KR101929205B1

KR101929205B1 - 슬래그 혼합 무기 단열재의 제조방법

Info

Publication number: KR101929205B1
Application number: KR1020170152017A
Authority: KR
Inventors: 추용식; 서성관; 조형규; 강대구; 김영곤
Original assignee: 한국세라믹기술원; (주) 에스와이씨
Priority date: 2017-11-15
Filing date: 2017-11-15
Publication date: 2018-12-14

Abstract

본 발명은, 시멘트와 슬래그를 분쇄하여 미분화하는 단계와, 미분화된 시멘트 50∼60중량%, 미분화된 슬래그 20∼30중량%, 생석회 5∼15중량% 및 무수석고 2∼18중량%를 혼합하여 무기계 결합재를 형성하는 단계와, 상기 무기계 결합재에 상기 무기계 결합재 100중량부에 대하여 혼합수 100∼200중량부, 혼화제 0.001∼0.5중량부 및 발포제 0.1∼1.5중량부를 혼합하여 슬러리를 형성하는 단계와, 상기 슬러리를 성형하는 단계와, 성형된 결과물을 경화시키는 단계, 경화된 결과물을 비닐로 밀봉하는 단계 및 비닐 밀봉된 결과물을 양생하는 단계를 포함하는 슬래그 혼합 무기 단열재의 제조방법에 관한 것이다. 본 발명에 의하면, 인체에 안전하고, 단열성능이 우수하며, 내화성 및 난연성을 갖고, 균열이 없는 슬래그 혼합 무기 단열재를 제조할 수 있다.

Description

슬래그 혼합 무기 단열재의 제조방법{Manufacturing method of inorganic insulation}

본 발명은 무기 단열재의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 인체에 안전하고, 단열성능이 우수하며, 내화성 및 난연성을 갖고, 균열이 없는 슬래그 혼합 무기 단열재의 제조방법에 관한 것이다.

무기단열재의 사용비중이 높은 선진국에 비해 국내 단열재 시장의 무기단열재 사용비중은 너무나 낮다. 무기단열재는 제작과정에서 열처리 및 재료가공에 있어서 단열재의 가격이 올라가기 때문에 저렴한 유기단열재를 다양한 건축물에 적용하고 있다. 하지만, 유기단열재는 화재에 취약하고 화재 시 유독가스가 발생하여 대형 건축물의 화재사고에 있어서 많은 인명피해가 발생한다. 이에 따라 건축법 제정 및 이에 따른 인식변화로 인해 무기단열재의 비중이 증가할 것으로 판단된다. 단열성능과 더불어 인체에 안전하며, 내화성 및 난연성을 갖춘 칼슘실리케이트계 무기단열소재는 친환경 무기계 단열재로의 산업구조 개선 효과를 기대할 수 있다.

에너지 사용량의 많은 부분을 건축물 온실가스 배출로 사용되며, 건물 에너지 사용량이 증가함에 따라 온실가스 배출비중 또한 증가할 것으로 예상된다. 이에 정부는 2020년까지 건축물에 의한 온실가스 배출량을 26.9% 감축하겠다고 발표하였다. 또한, 칼슘실리케이트계 단열소재는 국가 온실가스 감축 목표를 위한 정부의 에너지 정책에 부응하며, 장기적으로 제로 에너지 건물구현 기반 조성이 가능할 것으로 예상된다.

대한민국 등록특허공보 제10-1569917호

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 인체에 안전하고, 단열성능이 우수하며, 내화성 및 난연성을 갖고, 균열이 없는 슬래그 혼합 무기 단열재의 제조방법을 제공함에 있다.

본 발명은, (a) 시멘트와 슬래그를 분쇄하여 미분화하는 단계와, (b) 미분화된 시멘트 50∼60중량%, 미분화된 슬래그 20∼30중량%, 생석회 5∼15중량% 및 무수석고 2∼18중량%를 혼합하여 무기계 결합재를 형성하는 단계와, (c) 상기 무기계 결합재에 상기 무기계 결합재 100중량부에 대하여 혼합수 100∼200중량부, 혼화제 0.001∼0.5중량부 및 발포제 0.1∼1.5중량부를 혼합하여 슬러리를 형성하는 단계와, (d) 상기 슬러리를 성형하는 단계와, (e) 성형된 결과물을 경화시키는 단계, (f) 경화된 결과물을 비닐로 밀봉하는 단계 및 (g) 비닐 밀봉된 결과물을 양생하는 단계를 포함하는 슬래그 혼합 무기 단열재의 제조방법을 제공한다.

상기 (a) 단계에서 상기 슬래그의 분말도가 6,000∼8,000㎡/g를 이루도록 미분화하는 것이 바람직하다.

상기 (a) 단계에서 상기 시멘트의 분말도가 6,500∼11,000㎡/g를 이루도록 미분화하는 것이 바람직하다.

상기 발포제는 Al 분말을 포함할 수 있다.

상기 (b) 단계에서 제지애쉬 1∼10중량%를 더 혼합하여 상기 무기계 결합재를 형성할 수도 있다.

상기 (c) 단계에서 상기 무기계 결합재 100중량부에 대하여 실리콘계 발수제 0.01∼0.15중량부를 더 혼합하여 상기 슬러리를 형성할 수도 있다.

상기 슬래그 혼합 무기 단열재의 제조방법은 상기 (g) 단계 후에 50℃보다 높고 80℃보다 낮은 온도에서 건조하는 단계를 더 포함할 수 있다.

상기 슬래그 혼합 무기 단열재의 제조방법은 상기 (g) 단계 후에 소듐실리케이트계 코팅제로 표면 코팅하는 단계를 더 포함할 수 있다.

상기 양생은 상대습도가 60∼80%인 조건에서 수행하는 것이 바람직하다.

본 발명에 의하면, 인체에 안전하고, 단열성능이 우수하며, 내화성 및 난연성을 갖고, 균열이 없는 슬래그 혼합 무기 단열재를 제조할 수 있으며, 친환경 무기계 단열재로의 산업구조 개선 효과를 기대할 수 있다.

본 발명에 의해 제조된 슬래그 혼합 무기 단열재는 경량성과 단열성능 및 내화성능이 우수하며, 기존 유·무기 단열재의 단점을 극복한 단열재로 내단열공법, 외단열공법 등에 모두 적용가능할 것으로 기대된다.

본 발명에 따라 제조된 슬래그 혼합 무기 단열재는 국가 온실가스 감축 목표를 위한 정부의 에너지 정책에 부응하며, 장기적으로 제로 에너지 건물구현 기반 조성이 가능할 것으로 기대된다.

