KR101177740B1

KR101177740B1 - 초고강도 경량 내화건축조성물 및 그를 이용한 내화건축재 제조방법

Info

Publication number: KR101177740B1
Application number: KR20100038747A
Authority: KR
Inventors: 소형석; 백종선
Original assignee: 백종선; 서남대학교 산학협력단
Priority date: 2010-04-27
Filing date: 2010-04-27
Publication date: 2012-08-28
Also published as: KR20110119175A

Abstract

본 발명은 시멘트 570~950kg, 실리카흄 142~528kg, 고로슬래그미분말 0~475kg, 밀도는 2.65g/cm³이고, 평균입경은 0.3～0.5mm, SiO₂ 함량은 76%의 규사(quartz sand) 1050kg, 19mm 길이의 폴리프로필렌섬유0.9~2.6kg, 고성능감수제 20.6~30.6kg으로 조성된 초고강도 경량 내화건축조성물 및 그를 이용한 내화건축재 제조방법에 관한 것이다.

Description

초고강도 경량 내화건축조성물 및 그를 이용한 내화건축재 제조방법{Ultra-high strength light-weight fireproof cement composites and the manufacture as the fireproof construction materials}

본 발명은 실리카흄을 최밀 충전이론에 의해 시멘트 및 석영세사(0.5mm이하)의 혼합물에 적정 첨가하여 초고강도화하고 합성섬유(폴리프로필렌섬유)를 혼입함으로써 고인성화 및 내화성능을 크게 향상시킨 초고강도 경량 내화건축조성물 및 그를 이용한 내화건축재 제조방법에 관한 것이다.

행정자치부의 화재통계연보에 따르면 국내 화재 건수는 연평균 약 30,000건이 발생하고 있으며, 피해액은 연간 1,400억에 이르고 있다. 특히 화재 발생비율을 살펴보면, 주택 및 아파트, 공장, 음식점, 호텔 등 건축물에서 전체 화제의 50% 이상 차지하고 있으며 이러한 건축물의 주요 구조부재는 콘크리트이다. 일반적으로 콘크리트는 다른 구조재료에 비해 열전도율이 낮고 완전 붕괴에 도달하기까지의 에너지 소산능력이 우수하기 때문에 화재시 오랜 시간동안 소요의 성능을 유지하며 어떠한 유해가스나 연기 등을 배출하지 않는 내화성능이 우수한 내화재료로서 잘 알려져 있다.

고강도 콘크리트의 폭렬은 대부분 화재발생 1시간 이내에 나타나기 때문에 고층 혹은 초고층건물의 경우 많은 인명손실 등 극히 위험한 상황에 처해질 수 있으며, 이러한 사실이 2004년～2008년도의 각종 메스컴 및 중앙일간지 등의 보도 자료로 이슈화됨에 따라 지난 2008년 7월 『고강도 콘크리트 기동?보의 내화성능 관리기준』이 국토해양부의 『건축물의 피난?방화구조 등의 기준에 관한 규칙』에 개정되어 50MPa 이상의 고강도 콘크리트에 대한 내화성능 확보방안을 마련하도록 의무화하고 있다.

국내의 경우 고강도 콘크리트의 폭렬에 대한 문제는 2000년대 중반이후 중앙일간지나 매스컴을 통해 그 피해사례들이 보고되면서 사회적으로 이슈화되었고, 지난 2008년 7월 『고강도 콘크리트 기동?보의 내화성능 관리기준』이 국토해양부의 『건축물의 피난?방화구조 등의 기준에 관한 규칙』에 개정되어 50MPa 이상의 고강도 콘크리트에 대한 내화성능 확보방안을 마련함에 따라 국내 각 주요 건설사에서도 고강도 콘크리트의 폭렬을 고려한 각종 내화공법의 개발에 박차를 가하고 있다.

최근 고강도 콘크리트 부재의 폭렬을 효율적으로 제어하기 위한 연구 및 개발은 크게 2가지 방향으로 진행되고 있다. 첫째는 콘크리트 폭렬의 주요 요인인 콘크리트 내부의 수증기압 및 열응력 유발요인을 제거하는 방법이며, 두 번째는 내화물이나 내화도료 및 내화모르타르, 강관 등을 이용하여 콘크리트 표면을 피복함으로써 화재시 화열을 차단하고 부재의 온도상승을 제어하는 방법이다. 먼저 화재시 콘크리트 내의 수분이동을 용이하게 하여 수증기압의 생성을 저감하는 방법으로는 합성섬유의 혼입이 주로 논의되었고 합성섬유로 폴리프로필렌섬유(이하 PP섬유라 함)가 주로 이용되고 있다. 즉, PP섬유를 혼입함으로써 수증기나 수분, 가스 등이 빠져나갈 수 있는 미세경로를 만들어 주는 방법이며, 현재 개발 및 실용화되어 내화성능 기술인증을 취득한 재료 및 공법을 소개하면 다음과 같다.

?AFR(Advanced Fire Resistance) 콘크리트는 일본 대형 건설사에서 개발 및 실용화되었으며, 이것은 설계기준강도 80～120MPa 범위의 고강도콘크리트에 PP섬유를 혼입함으로써 화재시 PP섬유의 융해 및 소실에 의해 콘크리트의 미세경로를 형성하고 열팽창력 및 수증기압을 완화하여 표층부의 박락이나 비산을 방지하는 내화공법이다. 혼입섬유의 직경은 0.012～0.2mm, 길이는 5～20mm이며 혼입률은 콘크리트 부피비로 0.1～0.35% 범위에서 혼입되었다.

