KR101973717B1 - 내화성 콘크리트 조성물 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 시멘트를 사용하지 않고 산업부산물을 결합재로 사용하여 우수한 내열성과 강도를 갖는 내화성 콘크리트 조성물에 관한 것으로, 본 발명에 따른 내화성 콘크리트 조성물은, 일정 온도 이상에서 소성 처리된 산업부산물 분말과, 용융 실리카(fused sillica) 분말, 산화알루미늄 분말, 탄소섬유, 알칼리 활성화제를 포함하며, 상기 산업부산물 분말은 500~1000℃ 의 온도 환경에서 소성 처리된 플라이애쉬(fly ash) 분말 40~60 중량%와 500~1000℃ 이상의 온도 환경에서 소성 처리된 슬래그(slag) 분말 40~60 중량%를 포함한다.
Description
본 발명은 콘크리트 조성물에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 시멘트를 사용하지 않고 고온에서 소성되어 전처리된 플라이애쉬와 슬래그와 같은 산업부산물을 결합재로 사용하여 우수한 내열성을 갖는 내화성 콘크리트 조성물에 관한 것이다.
포틀랜드 시멘트를 결합재로 사용한 일반 콘크리트는 100℃ 이상의 고열에 매우 취약하기 때문에 화재시 고열에 의해 심각한 강도 저하가 발생하여 구조물이 붕괴될 수도 있다.
화재시 고온에 노출된 일반 시멘트 콘크리트는 내부의 세공액이 끓어올라 발생하는 폭렬현상으로 인해 표면이 탈락하고, 사용된 시멘트는 탈수(dehydration) 과정을 거쳐 초기상태인 결정질 상(crystalline phase)으로 회귀하게 된다.
실제 건물에 화재가 발생할 경우, 구조 부재는 발화지점과의 거리에 반비례하여 약 200~1000℃의 화해를 입게 되며, 일반적으로 구조 부재로 포틀랜드 시멘트 콘크리트가 사용되는 점을 고려하였을 때 화재 시 건물의 안전성이 매우 취약한 문제가 있다.
따라서, 건축구조물, 터널, 및 지하공간 콘크리트 구조물의 내화 성능을 향상시킬 수 있는 새로운 콘크리트 조성물의 개발이 필요하다.
기존에 개발된 내화성 콘크리트 조성물로서 등록특허 제10-0698550호에 시멘트, 모래, 무기산화물, 폴리머로서 폴리비닐계 수지, 광물질 및 유기 고분자 섬유로 폴리프로필렌을 포함하는 내화 및 단열 성능 향상을 위한 시멘트 모르타르 조성물이 개시되었다.
하지만 상기 종래 기술의 시멘트 모르타르 조성물은 분말형태의 폴리머 사용으로 폭렬방지효과가 적은 문제가 있다
또한 상기 종래 기술의 시멘트 모르타르 조성물을 비롯한 종래의 내화성 콘크리트 조성물은 시멘트의 소량을 내화성 결합재와 내화성 첨가제로 치환하여 사용하며, 여전히 주요한 결합재로서 시멘트를 사용하고 있는데, 시멘트를 결합재로서 사용하게 되면 실제 화해를 입을 경우 심각한 단면 손실이 발생할 가능성이 높다.
본 발명은 상기와 같은 문제를 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 시멘트를 사용하지 않고 산업부산물을 결합재로 사용하여 우수한 내열성과 강도를 갖는 내화성 콘크리트 조성물을 제공함에 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 내화성 콘크리트 조성물은, 일정 온도 이상에서 소성 처리된 산업부산물 분말과, 용융 실리카(fused sillica) 분말, 산화알루미늄 분말, 탄소섬유, 알칼리 활성화제를 포함한다.
상기 산업부산물 분말은 500~1000℃ 의 온도 환경에서 소성 처리된 플라이애쉬(fly ash) 분말 40~60 중량%와 500~1000℃ 이상의 온도 환경에서 소성 처리된 슬래그(slag) 분말 40~60 중량%를 포함한다.
