KR101438759B1 - 기능성 콘크리트 조성물 및 이를 이용한 건축용 기능성 패널 - Google Patents

Abstract

본 발명은 공동주택의 세대간 소음을 차단하고 단열특성을 부여하기 위해 제공되는 기능성 콘크리트 조성물 및 이를 이용한 건축용 기능성 패널에 관한 것이다.
더욱 상세히는 시멘트와, 플라스틱 폼으로 정의되는 발포 플라스틱 분말과 다공성 세라믹 분말을 포함하는 기능성 재료와, 분산을 도와주는 첨가제를 혼합하여 기능성 콘크리트 조성물을 조성하고, 이를 이용하여 건축용 기능성 패널을 제작함으로써, 세대간 소음 차단효과와 단열특성을 갖는 기능성 콘크리트 조성물 및 이를 이용한 건축용 기능성 패널에 관한 것이다.

Description

기능성 콘크리트 조성물 및 이를 이용한 건축용 기능성 패널{FUNCTIONAL CONCRETE COMPOSITIONS AND PANEL FOR CONSTRUCTION USING THIS}

본 발명은 공동주택의 세대간 소음을 차단하고 단열특성을 부여하기 위해 제공되는 기능성 콘크리트 조성물 및 이를 이용한 건축용 기능성 패널에 관한 것이다.

더욱 상세히는 시멘트와, 플라스틱 폼으로 정의되는 발포 플라스틱 분말과 다공성 세라믹 분말을 포함하는 기능성 재료와, 분산을 도와주는 첨가제를 혼합하여 기능성 콘크리트 조성물을 조성하고, 이를 이용하여 건축용 기능성 패널을 제작함으로써, 세대간 소음 차단효과와 단열특성을 갖는 기능성 콘크리트 조성물 및 이를 이용한 건축용 기능성 패널에 관한 것이다.

건축 환경 변화에 따른 층간 소음 규제 강화에 따라 흡·차음 및 단열 특성이 부여되는 건축자재의 시장이 증가되고 있다.

이에 맞춰 현재 신축 건축물 외에 기존 건축물에서도 간단한 시공법을 통해 이와 같은 문제를 해결할 수 있는 기술이 필요한 실정이다.

일반적으로 건축물의 바닥구조는 석고보드, 슬래브, 경량기포콘크리트, 마감몰탈을 순차적 적층구조로 하여 이루어진다. 이에 더하여 최근 바닥구조는 상기 경량기포콘크리트 하부에 단열 및 완충재를 추가로 형성하고 있다.

이와 같은 바닥구조는 경량충격음 감소효과는 있으나 중량충격음 감소효과는 떨어지기 때문에 별도의 중량충격음 저감을 위한 시공이 필요하다는 문제를 가지며, 더욱이 별도의 단열재/차음재의 사용으로 인해 추가 비용이 소요되는 문제를 갖고 있다.

본 발명과 관련하여, 대한민국 등록특허 10-0391558(등록일자 2003.07.02) '우레탄폴 콘크리트의 시공방법 및 이에 사용되는 우레탄폴 콘크리트', 대한민국 등록특허 10-0784978(등록일자 2007.12.05) '발포 우레탄 폴과 폐합성수지를 주성분으로 하는 콘크리트용 모르터 및 그 제조방법' 대한민국 등록특허 10-1208957(등록일자 2012.11.30) '우레탄 폴을 포함하는 콘크리트의 시공방법'에 대한 기술이 개시된 바 있다.

그러나 이와 같이 종래 개시된 기술들은 본 발명에서 달성하고자 하는 세대간 소음의 차단과 단열특성을 동시에 충족하기에는 부적합하여 실질 작업현장에 적용하기에는 부적합하다는 문제가 있다.

대한민국 등록특허 10-0391558(등록일자 2003.07.02) 대한민국 등록특허 10-0784978(등록일자 2007.12.05) 대한민국 등록특허 10-1208957(등록일자 2012.11.30)

본 발명은 현재 신축 건축물 외에 기존 건축물에 적용하여, 공동주택의 세대간 소음을 차단하면서 단열특성을 갖는 기능성 콘크리트 조성물을 제공하고자 하는 것을 발명의 목적으로 한다.

그리고, 상기 기능성 콘크리트 조성물을 이용한 건축용 기능성 패널을 제공하는 것을 발명의 목적으로 한다.

