KR20100079863A

KR20100079863A - 마감성을 보유한 고강도 콘크리트시멘트계 고밀도 내화피복재 조성물

Info

Publication number: KR20100079863A
Application number: KR1020080138450A
Authority: KR
Inventors: 김욱종; 김용로; 송영찬; 김우철; 송종은
Original assignee: 대림산업 주식회사; 주식회사 성현케미칼
Priority date: 2008-12-31
Filing date: 2008-12-31
Publication date: 2010-07-08
Also published as: KR101146220B1

Abstract

본 발명은 무기바인더를 주제로 하되, 여기에 내화단열골재와 기능성 첨가제를 혼입함으로써 피복두께를 증가시켜 고강도 콘크리트의 폭렬을 방지하면서 뿜칠 작업만으로 미장마감이 가능한 마감성을 보유한 고강도 콘크리트시멘트계 고밀도 내화피복재 조성물에 관한 것이다.

본 발명은 주제로서 무기바인더 20 ~ 88.6중량%와, 차열성(insulation) 및 차염성(integrity)을 발휘하기 위한 내화단열골재 5 ~ 40 중량%, 차열성 및 차염성을 보강하기 위한 무기난연제 5 ~ 30중량%, 무기물과 난연성유기물간의 가교역활을 하는 결합충전물 0.1 ~ 30중량% 및 기능성 첨가제인 혼화제 0.3 ~ 6중량%를 혼합하여 조성된 것을 특징으로 하는 마감성을 보유한 고강도 콘크리트시멘트계 고밀도 내화피복재 조성물을 제공한다.

고강도 콘크리트 시멘트, 고밀도 내화피복재, 마감성, 내화뿜칠재, 석고보드

Description

마감성을 보유한 고강도 콘크리트시멘트계 고밀도 내화피복재 조성물{A high density fire resistive coating composition for ultra high strength concrete having finish function}

본 발명은 고강도 콘크리트용 시멘트계 고밀도 내화피복재 조성물에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 무기바인더를 주제로 하되, 여기에 내화단열골재와 기능성물질을 혼합하여 고강도 콘크리트의 폭렬을 방지하면서 뿜칠 작업만으로 미장마감이 가능한 마감성을 보유한 고강도 콘크리트시멘트계 고밀도 내화피복재 조성물에 관한 것이다.

최근의 건축물이 고층화, 대형화되어감에 따라 고강도, 고유동의 특성을 갖는 고성능 콘크리트의 사용이 증가하고 있다. 예컨대, 고강도 콘크리트는 고층 혹은 대형 건축물의 하부층 기둥, 보 등에 구조재로서 매우 중요한 부분에 사용되고 있다. 이러한 고강도 콘크리트의 구조체는 내부조직이 수화물에 의해 치밀하게 형성되어 있어 화재 발생시 고열을 받게 되면 수화물의 열분해에 의한 내부 수증기압 의 상승으로 심한 폭음과 함께 콘크리트의 표면이 박리, 탈락하는 폭렬 현상이 발생한다. 또한, 철근을 노출시켜 구조체의 내력 저하를 초래하게 되므로 궁극적으로는 건물이 붕괴되는 현상이 발생한다.

콘크리트의 폭렬 현상은 콘크리트가 고열을 받는 즉시 대부분 30분 이내에 발생하며, 이 경우 콘크리트 구조물 내부의 사용자가 피난할 수 있는 충분한 시간을 확보하지 못할 수도 있어 더욱 심각한 문제로 대두 되고 있다.

상기한 문제를 해결하기 위한 방법으로서, 한국특허 출원번호 제2001- 0077447호, 제2002-0100363호에서는 내열성이 약한 합성섬유를 콘크리트 제조시 일정량 혼입하는 방안을 제시하고 있다. 이 특허는 콘크리트 내부에 혼입된 합성섬유는 화재시 고열로 인하여 먼저 녹게 되고, 녹은 자리가 내부 수증기압을 외부로 방출시키는 통로 역할을 하여 구조물의 폭렬 현상을 예방하는 것이다. 그러나 상기 기술은 이미 완공된 건축물에는 적용할 수 없는 문제점이 있으며, 이미 화재에 노출된 콘크리트 자체의 강도 저하를 막는 데에는 전혀 효과가 없는 단점이 있다.

또 다른 방안으로서, 한국특허 출원번호 제2003-0101195호, 제2000-0009902호에서는 질석, 퍼라이트 등의 단열 골재를 이용하여 건축물에 적용하는 방안을 제시하고 있다. 그러나, 상기 기술은 구조재의 온도 상승을 막는 데는 효과가 있으나 바인더로서 시멘트, 석고 등을 사용하므로 그 수화물은 고온에서 파괴되어 자체 강도 확보가 어려운 문제점을 가지고 있다.

상기에서 제시한 종래 기술외에도 한국특허 제10-0704056호의 '콘크리트용 내화보드 조성물'과 같이 내화피복재의 우수한 내화성능을 이용하여 고강도 콘크리 트의 폭렬방지를 위한 내화피복을 적용하는 기술들이 많이 제시되어 있으나, 대부분 내화피복재의 표면경도가 낮아 단일재료만으로는 마감재의 역할을 하지 못하는 문제점이 있었다. 특히, 초고층 건축물과 같이 3시간 내화성능을 요구하는 경우 내화피복재의 두께를 증가시키는데 한계가 따르고, 표면경도가 낮아 단일재료만으로는 마감재의 역할을 하지 못하는 문제점이 있었다.