?FPC(Fire Performance Concrete) 공법은 PP섬유 대신 PP분말을 고강도 콘크리트에 혼입하여 제조한 것으로 역시 일본 건설사로부터 개발되었다. FPC공법에 사용하는 PP분말은 융점이 약 165℃이며 밀도는 0.9 g/cm³이며 질량비로 약 1～3 kg/m³을 혼입한다. 분말상의 형태로 혼입하기 때문에 혼합시의 영향이 적으며 분산성이 우수하고 섬유 뭉침(Fiber ball)현상이 발생하지 않는다.

두 번째, 내화재료를 이용하여 고강도 콘크리트의 표면을 피복함으로써 화재시 화열을 차단하고 부재의 온도상승을 제어하는 방법에는 재료적인 접근방법과 공학적인 접근방법이 있다. 먼저 재료적인 접근방법으로는 고내화성을 가지는 SiO₂계, SiO₂-Al₂O₃계, Al₂O₃계, MgO계 등의 내화재료를 이용하여 표층부에 ① 뿜칠하여 도포하는 방법, ② 액체상태로 혼입하여 사용하는 방법, ③ 표층부의 성상변화를 유도하여 내화성능을 유지하는 방법이 제시되고 있으며, ②, ③방법이 가 내구성 확보나 공사비 측면에서 유리한 것으로 보고되어 있다. 그리고 공학적인 접근방법으로는 강관을 이용하여 피복하거나 메탈라스나 폭렬구속 철근의 배치를 통한 횡구속을 이용하여 보강하는 방법, PP섬유판 등의 내화 보강판을 콘크리트에 부착하는 방법 등이 제시되고 있다.

?FIRECC(Fire Reinforced Concrete Column) 공법은 섬유혼입 규산칼슘판 및 세라믹계 경질내화피복 모르타르, 셀룰로스 섬유혼입모르타르 등의 내화재료를 이용하여 고강도 콘크리트의 기둥을 피복하는 방법이다. 이 방법은 전술한 열의 전도를 판 및 세라믹계 방안으로서 제시된 방안으로 피복을 이용하며 60～100MPa 범위의 고강도 콘크리트에 사용된다.

현재 국내 각 주요 건설사들도 고강도 콘크리트의 폭렬저감을 위한 각종 내화공법의 개발에 박차를 가하고 있으며, 각 건설사별 개발 및 적용되고 있는 내화재료 및 공법에 대해 요약?정리하면 표 1과 같다.

최근 RC 구조물의 초고층화, 장스팬화 경향으로 고강도 재료의 활용이 활발해 지면서 50MPa 정도의 고강도 콘크리트가 상용화되고 있는 실정이고, 대부분 초고층 건물의 용도가 주거용건물인 만큼 화재에 대한 대책마련은 간과할 수 없는 부분이다. 따라서, 화재발생시 구조부재의 내력저하의 주원인인 고강도 콘크리트의 폭렬억제를 위한 내화재료 및 공법의 개발은 시급히 해결되어야할 과제이며,

상기와 같은 종래의 내화건축재료 및 공법들은 내화성능면이나 시공성, 경제성(공사비) 등 어느 한부분이 취약한 단점을 갖고 있어 이들을 모두 만족시킬 수 있는 초고강도(100MPa 이상)이면서 경량인 경제성 있는 내화건축조성물 및 그 제조방법의 개발이 본 발명이 해결하고자 하는 과제인 것이다.

본 발명은 상기와 같은 과제를 해결하기 위하여 시멘트 570~950kg, 실리카흄 142~528kg, 고로슬래그미분말 0~475kg, 밀도는 2.65g/cm³이고, 평균입경은 0.3～0.5mm, SiO₂ 함량은 76%의 규사(quartz sand) 1050kg, 19mm 길이의 폴리프로필렌섬유 0.9~2.65kg, 고성능감수제 20.6~30.6kg으로 조성된 초고강도 경량 내화건축조성물 및 그를 이용한 내화건축재 제조방법을 제공하는 것이 본 발명이 이루고자 하는 과제 해결 수단인 것이다.

본 발명은 반응성 분체로서 실리카흄과 고로슬래그미분말과 같이 산업폐기물이 이용됨에 따라 저렴한 생산단가의 고부가성 건축재료의 개발과 함께 환경오염의 억제 및 자원절약 효과가 있으며, 내화성능이 우수할 뿐 아니라 수열온도의 상승으로 혼입된 폴리프로필렌섬유(융해점; 170℃)가 녹으면서 매트릭스 내부에 투기성이 좋은 유기적으로 연결된 미세 네트워크를 형성시켜 수증기나 수분, 가스 등의 배출을 용이하게 함으로써 초고강도 콘크리트인 내화건축재의 폭렬을 억제하며 우수한 내화성능이 있으며, 압축강도는 100MPa이상으로 기존제품보다 (압축강도; 20~25MPa)보다 약 5배 이상 높은 반면 비중은 2.1내외로, 취급 및 운송, 시공이 용이한 효용가치가 매우 큰 장점이 있는 것이다.

