KR100704056B1 - 콘크리트용 내화 보드 조성물 - Google Patents

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양완희
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Abstract

콘크리트용 내화 보드에 주로 사용되고, 내화성이 우수한 내화보드 조성물이 제공된다.
이 조성물은 중량%로, 알루미노 실리케이트계 무기물: 15~35%, 알칼리 실리케이트계 경화제: 10~30%, 내화단열 골재 25~50%, 섬유: 0.01~5%, 기능성 첨가제: 0.1~5%를 포함하고, 알루미노 실리케이트 무기 폴리머 구조를 갖는다.
본 발명에 따르면, 내화성과 동시에 기계적 특성이 우수하므로 콘크리트용 내화보드에 적용할 수 있다.
콘크리트, 내화보드, 알루미노 실리케이트 무기 폴리머 구조, 내화성, 휨파괴하중

Description

콘크리트용 내화 보드 조성물{Composition of fire-resistant board for concrete}
도 1은 본 발명에 따른 콘크리트용 내화 보드 조성물로 제조된 시편의 내화성을 측정하기 위한 장치를 나타낸다.
도 2는 도 1의 결과를 나타내는 그래프이다.
한국특허 출원번호 제2001-0077447호
한국특허 출원번호 제2002-7010363호
한국특허 출원번호 제2003-0101195호
한국특허 출원번호 제2000-0009902호
본 발명은 콘크리트용 내화 보드 조성물에 관한 것이다. 보다 상세하게는 알루미노 실리케이트계 무기물과 알칼리 실리케이트 경화제 등을 혼합하여 알루미노 실리케이트 무기 폴리머 구조를 형성함에 의해 내화성 및 기계적 특성이 우수한 콘크리트용 내화 보드 조성물에 관한 것이다.
최근의 건축물은 고층화, 대형화되어짐에 따라 고강도, 고유동의 특성을 갖는 고성능 콘크리트의 사용이 증가하고 있다. 예컨대, 고강도 콘크리트는 고층 혹은 대형 건축물의 하부층 기둥, 보 등에 구조재로서 매우 중요한 부분에 사용되고 있다.
이러한 고강도 콘크리트의 구조체는 내부조직이 수화물에 의해 치밀하게 형성되어 있어 화재 발생시 고열을 받게 되면 수화물의 열분해에 의한 내부 수증기압의 상승으로 심한 폭음과 함께 콘크리트의 표면이 박리, 탈락하는 폭열 현상이 발생한다. 또한, 철근을 노출시켜 구조체의 내력 저하를 초래하게 되므로 궁극적으로는 건물이 붕괴 되는 현상이 발생한다.
이러한 콘크리트의 폭열 현상은 콘크리트가 고열을 받는 즉시 대부분 30분 이내에 발생하며, 이 경우 콘크리트 구조물 내부의 사용자가 피난할 수 있는 충분한 시간을 확보하지 못할 수도 있으므로 더욱 심각한 문제로 대두 되고 있다.
이러한 문제를 해결하기 위한 방법으로서, 한국특허 출원번호 제2001- 0077447호, 제2002-0100363호에서는 내열성이 약한 합성섬유를 콘크리트 제조시 일정량 혼입하는 방안을 제시하고 있다. 콘크리트 내부에 혼입된 합성섬유는 화재시 고열로 인하여 먼저 녹게 되고, 녹은 자리가 내부 수증기압을 외부로 방출시키는 통로 역할을 하여 구조물의 폭열 현상을 예방하는 것이다.
그러나 이러한 방법은 이미 완공된 건축물에는 적용할 수 없는 문제점이 있으며, 이미 화재에 노출된 콘크리트 자체의 강도 저하를 막는 데에는 전혀 효과가 없는 단점이 있다.
또 다른 방안으로서, 한국특허 출원번호 제2003-0101195호, 제2000-0009902호에서는 질석, 퍼라이트 등의 단열 골재를 이용하여 건축물에 적용하는 방안을 제시하고 있다. 그러나, 이러한 방법은 구조재의 온도 상승을 막는 데는 효과가 있으나 바인더로서 시멘트, 석고 등을 사용하므로 그 수화물은 고온에서 파괴되어 자체 강도 확보가 어려운 문제점을 가지고 있다.
