KR101552672B1 - 새로운 내열성 재료들을 포함하는 내화피복재 조성물 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 조성물 총 중량에 대하여, (a) 시멘트 20 내지 40 중량%;
(b) 고로수쇄 슬래그 15 내지 40 중량%; (c) 운모 및 알루미나 중에서 선택되는 1종 이상 5 내지 20 중량%; (d) 유동층상 보일러 비산재 0 내지 10 중량%;
(e) 팽창 질석 10 내지 40 중량%; (f) 탄산칼슘 및 석회석 중에서 선택되는 1종 이상 10 내지 30 중량%; 및 (g) 증점재료 0.5 내지 20 중량%;를 포함하는 내화피복재 조성물에 관한 것이다. 상기 내화피복재 조성물은 일정 수준의 공극률을 확보하여 적절한 밀도를 형성하며, 무수축성으로 수축에 따르는 균열발생이 저감되며, 특히 화재시 고열에 대한 저항성이 획기적으로 향상시킨다.

Description

새로운 내열성 재료들을 포함하는 내화피복재 조성물{A composite of fire-resistance coating materials comprising new heat-resistance materials}
본 발명은 새로운 내열성 재료들을 포함하는 내화피복재 조성물에 관한 것이며, 더욱 상세하게는 고온에서 내열특성이 우수한 산업 부산물을 포함하는 뿜칠용 내화피복재 조성물에 관한 것이다.
인구가 밀집되고 좁은 지역에 많은 사람들이 살아가기 위한 방편으로 건축물의 고층화 및 대형화가 이루어지고 있으며, 그 수단으로 대부분의 고층 및 대형건물에 철골구조가 적용되고 있다.
그러나 대형화된 고층건물은 화재 발생시 유독 가스에 의한 인명피해 발생의 위험이 크며, 고열에 의해서 철골구조의 강도와 내력이 감소하므로 건물의 자체하중에 의해서 붕괴될 위험에 노출된다. 따라서 이를 개선하기 위하여 철골 구조물의 외부에 내화성 피복층을 형성시키는 방법이 채용되고 있다.
구체적으로, 건축 철골구조물에 사용되는 저탄소강은 임계온도가 540℃ 정도로, 상기 임계온도 이상에서는 내력이 통상 60％ 정도로 감소한다. 따라서 철골 구조물에 대해서는, 건물의 화재시 철골의 내력저하 및 이로 인한 인명 피해를 최대한 방지하기 위하여, 철골 내화피복을 실시하고 있다. 또한 콘크리트 구조물의 경우에도, 일정시간 동안 열에 대한 콘크리트 재료의 열화 저항성 또는 폭열 저항성 등의 물성이 요구되며, 화재 진압 후 콘크리트 구조물이 원래의 물성을 유지하는 것이 중요하므로, 내화피복을 실시하고 있다.
기존의 내화 단열 피복재로는 주로 석면 및 암면을 주재료로 사용하였으나, 석면은 발암을 야기하는 물질로 알려져 전 세계적으로 사용이 거의 중단된 상태이고, 무기질 섬유상의 암면은 시공 시 많은 분진이 발생하여 작업자의 시공환경이 나쁘고 주변환경을 오염시키는 문제를 야기한다.
또한, 상기 암면계 내화피복재는 비중이 작고 내화성능이 우수한 장점을 갖고 있지만, 내화성능 및 강도를 충족시킬 수 있는 적정밀도의 시공에 대한 숙련도를 요하며, 슬러리(혼탁액)가 적절한 항상성을 가지도록 하는 것이 어려운 단점을 갖는다. 또한 시공 후 시간 경과에 따라 피복재의 탈락 및 무기섬유인 암면의 비산현상 등의 문제를 갖는다.
상기와 같은 문제들을 해결하기 위하여 상기 슬러리(혼탁액)의 제조시 질석 및 퍼라이트 등의 다양한 팽창된 천연의 광물질을 첨가시킨 조성물들이 개발된 바 있으나, 상기 팽창된 천연의 광물질들은 그 표면이 무수히 많은 기공들로 형성되어 있어 물과 혼합된 슬러리 형태를 이용한 분무 시공 시 점성의 변화에 따른 개방기공의 제어가 어려운 단점을 갖는다.
상기와 같은 문제들을 개선하기 위한 재료들이 개발되어 소개되고 있으나, 대부분의 기술들은 초기의 부착력, 부착강도 등에 중점을 두고 있으며, 일정시간 화재가 진행되었을 경우 화염에 의한 고온에서의 저항성 또는 내구력을 유지 시킬 수 있는 방안은 제시하고 있지 못하다.
