KR100921406B1 - 내화성 고강도 콘크리트 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따르는 내화성 고강도 콘크리트가 개시된다.

상기 내화성 고강도 콘크리트는 시멘트, 모래, 자갈, 물, 혼화재료 및 유기섬유를 포함하는 내화성 고강도 콘크리트에 있어서, 상기 유기섬유는 융해점이 높은 섬유와 융해점이 낮은 섬유로 구성되고, 상기 융해점이 낮은 섬유는 융해점이 높은 섬유의 단면적의 1 내지 144배이고, 그 체적비가 0.5 내지 576배인 것을 특징으로 하는데, 이에 의할 때 융해점이 낮은 섬유가 내화성 고강도 콘크리트 내에서 먼저 융해되어 수증기의 통로를 형성하고, 화재가 더 진행됨에 따라 온도 상승으로 융해점이 높은 섬유가 융해되어 잔존하는 수증기의 배출통로를 형성하게 되어 소량의 섬유를 콘크리트에 사용하여도 우수한 폭렬 방지 효과를 가지게 된다.

내화성, 고강도, 콘크리트

Description

내화성 고강도 콘크리트{Fire-resistant concrete with high impact property}

본 발명은 내화성 고강도 콘크리트에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 유기섬유를 소량으로 콘크리트에 혼입함으로써, 콘크리트 배합의 불편함과 원가 상승을 방지하면서도, 화재시 폭렬을 효과적으로 방지할 수 있는 내화성 고강도 콘크리트에 관한 것이다.

통상 콘크리트와 같은 시멘트재가 터널, 지하 구조물 시공에 사용되는 경우에 높은 인성이 요구되는데, 현재 강 섬유(steel fiber)가 보강된 콘크리트가 큰 인성을 가지고 있어 많이 이용되는 실정이다. 그러나, 상기 강 섬유 보강 콘크리트는 내구 성능 저하에 큰 원인이 되는 미세 균열의 억제에는 만족할만한 성능을 발휘하지 못하고 있다.

또한, 초기에 미세 균열은 구조 성능에 큰 영향을 미치지 않지만 투수성(透水性)을 증가시켜 강 섬유의 부식을 유발하고, 동결과 융해 과정이 반복될 때 구조의 파괴를 촉진시키는 원인이 되기도 한다.

아울러, 화재 발생시 이로 인한 피해를 최소화할 수 있도록 일정한 내화성능 을 갖춘 시멘트재가 필요한 실정인바, 이를 해결하려는 시도가 일고 있다.

예를 들어, 국제 공개특허 WO99/28267호는 금속 섬유를 함유한 초고성능 콘크리트가 그 예이다. 그러나, 금속 섬유는 구조 성능 향상에 효과를 발휘하지만 높은 전기 전도성 등으로 인해 내화 성능에 악영향을 미쳐 화재 발생시 폭렬 현상을 유발하는 문제점이 있었다.

또한, 국내에도 공개특허 제2006-0086110호에서 강 섬유들 및 상기 강 섬유들과 길이와 직경 중 적어도 하나가 상이한 유기 섬유들을 포함하며, 최대 100MPa의 압축 강도와 최대 10MPa의 휨 강도를 가지는 시멘트재를 개시하고 있으나, 이는 시멘트재의 휨강도, 휨인성에는 효과를 나타내나 고가의 비용이 발생하는 문제가 있었다.

본 발명은 화재발생시 건축물의 폭렬을 방지하고 제조원가가 저렴한 내화성 고강도 콘크리트를 제공하는 것인데, 이에 의할 때 상대적으로 융해점이 낮은 섬유가 내화성 고강도 콘크리트내에서 먼저 융해되어 수증기의 통로를 형성하고, 화재가 더 진행됨에 따라 온도 상승으로 융해점이 높은 섬유가 융해되어 잔존하는 수증기의 배출통로를 형성하게 되어 소량의 섬유를 콘크리트에 사용하여도 우수한 폭렬 방지 효과를 가지게 된다.