이러한 수화물들의 분해온도를 살펴보면, 석고의 수화물인 이수석고의 경우에는 100~200℃, 시멘트의 수화물인 에트린자이트나 C-S-H겔은 100~200℃, 수산화칼슘은 400~600℃이고 상기의 온도 범위에서 열분해하여 경화체로서의 특성을 잃어버리게 되므로 화염에 대하여 견디는 성능은 일부 갖고 있으나, 내부의 수증기압을 견딜 정도의 강도를 확보하지 못하여, 폭열 현상을 막지 못하는 문제를 가지고 있는 것이다.
또한, 폭열을 방지하기 위한 또 다른 방법으로서, 본 출원인이 2006.04.28일자로 출원한 출원번호 제2006-0038698호“콘크리트용 내화피복재 조성물 및 그 조성물로 성형되는 콘크리트용 내화 피복재”에서는 피복용 조성물을 제시하고 있다.
그러나, 피복재 형태의 제품은 현장에서 혼합하여 미장이나 뿜칠(spray) 등의 방법으로 시공하여야 하므로, 재료의 균질한 혼합 및 일정한 두께의 시공, 양생 관리 등이 번거로우며, 이러한 시공관리 상태에 따라 시공된 제품의 품질이 변동되는 문제를 가지고 있다.
또한, 미장이나 뿜칠 등의 방법으로 시공하기 위해서는 현장 작업성을 확보하기 위하여 결합재가 경화하기 위해 요구 되어지는 경화제 양보다 많은 경화제 양이 첨가되어야 하므로 경제적인 손실을 가져오는 문제점이 있다.
본 발명은 상기한 종래의 문제점을 개선하기 위한 것으로, 알루미노 실리케이트계 무기물과 알칼리 실리케이트 경화제 등을 혼합하여 알루미노 실리케이트 무기 폴리머 구조를 형성함으로써 내화성 및 기계적 특성이 우수한 콘크리트용 내화 보드 조성물을 제공하는데 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 중량%로, 알루미노 실리케이트계 무기물: 15~35%, 알칼리 실리케이트계 경화제: 10~30%, 내화단열 골재 25~50%, 섬유: 0.01~5%, 기능성 첨가제: 0.1~5%를 포함하고, 알루미노 실리케이트 무기 폴리머 구조를 갖는 콘크리트용 내화 보드 조성물에 관한 것이다.
이하, 본 발명을 상세히 설명한다.
본 발명자는 고성능 콘크리트에 시멘트, 석고 및 물 등이 첨가되어 형성된 수화물에 의해 화재시 폭열 현상이 발생하는 문제점을 개선하기 위한 방안을 모색하던 중 시멘트, 석고 등의 수경성 결합재의 첨가를 배제하는 대신 알루미노 실리케이트계 무기물과 알칼리 실리케이트 경화제 등을 혼합하여 형성된 알루미노 실리케이트 무기 폴리머 구조에 의해 내화성이 개선되어 화재시 고성능 콘크리트의 폭열을 방지할 수 있다는 연구결과에 기초하여 본 발명을 완성한 것이다.
또한, 본 발명의 조성물은 보드로 제조될 수 있다. 이러한 보드형태로 제조하기 위한 방법으로는, 가압성형, 가열 가압성형 또는 압출성형 등이 있다.
먼저 본 발명의 조성성분에 대하여 보다 구체적으로 설명한다.
