 페이스트의 완전한 탈수가 일어나는 것으로 알려져 있다. 콘크리트가 고열을 받으면 압축강도, 탄성 계수 등의 성질이 저하하는데, 콘크리트의 온도가 높을수록 저하정도는 심하며 심각해지면 붕괴에 이르게 된다.
또한, 콘크리트가 고온에 노출되면 표층이 박리되어 비산하는 폭열현상이 발생하게 되는데, 이러한 폭열현상은 콘크리트 내부의 수분이 고열에 의해 수증기가 되면서 팽창압이 발생함에 따라 콘크리트가 일시에 파괴되어 떨어져 나가는 현상으로 터널 콘크리트 라이닝 또는 건축 콘크리트 구조물의 심각한 손상과 급속한 붕괴를 초래할 수 있다. 특히 인화성 물질로 인한 화재나 대규모 화재의 경우에는 소화에 장시간이 소요되게 되며 그 손상범위가 크기 때문에 엄청난 피해가 예상된다.
이와 같은 대형화재에 대한 내화 대책방법으로서 콘크리트 라이닝 자체를 내화성 재료로 시공하는 방법과 기존의 콘크리트 라이닝 위에 내화단열성을 가진 보호재료를 설치하여 화재시 콘크리트 라이닝을 보호하는 방법이 있으며, 이 중 경제성 및 효과의 측면에서 콘크리트 라이닝 위에 일정 두께의 내화단열 모르타르를 뿜칠 시공하여 보호라이닝을 형성하는 방법이 효율적이어서 최근 유럽, 일본 등지에서 터널방재를 위해 실용화되고 있다.
통상 콘크리트 내화 라이닝의 재료는 시멘트계, 석고계 등의 철골용 내화피복재보다 내열성 및 내화 지속시간이 긴 특수한 조성물이 개발되어 사용되고 있다. 특히 터널화재는 일반 화재와는 달리 유류, 인화물질 등 일반적인 소화장비로는 진화하기 어려운 상황으로 화재발생 후 온도가 급속히 상승하여 보통 1200 ~1300℃까지 상승하게 되며 이런 경우 진화에 1~2시간을 요하게 되므로, 터널용 내화 라이닝재는 보통 1000℃ 이하의 온도에 단시간 내열성을 발휘하는 보통의 건축용 내화 라이닝재보다 훨씬 내화성이 높고 고온에서 장시간 내구성을 발휘할 수 있는 특성이 요구된다.
현재 실용화되어 있는 내화 라이닝 재료들은 결합재로서 시멘트를 사용하고 질석, 경량 단열골재 또는 쉘샌드와 같은 단열 내화성 골재 및 유기 폴리머와 열간에서 가스의 방출을 원활하게 하기 위한 유기섬유 등으로 구성되어 있으며, 이는 물과 혼합하여 뿜칠기 또는 숏크리트 시공장비를 이용하여 콘크리트 라이닝 위에 소정의 두께로 보호라이닝을 형성하는 방법으로 시공되고 있다. 그러나, 종래의 단열 내화성 골재들은 고가이어서 경제성면에서 불합리하다는 단점을 갖고 있다.
한편, 석유화학 및 일반화학 산업의 제품을 생산하는 과정에서 품질의 증진, 개질 등을 위해 건조제, 흡착제, 촉매담체 등의 목적으로 사용하는 활성알루미나는 일정기간 사용하면 기공이 폐쇄되고 흡착능력이 저하되어 주기적으로 세정 및 로스팅 과정을 거쳐 재활용되나 반복사용으로 인해 그 효능이 저하된 것은 폐기처분하게 된다. 이렇게 폐기되는 폐알루미나는 Al2O3 함량이 99%이상이므로 중요한 자원으로서 가치가 있지만 효과적인 활용방안을 찾지 못하여 대부분의 폐알루미나를 폐 기물 처리업체에 위탁 또는 자체적으로 매립처분하고 있다.