본 발명은 상술한 기술적 과제를 해결하기 위하여, 시멘트, 모래, 자갈, 물, 혼화재료 및 유기섬유를 포함하는 내화성 고강도 콘크리트에 있어서, 상기 유기섬유는 융해점이 높은 섬유와 융해점이 낮은 섬유로 구성되고, 상기 융해점이 낮은 섬유는 융해점이 높은 섬유의 단면적의 1 내지 144배이고, 그 체적비가 0.5 내지 576배인 것을 특징으로 하는 내화성 고강도 콘크리트를 제공한다.

본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 융해점이 낮은 섬유는 폴리프로필렌 섬유이고, 융해점이 높은 섬유는 나일론 섬유일 수 있다.

본 발명의 다른 실시예에 의하면, 상기 폴리프로필렌 섬유는 그 직경이 20 내지 60㎛이고 그 길이가 10 내지 20 ㎜이며, 상기 나일론 섬유는 그 직경이 5 내지 20 ㎛이고, 그 길이가 5 내지 20㎜일 수 있다.

본 발명의 또 다른 실시예에 의하면, 상기 유기섬유의 사용량은 상기 내화성 고강도 콘크리트 전체에 대하여 0.03 내지 0.2 부피%일 수 있다.

본 발명의 또 다른 실시예에 의하면, 상기 폴리프로필렌 섬유와 나일론 섬유가 사용되는 부피의 비율은 1:9 내지 9:1일 수 있다.

본 발명에 따르는 내화성 고강도 콘크리트는 화재발생시 상대적으로 융해점이 낮은 섬유가 내화성 고강도 콘크리트내에서 먼저 융해되어 수증기의 통로를 형성하고, 화재가 더 진행됨에 따라 온도 상승으로 융해점이 높은 섬유가 융해되어 잔존하는 수증기의 배출통로를 형성하게 되어 소량의 섬유를 콘크리트에 사용하여도 우수한 폭렬 방지 효과를 가지기 때문에 재료비 절감에 따른 경제성이 뛰어나고, 최종 콘크리트의 유동성을 확보하여 시공성이 좋아지는 이점이 있다.

이하에서 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다.

초고층의 건축물에서 화재가 발생되면 그 주성분인 콘크리트의 내부 조직이 매우 치밀하기 때문에 화재시 내부에서 발생된 수증기가 방출되기 어려우며, 이때, 콘크리트 내부 조직에 갇힌 수증기의 압력이 어느 한계점을 넘어가면 콘크리트가 폭발적으로 파괴되고 비산하는 현상이 발생된다.

이를 해결하는 원리로는 상기 콘크리트 내부의 수증기를 유기섬유가 용해된 콘 통로를 통해 빠르게 외부로 배출시키고, 또한, 순차적으로 유기섬유가 용해된 작은 통로를 통해 콘크리트 세부조직까지도 완벽하게 수증기를 외부로 배출시키는 원리로서 화재에 의한 콘크리트의 폭렬을 방지하게 된다.

본원발명에 따르는 내화성 고강도 콘크리트는 시멘트, 모래, 자갈, 물, 혼화재료 및 유기섬유를 포함하는 내화성 고강도 콘크리트에 있어서, 상기 유기섬유는 융해점이 높은 섬유와 융해점이 낮은 섬유로 구성되고, 상기 융해점이 낮은 섬유는 융해점이 높은 섬유의 단면적의 1 내지 144배이고, 그 체적비가 0.5 내지 576배인 특징이 있다.

여기서 상기 혼화재료는 플라이애쉬, 고로슬래그미분말, 실리카흄을 포함하는 것으로, 환경친화적이고 초고층 고강도 건축물에 사용되는 재료를 의미한다.

또한, 상기 유기섬유는 그 융해점이 높은 섬유와 융해점이 낮은 섬유로 구성하게 되는데, 건축물에서 화재가 발생하는 경우에 상기 콘크리트 내부의 온도가 상승되어 먼저 융해점이 낮은 섬유가 융해(melting)되면서 공극이 발생되고 이를 통하여 수증기가 외부로 방출하게 된다.

또한, 화재가 진행되면서 콘크리트 내부의 온도는 지속적으로 상승하게 되어 융해점이 높은 섬유도 역시 순차적으로 융해되면서 미세조직까지 수증기가 방출될 수 있는 통로를 형성하게 된다.

