[논문]분말형 견운모를 혼입한 모르타르의 내화성능 연구

박지연; 김소이; 김성하; 이재용; 정철우

doi:10.14190/jrcr.2021.9.1.26

분말형 견운모를 혼입한 모르타르의 내화성능 연구
Investigation on Fire Resistance of Mortar Made of Powder Type Sericite 원문보기

Journal of the Korean Recycled Construction Resources Institute = 한국건설순환자원학회 논문집, v.9 no.1, 2021년, pp.26 - 32

박지연 (부경대학교 건축공학과) , 김소이 (부경대학교 건축공학과) , 김성하 (부경대학교 건축공학과) , 이재용 (부경대학교 건축.소방공학부) , 정철우 (부경대학교 건축.소방공학부)

초록
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분말형 견운모는 폐기물 재활용 차원에서 화학, 광물 분야에서 활발하게 연구가 이루어지고 있고, 비교적 저렴하게 구할 수 있는 재료이며, 일반 운모와 마찬가지로 낮은 열전도율을 가지고 있다. 따라서 본 연구에서는 분말형 견운모를 활용하여 모르타르의 열전도율을 개선하고, 이를 통해 시멘트 복합체용 내화재료로서와 활용가능성을 확인하고자 하였다. 분말형 견운모를 혼입한 시멘트 모르타르를 제작하고, 이의 열전도율 및 고온 노출 전후의 압축강도를 비교 평가하여 내화성능을 규명하고자 하였다. 실험 결과에 따르면, 분말형 견운모를 혼입하는 경우 압축강도가 감소하는 것으로 나타났으며, 혼입량 증가에 따른 압축강도의 감소는 미미하였다. 분말형 견운모를 혼입하면, 열전도율이 감소하며, 600℃, 900℃, 1,200℃에 소성된 모르타르 시험체의 잔존강도가 플레인 모르타르에 비해 높게 나타났다. 실험 결과를 종합적으로 평가해 볼 때, 분말형 견운모는 시멘트 복합체용 내화 재료로서의 활용가능성이 존재한다고 결론지을 수 있다.

Abstract ▼ AI-Helper

Powder type sericite has been actively researched in the area of chemistry and mineralogy in terms of waste recycling. It is a material that can be obtained relatively inexpensively with a low thermal conductivity like general mica, so in order to improve the thermal conductivity of the mortar, powder type sericite was used in this work. Compressive strengths of mortar before and after high temperature exposure were compared and evaluated to determine the fire resistance of mortar with powder type sericite. According to the experimental results, it was found that the compressive strength decreased when powder type sericite was replaced with cement, but the decrease in compressive strength with the increasing amount of powder type sericite was insignificant. When powder type sericite was incorporated, the thermal conductivity decreased, and the residual strengths of the mortar specimens which were heat treated at 600℃, 900℃, and 1,200℃ were higher than that of plain mortar. From the comprehensive evaluation of the experimental results, it can be concluded that the powder type sericite has the potential to be used as a refractory material for cement composites.

주제어

표/그림 (8)

그림 Fig. 1. Particle size distribution of powder type sericite
표 Table 1. Chemical compositions of type I ordinary portland cement and sericite(%)
그림 Fig. 2. The 28 day compressive strengths of mortar made of powder type sericite
그림 Fig. 3. Thermal conductivities of mortar made of powder type sericite
그림 Fig. 4. Compressive strengths of mortar made of powder type sericite after exposure to 600ºC
그림 Fig. 5. Compressive strengths of mortar made of powder type sericite after exposure to 900ºC
그림 Fig. 6. Compressive strengths of mortar made of powder type sericite after exposure to 1,200ºC
표 Table 2. Rate of strengh loss compared to that of unheated mortar(%)