또한, 정유회사에서 수소화 탈황, 수소화 분해 및 유동접촉분해 등의 공정에서 사용되는 촉매는 일정기간 사용하면 효능 저하로 폐기처분 된다. 이와 같은 폐촉매는 유류산업의 수요증가와 발달로 인해 그 발생량이 증가하는 추세에 있고, 매립지의 부족과 매립비용 상승으로 인해 매립이 점차로 곤란해지고 있다. 이들 촉매 중 제올라이트를 주성분으로 하는 FCC촉매(Fluid Catalyst Cracking, 유동촉매분해)는 Al2O3와 SiO2가 주성분이다. 사용후 배출된 FCC 폐촉매는 흡착된 유분을 제거하고 고온으로 연소하여 재생처리한 후 다시 공정에 투입하는 리사이클링을 하고 있는데 여러번 사용하면 그 기능이 약화되기 때문에 매 리사이클 단계에서 일정량을 배출하여 폐기하고 새 촉매로 대체하게 된다.
일부에서는 이들 폐자재를 자원으로서 중요성을 인식하여 자원화를 위해 다양한 연구가 진행되고 있고 일부 재활용도 되고 있지만 그 양이 극히 적기 때문에 보다 효과적인 재활용 방안의 연구가 시급한 실정이다.
이에, 본 발명자들은 폐기되는 폐알루미나와 FCC폐촉매의 활용방안을 연구하던 중 내화 라이닝용 모르타르를 위한 주요한 골재로서 사용하는 방안을 개발하게 되었다.
본 발명은 상기한 종래의 문제를 개선하고자 안출된 것으로서, 석유화학 및 화학공장의 부산물인 폐알루미나와 정유공장의 부산물인 FCC폐촉매를 재생하여 내화 라이닝용 모르타르의 주요 구성물질로 조성함으로써 단열성, 내화성을 갖게 되어 터널 및 건축의 화재시에 콘크리트의 폭열방지에 따른 구조물의 붕괴예방 효과를 발휘하고 나아가 일정이상의 기계적 강도를 갖도록 하여 기존 콘크리트 구조물의 손상부위 적용시 기계적 강도 발현으로 보수보강 효과를 발휘하는 내화 라이닝용 모르타르 조성물을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 다른 목적은 대부분 매립 폐기되는 폐알루미나는 물론 FCC폐촉매를 주재료로 사용함으로써 폐자원의 재활용을 통한 경제성 확보효과와 폐기매립으로 인한 환경오염 방지효과를 갖는 내화 라이닝용 모르타르 조성물을 제공하는 것이다.
상기한 목적달성을 위해 본 발명은 구조체 표면에 일정 두께로 라이닝을 형성하는데 사용되는 내화 라이닝용 모르타르 조성물로서, 내화골재로 폐활성알루미나를 열처리한 재생알루미나를 포함하여 조성되는 내화 라이닝용 모르타르 조성물을 제공한다.
상기 내화 라이닝용 모르타르 조성물은 시멘트 5~50중량%; 재생알루미나 10~80중량%; 단열골재 1~20중량%; 및, 유기섬유 0.01~5중량%;를 포함하여 조성된 고형분에 물이 배합되며, 여기에서 고형분은 증점제, 급결제, 흡열재, 첨가제 등이 추가적으로 포함되어 조성될 수 있다. 특히, 상기 고형분을 시멘트 25~40중량%; 재생알루미나 30~60중량%; 단열골재 3~7중량%; 유기섬유 0.1~2중량%; 증점제 0.1~0.5중량%; 급결제 1~5중량%; 흡열재 0.01~30중량%; 및, 첨가제 0.1~0.5중량%;을 포함하여 조성되도록 하는 것이 그 물성면에서 가장 우수한 효과를 발휘한다.
본 발명은 내화골재로 폐자재인 폐활성알루미나를 열처리한 재생알루미나를 채택함으로써 1200℃이상의 영역에서도 내화성능이 우수하고 터널 화재시에 피복층의 결합구조를 안정적으로 유지하면서 콘크리트 구조체의 붕괴 및 보호를 가능케 할 뿐만 아니라, 나아가 기계적 강도가 높게 발현되어 기존 콘크리트 구조물(터널 라이닝 포함)의 손상부위를 보수 보강할 수 있는 보수보강재로서 활용할 수 있도록 하는데 기술적 특징이 있다.