도 1a 및 도 1b는 상압 증기양생기 내부에 장입한 성형체를 보여주는 사진이다.
도 2는 양생기간별 성형체의 X-선회절(XRD; X-ray diffraction) 패턴을 나타낸 것이다.
도 3은 표 1의 배합조건으로 제조한 슬러리를 24시간 양생 후 탈형하여 1일, 3일, 7일, 15일 동안 상압증기 양생 후 압축강도를 측정한 결과를 보여주는 도면이다.
도 4a 및 도 4b는 슬래그 배합 설계비에 따른 슬러지 제조상태를 보여주는 사진이다.
도 5a 및 도 5b는 24시간 경과 후 경화 슬러리의 기공 상태를 보여주는 사진이다.
도 6a 및 도 6b는 슬러리를 24시간 경화한 후 양생 조건을 달리하여 시편 외관 상태를 관찰하여 나타낸 사진이다.
도 7은 양생재령 15일 시편들의 외관 상태를 나타낸 사진이다.
도 8일 양생일별 밀도 변화를 보여주는 그래프이다.
도 9는 양생일별 압축강도 변화를 보여주는 그래프이다.
도 10은 슬래그 함량별 압축강도를 보여주는 그래프이다.
도 11은 슬래그 함량별 28일 압축강도를 보여주는 그래프이다.
도 12는 슬래그 함량별 건조 시편의 밀도를 보여주는 그래프이다.
도 13은 슬래그 함량별 건조 시편의 압축강도를 보여주는 그래프이다.
도 14는 슬래그 함량별 건조 시편의 열전도율을 보여주는 그래프이다.
도 15는 80℃에서 건조한 시편의 슬래그 함량별 압축강도를 보여주는 그래프이다.
도 16a는 코팅제 도포 과정을 보여주는 사진이고, 도 16b는 코팅제 도포 후 소재의 모습을 보여주는 사진이다.
도 17a 내지 도 17c는 PP 몰드를 보여주는 사진이다.
도 18은 슬래그 함량 30중량%인 슬러리에서 침하현상이 발생한 모습을 보여주는 사진이다.
도 19는 No.2, No.3 및 No.4 시편의 슬러리 발포 후 외관을 보여주는 사진이다.
도 20은 슬러리 발포 후 내부 온도를 측정하여 나타낸 사진이다.
도 21은 PP 몰드를 사용한 경화 슬러리 상태를 보여주는 사진이다.
도 22a는 24시간 경화체의 절단 과정을 보여주는 사진이고, 도 22b는 절단 후 시편 사진이다.
도 23a는 창고에 방치할 경화체 시편을 보여주는 사진이고, 도 23b는 항온항습실에 보관할 경화체 시편을 보여주는 사진이다.
도 24a는 창고에 2주 동안 방치한 경화체 시편의 외관 사진이고, 도 24b는 항온항습실에 2주 동안 보관한 경화체 시편의 외관 사진이다.
도 25a는 창고에 4주 동안 방치한 경화체 시편의 외관 사진이고, 도 25b는 항온항습실에 4주 동안 보관한 경화체 시편의 외관 사진이다.
도 26a 및 도 26b는 경화체를 비닐 포장한 상태를 보여주는 사진이다.
도 27은 경화체를 2주 동안 비닐 포장한 상태를 유지한 후의 모습을 보여주는 사진이다.
도 28은 경화체를 4주 동안 비닐 포장한 상태를 유지한 후의 모습을 보여주는 사진이다.
도 29는 PP 단열재의 밀도를 보여주는 그래프이다.
도 30은 PP 단열재의 압축강도를 보여주는 그래프이다.
도 31은 PP 단열재의 열전도율을 보여주는 그래프이다.
도 32a는 PP 단열재를 건조기에 장입하여 건조시키는 과정을 보여주는 사진이고, 도 32b는 건조된 PP 단열재를 항온항습기에 유지하여 흡습시키는 과정을 보여주는 사진이다.
도 33a 및 도 33b는 실리콘계 발수제가 첨가된 단열재에 물방울을 떨어뜨린 후 관찰한 사진이다.
도 34a 및 도 34b는 실리콘계 발수제가 첨가된 단열재에 물방울을 떨어뜨린 후 관찰한 사진이다.
도 35는 표 4에 나타낸 No.2의 배합비로 제조된 시편에 대하여 Image Analyzer로 기공특성을 분석하여 나타낸 도면이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다. 그러나, 이하의 실시예는 이 기술분야에서 통상적인 지식을 가진 자에게 본 발명이 충분히 이해되도록 제공되는 것으로서 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 다음에 기술되는 실시예에 한정되는 것은 아니다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따른 슬래그 혼합 무기 단열재의 제조방법은, (a) 시멘트와 슬래그를 분쇄하여 미분화하는 단계와, (b) 미분화된 시멘트 50∼60중량%, 미분화된 슬래그 20∼30중량%, 생석회 5∼15중량% 및 무수석고 2∼18중량%를 혼합하여 무기계 결합재를 형성하는 단계와, (c) 상기 무기계 결합재에 상기 무기계 결합재 100중량부에 대하여 혼합수 100∼200중량부, 혼화제 0.001∼0.5중량부 및 발포제 0.1∼1.5중량부를 혼합하여 슬러리를 형성하는 단계와, (d) 상기 슬러리를 성형하는 단계와, (e) 성형된 결과물을 경화시키는 단계, (f) 경화된 결과물을 비닐로 밀봉하는 단계 및 (g) 비닐 밀봉된 결과물을 양생하는 단계를 포함한다.

상기 발포제는 Al 분말을 포함할 수 있다.

이하에서, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 슬래그 혼합 무기 단열재의 제조방법을 더욱 구체적으로 설명한다.

시멘트와 슬래그를 분쇄하여 미분화한다. 시멘트와 슬래그는 각각 진동밀 등을 사용하여 분쇄할 수 있다.

상기 시멘트의 분말도가 6,500∼11,000㎡/g를 이루도록 미분화하는 것이 바람직하다.

상기 슬래그의 분말도가 6,000∼8,000㎡/g를 이루도록 미분화하는 것이 바람직하다. 슬래그 미분말은 28일 재령 이상에서의 장기 강도 발현에 효과적이며, 초기 슬러리 안정성(슬러리 붕괴현상 방지 등)에도 기여할 수 있다.

미분화된 시멘트 50∼60중량%, 미분화된 슬래그 20∼30중량%, 생석회 5∼15중량% 및 무수석고 2∼18중량%를 혼합하여 무기계 결합재를 형성한다. 이때, 제지애쉬 1∼10중량%를 더 혼합할 수도 있다.

상기 무기계 결합재에 상기 무기계 결합재 100중량부에 대하여 혼합수 100∼200중량부, 혼화제 0.001∼0.5중량부 및 발포제 0.1∼1.5중량부를 혼합하여 슬러리를 형성한다. 이때, 상기 무기계 결합재 100중량부에 대하여 실리콘계 발수제 0.01∼0.15중량부를 더 혼합하여 상기 슬러리를 형성할 수도 있다. 상기 실리콘계 발수제는 슬래그 혼합 무기 단열재의 흡수율 제어에 매우 효과적이며, 0.15중량부를 상회할 경우에는 슬러리 침하현상이 발생할 수도 있으므로 0.15중량부 이하로 첨가하는 것이 바람직하다.

상기 혼합수(예컨대, 물)는 상기 무기계 결합재 100중량부에 대하여 100∼200중량부, 더욱 구체적으로는 110∼150중량부를 혼합하는 것이 바람직하다.

상기 혼화제는 상기 무기계 결합재 100중량부에 대하여 0.001∼0.5중량부, 더욱 구체적으로는 0.02∼0.2중량부를 혼합하는 것이 바람직하다. 상기 혼화제는 SMK 1311(바커사의 제품) 등의 화학 혼화제를 사용할 수 있다.

