[논문]플라이애시와 유리 발포 경량골재를 사용한 내화 마감모르타르의 특성

송훈

doi:10.14190/jrcr.2015.3.4.374

플라이애시와 유리 발포 경량골재를 사용한 내화 마감모르타르의 특성
Properties of Fire Resistant Finishing Mortar Using Fly Ash and Glass Forming Light Weight Aggregate 원문보기

Journal of the Korean Recycled Construction Resources Institute = 한국건설순환자원학회 논문집, v.3 no.4, 2015년, pp.374 - 381

초록
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화재에 대한 건축물의 내화성능 확보를 위해서는 온도가 상승하더라도 허용범위 이내로 제어하고 탈락이나 손상 등이 발생하지 않아야 한다. 이에 대한 대책으로 부재 외면에 내화모르타르로 마감을 하는 것이 가장 효율적인 방법이다. 내화 마감모르타르는 고온에서 강도변화가 작고 열적으로 안정하며 열전도율이 낮은 경량재료라면 효과적으로 성능발현이 가능할 것이다. 본 연구는 내화 마감모르타르 개발을 위한 연구로 비교적 내화성능이 우수한 플라이애시 및 메타카올린 기반의 알칼리 활성화 결합재와 펄라이트 및 유리 발포 경량골재의 고온 특성에 대해 검토하였다. 실험결과 열전도율이 낮고 고온에서 비교적 안정적인 특성을 발현하여 내화 마감모르타르로 적용이 가능할 것으로 판단된다.

Abstract ▼ AI-Helper

This study is investigating the fire resistant finishing materials composed of fly ash and glass forming light weight aggregate has the high temperature thermal stability. High temperatures such as a fire, cementitious materials beget dehydration and micro crack of cement matrix. From the test result, developed fire resistant finishing materials showed good stability in high temperatures. These high temperature stability is caused by the ceramic binding and low thermal conductivity of glass forming light weight aggregate. Also, alkali activation reaction of fly ash and meta kaolin not showing the decomposition of calcium hydrates. Thus, this result indicates that it is possible to fire resistant finishing light weight mortars.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

고강도 콘크리트나 구조용 경량골재콘크리트를 사용하는 경우 폭렬에 의한 단면의 변형이나 손상이 발생하기도 하지만 허용범위 이내에서 제어할 수 있다면 큰 문제가 되지는 않는다. 가장 효율적인 대책은 화재시의 열을 차단하여 부재의 온도상승을 제어하기 위한 내화 마감모르타르를 적용하는 것이다. 또한 효과적으로 내화성능을 발휘하기 위한 내화 마감모르타르는 경량이면서 열전도율이 낮고 고온에서 안정적인 것이 유리하다.
본 연구에서는 경량 마감모르타르의 적용을 위해 유리분말을 경량골재의 바인더로 적용하는 경우 낮은 온도에서 소성이 가능하고 닫힌 공극으로 표층부가 구성되기 때문에 흡수율이 낮은 골재를 제조할 수 있다는 점을 착안하여 유리분말을 플라이애시와 혼입하여 경량골재를 제조하였다. 제조공정은 유리분말을 원료로 하여 플라이애시 혼합물에 발포제를 섞어 발포소재를 제조하기 위한 혼합물을 만들며 고온에서 발포시켜 소성한다.
또한 내화 마감모르타르는 경량이며 낮은 열전도율을 가지는 것이 유리하기 때문에 펄라이트나 경량골재 등을 사용한다. 이에 따라 본 연구에서는 시멘트, 플라이애시 및 메타카올린과 알칼리 용액과 펄라이트 및 유리 발포 경량골재를 이용하여 알칼리 활성화 내화 마감모르타르 제조하고 효용성 여부를 확인코자 한다.