이하, 바람직한 실시예에 따라 본 발명을 상세히 설명한다.
1. 내화 라이닝용 모르타르 조성물
본 발명에 따른 내화 라이닝용 모르타르 조성물은 하기 [표 1]에 나타낸 구성물질과 그 구성물질의 조성범위로서 배합된다.
[표 1] 내화 라이닝용 모르타르 조성물의 배합범위
구분 종 류 함량범위 (중량%) 최적 범위 (중량%)
고형분 결합재 보통포틀랜드시멘트 백색 포틀랜드 시멘트 알루미나 시멘트 슬래그 시멘트 5~50 25~40
내화골재 재생알루미나 10~80 20~60
단열골재 재생촉매 중공구체(마이크로셀) 질석 펄라이트 1~20 3~7
유기섬유 폴리프로필렌 아크릴 레이온 비닐론 폴리에틸렌섬유 0.01~5 0.1~2
증점제 메틸 셀룰로우즈, 폴리비닐 아세테이트 0.01~2 0.1~0.5
기타 첨가제 유동화제 기포제 0.01~2 0.1~0.5
흡열재 석회석, 중탄, 소석회등의 석회류 이수석고, 반수석고등의 석고류 수산화 알미늄 (50이하) (30이하)
급결제 시멘트 광물계 알루미네이트계 실리케이트계 알칼리프리계 0.5~7 1~5
물 고형분에 대하여 20~60중량%
상기 표에서 보는 바와 같이 본 발명에서 고형분은 물을 제외한 다른 구성물질의 혼합을 의미한다. 고형분을 구성하는 구성물질의 함량은 고형분 전체 중량에 대한 중량%로 표시하였다. 물은 고형분에 대하여 20~60중량%가 적당하며, 현장상황에 따라 적절하게 조절하여 선택한다.
(1)재생알루미나
활성알루미나(Activated alumina)는 Porus한 다공질의 구상체로서 비표면적 이 매우 크고 높은 세공용적을 갖고 있어 흡착작용, 촉매작용을 한다. 활성알루미나는 비정질상의 감마 알루미나 및 전이 알루미나 등으로 이루어져 있고, 화학성분상으로는 불순물이 거의 없는 99%이상의 Al2O3이다. 활성알루미나는 석유 화학 및 일반 화학 산업의 제품을 생산하는 과정에서 품질의 증진, 개질 등을 위해 건조제, 흡착제, 촉매담체 등의 목적으로 사용하며 특성은 다음의 표 1과 같다.
[표 1] 활성알루미나의 특성
특 성 측 정 치
성 상 구상, 반달형, 분말.
조 성 Al2O3 99.0 % 이상
비표면적(BET) 200~300㎡/g (일반 Al2O3 1~2 ㎡/g)
loss on ignition 2~5.9 wt%
particle size 0.5~4㎜
이와 같은 물성을 갖는 활성알루미나는 석유화학 및 일반화학 산업의 제품을 생산하는 과정에서 품질의 증진, 개질 등을 위해 건조제, 흡착제, 촉매담체 등의 목적으로 사용되며, 일정기간 사용하고 나면 기공이 폐쇄되고 흡착능력이 저하되어 주기적으로 세정 및 로스팅 과정을 거쳐 재활용되나 반복사용으로 인해 그 효능이 저하된 것은 폐기처분하게 된다.
이렇게 폐기되는 폐알루미나는 다량의 유기물과 재활용을 위한 세정시 함유되는 수분 또는 유기용매가 일부 함유되어 있으나, 고온에서 열처리 할 경우 대부 분을 연소 및 증발시킬 수 있게 되며 그 결과 순도 98%이상의 Al2O3의 형태로 재생할 수 있다. 열처리된 재생알루미나는 여전히 우수한 내화특성 및 고온안정성을 가지고 있고 가볍고 미세기공이 분포되어 우수한 단열특성도 가지고 있기 때문에 내화단열의 용도로서 적합하다. 이에, 본 발명의 주 골재로서 재생알루미나를 적용할 경우 내화 라이닝재로서 우수한 특성을 발휘할 수 있을 뿐 아니라 폐알루미나의 대량소모가 가능하여 폐자원을 효과적으로 활용할 수 있을 것이다.