대한미국 공개특허 10-2011-0108075에는 화재 시 고온에서의 내열특성을 향상시키기 위한 방안으로 화산재 발포체와 진주암 발포체를 포함하는 기술이 개시되어 있다. 이 기술은 발포체에 의한 열 온도 상승을 지연시키는 메커니즘에 기초하고 있으나, 상기 발포체는 열린기공(open pore)으로서 기공의 존재로 인한 열의 차단 효과는 미미하다고 할 수 있다.
또한, 대한민국 등록특허 10-0992888에는 무기질 산업 부산물로서 석고와 폐콘크리트 분말을 사용하는 방법이 개시되어 있다. 그러나, 이 특허 역시 고온에서의 내열성 향상 보다는 내화피복재 내부의 기공을 제어하여 열을 차단하고자 하는 메카니즘에 기초하고 있을 뿐 내열성 확보에 대한 근본적인 대책은 부족한 것으로 보인다.
대한미국 공개특허 10-2011-0108075 대한민국 등록특허 10-0992888
본 발명은 종래기술의 상기와 같은 문제를 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 일정 수준의 공극률을 확보하여 적절한 밀도를 형성하며, 무수축성으로 수축에 따르는 균열발생이 저감되며, 화재시 고열에 대한 저항성을 획기적으로 향상되는 내화피복재 조성물을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은
조성물 총 중량에 대하여,
(a) 시멘트 20 내지 40 중량%;
(b) 고로수쇄 슬래그 15 내지 40 중량%;
(c) 운모 및 알루미나 중에서 선택되는 1종 이상 5 내지 20 중량%;
(d) 유동층상 보일러 비산재 0 내지 10 중량%;
(e) 팽창 질석 10 내지 40 중량%;
(f) 탄산칼슘 및 석회석 중에서 선택되는 1종 이상 10 내지 30 중량%; 및
(g) 증점재료 0.5 내지 20 중량%;를 포함하는 내화피복재 조성물을 제공한다.
본 발명은 시멘트의 함량을 크게 줄이고 고로수쇄 슬래그, 유동층상 보일러 비산재, 운모 및/또는 알루미나, 및 팽창질석 등을 조합함으로써 일정 수준의 공극률을 확보하여 적절한 밀도를 형성하며, 무수축성으로 수축에 따르는 균열발생이 저감되며, 특히 화재시 고열에 대한 저항성이 획기적으로 향상되는 내화피복재 조성물을 제공한다.
본 발명의 내화피복재 조성물은 철골 구조물, 시멘트 구조물 등에 피복됨으로써 이들이 고온의 화염에 장시간 노출되는 경우에 지속적인 차열, 차염 기능을 발휘하여 철골 구조물, 시멘트 구조물 등의 내구력 저하를 획기적으로 방지한다.
도 1은 본 발명의 내화피복제 조성물의 시험에 사용하기 위하여 준비되는 철골구조를 모식적으로 도시한 것이다.
도 2는 본 발명의 내화피복제 조성물의 시험에 사용된 내화시험장치를 촬영한 사진이다.
도 3은 본 발명의 내화피복제 조성물의 시험에 사용된 내화시험장치 내부의 화염온도를 나타내는 그래프이다.
도 4는 시험예 1에서 실시된 본 발명의 내화피복제 조성물의 내화시험결과를 나타낸 그래프이다.
본 발명은
조성물 총 중량에 대하여,
(a) 시멘트 20 내지 40 중량%;
(b) 고로수쇄 슬래그 15 내지 40 중량%;
(c) 운모 및 알루미나 중에서 선택되는 1종 이상 5 내지 20 중량%;
(d) 유동층상 보일러 비산재 0 내지 10 중량%;
(e) 팽창 질석 10 내지 40 중량%;
(f) 탄산칼슘 및 석회석 중에서 선택되는 1종 이상 10 내지 30 중량%; 및
(g) 증점재료 0.5 내지 20 중량%;를 포함하는 내화피복재 조성물을 제공한다.
본 발명에서 시멘트, 팽창질석, 석회석, 메틸 셀루로오스, 폴리비닐 알코올, 펄프용 셀루로오스 같은 증점재료, 기포제 등을 사용하는 것은 기존의 내화피복재에 적용되던 기술과 대동소이하다.
그러나 본 발명의 내화피복재 조성물은 시멘트의 사용량을 크게 줄이고(대략 50 중량%), 고온의 열처리를 거쳐서 부산물로 방출되는 고로수쇄 슬래그와 고온에서 탈황공정을 거쳐 부산물로 방출되는 유동층상 보일러 비산재를 첨가하여 내화피복재 조성물을 구성하는 면에서 종래의 기술과 큰 차이를 갖는다.
