KR101227379B1 - 내화 및 단열 성능이 우수한 친환경 내화재 조성물 - Google Patents

Abstract

본 발명은 내화 및 단열 성능이 우수한 친환경 내화재 조성물에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 무기산화물, 골재, 폴리머, 광물질 및 고분자 섬유를 포함함으로써 고강도, 고내구성 뿐만 아니라 내화 및 단열 성능이 우수한 친환경 내화재 조성물에 관한 것이다.
상기와 같은 본 발명에 따르면, 시멘트를 전혀 사용하지 않거나 적게 사용한 고강도 내화 재료로써, 신규 및 기존 구조물에 적용하여 내화 성능을 향상시키고, 폭렬 및 박리를 방지하면서 친환경적인 효과가 있다.

Description

내화 및 단열 성능이 우수한 친환경 내화재 조성물{ECO-FRIENDLY REFRACTORY MATERIAL COMPOSITION WITH HIGHLY IMPROVED REFRACTORY AND ADIABATIC}

본 발명은 내화 및 단열 성능이 우수한 친환경 내화재 조성물에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 무기산화물, 골재, 폴리머, 광물질 및 고분자 섬유를 포함함으로써 고강도, 고내구성 뿐만 아니라 내화 및 단열 성능이 우수한 친환경 내화재 조성물에 관한 것이다.

구조물의 주된 재료로 사용되는 콘크리트는 구조물의 형상과 치수에 제약을 받지 않고 사용 할 수 있다는 장점 때문에 건설재료로 많이 사용되고 있다. 하지만 콘크리트 구조물은 화재 시 폭렬 또는 박리를 하여 초기 성능을 유지 못하고 붕괴되거나, 붕괴되지 않더라도 구조물의 강도 감소로 구조물을 인위적으로 철거하고 재건설해야 하는 단점을 지니고 있다.

또한, 콘크리트의 주성분인 시멘트는 1톤 생산 시 지구 온난화의 주범인 이산화탄소를 1톤 이상 배출한다. 이 이산화탄소로 인한 지구환경파괴는 심각한 문제가 되고 있다.

따라서, 지구 온난화의 주범인 CO₂발생을 억제하는 방안으로 시멘트의 전부 또는 일부를 대체하는 친환경적 내화 재료 개발의 필요성이 대두되고 있는 실정이다.

또한, 건축 및 토목 구조물, 터널 및 지하 공간 구조물에 있어서 화재로 인한 폭렬 및 박리를 방지 할 수 있는 내화 성능을 향상시키고, 2차적인 친환경적인 재료를 사용하여 건설 산업의 선진화를 이룰 수 있는 친환경 고성능 내화 조성물의 개발이 필요하다.

대한민국 공개특허 제2005-0104156호는 도전성 내산, 내화 성능을 가진 내산·내화 모르타르 조성물에 관한 것으로서 시멘트를 다량으로 사용하는 것이 특징이며, 대한민국 등록특허 제10-0912931은 고강도 콘크리트의 폭렬을 방지하는 보드용 조성물로서 구조물의 외부에 부착하는 공법이다.

살펴본바와 같이, 친환경적인 재료를 사용하여 기존 및 신규 구조물의 내화 성능을 향상시킨 조성물에 대한 예는 전혀 개시되거나 고시된 바 없다.

결국, 본 발명의 목적은 고강도, 고내구성 뿐만 아니라 내화 및 단열 성능이 우수한 친환경 내화재 조성물을 제공하는데 그 주된 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 무기산화물, 골재, 폴리머, 광물질 및 고분자 섬유를 포함하는 내화 및 단열 성능이 우수한 친환경 내화재 조성물을 제공한다.

상기와 같은 본 발명에 따르면, 시멘트를 전혀 사용하지 않거나 적게 사용한 고강도 내화 재료로써, 신규 및 기존 구조물에 적용하여 내화 성능을 향상시키는 효과가 있다.

또한, 신규 및 기존 구조물에 적용함으로써 폭렬 및 박리를 방지하는 효과가 있다.

또한, 시멘트 대신 산업부산물인 무기산화물을 사용함으로써 친환경적인 효과가 있다.