재생알루미나는 전체 고형분 조성물에 대하여 10~80중량%를 사용하는 것이 효과적이며, 가장 바람직하게는 20~60중량% 정도이다.
(2) 시멘트(결합재)
시멘트는 부착력과 강도증진의 목적으로 사용하는 것으로서, 보통 포틀란트 시멘트, 백색 포틀란트 시멘트, 알루미나시멘트, 조강포틀랜드 시멘트, 초조강 시멘트등의 수경성 시멘트류에서 1종 선정하여 단독으로 사용하거나 2종 이상을 선정하여 혼합하여 사용할 수 있다.
시멘트를 다량 사용할 경우는 내화피복재의 부착력과 강도는 우수해지는 반면 밀도와 열전도율이 높아져서 내열효과가 저하되며, 형성된 수화물의 양이 증가하기 때문에 고열을 받을 경우 생성되는 수증기의 양이 많아져 화재시 폭열의 가능성이 높지는 문제가 있다. 너무 적게 사용할 경우는 폭열의 가능성과 밀도, 열전 도율이 낮아지는 반면에 부착력과 강도가 저하하므로 내화라이닝으로서 충분한 강도를 기대하기 어려워진다. 이러한 점을 감안할 때 시멘트는 전체 고형분 조성물에 대하여 5~50중량%를 사용하는 것이 효과적이며, 가장 바람직하게는 25~40중량% 정도이다.
(3) 단열골재
본 발명의 내화 라이닝 조성을 시공하기 위해서는 물과 혼련한 상태에서 유동성 및 충진성이 우수하여야 하며 이를 위해서는 입형이 거친 바텀애쉬의 골재저항을 감소시킬 수 있는 보조골재가 필요하다. 다만, 보조골재는 단순한 유동성과 충진성을 확보하는 것뿐만 아니라 본 발명의 목적인 내화단열을 위해서 우수한 단열성을 가질 것이 요구된다. 이러한 목적으로 사용될 수 있는 재료로는 소결경량골재나 난석, 화산석, 퍼라이트, 질석 등의 다양한 단열골재가 있다. 이들 경량 또는 단열골재들은 가격이 고가이며 그 자체로도 주골재로 사용할 수 있지만 본 발명은 보다 경제적인 조성물을 목표로 하고 있기 때문에 1~20 중량% 범위에서 사용하는 것이 적당하며, 가장 바람직하게는 3~7중량%정도이다.
여러 가지 보조 단열골재 중 가장 효과가 우수한 것은 인공적으로 무기계 광물질에 기공을 함유케 하여 중공구체로 제조한 마이크로셀로서 부피비중이 0.19~0.30 ㎏/㎤, 진비중이 0.29~0.54 ㎏/㎤ 로 가볍고 단단하기 때문에 피복재료의 강도 저하 없이 경량화가 가능하며 자체 기공으로 인해 열전도율이 낮고 단열성 및 내화성 우수하게 되는 효과가 있다.
한편, 단열골재로는 폐자원의 활용방법으로서 화학공정이나 정유공정에서 흡착 및 개질재로 사용후 폐기되는 FCC폐촉매를 열처리한 재생촉매를 사용할 수도 있다. FCC촉매는 정유회사에서 수소화 탈황, 수소화 분해 및 유동접촉분해 등의 공정에서 사용되며, Al2O3와 SiO2가 주성분이다. 사용후 배출된 FCC 폐촉매는 흡착된 유분을 제거하고 고온으로 연소하여 재생처리한 후 다시 공정에 투입하는 리사이클링을 하고 있는데 여러번 사용하면 그 기능이 약화되기 때문에 매 리사이클 단계에서 일정량을 배출하여 폐기하고 새 촉매로 대체하게 된다.
이렇게 리사이클 단계에서 배출되는 재생처리된 폐촉매는 유기 불순물이나 휘발분을 포함하지 않고 있으며 고온에서도 안정할 뿐만 아니라 제올라이트의 특징인 우수한 표면활성과 큰 결정 공극을 갖고 있으며, 아울러 가볍고 단열성이 우수하므로 본 발명의 내화단열 골재로서 우수한 성능을 발휘할 수 있다.