도 1. 표준 시간-가열 온도 곡선
도 2. 실리카흄의 혼입율(SF/C)과 양생조건에 따른 각 공시체들의 재령 28일 압축강도 및 밀도 특성
도 3. 고로슬래그미분말의 혼입율(BFS/C)에 따른 각 공시체들의 유동성, 압축강도(28d) 및 밀도 특성
도 4. 결합재에 대한 골재비(a/B)에 따른 각 공시체들의 재령 28일 압축/휨강도, 유동성 및 밀도 특성
도 5. 충전재의 혼입율(FS/a)에 따른 각 공시체들의 재령 28일 압축 및 휨강도, 밀도 특성
도 6. 양생조건을 달리한 각 공시체들의 재령에 따른 압축강도 특성
도 7. 양생조건을 달리한 각 공시체들의 재령에 따른 휨강도 특성
도 8. 구성재료 및 배합조건에 따른 각 공시체의 세공구조특성
도 9. 양생조건에 따른 각 공시체의 세공구조특성
도 10. 양생조건에 따른 각 공시체의 XRD 분석결과
도 11. 실시예3과 실시예8 공시체의 섬유 혼입율에 따른 내화성능측정 결과

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 시멘트 570~950kg, 실리카흄 142~528kg, 고로슬래그미분말 0~475kg, 밀도는 2.65g/cm³이고, 평균입경은 0.3～0.5mm, SiO₂ 함량은 76%의 잔골재 525~1400kg, 밀도 2.65 ,입자들의 평균 크기가 약 45㎛이고 SiO₂ 함량이 82%이상인 규사(quartz sand) 미분말인 충전제 105~525kg, 19mm 길이의 폴리프로필렌섬유0.9~4.4kg, 고성능감수제 20.6~31kg으로 조성된 초고강도 경량 내화건축조성물 및 그를 이용한 내화건축재 제조방법에 관한 것이다.

본 발명의 결합재는 국내 S사의 보통 포틀랜드시멘트와, 혼화재로 캐나다산 실리카흄과 광양제철소산 고로슬래그미분말을 각각 사용하였다. 이들의 물리?화학적 성질은 표 2와 같다.

본 발명에서 사용되는 골재는 잔골재로는 0.5mm 이하의 규사(quartz sand)를 사용하였다. 사용된 규사의 밀도는 2.65g/cm³이고, 평균입경은 0.3～0.5mm, SiO₂ 함량은 76%였다.

본 발명의 충전재는 입자들의 평균 크기가 약 45㎛이고 SiO₂ 함량이 82%이상인 규사(quartz sand) 미분말을 사용하였으며, 밀도는 2.65g/cm³이다.

본 발명의 고성능감수제는 국내 E사의 폴리카본산계로서 밀도 1.19g/cm³, 고형분 40%의 암갈색 액상상태로 사용하였다.

본 발명의 폴리프로필렌섬유는 초고강도 시멘트 복합체의 인성 및 균열저항성, 내화성능 등을 향상시키기 위해 폴리프로필렌섬유를 사용하였으며, 그 물리적 성질은 표 3과 같다.

본 발명의 양생조건은 4가지로 구분되며,

양생조건 I은 20±2℃ 수중양생 방법이며, 공시체를 성형하여 항온항습실(20±2℃, RH 60±5%)에서 1일(24hr)간 존치한 후 탈형하여 수중 양생조(20±2℃)에서 27일 동안 수중양생하며,

양생조건 II는 20±2℃ 기건양생 방법이며, 공시체를 성형하여 항온항습실(20±2℃, RH 60±5%)에서 1일(24hr)간 존치한 후 탈형하여 항온항습실내에서 27일 동안 기건양생하고,

양생조건 III은 90℃ 증기양생 방법이며, 공시체를 성형한 후 바로 증기 양생기에 넣고 2시간의 전치시간을 거쳐 90℃로 24시간 증기양생(승온속도 20℃/hr)한 후 항온항습실(20±2℃, RH 60±5%)에서 27일 동안 기건양생하며,

양생조건 IV는 160℃ 고온고압 증기양생 방법이며, 공시체 성형 후 항온항습실(20±2℃, RH 60±5%)에서 1일(24hr)간 존치한 후 탈형하여 고온고압 증기양생기(autoclave)에 넣고 온도 160℃, 압력 146.5psi(10.3kgf/cm²)의 조건으로 24시간 양생한 후 항온항습실에서 26일 동안 기건양생하였다.

이하 본 발명을 실시예를 통하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

실시예1~3(시리즈1)

시멘트에 대한 실리카흄의 혼입율(SF/C)을 25, 50, 80중량%까지 증가시킨 배합조건으로서 사용재료 중 가장 저밀도인 실리카흄의 혼입율을 증가시키고, 원료는 강제식 혼합믹서(10ℓ)를 이용하여 혼합되었으며 시멘트, 혼화재, 잔골재, 충전재 등의 분체재료를 투입한 후 1분간 건식 혼합하고, 건식 혼합물에 배합수, 폴리프로필렌섬유, 고성능감수제로 국내 E사의 폴리카본산계로서 밀도 1.19g/cm³, 고형분 40중량%의 암갈색 액상상태로 첨가하여 약 4분간 혼합하여 내화건축조성물을 제조한 다음,

항온항습실(20±2℃, RH 60±5%)에서 1일(24hr)간 존치한 후 탈형하여 고온고압 증기양생기(autoclave)에 넣고 온도 160℃, 압력 146.5psi(10.3kgf/cm²)의 조건으로 24시간 양생한 후 항온항습실에서 27일 동안 양생하여 내화 건축재를 제조하였다.

이때 각 원료의 목표 테이블 플로우값은 130±5mm이다. 실시예1~3의 조성성분 및 조성성분비는 표4에 도시된 바와 같다.

