KR100838269B1

KR100838269B1 - 폐타이어 미분말과 메타카올린을 포함하는 내화성 고강도콘크리트

Info

Publication number: KR100838269B1
Application number: KR20070054595A
Authority: KR
Inventors: 이문환; 이세현; 류득현
Original assignee: 한국건설기술연구원
Priority date: 2007-06-04
Filing date: 2007-06-04
Publication date: 2008-06-17

Abstract

본 발명은 화재시 고강도 콘크리트에 일어나는 폭렬에 의하여 콘크리트의 강도가 저하되는 것을 막기 위한 메타카올린과 폐타이어 미분말이 포함된 콘크리트에 대한 것이다. 본 발명은 상세하게는 일정 입도의 폐타이어 미분말을 사용하여 고강도 콘크리트의 취성(脆性)을 개선하고, 화재시 콘크리트 내부 수증기압의 배출 경로나 열 응력 완충 공간을 형성하여 콘크리트의 단면 손실을 방지함은 물론, 골재로서 메타카올린을 사용하여 40 MPa의 압축 강도 규격 이상의 높은 강도를 가지는 콘크리트 조성물에 관한 것이다.

화재, 고강도 콘크리트, 폭렬 방지, 메타카올린, 폐타이어 미분말

Description

폐타이어 미분말과 메타카올린을 포함하는 내화성 고강도 콘크리트{FIRE-RESISTANT HIGH STRENGTH CONCRETE ADMIXTURE CONTAINING SCRAP TIRE CHIPS AND METAKAOLIN}

도 1은 콘크리트에 폭렬이 생길 경우 내구성이 격감하게 되는 원리를 나타낸 모식도이다.

도 2는 본 발명의 내화용 고강도 콘크리트의 한 실시 태양에 있어서 그 구성 성분들을 나타낸 개념도이다.

본 발명은 폐타이어 미분말과 메타카올린을 포함하는 내화성 고강도 콘크리트에 관한 것으로서, 구체적으로는 화재시의 폭렬을 예방하기 위한 콘크리트용 성능 개선 혼화재 및 치환물질, 그리고 이를 사용한 콘크리트에 관한 것이다.

콘크리트 제조 기술의 발전과 초고층 건축물의 시공 사례가 점차 증가되면서, 고강도 콘크리트에 대한 수요도 늘어나고 있다. 고강도 콘크리트에 대한 분류는 그 기준이나 분류기관에 따라 다르지만 일반적으로 압축 강도가 40 MPa 이상인 콘크리트를 "고강도 콘크리트"라고 부른다.

현재 건축 구조물에 사용되는 구조재료인 철근 콘크리트는 우수한 역학적 특성과 내구성을 갖고 있으며 법정 내화구조로 인정되어 널리 사용되고 있다. 그러나 이러한 철근 콘크리트가 견고한 특성을 가지고 있음에도 불구하고 고온에 노출되는 화재와 같은 환경에서는 그 구조적 강도가 급감하는 위험성을 안고 있었다. 고강도 콘크리트가 비록 내화구조재로 인정되고 있기는 하지만, 화재시에는 고열을 받아 콘크리트 내부의 수산화칼슘(Ca(OH)₂)이 분해되고, 골재 및 콘크리트가 팽창함에 따라 균열이 생겨 피복이 벗겨지기도 한다.

고강도 콘크리트를 제조하기 위해서는 콘크리트의 밀도가 커야 되며, 그 내부 구조는 밀실하여야 한다. 그러나 화재 발생시 콘크리트 구조물이 직접 고열을 받게 되면, 콘크리트 내부에 수증기압이 발생하게 되고 그로 인해 콘크리트의 응력이 한계에 도달할 경우, 심한 폭음과 함께 표면이 박리, 탈락하는 폭렬 현상이 발생하게 된다. 폭렬에 의해 콘크리트 내부의 철근이 외부에 노출되면 고열을 직접적으로 받게 되는 상황이 되는데, 철근은 열에 의해 강성 저하가 심한 소재이므로 결국 구조물의 붕괴를 초래하게 된다.