도 1은 실시예 1의 압축강도 시험 결과를 나타낸 그래프이다.
도 2는 내화 시험 후 잔존율을 나타낸 그래프이다.

이하, 본 발명을 상세히 설명한다.

본 발명은 무기산화물, 골재, 폴리머, 광물질 및 고분자 섬유를 포함하는 내화재 조성물을 제공한다.

본 발명은 기존 및 신규 콘크리트 구조물에 적용할 수 있으며 내화 및 단열 성능이 우수한 친환경 내화재 조성물에 관한 것으로, 무기 산화물, 폴리머, 광물질 및 고분자 섬유를 혼합하여 콘크리트의 폭렬 및 박리를 방지하고 내화 및 단열 성능을 향상 시킬 수 있었다.

상기 무기산화물은 실리카 퓸, 고로슬래그, 플라이 애시, 메타카올린, 알루미나, 티티니아 및 지르코니아 등으로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상의 것을 사용할 수 있으며, 보다 바람직하게는 산업 부산물인 고로슬래그 미분말을 사용한다.

고로슬래그는 생산 시 다량의 이산화탄소를 배출하는 시멘트와 달리 제철공장의 고로에서 발생하는 산업부산물이다. 상기 고로슬래그는 잠재 수경성(latent hydrauric)의 특징이 있으며, 여기서 잠재 수경성이란 분말 자체를 물과 접촉시켜도 수화반응이 거의 일어나지 않으나 알칼리 자극제를 첨가하면 수화반응이 진행되는 것을 의미한다. 따라서, 내화재 조성물의 무기산화물은 고로슬래그와 알칼리 자극제인 물유리(water glass)를 혼합하여 사용하는 것을 특징으로 한다.

또한, 무기산화물과 알칼리 자극제의 혼합비는 구성 성분에 따라 1:0.01 ~ 1:1 중량비인 것이 바람직하며, 상기 범위를 벗어날 경우 물리·화학적 특성의 저하를 유발 할 수 있다.

또한, 골재는 모래, 경량골재 및 자기골재 등으로 이루어진 군에서 1종 이상 선택하여 사용하는 것이 바람직하다.

경량골재는 대부분 다공질 소성체로 골재 내부에 다량의 공극이 일정비율로 형성되는 특징이 있으며, 이로 인해 열전도율이 낮고 수분의 이동이 용이하여 내화재료로 많이 이용되고 있다. 또한, 경량골재는 표면의 요철이 발달하여 페이스트와 결합력이 강하게 작용한다.

경량골재와 모래를 혼합하여 사용할 경우에는 무기산화물 100중량부에 대해 200~350중량부를 사용하는 것이 바람직하며, 경량골재와 모래의 혼합 비는 체적비로 1:0.1 ~ 1:2(모래:경량골재)로 사용하는 것이 바람직하다. 경량골재의 양이 많으면 높은 강도의 제품을 생산하기 어렵고, 반면 양이 적으면 내화성능의 저하가 발생 할 수 있다.

자기골재(porcelain)는 1200℃ 이상의 온도에서 유리 및 크리스탈 형태로 변하는 것을 이용하여 예전부터 도자기제품에 사용되어 왔다. 이는 내화테스트가 1200℃ 이상의 온도범위까지 열을 가하므로 자기골재를 사용하여 내화 조성물을 제작하였을 때 내화테스트 후 잔류 강도가 일반 골재를 사용한 내화 조성물과 비교하여 매우 뛰어남을 알 수 있었다.

또한, 자기골재는 무기산화물 100중량부에 대해 10~100중량부로 포함하는 것이 바람직하며, 자기골재의 양이 적으면 내화 후 잔류강도의 저하가 발생할 수 있으며, 반면 100중량부 이상 포함할 경우에는 강도저하 및 내화 실험 시 폭렬을 유발할 수 있다.

또한, 본 발명에 사용가능한 폴리머는 특별히 한정되지 않으나, 재유화형 분말 수지(또는 분말 에멀젼이라고도 한다)라면 어느 것이든 사용할 수 있으나 바람직하게는 폴리비닐계 수지를 사용하며, 더욱 바람직하게는 에틸렌-비닐아세테이트(EVA) 또는 폴리비닐아세테이트(poly vinyl acetate)를 사용한다. 이 때, 폴리머는 무기산화물 100중량부에 대해 0.6 내지 30중량부로 포함되는 것이 바람직하다.