상기 발포제는 상기 무기계 결합재 100중량부에 대하여 0.1∼1.5중량부를 혼합하는 것이 바람직하다. 슬러리 내 수화반응에 의해 발포제가 반응하여 수소가스가 발생하는데, 이때 슬러리 내 수소가스로 인해 기포가 생성되고, 이로 인해 최종적으로 제조된 슬래그 혼합 무기 단열재 내에는 기공들이 분포하게 된다.

상기 발포제는 Al 분말을 포함할 수 있다. 실험예 의하면, 알루미늄 분말을 투입하고 충분히 혼합하여 대기 중에 방치하게 되면, 약 2시간이 경과하면 알루미늄 분말이 수화물과 반응하여 수소 가스가 대부분 생성 완료되어 슬러리는 최대치로 팽창하였다.

이렇게 형성된 슬러리는 성형 시에 침하 현상이 거의 발생하지 않는 장점이 있다.

상기 슬러리를 성형한다. 상기 성형은 몰드 등을 이용할 수 있으며, 주입성형 등의 다양한 방법을 사용할 수 있다.

성형된 결과물(성형체)을 경화시킨다. 상기 경화는 상온(예컨대, 25±5℃)에서 12∼48시간 동안 수행하는 것이 바람직하다. 상기 경화는 몰드를 이용하여 성형한 경우에 몰드 내에서 이루어질 수도 있고, 몰드에서 탈형하여 이루어질 수도 있다.

경화된 결과물(경화체)을 비닐로 밀봉한다. 상기 비닐은 폴리비닐알코올 등의 재질로 이루어질 수 있다.

비닐 밀봉된 결과물을 양생한다. 비닐 밀봉하고 양생하게 되면 수분 이동이 억제되고 균열 발생을 억제할 수 있는 장점이 있다. 비닐 밀봉 양생 기간은 15일 이상(예컨대, 15∼28일)인 것이 바람직하다. 실험에 의하면, 2주 동안 비닐 밀봉하여 양생한 단열재에서는 미세 균열이 일부 관찰되었으나 4주 동안 비닐 밀봉하여 양생한 단열재에서는 균열이 발생치 않았다. 비닐 밀봉된 결과물을 상대습도가 60∼80%인 조건에서 양생하는 것이 바람직하다. 상대습도 60∼80% 조건에서 일정 기간(3∼28일)의 양생과정을 통해 압축강도가 증가되는 것을 실험적으로 확인하였다.

상기 양생 후에 비닐을 제거하고, 50℃보다 높고 80℃보다 낮은 온도에서 건조 과정이 더 포함될 수도 있다. 실험에 의하면, 건조 온도 80℃ 이상에서는 압축강도 값이 증가하지 않았으며, 오히려 감소하는 경향을 나타내었다. 건조 온도 80℃ 이상에서의 압축강도 감소는 건조시 열충격에 의한 균열 발생에 의한 것으로 판단되며, 이는 시멘트 수화물의 일종인 에트링자이트 등의 열분해에 의한 수화물의 파괴 및 수축현상 때문으로 추정된다. 따라서, 최대 압축강도 값이 발현될 수 있는 건조 조건은 80℃ 미만으로 판단되었다.

상기 양생 단계 후에 비닐을 제거하고 소듐실리케이트계 코팅제로 표면 코팅할 수도 있다. 칼슐실리케이트계 무기 단열재(칼슘실리케이트계 무기 단열재)는 건축물 부착과정에서 표면에서 소량의 미분 분리날림 현상이 발생할 수 있다. 이를 해결하기 위해 단열재 표면경도 증진이 필요하며, 더불어 작업성을 충분히 확보할 수 있도록 표면 코팅할 수 있다. 코팅 방법은 딥 코팅, 스프레이 코팅 등 다양한 방법을 사용할 수 있다.

이렇게 제조된 슬래그 혼합 무기 단열재는 인체에 안전하고, 단열성능이 우수하며, 내화성 및 난연성을 가지며, 균열이 없고, 친환경 무기계 단열재로의 산업구조 개선 효과를 기대할 수 있다. 상기 슬래그 혼합 무기 단열재는 경량성과 단열성능 및 내화성능이 우수하며, 기존 유·무기 단열재의 단점을 극복한 단열재로 내단열공법, 외단열공법 등에 모두 적용가능할 것으로 기대된다.

이하에서, 본 발명에 따른 실험예들을 구체적으로 제시하며, 다음에 제시하는 실험예들에 의하여 본 발명이 한정되는 것은 아니다.

1. 실험실적 실험

아래의 표 1에 나타낸 배합비로 분체 원료들을 충분히 혼합한 후 혼합수를 첨가하여 슬러리를 제조하였다. 더욱 구체적으로는, 표 1에 나타낸 배합비와 같이 OPC(1종 보통 포틀랜드 시멘트) 90중량%, 생석회 5중량% 및 무수석고 5중량%를 혼합하고, 여기에 OPC, 생석회 및 무수석고의 전체 함량 100중량부에 대하여 혼합수 130중량부, 화학 혼화제인 SMK1311 0.06중량부 및 Al 분말 0.6중량부를 혼합하여 슬러리를 형성하였다. 이때, 1종 보통 포틀랜드 시멘트(이하 'OPC'라 함) 분말도는 7,500㎠/g 이었다.

표 1에 나타낸 배합비로 제조된 슬러리 성형체는 1일 동안 대기 중에서 양생한 후 상압 증기양생기에 장입하였다. 이후 70℃까지 승온시킨 후 지속 양생하였다. 각각의 양생이 종료된 후에는 시편을 절단하여 압축강도를 측정하여, 상압증기양생에 따른 강도증진 효과 여부를 분석하고자 하였다. 또한, 양생일별 시편의 X-선회절(XRD; X-ray diffraction)을 측정하여 시멘트 수화특성도 분석하였다.

구 분	함량
O P C	90중량%
생석회	5중량%
무수석고	5중량%
혼합수	130중량부
SMK1311	0.06중량부
Al powder	0.6중량부

도 1a 및 도 1b는 상압 증기양생기 내부에 장입한 성형체를 보여주는 사진이며, 도 2는 양생기간별 성형체의 X-선회절(XRD) 패턴을 나타낸 것이다. 도 2는 표 1의 배합조건으로 제조된 시편을 상압 증기양생기에서 각각의 양생기간 동안 양생한 후 X-선회절(XRD) 패턴을 측정한 결과이다. 상압 증기양생시에도 상온 양생시와 동일한 수화물(에트링자이트 및 Ca(OH)₂ 등)들이 관찰되었으며, 기존 수화물 이외의 결정들은 검출되지 않았다. CaCO₃ 피크는 최초 시멘트 제조시 혼합재 개념으로 첨가된 석회석 미분말 피크이며, 이들 피크 강도는 초기 재령에서부터 15일 재령까지 큰 변화가 관찰되지 않았다.