이렇듯 고강도 콘크리트는 오히려 보통의 철근 콘크리트보다 화재에 더욱 취약한 문제점을 가지고 있는데, 일반적으로 고강도 콘크리트는 높은 단위 시멘트량과 낮은 물:시멘트 비로 제조되어 내부 공극량이 적고 밀실한 특성을 가지고 있기 때문에 고열에 노출될 경우 증기로 변한 콘크리트 내부의 수분이 외부로 분출되지 못하여 높은 압력을 형성하다 폭발하는 큰 문제점을 가진 것으로 알려져 있다. 도 1에는 폭렬과 열 열화(熱劣化) 깊이를 나타내는 모식도로서 콘크리트에 폭렬이 생길 경우 내구성이 격감하게 되는 원리를 나타낸 그림이 도시되어 있다.

이러한 콘크리트의 폭발이, 내부에 위치한 철근보다 더 깊숙한 곳에서 일어난 경우, 콘크리트의 단면 손실뿐만 아니라 노출된 철근의 성질도 변화시켜 구조적 안전성을 저하시키므로, 심할 경우 건축물의 붕괴를 초래할 수 있는 것이다. 이와 같은 콘크리트의 폭렬 현상(spalling)은 고강도 콘크리트의 내화성능을 저해시키는 가장 큰 원인으로서, 콘크리트의 단면을 감소시켜 부재의 내력을 저하시킴은 물론, 철근을 허용 온도 이내로 보호하는 피복의 기능도 잃게 한다(도 1 참조). 폭렬 현상의 원인은 여러 가지가 있으나, 화재시 콘크리트 내부의 수증기압이 증가하거나, 골재 등이 팽창하여 열응력을 작용시키는 것이 주된 원인이다. 열응력은 메탈라스나 철근 배근 방법의 재구성 등에 의해 횡구속력을 개선시키거나, 골재를 선별하여 사용하면, 어느 정도는 내화 성능을 가질 수 있는 것으로 알려져 있다.

고강도 콘크리트 구조물에 화재 발생시 콘크리트 내부에 쌓이는 수증기압의 제어를 위해 일본에서는 주로 폴리프로필렌 섬유 등의 유기 섬유를 콘크리트에 혼입 사용하여 폭렬을 방지한 연구 결과가 있다. 화재시 유기 섬유는 폭렬 온도 이전에 융점에 도달하여 액체 상태로 존재를 하다가 대부분 주위의 매트릭스 조직에 흡수되어 빈 공간을 만들며, 이렇게 형성된 공간은 수분의 이동 경로가 되기 때문에 콘크리트 내부의 압력을 감소하게 되고, 그 결과 폭렬방지의 효과가 나타나게 된다. 다만 유기 섬유를 사용한 경우는 섬유장이 연속적인 네트워크를 형성하여 수증기의 배출에는 효과가 있을 수 있지만, 이는 화열을 전달시키는 경로로도 작용 하여 철근의 온도를 상승시킬 수 있다.

따라서 국내의 건축법규상 내화구조 판정을 철근의 온도로 시행하는 상황에서는 이러한 유기 섬유 혼화재의 첨가는 적절한 내화 대책이 될 수 없으며, 종래 기술로는 콘크리트 구조적 특성을 손상하지 않으면서 내화성을 높인 고강도 콘크리트를 제조하는데 여전히 미흡하다.