(4) 유기섬유(폴리프로필렌, 아크릴 섬유)
본 발명의 조성물에 첨가되는 유기섬유는 시공시와 화재시 구별되는 2가지 역할을 담당한다. 시공시에는 조성물을 효과적으로 결합력을 증가시켜 초기탈락이나 균열을 방지하고 경화 후 저온부에서의 강도 증진에 기여하며, 화재시에는 섬유가 170℃전후의 비교적 낮은 온도에서 융해되어 내화피복재 내부에 다수의 공극을 발생시킴으로써 수분의 이동경로를 제공하고 그 결과 내화 라이닝재 자체 및 콘크 리트 표층부의 수증기압이나 열응력이 저감되어 표층 박리 및 폭열을 방지하는 것이 그것이다. 특히, 유기섬유는 화재시 내화피복재의 손상없이 우수한 단열성 및 내화성을 발휘할 뿐 아니라 가열로 발생된 수증기 등의 기체성분을 신속히 배출시켜 콘크리트 및 내화 라이닝 내부의 증기압의 상승을 방지함으로써 콘크리트 구조물이 파괴되는 것을 방지하는 역할을 한다.
유기섬유는 다량 사용할 경우 부피가 커져 재료의 강도저하를 유발할 수 있고, 너무 적을 경우는 화재시 수분의 이동경로가 작아 피복재의 탈락이나 폭열을 유발할 수 있기 때문에 내화라이닝재로서 기능 상실을 할 우려가 있다. 이러한 점을 감안할 때 유기섬유는 0.01~5중량%로 사용하는 것이 적당하며 가장 바람직하게는 0.1~2중량% 정도이며, 그 길이는 20~30㎜의 것을 사용하였을 때가 가장 우수한 효과를 나타낸다. 유리섬유로는 폴리프로필렌, 아크릴 섬유, 레이온, 비닐론, 폴리에틸렌 등을 1종 이상 선택하여 사용한다.
(5) 증점제
증점제는 조성물의 슬러리 상태에서 시공이 용이한 점성을 유지하도록 하며, 시공후 초기 결합력을 부여하여 시공면에서 수화성 결합재의 수화결합이 진행되기 전에 피복층을 안정하게 하여 처짐을 방지하고 일정 두께의 라이닝을 유지하도록 하기 위해 사용한다.
본 발명의 조성물에는 유기 증점제로 메틸 셀룰로즈계, 폴리비닐 아세테이트 등에서 1종이상 사용하며, 그 양으로는 0.01~2중량% 정도이면 경제성 및 그 기능을 고려할 때 적당하며, 가장 바람직하게는 0.1~0.5중량% 정도이다.
(6) 급결제
급결제는 상기 결합재의 응결을 촉진하기 위하여 사용하는 것으로 초기강도를 부여해서 조성물의 처짐 현상을 방지한다. 본 발명의 내화 라이닝용 모르타르 조성물은 터널 라이닝재로 사용하는 경우와 같이 특별히 초가강도를 요하면서 빠른 응결시간을 확보할 필요가 있게 되는데, 급결제는 이를 도와준다. 급결제는 부착성능을 위해서 0.5~7중량% 정도를 사용하는 것이 적당하며, 가장 바람직하게는 1~5중량% 정도이다.
급결제로서는 비정질 C12A7계 또는 CSA계 시멘트 광물계 분말급결제, 알루민산나트륨을 주성분으로 하는 무기염계 분말급결제, 실리케이트 및 알루미네이트를 주재로한 액상 급결제, 알칼리프리계 액상 급결제 등을 사용할 수 있으며, 시공법에 따라 조성물에 혼합한 내첨형태 또는 시공장비에서 별도의 공급장치에 의해 정량적으로 급결제를 혼합하는 외첨형태의 적용이 가능하다. 외첨형태의 사용방법은 급결제 사용량에 따라 응결시간의 조절이 용이한 장점이 있다.