알루미노 실리케이트계 무기물: 15~35%
상기 알루미노 실리케이트계 무기물은 산화알루미늄(Al2O3)과 이산화규소 (SiO2)를 주성분으로 하는 무기물로서, 본 발명에서 목표로 하는 알루미노 실리케이트 무기 폴리머 구조를 형성하기 위하여 첨가한다. 그 함량을 15% 미만 첨가하면 보드 성형체의 형태를 유지하기 위한 강도를 확보하기 어려우며, 35%를 초과하여 첨가하면 단중이 1.4 이상으로 증가하여 내화성이 열화될 수 있다. 따라서, 상기 알루미노 실리케이트계 무기물의 함량은 15~35%로 제한하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 알루미노 실리케이트계 무기물은 고로슬래그 미분말, 플라이애쉬 (fly ash), 메타카올린, 실리카흄, 카올린계 광물, 칼슘실리케이트 광물 및 칼슘알루미네이트 광물 중 어느 하나 이상일 수 있다.
또한, 상기 알루미노 실리케이트계 무기물에서 알루미나와 실리카의 몰비는 1 : 2~5가 바람직하다.
알칼리 실리케이트계 경화제: 10~30%
상기 알칼리 실리케이트계 경화제는 본 발명에서 목표로 하는 알루미노 실리케이트 무기 폴리머 구조를 형성하기 위하여 첨가한다. 그 함량을 10% 미만 첨가하면 알루미노 실리케이트계 무기물과 충분히 반응하지 못하여 강도를 확보하기 어려우며, 30%를 초과하는 경우에는 알루미노 실리케이트계 무기물과 반응하기 위한 알칼리 실리케이트계 경화제량을 초과하게 되어 보드 성형시 잉여량이 배어나올 수 있다. 따라서, 상기 알칼리 실리케이트계 경화제의 함량은 10~30%로 제한하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 알칼리 실리케이트계 경화제는 소듐실리케이트, 포타슘실리케이트, 리튬실리케이트, 나트륨계 탄산염, 칼륨계 탄산염, 리튬계 탄산염, 소듐하이드록사이드, 포타슘하이드록사이드, 리튬하이드록사이드 및 규불화염 중 어느 하나 이상일 수 있다.
또한, 상기 알칼리 실리케이트계 경화제는 실리카, 포타슘, 소듐이 1 : 0.1~1.5 : 0.1~2.5의 몰비로 된 조성물의 수용액이고, 비중이 1.1 ~ 1.8, 점도가 1~200cps을 갖는 것이 바람직하다.
내화단열 골재 25~50%
상기 내화단열 골재의 함량이 25% 미만이면 단중이 1.4 이상으로 증가하여 내화성이 열화될 수 있으며, 50%를 초과하는 경우에는 보드 성형체의 형태를 유지하기 위한 강도를 확보하기 어려울 수 있다. 따라서, 상기 내화단열 골재의 함량은 25~50%로 제한하는 것이 바람직하다. 본 발명에서 내화보드 조성물은 전체가 100%가 되도록 내화단열 골재의 함량이 적절히 선택될 수 있다.
또한, 상기 내화단열 골재는 퍼라이트, 질석 및 중공유리 중 어느 하나 이상인 단열골재와 황토, 견운모, 유리분말 및 알루미나 분말 중 어느 하나 이상인 내화골재일 수 있다.
섬유: 0.01~5%
상기 섬유는 본 발명에서 보드 형태로 성형시 구조적으로 안정하게 하는 역할을 한다. 그 함량이 0.01% 미만인 경우 섬유가 균일하게 위치하지 못하여 보드의 휨파괴하중의 향상을 확보하기 어려우며, 5%를 초과하는 경우에는 섬유의 뭉침 현상이 발생하여 성형체에서 섬유의 뭉친부분이 탈락할 수 있다. 따라서, 상기 섬유 의 함량은 0.01~5%로 제한하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 섬유는 펄프, 폴리프로필렌섬유, 폴리에틸렌섬유 및 나일론 섬유 중 어느 하나 이상일 수 있다.
기능성 첨가제: 0.1~5%
상기 기능성 첨가제의 함량이 0.1% 미만인 경우 보드 성형체를 제조하기 위한 조성물의 적정 작업성을 갖지 못하며, 5%를 초과하면 조성물의 유동성이 과도하게 증가되어 작업성이 떨어지는 문제를 일으킬 수 있다. 따라서, 상기 기능성 첨가제의 함량은 0.1~5%로 제한하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 기능성 첨가제는 기포제, 분산제 및 증점제 중 어느 하나 이상일 수 있다.
