[논문]알루미노 실리케이트계 고내화성 모르타르의 부착성능 평가

조현서; 이건철

doi:10.5345/jkibc.2018.18.6.569

알루미노 실리케이트계 고내화성 모르타르의 부착성능 평가
Evaluation of Adhesion Performance of High-Fireproofing Alumino-silicate Inorganic Mortar 원문보기

한국건축시공학회지 = Journal of the Korea Institute of Building Construction, v.18 no.6, 2018년, pp.569 - 576

조현서 (Department of Architectural Engineering, Korea National University of Transportation) , 이건철 (Department of Architectural Engineering, Korea National University of Transportation)

초록
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현대사회에서 건축물은 대다수가 RC구조로 건설되어지고 있다. RC구조의 건축물은 시공상의 하자발생, 설계단계에서의 오차발생 등과 같은 인위적인 요인과 지진, 태풍 등의 자연적인 요인에 의해 구조적 불안정성이 발생하고 이를 해결하기 위해 다수의 보수보강공법이 이루어지고 있다. 보강공법 중 FRP 보강공법에서 사용하는 유기계 에폭시 접착제는 고온에 노출되었을 때 부착파괴가 급격하게 발생하게 되며 이는 보강재의 탈락으로 직결된다. 따라서 본 연구에서는 고온에 노출되었을 때 FRP 보강재에 전달되는 열을 감소시켜주며 일정수준 이상의 부착성능을 가진 무기계 내화 모르타르의 개발을 목적으로 실험을 진행하였다. 실험 결과 EVA수지의 포함으로 상온조건에서 높은 부착강도를 나타내었으며, 가열조건에서도 약 $300^{\circ}C$까지 전혀 성능저하를 나타내지 않았다. 또한, 이면온도는 두께가 증가할수록 낮았으며, 가열 2시간 이후에에서는 약 $780^{\circ}C$의 일정한 온도로 수렴되는 것을 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

In modern society, a huge number of the buildings have been constructed with RC structure. RC structures have many structural instabilities due to earthquake, typhoon, construction fault, design phase errors. Therefore, many reinforcement methods are being implemented to solve this problem. In the reinforcement method, the organic epoxy adhesive used in the FRP reinforcing method is abruptly damaged when exposed to high temperature, which is directly connected to the fall of the reinforcing material. Therefore, the present study was conducted to develop inorganic refractory mortar with a certain level of adhesion ability to reduce the heat transferred to FRP reinforcement when exposed to high temperatures. As a result of the test, it showed high adhesion strength at room temperature condition with the inclusion of EVA resin, and showed no performance deterioration up to about $300^{\circ}C$ even under heating conditions. Also, it was confirmed that the backside temperature was lower as the thickness increased, and converged to a constant temperature of about $780^{\circ}C$ after 2 hours of heating.

주제어

표/그림 (18)

그림 Figure 1. FRP suface redamation method
그림 Figure 2. Covalent bond of alumino silicate inorganic binder
그림 Figure 3. SEM photograph of cenosphere
표 Table 1. Mix proportions
표 Table 2. Specimen condition
그림 Figure 4. Cenosphere used in experiments
그림 Figure 5. Test progress
표 Table 3. Chemical composition of binder
표 Table 4. Chemical composition of alkali-activator
표 Table 5. Chemical composition of hybrid epoxy
표 Table 6. Physical and chemical composition of cenosphere
표 Table 7. Physical composition of EVA polymer
그림 Figure 6. Table flow test
그림 Figure 7. Bond strength according to heating temperature change
그림 Figure 8. Sectional failure formation by high temperature
그림 Figure 9. SEM photograph of inorganic binder(before heating)
그림 Figure 10. SEM photograph of inorganic binder(after heating)
그림 Figure 11. Backside temperature test

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 본 연구에서는 Figure 1과 같이 FRP 표면매립공법에 적용 가능한 내화접착제의 개발을 목표로 알루미노 실리케이트계 무기바인더를 기반으로 하는 모르타르에 대한 검토를 실시하였으며, 또한 부착성 및 내열성능을 보다 향상 시키기 위한 방법으로 다공성 세라믹 경량 필러 및 재유화형 EVA수지 혼입 영향에 대하여 검토하였다.
본 연구에서는 고온환경에서도 내열성능 및 부착성능을 유지할 수 있는 무기계 내화접착제의 개발을 목표로 알루미노 실리케이트계 무기바인더를 기반으로 하는 모르타르의 부착강도 특성에 대하여 검토하였으며, 그 결과를 요약하면 다음과 같다.
이와 관련하여 본 연구에서는 고온환경에서도 내열성능 및 부착성능 개선을 기대할 수 있는 무기계 내화접착제의 개발을 목표로 연구를 진행 중에 있으며, 주요 재료로 알루미노 실리케이트계 무기바인더의 사용성을 검토하고 있다.