(7) 흡열재
흡열재는 내화피복재에 포함되어 화재시 결정수 또는 탄산가스를 방출시키면서 흡열하여 내부콘크리트 및 피복재의 급격한 온도 상승을 저하시킬 수 있는 화합 물로서 본 발명의 효과를 더 보강하기 위하여 첨가하고 있다.
흡열재로서는 석회석골재, 중탄 및 소석회 등의 석회류, 이수석고, 반수석고 등의 석고류, 수산화 알미늄 등을 사용할 수 있으며, 0.01~50중량%로 가장 바람직하게는 0.01~30중량% 정도이다.
(8) 유동화제 및 기타 첨가제
본 조성물의 시공시 적절히 시공할 수 있도록 슬러리의 유동성 및 연행성, 분사가능한 특성을 가지게 하고, 기포를 형성시켜 내화 단열성을 증가시키기 위해 유동화제 및 기포제를 사용할 수 있다.
이러한 특성을 부여하는 첨가제로는 소디움 폴리 아크릴레이트계, 나프탈렌설폰산계, 멜라민계 등의 유동화제나 소디움 설페이트계의 기포제를 1종이상 사용하고 0.01~2중량% 정도를 사용한다. 가장 바람직하게는 각각의 첨가제를 0.01~0.5중량%정도가 적당하다.
[실시예 1]
표 2의 조성물 원료를 건식 혼합하고, 믹서 바울에 넣은 다음 물을 첨가하여 모르타르 믹서로 약 2분간 혼합하여 슬러리로 만든 다음 각 항목에 맞는 시험을 진행하였고, 시험방법은 표 3과 같다. 시험에 따른 결과는 표 4에 정리하였다.
[표 3] 내화 라이닝재 모르타르 조성물 배합예
비교예 실시예a 실시예b 실시예c 실시예d 실시예e 실시예f
조 성 물 배 합 중 량 (%) Sand (Quarts) 47 - - - - - -
재생알루미나 - 35 35 30 35 40 47
보조단열 골재 질석 - 5 - - - - -
퍼라이트 10 - 5 - - - -
재생촉매 - - - - 5 - -
중공구체 - - - 10 5 5 -
유기 섬유 폴리프로필렌 1 1 - - - 1 1
아크릴 - - 1 - - - -
비닐론 - - - 1 - - -
폴리에틸렌 - - - - 1 - -
결합재 포틀란트시멘트 35 - - 35 30 - 30
알루미나시멘트 - - 35 - - 30 -
슬래그 시멘트 - 35 - - - - -
흡열재 석고 5 11 - - - - -
석회류(중탄) - 11 23 10 22 - 20
수산화알미늄 - - - 11 - 21 -
급결재 시멘트광물계 2 2 1 3 2 3 2
알루미네이트계 - - - - - - -
실리케이트계 - - - - - - -
알칼리프리계 - - - - - - -
증점제 0.3 0.3 0.3 0.1 0.2 0.2 0.4
기타 첨가제 유동화제 0.4 0.5 0.5 0.3 0.4 0.4 0.5
기포제 - 0.2 0.2 - - - -
물비 22 51 49 43 43 45 50
- 물비 : 고형분에 대한 중량비
[표 3] 실험 방법
항 목 방 법
내화시험 Heat resistance (1200℃) 내화시험은 내화라이닝 모르타르의 내화 및 단열성능 평가를 위해 진행하였고, 전기로에 100×100×350㎜로 제작된 시편을 넣고 1200℃까지 온도를 급속히 상승시킨 후 2시간 동안 유지하여 냉각한 후 균열 및 파괴, 폭열 등의 외관 상태를 관찰하였다.
밀도 성형체의 부피 ÷ 질량 = 밀도
강도 조성물의 강도특성을 파악하고자 KS L 5105(수경성 시멘트 모르타르의 압축강도 시험방법)에 준하여 압축강도를 측정하였다.
길이 변화율 KS L 5107(시멘트 오토클레이브 팽창도 시험방법) 및 KS F 2424(모르타르 및 콘크리트의 길이변화시험방법)에 준하여 실험하였다.
Initial set (min) 응결시간(초, 종결) 및 경화시간을 측정하기 위해 KS L 5103(길모아 침에 의한 시멘트의 응결시간 시험방법)에 준하여 측정하였다.
