KR101008322B1

KR101008322B1 - 직경과 용융점 차이를 갖는 섬유와 분말로 구성된 복합소재폭렬방지재 및 이 폭렬방지재를 이용한 고강도 내화 콘크리트

Info

Publication number: KR101008322B1
Application number: KR1020080134286A
Authority: KR
Inventors: 이주호; 박순전; 김정진; 김광기; 문형재; 황인성; 정용; 최진만; 신재경; 김세훈; 최창휴; 김휘찬
Original assignee: 주식회사 삼표; 롯데건설 주식회사
Priority date: 2008-12-26
Filing date: 2008-12-26
Publication date: 2011-01-13
Also published as: US20100168281A1; KR20100076284A

Abstract

본 발명은 고강도 콘크리트 폭렬현상을 방지할 수 있는 폭렬방지재와 그 이용방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 고강도 콘크리트의 폭렬방지효과와 더불어 유동성개선효과를 실현할 수 있도록 직경과 용융점 차이를 갖는 섬유와 분말로 구성한 복합소재의 폭렬방지재와 이 폭렬방지재을 이용한 고강도 내화 콘크리트에 관한 것이다.

본 발명에 따른 복합소재 폭렬방지재는 고강도 콘크리트의 폭렬방지를 위한 폭렬방지재로서, 분말과 섬유가 1:1~3의 용적비로 조성되되, 상기 분말은 직경이 0.10~0.5mm이고 용융점이 110~150℃인 폴리머분말이고, 상기 섬유는 직경이 0.05~0.10mm이면서 길이가 5~25mm이고 용융점이 150~190℃인 제1섬유로 이루어진 단일섬유 또는 직경이 0.05~0.10mm이면서 길이가 5~25mm이고 용융점이 150~190℃인 제1섬유와 직경이 0.01~0.05mm이면서 길이가 5~25mm이고 용융점이 190~250℃인 제2섬유가 혼합된 복합섬유이며, 상기 제1섬유는 폴리프로필렌섬유이고, 상기 제2섬유는 나일론섬유 또는 폴리비닐알코올섬유임을 특징으로 한다.

섬유, 분말, 폭렬, 고강도, 내화, 콘크리트, 유동성

Description

직경과 용융점 차이를 갖는 섬유와 분말로 구성된 복합소재 폭렬방지재 및 이 폭렬방지재를 이용한 고강도 내화 콘크리트{Spalling prevention material composed of fiber and powder, and high strength refractory concrete using the same}

본 발명은 고강도 콘크리트 폭렬현상을 방지할 수 있는 폭렬방지재와 그 이용방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 고강도 콘크리트의 폭렬방지효과와 더불어 유동성개선효과를 실현할 수 있도록 직경과 용융점 차이를 갖는 섬유와 분말로 구성한 복합소재의 폭렬방지재와 이 폭렬방지재를 이용한 고강도 내화 콘크리트에 관한 것이다.

건축물이 점차 고층화, 대형화, 특수화됨에 따라 고기능성 특수콘크리트의 수요가 점차 증가하고 있다. 고기능성 특수콘크리트의 하나로 고강도 혹은 초고강도 콘크리트가 있다. 고강도 혹은 초고강도 콘크리트는 40MPa이상의 콘크리트를 일컫는데, 고강도 혹은 초고강도로 구현하기 위해서는 보편적으로 물시멘트비를 낮 추면서 결합재의 강도를 증가시키는 방법이 사용된다. 즉, 고로슬래그, 플라이애쉬, 실리카흄과 같은 혼화재를 사용하여 수화물량을 증가시킴으로써 콘크리트의 내부구조를 밀실하게 완성하는 것이다.

하지만, 고강도 혹은 초고강도 콘크리트는 밀실한 내부구조 때문에 화재시 콘크리트 내부에 발생한 수증기압이 외부로 쉽게 방출되지 못하게 되는데, 이 경우 내부의 수중기압이 콘크리트의 응력 한계를 넘게 되면 심한 폭음과 함께 표면이 박리, 탈락하는 이른바 콘크리트 폭렬현상이 일어나게 된다. 이러한 폭렬현상은 콘크리트의 강도가 커질수록 콘크리트의 내부구조가 치밀해지기 때문에 더욱 심하게 일어난다.