본 발명은 상기와 같은 콘크리트의 폭렬 현상을 해소하기 위해 창출된 것으로, 구체적으로 고열에서의 저항성이 우수하고, 내부 수증기의 배출 경로를 제공하되 외부의 화열 전달경로는 발생시키지 않으며, 팽창압의 상쇄를 위한 공극을 화재시에 자연적으로 형성하는 콘크리트 혼화재 배합 기술과 이들 혼화재를 사용한 콘크리트를 제공하는데 그 목적이 있다. 또한, 본 발명은 화재시의 폭렬을 예방하기 위한 콘크리트용 성능개선 혼화재 및 치환물질 개발과 이를 사용한 콘크리트 제조 기술을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기와 같은 목적과 효과를 달성하기 위하여 본 발명은 폐타이어 미분말과 메타카올린을 포함하는 고강도 내화성 콘크리트를 제공한다. 이를 구성하기 위한 구체적인 수단으로, 본 발명에서는 국내 부존자원으로서의 가능성이 충분한 메타카올린을 시멘트 치환재로 일부 사용하고, 잔 골재인 모래의 일부를 폐타이어 미분말 로 치환시킴으로써 건축물 화재시 고강도 콘크리트를 고열로부터 보호하는 한편, 내부에 배근된 철근의 온도상승을 억제하여 그 목적을 달성한다. 혼화 재료로 사용하는 메타카올린은 이산화규소(SiO₂)와 산화알루미늄(Al₂O₃)의 비가 대략 1.18 정도이며, 폐타이어는 열분해 방식 등에 의해 생산되는 통상의 것을 의미한다. 본 발명의 고강도 내화성 콘크리트에서 폐타이어 미분말은 부피 기준으로 콘크리트용 모래를 4.5~10 부피%, 메타카올린은 중량 기준으로 콘크리트용 시멘트와 기타 결합재를 합한 총량을 3~9 중량% 치환하게 된다. 본 발명의 한 구체적 실시 태양에서 폐타이어 미분말의 입도 범위는 1.12~3 mm인 것이 특징이다.

이하 본 발명에서 "결합재"라는 용어는 시멘트만을 사용한 경우는 시멘트를, 시멘트에 플라이애쉬나 고로슬래그 미분말 등 시멘트를 대체하여 사용할 수 있는 혼화재를 부가한 경우는 상기 시멘트와 대체 혼화재를 모두 통틀어 가리키는 것으로 사용한다. 따라서 "결합재의 총 중량"이란 시멘트와 상기 시멘트 대체 혼화재의 중량을 모두 합한 수치이다.

통상 40 MPa 규격의 고강도 콘크리트를 제조할 경우, 실리카흄(silica fume), 플라이애쉬(fly ash), 고로 슬래그 미분말 등과 같은 무기 혼합재료를 사용하는 3성분계 결합재 조성이 이용된다. 이중 실리카흄은 콘크리트의 강도 증진에 가장 큰 역할을 담당하는 시멘트 혼화재이나 국내에서 많이 생산되지 않는 고가의 수입 혼화재이다.

본 발명에서는 이러한 고가의 실리카흄을 대신하여 메타카올린을 사용한다. 메타카올린은, 진흙의 형태로 산출되는 카올린(kaolin 고령토)을 고온에서 소성시킨 후, 일정한 입도로 미분쇄한 것이다. 고강도 콘크리트 제조시 혼화재로서 일반적으로 사용되는 고로슬래그 미분말은 이산화규소와 산화칼슘(CaO)으로 구성되어 있는데, 실리카흄의 주성분은 이산화규소로 되어 있는 반면, 메타카올린은 이산화규소와 산화알루미늄(Al₂O₃)이 주성분이다. 이러한 성분의 차이가 내화 첨가제로서 메타카올린의 뛰어난 성능에 기여하는데 일반적인 메타카올린의 전체 성분 중 40~45% 정도가 산화알루미늄이다. 이러한 높은 내화성 덕택에 메타카올린을 함유한 콘크리트는 폭렬이 크게 억제된다. 또한 메타카올린은, 수산화칼슘(Ca(OH)₂)과 포졸란 반응을 일으켜 시멘트 페이스트로부터 Ca(OH)₂의 양을 현저히 감소시키면 화재시의 수산화칼슘 탈수에 의한 강도 저하를 억제할 수 있다. 게다가 메타카올린의 출발원료인 카올린(할로사이트질 고령토)은 매장량이 풍부하여 콘크리트 제조비용의 절감 효과를 기대할 수 있다.