상기 플라이애쉬 분말은 소성 과정에서 플라이애쉬 분말 100중량부에 대해 1~10 중량부의 탈황석고를 함께 혼합하여 소성되어 만들어진 것이 바람직하다.
상기 용융 실리카 분말은 규석을 분쇄한 분말을 900℃ 이상의 온도에서 소성시켜 구형화된 것이다.
상기 알칼리 활성화제는 수산화나트륨과 물유리와 물을 혼합한 것으로, SiO2/M = 1.0 ~ 1.5 인 것이며, 상기 M은 Na2O 또는 K2O 이다.
상기 산업부산물 100중량부에 대해, 용융 실리카(fused sillica) 분말은 30~40 중량부, 산화알루미늄(Al2O3) 분말은 1~2 중량부, 탄소섬유는 0.1~0.3 중량부, 알칼리 활성화제는 40~60 중량부를 포함하는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 내화성 콘크리트 조성물은, 화재 시 고온에 노출되더라도 높은 강도와 내구성을 가지며, 우수한 내열 성능을 갖는다.
도 1은 800℃에 노출시킨 본 발명에 따른 내화성 콘크리트 조성물의 실시예에 대한 X선 회절 분석 결과를 나타낸다.
이하 본 발명에 따른 내화성 콘크리트 조성물을 상세히 설명한다.
본 발명에 따른 내화성 콘크리트 조성물은 일정 온도 이상에서 소성 처리된 산업부산물 분말과, 용융 실리카(fused sillica) 분말, 산화알루미늄(Al2O3) 분말, 탄소섬유, 알칼리 활성화제를 포함한 구성으로 이루어져, 콘크리트 구조물의 제조시 우수한 내열성을 발휘한다.
본 발명의 콘크리트 조성물이 우수한 내열성을 발휘할 수 있도록 하기 위하여 상기 산업부산물 분말은 산업부산물 분말 전체에 대해 플라이애쉬(fly ash) 분말 40~60 중량%와 슬래그(slag) 분말 40~60 중량%로 이루어진다. 여기서 상기 플라이애쉬 분말은 500~1000℃ 의 온도 환경에서 소성 처리된 것이고, 슬래그 분말은 500~1000℃ 이상의 온도 환경에서 소성 처리된 것이다.
플라이애쉬는 ASTM C618이 지정한 기준에 맞는 플라이애쉬가 적합하며, 배합전 500~1000℃ 의 온도 환경에서 소성 처리된다. 플라이애쉬 분말은 플라이애쉬를 단독으로 소성 처리한 것을 사용할 수도 있으나, 콘크리트의 타설시 작업성을 확보하고 더 우수한 강도를 얻을 수 있도록 하기 위하여 플라이애쉬 분말 100중량부에 대해 1~10 중량부의 탈황석고를 함께 혼합하여 소성 처리한 플라이애쉬-탈황석고의 복합재로 만들어진 것이 바람직하다. 상기 플라이애쉬와 함께 소성되는 탈황석고는 1 중량부 미만으로 혼합되면 그 효과의 발현이 미미하며, 10중량부를 초과하게 되면 강도 저하 및 과팽창의 문제가 발생할 수 있다.
슬래그 분말은 블레인 값 5000㎠/g 이상을 갖는 것이 적합하며, 역시 배합전에 500~1000℃ 이상의 온도 환경에서 소성 처리되는 전처리 과정을 거친다.
상기 용융 실리카(fused sillica) 분말은 상기 플라이애쉬 분말과 슬래그 분말을 포함하는 산업부산물 분말 100 중량부에 대해 30~40중량부가 포함되는 것이 바람직하다. 용융 실리카는 원료 규석을 분쇄하여 만들어진 분말을 900~1500℃ 의 온도 환경에서 소성시켜 입자가 구형화된 것으로, 일반적인 실리카계 물질과 달리 높은 온도에서 소성되어 콘크리트가 화재에 의한 고온에 노출될 경우 온도에 의한 재료의 변형을 최소화하는 작용을 한다.
