KR101998773B1 - 내화 몰탈로 피복된 내화풍도 슬래브 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 내화 몰탈 및 내화 몰탈로 피복된 내화풍도 슬래브에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 터널 화재기준에 적합하면서 경제성 있으며, 터널 및 지하차도 내 화재 발생시 콘크리트 부재의 붕괴를 막을 수 있는 내화 몰탈 및 내화 몰탈로 피복된 내화풍도 슬래브에 관한 것이다.

Description

내화 몰탈로 피복된 내화풍도 슬래브 제조방법{Manufacturing method of the internal airfoil slab coated with the refractory mortar}

본 발명은 내화 몰탈로 피복된 내화풍도 슬래브 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 터널 화재기준에 적합하면서 경제성 있으며, 터널 및 지하차도 내 화재 발생시 콘크리트 부재의 붕괴를 막을 수 있는 내화 몰탈로 피복된 내화풍도 슬래브 제조방법에 관한 것이다.

터널의 화재는 공간의 제약과 차량의 정체로 인해 진압이 쉽지 않으며 유조차와 같은 가연성 물질에 의한 화재의 경우 고열이 천정부에 가해져서 터널의 라이닝이 손상되기 쉬울 뿐만 아니라 빠른 진압이 어려워지는 경우 터널의 붕괴까지도 초래할 수 있어 대형사고의 위험을 안고 있다. 이러한 사고는 인명 및 재산상의 손실은 물론 붕괴된 터널의 복구를 위해 엄청난 예산과 시간이 소요되는 재앙이 될 수도 있다.

화강암과 같은 단단한 암반이 많은 유럽에서는 터널공사 시 숏크리트만으로 마감하고 콘크리트 라이닝을 생략하는 싱글쉘 터널이 많은데 이런 터널은 화재 시 숏크리트가 파괴되면 붕괴될 수 있는 위험이 크기 때문에 일찍이 화재로부터 콘크리트를 보호하기 위한 내화몰탈이 개발되어 상용화되어 있다.

국내에서도 이러한 보호 몰탈에 대한 연구들이 있었으나 풍화암이나 토사지반이 많은 국내 지형 특성상 숏크리트로 지반을 안정화한 후 콘크리트 라이닝을 설치하는 NATM터널이 많기 때문에 콘크리트 라이닝이 파손되어도 숏크리트 층이 지반을 지지하고 있어서 붕괴의 위험이 없다는 견해가 지배적이며 화재로부터 터널을 보호하기 위한 내화 몰탈이나 라이닝 재료들은 적용사례가 전무한 실정이다. 더구나 NATM터널과 달리 숏크리트 없이 콘크리트 라이닝만으로 지지되고 있는 쉴드터널, 침매터널, 개착터널 등에서는 화재로 인해 콘크리트가 붕괴되면 터널의 붕괴로 이어질 수 있는 위험성이 있음에도 내화에 대한 대책이 수립되지 않고 있는 실정이다.

최근에는 터널 화재시 연기를 빠르게 제거하고 터널붕괴를 예방하기 위하여 도 7a 내지 도 7c에 나타난 것처럼 터널 상부에 슬래브로 천장을 만들고 그 공간을 환기를 할 수 있는 풍도로 사용하는 풍도터널이 화재에 취약한 장대터널이나 지하차도 등에 많이 적용되고 있다. 그러나 사실상 천장이 낮아지기 때문에 대형화재 시는 슬래브에 더 높은 온도가 가해지기 쉽고 이로 인해 슬래브가 붕괴되면서 2차 사고의 발생은 물론 풍도로서의 기능이 상실될 수 있는 위험이 상존하고 있다. 물론 풍도 슬래브에 내화보드를 붙이거나 슬래브 자체를 경량화 및 내화성능 부여를 하려는 다양한 시도가 있으나 터널 내화기준으로 보편화 되어 있는 네덜란드의 RWS곡선에 의한 화재 시험규정(최대온도 1350℃)을 만족하는 경제성 있는 재료는 아직 개발되지 못하고 있으며 세계적으로도 몇 개의 업체만이 이러한 재료를 생산하고 있어 국내에서도 조속한 개발이 요구되고 있다.

터널화재시 콘크리트의 붕괴원인을 살펴보면, 콘크리트는 시멘트와 석영(α-Quarz)dl 많이 함유된 모래 및 자갈이 주 재료이므로 온도가 점차 올라감에 따라 각 재료의 변화로 인해 점차 약화되고 결국은 폭열이나 파괴에 이르게 된다. 골재나 콘크리트에 함유된 결정수분들은 200℃부터 탈수가 진행되며 300℃부터는 탈수로 인해 자갈파손과 시멘트 수화물 약화가 진행되기 시작하면서 콘크리트의 강도저하가 시작된다. 500~600℃에 이르면 골재 중의 석영이 α-Quarz에서 β-Quarz로 전이하면서 급격한 부피팽창이 발생하여 골재들이 파괴되기 시작하며 탈수로 인한 수증기가 급격히 증가하면서 증기압을 이기지 못한 시멘트 조직이 파괴되어 떨어져 나가는 폭열현상이 나타나면서 결국은 콘크리트 구조체의 붕괴가 발생하게 되는 것이다.