표 1의 배합조건으로 제조한 슬러리를 24시간 양생 후 탈형하여 1일, 3일, 7일, 15일 동안 상압증기 양생 후 압축강도를 측정하고 그 결과를 도 3에 나타내었다. 상압증기 양생 조건에서는 기존 상온양생 조건 대비 수분을 다량 함유한 상태이다. 따라서, 상압 증기양생이 종료된 후 상온 양생과 동일한 조건(온도 25±5℃, 습도 60∼80%)으로 24시간 유지한 후 압축강도를 측정하였다. 압축강도 측정 결과, 1일 양생시 밀도 0.23 g/㎤, 압축강도 0.084 MPa, 3일 양생시 밀도 0.21 g/㎤, 압축강도 0.092 MPa, 7일 양생시 밀도 0.22 g/㎤, 압축강도 0.12 MPa, 15일 양생시 밀도 0.22 g/㎤, 압축강도 0.23 MPa이었다. 상압 증기양생시 밀도는 기타 제조 조건 대비 매우 높은 값이었으며, 이는 증기양생과정에서 발생하는 수증기가 시편 내부로 침투하여 쉽게 외부로 빠져 나가지 못하기 때문이다. 상압 증기양생 방법은 오히려 밀도 증가 등을 야기하여 단열재로의 적용 가능성을 불량하게 만드는 것으로 판단되었다.

(1) 슬래그 혼합 무기 단열재 제조

칼슘실리케이트 단열재 제조를 위한 방법으로, 슬래그 미분말을 사용하였다. 슬래그 미분말은 28일 재령 이상에서의 장기 강도 발현에 효과적이며, 초기 슬러리 안정성(슬러리 붕괴현상 방지 등)에도 기여할 수 있다.

아래의 표 2는 슬래그 혼합량에 따른 효과를 관찰하기 위한 배합비이다. 표 2에 나타낸 배합비와 같이 OPC(1종 보통 포틀랜드 시멘트), 슬래그, 생석회 및 무수석고를 혼합하고, 여기에 OPC, 슬래그, 생석회 및 무수석고의 전체 함량 100중량부에 대하여 혼합수 130중량부, 화학 혼화제인 SMK1311 0.06중량부, 발수제 0.1중량부 및 Al 분말 0.6중량부를 혼합하여 슬러리를 형성하였다.

OPC는 10,000㎠/g, 7,500㎠/g의 분말도로 제어하여 각각 사용하였으며, 슬래그 분말도는 7,000㎠/g으로 제어하였다. 이때 시멘트와 슬래그 분말도는 진동밀을 사용하여 분쇄 제어하였다. 분쇄 슬래그 함량은 10중량%, 15중량%, 20중량%, 25중량%, 30중량% 및 35중량%로 혼합하였다. 이때 OPC 함량은 45중량%에서 70중량%까지 변화시켰으며, 생석회 10중량% 및 무수석고 5중량%, 10중량%로 고정하였다. 슬러리 안정성 확보를 위한 화학 혼화제인 SMK 1311(바커사 제품)은 0.06중량부, 실리콘계 발수제는 0.1중량부로 고정하였으며, 기포 생성을 위한 알루미늄(Al) 분말을 0.6중량부로 고정하였다.

슬러리 제조를 위해서 OPC, 슬래그, 생석회 및 무수석고를 분체상으로 혼합하였다. 이후 혼합수를 130중량부 투입한 후, SMK 1311을 혼합하여 슬러리를 제조하였다. 이때, 슬러리 성형용 몰드는 220×220×220mm의 스티로폼 몰드를 사용하였다.

No.	OPC(중량%)		슬래그 (중량%)	생석회 (중량%)	무수석고(중량%)	혼합수 (중량부)	SMK 1311 (중량부)	발수제 (중량부)	Al분말 (중량부)
No.	10,000	7,500	슬래그 (중량%)	생석회 (중량%)	무수석고(중량%)	혼합수 (중량부)	SMK 1311 (중량부)	발수제 (중량부)	Al분말 (중량부)
1	50	-	35	10	5	130	0.06	0.1	0.6
2	50	-	30	10	10	130	0.06	0.1	0.6
3	-	45	35	10	10	130	0.06	0.1	0.6
4	-	50	30	10	10	130	0.06	0.1	0.6
5	-	55	25	10	10	130	0.06	0.1	0.6
6	-	60	20	10	10	130	0.06	0.1	0.6
7	-	65	15	10	10	130	0.06	0.1	0.6
8	-	70	10	10	10	130	0.06	0.1	0.6

제조된 슬러리에 알루미늄 분말을 최종 투입한 후 충분히 혼합하여 대기 중에 방치하였다. 약 2시간이 경과하면 슬러리는 최대치로 팽창하며, 이는 알루미늄 분말이 수화물과 반응하여 수소가스가 대부분 생성 완료되기 때문이다. 이는 2시간 이후 알루미늄 분말에 의한 기포 생성이 완료되어, 더 이상 발포제에 의한 기포 생성이 추가되지 않기 때문이다. 도 4a 및 도 4b는 최종 발포완료된 슬러리 상태를 나타낸 사진이다. 최초 슬러리 제조시간부터 24시간이 경과된 후 제조 시편을 몰드에서 탈형하였다. 탈형된 시편은 실내 온도 25±5℃, 상대습도 50∼60% 조건에서 양생하였다. 양생기간은 3일, 7일, 15일 및 28일 등으로 고정하였다. 각각의 양생기간이 종료된 후 밀도, 압축강도 및 열전도율 등을 측정하였다. 또한, 시편의 기공 상태 및 결정성 등을 관찰하였다.

(2) 슬래그 혼합 슬러리 및 단열재 특성

- 슬러리 특성

도 4a 및 도 4b에서와 같이, 슬래그 혼합 슬러리의 발포 상태는 모든 시편에서 매우 양호하였다. 즉, 슬러리 붕괴현상(Backing 현상 등)이 전혀 발생치 않았다. 발포 슬러리의 최대 온도는 45℃ 이하 이었으며, 슬래그 함량이 증가함에 따라 슬러리 온도가 소폭 감소하였다. 하지만, 슬러리 내부 온도와 슬래그 함량과의 정확한 상관성은 도출되지 않았다. 발포 슬러리는 24시간 경과 후에도 슬러리 경화체에 균열이 발생치 않았으며, 붕괴현상도 발생치 않았다. 24시간 후에도 경화 슬러리는 매우 양호한 상태로 존재하였다. 도 5a 및 도 5b는 24시간 경화 후 슬러리의 기공 상태를 나타낸 것이다. 도 5a 및 도 5b에서와 같이 기공크기는 약 0.5∼2mm 전후이었으며, 평균 기공 크기는 약 1mm 수준으로 관찰되었다. 기공은 서로 연결된 기공(Connected Pore) 및 개기공(Open Pore) 상태도 존재하지만, 일정량의 기공은 폐기공(Closed Pore) 상태로 존재하였다. 이와 같은 폐기공들은 단열특성 발현에 좋은 영향을 미칠 것으로 추정되며, 또한 압축강도 증진에도 기여할 것으로 판단된다.

- 양생조건에 따른 시편 특성

슬러리를 24시간 경화한 후 양생 조건을 달리하여 시편 외관 상태를 관찰하여 도 6a 및 도 6b에 나타내었다. 양생 조건은 주로 습도를 변화시켰으며, 항온항습기 내부에 시편을 장입한 이후 상대습도 60% 미만, 60∼70% 및 70% 초과로 제어하였다. 경화 시편을 15일 동안 상기 양생 조건들에서 유지한 후 외관 관찰시 상대습도가 60% 미만 조건에서는 다수의 균열을 관찰할 수 있었다. 도 6a는 상대습도 60% 미만에서 관찰된 균열을 나타낸 것이며, 도 6b는 상대습도 60∼70% 조건에서의 무균열 상태를 나타낸 것이다. 또한 상대습도 70% 초과 조건에서도 균열을 관찰할 수 없었다. 따라서 최적 상대습도 조건은 60% 이상으로 추정되었다.