상기의 목적을 달성하기 위하여,

본 발명은 시멘트와,

30~500 ea/㎠의 기공을 갖는 1~10mm 크기의 발포 플라스틱 입자와,

2~100nm의 공극을 갖는 2~8mm 크기의 다공성 무기질 입자와,

상기 시멘트, 플라스틱 입자 및 무기질 입자의 사이의 분산 안정성을 높이기 위해 첨가하는 셀룰로오스 유도체, 폴리사카라이드, 폴리에틸렌 옥사이드, 폴리아크릴아마이드 중 선택되는 어느 1종 또는 2종 이상의 첨가제의 혼합으로 조성되는 것임을 특징으로 하는 콘크리트 조성물을 제공한다.

그리고 직선형태의 철선 또는 고강도 섬유 중 선택되는 어느 1종 또는 2종을 직교하도록 엮어 그물망 모양으로 제조된 메쉬형태의 구조재에, 상기 제시된 콘크리트 조성물을 넣어 양생시켜 제조된 넓이 50~150㎠, 두께 6~21㎝인 것임을 특징으로 하는 기능성 패널을 제공한다.

본 발명에 따른 기능성 콘크리트 조성물을 이용하여 제작된 패널은 건축재료로서 공동주택에 이용됨으로써, 세대간 소음 차단효과와 단열특성을 매우 높일 수 있어 건축자재로서의 기능성이 매우 뛰어나다는 장점을 갖는다.

도 1은 일반적인 공동주택 건물의 바닥구조를 도시한 도면.
도 2는 본 발명에 따른 기능성 콘크리트 조성물을 이용한 재료를 이용하여 시공된 공동주택 건물의 바닥구조를 도시한 도면.
도 3은 본 발명에 따른 기능성 콘크리트 조성물의 내부 구조를 보인 도면.
도 4는 본 발명에 따라 제조된 건축용 기능성 패널을 보인 도면.

상기한 바와 같이,

본 발명에 따른 기능성 콘크리트 조성물은 시멘트와,

30~500 ea/㎠의 기공을 갖는 1~10mm 크기의 발포 플라스틱 입자와,

2~100nm의 공극을 갖는 2~10mm 크기의 다공성 무기질 입자와,

상기 시멘트, 플라스틱 입자 및 무기질 입자의 사이의 분산 안정성을 높이기 위해 첨가하는 셀룰로오스 유도체, 폴리사카라이드, 폴리에틸렌 옥사이드, 폴리아크릴아마이드 중 선택되는 어느 1종 또는 2종 이상의 첨가제의 혼합으로 조성된다.

상기 발포 플라스틱 입자의 30~500 ea/㎠의 기공을 유지하는 조건에서 기공에 의한 경량충격음 흡수가 늘어나며, 상기 다공성 무기질 입자의 공극이 2~100nm의 범위를 유지하는 경우에 단열특성이 우수해지므로, 상기 제시된 범위에서의 발포 플라스틱 임자와 다공질 무기질 입자(이하, 발포 플라스틱 입자와 다공성 무기질 입자를 동시에 언급하고자 하는 경우에는 통칭하여 '기능성 입자'라 한다.)의 기공조건을 유지하는 것이 바람직하다.

그리고 상기 다공성 무기질 입자의 공극은 콘크리트의 건조를 늦춰주는 역할을 함으로써 콘크리트의 균열을 막아주는 기능을 하게 된다.

또한 상기 기능성 입자들의 크기는 중량충격음 감소효과, 단열, 차음특성을 고려한 수치로서, 입자의 크기가 너무 작을 경우에는 중량충격음 감소효과, 단열, 차음특성이 떨어지고, 입자의 크기가 너무 커질 경우에는 입자 분산시에 문제가 발생하게 되므로, 상기 기능성 입자들의 크기는 제시된 범위를 유지하는 것이 바람직하다.

도 1에 도시된 바와 같이, 기존 건축시공의 경우 슬래브 상부로 완충재를 설치하고, 상기 완충재 상부로 경량기포콘크리트를 설치하고, 상기 경량기포콘크리트 상부로 배관설치 후 마감몰타르를 수행하였다.