콘크리트의 붕괴를 방지하기 위한 근본적인 방법은 내화 단열재료로 피복하여 화재시 콘크리트의 온도가 성능저하가 시작되는 300℃ 이하가 되도록 하는 방법이다. 실제 화재 실물 모형실험에서 최고 1200~1350℃에 달하고 화재가 진압되기 까지 1~2시간이 소요됨을 감안할 때 내화재료는 다음과 같은 요건을 만족하여야 한다.

1) 내화 라이닝재(내화 몰탈)는 1200~1350℃의 온도에서도 표면이 용융되거나 변형되지 않아야 한다.

2) 소정의 두께에서 2시간 이상 콘크리트 표면온도가 300℃이하가 되도록 단열성을 유지하여야 한다.

3) 화재진압 후 열을 받은 내화 라이닝은 변형되어 기능이 저하되기 때문에 보수하기 쉽도록 쉽게 제거할 수 있어야 한다.

4) 진동이 발생하기 쉬운 터널의 표면에 위치하므로 충분한 강도와 장기적 내구성을 가지고 있어야 한다.

5) 대규모의 시공면적에 적용하므로 충분한 경제성을 가지고 있어야 한다.

현재 터널용 내화부재에 대한 시험규격은 연구기관에 따라 매우 상이하며 대표적인 내화시험규정은 도 8a 내지 도 8c에 나타난 것처럼 4가지로 요약할 수 있다. 그러나 연료나 인화성물질의 수송차량 등에 의한 심각한 터널화재를 가상한 실험은 훨씬 가혹한 조건임이 입증되고 있고 최대온도 1200℃, 최대온도 지속시간 60분을 제시한 RABT 곡선과 최대온도 1350℃, 지속시간 2시간의 조건을 제시한 RWS곡선의 두 규격이 현실성이 있는 것으로 인정되어 왔으며 안전에 대한 인식강화에 따라 더 가혹한 조건을 제시한 RWS곡선이 대부분 국가에서 터널 내화부재의 규격으로 채택되고 있다.

RABT곡선은 터널 내 자동차, 대형 트레일러 및 기차와 지하철에 대한 실물화재실험인 Eureka 499(1990～92) 프로젝트의 결과물로 독일에서 개발된 것으로서. 5분내 1200℃에 도달하여 60분간 지속된 후 110분동안 냉각되는 형상을 보이고 있다.

RWS곡선은 1979년에 네덜란드의 TNO에 의해 Rijkswaterstaat tunnel에서 실행된 시험의 결과에 의한 것으로서 최악의 상황을 가상하여 연료나 석유를 채운 유조차에 화재가 일어났을 시 열방출율이 300MW의 화재하중을 가지며 120분 동안 지속되는 화재에 바탕을 두고 있다. 이 곡선은 5분이내 1200℃까지 상승하여 단계적으로 1350℃의 최고온도에 도달한 후 천천히 감소하는 형상으로 유조차내의 연료 및 석유에 의한 단계적 화재온도에 기인하고 있다.

한편, 기존 터널용으로 상용화된 내화몰탈 제품은 BASF사의 MEYCO Fix Fireshield 1350(shell sand계)과 International CAFCO사의 Fendolite MⅡ(질석계), kemwell thermal limited 의 Fire Barrier 135가 있다. Fendolite MⅡ는 시공성이 나쁘고 강도가 너무 낮으며 FireBarrier 135는 가격이 높고 톱밥을 사용하여 화재 시 연기가 발생한다는 단점이 있는데 반해 MEYCO Fix Fireshield 1350은 강도가 높고 자동화된 숏크리트 장비를 사용하는 시공상의 신뢰성으로 인해 가장 많이 사용되고 있다. 그러나 MEYCO Fix Fireshield 1350은 대부분의 국가에서 자연보호로 지정되어 채취가 어려운 Shell sand를 주재료로 하고 있어 타 업체에서 이 기술을 응용하기는 불가능한 현실이다.

대한민국 등록특허 제10-0635285호 대한민국 등록특허 제10-1164580호 대한민국 등록특허 제10-0569752호 대한민국 공개특허 제10-2003-0053258호

이에 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 내화풍도 슬래브 제작 시 casting 방식이나 뿜칠 방식으로 내화 단열 라이닝을 형성시킬 수 있는 터널 화재기준에 적합하면서 경제성 있는 내화몰탈을 제공하고, 나아가서는 터널 내화는 물론 구조물이나 건축물에도 적용할 수 있는 내화몰탈을 제공하는 것이다.

또한, 본 발명의 목적은 내화몰탈로 이루어진 단열 라이닝이 형성되어 터널 및 지하차도 내 화재 발생시 콘크리트 부재의 붕괴를 막을 수 있는 내화 구조물로서, 터널의 천정부에 시공되는 내화풍도 슬래브를 제공하는 것이다.

또한, 본 발명의 목적은 내부에 강선을 도입하여 강도를 확보하고 표면에 내화보드를 결합하여 화재시 파괴 내지 손상을 방지할 수 있는 내화풍도 슬래브를 제공하는 것이다.