-양생일별 물리적 특성

상기에서 언급한 바와 같이, 3일, 7일, 15일 및 28일 양생한 후 밀도, 압축강도 및 열전도율 등을 측정하였다. 이때 제조된 시편은 각각의 양생일까지 온도 25±5℃, 상대습도 60∼70% 조건에서 양생하였다. 도 7은 양생재령 15일 시편들의 외관 상태를 나타낸 것이다. 시편들의 외관 상태는 매우 양호하였으며, 균열도 관찰되지 않았다. 이들 시편의 밀도와 압축강도 측정결과는 도 8 및 도 9에 나타내었다.

도 8에서와 같이 양생일 증가에 따라 시편들의 밀도가 감소하는 특성이 발현되었다. 특히 3일 재령에서 7일 재령으로 변화하는 과정에서 밀도는 크게 감소하였으며, 이후 14일에서 28일 양생시에는 밀도가 소폭 감소하는 것으로 측정되었다. 슬래그 배합조건별 밀도변화는 경향성을 나타내지 않았으며, 오히려 양생일 변화에 따른 밀도변화가 좀 더 큰 영향을 미치는 것으로 판단되었다. 이는 슬러리 경화체 시편이 보유하고 있는 부착 수분이 초기 양생재령에서 좀 더 빠르게 증발하기 때문이다.

도 9는 슬래그 함량별/양생일별 압축강도 변화를 나타낸 것이다. 압축강도는 양생일 증가에 따라 상승하였으며, 시멘트(OPC) 분말도가 높을수록 상승하는 일반적 경향을 나타내었다. No.2는 OPC 분말도를 10,000㎠/g으로 제어한 것이고, No.4는 OPC 분말도를 7,500㎠/g으로 제어한 것이며, 이들의 압축강도는 No.2에서 좀 더 높은 값을 나타내었다. 즉 OPC 분말도 증가에 따라 압축강도가 상승하는 경향을 나타내었다(28일 재령에서의 압축강도: No.2-0.3MPa 이었으며, No.4-0.28MPa 이었음). 하지만 이들 차이(0.02MPa)는 크지 않았으며, 이는 강도에 기여할 수 있는 매트릭스 부분이 상대적으로 적기 때문이다. 상기 시편들의 기공율은 약 90%, 매트릭스 부분 10% 전후로, 강도에 기여할 수 있는 포션은 전체 부피의 10%에 불과하여, 압축강도는 큰 차이를 나타내지 않는 것으로 판단되었다.

슬래그 함량에 따른 압축강도는 도 10에 나타내었으며, 도 10에서와 같이 양생일 증가에 따라 압축강도가 증가하는 경향을 나타내었다. 15일 및 28일 양생조건에서는 슬래그 함량 30중량%(OPC 함량 50중량%) 조건에서 가장 높은 압축강도 값이 발현되었다. 그러나, 슬래그 함량 감소/OPC 함량 증가에 따라 서서히 압축강도는 감소하였다. 이와 같은 압축강도 감소는 시멘트(OPC) 함량 증가에 따른 영향으로 판단되었다. OPC 함량 증가에 따라 슬러리 제조시, 알루미늄 분말의 빠른 기포 형성에 따른 기공 병합 및 거대기공 형성 등에 의해서 압축강도 특성은 오히려 불량해지는 것으로 판단되었다.

28일 압축강도만을 분리하여 그래프화 했을 경우, 좀 더 자세한 영향을 관찰할 수 있었다(도 11 참조). 도 11에서와 같이 NO.4 배합조건(슬래그 함량 30중량%, OPC 함량 50중량%) 조건에서 가장 높은 강도 값을 나타내었으며, 이후 압축강도는 점차 감소한다는 것을 좀 더 자세히 알 수 있었다. 따라서, 슬래그 함량은 20∼30중량% 수준(시멘트(OPC) 함량 50∼60중량%)이 적합하다는 것을 확인할 수 있었다.

상기 표 2에 나타낸 배합설계비 및 제조방법을 동일하게 유지한 후 양생이 종료된 시편을 건조하여 물리적 특성을 검토하였다. 건조 조건은 30℃에서 60℃까지 1시간에 10℃씩 상승시켜 건조하였다. 이후 60℃에서 항량이 될 때까지 건조하였다. 이는 시편에 열충격이 가해지는 것을 최소화하기 위한 것으로, 건조 후에도 시편에는 열충격에 의한 균열이 관찰되지 않았다. 건조 종료 후 압축강도, 밀도 및 열전도율 등을 측정하여 단열재로의 가능성을 검토하였다.

건조 후 시편 밀도는 도 12에 나타내었으며, 표 2의 배합설계비에 따른 차이가 발견되지 않았다. 즉, 모든 시편에서 밀도 값은 0.11∼0.12g/㎤ 수준으로 유사하였다. 하지만, 양생일 증가에 따라 미미하지만 밀도 값이 증가(0.11g/㎤→0.12g/㎤)하는 경향을 나타내었다. 이는 양생일 증가에 따라 시멘트(OPC)와 슬래그의 수화 반응이 증가하고, 이에 따라 기공의 일부가 수화물로 채워지기 때문으로 판단되었다. 하지만 밀도 값의 변화가 0.01㎤ 수준으로 매우 낮아, 시편 물성에는 큰 차이가 없을 것으로 추정되었다.

슬래그 함량별 건조 시편의 압축강도는 도 13에 나타내었다. 도 13에서와 같이 양생일 증가에 따라 압축강도도 증가하였으며, 28일 양생조건에서 압축강도는 목표치인 0.3MPa을 상회하였다. 이는 60℃ 조건에서 슬래그와 시멘트(OPC)의 수화반응 증진에 따라 강도 특성도 양호해진 것으로 사료되었다. 0.3MPa을 상회하는 조건은 No.4 및 No.5이었으며, 각각 0.32MPa 및 0.30MPa이었다. 건조 전후 압축강도 값에는 차이가 있으나, 시편별 압축강도 발현 특성은 건조 전과 유사하였다.

슬래그 함량별 건조 시편의 열전도율은 도 14에 나타내었다. 열전도율은 양생일에 따라 차이가 없었으며, 배합설계비에 따라서도 차이가 발생치 않았다. 열전도율 값은 모든 시편, 모든 양생일에서 0.041∼0.043W/mK 수준이었다. No.4 및 No.5의 열전도율은 0.043W/mK으로, 동일한 수준을 나타내었다. 열전도율은 시멘트(OPC)와 슬래그의 수화 반응에 좌우되는 특성이 아니라, 주로 기공 특성(기공량 및 기공 종류 등)에 좌우되는 것으로 판단되었다.