본 발명에서 고로수쇄 슬래그와 유동층상 보일러 비산재화재는 화재시 고온에서 내화피복재 조성물의 열분해 저항성을 획기적으로 향상시키며, 내화피복재에 의해 피복된 내부의 철골 구조물, 시멘트 구조물 등으로 고열이 전도되는 것을 차단함으로써 철골 구조물, 시멘트 구조물 등이 내구력을 유지할 수 있게 한다.
또한, 본 발명의 내화피복재 조성물은 종래기술과 비교하여, 고온 내열성 재료로 운모 및 알루미나 중에서 선택되는 1종 이상을 사용하여 내화피복재 조성물의 고온 내열성 향상시키는 특징을 갖는다. 즉, 고온에서 내열 저항성이 우수한 운모 및/또는 알루미나를 사용함으로써 화재시 고온에서 내화피복재 조성물의 열분해 저항성을 획기적으로 향상시키며, 내화피복재에 의해 피복된 내부의 철골 구조물, 시멘트 구조물 등으로 고열이 전도되는 것을 차단함으로써 철골 구조물, 시멘트 구조물 등이 내구력을 유지할 수 있게 한다.
이하에서 본 발명의 내화피복재 조성물의 구성성분을 자세히 설명한다.
상기 (a) 시멘트의 종류는 특별히 한정되지 않으며, 이 분야에서 공지된 것들이 제한 없이 사용될 수 있다. 그러나 특별한 경우가 아니라면 보통의 포틀랜드 시멘트가 사용될 수 있다.
상기 시멘트는 조성물 총 중량에 대하여 20 내지 40 중량%로 포함되는 것이 바람직하다. 상기 시멘트가 20 중량% 미만으로 포함되는 경우 조성물의 부착력이 부족해지며, 40 중량%를 초과하는 경우에는 다른 내화재료의 함량이 부족하여 조성물의 내화성이 저하된다.
상기 (b) 고로수쇄 슬래그는 제철소 고로에서 방출되는 폐기물인 슬래그를 물로 급냉시킨 슬래그로서 내열성 결합재료로 사용된다.
상기 고로수쇄 슬래그는 분말도가 3,300 내지 6,200cm2/g인 것이 바람직하며, 3,800 내지 4,800cm2/g인 것이 더욱 바람직하다. 고로슬래그의 분말도가 3,300cm2/g 미만이면 내열성 면에서는 문제가 발생하지 않으나 결합재인 시멘트의 수화를 저해하여 내화피복재의 초기 결합강도를 약화시킬 수 있다. 또한, 분말도가 6,200cm2/g을 초과하면 초기에 급격한 반응으로 시멘트의 수화를 촉진하여 오히려 내화피복재의 부착력을 저하 시킬 수 있다.
상기 고로수쇄 슬래그는 조성물 총 중량에 대하여 15 내지 40 중량%로 포함될 수 있다. 고로수쇄 슬래그가 15 중량% 미만으로 포함되는 경우 내화피복재 시공 후 28일 경과 후에 부착강도가 저하되는 문제가 발생할 수 있으며, 40 중량%를 초과하여 포함되는 경우에는 내화피복재 시공 후 3일까지 부착강도의 발현이 지연되어 탈락의 원인으로 작용할 수 있다.
상기 (c) 운모 및 알루미나 중에서 선택되는 1종 이상은 내열성 첨가재료로 사용된다.
상기 운모는 천연 광물로서 백운모 및 금운모 중에서 선택되는 1종 또는 이들의 혼합물이며, 실리카 성분이 30 내지 50 중량%이고 알루미나 성분이 10 내지 40 중량%로 함유되어 있는 것이 바람직하게 사용될 수 있다. 상기에서 실리카 성분이 50 중량% 초과하고 알루미나 성분이 40 중량% 이하이면 내열성능이 저하될 수 있으며, 실리카 성분이 50 중량% 이하이고 알루미나가 40 중량%를 초과하면 가격이 고가여서 경제적으로 바람직하지 못하다. 바람직하게는 실리카 성분이 35 내지 40 중량%이고 알루미나 성분이 20 내지 30 중량%인 것이 좋다.
상기 알루미나는 알루미나 성분이 80 내지 95 중량% 함유되어 있는 것이 바람직하게 사용될 수 있다.