또한, 본 발명의 목적은 내화성이 RWS조건(1350℃, 2시간 내화)에 부합하는 내화몰탈 또는 내화풍도 슬래브를 제공하는 것이다.

또한, 본 발명의 목적은 경량화를 위해 슬라브 두께를 줄이고 ALC(Auto Lightweight Concrete)를 사용하거나 중공콘크리트 등 사용할 수도 있다.

본 발명의 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급된 것들에 한정되지 않으며, 언급되지 아니한 다른 해결과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해되어 질 수 있을 것이다.

이러한 본 발명의 목적을 달성하기 위한 수단으로서, 본 발명에 따른 내화 몰탈로 피복된 내화풍도 슬래브 제조방법은 산화철이 0.1~0.5중량% 함유된 백시멘트 42.05~57.05중량%와, 중탄 및 석회석 골재 중 적어도 하나를 포함하는 탄산칼슘 25~37.5중량%와, 수산화 알루미늄 7.5~10중량%와, 닫힌 기공(Closed Pore)을 갖는 펄라이트 중공체 10중량%와, PNS(poly naphthalene sulfur formalin) 0.2중량%와, PP 화이버 0.25중량%로 이루어지는 몰탈 조성물을 마련하는 S1단계와; 상기 S1단계의 몰탈 조성물을 물과 혼합하여 내화 몰탈을 마련하는 S2단계와; ALC(Auto Lightweight Concrete)를 사용하고 내부에 강선을 도입한 내화풍도 슬래브를 제조하는 S3단계와; 상기 S2단계의 내화 몰탈을 상기 S3단계에서 제조한 내화풍도 슬래브에 피복한 다음, 양생하는 S4단계;로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

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이상과 같은 구성의 본 발명에 따른 내화몰탈에 의하면, 풍도 슬래브 제작 시 casting 방식이나 뿜칠 방식으로 내화 단열 라이닝을 형성시킬 수 있는 터널 화재기준에 적합하면서 경제성 있는 내화몰탈을 제공하고, 나아가서는 터널 내화는 물론 구조물이나 건축물에도 적용할 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명에 따른 내화몰탈에 의하면, 내화몰탈로 이루어진 단열 라이닝이 형성되어 터널 및 지하차도 내 화재 발생시 콘크리트 부재의 붕괴를 막을 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명에 따른 내화몰탈에 의하면, 내부에 강선을 도입하여 강도를 확보하고 표면에 내화보드를 결합하여 화재시 파괴 내지 손상을 더욱 방지할 수 있는 효과가 있다.

본 발명의 효과는 이상에서 언급된 것들에 한정되지 않으며, 언급되지 아니한 다른 효과들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해되어 질 수 있을 것이다.

도 1a 내지 1c는 실험 1의 시험 후 냉각된 시편들의 사진이다.
도 2는 실험 2의 시험 후 냉각된 시편들의 사진이다.
도 3은 실험 3의 시험 후 냉각된 시편들의 사진이다.
도 4a는 실험 4의 시험 후 냉각된 시편들의 사진이고, 도 4b는 실험 4에서 가열 전,후 시편을 대비한 사진이다.
도 5a는 실험 5의 시험 후 냉각된 시편들의 사진이고, 도 5b는 실험 5에서 가열 전,후 시편을 대비한 사진이다.
도 6a는 실험 6에서 가열 전,후 시편의 사진이고, 도 6b는 실험 6에서 석회석 골재를 사용한 시편의 내화시험 후 물을 뿌린 상태의 사진이다.
도 7a 내지 도 7c는 슬래브가 설치된 풍도터널을
도 8a는 내화성능 규격시험을 나타내는 표이고, 도 8b는 성능시험곡선을 나타내는 그래프이며, 도 8c는 Runehamar 터널에서 실물실험 결과와 내화성능 시험곡선과의 비교를 나타내는 그래프이다.

이하, 본 발명의 실시 예를 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명은 생략한다. 또한, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자의 의도 또는 판례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.

본 발명에 따른 내화 몰탈은 시멘트 56~85중량부, 중탄 1~10중량부, 수산화 알루미늄 1~10중량부, 펄라이트 중공체 5~20중량부, 유동화제 0.01~0.10중량부, 스타치 0.001~0.01중량부, PP 화이버 0.1~0.5중량부를 포함하는 몰탈 조성물을 물과 혼합하여 이루어진다.

이하에서는 몰탈 조성물을 구성하는 각 성분과 성분들이 어떤 조합일 때 가장 우수한 물성 및 내화성능을 발휘하는지를 확인할 수 있는 실험 내용을 살펴보도록 한다.

[내화실험 방법]

1-1. 실험장비

Max.1200℃ Muffle Furnace를 사용하여 다음과 같이 내화 성능을 실험하였다.

1-2. 내화 시험편의 제작

70ⅹ70ⅹ20mm의 금속제 몰드에 몰탈을 충진한 후 습기함에서 1일 양생하고 탈형하여 20℃의 실내에서 28일간 기건 양생하여 내화 시험편을 준비하였다.

1-3. 내폭열 실험

화재를 가정하여 급열이 가해진 상황에서 급격한 탈수로 인해 폭열이 발생할 수 있으므로 우선 각 조건의 시편들을 800℃로 미리 조정한 전기로 내에 시편을 넣고 약 30분간 유지 후 폭열이나 균열여부를 관찰하였다.