AI 본문요약
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문제 정의

2008) 유사한 화학성분 및 구조를 가지는 각종 운모를 내화성능의 향상을 위해 시멘트 복합체용 골재로 활용하기에는 어려움이 있을 것으로 판단된다. 따라서 본 연구에서는 운모를 분말 형태로 시멘트 대체재료 활용하여 시멘트 모르타르의 내화성을 개선하는 방법에 대해 연구하고자 한다.
그러나 1, 200℃ 이상의 고온에 노출되는 경우 콘크리트 구조체의 잔존역학적 성능이 900℃에 노출되는 경우보다도 높아진 이유의 규명에 관하서는 명확한 연구 결과가 존재하지 않는 것으로 보인다. 본 연구에서는 1, 200℃의 고온에서 견운모가 매우 안정적인 알루미노실리케이트 광물상인 뮬라이트(mullite)로 변환된다는 점과 (Lee 1997), 포졸란 반응성 향상을 위한 열처리를 진행하였던 기존 문헌 중 900℃의 온도를 넘어서게 되면 점토질 광물의 재결정화가 진행된다는 기존의 문헌을 근거(Almenares et al. 2017)로 강도 상승의 원인을 유추하였지만, 본 연구에서는 이에 대한 명확한 결론을 내릴 수 있는 수준의 학술적 결과를 근거로 판단을 내린 것은 아니므로, 추후 연구를 통해 이를 명확하게 규명할 필요가 있다는 점을 언급하고자 한다.
본 연구에서는 분말형 견운모를 혼입한 모르타르를 제작하고, 이의 열전도율 및 고온노출 이후의 강도손실률을 평가하여, 분말형 견운모의 내화재료 활용가능성을 밝히고자 하였다. 본 연구에서 진행한 실험 결과에 따르면, 다음과 같은 결론을 얻을 수 있다.
2009). 본 연구에서는 분말형 견운모를 혼입한 모르타르를 제작한 후, 플레인 모르타르와 압축강도를 비교하고, 고온노출시험을 진행한 모르타르의 잔존 압축강도를 측정하여 견운모의 내화성능을 확인하고자 하였다.

제안 방법

모르타르 시편의 타설이 완료된 후, 몰드의 윗면을 플라스틱 시트로 덮어 수분의 증발을 억제한 후, 하루 동안 실험실에 방치하였고, 경화가 완료된 후 탈형된 모르타르 시험체를 21±2°C의 포화수산화칼슘 수용액에 침지시켜 28일 재령이 될 때 까지 양생을 진행하였다. 28일 재령에서의 압축강도의 측정은 전동식 압축강도 시험기(S1 industry Co., Korea, S1-1471D)를 사용하여 진행되었다.
온도상승률은 분당 10℃로 고정하였다. 가열 및 소성 과정이 종료되면, 머플퍼니스의 전원을 내리고, 시험체를 24시간 동안 퍼니스 내부에서 서서히 식힌 뒤 꺼내어 잔존 압축강도를 측정하였다.
견운모의 특성 중 하나인 낮은 열전도율을 증명하기 위해 분말형 견운모를 혼입한 200×200×20mm의 시멘트 모르타르를 별도로 제작하고, 이의 열전도율 시험을 진행하였다. 열전도율 시험은 HC-074 모델(EKO Instruments Co.
or [50mm] Cube Specimens)에 따라 50mm×50mm×50mm의 큐브 시험체를 제작한 후 진행하였다. 모르타르 시편의 타설이 완료된 후, 몰드의 윗면을 플라스틱 시트로 덮어 수분의 증발을 억제한 후, 하루 동안 실험실에 방치하였고, 경화가 완료된 후 탈형된 모르타르 시험체를 21±2°C의 포화수산화칼슘 수용액에 침지시켜 28일 재령이 될 때 까지 양생을 진행하였다. 28일 재령에서의 압축강도의 측정은 전동식 압축강도 시험기(S1 industry Co.
시멘트 모르타르의 배합 시 시멘트:잔골재 중량비는 1:3, 물결합재비는 0.5로 고정시킨 후, 분말형 견운모의 치환율을 시멘트 중량대비 0, 10, 20, 30, 및 40%로 치환하여 모르타르 시험체를 제작하였다. 배합과정은 ASTM C 305 Standard Practice for Mechanical Mixing of Hydraulic Cement Pastes and Mortars of Plastic Consistency에 준하여 진행하였으며, 표준사를 먼저 표건 상태로 만든 후, 시멘트와 배합수를 넣고 모르타르 배합을 진행하였다.
시험체의 가열은 머플퍼니스 Sk-MK(SH scientific, Republic of Korea)를 활용하였으며, 가열온도는 600℃, 900℃, 1, 200℃, 소성시간은 목표온도 도달 후 1시간 및 2시간으로 설정하였고, 목표 온도까지 온도상승률은 분당 10℃로 고정하였다. 가열 및 소성 과정이 종료되면, 머플퍼니스의 전원을 내리고, 시험체를 24시간 동안 퍼니스 내부에서 서서히 식힌 뒤 꺼내어 잔존 압축강도를 측정하였다.
후 진행하였다. 압축강도 측정용 시험체와 동일한 방법으로 28일간 양생된 모르타르 시편을 105℃에서 24시간 건조시킨 후, 건조기에서 꺼내어 공기 중에 24시간 식힌 후 내화 시험을 진행하였다. 이는 수중양생 후 갓 꺼낸 시험체에는 수분 함유량이 많아, 수분의 급격한 증발 및 기화로 인해 모르타르 시험체에 가해지는 충격을 없애기 위함이다.
진행하였다. 양생이 완료된 시험체는 열전도율 시험에서의 오차를 줄이기 위하여 105℃ 온도에서 중량의 변화가 없을 때 까지 24시간 건조시킨후, ASTM C 518 Standard Test Method for Steady-State Thermal Transmission Properties by Means of the Heat Flow Meter Apparatus의 규준에 준해 온도는 (22±1)℃, 습도는 R.H. (45±2)%의 환경에서 열전도율을 측정하였다.
, Japan)을 사용하였으며, 이는 열흐름 센서(Heatflux Sensor)방식을 활용하는 장비이다. 제작된 시험체는 강도 시험용 시험체와 동일한 배합을 가지되, 분말형 견운모의 혼입량 0, 20%, 40%의 시편에 대해서만 측정을 진행하였다.