따라서, 본 발명은 상기한 바와 같은 제반 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로서, 무기바인더를 주제로 하되, 여기에 내화단열골재와 기능성 첨가제를 혼입하되, 고밀도화하여 표면경도를 증가시킴으로써 고강도 콘크리트의 폭렬을 방지하면서 뿜칠 작업만으로 미장마감이 가능한 마감성을 보유한 고강도 콘크리트시멘트계 고밀도 내화피복재 조성물을 제공함에 그 목적이 있다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 주제로서 무기바인더 20~ 88.6중량%와, 차열성(insulation) 및 차염성(integrity)을 발휘하기 위한 내화단열골재 5 ~ 40 중량%, 차열성 및 차염성을 보강하기 위한 무기난연제 5 ~ 30중량%, 무기물과 난연성유기물간의 가교역활을 하는 결합충전물 0.1 ~ 30중량% 및 기능성 첨가제인 혼화제 0.3 ~ 6중량%를 혼합하여 조성된 것을 특징으로 하는 마감성 을 보유한 고강도 콘크리트시멘트계 고밀도 내화피복재 조성물을 제공한다.

또한, 본 발명은 위에서 제시된 내화피복재와 물을 1: 0.5 ∼1.5의 배합비로 혼합하여 고강도 콘크리트에 소정 두께로 피복되는 뿜칠재를 제공한다.

상기한 조성으로 이루어진 본 발명의 고강도 콘크리트시멘트계 고밀도 내화피복재 조성물에 따르면, 고밀도로 제조됨으로써 최소 피복두께를 증가시킬 수 있을 뿐만 아니라, 표면 경도를 강화할 수 있어 단일재료로서의 마감성을 발현할 수 있으며, 초고층 건축물에서 3시간 내화성능을 요구하는 경우에도 만족할만큼의 내화발현성을 발휘하는 효과가 있다.

하기에 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다.

본 발명에 의한 고강도 콘크리트시멘트계 고밀도 내화피복재 조성물은 고강도 콘크리트의 폭렬을 방지하면서 뿜칠 작업만으로 미장마감이 가능하며, 초고층 건축물에서 요구하는 3시간 내화성능을 발현할 수 있도록 구현한 것이다.

본 발명에 의한 고강도 콘크리트시멘트계 고밀도 내화피복재 조성물은 주제로서 무기바인더 20~ 88.6중량%와, 화재시 화염에 대하여 차열성(insulation) 및 차염성(integrity)을 발휘하기 위한 내화단열골재 5 ~ 40 중량%, 차열성 및 차염성을 보강하기 위한 무기난연제 5 ~ 30중량 %, 무기물과 난연성유기물간의 가교역활 을 하는 결합충전물 0.1 ~ 30중량% 및 기능성 첨가제인 혼화제 0.3 ~ 6중량% 를 혼합하여 조성된 것을 특징으로 한다.

상기한 성분의 혼합으로 이루어진 본 발명은 국토해양부 고시 제 2008-334호 내화시험시 평균온도 538℃, 최고온도 649℃ 이하가 되는 조건을 만족하게 된다.

통상적으로 일반 내화피복재의 경우 철골구조물의 내화성을 향상시키기 위해 피복되는데, 이때 밀도의 대소에 따라 표면경도가 달라지게 된다. 기존의 내화피복재들은 철골구조물에만 적용되어 사용되고 있었지만, 본 발명에서는 무기바인더를 주제로 함으로써 고밀도화하여 허용가능한 기준(즉 초고층 건축물에서의 3시간 내화성능 기준)을 충족하면서 표면경도를 극대화 한 것이다.

상기한 조성으로 이루어진 내화피복재는 뿜칠(spray)이 가능하도록 물과 혼합된다. 이때, 상기 내화피복재 : 물의 배합비는 피착면(고강도 콘크리트)에 소정 두께로 피복되기 위하여 슬러지상태가 되도록 내화피복재 1 : 물 0.5 ∼ 1.5로 배합한다. 본 발명에서 뿜칠에 적정한 슬러지 밀도가 0.6 ∼ 0.8kg/㎤이며, 상기한 배합비에 의해 혼합된 내화피복재는 뿜칠 및 양생건조후의 슬러지의 밀도가 0.3 ∼ 1.3kg/㎤가 된다. 이와 같이 상기 내화피복재에 대하여 물의 배합비가 0.5 이하가 되면 뿜칠이 어렵고, 물이 1.5배이상 혼입되면, 요구하는 두께를 만족할 수 없다.

본 발명의 조성성분에서 주제인 무기바인더는 보통포틀랜드시멘트, 알루미나시멘트, 고로슬래그시멘트, 반수석고, 무수석고, 고로슬래그, 플라이애쉬 및 메타카올린에 알카리성 무기재료를 첨가한 알카리활성결합재 중 선택된 적어도 하나이상을 혼합한 성분으로 이루어진다.