1-4. 내화실험

각 조건의 시편을 장착하기 위해 단열벽돌(내화온도 1400℃)을 가공하여 만든 시편 베이스에 시편들을 장착하여 전기로에 넣고 1시간에 1,200℃까지 온도를 상승시킨 후 1,200℃에서 2시간 유지하여 냉각함으로써 RABT 방법(1시간)보다 RWA방법(2시간 유지)에 가까운 조건으로 진행하였다. 시편은 완전히 냉각된 후 표면의 균열이나 융착 또는 수축여부를 관찰하며 길이를 재어 원래의 길이에 대한 수축율을 평가하였다.

온도상승시간은 내화시험규정들은 5분에 1,200℃까지 상승하는 것으로 되어 있으나 전기로 특성상 승온 시간이 길게 소요되므로 아래 그림과 같은 승온 곡선을 사용하였다.

[실험 1]

내화몰탈의 기본 바인더를 보통포틀랜드시멘트로 하고 기본골재 선정을 위하여 철골내화 등 내화목적으로 가장 선호되고 있는 펄라이트와 질석을 적용하여 물리특성과 내화실험을 진행하였다.

1. 사용 원재료

1) 시멘트

보통포틀랜드시멘트 1종으로서 쌍용 제품을 사용하였다.

2) 펄라이트

펄라이트는 화산 작용으로 생긴 진주암을 소정 입도로 파쇄하여 850~1200℃로 가열, 팝콘과 같이 팽창시켜 만든 매우 가벼운 단열재료로서. 진주암을 순간적으로 고열로 가열하면 안에 있던 수분이 갑자기 밖으로 나오면서 급속 팽창하는 현상을 이용해 생산된다.

Softening point: 890 - 1100℃, Melting point: 1280 - 1350℃

3) 펄라이트 중공구체

입도가 미세한 펄라이트를 고온에서 특수 처리하여 속이 빈 증공구체로 만든 것으로서 일반 펄라이트가 기공이 열려 있는 Open Pore 상태로서 몰탈로 제조하면 물의 흡수가 빨라 물비가 높아지고 강도가 저하하는 반면에 펄라이트 중공구체는 Closed Pore 상태로서 몰탈로 사용하기에 적합하며 단열성이 뛰어난 특징을 가지고 있다.

4) 팽창질석

질석(Vermiculite)은 금운모나 흑운모의 변질산물인 함수 운모를 말하는 것이며 전 세계적으로 산출되는 광물 중에서 유일하게 흡수수와 층간수 및 결정수의 3가지 수분을 함유하고 있는 특유의 광물이다. 이것을 급격한 고열로 가열할 경우 질석의 층간에 있는 수분이 수증기로 기화되어 압력이 발생하며 이 압력이 방출되면서 질석이 박리팽창하여 팽창질석이 된다. Melting Point는 천연광물이므로 차이가 많으나 순수한 것은 약 1,330℃다.

5) 중탄

중탄은 석회석을 분쇄한 것으로서 CaCO₃가 고온에서 분해될 때의 흡열효과로 인해 난연제나 내화용도로 적용되고 있는 물질로서 내화몰탈에 첨가하면 고온에서 흡열효과로 모체 콘크리트의 온도상승을 억제할 수 있고 화재 후에는 CaO로 변한 중탄이 수분과 접촉하여 Ca(OH)₂로 변하면서 부피팽창으로 손상된 몰탈층이 저절로 부서져서 제거되어 보수가 용이해지는 효과가 있다.

흡열량 178kJ/mol(425cal/g), 융점 2,572℃

6) PP섬유

Polypropylene으로 제조된 섬유로서 열을 가하면 160~180℃의 비교적 낮은 온도에서 융해하여 연소되면서 콘크리트에 모세관을 형성하는데, 이것은 고열에서 발생하는 수증기의 배출을 용이하게 하여 증기압을 감소시키므로 폭열을 방지하는 효과가 있다.

길이가 길수록 효과적이나 일반적으로 몰탈에는 12mm가 적합하다.

7) 기타첨가제

기타첨가제로서 몰탈의 감수 및 유동성 확보를 위해 나프탈렌계 유동화제인 PNS를 적용하였고 접착성능을 위해 HPMC(Hydroxypropyl Methylcellulose)를 적용하였다.

2. 배합비 및 물리실험 Data

내화실험에 사용된 원재료의 배합비 및 실험결과는 아래 표 1과 같으며, 도 1a 내지 1c는 실험 1의 시험 후 냉각된 시편들의 사진이다.