폴리머는 비교적 큰 세공을 충진하고 연속 폴리머 필름을 생성하는 조직 구조가 형성되기 때문에 통상 폴리머의 증가에 따라 흡수 및 투과에 대한 저항성이 개선된다고 할 수 있다.

상기 광물질로는 펄라이트, 질석 및 규조토로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상의 것을 사용할 수 있으며, 보다 바람직하게는 펄라이트를 사용한다.

펄라이트 원석을 8내지 12메쉬(mesh) 이하로 분쇄하고 1,000℃ 이상의 고열을 급격히 가하면 펄라이트 내 함유된 휘발성분이 가스화하여 연화된 입자의 내부에서 팽창하면서 내부 기공이 형성된다. 입자의 표면에 형성된 것은 밖으로 분출되면서 펄라이트 본래 부피의 약 10 내지 20배 정도로 팽창하게 된다. 이 때문에 팽창 펄라이트는 가벼운 비중을 가지며 무수한 다공질로서 분체간에 점접촉으로 연결되어 펄라이트 자체의 고체 열전도는 매우 적고 펄라이트 입자간의 공극에 미립자가 충전되어 대류를 방지함은 물론 펄라이트 입자 색상이 백색이기 때문에 복사에 대한 단열성도 뛰어나게 된다.

본 발명에서 펄라이트는 0.1~0.35의 비중을 갖는 것이 바람직하며 펄라이트의 비중이 0.1이하인 경우 조성물에서의 강도 저하와 내구성능의 감소가 나타날 우려가 있으며, 비중이 0.35이상인 경우 열전도가 높아져 단열성능이 감소하게 될 우려가 있다.

또한, 상기 고분자 섬유는 폴리프로필렌 섬유, 폴리에틸렌 섬유, 셀룰로오즈 섬유, PVA 섬유, 폴리플레인계 섬유, 나일론 섬유, 아크릴 섬유, 유리섬유, 탄소섬유 및 아라미드 섬유로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 것을 사용하는 것을 특징으로 하며, 고분자 섬유를 포함할 경우 폭렬의 발생을 저감시키고 균열을 제어할 수 있다.

또한, 상기 고분자 섬유는 전체 내화조성물의 체적에 대해 0.01~5%로 포함하는 것이 바람직하며, 이보다 적게 사용할 경우 폭렬 발생률이 높아지며 성능이 미비해 지고 반면, 이보다 많이 사용할 경우 섬유의 뭉침이나 효과 면에서 미비해 진다.

고분자 섬유의 사용은 모르타르 및 콘크리트가 수축할 때 구속에 의해 발생하는 인장 응력과 균열을 제어하고 인성의 증가와 충격, 마모, 피로에 대한 저항성을 증대시키며, 화재로 인한 콘크리트 폭렬을 감소시키는 효과를 지니고 있다.

본 발명의 조성물은 상기 구성 성분 외에도 물, 고유동화제, 고성능 감수제, 소포제 및 수축저감제로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상의 화합물을 더 포함할 수 있다. 또한 상기 고유동화제로는 분말형 고유동화제를 사용할 수 있으며, 보다 바람직하게는 폴리카르본산계 고유동화제를 사용할 수 있다.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 한다. 이들 실시예는 오로지 본 발명을 예시하기 위한 것으로서, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되는 것으로 해석되지는 않는 것은 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.

실시예 1.

고로 슬래그 1667g(100중량부), 물유리 333g(20중량부), 자기골재인 퍼셀린 125g(7.5중량부)를 사용하고 인조규사 2333g(140중량부), 폴리프로필렌 섬유 체적비 0.1%, 여기에 혼합수 1083g, 적정량의 소포제, 수축저감제, 응결지연제 및 고유동화제를 첨가한 후 혼합하여 고강도 친환경 내화재 조성물을 제조하였다.