상기 주제인 무기바인더와 혼합되는 내화단열골재가 발휘하는 차열성은 한쪽면에서 화재가열을 받은 건축구획부재가 이면의 온도상승을 규정한 수준 이하로 제한하는 능력을 의미하며, 차염성은 한쪽면에서 가열된 구획부재가 화재나 고온가스의 통과나 이면으로의 화재발생을 막을 수 있는 능력을 의미한다.

본 발명에서 내화단열골재의 밀도는 40 ∼ 190kg/㎤이며, 상기 내화단열골재의 차염성은 건설교통부 고시 제206-476호(건축물 내부마감재료의 난연성능기준)에 적합한 불연재로서의 기준에 적합하다.

이러한 차열성 및 차염성을 발휘하는 내화단열골재로는 팽창질석, 미팽창질석, 팽창퍼라이트, 미팽창퍼라이트, 실리카 에어로겔, 분쇄된 경석, 분쇄된 부석중 선택된 적어도 하나 이상을 혼합한 성분으로 이루어진다.

상기 내화단열골재로 사용되는 각 성분에 대하여 간략히 설명하면 다음과 같다.

질석은 일반적으로 금운모(Phlogpite)나 흑운모(Biotite) 또는 녹니석(Chlorite)에서 기원이 되어 삼팔면체 질석이 흔하게 산출된다. 반면에 이팔면체형 질석은 토양질석(Soil Vermiculite)이라고도 하는데 해양토적물에서 나타나기도 한다. 산출지에 따라서 화학조성이 다르지만 일반적으로 화학식은(Mg,Fe)₃(Si,Al,Fe)₄O₁₀(OH₂)4H₂O 형태를 가진다. 많은 광물 중에서 질석은 유일하게 흡수수, 층간수 및 결정수의 3가지 수분을 함유하고 있는 특유의 광물로서 상온에서 충분히 수화한 상태이며 결정의 중간에 두층의 물과 미량의Mg⁺², Ca⁺²등 교환성 양이온이 있어 이것을 가열하면 층간수에서 발생하는 수증기의 압력 때문에 박리팽창(剝離膨脹, Exfoliation)하여 거머리같이 늘어나는 성질이 있다. 질석은 비중이 매우 낮고 우수한 단열성과 소리의 흡수성을 가지고 있어 단열재, 내화피복재, 경량콘크리트의 골재 및 흡음재 등 건축용 자재로 널리 이용되고 있으며, 그 외에 종이, 플라스틱 및 도료의 충진제, 증량제 등으로도 쓰이고 포장할 때 팩킹(Packing)재료로도 쓰인다.

질석이 가지는 교환성 양이온은 유기물을 흡착하는 성질이 있어 유기질 비료 제조의 우수한 재료로 사용되어지고 있으며 최근에는 양이온 교환 능력(Cation Exchange Capacity, C.E.C)을 사용하여 물과 공기 정화제 및 촉매(Catalyst)로도 연구가 진행되고 있다.

미팽창질석 원석의 비중은 640~960 kg/m³으로 이를 870~1100℃로 가열하면 12 ~ 20(부피)배로 박리(剝離, Exfoliation)되어 팽창질석(Vermiculite)(비중 : 56~190 kg/m³)이 된다.

상기한 질석의 특성은 소결(Sintering)온도가 1260℃, 녹는온도가 1315℃이상이며, 잠열 0.2Kcal/kg per ℃, PH 7~8, 열전도도 0.062 ~0.065W/m per ℃, 열저항 1100 ℃이다.

퍼라이트(Perlite)는 Pearl Stone이라고 불려지는 천연 glass로서 점성의 용암(화산용암)이나 마그마가 지표의 호수로 흘러들어 급격한 냉각에 의해 형성된다. 상기 퍼라이트는 진주처럼 납빛을 가지며 보통 회색 또는 푸르스름하나 갈색이나 청색 또는 적색도 있다. 크게 퍼라이트라고 불리워지는 광물에는 흑요석(Obsidian), 진주암(Perlite), 송지암(Pitch Stone)등이 있으며, 이런 구분은 거의 유사한 화학성분, 외관 및 휘발분의 양에 의하여 구분된다.

팽창 퍼라이트는 원석을 선광한 퍼라이트에 2 - 6% 함유한 결정수(Combined Water)가 약 870℃(760~1100℃)의 급열이 가해지면 퍼라이트 입자속에 있는 gas와 결정수가 갑자기 기화되면서 연화(軟化)된 매트릭스 속에서 수많은 기공(Porosity)을 생성시키면서 팝콘같이 약20배정도 팽창된다.

퍼라이트의 특성을 살펴보면 원석 밀도 2.2 ~2.4 g/cm^3,선광 밀도 950~1200 kg/cm³, 팽창퍼라이트 밀도 40~115kg/m³, PH 7~8, Softening 온도 890~1100℃, 녹는온도 1280~1350℃, 잠열 840 Joule/kg per ℃ 이다.