여기서 융해점이 낮은 섬유로 폴리프로필렌 섬유를 사용할 수 있는데, 이러한 폴리프로필렌 섬유는 그 밀도가 0.91g/㎤, 융해점이 160℃, 인장강도가 560㎫인 특징을 가진다.

아울러, 상술한 융해점이 높은 섬유로는 나일론 섬유를 이용할 수 있으며, 상기 나일론 섬유는 그 밀도가 1.15g/㎤, 융해점이 220℃, 인장강도가 918㎫인 특징이 있다.

한편, 상기 폴리프로필렌 섬유는 나일론 섬유에 비하여 단면적의 1 내지 144배이고, 그 체적비가 0.5 내지 576배인 것을 특징으로 하는데, 만일 상기 단면적이나 체적비가 하한치 미만이면, 실제 초고강도 콘크리트 구조물에서 화재가 발생할 시에는 콘크리트 내부의 온도가 상승함에 따라 융해점이 낮은 섬유가 녹아서(melting) 그 점유공간을 수증기가 원활하게 통기될 수 있는 공간으로 제공하지 못하는 문제가 생길 수 있고, 반대로 상한치를 초과하면 화재에 의한 온도상승시에 수증기를 통기하는데에는 유리할 수 있으나, 유동성 저하에 의한 품질저하, 압송펌프의 폐색현상에 의한 공사지연 등의 문제가 발생되어 초고층건물을 시공하는데 어려움이 생길 수 있다.

또한, 상기 폴리프로필렌 섬유는 그 직경이 20 내지 60㎛이고 그 길이가 10 내지 20 ㎜이며, 상기 나일론 섬유는 그 직경이 5 내지 20 ㎛이고, 그 길이가 5 내지 20㎜일 수 있는데, 만일, 상기 폴리프로필렌 섬유의 직경이나 길이 또는 나일론 섬유의 직경이나 길이가 하한치 미만이면, 실제 초고강도 콘크리트 구조물에서 화재가 발생할 시에는 콘크리트 내부의 온도가 상승함에 따라 융해점이 낮은 섬유가 녹아서(melting) 그 점유공간을 수증기가 원활하게 통기될 수 있는 공간으로 제공하지 못하는 문제가 생길 수 있고, 반대로 상한치를 초과하면 화재에 의한 온도상승시에 수증기를 통기하는데에는 유리할 수 있으나, 유동성 저하에 의한 품질저하, 압송펌프의 폐색현상에 의한 공사지연 등 문제가 발생되어 초고층건물을 시공하는데 어려움이 생길 수 있다.

아울러, 상기 유기섬유의 사용량은 상기 내화성 고강도 콘크리트 전체에 대 하여 0.03 내지 0.2 부피%일 수 있는데, 만일 0.03 부피% 미만으로 상기 유기섬유가 사용되면, 폭렬 방지의 효과가 미미할 수 있으며, 반대로 0.2 부피%를 초과하면 앞서 설명한 바와 같이 시공에 어려움이 생길 수 있다.

한편, 상기 폴리프로필렌 섬유와 나일론 섬유가 사용되는 부피의 비율은 1:9 내지 9:1일 수 있는데, 만일 1:9 미만이면, 원자재 비용 증가의 부담이 생길 수 있으며, 반대로 9:1을 초과하면, 나일론 섬유의 혼입에 의한 효과가 미미하게 되어 동일한 내화성을 확보하기 위한 복합 섬유 함유량을 올려야 하는 문제가 생길 수 있다.

실시예 1

시멘트 448 kg/m³ , 플라이애쉬 128kg/m³, 실리카흄 64 kg/m³, 고로슬래그미분말 128kg/m³, 모래 660kg/m³, 자갈 810kg/m³를 준비하여 융해점이 낮은 섬유로 그 밀도가 0.91g/㎤, 융해점이 160℃, 인장강도가 560㎫인 폴리프로필렌 섬유와 융해점이 높은 섬유로 그 밀도가 1.15g/㎤, 융해점이 220℃, 인장강도가 918㎫인 나일론 섬유를 상기 폴리프로필렌과 나일론 섬유의 단면적비가 11배, 그 체적비가 21배되도록 하여 내화성 고강도 콘크리트 전체에 대하여 0.05부피%를 혼합하여 내화성 고강도 콘크리트를 제조하였다.