대상 데이터

내화성능 시험은 50mm×50mm×50mm의 큐브 시험체를 제작한 후 진행하였다. 압축강도 측정용 시험체와 동일한 방법으로 28일간 양생된 모르타르 시편을 105℃에서 24시간 건조시킨 후, 건조기에서 꺼내어 공기 중에 24시간 식힌 후 내화 시험을 진행하였다.
본 연구에서는 국내 S사의 1종 보통 포틀랜드 시멘트 및 한국 수맥평가원에서 구입한 3, 000 mesh 분말형 견운모를 사용하였다. 잔골재는 KS L 5109 규격에 따른 표준모래를 사용하였다.
본 연구에서는 다양한 형태의 운모 중 폐기물 재활용 차원에서 비교적 저렴하게 구하기 쉽고 화학, 광물 분야에서 연구가 활발하게 이루어지고 있는 견운모(Sericite)를 선정하였다. 견운모란 운모의 한 종류로 열수작용으로 형성된 점토모양의 미세한 백운모를 지칭하며, 화학성분은 백운모와 유사하나 칼륨이 적고 수분은 다소 많은 것으로 알려져 있다.

이론/모형

5로 고정시킨 후, 분말형 견운모의 치환율을 시멘트 중량대비 0, 10, 20, 30, 및 40%로 치환하여 모르타르 시험체를 제작하였다. 배합과정은 ASTM C 305 Standard Practice for Mechanical Mixing of Hydraulic Cement Pastes and Mortars of Plastic Consistency에 준하여 진행하였으며, 표준사를 먼저 표건 상태로 만든 후, 시멘트와 배합수를 넣고 모르타르 배합을 진행하였다.
분말형 견운모의 입도분포는 Laser Diffraction 입도분석기 LS 13320 모델(Beckman Coulter, USA)를 이용해 측정하였으며, 관련 데이터는 Fig. 1에 나타내었다. 평균입도 13.
잔골재는 KS L 5109 규격에 따른 표준모래를 사용하였다. 시멘트 및 분말형 견운모의 화학성분은 X-선 형광분석기 XRF-1800 모델 (Shimadzu, Japan)을 이용하여 측정하였으며, 이를 Table 1에 나타내었다.
압축강도 시험은 ASTM C 109 Standard Test Method for Compressive Strength of Hydraulic Cement Mortars(Using 2-in. or [50mm] Cube Specimens)에 따라 50mm×50mm×50mm의 큐브 시험체를 제작한 후 진행하였다. 모르타르 시편의 타설이 완료된 후, 몰드의 윗면을 플라스틱 시트로 덮어 수분의 증발을 억제한 후, 하루 동안 실험실에 방치하였고, 경화가 완료된 후 탈형된 모르타르 시험체를 21±2°C의 포화수산화칼슘 수용액에 침지시켜 28일 재령이 될 때 까지 양생을 진행하였다.
사용하였다. 잔골재는 KS L 5109 규격에 따른 표준모래를 사용하였다. 시멘트 및 분말형 견운모의 화학성분은 X-선 형광분석기 XRF-1800 모델 (Shimadzu, Japan)을 이용하여 측정하였으며, 이를 Table 1에 나타내었다.