에어로겔(Aerogel) 및 무정형 퓸 실리카(Amorphous Fumed Silica)의 밀도는 0.003 ~ 0.2g/cm³이다. 에어로겔의 비표면적(Specific Surface Area)은 600 ~1500m²/g이고, 무정형 퓸 실리카인 에어로실(Aerosil), 코나실(Konasil)은 90 ~ 300 m²/g으로 초경량 고단열성 제품의 원료로써 사용되어지고 있다.

에어로겔은 물유리(NaSiO₃.H₂O)을 원료로 하여 졸 겔 공정을 거쳐 만들어 지며, 무정형 퓸 실리카는 염화실란(SiCl₄)이 산소와 수소로 형성된 1000℃이상의 불꽃내에서 가수분해에 의해서 생성된다.

부석 및 경석은 화산 분출물 중에서 다공질의 지름 4mm 이상인 암괴, 속돌, 경석이라고도 한다. 외관상 비중이 작아서 물에 뜰만큼 가볍다. 마그마가 대기중으로 방출될 때 압력이 갑자기 감소한 결과로 마그마 중의 휘발성 성분이 빠져나가서 수많은 기공이 생긴 것이다. 상기 부석 및 경석은 다소의 반정광물을 함유하지만 대부분이 유기질이다. 가볍고 열전도도가 작고 내화성이기 때문에 내화단열판넬 및 피복관련 건축재료, 요업재료, 그밖에 차열벽용 콘크리트의 골재로 사용된다. 내산성이 강하므로 황산 제조 장치 등에도 그대로 사용할 수 있다.

본 발명의 내화피복재는 밀도와 상관관계가 있다. 이에 따라 상기 무기바인더에 대한 내화단열골재의 바람직한 혼합비율은 5 ~ 40중량%로 이루어진 것이다. 이때 상기 내화단열골재의 혼힙비율중 5중량% 이하로 첨가될 경우에는 차염성 문제는 없으나 밀도가 너무 높아져서 차열성을 저하시킬 수 있다. 또한 40중량% 이상으로 첨가될 경우에는 밀도상의 문제점과 부착력을 저하시킬 수 있고 가격상승의 요인이 되는 문제점이 있다.

본 발명의 내화피복재에 혼합되는 무기난연제는 열에 의하여 휘발되지 않으며 분해되지 않은 물(H₂O =OH + H), 이산화탄소(CO₂), 이산화항(SO₂), 염화수소(HCL) 등과 같은 불연성기체를 방출하여 흡열반응(Endothermic Reaction)을 함으로써 내화피복재의 차열성 및 차염성을 향상시켜 준다.

이러한 성능을 발휘하는 본 발명의 무기난연제로는 수산화 알루미늄, 수산화마그네슘, 수산화칼슘, 탄산칼슘, 탄산리치움, 탄산마그네슘, 붕산염, 중탄산칼륨 중 선택된 적어도 하나 이상을 혼합한 성분으로 이루어진다.

상기 무기난연제로 사용되는 각 성분에 대하여 간략히 설명하면 다음과 같다.

수산화알미늄(Al(OH)₃)은 약 230℃에서 분해하여 약 460 cal/g의 열을 흡수하고, 수산화마그네슘(Mg(OH)₂)은 약 330℃에서 분해하여 약 380 cal/g의 열을 흡수하고, 수산화칼슘(Ca(OH)₂)은 약 450℃에서 분해하여 약 230 cal/g 열을 흡수하고, 탄산칼슘(CaCO₃)은 약 890℃에서 분해하여 약 420 cal/g의 열을 흡수하고, 알루민산칼슘(3CaO.Al₂O₃.6H₂O)은 약 240℃에서 분해하여 약 280cal/g의 열을 흡수하고, 붕산아연(ZnB₄O₇.7H₂O)은 약 320℃에서 분해하여 약 150 cal/g의 열을 흡수한다.

하기는 위에서 열거된 각 성분의 화학식이다

2Al(OH)₃ --------> Al₂O₃ +3H₂0 -460 g/cal

Mg(OH)₂ ---------> MgO + H₂O -380 g/cal

Ca(OH)₂----------> CaO + H₂O -230 g/cal

CaCO₃-----------> CaO + CO₂ -420 g/cal

상기 수산화알미늄의 난연특성을 살펴보면, 재료의 온도상승의 억제효과 크고, 표면방산(表面放散) 열량의 저하효과가 우수하고, 다량 배합시 발화점(發火点)상승 효과가 우수하고, 발화시간 연장 효과가 우수하다.

상기 수산화알미늄의 특성을 살펴보면, 비열 0.28 g/cal이며, 분해온도가 낮고 난연성 부여시 다량을 사용하여야 하는 약점이 있으며. 제품의 기계적 특성 및 가공성 저하를 초래할 수 있고, 흡열분해에 의해 물을 생성하여 난연효과를 얻고,생성수에 의한 냉각작용에 의해 연소를 방지한다.

상기 수산화마그네슘의 특성으로는 소량 배합시 발화점 상승효과가 우수하고, 산소지수 (酸素指數) 상승효과가 크며, 탄화(炭化) 촉진효과가 우수하다.