실시예 2

실시예 1에서 상기 폴리프로필렌 섬유와 나일론 섬유를 0.075부피%를 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 내화성 고강도 콘크리트를 제조하였다.

실험예

국토해양부 고시 "고강도 콘크리트의 기둥, 보의 내화성능 관리기준"에 따라 도 1과 같이, 내부에 열전대를 구비한 내화성 고강도 콘크리트 구조체를 준비하였으며, KS F 2257-1에서 규정한 표준가열곡선(도 2 참조)에 근거하여 가열하였다.

실시예 1에 기한 내화성 고강도 콘크리트의 온도이력곡선은 도 3에 나타내었다. 도 3은 본 발명에 따르는 내화성 고강도 콘크리트의 온도이력곡선인데, 이에 따르면 내화인증 규정의 평균온도인 538℃보다 낮은 곡선을 그리고 있음을 알 수 있어 실제로 화재발생시 우려되는 폭렬현상을 방지할 수 있음이 예측된다.

또한, 실시예 2에 의한 내화성 고강도 콘크리트의 온도이력곡선을 도 4에 나타내었는데, 이에 의할 때 실시예 1과 마찬가지로 화재에 의한 폭렬방지에 우수한 효과가 있음을 확인할 수 있다.

아울러, 도 5 및 6은 각각 실시예 1과 2에 의한 내화성 고강도 콘크리트 구조체를 표준가열곡선에 의하여 가열한 후에 그 전후좌우 외부면을 촬영한 사진이다. 이에 의할 때, 전체적으로 양호한 외관을 가지며 따라서, 폭렬방지에 우수한 효과가 있음을 용이하게 예상할 수 있다.

마지막으로, 도 7은 본 발명에 따르는 실시예 1과 2에 대한 실험성적서인데, 이를 참조하여 보면 본 발명에 따르는 내화성 고강도 콘크리트의 내열성이 우수함을 알 수 있다.

도 1은 본 발명에 따르는 내화성 고강도 콘크리트를 이용한 기둥의 단면도이다.

도 2는 표준규격(KS F 2257-1)에 의한 표준가열곡선이다.

도 3은 본 발명에 따르는 실시예 1에 의한 온도이력곡선이다.

도 4는 본 발명에 따르는 실시예 1에 의한 온도이력곡선이다.

도 5는 실시예 1에 의한 내화성 고강도 콘크리트 구조체의 내화실험후의 전후좌우 외부면을 촬영한 사진이다.

도 6은 실시예 2에 의한 내화성 고강도 콘크리트 구조체의 내화실험후의 전후좌우 외부면을 촬영한 사진이다.

도 7은 본 발명에 따르는 실시예 1과 2에 대한 실험성적서이다.

Claims (5)

1. 삭제
2. 시멘트, 모래, 자갈, 물, 혼화재료 및 유기섬유를 포함하는 내화성 고강도 콘크리트에 있어서, 상기 유기섬유는 융해점이 높은 섬유와 융해점이 낮은 섬유로 구성되고, 상기 융해점이 낮은 섬유는 융해점이 높은 섬유의 단면적의 1 내지 144배이고, 그 체적비가 0.5 내지 576배인 것을 특징으로 하는데,

   상기 융해점이 낮은 섬유는 폴리프로필렌 섬유이고, 융해점이 높은 섬유는 나일론 섬유이고, 상기 폴리프로필렌 섬유와 나일론 섬유가 사용되는 부피의 비율은 1:9 내지 9:1인 것인 것을 특징으로 하는 내화성 고강도 콘크리트.
3. 제 2 항에 있어서,

   상기 폴리프로필렌 섬유는 그 직경이 20 내지 60㎛이고 그 길이가 10 내지 20 ㎜이며, 상기 나일론 섬유는 그 직경이 5 내지 20 ㎛이고, 그 길이가 5 내지 20㎜인 것을 특징으로 하는 내화성 고강도 콘크리트.
4. 제 2 항에 있어서,

   상기 유기섬유의 사용량은 상기 내화성 고강도 콘크리트 전체에 대하여 0.03 내지 0.2 부피%인 것을 특징으로 하는 내화성 고강도 콘크리트.
5. 삭제

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