그러나 본 발명의 기술을 적용할 경우, 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 기능성 콘크리트 조성물로 이루어진 기능성 콘크리트(100)로 시공함으로써, 상기 완충재가 불필요하여 건축시공이 더욱 단순화됨으로써 공사기간, 공사비용을 절감할 수 있다.

더욱이 기존에 사용하던 완충재를 사용하지 않더라도 세대간 소음 차단효과와 단열특성을 매우 높일 수 있다는 장점을 갖는다.

이와 같은 본 발명에 따른 기능성 콘크리트(100)는 도 3에 도시된 바와 같이, 시멘트 몰타르 내부에 발포 플라스틱과 다공성 무기물 입자가 균일하게 배합됨으로써 이와 같은 기능을 수행할 수 있다.

특히, 이와 같은 기능성 콘크리트 조성물을 이용한 건축용 기능성 패널의 경우에는 이와 같은 기능성을 그대로 유지하면서 건축자재로 활용될 수 있기 때문에 그 기능성이 매우 뛰어나다.

상기 기능성 콘크리트 조성물의 구성성분 중 시멘트는 물과 반응하여 경화하는 성질이 있으며, 물과 반응하여 난용성의 수화물을 생성하는 화합물로서는 C3S, C2S, C3A, C4AF의 4종류의 시멘트 화합물이 있다. 이외에도 알루미나 시멘트의 주요 화합물로서 C12A7, CA등도 알려져 있다. 실제로 사용되고 있는 시멘트는 이들 화합물의 적절한 조합이나 양적 비율을 변화시킴에 따라 여러 가지 용도에 적합한 물성을 갖는 시멘트를 제조하게 된다.

그리고 규격화된 포틀랜드 시멘트의 종류에는 보통 포틀랜드 시멘트, 중용열 포틀랜드 시멘트, 조강 포틀랜드 시멘트, 저열 포틀랜드 시멘트, 내황산염 포틀랜드 시멘트가 있다.

시멘트는 물과 반응하여 가수분해되어 수화물을 생성하는데, 이것을 수화(Hydration)라 한다. 이 반응의 과정에서 발열을 동반하여 서서히 응결 및 경화해서 강도를 나타낸다. 시멘트가 혼합수와 접촉하면 즉각 수화 반응을 일으키고 수분 후, 혼합수의 액상은 급격하게 수산화칼슘의 과포화상태에 도달되고, 시멘트 입자의 내부와 외부에 수화물이 생성된다. 이때 생긴 초기의 수화물은 입자표면에 얇은 수화물 층을 생성시켜 수화의 진행을 방해한다. 이후 수 시간 동안 반응은 완만하게 진행되면서 시간의 경과에 따라 시멘트 입자 주위에 콜로이드상 물질(시멘트 겔)이 서로 접착해서 굳어져 간다.

상기 발포 플라스틱 입자는 발포 폴리우레탄, 발포EVA(Ethylene Vinyl Acetate), 발포 PVC(Poly Vinyl Chloride), 발포 NBR(Acrylonitrile Butadiene Rubber), 발포 SBR (styrene-butadiene rubber), 발포 BR(Butadiene Rubber), 발포SBS(Styrene Butadiene Styrene Block Copolymer) 중 선택되는 어느 1종 또는 2종 이상인 것을 사용한다.

상기 발포 폴리우레탄은 이소시안산염화합물과 글리콜의 반응으로 얻어지는 폴리우레탄을 구성재료로 하고, 구성성분인 이소시안산염과 다리결합제로 쓰는 물과의 반응으로 생기는 이산화탄소와 프레온과 같은 휘발성 용제를 발포제로 섞어서 만드는 발포 제품을 일컫는다.

상기 발포 EVA는 화학가교발포에 의해 EVA(Ethylene Vinyl Acetate Copolymer)를 발포시켜 얻어지는 것으로서, 낮은 비중과 부드러운 느낌, 적절한 강도와 충격특성이 있다.

상기 발포 PVC((Poly(vinyl chloride))는 분자량(Mw) 75,000~120,000, 입자크기 1~40㎛, 유화제 함량 1~4wt%, 공중합체 함량 0~3wt%의 특성을 갖는 PVC를 사용하여 발포한 것을 사용한다.

상기 다공성 무기질 입자는 질석, 다공성 실리카, 다공성 알루미나 중 선택되는 어느 1종 또는 2종 이상인 것을 사용하나, 더욱 바람직하게는 다공성 실리카를 사용한다.