상기 운모 및 알루미나 중에서 선택되는 1종 이상은 조성물 총 중량에 대하여 5 내지 20 중량%로 포함된다. 상기 성분이 5 중량% 미만으로 포함되는 경우 내화 성능이 약해지는 문제가 발생하며, 40 중량%를 초과하여 포함되는 경우에는 내화피복재 시공 후 28일 경과 후에 부착강도가 저하되는 문제가 발생할 수 있다.
상기 (d) 유동층상 보일러 비산재는 고온의 유동층상 보일러에서 탈황공정을 거쳐 부산물로 방출되는 비산재를 의미하며, 본 발명에서 내열성 보조재료로 사용된다.
상기 유동층상 보일러 비산재는 순수 산화칼슘 성분 30 내지 60 중량%, 무수석고 성분 30 내지 60 중량%, 및 기타 이들을 제외한 성분 5~15 중량%를 포함하는 것을 특징으로 한다. 상기 순수 산화칼슘 성분이 30 중량% 미만이고 무수석고 성분이 60 중량%를 초과하면 내화피복재의 내열성능이 저하될 수 있으며, 순수 산화칼슘 성분이 60 중량%를 초과하고 무수석고 성분이 30 중량% 미만이면 산화칼슘의 초기 수화반응이 격렬하게 진행되어 내화피복재의 가응결 현상이 나타날 수 있어서 바람직하지 않다. 바람직하게는 순수 산화칼슘 성분이 40 내지 50 중량%로 포함되고 무수석고 성분이 40 내지 50 중량%로 포함되는 것이 좋다.
상기 유동층상 보일러 비산재 분말도는 2,300 내지 4,200cm2/g인 것이 바람직하다.
상기 유동층상 보일러 비산재는 조성물 총 중량에 대하여 0 내지 10 중량%로 포함될 수 있다. 상기 유동층상 보일러 비산재는 임의적인 성분으로서 포함되지 않거나 10 중량% 이하로 포함된다. 만약 10 중량%를 초과하여 포함되는 경우에는 내화피복재의 시공 시 과다한 수화열의 발생으로 균열이 발생하는 문제를 야기할 수 있다.
상기 (e) 팽창 질석은 고온에서 충분히 팽창된 팽창 질석을 의미하며, 화재 시 고온의 화염에 의한 열기를 차단하는 기능을 수행한다.
상기 팽창 질석의 입자의 분포는 입자 사이즈가 0.3mm 미만인 입자가 10 중량% 이하로 포함되고, 4.0mm 초과의 입자가 15 중량% 이하로 포함되는 것이 바람직하다. 0.3mm 미만의 입자가 10 중량% 이상으로 포함되면 미분의 량이 많아져 내화특성을 충분히 발휘할 수 없으며, 4.0mm 초과하는 입자가 15 중량% 이상으로 포함되면 내화피복재의 함수율이 높아져 시공 후 탈락 또는 부착강도의 발현이 저하된다
상기 팽창질석은 조성물 총 중량에 대하여 10 내지 40 중량%로 포함되는 것이 바람직하다. 팽창질석이 10 중량% 미만으로 포함되는 경우 화재 시 충분히 열을 차단하지 못하는 문제가 발생할 수 있으며, 40 중량%를 초과하여 포함되는 경우에는 내화피복재의 부착강도 발현을 저하시켜서 탈락의 원인으로 작용할 수 있다.
상기 (f) 탄산칼슘 및 석회석 중에서 선택되는 1종 이상은 화재시 고온의 화염에 의해 분해되어 이산화탄소를 발생시킴으로써 화염의 차단 및 화재의 진화를 돕는 역할을 수행한다.
상기 탄산칼슘 및 석회석 중에서 선택되는 1종 이상은 조성물 총 중량에 대하여 10 내지 30 중량%로 포함되는 것이 바람직하다. 상기 성분이 10 중량% 미만으로 포함되는 경우 화재 시 분해되어 이산화탄소를 발생시키고 그에 의해 화염을 차단하는 효과가 미미해지며, 30 중량%를 초과하여 포함되는 경우에는 내화피복재의 초기 부착강도를 저하시키는 문제가 야기될 수 있다.
상기 (g) 증점재료는 내화피복재 조성물의 점도를 증가시켜서 부착력을 향상시키는 재료를 의미한다. 상기 증점재료로는 메틸 셀루로오스, 폴리비닐 알코올, 펄프용 셀루로오스 등 이 분야에 공지된 것들이 사용될 수 있다.
상기 증점재료는 조성물 총 중량에 대하여 0.5 내지 20 중량%로 포함되는 것이 바람직하다.