(실시예3의 내화건축조성물을 양생조건 IV(160℃ 고온고압양생)로 제조한 내화건축재의 물성: 재령 28일 압축강도: 145~150 MPa, 재령 28일 휨강도: 25~30 MPa, 밀도(기건상태): 1.82 g/cm³⁾

실시예 4~8(시리즈II)

실시예5( SF20-BFS5)와, 실시예6(SF15-BFS10) 배합은 실시예1(SF25)의 기본배합(SF/C=25중량%)에서 실리카흄의 5중량%, 10중량%를 고로슬래그미분말로 혼입한 것으로서, 실시예7(SF25- BFS83) 배합은 실시예1(SF25)에 대해 단위시멘트량을 감소시키면서 고로슬래그미분말의 혼입율(BFS/C)을 83중량%까지 크게 증가시킨 것이고, 실시예8(SF25-BFS83-1)은 동일 물-결합재비(W/B) 16중량%에서 실시예7(SF25-BFS83)의 유동성이 크게 증가(Table flow 200mm)됨에 따라 목표 테이블 플로우 130±5mm를 만족하도록 단위수량을 감소시킨 배합이며,

모든 원료는 강제식 혼합믹서(10ℓ)를 이용하여 혼합되었으며 시멘트, 혼화재, 잔골재, 충전재 등의 분체재료를 투입한 후 1분간 건식 혼합하고, 건식 혼합물에 배합수, 폴리프로필렌섬유, 고성능감수제로 국내 E사의 폴리카본산계로서 밀도 1.19g/cm³, 고형분 40%의 암갈색 액상상태를 첨가하여 약 4분간 혼합하여 내화건축조성물을 제조한 후, 제조된 내화건축조성을 성형틀에 넣어 성형한 다음,

항온항습실(20±2℃, RH 60±5%)에서 1일(24hr)간 존치한 후 탈형하여 수중 양생조(20±2℃)에서 27일 동안 수중양생하여 내화건축재를 제조하였다.

실시예4~8의 조성성분 및 조성성분비는 표4에 도시된 바와 같다.

실시예8의 내화건축조성물을 양생조건 I(20℃ 수중양생)로 제조한 내화건축재의 물성: 재령 28일 압축강도: 135~145MPa, 재령 28일 휨강도: 20~27MPa, 밀도(기건상태): 2.17 g/cm³

실시예 9~12(시리즈III)

모든 원료는 강제식 혼합믹서(10ℓ)를 이용하여 혼합되었고, 시멘트, 혼화재, 잔골재, 충전재 등의 분체재료를 투입한 후 1분간 건식 혼합하고, 건식 혼합물에 배합수, 폴리프로필렌섬유, 고성능감수제로 국내 E사의 폴리카본산계로서 밀도 1.19g/cm³, 고형분 40중량%의 암갈색 액상상태를 첨가하여 약 4분간 혼합하여 내화건축조성물을 제조한 다음, 성형틀에 내화건축조성물을 넣어 성형틀에 넣어 성형한 후,

항온항습실(20±2℃, RH 60±5%)에서 1일(24hr)간 존치한 후 탈형하여 항온항습실내에서 27일 동안 기건양생하여 내화건축재를 제조하였다.

이때 목표 테이블 플로우값은 130±5mm이다.

실시예9~12의 조성성분 및 조성성분비는 표4에 도시된 바와 같다.

실시예 13~16(시리즈IV)

공시체의 강도향상을 위해 실시예1(SF25)의 기본배합에 충전재(규사 미분말)를 사용 골재의 10중량%, 30중량%, 50중량%로 각각 혼입시킨 배합하였으며,

모든 원료는 강제식 혼합믹서(10ℓ)를 이용하여 혼합되었으며 시멘트, 혼화재, 잔골재, 충전재 등의 분체재료를 투입한 후 1분간 건식 혼합하고, 건식 혼합물에 합수, 폴리프로필렌섬유, 고성능감수제로 국내 E사의 폴리카본산계로서 밀도 1.19g/cm³, 고형분 40중량%의 암갈색 액상상태를 첨가하여 약 4분간 혼합하여 내화건축조성물을 제조한 후, 제조된 내화건축조성물을 성형틀에 넣어 성형 한 다음, 증기 양생기에 넣고 2시간의 전치시간을 거쳐 90℃로 24시간 증기양생(승온속도 20℃/hr)한 후 항온항습실(20±2℃, RH 60±5%)에서 27일 동안 기건양생하하여 내화건축재를 제조하였다.

이때 목표 테이블 플로우값은 130±5mm 이다. 실시예13~16의 조성성분 및 조성성분비는 표4에 도시된 바와 같다.

주) W/B: 물/결합재 비율, SF: 실리카흄, BFS: 슬래그, S: 잔골재(Quartz), FS: 충전재, PF: 폴리프로필렌섬유(Polypropylene Fiber), SP:고성능감수제(Super-plasticizer), a/B: 결합재에 대한 골재비 Aggregate/Binder(C+SF+BFS), fs/a: 충전재 혼입율 Fine Sand/aggregate(S+FS), SF/C; 실리카흄 혼입율

실험예 1 (조직구조 분석)

실험변수에 따른 각 공시체들의 조직구조의 특성을 살펴보기 위해 본 연구에서는 세공구조의 특성과 X선 회절분석기(XRD)에 의한 수화생성물의 분석을 실시하였다. 각 공시체의 세공구조 및 XRD 분석용 시료는 재령 28일 압축강도 측정용 공시체(50×50×50mm)로부터 채취 및 파쇄 혹은 미분쇄하고 시료를 아세톤에 침적하여 D-dry처리한 후 측정하였다. 세공구조는 수은압입식 포로시메타를 이용하여 세공반경 3.75nm～10,000nm의 범위 내에서 측정하였으며, 제공된 최대압력은 46,793psi(3,290 kgf/cm²), 접촉각은 130˚, 수은의 표면 인장력은 6.95×10^-5psi(0.489×10^-5kgf/cm²)였다. 또한 XRD의 Scan speed는 4˚/min이었고 회절각은 10～60

였다.