제안 방법

고온시의 재료특성 평가는 상온과 고온에서 2시간 동안 가열한 후 상온으로 되돌린 후 밀도와 압축강도를 측정하였다. 또한 단열성능을 측정하기 위해 KS L 9016의 열전도율 시험방법에 의하여 측정하였고 시험체의 크기는 200×200×30mm이었다.
내화 마감모르타의 배합은 혼합용적 5.7L의 강제식 믹서를 이용하였으며, 재료투입은 재료의 균질성을 위하여 선 비빔을 실시하였으며 이후 KS L ISO 679에 의거하여 제조하였다. 제조된 내화 마감모르타르를 바탕으로 강재형틀을 이용하여 50×50×50mm의 시험체를 제작하였다.
4와 같다. 또한, TG-DSC 분석을 통하여 내화 마감모르타르의 특성을 평가하였다.
제조공정은 유리분말을 원료로 하여 플라이애시 혼합물에 발포제를 섞어 발포소재를 제조하기 위한 혼합물을 만들며 고온에서 발포시켜 소성한다. 발포제인 규산나트륨, 탄산칼슘 및 그라파이트의 고온에서의 반응을 기본으로 규산나트륨은 점도를 조절하며 탄산칼슘은 약 820℃ 전후의 열분해와 그라파이트는 O₂와의 반응에서 발생하는 CO₂ 가스에 의한 발포를 기본 메커니즘으로 하며 Fig. 1과 같다.
제작된 시험체는 항온항습 챔버를 이용하여 온도 23±2℃, RH 95% 이상의 조건에서 표준양생을 실시하였다.
제조된 내화 마감모르타르를 바탕으로 강재형틀을 이용하여 50×50×50mm의 시험체를 제작하였다.

대상 데이터

또한 단면결손을 방지하기 위해 수증기압 저감에 효과가 뚜렷한 폴리프로필렌섬유(이하 PP섬유)를 사용하였고 시공성 확보를 위해 6mm의 단섬유를 사용하였다. 또한 경량화를 도모하기 위해 골재는 펄라이트와 유리 발포 경량골재를 이용하였다. 펄라이트는 일반 시판품을 사용하였으며 유리 발포 경량골재는 직접 제조하여 사용하였다.
알칼리활성화 용액은 2몰의 수산화칼륨 용액을 사용하였다. 또한 단면결손을 방지하기 위해 수증기압 저감에 효과가 뚜렷한 폴리프로필렌섬유(이하 PP섬유)를 사용하였고 시공성 확보를 위해 6mm의 단섬유를 사용하였다. 또한 경량화를 도모하기 위해 골재는 펄라이트와 유리 발포 경량골재를 이용하였다.
본 연구의 내화 마감모르타르 제조에 사용되는 주 재료로는 시멘트, 플라이애시, 유리분말 및 메타카올린과 알칼리 활성화 반응을 유도하기 위한 수산화칼륨 용액이며 Table 2와 같다. 플라이애시는 하동화력에서 생산되는 플라이애시이며, 메타카올린은 국내 시판 제품을 사용하였으며 성분 및 함량은 Table 3과 같다.
플라이애시는 하동화력에서 생산되는 플라이애시이며, 메타카올린은 국내 시판 제품을 사용하였으며 성분 및 함량은 Table 3과 같다. 알칼리활성화 용액은 2몰의 수산화칼륨 용액을 사용하였다. 또한 단면결손을 방지하기 위해 수증기압 저감에 효과가 뚜렷한 폴리프로필렌섬유(이하 PP섬유)를 사용하였고 시공성 확보를 위해 6mm의 단섬유를 사용하였다.
또한 경량화를 도모하기 위해 골재는 펄라이트와 유리 발포 경량골재를 이용하였다. 펄라이트는 일반 시판품을 사용하였으며 유리 발포 경량골재는 직접 제조하여 사용하였다. 유리 발포 경량골재는 일반 경량골재와 달리 낮은 온도에서 성형이 가능하고 표면이 치밀하며 밀도 및 흡수율이 낮은 특징을 지닌다.

이론/모형

또한 단열성능을 측정하기 위해 KS L 9016의 열전도율 시험방법에 의하여 측정하였고 시험체의 크기는 200×200×30mm이었다.