성능/효과

1) 분말형 견운모를 치환하는 경우 압축강도는 감소하였다. 10% 의 견운모를 치환하는 경우 플레인 모르타르 대비 10.
10% 의 견운모를 치환하는 경우 플레인 모르타르 대비 10.2%의 강도감소가 발생하였으며, 20% 치환시 13.2%, 30% 치환시 13.4%, 40% 치환시 12.9%로 분말형 견운모의 치환률이 증가하여도 압축강도의 감소는 두드러지지 않았다.
2) 분말형 견운모를 치환하면 모르타르의 열전도율을 저하시키는 것으로 나타났다. 특히 40% 치환 시 열전도율의 하락 폭이 플레인 모르타르 대비 7.
3) 고온노출 이후의 잔존강도를 평가하였을 때, 분말형 견운모가 치환되는 경우 플레인 모르타르에 비해 높은 강도를 보이는 것으로 나타났다. 또한 대부분의 경우 분말형 견운모 의치환율이 30%를 넘어서는 경우 잔존강도가 더욱 높은 것으로 나타났다.
4) 분말형 견운모를 혼입하였을 때 플레인 모르타르에 비해 압축 강도 저하가 미미하고, 고온노출 시험 결과 플레인 모르타르에 비해 가열 전, 후 강도 변화가 적은 것으로 보아 견운모의 내화재료로서의 사용 가능성이 충분하다고 판단된다.
24MPa의 잔존 압축강도를 나타내는 것을 알 수 있다. 고온노출시험 이전의 분말형 견운모 혼입 모르타르의 강도가 플레인 모르타르에 비해 낮은데도 불구하고, 고온노출 이후에 오히려 높은 강도값을 보인다는 점을 고려하면, 분말형 견운모를 혼입하는 것이 모르타르의 내화성능을 향상시킬 수 있을 것으로 판단된다.
노출시간에 따른 압축강도 감소율의 현저한 차이는 분말형 견운모의 혼입에 의한 열전도율의 감소와 직접적인 연관이 있는 것으로 보이며, Fig. 3의 열전도율 데이터와도 상당한 연관성을 가지는 것으로 판단된다. 600℃에 1시간 소성시 압축강도의 상승 현상이 소성시간을 2시간으로 늘리게 되면 사라지는 것을 고려하면, 분말형 견운모에 의해 모르타르의 열전도율이 저하되어, 1시간 소성 만으로는 시편 중심부까지 고온 노출에 의한 열화를 진행시킬 정도의 온도에 도달하지 못하였을 것으로 판단하는 것이 가장 개연성 있는 해석으로 보이지만, 이에 대한 명확한 이유는 확인할 수 없었다.
본 연구에서 얻은 실험 결과에 따르면, 분말형 견운모를 혼입한 모르타르는 낮은 열전도율을 가지며, 이로 인해 화재 시 고온에 노출되었을 때 강도 하락 속도를 늦추어 줄 수 있을 것으로 판단된다. 고온에 노출되지 않은 플레인 모르타르의 28일 압축강도 (28.
40MPa로 감소하는 것으로 나타났다. 분말형 견운모를 치환한 모르타르 시험체의 경우에는, 10% 및 20% 치환 시에는 압축강도가 600℃ 소성시간에 비례하여 감소하는 것으로 나타났으나, 30% 및 40% 치환시에는 동일하게 600℃에 1시간 소성시 압축강도가 오히려 증가하였다가 2시간 소성되면 압축강도가 감소하는 것을 확인할 수 있었다. 2시간 소성 이후의 압축강도는 고온노출을 겪지 않은 시험체의 압축 강도보다는 낮게 나타났다.