실험예 2 (압축 및 휨강도시험)

압축강도는 KS L 5105에 준하여 50×50×50mm 입방 공시체의 재령에 따른 강도발현 특성을 측정하였고, 휨강도는 40×40×160mm의 공시체를 이용하여 중앙점재하방법에 의해 KS F 2408에 준하여 측정하였다.

실험예 3 (밀도시험)

밀도시험은 재령 28일 공시체를 대상으로 KS F 2518에 준하여 실시되었으며, 각 공시체의 절건중량을 그 체적으로 나누어 구한 절건상태의 밀도로 측정하였다.

실험예 4 (내화성시험)

내화성시험은 실시예3과 실시예8 배합을 대상으로 폴리프로필렌섬유의 혼입율을 0, 0.1, 0.2, 0.3, 0.4, 0.5%(전체 체적%비)로 혼입하여 제작된 재령 28일 공시체에 대해 KS F 2257에 준하여 표준시간-가열온도 곡선(도 1 참조)에 따라 실시하였으며, 내화성능은 내화시험 후 각 공시체의 압축강도를 내화시험 전 압축강도로 나누어 구한 잔존 압축강도비(%)로 나타내었다.

실험결과 및 고찰

1) 폴리프로필렌섬유 보강 초고강도 시멘트 복합체의 강도발현 및 밀도특성

도 2는 실시예1~3에서 사용 시멘트에 대한 실리카흄의 혼입율(SF/C)을 25%, 50%, 80중량%로 증가시킨 각 공시체의 재령 28일 압축강도와 밀도특성을 양생조건에 따라 나타낸 것이다. 도 2(a)에서 보는 바와 같이 양생조건에 관계없이 각 공시체들의 압축강도는 실리카흄의 혼입율이 증가됨에 따라 감소되었다. 그러나 그 감소기울기는 양생온도가 높아짐에 따라 완만해지고 있으며, 이는 실리카흄의 포졸란반응이 양생온도가 높아짐에 따라 활성화됨에 기인된 결과로 판단된다. 실리카흄의 혼입율 증가에 따른 각 공시체의 강도변화를 살펴보면, 20℃ 수중양생에서 실시예1(SF25)의 압축강도를 기준으로 SF50은 약 15%, 실시예3(SF80)은 약 20%정도 감소된 반면, 160℃ 고온고압양생의 경우 실시예2(SF50)는 약 4%, SF80은 8%로 감소되었다.

도 2(b)에서 보는 바와 같이 각 공시체들의 밀도는 저밀도인 실리카흄(약 2.2g/cm³)의 혼입율이 증가됨에 따라 크게 감소하고 있으며, 양생온도가 높아짐에 따라 각 공시체의 밀도는 더욱 크게 감소되는 것으로 나타났다. 특히 160℃ 고온고압양생으로부터 실시예3(SF80)(SF/C=80%)의 밀도는 약 1.82g/cm³까지 낮아졌지만, 재령 28일 압축강도는 약 150 MPa 수준이었다. 이는 실리카흄의 다량 혼입과 고온양생방법에 의해 경량의 초고강도 시멘트 복합체의 개발이 가능함을 잘 보여주는 결과이다. 일반적으로 기존 반응성 분체 콘크리트(RPC; Reactive Powder Concrete)에서 압축강도가 가장 높은 실리카흄의 혼입율(SF/C)은 25%이며, 그 이상 혼입될 경우 강도는 저하된다고 보고하고 있으며, 본 연구결과에서도 동일한 결과를 나타내었다. 그러나 고온양생방법에 의해 다량 혼입된 실리카흄의 포졸란반응을 촉진 및 활성화함으로써 강도의 감소폭을 줄일 수 있었고 동시에 밀도는 크게 낮출 수 있었다.

도 3에는 실시예1(SF25)의 기본배합에서 실리카흄의 일부를 고로슬래그미분말로 혼입한 각 공시체(실시예4~8)의 유동성(table flow), 재령 28일 압축강도 및 밀도특성(20℃ 수중양생)을 나타내었다. 도 3(a)와 표 4에서 알 수 있듯이 각 공시체의 테이블 플로우(table flow)는 동일 물-결합재비(W/B=16%)에서 고로슬래그미분말의 혼입율이 높아짐에 따라 점차 증가하고 있으며 특히 단위시멘트량을 크게 감소시키면서 고로슬래그미분말의 함량을 83%까지 증가시킨 실시예7(SF25-BFS83)의 유동성은 물-결합재비 16%에서 200mm까지 크게 증가되었다. 때문에 실시예7(SF25-BFS83)배합은 목표 테이블 플로우 130±5mm를 만족하도록 단위수량을 조절하였으며, 물-결합재비(W/B)는 13%까지 감소되었다. 도 3(b)에서 알 수 있듯이 고로슬래그미분말의 혼입율이 증가됨에 따라 각 공시체들의 압축강도는 감소되고 있으며 특히 단위시멘트량을 크게 감소시킨 실시예7(SF25-BFS83)의 경우 실시예1(SF25)의 압축강도를 기준으로 약 20% 감소되었다. 그러나 목표 테이블 플로우 130±5mm으로 물-결합재비를 13%까지 감소시킨 실시예8(SF25-BFS83) 배합의 압축강도는 실시예1(SF25) 보다 약 10 MPa이상 증가되어 144 MPa수준이었으며 도 3(C)에서 보는 바와 같이 밀도는 2.17g/cm³수준으로 실시예1(SF25)의 2.24g/cm³에 비해 낮게 나타났다. 특히 표 4에서 보는 바와 같이 실시예7(SF25-BFS83)의 배합은 단위시멘트량이 570 kg/m³으로 실시예1(SF25)(기존 RPC의 기본배합)의 단위시멘트량 950 kg/m³에 비해 크게 감소되었지만, 고로슬래그미분말의 다량 혼입(BFS/C=83%)에 따라 유동성이 크게 향상되었고, 때문에 목표 테이블 플로우(동일 유동성)를 만족시키기 위한 단위수량이 감소되면서 압축강도를 크게 향상시켰다. 반면, 시멘트에 비해 저밀도인 고로슬래그미분말이 다량 혼입되면서 밀도는 실시예1(SF25) 혹은 기존 RPC(2.5～3.0 g/cm³) 보다 크게 낮아진 저밀도 특성을 나타내었다.