상기 실험 결과와 같이 건조 온도의 제어에 따라 압축강도 특성이 변화된다는 것을 확인하였다. 따라서, 건조 온도를 상기 60℃에서 80℃로 상향시켜 실험하였다. 이때에도 건조기의 승온 속도는 10℃당 1시간으로 제어하였으며, 80℃에서 항량 건조하였다. 이후 압축강도를 측정하였으며, 이를 도 15에 나타내었다. 건조 온도 80℃에서는 압축강도 값이 증가하지 않았으며, 오히려 감소하는 경향을 나타내었다. 28일 양생조건에서 최대 압축강도는 0.25MPa이었으며, 최소 압축강도는 0.17MPa이었다. 이는 건조 전 시편의 압축강도 값 보다 오히려 소폭 감소하는 수준이었다. 건조 온도 80℃에서의 압축강도 감소는 건조시 열충격에 의한 균열 발생에 의한 것으로 판단되며, 이는 시멘트 수화물의 일종인 에트링자이트 등의 열분해에 의한 수화물의 파괴 및 수축현상 때문으로 추정되었다. 따라서 최대 압축강도 값이 발현될 수 있는 건조 조건은 60℃(80℃ 미만)로 판단되었다.

(3) 단열재 코팅

슬래그 혼합 무기 단열재(칼슐실리케이트계 무기 단열재)는 건축물 부착과정에서 표면에서 소량의 미분 분리날림 현상이 발생한다. 이를 해결하기 위해 단열재 표면경도 증진이 필요하며, 더불어 작업성을 충분히 확보할 수 있도록 표면 코팅하였다. 코팅 방법은 딥 코팅, 스프레이 코팅 등 다양한 방법이 있으나, 본 실험예에서는 스프레이 코팅 방법을 사용하였다. 또한, 600×400×200mm 크기의 단열재 1회 코팅시, 코팅제 사용량은 200g으로 한정하였다. 표면코팅제는 미콘社의 표면강화제와 실(Seal)제를 사용하였다. 더불어 씨카社의 표면강화제도 사용하였다. 미콘社의 표면강화제는 소듐실리케이트계 코팅제이며, 실(Seal)제는 변성 아크릴 수지계이다. 씨카社의 표면강화제도 대표적 물유리계인 소듐실리케이트계 코팅제이다.

상기 슬래그 30중량% 혼합조건에서 코팅제 도포 결과를 아래의 표 3에 나타내었다. 코팅제가 4회 이상 도포시 밀도, 압축강도 및 열전도율 값들이 소폭 상승하는 결과가 도출되었다. 최대 증가폭은 밀도 0.02g/㎤, 압축강도 0.02MPa 및 열전도율 0.003W/mK 수준이었다. 밀도와 열전도율은 소폭 불량해지는 쪽으로, 압축강도는 양호해지는 쪽으로 변화하였다. 그러나, 2회 코팅시에는 밀도, 압축강도 및 열전도율에 큰 차이가 발생치 않았다. 하지만 단열재의 표면상태는 양호해지는 특성이 발현되었다. 따라서, 단열재의 건축 적용성(작업성)을 고려할 경우, 코팅 회수는 약 2회 수준이 적합할 것으로 판단되었다. 도 16a는 코팅제 도포 과정을 보여주는 사진이고, 도 16b는 코팅제 도포 후 소재의 모습을 보여주는 사진이다.

코팅 조건		밀도 (g/㎤)	압축강도 (MPa)
코팅 전		0.12	0.32
미콘 社	소듐실리케이트계 코팅제 2회	0.12	0.32
	소듐실리케이트계 코팅제 4회	0.13	0.32
	실제 2회	0.13	0.32
	실제 4회	0.14	0.33
	소듐실리케이트계 코팅제 2회+실제 2회	0.15	0.34
씨카 社	소듐실리케이트계 코팅제 2회	0.12	0.33
씨카 社	소듐실리케이트계 코팅제 4회	0.13	0.33

2. Pilot Plant 생산 및 물성 분석

슬래그 혼합 무기 단열재(칼슘실리케이트계 무기 단열재)의 제조를 위한 배합설계비를 기준으로 (주)SYC 공장 Pilot Plant에서 시편을 제조하였다. 이때, 배합설계비는 아래의 표 4에서와 같이, 실험실 실험에서 양호한 결과값이 도출된 조건(4건)으로 실험하였다. 단열재 제조용 Pilot Plant(이하 'PP'라 함) 몰드는 620×1,500×620mm 및 700×1,500×800mm 등 다양한 크기의 몰드를 사용하였다(도 17a 내지 도 17c 참조, 실험실용 스티로폼 몰드 크기 : 220×220×220mm). 표 4에 나타낸 배합설계비에 따라 원료 계량 후 혼합수를 투입하고, SMK 1311과 실리콘계 발수제를 첨가하였다. 1차 혼합 후 알루미늄 분말을 첨가하여 최종 슬러리화 하였다. 더욱 구체적으로는, 표 4에 나타낸 배합비와 같이 OPC, 슬래그, 생석회 및 무수석고를 혼합하고, 여기에 OPC, 슬래그, 생석회 및 무수석고의 전체 함량 100중량부에 대하여 혼합수 130중량부, 화학 혼화제인 SMK1311 0.06중량부, 발수제 0.1중량부 및 Al 분말 0.6중량부를 혼합하여 슬러리를 형성하였다. 완성된 슬러리는 PP 몰드에 타설한 후 24시간 동안 유지하였다. 몰드 탈형 후 상대습도와 실내온도를 변화시켜 각각의 양생일 동안 유지하였다. 이후 물리적 특성을 실험하였다.

No.	OPC (중량%)	슬래그 (중량%)	생석회 (중량%)	무수석고 (중량%)	혼합수 (중량부)	SMK 1311 (중량부)	발수제 (중량부)	Al분말 (중량부)
1	45	35	10	10	130	0.06	0.1	0.6
2	50	30	10	10	130	0.06	0.1	0.6
3	55	25	10	10	130	0.06	0.1	0.6
4	60	20	10	10	130	0.06	0.1	0.6

(1) 슬러리 성형 특성 분석

No.1(슬래그 함량 35중량%) 배합조건으로 PP 몰드 제조시, 도 18과 같이 슬러리가 약 15cm 가량 침하하는 현상도 관찰되었다. 슬러리 침하현상은 최초 슬러리 제조 완료 후 2시간 경과시에 발생하였으며, 이후 침하 상태(15cm 침하 상태)를 그대로 유지하였다. 이는 시멘트량 부족으로 인한 경화속도 제어(경화 속도가 늦어짐에 따라)에 어려움을 겪었기 때문으로 추정되었다. 실험실 소형 몰드에서는 상기 배합조건에서 침하하지 않았으나, 대형 몰드에서는 침하 현상이 발생하였다. 이는 슬러리가 경화하기 전 다량의 슬러리 자체 중량으로 인한 슬러리 침하현상으로 추정되었다. 또한, 침하현상으로 인한 내외부 균열도 다수 관찰되었다. 공정상에서는 슬래그 함량을 35%로 증가시키는 것은 불가능하다는 것을 알 수 있었으며, PP 제조를 위한 슬래그 함량은 30% 이하가 적합하다는 것을 확인할 수 있었다.