시료 번호	원재료 %								물비%	Dry Density	28일 압축 강도	폭열	가열 후 시편
	OPC	펄라이 트중공 구체	펄라 이트 5mm	팽창 질석	중탄	PP 섬유 12mm	유동 화제	HPMC
1-1	64.58	15	10		10	0.3	0.1	0.02	60	0.85	7.5	없음	용융
1-2	64.58	10	15		10	0.3	0.1	0.02	55	0.87	8.8	없음	용융
1-3	52.58			35	12	0.3	0.1	0.02	80	0.77	2.2	없음	수축
1-4	57.58			30	12	0.3	0.1	0.02	75	0.79	2.4	없음	수축
1-5	62.58			25	12	0.3	0.1	0.02	66	0.95	2.9	없음	수축

3. 내화실험 결과

위 표 1 및 도 1a 내지 도 1c를 참조하면 펄라이트계인 시료 1-1 및 1-2는 거의 용융되어 주저 앉았으며 질석계도 완전히 용융되지는 않았지만 수축이 매우 크고 진갈색으로 반 용융된 상태를 보였다. 펄라이트 보다는 질석이 내화도가 더 높았던 것으로 추정되나 근본적으로 매트릭스 자체가 반 용융되었다는 것은 바인더로 사용한 보통포틀랜드시멘트(OPC)가 내화도가 저하된다는 것을 의미한다. OPC 크링커는 약 1350~1400℃에서 제조되므로 융점이 높지만 혼합재로 사용된 Slag 나 Fly ash의 영향으로 융점이 낮아진 것으로 보이며 펄라이트나 질석과 반응하여 더 저융점화한 것으로 판단된다. 따라서 OPC는 내화몰탈의 바인더로서 부적합한 것으로 판단된다.

또한 팽창 질석은 너무 강도가 낮고 가열 후에 질석 부분이 완전 용융되어 구멍이 생긴 것으로 보아 질석의 품위가 낮아 융점이 저하된 것으로 나타나므로 내화몰탈의 골재로는 부적합한 것으로 판단된다.

[실험 2]

실험 1의 결과 바인더 자체의 내화도 저하가 발생하므로 바인더로서 더 융점이 높은 벡시멘트나 알루미나시멘트를 적용하고 단열골재도 충분한 내화성능의 발현이 어려우므로 최소량을 사용하고 기포제로 발포한 기포를 혼합하여 내화도 저하 없이 단열성을 확보하고자 하였다.

1. 사용재료

1) 백시멘트

본 발명의 백시멘트(white portland cement)는 색깔이 순백의 하얀 시멘트로 제조 공정은 보통 시멘트와 같으나 성분 중에 산화철(Fe₂O₃)이 거의 포함되어 있지 않는 백색 점토와 석회석을 원료로 하여 액체 연료를 완전 연소시키므로 회분이 포함되지 않아서 백색으로 된 것으로서, 산화철의 중량이 0.1~0.5중량% 함유된 것을 예시할 수 있다.

백시멘트의 크링커는 OPC 크링커보다 훨씬 높은 온도인 약 1,500℃에서 소성되므로 내화도가 훨씬 높고 혼합재도 색상이 백색이어야 하기 때문에 색상이 회색인 슬래그나 플라이애쉬를 사용하지 않으며 단지 백색석회석을 혼합재로 사용한다. 따라서 융점이 2,572℃인 석회석의 혼합으로 인해 백시멘트의 융점은 더 높을 것으로 예상되므로 내화몰탈의 바인더로서 적합할 것으로 판단된다. 본 발명에서는 유니온사 제품을 사용하였다.

2) 알루미나시멘트

알루미나시멘트는 내화용도로 적용되는 시멘트로서 범용등급인 Al₂O₃ 50% 등급도 융점이 1600℃ 이상으로 충분한 내화성을 가지고 있다. 본 발명에서는 유니온사의 UAC-50을 사용하였다.

3) 기포제

기포제는 경량기포콘크리트용으로 사용되는 계면활성제의 일종으로서 동물성, 식물성, 합성기포제가 있으며 물에 소량을 희석한 후 기포발생기에서 공기와 혼합하여 미세기포로 이루어진 거품을 형성시키고 이를 몰탈과 혼합함으로써 몰탈 내에 미세기포를 형성시키는 목적으로 사용된다. 본 발명에서는 식물성 기포제를 사용하였으며 소형실험의 진행을 위해 식품용 거품기를 이용하여 2% 수용액을 발포시키고 이를 몰탈과 혼합하는 방식으로 실험을 진행하였다.

4) 변성전분(스타치)

기포제를 내화 몰탈에 첨가하여 사용하는 경우 기포가 터지면서 표면이 수축되는 현상이 발생되기 쉽기 때문에 몰탈의 점성을 부여할 목적으로 변성전분을 사용하였다. 변성전분은 전분을 특수 가공하여 물에 녹기 쉬운 형태로 만든 것으로서 미량의 첨가로도 기포의 안정성이 증대되는 효과가 있다.

2. 배합비 및 물리실험 Data

내화실험에 사용된 원재료의 배합비는 아래 표 2에 기재하였다.

시료No.	WPC	uac-50	중탄	펄라이트 중공구체	스타치 ST-1	PP Fiber
2-1	89.68			10	0.02	0.3
2-2	89.68			10	0.02	0.3
2-3	89.7			10	0	0.3
2-4	84.68		5	10	0.02	0.3
2-5		84.66	5	10	0.04	0.3

3. 물리실험 및 내화실험 결과

실험결과는 아래 표 3에 기재하였다. 그리고 도 2는 실험 2의 시험 후 냉각된 시편들의 사진이다.