상기 기포제는 알루미노 실리케이트계 무기물과 알칼리 실리케이트계 경화제의 반응 중 기포를 발생시켜 작업 유동성을 확보하게 하고 내화성을 향상시키는 역할을 한다. 또한 상기 분산제는 단중이 서로 다른 조성물 간의 분산 및 혼합을 위하여 재료들을 분산시키는 역할을 한다. 또한 상기 증점제는 보드 성형체를 제조하기 위한 조성물의 적정 작업성을 확보하기 위하여 점도를 증가시키는 역할을 한다. 본 발명에서는 통상적으로 상기와 같이 기포제, 분산제 및 증점제의 작용을 하는 성분을 사용할 수 있다.
이하, 알루미노 실리케이트 무기 폴리머 구조에 대하여 설명한다.
본 발명에서 목표로 하는 내화성을 확보하기 위해서는 알루미노 실리케이트 무기 폴리머 구조를 형성하는 것이 중요하다. 상기 구조는 알루미노 실리케이트계 무기물이 함유된 분말을 강알칼리 조건에서 혼합하여 형성될 수 있다.
또한, 본 발명은 상기 조성물을 보드로 제조할 수 있다.
이러한 보드 형태로 제조하기 위한 방법으로는, 가압성형, 가열 가압성형 또는 압출성형 등이 있다. 따라서, 본 발명의 조성물은 이미 완공된 건축물에 적용가능할 뿐만 아니라, 미장이나 뿜칠 등의 시공방법에 비하여 재료의 균질한 혼합 및 일정한 두께의 시공이 가능하고 양생시간이 불필요하며 피복용 조성물보다 적은 경화제 양으로도 성형이 가능한 이점이 있다.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.
[실시예]
하기 표 1과 같이 조성되는 발명예(1~3) 및 비교예(1,2)를 너비 200 × 200㎜, 두께 40㎜의 시멘트 판에 두께가 25㎜가 되도록 압축 성형으로 보드화하여 부착한 시편을 제작하였다. 여기서, 알루미노 실리케이트계 무기물은 알루미나와 실리카를 1.0 : 2.6의 몰비로 혼합하여 제조하였고, 알카리 실리케이트계 경화재는 실리카, 포타슘, 소듐을 1.0 : 0.7 : 0.8의 몰비로 혼합하여 비중 1.34, 점도 1.8로 제조하였다.
도 1은 콘크리트용 내화 보드 조성물로 제조된 시편의 내화성을 측정하기 위한 장치로서, 상기 시편들을 도 1의 장치에서 내화물로 단열하여 표면온도가 1100~1200℃가 되도록 직화를 가하였다. 3시간 후 각 시편들의 최종 이면온도를 측정하였으며, 그 결과는 도 2 및 하기 표 2와 같다.
또한, 상기 시편들의 기계적 특성을 실험하기 위하여, 겉보기 비중(시편의 질량/시편의 부피)과 휨파괴하중을 측정하였으며, 그 결과는 하기 표 2와 같다.
재료 발명예1 발명예2 발명예3 비교예1 비교예2
시멘트 - - - 40 20
석고 - - - - 20
알루미노 실리케이트계 무기물 23 28 33 - -
알칼리 실리케이트계경화제 30 25 20 - -
물 - - - 13 13
내화단열골재 45 45 45 45 45
펄프 0.5 0.5 0.5
기능성첨가제 1.5 1.5 1.5 - -
계 100 100 100 100 100
물성 발명예1 발명예2 발명예3 비교예1 비교예2
최종이면온도(℃) G1:354 G2:348 G3:305 OPC:536 OG:485
휨파괴하중(㎏f) 23 24 28 11 15
겉보기 비중 1.1 1.1 1.1 1.4 1.6
가열 후 외관 양호 양호 양호 균열 파괴 균열 파괴
상기 표 1 및 표 2에서 나타난 바와 같이 본 발명의 발명예(1~3)인 경우, 최종이면온도 305~354℃, 휨파괴하중 23~28kgf 및 겉보기 비중 1.1로서 내화성 뿐만 아니라 기계적 특성이 우수하고 가열 후 외관도 양호한 콘크리트용 내화 보드를 제조할 수 있었다.