도 19는 No.2, No.3 및 No.4의 슬러리 발포 후 외관을 나타낸 것이다. 슬래그 함량 20중량%, 25중량% 및 30중량%의 슬러리 발포 상태는 매우 양호하였으며, 슬러리 내부의 최대 온도는 약 40℃ 전후이었다. 도 20은 슬러리 발포 후 내부 온도를 측정하여 나타낸 사진이다. 이와 같은 40℃ 전후의 슬러리 온도는 실험실 실험에서 증명된 최적 온도와 유사한 결과이기도 하다. No.2, No.3, No.4의 배합설계 조건의 슬러리는 PP 몰드에서 정상적으로 팽창하였으며, 24시간 경화 후에도 안정적 상태를 유지하였다. 도 21a 및 도 21b는 PP 몰드를 사용한 경화 슬러리 상태를 보여주는 사진이다. 24시간 경화 슬러리에서도 내부 및 외부 모두에서 균열이 발견되지 않았다. 따라서, No.1을 제외한 No.2∼No.4의 배합조건으로 제조된 성형체의 물리적 특성을 분석검토하였다.

(2) 경화체(단열재) 균열 제어

24시간 경화체의 절단 과정 및 절단 후 시편 사진을 도 22a 및 도 22b에 나타내었다. 이후 절단 시편 중 일부는 상대습도 60% 이상 조건으로 유지하기 위해 (주)SYC 항온항습실 내부에 가습기를 설치하여 습도를 제어하였다. 또한, 일부 시편은 온습도 제어가 불가능한 (주)SYC 창고 내부에 방치한 후 외관 상태를 관찰하였다. 도 23a는 창고에 방치할 경화체 시편을 보여주는 사진이고, 도 23b는 항온항습실에 보관할 경화체 시편을 보여주는 사진이며, 도 24a는 창고에 2주 동안 방치한 경화체 시편(습도 미제어 시편)의 외관 사진이고, 도 24b는 항온항습실에 2주 동안 보관한 경화체 시편(습도 제어 시편)의 외관 사진이며, 도 25a는 창고에 4주 동안 방치한 경화체 시편(습도 미제어 시편)의 외관 사진이고, 도 25b는 항온항습실에 4주 동안 보관한 경화체 시편(습도 제어 시편)의 외관 사진이다. 도 23a 내지 도 25b에 나타낸 바와 같이, 습도가 제어된 시편은 균열이 관찰되지 않았으나, 창고에 보관된 시편은 다수의 균열이 관찰되었다. 시편 크기가 커지더라도 온습도 제어가 가능한 조건에서는 균열이 발생치 않는다는 것을 확인할 수 있는 결과라고 추정되었다.

단열재 균열 제어를 위한 또 다른 방법으로 24시간 경화체를 절단한 후 비닐로 밀봉하여 수분 이동을 억제하였다. 도 26a 및 도 26b는 최초 경화체를 비닐 포장한 상태를 나타낸 것이며, 이후 2주 및 4주 동안 밀봉 상태로 유지하였다. 도 27은 경화체를 2주 동안 비닐 포장한 상태를 유지한 후의 모습을 보여주는 사진이고, 도 28은 경화체를 4주 동안 비닐 포장한 상태를 유지한 후의 모습을 보여주는 사진이다. 이때 밀봉 상태의 단열재는 대기 중 방치하여 온도와 습도를 제어하지 않았다. 대기 온도는 약 15∼ 35℃ 범위이었으며, 상대습도는 30∼80% 범위이었다. 각각의 밀봉 기간이 경과한 후 비닐을 제거하여 대기 중에 방치하였다. 2주 밀봉 단열재에서는 미세 균열이 일부 관찰되었다. 하지만, 4주 밀봉 단열재에서는 균열이 발생치 않았다. 적절한 수분 제어 방법을 적용할 경우, 단열재에 균열이 생성되지 않는다는 것을 확인할 수 있었다.

(3) PP 배합조건별 물성 측정

표 4에 나타낸 배합설계비에 따라 PP 몰드에서 제조한 단열재의 밀도, 압축강도 및 열전도율 등의 물리적 특성을 측정하였다. 상기에서 언급한 바와 같이, 슬래그 35중량% 조건에서는 슬러리가 소폭 침하하는 현상이 발생하여 물성을 측정하지 않았다. 따라서, 슬래그 35중량%를 제외한 20중량%, 25중량% 및 30중량% 조건의 단열재를 중심으로 물성을 측정하였다. 이때, 양생조건은 상대습도 60% 이상, 실내온도 20∼30℃ 조건에서 각각의 양생일 동안 유지하였다. 또한, 양생일은 실험실 실험 및 현장실험에서 도출된 최적 양생일(2주, 4주)을 기준으로 양생하였다.

(3.1) 온습도 제어 단열재 물성 측정

24시간 경화체를 2주 및 4주 동안 양생한 후 밀도를 측정하였다. 각각의 양생일이 종료된 후 밀도는 60℃-항량 건조 후 측정하였으며, 이를 도 29에 나타내었다. 모든 시료의 밀도는 양생일에 큰 차이 없이 0.12∼0.13g/㎤ 수준이었으며, 이는 실험실 실험과 유사한 결과이기도 하다. 시편의 크기가 커지더라도 단열재 밀도는 큰 영향을 받지 않았다. 또한, 밀도 변화가 발생치 않았다는 것은 소재 내부에 존재하는 기공 특성에도 변화가 발생치 않았다는 것을 간접적으로 증명하는 것이다.

밀도 측정과 동일한 방법으로 제조된 단열재를 사용하여 압축강도를 측정하였으며, 이를 도 30에 나타내었다. 4주 양생 후 압축강도는 0.3MPa 전후이었으며, No.2 및 No.3은 0.3MPa(각각 0.33MPa, 0.31MPa)을 상회하였다. 특히, 시멘트(OPC) 함량이 증가함에 따라 압축강도는 감소하는 경향을 나타내었다. 이와 같은 특성은 실험실 실험과 매우 유사한 결과이기도 하다.

2주 및 4주 양생시편의 열전도율 값을 도 31에 나타내었다. 열전도율은 양생일에 따라 큰 변화가 관찰되지 않았으며, 이는 밀도 특성과 유사한 특징이기도 하다. 열전도율은 No.2, No.3 및 No.4 모두에서 0.042∼0.043W/mK 범위값을 나타내었다.

단열재의 흡수율 시험방법은 국가 규격(KS 규격 등)으로 제정되지 않아, Xella社의 시험 방법을 준용하였다. Xella社는 대표적 무기단열재인 Multipor(상품명)를 생산판매하는 회사이다. Multipor는 180℃-수열합성법에 의해 제조되어, 본 발명에서 개발하고자 하는 소재와는 차이가 있다. 국내외 규격이 제정되지 않아, Xella社 방법을 준용한 것이다.

흡수율 시험방법은 시편을 100×100×20mm 크기로 절단하여 60℃에서 항량 건조하여 무게를 측정한다(A). 건조 시편은 상대습도 80%, 온도 23℃의 항온항습기(Temp. & Humidity Chamber)에서 24시간 동안 유지한다(B). 24시간 유지 후 시편 무게를 측정한다. 이후 무게 변화를 측정하여 수학식 1과 같이 계산하며, 이를 흡수율로 규정한다.