상기 질석은 버미큘라이트(Vermiculite)라고도 하는 것으로서, 약 300℃이상으로 급격히 가열할 경우 팽창하는 특성이 있다.

상기 질석은 사면체 규산판과 팔면체 알루미나판이 2:1로 결합되어 있으며 화학성분은 Mg·Fe^{3 +}·Al₃(Al,Si)₄O₁₀(OH)₂·4H₂O로 질석은 천연상태에서 운모와 비슷한 외관을 지닌 알루미늄·마그네슘·철의 수산화규산염으로 된 점토광물이다. 이 광물은 2 : 1형 단위층과 층간에 물이 유입되면 팽창하는 광물이지만 팽창되는 수분층 두께는 물(H₂O) 2분자에 해당하는 4.98Å(Å, 옴스트롱=10^-10m)으로 한정된다.

상기 다공성 실리카는 본 발명에서 제시하는 것을 사용한다.

상기 다공성 실리카는 합성된 구형의 폴리스타이렌 에멀젼 용액과 실리카 입자의 에멀젼 용액을 혼합한 후 5분간 교반시켜 혼합용액을 조성하고,

상기 혼합용액을 70℃ 오븐에서 서서히 건조한 후, 상기 폴리스타이렌을 제거하기 위해 Tube furnace를 이용하여 450℃에서 6시간 동안 가열한다.

이렇게 해서 만들어진 다공성 실리카는 구형의 폴리스타이렌이 제거되면서 생긴 매크로포어와 실리카 입자들 사이에 존재하는 메조포어를 동시에 갖는 다공성 실리카가 된다.

구형의 폴리스타이렌(polystyrene)은 close-packed array 되었을 때 차지하는 부피비는 74vol%이고 나머지 26vol%는 세공으로 존재하게 된다.

실리카 입자의 경우에는 공간 내에 밀집되어 쌓이는데 실리카가 차지하는 전체 부피의 36%가 세공으로 존재하게 된다. 구형의 폴리스타이렌(polystyrene) close-packed array 세공에 실리카입자를 채우면 폴리스타이렌이 74%, 실리카 입자가 16.5%, 세공은 약 9.5%의 부피비를 차지한다. 무게비로 환산하면 구형의 폴리스타렌과 실리카 나노입자의 비는 1.8:1의 비율이 된다. 이 비율이 맞게 두 용액은 혼합된다.

상기 다공성 알루미나는 알루미늄을 양극 산화시켜 제조된 것으로서, 다공성 세라믹 중에서도 특히, 알루미나는 가격이 저렴하고 경도가 높고 내열성, 내화학성 등이 우수하므로 구조용 세라믹스로 널리 사용되고 있다.

상기 시멘트의 총사용량;과 기능성 입자의 총사용량;에 따른 배합비율은 부피비를 기준으로 하여 2~4:6~8로 한다.

상기 시멘트의 부피비가 2 미만으로 떨어지게 되는 경우에는 혼합콘크리트의 경화가 특성이 떨어지고, 4를 초과하게 되는 경우에는 무게를 줄일 수 없게 된다.

그리고 기능성 입자의 부피비가 6 미만으로 떨어지게 되는 경우에는 단열이나 차음 특성이 개선되지 않는 문제가 있고, 8을 초과하게 되는 경우에는 콘크리트가 잘 굳지 않게 된다.

따라서, 상기 시멘트의 총사용량과 기능성 입자의 총사용량의 비는 부피비를 기준으로 하여 2~4:6~8의 범위를 유지하는 것이 바람직하다.

그리고 상기 기능성 입자를 구성하는 발포 플라스틱 입자와, 다공성 무기질 입자간의 배합비율은 중량비를 기준으로 하여 2~8.5:1.5~8로 한다.

이때 상기 발포 플라스틱 입자의 중량비가 2 미만으로 떨어지게 되는 경우에는 경량이 되지 않으며, 8.5를 초과하게 되는 경우에는 단열특성이 떨어지게 된다.

그리고 상기 다공성 무기질 입자의 중량비가 1.5 미만으로 떨어지게 되는 경우에는 콘크리트의 강도가 약해지며, 8을 초과하게 되는 경우에는 수분조절이 어렵고 경량이 되지 않는 문제가 있다.