제안 방법

가열 시험체의 이면온도 측정은 200×200mm의 크기로 하였으며, 두께는 각각 5, 10, 20mm로 제작하였으며, 소정의 양생기간을 거친후 전기 가열로의 입구에 설치 후 일면 가열을 실시하였다. 이 때의 온도측정은 K 타입 열전대를 시험체 이면에 설치 후 데이터로거를 이용하여 측정하였다.
가열조건은 100, 200, 300, 400, 500, 600℃ 총 6조건으로 설정하였으며, 가열승온속도는 10℃/min로 설정하였으며, 유지시간 30min으로 설정하였다. 측정사항으로는 테이블 플로, 부착강도, 주사전자현미경(SEM) 및 이면온도를 가열전후에서 측정하였다.
고온노출을 위한 가열방법은 전기 가열로를 사용하였고, 가열 승온속도는 10℃/min로 설정 후 각각 100, 200, 300,400, 500 및 600℃까지 가열을 실시하였으며, 목표온도 도달 후 30분의 유지시간을 두는 것으로 하였다.
무기계 내화접착제는 유기접착제에 비해 초기 부착강도가 다소 낮을 수 있으며, 이를 보완하기 위하여 알루미노실리케이트 무기바인더 내에 재유화형 EVA수지를 추가 혼입하였다. EVA수지는 물과 반응하여 시멘트 입자 및 수화물 조직층에 필름Gel을 형성시킴으로써, 방수성능, 부착강도 성능등을 향상시키는 것으로 알려져 있는데.
본 연구의 배합사항은 Table 1과 같으며 실험계획은 Table 2와 같다. 즉, 실험사항으로 무기바인더는 알루미노 실리케이트계를 기반으로 하였고, EVA 분말수지의 혼입율은 무기바인더 대비 질량비로 0, 10, 13, 16, 19%의 5개 변수로 혼입하였으며, 세라믹 중공비드는 잔골재에 대하여 질량비로 0, 0.8, 1.0, 1.2%로 치환하였다.
가열조건은 100, 200, 300, 400, 500, 600℃ 총 6조건으로 설정하였으며, 가열승온속도는 10℃/min로 설정하였으며, 유지시간 30min으로 설정하였다. 측정사항으로는 테이블 플로, 부착강도, 주사전자현미경(SEM) 및 이면온도를 가열전후에서 측정하였다.

대상 데이터

또한, 무기바인더의 접착성능을 비교하기 위하여 유기계 접착제로서 일반 시중에서 많이 판매되고 있는 K사의 하이브리드계 접착제 1개를 비교 대상군으로 하였다.
본 연구에서 사용한 알루미노 실리케이트계 무기 바인더는 플라이애시, 고로슬래그 미분말 등의 무기분체와 알칼리 수용액의 중합반응에 의해 경화되는 재료이다. 즉, 무기분체는 SiO₂, Al₂O₃가 주성분 이며, 알칼리 수용액을 첨가하게 되면 1차적으로 알칼리 이온에 의해 SiO₂가 활성화되어 물과 수화반응을 통한 수산화물을 형성한다.
사용재료로써 무기바인더는 알루미노 실리케이트계 무기 바인더를 사용하였는데, 분체의 조성은 기존의 연구결과를 기반으로 플라이애시, 고로슬래그 미분말, 실리카퓸의 비율을 각각 8 : 1.5 : 0.5로 하였고, 알칼리 자극제는 규산나트륨(Na₂SiO₃), 규산칼륨(K₂SiO₃), 수산화나트륨(NaOH)을 각각 5 : 3 : 2 의 비로 배합하였다. 바인더, 알칼리자극제, 중공 세라믹 비드 및 재유화형 EVA 분말수지의 물리적·화학적 성질은 다음 Table 3∼7과 같고, 중공 세라믹 비드의 형상은 Figure 4와 같다.

이론/모형

굳지 않은 상태의 플로시험은 KS F 5105에 의거하여 진행하였으며, 플로 측정은 무타격 조건에서 측정하였다.
무기바인더의 내화성능을 보다 향상시키기 위한 방법으로는 석탄화력발전소에서 미분탄 연소후 발생하는 세노스피어 (Cenosphere)를 사용하였다.
부착강도시험은 KS F 4042의 기준의 부착장도 시험방법에 따라 실시하였으며, 시험체 제작 시 모르타르 밑판에 내화 모르타르를 40×40mm 으로 설치 후 시험 1일 전에 내화 모르타르 상부에 철제 지그를 부착하여 측정하였다.