수산화마그네슘의 특성으로는 비열 0.31 g/cal이며, 적당한 가격과 사용의 편리성과 낮은 부식성 및 무독성의 특징을 가지며, 분해시 물증기를 방출해서 기체상의 탈수있는 연료의 농도를 희석시키고. 열을 받았을때 숯을 통한 절연성을 향상시키며, 연소시 연기(Smoke)의 방출을 줄인다.

기타 무기계난연제로는 산화안티몬, 산화주석, 산화몰리브덴, 지르코늄화합물등이 채용될 수 있다.

상기한 무기난연제의 바람직한 혼합비율은 5 ∼ 30중량%인데, 이때 5중량%이하로 첨가될 경우에는 차열성과 차염성을 저하시켜 화재시 화염에 의한 내화온도 기준치를 유지하지 못해 고강도 콘크리트의 폭렬을 야기시킬 수 있다. 또한 30중량% 이상으로 첨가될 경우에는 다른 원료에 비해 고가이므로 경제성이 저하되는 문제점이 있다.

본 발명의 조성성분중 결합충전물은 무기물질과 난연성 유기물질의 섬유(Fiber)상과 고분자물질이 발포되어 분쇄된 자기소화성(消火性) 과립상의 입자들로 구성되어 있으며, 역할(기능)은 결합충전물이 혼합되어 있는 내화피복재를 고강 도콘크리트에 뿜칠(Spray)후 슬러지가 경화(양생)및 건조하는 과정에서 주변의 온도와 습도에 따른 슬러지 수분의 방출을 조절과 가교(Bridge)역활로 크랙 발생을 방지하고 흔들림이나 충격에 의한 완충작용을 한다. 상기 결합충전물은 화재시에 섬유상과 고분자물질이 저온(100~300℃)에서 용융(熔融)되어 형성된 작은 기포형태및 필라멘트 형태의 공기층이 차열성과 차염성을 가지게 되고 내화피복재의 가교역활로 부착을 견고하게 해 준다.

이러한 특징을 갖는 결합충전물로는 펄프, 탄산칼슘위스커, 이산화티탄위스커, 분쇄된 발포폴리스티렌, 분쇄된 발포폴리우레탄, 폴리프로필렌화이버, 폴리에칠렌화이버, 아크릴화이버, 폴리비닐알콜화이버중 선택된 적어도 하나 이상을 혼합한 성분으로 이루어진다.

상기 결합충전물로 사용되는 각 성분에 대하여 간략히 설명하면 다음과 같다.

펄프(Pulp)는 폐신문지나 판지를 절단 분쇄하여 붕산(Boric Acid) 및 황산암모늄(Ammonium Sulfate)등 내화제를 혼합한 섬유질 (Cellulose) 단열재이다. 섬유질 단열재는 일반적으로 약 80%가 섬유소이며, 약20%는 내화제와 같은 화학물질로 이루어져 있다. 상기 펄프의 특성으로는 동력자원부고시 82-19호(셀룰로우스<Cellulose>보온재 형식 승인 기준)에 의거하여 밀도: 0.03이상 ~ 0.05 g/cm³, 열전도율 : 0.038 Kcal/mh℃ 이하, 흡수율(무게기준) : 15%이하, 연소시험 : 합격의 기준을 갖는다.

이러한 기준에 충족하는 펄프는 단열성능에서 유리섬유(Glass Fiber)에 비하여 26.4% 뛰어나다.

탄산칼슘위스커(Whisker Calcium Carbonate)는 충전제로 사용되고 있는 공업용 탄산칼슘(CaCO₃)은 석회석 광물을 기계적으로 분쇄하여 분극을 한 중질탄산칼슘과 석회석을 고온에서 구운후 기액반응에 의하여 다시한번 탄산화시켜 입자형상 및 크기(길이 1~2㎛침상)를 설정하는 합성탄산칼슘으로 구분된다.

탄산칼슘위스커는 길이 10~20㎛ , 직경 0.3~0.7㎛으로써 제조는 Ca(OH)₂ 물 슬러리에 CO₂를 반응< Ca(OH)₂ + CO₂ ----------> CaCO₃ + H₂O >시켜 인산계 Impurity를 첨가시켜 얻어진다.

상기 탄산칼슘위스커의 물성은 진비중 2.86 g/cm³, PH : 9~9.5, 비표면적 : 7.0 m²/g, 흡유량 ; 50 ml/100g이다.

티탄산칼륨섬유라고 불려지는 상기 이산화티탄위스커(Potassium Titanate Whisker)는 길이 10 ~ 20m, 직경 0.3~0.7m섬유로써, 융점은 1300℃이상으로 적외선 방사율이 높고 내열성이 우수하며 고온에서 열전도율이 낮아 단열재로 최적인 특징을 가지고 있어 미국에서 우주항공분야에 단열재로 사용한 사례도 있으며, 석면대체재로 고마찰성, 내마모성, 내화단열성이 요구되는 용도에 사용되고있다.

상기 이산화티탄위스커의 물성은 진비중 : 3.3 g/cm³, 겉보기 비중: 0.22~0.25g/cm³, 비표면적 : 6~8m²/g, PH:7~8,함수율 : 0.7%max이다.