도 4는 실시예1( SF25)의 기본배합에서 결합재에 대한 골재비(a/B)를 0.9, 1.2, 1.4, 1.7로 증가시킨 각 공시체(실시예9~12)의 재령 28일 압축 및 휨강도, 유동성, 밀도특성(20℃ 수중양생)을 종합적으로 나타낸 것이다. 도 4(a) 및 (b)에서 보는 바와 같이 각 공시체들의 압축 및 휨강도는 a/B가 증가됨에 따라 감소되고 있으며, a/B=1.2까지는 완만하게 그러나 그 이후 급격하게 감소되는 것으로 나타났다. 특히 a/B의 증가에 따른 강도의 감소정도는 압축강도보다는 휨강도에서 더욱 현저하였다. 또한 a/B가 증가됨에 따라 각 공시체의 유동성은 증가되었고, 중량인 골재를 다량 함유함에 따라 밀도는 2.34g/cm³까지 증가되었다.

도 5는 실시예1(SF25)의 기본배합에 충전재(규사 미분말)를 사용 골재의 10%, 30%, 50%로 혼입시킨 각 공시체들(실시예13~16)의 재령 28일 압축 및 휨강도, 밀도특성(20℃ 수중양생)을 나타낸 것이다. 도 5에서 보는 바와 같이 충전재의 혼입율(FS/a)에 따른 각 공시체의 압축 및 휨강도 발현 특성은 수중양생(20℃)인 경우 FS/a=30%에서 가장 효과적인 것으로 나타났다. 밀도는 FS/a가 증가됨에 따라 증가되었으며 FS/a=30%에서 약 2.31g/cm³이었다.

양생조건은 실리카흄과 같이 포졸란재료를 다량 함유한 초고강도 시멘트 복합체의 강도발현에서 있어 매우 중요한 변수이다. 본 연구에서는 실시예1~16에서 실시예1, 실시예5, 실시예10, 실시예14 배합을 선택하고 이들을 대상으로 4가지 양생조건(20℃수중, 20℃기건, 90℃증기, 160℃고온고압양생)으로 양생한 후 각 공시체들의 재령에 따른 압축 및 휨강도 발현 특성을 비교?분석하였다.

도 6은 실시예1(SF25), 실시예5(SF25-BFS5), 실시예10(SF25-1.2), 실시예14(SF25-FS10) 공시체들의 재령에 따른 압축강도 특성을 양생조건에 따라 나타낸 것이다. 도 6에서 알 수 있듯이 수중 및 기건양생(20℃)된 공시체의 압축강도는 배합종류에 관계없이 재령이 증가함에 따라 점차 증가되었으며, 수중 및 기건양생조건에 따른 압축강도의 차이는 없는 것으로 조사되었다. 수중양생(20℃)된 SF25의 압축강도는 재령 1일에서 약 58 MPa(수중), 재령 28일에서 약 133 MPa(수중) 수준이었고 실시예5(SF25-BFS5), 실시예10(SF25-1.2), 실시예14(SF25-FS10) 공시체들의 재령에 따른 압축강도는 양생조건에 관계없이 SF25와 비교하여 동등수준 혹은 약간 낮게 나타났다. 반면, 증기양생(90℃)이나 고온고압양생(160℃)된 각 공시체들의 압축강도는 고온양생에 의해 실리카흄이나 고로슬래그미분말의 포졸란반응이 촉진 및 활성화됨에 따라 실시예1(SF25)의 경우 90℃ 증기양생에 의해 재령 1일 압축강도가 130 MPa까지 발현되었으며, 이는 20℃ 수중 및 기건양생된 공시체의 재령 28일 압축강도 수준이었다. 특히 고온고압양생(160℃)된 실시예1(SF25)의 재령 1일 압축강도는 156MPa까지 발현되었다. 고온고압양생(160℃)에 의해 가장 높은 강도발현 특성을 나타낸 배합은 충전재(규사 미분말)를 함유한 실시예14(SF25-FS10)이었으며, 최대 168MPa의 압축강도 특성을 보였다.