한편, 콘크리트의 폭렬현상을 방지하기 위한 방법으로는 폭렬발생 온도보다 낮은 온도의 융점을 가지는 폭렬방지섬유를 콘크리트 제조시 일정량 혼입하는 방법이 가장 대표적이다. 이 방법은 화재시 섬유가 폭렬발생 온도 이전에서 융점에 도달하여 액체화되면 섬유 용융물이 주위의 매트릭스 조직에 흡수되어 기존에 섬유가 있던 자리가 빈공간(공극)으로 형성되는데 이러한 공극을 콘크리트 수증기압의 이동통로로 활용하는 방법이다. 즉, 공극을 통해 수증기압의 원활한 이동이 이루어지기 때문에 콘크리트 내부의 압력은 감소하게 되고 그 결과 폭렬방지효과가 나타나게 되는 것이다.

그런데, 섬유에 의한 폭렬방지효과가 실현되기 위해서는 일정량 이상의 섬유를 콘크리트에 혼입해야 하고, 특히 강도가 커질수록 섬유량을 증가시켜 혼입해야 한다. 하지만, 섬유량이 많아질수록 섬유의 엉킴현상으로 콘크리트의 유동성이 저하되고 콘크리트의 유동성 저하는 곧 콘크리트의 펌핑압송력 저하로 이어지는 바, 섬유만으로 폭렬방지효과를 실현한 종래의 고강도 내화 콘크리트는 펌핑압송 문제로 초고층 건축물과 같이 일정 높이 이상에 적용하기에는 어려움이 있었다. 이에, 본 발명자는 섬유 혼입량을 줄여 유동성을 개선한 고강도 내화 콘크리트를 개발하게 되었다.

본 발명은 상기와 같이 섬유를 혼입한 고강도 내화 콘크리트를 기술분야로 하여 개발된 것으로서, 섬유 혼입량을 줄이면서도 폭렬방지효과를 실현할 수 있고 아울러 유동성을 개선할 수 있는 복합소재의 폭렬방지재와 이 폭렬방지재를 이용한 고강도 내화 콘크리트를 제공하는데 기술적 과제가 있다.

상기한 기술적 과제를 해결하기 위해 본 발명은 다음과 같은 기술적 특징을가지는 복합소재 폭렬방지재와 고강도 내화 콘크리트를 제공한다.

본 발명에 따른 복합소재 폭렬방지재는, 고강도 콘크리트의 폭렬방지를 위한 폭렬방지재로서, 분말과 섬유가 1:1~3의 용적비로 조성되되, 상기 분말은 직경이 0.10~0.5mm이고 용융점이 110~150℃인 폴리머분말이고, 상기 섬유는 직경이 0.05~0.10mm이면서 길이가 5~25mm이고 용융점이 150~190℃인 제1섬유로 이루어진 단일섬유이며, 상기 제1섬유는 폴리프로필렌섬유임을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 또 다른 복합소재 폭렬방지재는, 고강도 콘크리트의 폭렬방지를 위한 폭렬방지재로서, 분말과 섬유가 1:1~3의 용적비로 조성되되, 상기 분말은 직경이 0.10~0.5mm이고 용융점이 110~150℃인 폴리머분말이고, 상기 섬유는 직경이 0.05~0.10mm이면서 길이가 5~25mm이고 용융점이 150~190℃인 제1섬유와 직경이 0.01~0.05mm이면서 길이가 5~25mm이고 용융점이 190~250℃인 제2섬유가 혼합된 복합섬유이며, 상기 제1섬유는 폴리프로필렌섬유이고, 상기 제2섬유는 나일론섬유 또는 폴리비닐알코올섬유임을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 고강도 내화 콘크리트는, 상기한 복합소재 폭렬방지재를 콘크리트 용적의 0.1~0.2vol%로 혼입한 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면, 다음과 같은 효과를 기대할 수 있다.

첫째, 유동성에 불리한 섬유의 혼입량을 줄이면서 유동성에 유리한 분말을 혼입하기 하기 때문에 유동성이 개선된 우수한 품질의 고강도 내화 콘크리트를 제공할 수 있다.