시료No	Water(%)	기포첨가 용적(%)	Wet Density	Dry Density	7일 압축강도 (N/㎟)	28일 압축강도 (N/㎟)	1200℃ 수축율(%)
2-1	32	85	0.98	0.84	4.6	5.3	2.1
2-2	32	100	0.86	0.76	2.9	3.3	2.1
2-3	32	85	1.02	0.9	5.2	6.5	2.1
2-4	32	100	0.81	0.68	2	2.4	0.5
2-5	30	100	0.89	0.86	4.4	5.2	5

4. 실험결과 고찰

위 표 3 및 도 2a 및 도 2b를 참조하면실험배합 모두 융착이나 변형이 없었으며 다만 알루미나 시멘트를 사용한 경우는 양생 시편에서 표면이 약화되어 손으로도 긁히는 정도로 나타났는데 이는 알루미나시멘트 특징인 양생시 높은 발열로 인해 표면의 수분이 급격히 건조되며 약화된 것으로 추정되며 가열 후에도 수축율이 가장 크게 나타났다. 상기 결과로 볼 때 백시멘트가 더 적합한 것으로 판단된다. 특히 중탄을 혼합한 2-4 시편의 경우는 소성수축이 매우 적게 나타나 내화도가 더 높은 것으로 판단된다.

[실험 3]

몰탈의 강도를 더 높이기 위해 기포의 사용량을 줄이고 펄라이트 중공구체의 혼합비율을 증가시켜 실험을 진행하였다.

1. 실험 배합비

몰탈 조성물의 배합비는 아래 표 4에 기재하였다.

No.	WPC	중탄	Perlite 94	PNS	ST-1	PP Fiber
3-1	79.68	0	20	0	0.02	0.3
3-2	69.68	0	30	0	0.02	0.3
3-3	64.68	5	30	0	0.02	0.3
3-4	69.61	0	30	0.07	0.02	0.3
3-5	64.61	5	30	0.07	0.02	0.3

2. 물리실험 및 내화실험 결과

실험 결과는 아래 표 5에 기재하였으며, 도 3은 실험 3의 시험 후 냉각된 시편들의 사진이다.

No.	Water(%)	기포첨가 용적(%)	Wet Density	Dry Density	28일압축강도 (N/㎟)	1200℃ 수축율(%)
3-1	40	85	0.88	0.79	5.2	4.2
3-2	50	40	0.78	0.75	4.3	용융
3-3	50	40	0.79	0.75	3.8
3-4	45	40	0.95	0.8	5.1
3-5	45	40	0.97	0.79	4.2

3. 실험 결과 고찰

위 표 5 및 도 3을 참조하면 펄라이트 중공구체를 30중량% 사용한 시편은 모두 용융되었으나 펄라이트 중공구체를 20% 사용한 것은 용융되지 않은 것으로 나타났다.

이는 펄라이트와 백시멘트의 반응에 의해 융점 저하가 발생하는 것을 나타내며 펄라이트 중공구체를 20% 이하로 사용시는 용융되지 않는 것으로 확인되었다. 따라서 펄라이트 중공구체는 최소화하고 다른 흡열 및 내화 보조재의 적용이 필요한 것으로 판단된다.

[실험 4]

융점 저하가 확인된 펄라이트 중공구체의 함량을 10%로 제한하고 내화도를 높이며 흡열반응으로 단열성능을 보조할 수 있는 재료들을 선정하여 실험을 진행하였다.

1. 흡열 및 내화 보조재료

1) CaCO₃ : 석회석, 중탄

석회석은 가열시 CO₂가 분해되며 많은 열량을 흡열하는 특성이 있고 융점이 매우 높아 난연재로도 사용되며 BASF사의 MEYCO Fix Fireshield 1350제품은 이러한 CaCO₃의 특성을 이용하여 주골재로서 CaCO₃가 주성분인 Shell sand를 사용하고 있다.

CaCO₃는 고온에서 이산화탄소가 생성되면 공기보다 열전달이 느리며 CO₂가 분해되며 마이크로 기공이 생성되어 단열성을 보조하는 특성도 가지고 있다.

CaCO₃ → CaO + CO₂↑(흡열반응), 흡열량 178kJ/mol(425cal/g), 융점 2,572℃

2) 세피올라이트 Sepiolite : Mg₄Si₆O₁₅(OH)₂·6H₂O

결정수분을 19.46% 함유하고 있는 섬유상의 광물로서 흡열 특성이 있다.

흡열량 120cal/g, 융점 1500-1700℃(불순한 것은 1200℃에도 용융)

3) Wollastonite(규회석) : CaSiO₃

섬유상의 광물로서 고융점이며 단열성이 우수하여 석면 대체제로 사용한다.

융점 :1540℃

4) Al(OH)₃ : 수산화알루미늄

200~350℃에서 결정수분의 탈수에 의해 다량의 열량을 흡수하며 탈수 후는 다공성으로 단열효과를 발휘하므로 난연제로도 사용되며 내화도가 매우 높고 몰탈의 강도를 상승시키는 효과가 있다.

흡열량 470cal/g, 융점 2,072℃

2. 실험배합비

몰탈 조성물의 배합비는 아래 표 6에 기재하였다.