한편, 도 7은 양생조건을 달리한 실시예1(SF25), 실시예5(SF25-BFS5), 실시예10(SF25-1.2), 실시예14(SF25-FS10) 공시체들의 재령에 따른 휨강도 특성을 나타낸 것이다. 도 7에서 알 수 있듯이 수중 및 기건양생(20℃)된 공시체의 휨강도는 배합종류에 관계없이 재령이 증가함에 따라 점차 증가되고 있지만, 압축강도와는 달리 양생방법에 따라 큰 차이를 보여주었다. 즉 공시체의 종류에 관계없이 기건양생된 공시체의 휨강도는 수중양생된 공시체에 비해 낮게 나타나고 있으며 그 차이는 재령이 증가됨에 따라 점차 커지고 있다. 실시예1(SF25) 공시체의 휨강도 특성에서 기건양생의 경우 약 11.7 MPa(1d)～18.8 MPa(28d)였지만, 수중양생의 경우는 약 12.6 MPa(1d)～26.8 MPa(28d) 수준으로 나타났다. 그리고 90℃증기양생이나 160℃고온고압양생된 각 공시체들의 휨강도는 압축강도결과와 같이 고온양생에 의한 포졸란반응의 촉진 및 활성화로부터 초기재령에서 높은 강도발현 특성을 나타냈으며 90℃ 증기양생의 경우 SF25의 재령 1일 휨강도는 약 24.1 MPa였고, 160℃고온고압양생에 의해 약 26.7 MPa까지 발현되었다. 그러나 공시체의 종류에 관계없이 재령의 증가에 따른 휨강도의 증가는 거의 없었다. 160℃ 고온고압양생에 의해 가장 높게 강도발현된 배합은 압축강도결과에서와 같이 실시예14(SF25-FS10)이었으며, 최대 31 MPa의 휨강도 발현특성을 보였다.

2. 폴리프로필렌섬유 보강 초고강도 시멘트 복합체의 조직구조 특성

1) 매트릭스(matrix) 내의 세공구조 특성

도 8에는 20℃ 수중양생된 각 공시체들의 세공구조 특성을 실시예1내지 15에 따라 나타내었으며, 각 공시체들의 세공구조 특성은 기존 RPC의 기본배합인 실시예1(SF25)과 상호 비교ㅇ분석되었다.

도 8의 실시예1 내지 실시예3에서 각 공시체의 전세공용적(porosity)은 실리카흄의 혼입율(SF/C)이 증가됨에 따라 증가되고 있으며, 특히 실시예2(SF50)와 실시예2(SF80)의 경우 0.1㎛(100nm)이상의 큰 세공경의 용적이 실시예1(SF25)에 비해 다소 증가되는 것으로 나타났다. 일반적으로 다량 혼입된 실리카흄은 매트릭스(matrix) 내에서 일부는 시멘트 수화시 생성되는 수산화칼슘(Ca(OH)₂)과 포졸란반응하여 수화물질을 생성하고 그 나머지는 시멘트 입자사이를 메우는 필러(filler)로서 작용할 것이다. 때문에 SF/C적이증가됨에 따라 매트릭스(matrix) 내에서 수산화칼슘(Ca(OH)₂)과 반응하는 실리카흄의 양은 감소하고 상대적으로 많은 양의 실리카흄이 단지 필러(filler)로서만 작용할 것이다.

도 8의 실시예4 내지 실시예8은 실시예1(SF25)의 기본배합에서 실리카흄의 일부를 고로슬래그미분말로 혼입한 각 공시체의 세공구조 특성을 실시예1(SF25)와 비교하여 나타낸 것이다. 도에서 보는 바와 같이 실리카흄의 일부를 고로슬래그미분말로 혼입한 공시체들의 전세공용적은 실시예1( SF25)와 비교하여 다소 높은 것으로 나타났으며 BFS/C가 증가됨에 따라 증가되었다. 그러나 실시예8(SF25-BFS83-1)(W/B= 13%)의 전세공용적은 실시예1(SF25) 보다 크게 감소되었는데, 이는 고로슬래그미분말의 다량 사용에 따른 유동성 개선효과로부터 물-결합재비가 실시예1(SF25)에 비해 크게 감소됨에 기인된 결과이다.

도 8의 실시예9 내지 실시예12에서 보는 바와 같이 결합재에 대한 골재비(a/B)가 1.2이상으로 증가됨에 따라 전세공용적이 크게 증가되고 있으며, 특히 0.1㎛(100nm)이상의 큰 세공경의 용적이 크게 증가되는 것으로 조사되었다. 또한 실시예13내지 실시예16에서 보는 바와 같이 실시예1(SF25)의 기본배합과 비교하여 골재에 대한 충전재의 혼입율(FS/a) 증가에 따른 세공구조의 큰 변화는 없었다.

한편, 도 9는 실시예1(SF25) 공시체의 양생조건에 따른 세공구조특성을 나타낸 것이다. 도 9에서 보는 바와 같이 실시예1(SF25) 공시체의 전세공용적은 수중양생(20℃)의 경우 기건양생(20℃) 보다 감소되었고 특히 양생온도가 높아짐에 따라 크게 감소하고 있다. 이는 양생온도에 따른 실리카흄의 포졸란반응 촉진 및 활성화에 기인된 결과이며 XRD에 의한 매트릭스 내의 수화생성물 분석결과에서도 확인할 수 있었다. (도 10 참조)

2) 매트릭스(matrix) 내의 수화생성물 분석

도 10은 양생조건을 달리한 실시예1(SF25) 공시체의 수화생성물에 대한 X선 회절분석(XRD)결과를 나타낸 것이다. 도 9에서 보는 바와 같이 양생온도가 높아짐에 따라 C₂S와 C₃S의 피크(peak)값이 많이 나타나고 있으며 수중양생(20℃)된 공시체를 제외하고 증기양생(90℃) 혹은 고온고압양생(160℃)된 공시체에서는 수산화칼슘(Ca(OH)₂)의 피크(peak)가 측정되지 않았다. 이는 양생온도가 높아짐에 따라 포졸란반응이 활성화되었음을 나타내는 결과이다.