분말형 견운모를 혼입한 모르타르는 치환율 10%에서 7.24MPa (1 시간) 및 5.52MPa(2시간), 20%에서 7.28MPa(1시간) 및 5.20MPa(2 시간), 30%에서 5.96MPa(1시간) 및 4.44MPa(2시간), 40%에서 5.52MPa(1시간) 및 4.24MPa의 잔존 압축강도를 나타내는 것을 알 수 있다. 고온노출시험 이전의 분말형 견운모 혼입 모르타르의 강도가 플레인 모르타르에 비해 낮은데도 불구하고, 고온노출 이후에 오히려 높은 강도값을 보인다는 점을 고려하면, 분말형 견운모를 혼입하는 것이 모르타르의 내화성능을 향상시킬 수 있을 것으로 판단된다.
분말형 견운모의 혼입률이 10%를 넘어서게 되면, 압축강도는 각각 24.54MPa(20%), 24.48MPa(30%), 24.62MPa(40%)로 치환율 증가에 의한 강도 감소는 거의 발생하지 않는 것으로 나타났다. 일반적으로 강도에 악영향을 끼치는 재료를 혼입하는 경우, 혼입률의 상승에 의해 강도의 비율적으로 강도의 하락이 발생하는데, 분말형 견운모의 경우 그렇지 않은 경향을 보이는 것으로 나타났다.
것으로 나타났다. 특히 40% 치환 시 열전도율의 하락 폭이 플레인 모르타르 대비 7.78%로 가장 크게 나타났다.
1에 나타내었다. 평균입도 13.56μm, 중간입도 6.69μm로 일반적인 시멘트 입자의 평균값인 15∼17μm에 비해 낮은 것으로 나타났다.
5609W/mK로 나타나, 분말형 견운모의 혼입량이 증가할수록 열전도율은 감소하는 것으로 나타났다. 플레인 모르타르와 분말형 견운모 치환율 20% 모르타르 사이의 열전도율 값에는 큰 차이는 없으나(1.02% 감소), 치환율 40% 모르타르의 경우 열전도율이 7.78% 감소하는 것을 볼 때, 견운모 치환을 통한 열전도율 감소 효과를 얻기 위해서는 20% 이상을 혼입해야 할 것으로 판단된다.
3은 분말형 견운모 혼입 모르타르의 열전도율 데이터를 나타낸 것이다. 플레인 모르타르의 열전도율은 0.6082W/mK로 측정되었고, 20%의 분말형 견운모를 치환하는 경우 0.6020 W/mK, 40%로 증가시키는 경우 0.5609W/mK로 나타나, 분말형 견운모의 혼입량이 증가할수록 열전도율은 감소하는 것으로 나타났다. 플레인 모르타르와 분말형 견운모 치환율 20% 모르타르 사이의 열전도율 값에는 큰 차이는 없으나(1.

참고문헌 (12)

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Yun, S.K. (2012). Experimental Study on the Fireproof and Physical Characteristics of Mortar using Mica, Graduate School of Industry and Engineering, Master's Thesis, Seoul National University of Science and Technology [in Korean].

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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