둘째, 섬유와 분말의 합성작용으로 폭렬방지효과를 극대화하기 때문에 폭렬방지재의 혼입량을 줄인 고강도 내화 콘크리트를 제공할 수 있다.

본 발명에 따른 복합소재 폭렬방지재는, 이미 알려진 섬유보다 직경이 크면서 용융점이 낮은 분말을 섬유와 함께 이용한다는데 기술적 특징이 있다. 즉, 고강도 콘크리트의 폭렬방지를 위해 분말과 섬유를 함께 혼입하는 것이다.

구체적으로 본 발명은 실험예를 통해, 고강도 콘크리트의 폭렬방지를 위한 폭렬방지재로서, 분말과 섬유를 1:1~3의 용적비로 조성하되, 상기 분말로 직경이 0.10~0.5mm이고 용융점이 110~150℃인 폴리머분말을 채택하고, 상기 섬유로 직경이 0.05~0.10mm이면서 길이가 5~25mm이고 용융점이 150~190℃인 제1섬유만으로 이루어진 단일섬유 또는 직경이 0.05~0.10mm이면서 길이가 5~25mm이고 용융점이 150~190℃인 제1섬유와 직경이 0.01~0.05mm이면서 길이가 5~25mm이고 용융점이 190~250℃인 제2섬유가 혼합된 복합섬유를 채택할 것으로 제안한다. 이때, 상기 폴리머분말은 콘크리트 배합 및 경화과정에서도 그 분말상태의 결정이 그대로 유지되는 것을 의미하며, 상기 제1섬유는 폴리프로필렌섬유이고 제2섬유는 나일론섬유 또는 폴리비닐알코올섬유이다. 특히, 섬유로 복합섬유를 채택하는 경우에는 상기 제1섬유와 제2섬유를 1:1의 부비피로 조성하는 것이 바람직하다.

상기와 같이 본 발명에서는 특정 물성의 분말과 섬유를 함께 폭렬방지재로 이용하는데, 분말과 섬유의 물성조건은 폭렬발생온도와 공극 형성효과와의 관계를 고려하여 제안한 것이다. 다시 말해, 분말의 경우에, 직경이 0.1㎜ 이하이면 내부 수증기압을 완화시키기 위한 공극 형성효과가 미미하고, 직경이 0.5㎜ 이상이면 용융시간이 길어져 공극 형성이 늦어질 뿐만 아니라 콘크리트의 유동성과 강도 저하 가 우려되며, 용융점이 110℃ 이하이면 너무 일찍 용융하여 오히려 공극을 통한 빠른 열전달로 콘크리트 부재의 급격한 온도상승이 우려되고, 용융점이 150℃ 이상이면 분말이 섬유와 함께 용융하여 내부 수증기압을 완화시키기 위한 공극 형성이 늦어질 수 있다. 제1섬유와 제2섬유의 경우에도, 직경과 길이는 공극 형성효과와 콘크리트의 유동성 및 강도를 고려하여 제안된 범위이고, 용융점은 폭렬발생온도를 고려하여 제안된 범위이다.

이와 같이 본 발명은 특정의 물성 특성을 가지는 섬유와 분말을 함께 폭렬방지재로 이용함에 따라, 화재시 폭렬방지재의 단계적인 용융이 기대된다. 다시 말해, 직경이 큰 분말이 먼저 용융한 후에 직경이 작으면서 긴 길이의 섬유가 용융하는 것이다. 단계적인 용융은 먼저 생성된 분말에 의한 공극(구형 공극)을 나중에 생성된 섬유에 의한 공극(선형 공극)이 연결시켜 공극이 연속적으로 생성되게 하는데 기여하며, 이러한 온도변화에 따른 공극의 연속성 확보로 고강도 콘크리트의 폭렬이 효과적으로 방지된다.