시험결과 표 5에 나타난바와 같이 일반 모르타르의 경우는 1200℃ 내화시험에서 시편이 폭열하여 산산조각이 되는 반면에 재생알루미나, 재생촉매를 사용한 조성에서는 폭열이 전혀 나타나지 않았고, 표면균열이 없이 형태가 유지되어 내열효과를 발휘함을 알 수 있었다.
[표 5] 물성 시험결과
비교예 실시예 a 실시예 b 실시예 c 실시예 d 실시예 e 실시예 f
max particle size(㎜) 4 5 5 3 3 3 3
밀도 슬러리 2.04 1.42 1.44 1.55 1.575 1.57 1.58
28일 1.97 1.30 1.32 1.44 1.45 1.44 1.46
28일강도 (MPa) 곡강도 4.73 2.76 2.86 3.24 3.00 2.91 2.77
압축강도 25.1 13.7 14.0 15.3 14.7 14.2 13.6
Initial set (min:sec) 1:50 2:50 3:40 1:20 1:55 2:30 1:55
길이 변화율 (%) -0.089 -0.164 -0.157 -0.130 -0.129 -0.136 -0.144
Heat resistance (1200℃) 폭열 이상 없음 이상 없음 이상 없음 이상 없음 이상 없음 이상 없음
[실시예 2]
본 발명의 내화 라이닝용 모르타르 조성물은 터널 라이닝재로 사용하는 경우와 같이 빠른 응결시간을 확보할 필요가 있는데, 이에 본 실시예에서는 급결제의 종류와 사용량에 따른 응결시간을 시험을 진행하였으며, 시험결과는 표 6과 같다. 배합은 상기 실시예1의 실시예d를 따르면서 급결제를 표 6과 같이 변수로 하였다.
[표 6] 급결제의 종류 및 사용량에 따른 응결시간
급결제 첨가량(중량%) 응결시간
시멘트광물계 2 1:55
3 1:30
4 1:10
알루미네이트계 2 6:40
4 3:40
6 2:10
실리케이트계 2 8:00
4 4:50
6 3:00
알칼리프리계 2 6:40
4 3:55
6 2:40
상기 표 6에 나타난 바와 같이 타 급결제에 비하여 시멘트 광물계 급결제가 적은 양으로 응결시간의 단축효과가 크다.
다만, 본 발명이 내화 라이닝재로서 구체의 표면에 2~5㎝ 정도의 두께로 시공되고 비중 또한 가벼우며 나아가 증점제의 사용으로 접착력을 확보하기 때문에, 터널 벽체와 같이 장시간 방치되어 흘러내릴 우려가 있는 곳을 제외하고는 응결시간이 지연되더라도 크게 문제되지 않을 것이다. 따라서, 현장상황에 맞게 적정의 응결시간을 결정한 후 이에 해당하는 급결제의 종류와 사용량을 선택하도록 한다.
2. 내화라이닝재의 시공방법
내화라이닝재는 시공방법에 따라 건식 또는 습식방법의 숏크리트와 동일한 방법으로 시공할 수 있으며 다음과 같이 설명할 수 있다.
(1) 건식 시공방법
건조상태의 모르타르 조성물(급결제가 혼합됨)을 압축공기로 이송하여 노즐부에서 물을 첨가하여 혼련과 동시에 분사하여 시공면에 일정 두께의 라이닝을 형성하는 방법이다.
(2) 습식 시공방법
급결제가 혼합되지 않은 모르타르 조성물에 물을 가하여 혼련하고 이를 습식 숏크리트 장비에서 압송하여 노즐부에서 압축공기와 함께 액상급결제를 혼합하여 분사하여 시공하거나 분말급결제 공급장치 및 시공시스템을 사용하여 분말급결제를 혼합하여 분사하는 시공방법으로서 대량시공에 적합하다.