No.	WPC	중탄	세피올라이트	규회석	수산화 알루미늄	Perlite 94	PNS	스타치 ST-1	PP Fiber
4-1	84.59	5	10	0	0	0	0.1	0.01	0.3
4-2	84.59	5	0	10	0	0	0.1	0.01	0.3
4-3	84.59	5	0	0	10	0	0.1	0.01	0.3
4-4	79.59	5	5	0	0	10	0.1	0.01	0.3
4-5	79.59	5	0	5	0	10	0.1	0.01	0.3
4-6	79.59	5	0	0	5	10	0.1	0.01	0.3

3. 물리실험 및 내화실험 결과

실험 결과는 아래 표 7에 기재하였으며, 도 4a는 실험 4의 시험 후 냉각된 시편들의 사진이고, 도 4b는 실험 4에서 가열 전,후 시편을 대비한 사진이다.

No.	Water	기포용적 (%)	Wet Density	Dry Density	28일압축강도 (N/㎟)	1200℃ 수축율(%)
4-1	43	90	0.67	점성으로 인해 성형불가
4-2	35	90	0.85	0.75	0.82	10
4-3	35	90	0.88	0.82	2,26	8.3
4-4	42.5	75	0.76	0.73	0.84	8.3
4-5	35	75	0.79	0.76	1.85	2.85
4-6	35	75	0.86	0.79	3.07	2.85

4. 실험 결과고찰

위 표 7 및 도 4a 및 도 4b를 참조하면 세피올라이트는 몰탈의 점성이 너무 증가하여 물비가 높아지며 소성수축이 매우 커서 적합하지 않은 것으로 판단되며 기포함유량이 높은 시편 4-1 ~ 4-3 보다 기포함유량을 낮추고 펄라이트 중공구체를 10% 사용한 경우가 수축율이 훨씬 낮게 나타났다. 이는 고온에서 다량의 기포가 수축을 유발한 것으로 추정되므로 적당한 량의 단열골재를 사용하는 것이 고온수축을 적게 하는 효과가 있는 것으로 사료된다.

또한, 수산화알루미늄을 사용한 시편 4-3, 4-6의 경우 몰탈의 압축강도가 타 시편에 비해 월등히 높았으며 펄라이트 중공구체를 혼합한 시편 4-6의 경우 수축율이 비교적 낮게 나타나는 것을 확인할 수 있었다.

규회석을 혼합한 시편 4-5의 조성은 내화특성은 우수하나 압축강도가 다소 낮게 나오는 문제가 있으며 수산화알루미늄을 혼합한 시편 4-6의 조성이 가장 우수한 특성을 나타내는 것으로 판단된다.

[실험 5]

수산화알루미늄의 강도증진 및 내화특성을 이용하고 내화몰탈의 강도를 보다 높게 하기 위하여 혼합 기포량을 줄여서 실험을 진행하였다.

1. 실험 배합

몰탈 조성물의 배합비는 아래 표 8에 기재하였다.

본 발명에 따른 몰탈 조성물의 실시예는 아래 표 8의 시료 5-1 내지 시료 5-5에 나타난 바와 같다.

No.	WPC	중탄	수산화 알루미늄	펄라이트 중공구체	PNS	스타치 ST-1	PP Fiber	계
5-1	79.645	5	5	10	0.1	0.005	0.25	100
5-2	77.145	5	7.5	10	0.1	0.005	0.25	100
5-3	74.645	5	10	10	0.1	0.005	0.25	100
5-4	82.145	0	7.5	10	0.1	0.005	0.25	100
5-5	73.400	5	8.75	12.5	0.1		0.25	100

2. 물리실험 및 내화실험 결과

실험 결과는 아래 표 9에 기재하였으며, 도 5a는 실험 5의 시험 후 냉각된 시편들의 사진이고, 도 5b는 실험 5에서 가열 전,후 시편을 대비한 사진이다.

No.	Water	기포용적 (%)	Wet Density	Dry Density	내화시험후 Density	압축강도(N/㎟)	1200℃ 수축율(%)
						7일
5-1	36.5	50	1.19	0.90	0.7	4.2	1.5
5-2	36.5	50	1.17	0.89	0.71	4.8	2.85
5-3	36.5	50	1.19	0.89	0.7	5.1	2.85
5-4	36.5	50	1.18	0.89	0.71	5.3	1.5
5-5	37.5	0	1.56	1.24	1	20.7	1.5

3. 실험 결과고찰

기포 혼합량을 50%로 줄인 결과 도 5a 및 도 5b에 나타난 바와 같이 전체적으로 가열 후 수축이 매우 적게 나타났으며 수산화알루미늄은 사용량이 증가할수록 강도가 상승하였으나 수축은 약간 커지는 것으로 나타났다.

그리고 몰탈에 기포를 혼합하면 기포의 연행효과로 유동성이 커지므로 Casting용도로는 적합하나 뿜칠에 의한 벽면, 천장의 시공은 불가능하다. 따라서 기포를 함유한 시료 5-1~5-4의 조성은 풍도 슬래브를 제작하는 단계에서 한쪽 면에 Casting을 하여 라이닝을 형성하는 목적으로 사용할 수 있으며 수축이 적고 강도가 높은 5-4의 조성이 가장 우수한 것으로 판단된다.