메타카올린은 위와 같은 장점을 가지고 있는 바, 본 발명에서는 실리카흄을 대신하여 메타카올린을 사용한다. 본 발명에서 내화용 고강도 콘크리트 제조에 사용되는 메타카올린(비중 2.9 정도)은 중량 기준으로 고강도 콘크리트에 통상적으로 사용되는 시멘트를 포함한 결합재 총량에서 3~9 중량%를 치환한다. 예를 들어 메타카올린을 사용하지 않았을 경우 고강도 콘크리트 제조에 사용하였을 결합재(시멘 트와 기타 고로 슬래그 미분말, 플라이애쉬 등의 시멘트의 대체제를 망라한 혼화재)의 양이 100 kg(시멘트 92 kg + 플라이애쉬 8 kg)이라면 본 발명에서는 상기 결합재를 91~97 kg, 메타카올린을 3~9 kg 사용하는 것이다. 이 메타카올린의 치환비율은 최종 콘크리트 배합시에 실제로 부가된 시멘트를 포함한 결합재의 총량에 대하여 부가할 메타카올린의 양으로 환산할 수 있다. 그 경우 상기 메타카올린의 양은 중량 기준으로 할 때,

사용된 결합재 총량 : 메타카올린 = 21.2:1 ~ 9:1의 부피 범위가 되도록 부가하면 된다. 메타카올린을 10% 미만으로 치환하여도 80 MPa 강도 규격의 내화성 고강도 콘크리트를 얻을 수 있는 점은 본 발명의 주요한 특징 중의 하나이며, 3% 이상을 부가할 경우 40 MPa 규격 강도를 크게 넘어서는 압축 강도를 가지는 내화성 고강도 콘크리트를 만들 수 있다. 본 발명에서 메타카올린 치환비가 상기 3% 미만일 경우, 이를 적용한 콘크리트의 작업성이 저하되어 배합수의 양을 증가시켜야 하므로 강도 발현이 곤란하며, 9%를 초과할 경우 상대적으로 시멘트의 양을 감소시켜 시멘트 속 수산화칼슘과 포졸란 반응을 충분히 일으키지 못하기 때문에 강도가 증강되지 않는 등의 문제점이 발생한다.

본 발명의 내화성 고강도 콘크리트의 또 다른 구성 성분은 폐타이어 미분말이다. 콘크리트에 폐타이어 분말을 부가하였을 때 폐타이어 분말은 시멘트 메트릭스 중에서 용융되어 독립된 기공을 만들므로 수증기의 배출 경로로서 기능을 하게 되고, 무엇보다 내부 팽창압의 완충 공간으로서 작용하게 된다. 아울러 내화성능 측면에서 폭렬의 원인이면서 고강도 콘크리트의 가장 큰 단점으로 지적되는 취성(脆性 brittleness) 특성 역시 폐타이어 미분말을 사용함에 따라 크게 개선될 수 있다. 즉, 폐타이어 미분말의 탄성적 성질이 콘크리트에 인성(引性)을 부여하게 되는데, 이는 내화 성능의 확보 차원을 넘어 고강도 콘크리트의 성능을 근본적으로 개량하게 되는 것이다. 또한, 폐타이어 미분말은 단위 수량을 극도로 억제하여 제작하는 고강도 콘크리트에 소요의 공기량을 확보하여 작업성 향상 및 동결 방지의 효과를 기대할 수 있는 방안이 된다. 이러한 이유에서 본 발명의 내화성 고강도 콘크리트에는 폐타이어 미분말이 사용된다.