분쇄된 발포폴리스티렌(Expandable Polystyrene)은 폴리스티렌<-(-C₆H₆-CH-CH₂-)_n->입자들을 다공질구조로 펜탄으로 발포시켜 성형한 스티로폴(Styropor)을 과립형으로 분쇄한 것으로서 열전도율이 낮아 단열성 및 보냉성이 우수하고 충격완충성 및 방수성도 뛰어난 자기소화성 결합충전물이다.

여기서, 자기소화성은 KSM 3808(발포 폴리스티렌 보온재)에서 연소성은 “3초이내에 불이 꺼져서 찌꺼기가 없고 연소한계선을 초과하여 연소하지 않을것 “으로 정의되있는데 쉽게 말하면 스티로폴에 불을 붙이면 3초이내에 스스로 불이 꺼지도록 난연처리가 되어있어야 한다는 의미이다.

상기발포폴리스틸렌은 밀도 30kg/cm³이상인 스티로폴 보온판은 열전도율이 0.031Kcal/m.h.℃이하이어야 한다.(KSM 3808)

분쇄된 발포폴리우레탄(Expandable Polyurethane, Sponge)은 폴리올(Polyol)과 디이소시아네이트(Diisocyanate)를 주제로 하여 발포제,촉매제, 안정제 및 난연제등의 반응으로 얻어지는 성형된 발포생성물을 분쇄한 난연성의 결합충전물이다.

상기 발포폴리우레탄은 밀도 30kg/cm³경우 열전도율은 0.016 Kcal /m.h.℃ 이다.

폴리프로필렌화이버, 폴리에칠렌화이버, 아크릴화이버, 폴리비닐알콜화이버는 길이 3 ~ 19mm를 사용한다.

해포석(Sepiolite) 경량 단열성, 난연성 및 낮은 마모성이 우수하고, 비표면적이 230~380 m²/g 을 가지며, 충전재 및 내화단열재로 사용되고 있다. 화학식은 Magnesium Silicate(Si₁₂Mg₃O₃₂.8H₂O)이며, 화학적 특성은 100℃이하에서 비석수탈수, 200~600℃에서 결합수 탈수, 720~800℃에서 결정수탈수, 830℃에서Enstetite(MgSiO₃)가 생성된다.

상기한 결합충전물의 바람직한 혼합비율은 0.1 ∼30중량%인데, 이때 0.1 중량% 이하로 첨가되었을 경우 내화피복재를 물과 혼합한 슬러지를 뿜칠 후 양생(경화)건조과정에서 크랙이 발생하여 내화피복재로서의 기능을 저하시키며, 30중량%이상으로 첨가될 경우 내화피복재 충진 포장 및 양생 건조후 밀도를 저하시키는 문제를 야기할 수 있다.

본 발명의 조성성분중 혼화제로는 증점제 0.1 ~ 2 중량%, 공기연행제 0.1 ~ 2 중량%, 곰팡이방지제 0.1 ~ 2중량 %를 혼합한 성분을 사용한다

여기서, 상기 증점제로는 하이드록시프로필메칠셀룰로오스, 하이드록시 에틸셀룰로오스, 메칠셀룰로오스이고, 공기연행제로는 소디움라우릴설페이트, 소디움 알킬설페이트의 음이온 계면활성제, 빈졸레진이며, 곰팡이 방지제로는 벤지이미다졸계항균제, 니트릴계항균제, 피리딘계항균제, 할로알킬치오계항균제, 유기요드계항균제, 치아졸계항균제 중 선택된 적어도 하나 이상으로 이루어질 수 있다.

상기 혼화제로 사용되는 각 성분에 대하여 간략히 설명하면 다음과 같다.

상기 증점제는 물에 용해되는 비이온성의 셀룰로오스에테르로써 보수성(保水性)과 점성을 주는 첨가제, 바인더(Binder), 결합제필름형성제등의 기능을 가진다. 상황에 따라 CMC(Carboxyl Methyl Cellulose)와 같은 이온성 셀룰로오스에테르를 사용하는 경우도 있다. 증점제(비이온성 셀룰로오스에테르)는 유기용매와 찬물에 용해가 잘 되는 메칠셀룰로오스(MethylCellulose),하이드록시프로필메칠 셀룰로오스(Hydroxy Propyl Methyl Cellulose), 하이드록시프로 필셀룰로오스(Hydroxy Propyl Cellulose),하이드록시프로필에칠 셀룰로오스(Hydroxy Propyl Ethyl Cellulose)와 찬물과 뜨거운물에 용해가 잘되는 하이드록시에칠셀룰로오스(Hydroxy Ethyl Cellulose)와 유기용매에 용해가 잘되는 에칠셀룰로오스(Ethyl Cellulose)가 있다.

본 발명의 고강도 콘크리트 내화피복재에 사용된 증점제는 점도(Viscosity)가 15,000 ~ 40,000 c.p(centipoise) 것을 사용하였다.

공기연행제는 일명 AE제(Air Entraining admixture)라고도 불리며, 계면활성제(Surfectant)의 일종으로서 내화피복재를 물과 혼합시 슬러지내화피복재 속에 독립된 무수히 많은 미세한 공기포(Air bubble)를 발생시켜 펌핑(Pumping) 및 유동의 작업성(Workability)과 동결융해에 대한 저항성을 향상시키는 기능(역활)을 하게 되며, 경화(양생)후에도 형성 유지하고 있는 미세기포는 화재시 화염에 대한 차열성과 차염성에 대한 기능을 한다.