이상과 같은 본 발명에 따르면, 석유화학 및 화학공장의 부산물인 폐활성알루미나와 정유공장의 부산물인 FCC폐촉매를 재생하여 내화 라이닝용 모르타르의 주요 구성물질로 조성함으로써 단열성, 내화성을 갖게 되어 터널 및 건축의 화재시에 콘크리트의 폭열방지에 따른 구조물의 붕괴예방 효과를 발휘하고 나아가 일정이상의 기계적 강도를 갖도록 하여 기존 콘크리트 구조물의 손상부위 적용시 기계적 강도 발현으로 보수보강 효과를 발휘할 수 있게 된다. 또한, 본 발명은 대부분 매립 폐기되는 폐활성알루미나를 열처리한 재생알루미나를 주재료로 사용하여 완성하고 있는 바 폐자원의 재활용을 통한 경제성 확보효과와 폐기매립으로 인한 환경오염 방지효과를 갖게 된다.

Claims (12)

  1. 구조체 표면에 일정 두께로 라이닝을 형성하는데 사용되는 내화 라이닝용 모르타르 조성물로서,
    내화골재로 건조제, 흡착제, 촉매담체로 사용된 후 폐기되는 폐활성알루미나를 열처리한 재생알루미나를 포함하여 조성되는 것을 특징으로 하는 내화 라이닝용 모르타르 조성물.
  2. 제1항에서,
    상기 내화 라이닝용 모르타르 조성물은
    시멘트 5~50중량%; 재생알루미나 10~80중량%; 단열골재 1~20중량%; 및, 유기섬유 0.01~5중량%;를 포함하여 조성된 고형분에 물이 배합되는 것을 특징으로 내화 라이닝용 모르타르 조성물.
  3. 제2항에서,
    상기 시멘트는 보통포틀란트시멘트, 백색포틀란트시멘트, 알루미나시멘트, 조강포틀랜드시멘트 또는 초조강 시멘트에서 1종 단독으로 선택되거나 2종 이상 선택하여 혼합되는 것을 특징으로 하는 내화 라이닝용 모르타르 조성물.
  4. 제3항에서,
    상기 단열골재는 FCC폐촉매를 열처리한 재생촉매인 것을 특징으로 하는 내화 라이닝용 모르타르 조성물.
  5. 제4항에서,
    상기 고형분은 증점제 0.01~2중량%를 더 포함하여 조성되는 것을 특징으로 하는 내화 라이닝용 모르타르 조성물.
  6. 제4항에서,
    상기 증점제는 메틸 셀룰로즈계 또는 폴리비닐 아세테이트 중 1종 이상 선택되는 것을 특징으로 하는 내화 라이닝용 모르타르 조성물.
  7. 제2항 내지 제6항 중 어느 한 항에서,
    상기 고형분은 급결제 0.5~7중량%를 더 포함하여 조성되는 것을 특징으로 하는 내화 라이닝용 모르타르 조성물.
  8. 제7항에서,
    상기 급결제는 시멘트 광물계 분말급결제, 알루민산나트륨을 주성분으로 하는 무기염계 분말급결제, 실리케이트계 액상급결제, 알루미네이트계 액상급결제, 또는 알칼리프리계 액상급결제 중 어느 하나 선택되는 것을 특징으로 하는 내화 라이닝용 모르타르 조성물.
  9. 제7항에서,
    상기 고형분은 흡열재 0.01~50중량%를 더 포함하여 조성되는 것을 특징으로 하는 내화 라이닝용 모르타르 조성물.
  10. 제9항에서,
    상기 흡열재는 석회류, 석고류 또는 수산화 알미늄 중 어느 하나 선택되는 것을 특징으로 하는 내화 라이닝용 모르타르 조성물.
  11. 제9항에서,
    상기 고형분은 첨가제 0.01~2중량%를 더 포함하여 조성되되, 상기 첨가제는 유동화제 또는 기포제 중 1종 이상 선택되는 것을 특징으로 하는 내화 라이닝용 모르타르 조성물.
  12. 제11항에서,
    상기 고형분은 시멘트 25~40중량%; 내화골재 30~60중량%; 단열골재 3~7중량%; 유기섬유 0.1~2중량%; 증점제 0.1~0.5중량%; 급결제 1~5중량%; 흡열재 0.01~30중량%; 및, 첨가제 0.1~0.5중량%;를 포함하여 조성되는 것을 특징으로 하는 내화 라이닝용 모르타르 조성물.
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