본 발명의 한 구체적 실시 태양에서 폐타이어 미분말(비중 1.16 정도)은 고강도 콘크리트 중의 잔 골재인 모래에 대해 부피를 기준으로 4.5~10 부피% 치환한다. 예를 들어 폐타이어 미분말을 사용하지 않았을 경우 고강도 콘크리트 제조에 사용하였을 모래의 양이 100 L라면 본 발명에서는 상기 모래를 90~95.5 L, 폐타이어 미분말을 4.5~10 L 사용하게 된다. 이 치환비율을 최종 콘크리트 배합시 실제 사용되는 모래의 양에 대하여 부가하는 양으로 환산하면, 상기 폐타이어 미분말의 양은 부피 기준으로 할 때,

사용된 모래량 : 폐타이어 = 21.2:1 ~ 9:1의 부피 범위가 된다. 본 발명의 다른 구체적 실시 태양에서 이때 폐타이어 미분말의 입도 범위는 1.12~3 mm인 것이 적당하다. 입도 범위가 상기 1.12~3 mm를 벗어나는 경우는 콘크리트의 공기량이 지나치게 많이 형성되며, 목표로 하는 수증기의 배출 및 강도발현 효과를 발휘할 수 없다. 본 발명에서 폐타이어 미분말의 모래 치환 비율이 상기 4.5%보다 낮은 경우, 수증기의 배출 효과가 적어 내화성의 향상이 미미하게 되며, 10%를 초과할 경우, 고강도 콘크리트의 제조가 곤란하며 화열에 직면하게 되면 폐타이어 미분말의 용융 팽창압이 과대해져 콘크리트의 균열을 초래할 수도 있다.

메타카올린과 폐타이어 미분말의 첨가로 인한 유리한 효과가 나타나는 상기함량 범위를 실제 배합량으로 환산하여 본 발명의 내화성 고강도 콘크리트를 제조하려면 다음과 같은 단위량으로 결합재와 골재를 배합하면 된다.

본 발명의 실시 태양의 구체예를 들면, 비중 2.6인 모래와, 비중 1.16인 폐타이어 미분말을 사용하였을 때 콘크리트 1 m³ 당 부가량은 시멘트 374~557 kg, 고로 슬래그나 플라이애쉬 등의 혼화재 32~138 kg, 메타카올린 16~59 kg, 물 160 kg, 모래 632~698 kg(비중 2.6), 폐타이어 미분말 13~35 kg(비중 1.16), 굵은 골재 874~918 kg, 감수제 1.05~1.70 kg이다.

상기와 같이 본 발명에서는 기존의 고강도 콘크리트와 달리 실리카흄을 전혀 사용하지 않고 시멘트 대체재로서 메타카올린을 혼합하여 사용함에 따라 콘크리트 자체의 내화성을 향상시키며, 잔 골재를 폐타이어 미분말이 부분 대체하여 고강도 콘크리트의 연성을 확보하고 내부 팽창압을 상쇄한다. 본 발명의 시멘트, 모래 대체재인 폐타이어 미분말과 메타카올린이 콘크리트의 비용 절감에 기여하는 것은 물론이다. 그러나 본 발명의 가장 큰 특징은 이렇게 고강도 콘크리트에 폐타이어 미분말과 메타카올린을 같이 함유하게 함으로써 고강도 콘크리트의 내화성을 개선하 는 새로운 효과를 발견한 것에 있다.

이상과 같이 본 발명의 콘크리트 조성물과 그 제조 방법을 사용하여 내화성이 뛰어난 고강도 콘크리트를 제조할 수 있다. 본 발명의 콘크리트 조성물은 상기 표 1과 그 본문 중에 명시된 성분 이외에도 감수제, 첨가제와 같이 해당 업계에서 콘크리트 또는 모르타르 조성물에 통상적으로 부가하는 성분을 더 함유할 수 있으며, 당업자가 콘크리트 분야에서 통상 쓰이는 기술적 변경을 부가하여 사용할 수도 있다. 이렇게 추가 성분의 부가나 기술적 변경을 가한 내화성 고강도 콘크리트 조성물도 본 발명의 범위에 속함은 물론이다.