공기연행제인 계면활성제는 수용액중의 친수기(Hyhrophillic, 親水基)의 종류에 따라 전기적 성질(전리 이온)에 의해 수용액 중에서 음이온 전하(電荷)를 띠는 소디움라우릴설페이트(Sodium Lauryl Sulfate), 소디움알킬설페이트(Sodium Alkyl Sulfate), 수지비누, 황산에스테르계및 설포네이트계 음이온계면활성제인 공기연행제와 빈졸레진(Vinsol Resin), 다렉스(Darex),프로텍스(Protex) 및 포조리스(Pozzolth) 공기연행제가 사용되어진다.

곰팡이 방지제를 사용하는 목적과 기능은 일반적으로 곰팡이는 자연계의 모든곳에 생존하고 있으며 온도, 습도, 영양원등과 같은 환경요인이 적당하면 급속히 번식한다. 그래서 각종 건축구조물에서도 곰팡이가 발생 및 번식을 할 수 있으며, 특히 내화피복재의 경우는 곰팡이 발생에 관한 시험방법에 대해 ASTM G21(Determining Resistance of Synthetic Polymeric Materials to Fungi)에 소개하고 있으며, 여기서 관리되는 곰팡이 종류는 아스퍼질러스 나이거(Aspergillus niger) 페니실리움 퍼니컬로섬(Penicillium funiculosum), 케어토미움 그루보섬(Cheotomium globosum), 글리오클레디움 비렌스(Gliocladium virens), 오레오바시디움 펄루란스(Aureobasidium pullulans) 5종류이다.

곰팡이 방지제 약품은 내화피복재 슬러지는 알카리성이므로 알카리성에 안정하고 원료간에 반응성이 없어야 하며, 혼합시 분산이 잘 이루어지고 효과가 장기간 지속되고, 인체에 독성이 없고 환경오염을 유발시키지 않아야 한다. 이러한 약품으로 벤지이미다졸계항균제, 니트릴계항균제, 피리딘계항균제, 할로알킬치오계항균제, 유기요드계항균제, 치아졸계항균제, 테트라메칠티우람디설파이드, 징크에칠렌비스디티오카바메이드 테트라크로로메칠설포닐피리딘을 사용한다.

상기한 혼화제를이루는 각 성분의 혼합비율에서 증점제가 0.1 ∼ 2중량%가 혼합되는데, 이때 0.1 중량%가 혼합되면 내화피복재와 물을 혼합한 슬러지의 펌핑 시 유동성이 저하되어 작업성에 문제가 발생되며, 뿜칠시 내화단열 골재가 반발력(Bounding)에 의해 낙진이 되어 부착에 문제를 야기시키며, 2중량%이상으로 첨가될 경우에는 물과 혼합시 점도가 너무 높아져 작업상에 문제를 야기 시킬수 있으며, 단가가 고가이므로 경제성이 떨어진다.

상기 공기연행제의 혼합비율은 0.1 ∼ 2중량%가 혼합되는데, 이때 0.1 중량%가 혼합되면, 기포 발생이 없거나 기준보다 적으면 슬러지 펌핑시 미세기포가 베아링역활을 하여 펌핑을 어렵게하는 문제가 발생될 수 있고, 2중량% 이상으로 첨가될 경우 공기연행제 약품의 량과 기포 발생이 비례하지 않기 때문에 기준치 이상은 의미가 없다.

상기 곰팡이 방지제의 혼합비율은 0.1 ∼ 2중량%가 혼합되는데, 이때 0.1 중량%가 혼합되면 곰팡이 발생과 번식의 가능성이 높고, 2중량% 이상으로 첨가되면 경제성이 떨어진다.

하기에서는 본 발명에 의한 고밀도 내화피복재 조성물의 내화성능을 시험한 예에 대하여 설명한다.

<실시예 및 비교예 조성물>

구분	실시예(중량%)	비교예(중량%)
무기바인더	70.0	42.0
내화단열골재	11.0	30.0
무기난연제	13.0	18.0
결합충진제	5.3	9.0
혼화제	0.7	1.0
합계	100%	100%

<실험예>

본 실험에서는 고강도 콘크리트용 시멘트계 내화뿜칠재 조성물의 내화성능을 시험하기 위하여 가로 x 세로 450mm x 450mm, 높이 800mm의 설계기준강도 60MPa인 고강도 콘크리트 시험체에 두께 15mm가 되도록 상기한 실시예에서 조성된 조성물을 뿜칠한 후 미장마감하고 시편을 제작하였고, 또한 상기 비교예에서 조성된 조성물을 33mm가 되도록 뿜칠한 후 미장마감하여 시편을 제작하였다. 상기 시편은 KS F 2271의 내화시험방법으로 가열하여 3시간 후 시편의 최종온도를 측정하였으며, 가열 후 외관상태를 판단하였다.