하기 표1은 상기 실시예 1에 따른 성분별 배합비를 나타낸 것이다. 배합명 1은 시멘트를 사용하지 않은 배합이며, 배합명 2는 슬래그와 시멘트를 각각 50:50으로 사용한 배합이고, 배합명 3은 배합명 1의 대조군으로 자기골재를 첨가하지 않은 배합이다.

실시예 2.

하기 표 2는 상기 실시예 1의 대조군으로 시멘트만을 사용한 배합비이다.

실험예 1.

실시예 1, 2의 압축강도를 측정하였다. 시험 방법은 한국산업규격 KS F 2476에 규정된 공시체 제작 및 강도측정방법에 의하여 실시하였으며 그 결과 하기 표 3 및 도 1에 나타내었다.

그 결과, 시멘트만 사용한 배합명 C에 비해 슬래그만을 사용한 1, 3번 배합의 경우 높은 압축강도를 나타내었다. 또한, 슬래그와 시멘트비가 1:1인 2번 배합에서는 35.86MPa로 높은 압축강도를 나타내었으나 C배합보다는 조금 낮은 강도를 발현하였다.

실험예 2.

실시예 1, 2번 배합의 내화 실험 후 잔류 강도 및 잔존율을 측정하였다. 내화 시험은 RABT 시간온도곡선을 이용하여 실시하였다. 이 RABT곡선은 5분내 1200℃에 도달하여 30분간 지속된 후 110분 동안 냉각되는 형상을 보이고 있다. 이는 Eureka 499 프로젝트에서 터널 내 자동차, 대형트레일러 및 기차와 지하철에 대한 실물화재실험에서 얻어진 결과를 토대로 만들어진 시간가열온도곡선이다.

그 결과, 표 4 및 도 2에서 보듯이 배합명 1은 배합명 3과 비교하여 잔존율이 높은 것을 볼 수 있었다. 이는 자기골재의 영향으로 약 7.7% 향상된 것으로 보여지며 이는 시멘트를 사용했을 경우(배합명 C)보다 높은 잔존율을 나타내고 있다.

이상, 본 발명의 내용의 특정한 부분을 상세히 기술하였는바, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서, 이러한 구체적인 기술은 단지 바람직한 실시양태일 뿐이며, 이에 의해 본 발명의 범위가 제한되는 것이 아닌 점은 명백할 것이다. 따라서, 본 발명의 실질적인 범위는 첨부된 청구항들과 그것들의 등가물에 의해 의하여 정의된다고 할 것이다.

Claims (15)

1. 고로슬래그와 물유리(water glass)를 1:0.01 내지 1:1의 중량비로 혼합한 무기산화물;과
   모래, 경량골재 및 자기골재로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상의 골재;와
   에틸렌-비닐아세테이트(ethylene vinyl acetate,EVA) 또는 폴리비닐아세테이트(poly vinyl acetate) 중 선택되는 하나의 폴리머;와
   펄라이트, 질석 및 규조토로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상의 광물질; 및
   폴리프로필렌 섬유, 폴리에틸렌 섬유, 셀룰로오스 섬유, 폴리비닐알콜 섬유, 폴리플레인계 섬유, 나일론 섬유, 아크릴 섬유, 유리섬유, 탄소섬유 및 아라미드 섬유로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상의 고분자 섬유를 포함하는 내화재 조성물.
   
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 골재는 모래와 경량골재를 혼합한 것으로서, 상기 무기산화물 100중량부에 대하여 200 내지 350중량부를 포함하는 것을 특징으로 하는 내화재 조성물.
   
3. 제 2 항에 있어서,
   상기 모래와 경량골재가 혼합된 골재는 모래와 경량골재를 1:0.1 내지 1:2의 체적비로 혼합된 것을 특징으로 하는 내화재 조성물.
   
4. 제 1 항에 있어서,
   상기 폴리머는 상기 무기산화물 100중량부에 대하여 0.6 내지 30중량부를 포함하는 것을 특징으로 하는 내화재 조성물.
   
5. 제 1 항에 있어서,
   상기 내화재 조성물은 물, 고유동화제, 고성능 감수제, 소포제 및 수축저감제로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 내화재 조성물.
   
   
   
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