실시예

이하 실시예와 실험예를 들어 본 발명을 더욱 상세히 설명한다. 아래 실시예에 나타낸 구성은 어디까지나 발명의 이해를 돕기 위함이며 어떠한 경우에도 본 발명의 기술적 범위를 실시예에서 제시한 실시 태양으로 제한하려는 것이 아님을 밝혀 둔다.

[실시예 1] 콘크리트 배합 실시예

표 1은 국내에서 범용적으로 사용되는 고강도 콘크리트의 상하 범위를 예로 상기 혼화재료를 사용하여 소정의 성능검증을 마치고 산출한 배합설계의 실시예이다. 아래 표 1의 콘크리트 조성물은 표준 시방서(혹은 KS F 4009 규격)에 규정된 대로 통상적으로 사용되는 방식으로 제조할 수 있다. 폐타이어 미분말과 메타카올린을 제외한 나머지 구성 요소는 통상의 고강도 콘크리트용 배합 비율을 따른다. 압축 강도는 콘크리트 표준 시방서(혹은 KS F 2405 규격)에 따라 확인하였다.

내화용 고강도 콘크리트 제조를 위한 배합 실시예

콘크리트 규격 (압축 강도)	물 (kg)	단위량 (kg/m³)							s/a (%)	슬럼프 (cm)	고성능 AE 감수제
		결합재				잔골재		굵은 골재
		시멘트	고로 슬래그 미분말	플라이애쉬	메타 카올린	천연 모래	폐타이어 미분말	굵은 골재
40 MPa	160	374	138	-	19	698	35	918	46	23	1.05
80 MPa	160	557	-	32	58	632	32	874	45	23	1.70

[실험예 1] 내화성 측정

상기 실시예 1에서 배합한 내화성 고강도 콘크리트의 내화 성능을 KS F 2257 규격의 규정에 따라 측정하였다. 실험 결과 압축 강도 40 MPa인 본 발명의 콘크리트는 3시간, 80 MPa인 콘크리트는 2시간의 내화 시간을 나타내어 통상의 고강도 콘크리트의 내화 1시간보다 50% 이상 늘어난 내화 시간을 나타내었다.

본 발명의 내화성 고강도 콘크리트는 화재시 폭렬 방지 효과가 우수하며, 폭렬 방지 혼화재료의 배합으로 인해 고강도 콘크리트의 특유의 작업성 저하 및 취성을 개선된 것이 그 특징이다. 본 발명의 내화성 고강도 콘크리트를 사용하면 건축구조물에 사용된 보통 강도 및 고강도 콘크리트 기둥이나 보에서 화재시 균열, 팽 창, 폭렬 등의 현상이 발생하여 구조적 성능이 저하되고 건축물의 붕괴의 위험을 안게 되는 약점을 개선할 수 있으므로 초고층 건축물의 안전한 내화성과 내구 성능을 확보할 수 있다. 본 발명의 내화성 고강도 콘크리트는 규격보다 50% 이상 늘어난 내화 시간을 가지는 유리한 특성을 지닌다.

Claims

고강도 콘크리트 조성물에 있어서,

메타카올린과 폐타이어 미분말을 함유하며,

상기 폐타이어 미분말의 입도는 1.12~3 mm인 것을 특징으로 하는 내화성 고강도 콘크리트 조성물.
제1항에 있어서,

상기 메타카올린의 함량은 상기 내화성 고강도 콘크리트 배합시 사용된 결합재에 대하여

결합재 총 중량 : 메타카올린 중량 = 32.3 : 1 ~ 10.1 : 1의 비율 범위 내에 있는 것을 특징으로 하는, 내화성 고강도 콘크리트 조성물.
제1항에 있어서,

상기 폐타이어 미분말의 함량은 상기 내화성 고강도 콘크리트 배합시 사용된 모래에 대하여

모래 부피 : 폐타이어 미분말 부피 = 21.2 : 1 ~ 9 : 1의 비율 범위 내에 있는 것을 특징으로 하는, 내화성 고강도 콘크리트 조성물.
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