한편, 본 발명에 따른 복합소재 폭렬방지재를 이용하여 고강도 콘크리트를 배합함에 있어서는 분말과 섬유를 시멘트결합재와 함께 균일하게 혼합한 후 다른 재료(배합수, 골재 등)들과 배합하는 것이 바람직하다. 즉, 고강도 콘크리트의 시멘트결합재로 이용되는 플라이애쉬, 실리카흄, 고로슬래그 미분말, 시멘트 등과 프리믹스하는 것이다. 이때, 복합소재 폭렬방지재는 시멘트결합재로 이용되는 각 재료들 중 어느 하나 이상(하나만을 선택하는 경우와 둘 이상을 선택하는 경우를 모 두 포함함)과 프리믹스할 수 있다. 프리믹스는 분말과 섬유의 고르게 분산시켜 폭렬방지효과와 유동성개선효과를 극대화하기 위함이다. 복합소재 폭렬방지재는 콘크리트 용적의 0.1~0.2vol%로 사용하는 것이 폭렬방지효과에 적당하다.

이하에서는 실험예에 의거하여 본 발명에 대해 살펴본다. 다만, 실험예는 본 발명을 예시하기 위한 것일 뿐이며, 본 발명의 범위가 이로써 한정되는 것은 아니다.

[실험예] 고강도 내화 콘크리트 물성실험

1. 고강도 내화 콘크리트 구성재료

(1)폭렬방지재

고강도 콘크리트의 내화성능 확보를 위해 [표 1]과 같은 물성의 분말과 섬유를 폭렬방지재의 구성재료로 이용하였다.

폭렬방지재의 물성

폭렬방지재		밀도(g/cm³)	길이(mm)	직경(mm)	용융점(℃)
분말	폴리머분말	0.93	-	0.25	127
제1섬유	폴리프로필렌섬유	0.91	19	0.07	162
제2섬유	나일론섬유	1.15	12	0.02	220
폴리머분말: FUSABOND E MB 158D 50 POWDER(듀퐁사 제품)

(2)콘크리트 배합

분말과 섬유를 혼입한 고강도 콘크리트의 내화성능을 검토하기 위해 [표 2]와 같은 배합설계에 따라 콘크리트를 배합하였으며, 폭렬방지재는 [표 3]과 같이 조성설계하여 콘크리트를 배합할 때 혼입하였다. [표 3]의 폭렬방지재의 조성설계에서 섬유와 제1,2섬유는 상기 [표 1]에 따른 재료이며, 아울러 복합섬유는 제1섬유(폴리프로필렌섬유)와 제1섬유(나일론섬유)를 1:1의 용적비로 조성한 것이다.

콘크리트의 배합설계

배합강도 (MPa)	W/B(%)	S/a(%)	SP/C(%)	질량배합(kg/m³)
				물(W)	결합재(B)			S	G
					C	FA	SF
80	22.5	43	1.8	152	507	135	34	660	882
시멘트(C): 국내산 보통 포틀랜드시멘트 잔골재(S): 세척사 굵은골재(G): 20㎜ 부순 굵은골재 고성능감수제(SP): 폴리칼본산계

폭렬방지재 조성(콘크리트 용적에 대한 혼입률임)

폭렬방지재
제1섬유 혼입률(%/vol)	제1분말 혼입률(%/vol)	제1섬유:분말 혼입률(%/vol)	복합섬유:분말 혼입률(%/vol)
0	0	0	0
0.05	0.05	0.1:0	0.1:0
0.10	0.10	0.075:0.025	0.075:0.025
0.15	0.15	0.05:0.05	0.05:0.05
0.20	0.20	0.025:0.075	0.025:0.075
-	-	0:0.1	0:0.1

2. 콘크리트 물성실험 결과

(1)콘크리트 물성시험

상기와 같이 [표 2]와 [표 3]에 따라 배합된 콘크리트가 실제 고강도 내화 콘크리트로서 이용가능한지 확인하기 위해, 굳지않은 콘크리트의 슬럼프 플로우를 실험하고, 경화 콘크리트의 압축강도(28일)와 내화성능 실험을 실시하였다.

(2)굳지않은 콘크리트의 슬럼프플로우

도 1a 내지 도 1c는 폭렬방지재의 종류별 혼입률 변화에 따른 슬럼프플로우를 나타낸다.

제1섬유만을 폭렬방지재로 혼입한 경우에는, 도 1a에서와 같이 제1섬유의 혼입률이 증가할수록 슬럼프플로우가 저하하는 것으로 나타났다. 이는 섬유의 증가로 인한 점성증가와 섬유의 엉킴현상 때문인 것으로 추측된다.