상기 산화알루미늄(Al2O3) 분말은 상기 산업부산물 분말 100중량부에 대해 1~2 중량부가 혼합되며, 경화체 매트릭스의 적절한 팽창을 유도하여 열전도율을 낮추어 콘크리트의 화해 영역을 억제하는 작용을 한다.
상기 탄소섬유는 상기 산업부산물 분말 100중량부에 대해 0.1~0.3 중량부가 혼합되며, 섬유의 길이는 3~7㎜ 인 것이 바람직하다.
상기 알칼리 활성화제는 수산화나트륨과 물유리와 물을 혼합한 3성분계 알칼리 활성화제로, SiO2/M = 1.0 ~ 1.5 (여기서 M은 Na2O 또는 K2O 임)인 것이 바람직하다. 알칼리 활성화제는 산업부산물 분말 100중량부에 대해 40~60 중량부가 혼합되는 것이 바람직하다. 알칼리 활성화제는 알칼리 활성화제 전체 중량에 대해 물이 35 중량%이며, 나머지 75 중량%가 수산화나트륨과 물유리의 혼합물로서 SiO2/(Na2O 또는 K2OM) = 1.0 ~ 1.5 인 혼합물이다.
이외에도 본 발명의 콘크리트 조성물에 생석회와 유동화제가 추가로 혼합될 수 있다.
상기 생석회는 산업부산물 분말 100 중량부에 대해 5~10 중량부가 혼합되는 것이 바람직하다.
상기 유동화제는 분말형으로 된 것으로, 유동성 확보를 위하여 산업부산물 분말 100 중량부에 대해 1~2.5 중량부가 혼합되는 것이 적절하다. 분말형 유동화제가 2.5 중량부를 초과하여 과도하게 첨가되면 콘크리트 내부에 공극률을 크게 증가시킬 수 있다. 상기 분말형 유동화제로는 폴리카르복실레이트(polycarboxylate) 계열이며, 유동화제 첨가로 인한 pH 저하를 감소시키고 알칼리활성 반응이 더 쉽게 일어나도록 하기 위해 pH가 6~12 인 것이 바람직하다.
실시예
먼저 플라이애쉬 분말 100 중량부에 대해 탈황석고 10중량부를 혼입하고, 연소로(furnace)에서 2시간 동안 900℃의 온도로 소성하여 플라이애쉬 분말을 얻고, 슬래그를 연소로에서 역시 2시간 동안 900℃의 온도로 소성하여 슬래그 분말을 얻는다.
이렇게 만들어진 플래이애쉬 분말 50 중량부와 슬래그 분말을 50 중량부를 용융 실리카 분말 35 중량부, 산화알루미늄(Al2O3) 분말 1 중량부, 탄소섬유 0.1 중량부, 생석회 10중량부를 강체식 믹서기에 투입하여 5분동안 건비빔한다.
이어서 수산화나트륨과 물유리와 물을 혼합한 알칼리 활성화제 50중량부와 유동화제 1.5 중량부를 혼합하고, 약 5분간 교반하여 페이스트를 제조한다.
이와 같이 제조된 페이스트를 시편 제조용 몰드에 타설하여 양생한다. 타설 후 초기 양생 온도는 10~30℃가 적당하며, 프리캐스트 콘크리트 구조물을 제작할 경우 50~70℃의 고온에서 양생하는 것이 강도 확보 면에서 바람직하다.
이 실시예에서는 25℃에서 양생하였으며, 타설후 7일간 수분 증발을 막기 위하여 랩으로 감싼 상태로 양생하여 시편(실시예 1)을 제작하였다.
비교 실험을 위해 1종 시멘트 100중량부와 증류수 50 중량부를 혼입하여 페이스트를 제조하고, 동일한 몰드에 타설하여 시편(비교예 1)을 제작하였다.