본 발명의 내화피복재 조성물은 상기에 기재된 성분 외에 이 분야에서 통상적으로 사용되는 기포제, 접착제 등의 성분을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 내화피복재 조성물의 도포 방식은 이 분야에 공지된 다양한 방식으로 수행될 수 있으나, 특히, 뿜칠 방식이 바람직하게 사용될 수 있다.
이하에서, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세히 설명한다. 그러나, 하기의 실시예는 본 발명을 더욱 구체적으로 설명하기 위한 것으로서, 본 발명의 범위가 하기의 실시예에 의하여 한정되는 것은 아니다. 하기의 실시예는 본 발명의 범위 내에서 당업자에 의해 적절히 수정, 변경될 수 있다.
실시예 1 내지 3: 내화피복재 조성물의 제조
하기 표 1에 나타낸 성분을 해당 조성비(배합비)로 혼합하여 내화피복재 조성물을 제조하였다. 하기 조성비는 내화시간 3시간을 기준으로 하여 설계되었다.
재료명 실시예 1
(배합비, 중량%)		 실시예 2
(배합비, 중량%)		 실시예 3
(배합비, 중량%)
일반 시멘트 28 30 22
고로수쇄 슬래그 20 25 27
유동층상 보일러 비산재 3 5 7
마이카 5 7 10
탄산칼슘 15 12 18
팽창 질석 20 20 15
증점재료 9 1 1
시험예 1: 차열 및 내화 시험방법
하기 도 1에 도시한 바와 같이, 시중에 판매되는 철골 구조를 제작하여 상기 실시예 1에서 제조된 내화피복재 조성물을 뿜칠에 의해 2.8 cm의 두께로 도포하여 차열 및 내화성능을 실시하였다. 상기 두께는 도 1에 도시된 철골구조의 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 및 14의 위치에서 측정한 두께의 평균값이다. 구체적으로, 도 1에 도시된 대로, 철골구조의 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 및 14에 온도 게이지를 삽입한 후, 실시예 1, 2 및 3에서 제조된 내화피복재 조성물을 도포 및 건조 한 후, 도 2의 내화시험장치에서 내화시험을 진행하였다. 상기 내화시험장치에 있어서 내부의 화염온도는 도 3에 나타낸 바와 같이 설정되었다.
상기 내화시험의 결과는 도 4와 같았다. 도 4의 그래프에 나타난 바와 같이, 상기 실시예 1, 2, 및 3의 내화피복재 조성물은 요구되는 내화조건(내화시간 3시간)에 따르는 차열성능을 충분히 충족시키는 것으로 확인되었다. 즉, 본 발명의 내화피복재는 3시간 동안 고온의 화염(대략 1100℃)을 가하여도 철골 구조의 최고온도를 300℃ 이하로 유지시켰다. 그러므로 본 발명의 내화피복재는 우수한 차열 및 내화성능을 발휘함을 확인할 수 있었다.

Claims (5)

  1. 조성물 총 중량에 대하여,
    (a) 시멘트 20 내지 40 중량%;
    (b) 고로수쇄 슬래그 15 내지 40 중량%;
    (c) 운모 및 알루미나 중에서 선택되는 1종 이상 5 내지 20 중량%;
    (d) 유동층상 보일러 비산재 0 내지 10 중량%;
    (e) 팽창 질석 10 내지 40 중량%;
    (f) 탄산칼슘 및 석회석 중에서 선택되는 1종 이상 10 내지 30 중량%; 및
    (g) 증점재료 0.5 내지 20 중량%;를 포함하며,
    상기 고로수쇄 슬래그는 제철소 고로에서 방출되는 폐기물인 슬래그를 물로 급냉시킨 슬래그로서 분말도가 3,300 내지 6,200cm2/g인 것을 특징으로 하는 내화피복재 조성물.
  2. 삭제
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 운모는 천연 광물로서 백운모 및 금운모 중에서 선택되는 1종 또는 이들의 혼합물이며, 실리카 성분이 30 내지 50 중량%, 알루미나 성분이 10 내지 40 중량% 함유되어 있는 것을 특징으로 하는 내화피복재 조성물.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 알루미나는 알루미나 성분이 80 내지 95 중량% 함유되어 있는 것을 특징으로 하는 내화피복재 조성물.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 유동층상 보일러 비산재는 유동층상 보일러에서 탈황공정을 거친 비산재로서 순수 산화칼슘 성분 30 내지 60 중량%, 무수석고 성분 30 내지 60 중량%, 및 이들을 제외한 성분 5~15 중량%를 포함하며, 분말도가 2,300 내지 4,200 cm2/g인 것을 특징으로 하는 내화피복재 조성물.
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