성능/효과

1. 내화 마감모르타르는 가열온도의 증가에 따라 밀도 및 강도는 감소하며 변화량이 커지는 경향을 보인다. 또한 100~200℃ 범위에서 변화가 크게 나타났고 이는 수분의 증발 및 수화물의 탈수에 의한 것이다.
2. 열전도율은 시험체 모두 0.204~0.272W/mk의 범위로 비교적 낮아 내부로의 열전도를 차단하여 부재의 온도상승을 늦출 수 있어 화재발생시 유리하다.
또한 100~200℃ 전후에서 밀도변화가 크게 나타났는데 이는 다공체인 펄라이트나 경량골재가 수분을 함수한 상태에서 100℃ 이상의 고온에서 내부의 수분이 증발함에 따라 밀도변화도 크게 나타난 것이다. FRMP 및 FRMA 시험체 모두 600~800℃에서 약 15~22%의 감소율을 보였으며 가열온도가 증가함에 따라 밀도변화도 크게 증가하였다. 또한 유리 발포 경량골재를 이용한 FRMA 시험체는 가열온도의 증가에도 밀도감소의 변화가 적게 나타났다.
이는 펄라이트와 유리 발포 경량골재의 밀도가 낮은 결과로부터 기인한다. 내화 마감모르타르 시험체의 밀도는 가열온도가 상승할수록 감소하는 경향을 보였다. 또한 100~200℃ 전후에서 밀도변화가 크게 나타났는데 이는 다공체인 펄라이트나 경량골재가 수분을 함수한 상태에서 100℃ 이상의 고온에서 내부의 수분이 증발함에 따라 밀도변화도 크게 나타난 것이다.
7에 나타내었다. 내화 마감모르타르는 표면에서 내부로 이어지는 균열이 발생하였으나 형태를 유지하고 있는 것을 확인할 수 있었다. 내화 마감모르타르의 밀도변화는 Fig.
이는 시멘트 결합재에서도 보이는 일반적인 경향이며 내화 마감모르타르가 플라이애시와 알칼리 용액의 활성화 반응 이외에도 시멘트가 바인더로 일부 들어가 있으므로 영향을 받았다. 또한 가열온도의 증가에 따라 점진적으로 감소하는 경향을 보였으며 특히 200℃ 전후에서 강도의 감소가 크게 나타났다. 내화 마감모르타르는 시멘트 경화체에서 보이는 200~400℃ 범위에서의 강도증가와 상이하며 알칼리 활성화에 의한 결합에서 보이는 강도특성과도 상이하다.
FRMP 및 FRMA 시험체 모두 600~800℃에서 약 15~22%의 감소율을 보였으며 가열온도가 증가함에 따라 밀도변화도 크게 증가하였다. 또한 유리 발포 경량골재를 이용한 FRMA 시험체는 가열온도의 증가에도 밀도감소의 변화가 적게 나타났다. 이는 경량골재의 흡수율이 적어 골재의 내부에 수분을 함수하고 있는 비율이 펄라이트보다 작기 때문이다.
고온가열 후 시험체는 결합수의 탈수와 신축에 의한 균열이 발생하였고 상온으로 방치한 후 시간의 경과에 따라 균열 정도가 더욱 진행되었다. 상온에서 FRMP-1, 2, 3 시험체의 밀도는 약 1.15, 1.28, 1.20g/cm³이었으며, FRMA-1, 2, 3 시험체의 밀도는 약 0.98, 1.03, 0.93g/cm³으로 나타나 경량임을 확인 할 수 있었고 마감모르타르로서 바탕면에 부착하는 경우 중량에 대한 부담이 적다. 이는 펄라이트와 유리 발포 경량골재의 밀도가 낮은 결과로부터 기인한다.
9에 나타내었다. 상온에서 FRMP-1, 2, 3 시험체의 압축강도는 약 10.0, 10.2, 10.9N/mm²이었고, FRMA-1, 2, 3 시험체의 압축강도는 약 9.7, 10.6, 9.4N/mm²이었다. 800℃에서 2시간 가열한 후의 압축강도는 FRMP-1, 2, 3가 약 0.
4N/mm²이었다. 시험체 모두 가열온도가 증가할수록 압축강도는 감소하였다. 이는 시멘트 결합재에서도 보이는 일반적인 경향이며 내화 마감모르타르가 플라이애시와 알칼리 용액의 활성화 반응 이외에도 시멘트가 바인더로 일부 들어가 있으므로 영향을 받았다.
204W/mK이었다. 시험체 모두 비교적 낮은 열전도율을 보여 화재 발생시 외부의 고온을 내부로의 전도를 차단하여 부재의 온도상승을 늦출 수 있을 것으로 판단된다. 이는 펄라이트와 경량골재의 다공성에 기인한 것으로 내화 마감모르타르로 적용하는 경우 매우 유리한 조건이 된다.
11에 나타내었다. 열분석 결과 시멘트 경화체에서 수산화칼슘의 존재를 확인할 수 있는 450~500℃ 부근의 흡열피크와 90~108℃ 부근에서 나타나는 에트린자이트 피크를 확인할 수 없었다. 일반적으로 수산화칼슘은 시멘트를 주 바인더로 사용하는 수화물에서 나타나며 Ca(OH)₂가 CaO+H₂O로 분해된다.
10에 나타내었다. 평판법에 의한 FRMP-1, 2, 3 시험체의 열전도율은 약 0.247, 0.272, 0.260W/mK이었고, FRMA-1, 2, 3 시험체의 열전도율은 약 0.218, 0.214, 0.204W/mK이었다. 시험체 모두 비교적 낮은 열전도율을 보여 화재 발생시 외부의 고온을 내부로의 전도를 차단하여 부재의 온도상승을 늦출 수 있을 것으로 판단된다.
6은 플라이애시와 유리분말을 1,000배 확대한 SEM사진이다. 플라이애시는 완전한 형태의 구상을 하고 있으며 폐유리분말은 인공적 분쇄에 따라 모서리가 뾰족한 형태인 각형의 구상형태를 하고 있는 것을 확인할 수 있었다.