[수학식 1]

본 실험에서도 상기 Xella社 방법으로 흡수율을 시험하였다. 양생이 종료된 단열재는 100×100×20mm 크기로 절단한 후 60℃ 건조기에 장입하였다. 건조가 종료된 후 시편 무게를 측정하였다. 이후 건조 시편은 항온항습기에서 24시간 유지하여 수분을 흡수시킨 후 무게 변화를 측정하여 흡수율로 계산하였다. 도 32a는 PP 단열재를 건조기에 장입하여 건조시키는 과정을 보여주는 사진이고, 도 32b는 건조된 PP 단열재를 항온항습기에 유지하여 흡습시키는 과정을 보여주는 사진이다.

아래의 표 5에 슬래그 혼합비율에 따른 흡수율 시험 결과를 나타내었다. 흡수율은 모든 시편에서 목표치인 10% 이하였으며, 최소 흡수율은 5.5%, 최대 흡수율은 7.1% 이었다. 모든 시편에서 10% 이하 흡수율을 발현한 이유는 슬러리 제조시 실리콘계 발수제를 첨가하여 수분 흡수를 제어했기 때문이다. 특히 실리콘계 발수제는 시편 건조 후 성능 발현이 매우 우수하여 흡수특성을 제어할 수 있었다.

No.	건조 후 무게 (g)	항온항습 후 무게 (g)	흡수율 (%)
2	24.1	25.6	6.2
3	23.8	25.5	7.1
4	25.4	26.8	5.5

도 33a 및 도 33b는 실리콘계 발수제가 첨가된 단열재에 물방울을 떨어뜨린 후 관찰한 사진이고, 도 34a 및 도 34b는 실리콘계 발수제가 첨가된 단열재에 물방울을 떨어뜨린 후 관찰한 사진이다. 도 33a 및 도 33b에서와 같이 발수제가 첨가되지 않은 단열재에서는 물방울이 소재 내부로 흡수되는 현상이 관찰되었다. 하지만 도 34a 및 도 34b와 같이, 발수제가 첨가된 단열재 표면에서는 물방울이 흡수되지 않고 방울져 있는 현상을 관찰할 수 있었다. 따라서, 실리콘계 발수제는 무기계 단열재의 흡수율 제어에 매우 효과적인 첨가제로 판단되었다. 또한, 첨가량은 OPC, 슬래그, 생석회 및 무수석고의 전체 함량 100중량부에 대하여 0.1중량부 이내가 적합했으며, 0.15중량부를 상회할 경우, 슬러리 침하현상이 발생하는 단점도 존재하였다.

표 4에 나타낸 No.2의 배합비로 제조된 시편에 대하여 기공특성을 분석하여 그 결과를 도 35에 나타내었다. 기공특성 분석을 위해 독일 라이카사의 Image Analyzer 프로그램을 이용하였다. 도 35에서 파란색 부분은 기공을 나타내며, 회색부분은 매트릭스 부분을 나타낸 것이다. 파란색 부분이 매우 많아, No.2 시편의 기공은 매우 많이 존재한다는 것을 확인할 수 있었다. 이는 슬러리 24시간 경화체에서 관찰한 기공 특성과 유사한 결과이기도 하다. No.2 시편을 Image Analyzer로 분석한 결과, 기공율은 90.0%, 평균 기공크기는 0.84mm이었다. 이와 같은 기공 특성은 외관상 관찰한 슬러리 경화체와 유사한 값이기도 하였다.

(3.2) 비닐 밀봉 단열재 물성 측정

상기에서 언급한 바와 같이, 비닐 밀봉 단열재의 양생기간이 2주인 단열재는 미세 균열이 발생하는 단점이 있다. 따라서, 4주의 양생기간을 거친 후 비닐 포장을 제거하였다. 비닐 포장이 제거된 단열재는 건조기에서 60℃ 항량 건조한 후 밀도, 비중 및 압축강도 등을 측정하였다. 이때 단열재는 표 4에 나타낸 No.2 및 No.3의 배합설계비로, 즉 시멘트(OPC) 함량을 50중량% 및 55중량%로(슬래그 함량 30중량% 및 25중량%)로 제어하여 단열재를 제조하였다.

No.2 및 No.3로 배합되어 제조된 단열재의 밀도, 압축강도 및 열전도율 값을 표 6에 나타내었다. 표 6에서와 같이, 밀도는 0.13g/㎤, 압축강도 0.32∼0.33MPa, 열전도율 0.043W/mK이었다. 이는 온도 및 습도를 제어한 항온항습실 내부 유지 시편과 매우 유사한 결과 값이며, 대기 중 온도가 15℃ 이상으로 유지될 경우에는 충분히 비닐 밀봉도 유효하다는 것을 의미하는 것이다.

No.	밀도 (g/㎤)	압축강도 (MPa)	열전도율 (W/mK)
2	0.13	0.32	0.043
3	0.13	0.33	0.043

이상, 본 발명의 바람직한 실시예를 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되는 것은 아니며, 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 변형이 가능하다.

Claims

(a) 시멘트와 슬래그를 분쇄하여 미분화하는 단계;
(b) 미분화된 시멘트 50∼60중량%, 미분화된 슬래그 20∼30중량%, 생석회 5∼15중량% 및 무수석고 2∼18중량%를 혼합하여 무기계 결합재를 형성하는 단계;
(c) 상기 무기계 결합재에 상기 무기계 결합재 100중량부에 대하여 혼합수 100∼200중량부, 혼화제 0.001∼0.5중량부 및 발포제 0.1∼1.5중량부를 혼합하여 슬러리를 형성하는 단계;
(d) 상기 슬러리를 성형하는 단계;
(e) 성형된 결과물을 경화시키는 단계;
(f) 경화된 결과물을 비닐로 밀봉하는 단계; 및
(g) 비닐 밀봉된 결과물을 양생하는 단계를 포함하며,
상기 (b) 단계에서 제지애쉬 1∼10중량%를 더 혼합하여 상기 무기계 결합재를 형성하는 것을 특징으로 하는 슬래그 혼합 무기 단열재의 제조방법.
제1항에 있어서, 상기 (a) 단계에서 상기 슬래그의 분말도가 6,000∼8,000㎡/g를 이루도록 미분화하는 것을 특징으로 하는 슬래그 혼합 무기 단열재의 제조방법.
제1항에 있어서, 상기 (a) 단계에서 상기 시멘트의 분말도가 6,500∼11,000㎡/g를 이루도록 미분화하는 것을 특징으로 하는 슬래그 혼합 무기 단열재의 제조방법.
제1항에 있어서, 상기 발포제는 Al 분말을 포함하는 것을 특징으로 하는 슬래그 혼합 무기 단열재의 제조방법.
삭제
제1항에 있어서, 상기 (c) 단계에서 상기 무기계 결합재 100중량부에 대하여 실리콘계 발수제 0.01∼0.15중량부를 더 혼합하여 상기 슬러리를 형성하는 것을 특징으로 하는 슬래그 혼합 무기 단열재의 제조방법.
제1항에 있어서, 상기 (g) 단계 후에 50℃보다 높고 80℃보다 낮은 온도에서 건조하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 슬래그 혼합 무기 단열재의 제조방법.
제1항에 있어서, 상기 (g) 단계 후에 소듐실리케이트계 코팅제로 표면 코팅하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 슬래그 혼합 무기 단열재의 제조방법.
제1항에 있어서, 상기 양생은 상대습도가 60∼80%인 조건에서 수행하는 것을 특징으로 하는 슬래그 혼합 무기 단열재의 제조방법.