제작된 실시예 1 및 비교예 1에 대해 재령 28일 후 일정한 승온 온도(10 ℃/분)를 갖는 연소로에서 각각 200℃, 500℃, 800℃로 가열하고, 지정된 온도에 도달하게 되면 2시간 동안 온도를 유지한 후 승온 온도와 동일한 온도 변화율로 냉각한 다음 압축강도를 시험하였다. 시험 결과는 표 1에 기재한 것과 같다.
항목 | 비교예 1 | 실시예 1 | 시험기준 | |
28일 압축강도(MPa) | KS F 2405 |
|||
온도 |
25℃ | 35 | 37 | |
200℃ | 22 | 58 | ||
500℃ | 17 | 66 | ||
800℃ | 5 | 27 |
상기 표 1을 통해 알 수 있는 것과 같이, 비교예 1의 일반 시멘트의 경우 200℃ 이상의 고온에 노출되었을 경우 압축강도가 현저하게 줄어드는 것으로 확인되었지만, 본 발명의 실시예 1에 따른 내화성 콘크리트 조성물의 경우 고온에 노출될 경우 압축강도가 500℃ 까지는 증가하며, 800℃ 에서도 비교예 1보다 현저하게 우수한 압축강도를 발현하는 것을 확인할 수 있다.
또한 도 1은 800℃에 노출시킨 실시예 1에 대해 X선 회절 분석 결과를 나타낸 것으로, 도 1에서 'A'로 표시된 것은 고온에 안정적인 Anorthite(plagioclase) 상에 대한 것으로, 이 Anorthite 상은 고온에 노출 시 내구성 감소에 따른 성능 저하를 완화할 수 있는 요소로, 본 발명에 따른 구성 성분을 갖는 콘크리트 조성물이 화재와 같은 고온의 환경에서 일반 시멘트 콘크리트에 비하여 탁월하게 높은 내구성을 갖는 것임을 증명한다.
이러한 비교예 1 및 실시예 1의 압축강도 실험 결과와 X-회전 분석을 통하여 확인할 수 있는 것과 같이 본 발명에 따른 내화성 콘크리트 조성물에 의해 제조된 콘크리트는 화재 시 고온에 노출되더라도 높은 강도와 내구성을 갖는다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 기재된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상이 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
A : Anorthite 상
Claims (7)
- 일정 온도 이상에서 소성 처리된 산업부산물 분말과, 용융 실리카(fused sillica) 분말, 산화알루미늄(Al2O3) 분말, 탄소섬유, 알칼리 활성화제를 포함하며,
상기 산업부산물 분말은 500~1000℃ 의 온도 환경에서 소성 처리된 플라이애쉬(fly ash) 분말 40~60 중량%와 500~1000℃ 이상의 온도 환경에서 소성 처리된 슬래그(slag) 분말 40~60 중량%를 포함하는 내화성 콘크리트 조성물. - 삭제
- 제1항에 있어서, 상기 플라이애쉬 분말은 소성 과정에서 플라이애쉬 분말 100중량부에 대해 1~10 중량부의 탈황석고를 함께 혼합하여 소성되어 만들어진 내화성 콘크리트 조성물.
- 제1항에 있어서, 상기 용융 실리카 분말은 규석을 분쇄한 분말을 900~1500℃ 의 온도 환경에서 소성시켜 입자가 구형화된 것인 내화성 콘크리트 조성물.
- 제1항에 있어서, 상기 알칼리 활성화제는 수산화나트륨과 물유리와 물을 혼합한 것으로, SiO2/M = 1.0 ~ 1.5 인 것이며, 상기 M은 Na2O 또는 K2O 인 내화성 콘크리트 조성물.
- 제1항에 있어서, 상기 산업부산물 100중량부에 대해, 용융 실리카 분말는 30~40중량부, 산화알루미늄(Al2O3) 분말은 1~2 중량부, 탄소섬유는 0.1~0.3 중량부, 알칼리 활성화제는 40~60 중량부를 포함하는 내화성 콘크리트 조성물.
- 제1항에 있어서, 상기 산업부산물 100중량부에 대해 5~10 중량부의 산화칼슘(CaO)을 더 포함하는 내화성 콘크리트 조성물.
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