분말만을 폭렬방지재로 혼입한 경우에는, 도 1b에서와 같이 분말의 혼입률이 증가할수록 슬럼프플로우가 증가하는 것으로 나타났다. 이로부터 분말이 콘크리트의 유동성 개선에 효과적임을 알 수 있다.

제1섬유와 분말을 함께 폭렬방지재로 혼입한 경우에는, 도 1c에서와 같이 비록 폭렬방지재를 혼입하지 않은 경우(Plain)에 비해 슬럼프플로우가 저하하는 것으로 나타났지만, 제1섬유만을 폭렬방지재로 혼입한 경우(100:0)와 비교할 때보다는 분말의 치환률이 증가할수록 슬럼프플로우가 크게 개선될 뿐만 아니라 분말의 치환률이 50%를 넘어서면 Plain에 근접하는 것으로 나타났다.

복합섬유(제1섬유:제2섬유=1:1)와 분말을 함께 폭렬방지재로 혼입한 경우는 도 1d와 같은데, 복합섬유만을 폭렬방지재로 혼입한 경우(100:0)는 물론 폭렬방지재를 혼입하지 않은 경우(Plain)와 비교할 때에도 복합섬유의 일부를 분말로 치환함에 따라 슬럼프플로어가 증가하는 것으로 나타났다.

특히, 도 1c와 1d에서는 제1섬유 또는 복합섬유와 분말을 1:1로 조성한 폭렬방지재를 혼입한 경우(50:50)에서 슬럼프플로우가 비약적으로 증가하는 것을 확인할 수 있다.

이상과 같은 결과를 종합해 보면, 폭렬방지재로서 제1섬유 또는 복합섬유를 단독으로 혼입하는 경우보다는 분말과 함께 혼입하는 경우가 콘크리트의 유동성 개선에 더욱 유리하다고 할 수 있다.

(3)경화 콘크리트의 압축강도

도 2a 내지 도 2d는 폭렬방지재의 종류별 혼입률 변화에 따른 28일 압축강도를 나타낸다.

제1섬유만을 폭렬방지재로 혼입한 경우와 분말만을 폭렬방지재로 혼입한 경우에는, 각각 도 2a와 도 2b에서와 같이 제1섬유 혹은 분말의 혼입에 따라 압축강도가 다소 저하하는 것으로 나타났다.

제1섬유와 분말을 함께 폭렬방지재로 혼입한 경우에는, 도 2c에서와 같이비록 폭렬방지재를 혼입하지 않은 경우(Plain)에 비해 압축강도가 약간 저하하는 것으로 나타났지만, 제1섬유만을 폭렬방지재로 혼입한 경우(100:0)와 비교할 때에는 분말의 치환률에 무관하게 압축강도가 큰 변화가 없는 것으로 나타났다.

복합섬유(제1섬유:제2섬유=1:1)와 분말을 함께 폭렬방지재로 혼입한 경우는 도 1d와 같은데, 제1섬유와 분말을 함께 폭렬방지재로 혼입한 경우와 비슷한 양상으로 나타났다.

이상과 같은 결과를 종합해 보면, 폭렬방지재로 제1섬유 또는 복합섬유를 단독으로 혼입하는 경우나 분말과 함께 혼입하는 경우나 콘크리트의 압축강도 확보에는 서도 유사하다고 할 수 있다.

(4)경화 콘크리트의 내화성능

도 3a 내지 도 3d는 폭렬방지재의 종류별 혼입률 변화에 따른 폭렬성상을 나타낸다.

제1섬유만을 폭렬방지재로 혼입한 경우의 폭렬성상은 도 3a와 같다. 보는 바와 같이 제1섬유의 혼입률이 0.05%인 경우에는 심한 파괴폭렬이 나타났고, 제1섬유의 혼입률이 0.10%에서는 일부 박리폭렬이 나타났으며, 제1섬유의 혼입률이 0.15% 이상에서 폭렬이 방지되는 것으로 나타났다. 이에 따라, 80MPa 이상의 고강도 콘크리트가 내화성능을 확보하기 위해서는 0.15% 이상의 섬유 혼입률이 필요하다고 할 수 있다.