따라서, 상기 기능성 입자의 배합비율은 중량비를 기준으로 하여 2~8.5:1.5~8의 범위를 유지하는 것이 바람직하다.

상기 첨가제는 혼합상태가 잘 유지되도록 콘크리트 점도를 조절할 수 있는 수용성 고분자로서 셀룰로오스 유도체, 폴리사카라이드, 폴리에틸렌 옥사이드, 폴리아크릴아마이드 중 선택되는 어느 1종 또는 2종 이상인 것을 사용한다.

이때 상기 첨가제의 첨가량은 기능성 입자의 총 부피에 대해 0.2~10부피%로 첨가한다.

이때 첨가량이 0.2부피% 미만인 경우에는 기능성 입자들의 분산이 제대로 이루어지지 않고, 10부피%를 초과하게 되는 경우에는 콘크리트의 점도가 너무 높아지는 문제가 발생하게 되므로, 상기 첨가제의 첨가량은 기능성 입자의 총 부피에 대해 0.2~10부피%의 범위 내로 한정하는 것이 바람직하다.

다음으로, 상기 기능성 콘크리트 조성물을 이용한 건축용 기능성 패널에 대한 내용을 살펴보도록 한다.

상기 건축용 기능성 패널(200)은 세대간 벽을 조립식으로 구성하기 위하여 제조된 기능성 패널로서, 상기 기능성 콘크리트 조성물과 구조재를 포함하여 이루어지는 건축용 기능성 패널이다.

상기 건축용 기능성 패널은 도 4에 도시된 바와 같이, 직선형태의 철선 또는 고강도 섬유 중 선택되는 어느 1종 또는 2종을 직교하도록 엮어 그물망 모양으로 제조된 메쉬형태의 구조재에, 상기 제시된 콘크리트 조성물을 넣어 양생시켜 넓이 50~150㎠, 두께 6~21㎝인 패널로 제작한 것이다.

이때 상기 건축용 기능성 패널의 두께가 6㎝ 미만인 경우에는 원하는 벽체의 강도가 나오지 않고 올바른 차음/단열 특성이 나오지 않으며, 21㎝를 초과하게 되는 경우에는 무게로 인한 시공시 어려움이 많으며 건축물의 규격을 벗어나게 되는 문제가 발생하므로, 상기 건축용 기능성 패널의 두께는 6~21㎝의 범위 내로 한정하는 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 기능성 콘크리트 및 이를 이용하여 제조된 패널은 공동주택의 세대간 소음을 차단하고 단열특성을 부여하여 건축자재로서의 기능성이 매우 뛰어나 산업상 이용가능성이 크다.

100: 콘크리트
200: 패널

Claims (5)

1. 시멘트와,
   30~500 ea/㎠의 기공을 갖는 1~10mm 크기의 발포 플라스틱 입자와,
   2~100nm의 공극을 갖는 2~8mm 크기의 다공성 무기질 입자와,
   상기 시멘트, 플라스틱 입자 및 무기질 입자의 사이의 분산 안정성을 높이기 위해 첨가하는 셀룰로오스 유도체, 폴리사카라이드, 폴리에틸렌 옥사이드, 폴리아크릴아마이드 중 선택되는 어느 1종 또는 2종 이상의 첨가제의 혼합으로 조성되는 것에 있어서,
   상기 시멘트의 총사용량과 발포 플라스틱 입자와 다공성 무기질 입자의 총사용량에 따른 배합비율은 부피비의 2~4:6~8로 하고,
   상기 발포 플라스틱 입자와, 상기 다공성 무기질 입자의 사용량에 따른 배합비율은 중량비의 2~8.5:1.5~8로 하며,
   첨가제의 사용량은 발포 플라스틱 입자와 다공성 무기질 입자의 총 부피에 대한 0.2~10부피%의 범위 내로 하되,
   상기 다공성 무기질 입자는 구형의 폴리스타이렌 에멀젼 용액과 실리카 입자의 에멀젼 용액을 혼합한 후 5분간 교반시켜 혼합용액을 조성하고,
   상기 혼합용액을 70℃ 오븐에서 건조한 후, 상기 폴리스타이렌을 제거하기 위해 Tube furnace(튜브 전기로)를 이용하여 450℃에서 6시간 동안 가열하여 만들어진 다공성 실리카임을 특징으로 하는 콘크리트 조성물.
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