구분	실시예	비교예
제품밀도(g/㎤)	0.8	0.3
압축강도(N/㎟)	3.06	0.69
최종온도(℃)	SH 15 : 400.4	SH 33 : 487.7
가열후 외관	양호	균열후 파괴

상기의 실시예 및 비교예의 특성을 살펴본 결과 본 실시예 시편(SH)의 피복두께(15mm)가 비교예 시편(SH)의 피복두께(33mm)보다 월등히 작음에도 불구하고, 표면경도는 훨씬 큰 것임을 알 수 있다.

또한, 도1의 그래프에서 제시된 바와 같이, 노내의 온도가 1100℃이상일때, 실시예 시편 및 비교예 시편 모두 국토해양부 고시 제 2008-334 호 내화시험시 평균온도 538℃이하가 되는 조건에 해당하는 3시간 내화성능을 충족하게 된다.

상기한 바와 같이 조성된 본 발명의 고밀도 내화피복재 조성물은 표면 경도를 강화할 수 있어 단일재료로서의 마감성을 발현할 수 있으며, 초고층 건축물에서 3시간 내화성능을 요구하는 경우에도 만족할만큼의 내화발현성을 발휘하게 된다.

또한, 본 발명은 석고보드와 복합하여 고강도 콘크리트의 내화재로 활용될 수 있다.

이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것이 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.

도1은 본 발명에 따른 고강도 콘크리트시멘트계 고밀도 내화피복재의 시간별 내화성능을 나타낸 그래프도.

Claims

주제로서 무기바인더 20 ~ 88.6중량%와, 차열성(insulation) 및 차염성(integrity)을 발휘하기 위한 내화단열골재 5 ~ 40 중량%, 차열성 및 차염성을 보강하기 위한 무기난연제 5 ~ 30중량%, 무기물과 난연성유기물간의 가교역활을 하는 결합충전물 0.1 ~ 30중량% 및 기능성 첨가제인 혼화제 0.3 ~ 6중량%를 혼합한 제1 혼합물질과 물의 배합비율을 1 : 0.5 ~ 1.5을 혼합하여 제조된 것을 특징으로 하는 마감성을 보유한 고강도 콘크리트시멘트계 고밀도 내화피복재 조성물.
제 1 항에 있어서,

상기 고밀도 내화피복재는 뿜칠 후 양생건조된 밀도가 0.3 ~ 1.3g/cm³가 되도록 한 것을 특징으로 하는 마감성을 보유한 고강도 콘크리트시멘트계 고밀도 내화피복재 조성물.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

상기 무기바인더는 보통포틀랜드시멘트, 알루미나시멘트, 고로슬래그시멘트, 반수석고, 무수석고나 고로슬래그, 플라이애쉬 및 메타카올린에 알카리성 무기재료 를 첨가한 알카리활성결합재중 선택된 적어도 하나 이상을 혼합한 성분으로 이루어진 것을 특징으로 하는 마감성을 보유한 고강도 콘크리트시멘트계 고밀도 내화피복재 조성물.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

내화단열골재는 팽창질석, 미팽창질석, 팽창퍼라이트 또는 미팽창퍼라이트, 실리카 에어로겔, 분쇄된 경석, 분쇄된 부석중 선택된 적어도 하나 이상을 혼합한 성분으로 이루어진 것을 특징으로 하는 마감성을 보유한 고강도 콘크리트시멘트계 고밀도 내화피복재 조성물.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

무기난연제는 수산화 알루미늄, 수산화마그네슘, 수산화칼슘, 탄산칼슘, 탄산리치움, 탄산마그네슘, 붕산염, 중탄산칼륨중 선택된 적어도 하나 이상을 혼합한 성분으로 이루어진 것을 특징으로 하는 마감성을 보유한 고강도 콘크리트시멘트계 고밀도 내화피복재 조성물.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

결합충전물은 펄프, 탄산칼슘위스커, 이산화티탄위스커, 분쇄된 발포폴리스티렌, 분쇄된 발포폴리우레탄, 폴리프로필렌화이버, 폴리에칠렌화이버, 아크릴화이버, 폴리비닐알콜화이버중 선택된 적어도 하나 이상을 혼합한 성분으로 이루어진 것을 특징으로 하는 마감성을 보유한 고강도 콘크리트시멘트계 고밀도 내화피복재 조성물.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

혼화제는 증점제 0.1 ~ 2 중량%, 공기연행제 0.1 ~ 2중량%, 곰팡이방지제 0.1 ~ 2중량%로 하고,

상기 증점제는 하이드록시프로필메칠셀룰로오스, 하이드록시 에틸셀룰로오스, 메칠셀룰로오스중 선택된적어도 하나의 성분으로 이루어지고,

상기 공기연행제는 소디움라우릴설페이트, 소디움 알킬설페이트의 음이온 계면활성제, 빈졸레진중 선택된 적어도 하나의 성분으로 이루어지고,

상기 곰팡이 방지제는 벤지이미다졸계항균제, 니트릴계항균제, 피리딘계항균제, 할로알킬치오계항균제, 유기요드계항균제, 치아졸계항균제 중 선택된 적어도 하나 이상을 혼합한 성분으로 이루어진 것을 특징으로 하는 마감성을 보유한 고강도 콘크리트시멘트계 고밀도 내화피복재 조성물.