분말만을 폭렬방지재로 혼입한 경우의 폭렬성상은 도 3b와 같다. 보는 바와 같이 분말을 혼입률을 증가시켜도 폭렬방지효과가 충분히 발휘되지 못하고 일부 파괴 및 박리폭렬이 발생하는 것으로 나타났다.

제1섬유와 분말을 함께 폭렬방지재로 혼입한 경우의 폭렬성상은 도 3c와 같으며, 복합섬유(제1섬유:제2섬유=1:1)와 분말을 함께 폭렬방지재로 혼입한 경우는 도 4d와 같다. 보는 바와 같이 폭렬방지재를 혼입하지 않는 경우(Plain)에 심한 파괴폭렬이 발생하였고, 섬유(제1섬유 또는 복합섬유)와 분말을 0.025:0.075로 조성한 폭렬방지재를 콘크리트 용적에 0.10%를 혼입한 경우에 일부 파괴 및 박리폭렬이 발생하였으나, 섬유(제1섬유 또는 복합섬유)와 분말을 0.05:0.05 또는 0.075:0.025로 조성한 폭렬방지재를 콘크리트 용적에 0.10%를 혼입한 경우에는 폭렬이 방지되는 것으로 나타났다. 다시 말해, 제1섬유 또는 복합섬유를 콘크리트 용적에 0.10% 이하 혼입하여도 폭렬방지효과가 나타남을 확인할 수 있었다.

이상과 같은 결과를 종합해 보면, 폭렬방지재로 제1섬유 또는 복합섬유를 단독으로 혼입하는 경우보다는 분말과 함께 혼입하는 경우가 폭렬방지재의 혼입량 내지 섬유의 혼입량 대비 폭렬방지효과 발휘에 더욱 유리하다고 할 수 있다.

(5)콘크리트 물성에 대한 종합평가

슬럼프플로어, 압축강도, 내화성능에 대한 실험결과를 종합해 보면, 폭렬방지재로 제1섬유 또는 복합섬유를 단독으로 혼입하는 경우보다는 분말과 함께 혼입하는 경우가 폭렬방지재의 혼입량 내지 섬유의 혼입량 대비 유동성 개선과 폭렬방지효과 발휘에 더욱 효과적이라고 하겠다.

도 1a 내지 도 1d는 본 발명의 실험예에 따라 수행한 슬럼프 실험결과이다.

도 2a 내지 도 2d는 본 발명의 실험예에 따라 수행한 압축강도 실험결과이다.

도 3a 내지 도 3d는 본 발명의 실험예에 따라 수행한 내화 실험결과이다.

Claims

고강도 콘크리트의 폭렬방지를 위한 폭렬방지재로서,

분말과 섬유가 1:1~3의 용적비로 조성되되,

상기 분말은 직경이 0.10~0.5mm이고 용융점이 110~150℃인 폴리머분말이고,

상기 섬유는 직경이 0.05~0.10mm이면서 길이가 5~25mm이고 용융점이 150~190℃인 제1섬유로 이루어진 단일섬유이며,

상기 제1섬유는 폴리프로필렌섬유임을 특징으로 하는 복합소재 폭렬방지재.
고강도 콘크리트의 폭렬방지를 위한 폭렬방지재로서,

분말과 섬유가 1:1~3의 용적비로 조성되되,

상기 분말은 직경이 0.10~0.5mm이고 용융점이 110~150℃인 폴리머분말이고,

상기 섬유는 직경이 0.05~0.10mm이면서 길이가 5~25mm이고 용융점이 150~190℃인 제1섬유와 직경이 0.01~0.05mm이면서 길이가 5~25mm이고 용융점이 190~250℃인 제2섬유가 혼합된 복합섬유이며,

상기 제1섬유는 폴리프로필렌섬유이고,

상기 제2섬유는 나일론섬유 또는 폴리비닐알코올섬유임을 특징으로 하는 복합소재 폭렬방지재.
제2항에서,

상기 섬유는 제1섬유와 제2섬유가 1:1의 용적비로 조성된 복합섬유임을 특징으로 하는 복합소재 폭렬방지재.
고강도 콘크리트에서 상기 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항의 복합소재 폭렬방지재를 콘크리트 용적의 0.1~0.2vol%로 혼입한 것을 특징으로 하는 고강도 내화 콘크리트.