후속연구

3. 내화 마감모르타르는 알칼리 활성화에 의한 결합과 마감재의 경량화를 도모한 것으로 펄라이트 및 유리 발포 경량골재의 영향을 받아 강도변화의 폭이 크므로 적절한 배합 조건의 선정 및 사전검토가 필요하다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	화재에 대한 건축물의 내화성능 확보를 위해 가장 효율적인 대책은 무엇인가?	고강도 콘크리트나 구조용 경량골재콘크리트를 사용하는 경우 폭렬에 의한 단면의 변형이나 손상이 발생하기도 하지만 허용범위 이내에서 제어할 수 있다면 큰 문제가 되지는 않는다. 가장 효율적인 대책은 화재시의 열을 차단하여 부재의 온도상승을 제어하기 위한 내화마감모르타르를 적용하는 것이다. 또한 효과적으로 내화성능을 발휘하기 위한 내화 마감모르타르는 경량이면서 열전도율이 낮고 고온에서 안정적인 것이 유리하다.
	시판되는 경량 내화모르타르의 역할은 무엇인가?	또한 효과적으로 내화성능을 발휘하기 위한 내화 마감모르타르는 경량이면서 열전도율이 낮고 고온에서 안정적인 것이 유리하다. 시판되는 경량 내화모르타르는 주로 시멘트 및 석고, 유기계 섬유, 경량골재 등을 조합하여 제조한 것으로 시멘트계 재료가 주 바인더로서 역할을 한다. 수경성 재료인 시멘트는 물과 반응하여 경화하며 초기에는 수산화칼슘(Ca(OH)2)과 에트린자이트(3CaO․Al2O3․3CaSO4․32H2O)와 규산칼슘수화물(이하 C-S-H, 3CaO․SiO2․6H2O)이 순차적으로 생성된다.
	콘크리트구조의 특징은 무엇인가?	콘크리트구조는 법규에서 정하는 내화구조이므로 화재에 대해 강하고 구조적인 변형이나 손상이 쉽게 발생하지 않는다. 고강도 콘크리트나 구조용 경량골재콘크리트를 사용하는 경우 폭렬에 의한 단면의 변형이나 손상이 발생하기도 하지만 허용범위 이내에서 제어할 수 있다면 큰 문제가 되지는 않는다.

참고문헌 (6)

Chu, Y.S., Lee, J.K., Shim, K.B. (2005). Preparation of lightweight aggregate using glass abrasive sludge and effects of pores on the aggregate properties, Korean Journal of Ceramics, 42(1), 37-42 [in Korean].

원문보기 상세보기
Jung, S.K. (2007). A Study on the Physical Properties of Alkali-activated Fly Ash as an Inorganic Binder, Master's Thesis, Hanyang University.
KICET. (2013). Development of Fire Resistant Curtain Wall System.
KICTEP. (2014). Commercialization of Dry and Wet Construction Method of Exterior Insulation Wall System Using Light-weight Nonflammable Ceramic Insulation.
Song, H., Chu, Y.S., Lee, J.K. (2012). Analysis of internal structure in alkali-activated fire protection materials using fly ash, Korean Recycled Construction Resource Institute, 7(4), 104-112 [in Korean].
Yujin Corp. (2008). A Study of Light Weight Material and Insulation Panel.

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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