성능/효과

1) 가열전의 부착강도는 EVA수지가 혼입되지 않은 경우 약 1.5MPa 정도로 나타났다. 이에 비해 하이브리드계 무기 접착제의 경우 약 3.
2) 가열 후 부착강도 특성으로 알루미노 실리케이트계 무기 바인더의 경우 약 300℃까지 전혀 성능저하를 나타내지 않았으며, 일부 시험조건에서는 오히려 부착강도가 증가하는 경향을 나타내는 도 나타났다.
3) EVA 수지 혼입에 따른 부착강도는 수지의 혼입율이 증가 할수록 증가하는 것으로 나타났는데, EVA수지10% 혼입 시 혼입되지 않은 시료에 비해 약 35%의 부착강도 증가를 나타내었으며, 그 이후에는 EVA수지 혼입율 대비 강도의 증가는 미미한 것으로 나타났다.
5) 가열온도 증가에 따른 시험체 이면온도는 도포 두께가 두꺼울수록 이면온도가 낮은 것으로 나타났으며, 가열 후 40분에서 2시간 구간이 두께별 차이를 나타내었다. 이후 구간에 있어서는 최대 780℃의 온도 이하로 수렴되는 것으로 나타났다.
EVA 수지 혼입에 따른 부착강도는 수지의 혼입율이 증가할수록 증가하는 것으로 나타났는데, EVA수지 10% 혼입시 혼입되지 않은 시료에 비해 약 35%의 부착강도 증가를 나타내었으며, 그 이후에는 EVA수지 혼입율 대비 강도의 증가는 미미한 것으로 나타났다. 또한, EVA수지 혼입율이 10∼16% 구간에서는 가열온도 300℃까지 강도가 증가하는 형상이 뚜렷하게 나타났다.
Figure 7은 가열온도 조건 변화에 따른 부착강도를 중공 세라믹 비드 치환율 및 EVA 수지 혼입율 변화에 따라 나타낸 것이다. EVA수지가 혼입되지 않은 무기바인더의 가열전부착강도는 약 1.5MPa 정도로 나타났으며, 중공 세라믹 비드의 치환여부에 따라서도 큰 차이는 나타나지 않았다. 이에 비해 하이브리드계 무기 접착제의 경우 약 3.
그러나, 이러한 결과는 가열온도 100℃ 이상에서는 부착강도를 측정할 수 없을 정도로 낮은 값을 나타내어 무기계재료가 일부 포함된 재료이지만 고온조건에서는 전혀 성능을 발휘하지 못하는 것으로 나타났다.
또한, 본 연구범위의 최종 온도인 600℃에서도 작지만 부착강도를 유지하고 있는 것을 확인할 수 있었다.
반면, 알루미노 실리케이트계 무기 바인더의 경우 약 300℃까지 전혀 성능저하를 나타내지 않았으며, 일부 시험조건에서는 오히려 부착강도가 증가하는 경향도 나타났다.

후속연구

4) 중공 세라믹 비드의 치환에 따른 부착강도는 전반적으로 볼 때 명확한 경향을 찾아 볼 수 없으며, 중공 세라믹 비드의 열차단 효과에 대한 명확한 현상 파악을 위해서는 향후 열전도율 등의 검토가 필요할 것으로 판단된다.
이는 저온 가열 조건에서는 EVA수지의 영향으로 그 차이가명확하지 않지만, EVA수지가 연소된 이후에서는 세라믹 중공 비드의 열차단 효과로 강도의 감소를 다소 지연시켰기 때문으로 사료된다. 그러나, 열차단 효과에 대한 명확한 현상 파악을 위해서는 향후 열전도율 등의 검토가 필요할 것으로 판단된다.
알루미노 실리케이트계 무기바인더는 알루미나(Al)와 실리카(Si)의 중합반응에 의해 경화되는 비결정상의 재료로써 시멘트계 재료에 비해 내열성이 우수한 것으로 알려져 있어[3,4,5], 본 연구에서 목표로 하는 고내화성의 무기계 접착제 개발의 주요재료로 사용이 가능할 것으로 예상된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	FRP 보강공법이란?	RC 구조물의 보수보강에 있어 일반적으로 강판보강공법, 섬유강화폴리머(Fiber reinforced Polymer, 이하 FRP)보강공법 등이 광범위하게 이용되고 있으며, 이중 FRP 보강공법은 강판보강에 비해 경량이고 고강도 발현, 저부식성의 장점으로 실무현장에서 가장 널리 쓰이고 있는 보강공법이다[1].
	RC 구조물의 보수보강에 이용되는 일반적인 종류는?	RC 구조물의 보수보강에 있어 일반적으로 강판보강공법, 섬유강화폴리머(Fiber reinforced Polymer, 이하 FRP)보강공법 등이 광범위하게 이용되고 있으며, 이중 FRP 보강공법은 강판보강에 비해 경량이고 고강도 발현, 저부식성의 장점으로 실무현장에서 가장 널리 쓰이고 있는 보강공법이다[1].
	매립 표면을 내화접착제 및 내화보드로 마감하여 내화성을 보강한 보수공법의 단점은?	그러나, 이와 같은 공법도 보수단면과 내화보드를 연결하는 접착제의 내화성능이 확보되지 못할 경우 내화보드가 탈락되는 문제 등이 발생 할 수 있다.

참고문헌 (10)

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상세보기
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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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