그러나, 시멘트 또는 석고, 물 및 내화단열 골재로 조성된 비교예(1,2)의 경우 최종이면온도 485℃ 및 536℃, 휨파괴하중 11~15kgf 및 겉보기 비중 1.4~1.6으로서 본 발명에서 목표로 하는 내화성 및 기계적 특성을 확보할 수 없었다. 또한, 가열 후 균열 파괴되는 문제점이 있었다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 적절한 성분의 첨가 및 제어에 의한 알루미노 실리케이트 무기 폴리머 구조의 형성을 통하여 내화성을 개선함과 동시에 기계적 특성을 확보할 수 있으므로 이런 특성이 요구되는 용도, 특히 콘크리트용 내화 보드에 적용하면 고온에서도 변형과 파괴를 감소하여 폭열 현상을 예방할 수 있는 효과가 있다. 뿐만 아니라, 이미 완공된 건축물에 적용가능한 효과도 동시에 확보 가능하다.

Claims (9)

  1. 중량%로, 알루미노 실리케이트계 무기물: 15~35%, 알칼리 실리케이트계 경화제: 10~30%, 내화단열 골재 25~50%, 섬유: 0.01~5%, 기능성 첨가제: 0.1~5%를 포함하고, 알루미노 실리케이트 무기 폴리머 구조를 갖는 콘크리트용 내화 보드 조성물
  2. 제 1항에 있어서, 상기 조성물은 가압성형, 가열 가압성형 또는 압출성형 방법에 의해 보드로 제조되는 것을 특징으로 하는 콘크리트용 내화 보드 조성물
  3. 제 1항에 있어서, 상기 알루미노 실리케이트계 무기물은 고로슬래그 미분말, 플라이애쉬(fly ash), 메타카올린, 실리카흄, 카올린계 광물, 칼슘실리케이트 광물 및 칼슘알루미네이트 광물 중 어느 하나 이상인 것을 특징으로 하는 콘크리트용 내화 보드 조성물
  4. 제 3항에 있어서, 상기 알루미노 실리케이트계 무기물에서 알루미나와 실리카의 몰비는 1 : 2~5인 것을 특징으로 하는 콘크리트용 내화 보드 조성물
  5. 제 1항에 있어서, 상기 알칼리 실리케이트계 경화제는 소듐실리케이트, 포타슘실리케이트, 리튬실리케이트, 나트륨계 탄산염, 칼륨계 탄산염, 리튬계 탄산염, 소듐하이드록사이드, 포타슘하이드록사이드, 리튬하이드록사이드 및 규불화염 중 어느 하나 이상인 것을 특징으로 하는 콘크리트용 내화 보드 조성물
  6. 제 5항에 있어서, 상기 알칼리 실리케이트계 경화제는 실리카, 포타슘, 소듐이 1 : 0.1~1.5 : 0.1~2.5의 몰비로 된 조성물의 수용액이고, 비중이 1.1 ~ 1.8, 점도가 1~200cps인 것을 특징으로 하는 콘크리트용 내화 보드 조성물
  7. 제 1항에 있어서, 상기 내화단열 골재는 퍼라이트, 질석 및 중공유리 중 어느 하나 이상인 단열골재와 황토, 견운모, 유리분말 및 알루미나 분말 중 어느 하나 이상인 내화골재인 것을 특징으로 하는 콘크리트용 내화 보드 조성물
  8. 제 1항에 있어서, 상기 섬유는 펄프, 폴리프로필렌섬유, 폴리에틸렌섬유 및 나일론 섬유 중 어느 하나 이상인 것을 특징으로 하는 콘크리트용 내화 보드 조성물
  9. 제 1항에 있어서, 상기 기능성 첨가제는 기포제, 분산제 및 증점제 중 어느 하나 이상인 것을 특징으로 하는 콘크리트용 내화 보드 조성물
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