3. 폴리프로필렌섬유 보강 초고강도 시멘트 복합체의 내화성능

표 5와 도 11에는 20℃ 수중양생된 실시예3과 실시예8 공시체들의 내화시험결과를 폴리프로필렌섬유 혼입율에 따라 내화시험 전 압축강도에 대한 내화시험 후 잔존 압축강도비로 나타낸 것이다. 표 5 및 도 11에서 알 수 있듯이 실시예3 및 실시예8 배합 모두 섬유혼입율 0.3%(공시체의 부피(Vol)%) 이상에서는 폭렬현상이 나타나지 않았다. 또한 내화시험 전 압축강도에 대한 내화시험 후 잔존 압축강도비는 실시예3 배합의 경우 섬유혼입율에 따라 23~27%로 나타났으며, 실시예8 배합의 경우는 28~34%수준으로 나타났다. 이때 내화시험 후 으로 나타났다잔존 압축강도비는 배합 종류에 관계없이 섬유혼입율 0.3%(Vol.%)에서 약간 높게 나타났으며, 경제성, 내화성능 등을 고려해 볼 때 섬유혼입율은 0.3%(Vol.%)정도가 적당한 것으로 평가되었다.

* 단위용적중량(kg/m³): 콘크리트 1m³당 소요 중량(kg)

4. 결론

1) 실리카흄의 혼입율(SF/C)을 80%까지 증가시키고 고온고압양생(160℃)방법을 통하여 실리카흄의 포졸란반응을 촉진 및 활성화함으로써 150 MPa의 압축강도와 1.82g/cm³의 밀도특성을 갖는 경량의 초고강도 시멘트 복합체를 제조할 수 있었다. 이는 저밀도의 초고강도 재료를 개발하기 위한 하나의 유용한 방안으로서 기대된다.

2) 실시예1(SF25)의 기본배합에서 고로슬래그미분말의 다량 혼입은 공시체의 유동성을 크게 향상시켰고 때문에 동일한 유동성 범위 내에서 물-결합재비를 크게 감소시킬 수 있었다.

즉 본 발명에서 실시예8(SF25-BFS83-1) 배합은 단위시멘트량을 570kg/m³까지 감소시켰음에도 고로슬래그미분말의 다량 사용(BFS/C=83%)에 따른 물-결합재비 감소효과로부터 압축강도를 144 MPa수준으로 향상시켰으며 밀도는 실시예1(SF25) 보다 저밀도인 2.17g/cm³수준을 유지할 수 있었다.

3)초고강도 시멘트 복합체에서 강도특성을 고려해 볼 때, 결합재에 대한 골재비(a/B)는 1.2 이내로 이용되는 것이 바람직 할 것으로 판단되며 충전재의 혼입은 160℃이내의 양생조건에서 강도발현에 큰 효과를 주지 못하는 것으로 판단된다. .

4)양생조건은 실리카흄(포졸란재)을 다량 함유한 초고강도 시멘트 복합체의 강도발현에 영향을 미치는 가장 중요한 변수이며 90℃이상의 고온양생은 매트릭스(matrix) 내의 포졸란반응을 촉진 및 활성화시켜 초기재령에서 압축 및 휨강도를 크게 향상시켰다. 이는 고온양생된 공시체의 세공구조 특성 및 XRD에 의한 매트릭스 내의 수화생성물 분석으로부터 확인할 수 있었다.

5) 20℃ 수중양생된 실시예3과 실시예8 공시체의 내화시험결과에서 섬유혼입율 0.3%(공시체의 체적%) 이상에서는 폭렬현상이 나타나지 않았으며, 내화시험 후 각 공시체의 잔존 압축강도비는 배합 종류에 관계없이 섬유혼입율 0.3%에서 가장 높게 나타나 경제성, 내화성능 등을 고려해 볼 때 적정 섬유혼입율은 0.3%정도인 것으로 판단된다.

Claims

삭제
내화건축재의 제조방법에 있어서,
시멘트 660kg, 실리카흄 528kg, 밀도는 2.65g/cm³이고, 평균입경은 0.3～0.5mm, SiO₂ 함량은 76%의 규사(quartz sand) 1050kg을 혼합믹서로 1분간 건식혼합물을 제조하고, 상기 건식 혼합물에 19mm 길이의 폴리프로필렌섬유 2.6kg, 고성능감수제 30.6kg, 물을 전체 결합재(시멘트, 실리카흄, 고로슬래그미분말) 혼합물 중량대비 16중량%를 첨가하여 4분간 혼합하여 내화건축조성물을 제조한 다음,
제조된 내화건축조성물을 성형틀에 넣어 성형한 후에, 항온항습실(20±2℃, RH 60±5%)에서 1일(24hr)간 존치한 후 탈형하여 고온고압 증기양생기(autoclave)에 넣고 온도 160℃, 압력 146.5psi(10.3kgf/cm²)의 조건으로 24시간 양생한 후 26일간 기건양생하여 제조함을 특징으로 하는 내화건축재의 제조방법.
내화건축재의 제조방법에 있어서,
시멘트 570kg, 실리카흄 143kg, 고로슬래그미분말 475kg, 밀도는 2.65g/cm³이고, 평균입경은 0.3～0.5mm, SiO₂ 함량은 76%의 규사(quartz sand) 1050kg을 혼합믹서로 1분간 건식혼합물을 제조하고, 상기 건식 혼합물에 19mm 길이의 폴리프로필렌섬유 2.6kg, 고성능감수제 20.6kg, 물을 전체 결합재(시멘트, 실리카흄, 고로슬래그미분말) 혼합물 중량대비 13중량%를 첨가하여 4분간 혼합하여 내화건축조성물을 제조한 다음,
제조된 내화건축조성물을 성형틀에 넣어 성형한 후에, 항온항습실(20±2℃, RH 60±5%)에서 1일(24hr)간 존치한 후 탈형하고 27일간 수중양생(20±2℃)하여 제조함을 특징으로 하는 내화건축재의 제조방법.