시료 5-5는 기포를 혼합하지 않은 경우로서 내화특성은 동일하나 압축강도가 매우 높게 나타나고 있다. 그러나 건조 비중이 높기 때문에 단열효과가 저하될 것으로 예상된다.

[실험 6]

앞서 설명한 실험 1 내지 실험 5에서 실험된 기포 함유 몰탈은 단열효과는 높으나 압축강도가 낮기 때문에 풍도 슬래브용에 적용 시 취급 중 라이닝이 파손되기 쉬운 문제가 있다. 또한 유동성이 커서 뿜칠 시공이 어렵기 때문에 용도가 Casting 용도로 국한되는 문제가 있다. 따라서, 보다 높은 강도를 발현하고 뿜칠이 가능하도록 하기 위하여 기포를 배제하고 석회석 골재를 혼합하여 흡열 성능을 발휘하도록 하였으며 본 실험에서는 탈황용으로 사용되는 석회석 골재(1mm 이하)를 적용하였다.

1. 실험 배합비

몰탈 조성물의 배합비는 아래 표 10에 기재하였다.

본 발명에 따른 몰탈 조성물의 다른 실시예는 아래 표 10의 시료 6-1 내지 시료 6-4에 나타난 바와 같다.

No.	WPC	중탄	수산화 알루미늄	펄라이트 중공구체	석회석 골재	PNS	PP Fiber
6-1	72.05	0	5	10	12.5	0.2	0.25
6-2	57.05	0	7.5	10	25	0.2	0.25
6-3	42.05	0	10	10	37.5	0.2	0.25
6-4	52.05	5	7.5	10	25	0.2	0.25

2. 물리실험 및 내화실험 결과

실험 결과는 아래 표 11에 기재하였으며, 도 6a는 실험 6에서 가열 전,후 시편의 사진이고, 도 6b는 실험 6에서 석회석 골재를 사용한 시편의 내화시험 후 물을 뿌린 상태의 사진이다.

No.	Water	Wet Density	Dry Density	내화시험후 Density	압축강도(N/㎟)	1200℃ 수축율%
					7일
6-1	30	1.4	1.35	1.01	27.8	2.85
6-2	27	1.44	1.34	1.00	20.7	2.85
6-3	27	1.49	1.3	0.97	13.7	2.85
6-4	27	1.48	1.32	1.02	10.4	2.85

3. 실험 결과고찰

내화시험 후의 Density는 Dry Density에 비해 약 75% 수준으로서 고온에서 약 25%의 기공이 형성된 것으로 나타나는데 이는 수산화알루미늄의 결정수분과 중탄 및 석회석 골재의 CO₂가 휘발하고 남은 기공으로 인한 것으로서 단열 보조효과를 확인할 수 있었다.

내화실험 결과 도 6a에 나타난 것과 같이 전 시료 모두 폭열이 발생하지 않았고 가열 후 수축율도 매우 낮게 나타났다. 또한 전기로 가열시 석회석 골재의 탈탄산시 흡열 효과로 인해 800~1000℃의 승온이 전회의 실험보다 20분 이상 늦어지는 것으로 보아 화재시 몰탈의 온도상승이 지연될 수 있는 것으로 나타났다.

석회석 골제 사용배합은 내화시험 후의 시편에 물을 뿌리면 도 6b에 나타난 것과 같이 내부에 잔존한 생석회 성분이 물과 급속히 반응하여 발열과 함께 팽창되면서 분해되었다. 이러한 성질은 화재 후 변질된 라이닝을 손쉽게 제거되도록 하는 장점이 있는 것으로 판단된다.

결론적으로, 실험 5 및 실험 6의 조성으로 이루어지는 본 발명의 내화몰탈은 실험 1 내지 4와 대비할 때 우수한 내화성능을 발휘한다는 것을 실험을 통해 확인할 수 있었다.

한편, 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시예에 관해 설명하였으나, 본 발명은 개시된 실시예에 한정되지 않고 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다. 따라서, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 안되며 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들을 포함하는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (6)

1. 산화철이 0.1~0.5중량% 함유된 백시멘트 42.05~57.05중량%와, 중탄 및 석회석 골재 중 적어도 하나를 포함하는 탄산칼슘 25~37.5중량%와, 수산화 알루미늄 7.5~10중량%와, 닫힌 기공(Closed Pore)을 갖는 펄라이트 중공체 10중량%와, PNS(poly naphthalene sulfur formalin) 0.2중량%와, PP 화이버 0.25중량%로 이루어지는 몰탈 조성물을 마련하는 S1단계와;
   상기 S1단계의 몰탈 조성물을 물과 혼합하여 내화 몰탈을 마련하는 S2단계와;
   ALC(Auto Lightweight Concrete)를 사용하고 내부에 강선을 도입한 내화풍도 슬래브를 제조하는 S3단계와;
   상기 S2단계의 내화 몰탈을 상기 S3단계에서 제조한 내화풍도 슬래브에 피복한 다음, 양생하는 S4단계;로 이루어지는 것을 특징으로 하는 내화 몰탈로 피복된 내화풍도 슬래브 제조방법.
   
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