본 연구에서 사용한 실리콘 화합물은 이액형 상온경화형 실리콘으로 Part A인 Methylhydrosilane과 Part B인 Hydro-silane으로 구성되며, 이를 각각 1:1로 혼합하여 경화시킨다. Part A와 Part B는 각각 주재와 경화재 이며, 이 둘을 혼합하였을 때 일어나는 가교반응으로 인해 경화되어진다.

실리콘 화합물 베이스에 난연성능을 향상시키기 위해서 첨가하는 난연제로는 무기계 난연제인 ATH(Al(OH)₃)와 MDH(Mg(OH)₂), 질소계 난연제인 MC(Melamine Cyanurate)를 사용하였다.

본 연구에서 적용한 난연제는 무기계 난연제로써 순도 99.8% 이상, 평균입자경이 8 μm인 ATH(수산화 알루미늄)과 순도 97% 이상, 평균입자경 0.9~1.0 μm인 MDH(수산화 마그네슘), 비중이 0.1~0.3 g/cm³, 평균입자경 5 μm인 MC(멜라민 시아누레이트)를 사용하였다.

ATH는 저독성, 저발연성, 우수한 절연성을 갖춘 대표적인 무기계의 난연제로써 흡열분해에 의해 물을 생성하여 난연효과를 얻고, 생성수에 의한 냉각작용에 의해 연소를 방지한다(Han et al., 1999).

MDH의 경우 연기 발생이 적고, 부식성이 낮으며, 높은 온도 안전성을 가진다(Kim et al., 2002). 난연효과를 얻는 방법은 흡열분해에 의한 것으로 ATH와 같다. Fig. 1에 ATH와 MDH의 난연 메커니즘에 대하여 나타내었다.

MC의 경우 열안정성이 우수하며 독성이 없고, 열적, 화학적으로 안정적이라는 특성을 가지고 있으며, 열이 가해지면흡열반응으로 멜라민이 분해되면서 멜라민과 인산이 각각 응축되어 난연작용을 한다. Fig. 2는 멜라민 시아누레이트의 구조이다.

내화보드는 실리콘 화합물과 난연제를 각각 Table 1에 나타낸 중량비대로 혼합하여 제조하였으며, 제조 후 400×100×20 mm몰드에 부어 80°C로 예열된 건조로에 넣고 24~48시간가량 완전히 경화시켰다.

폭렬현상과 같은 화재에 의한 피해를 방지하기 위해서 국내·외에서는 콘크리트 구조물이 갖추어야할 내화성능을 관련법으로 규정하고 있으며, 본 연구에서는 RABT곡선을 기준으로 하여 실험을 진행하였다.

RABT(Richtlinien für die Ausstatung und den Betrieb won Straβentunneln)곡선은 Eureka 499프로젝트의 실험결과를 이용하여 독일에서 개발한 화재곡선이다. RABT 곡선은 5분내에 1200°C에 도달하여 차량의 경우 30분간 지속, 열차의 경우 60분간 지속된 후 110분 동안 Cooling이 진행된다.

내화보드의 내화성능에 대해 확인하기 위한 테스트로써 내화보드를 콘크리트 구조물에 적용했을 때, 내화구조 성능기준에서 규정한 시간까지 주철근의 온도가 평균 538°C, 최고649°C 이하이어야 한다는 국내 규정 만족여부를 예측하기 위한 시험이다.

화염테스트는 시중에서 일반적으로 구할 수 있는 가스토치를 이용하였으며, 가열온도는 국내의 기준인 KS F 2257-1에서 기준으로 사용하고 있는 표준시간-가열온도 곡선에서 제시하는 최고온도인 1100°C를 적용하였으며, 화염테스트 시간은 가장 급격히 온도가 증가하는 0~60분으로 하였다. 시험편 전면부로부터 이격거리 100 mm인 곳에 가스토치를 설치하고 1시간 동안 시험편에 화염을 전파한 후 시험편의 후면 온도변화를 온도계측기를 이용하여 데이터를 획득했다. 이를 통해 구조물에 내화보드를 부착 했을 때 콘크리트에 전달 될 온도가 폭렬 발생 온도범위에 속하는가의 여부 및 주철근에 전달될 온도가 국내 규정에 준하는가의 여부를 판단하였다. Fig. 6는 화염테스트 시험 전 준비과정을 나타낸 것이고, Fig. 7은 화염테스트를 수행과정을 나타내었다.

시험편의 열적 특성을 분석하기 위해 열중량 분석기를 사용하였다. 제작한 시험편을 20~30 mg 채취하여 25~900°C까지 20°C/min의 속도로 질소분위기 하에서 가열하여 시험편의 열분해 개시온도와 온도변화에 따른 중량 감소를 분석하였다. 이를 통해 각 시험편의 열에 대한 안정성을 파악하였다. Fig. 8은 열 중량 분석기기를 나타낸 것이다.

한계산소지수란 연소를 지속시키기 위해 요구되는 산소의 최소 농도로 산소 및 질소 혼합물에서 산소의 부피 퍼센트로 주어진다. 시험 방법은 KS M ISO 4589-2의 방법을 따르며, 과정은 다음과 같다. 제조한 시험편을 한계산소지수 측정기기의 지지대에 고정시켜 수직으로 세운다. 시험편이 세워진 기기에 원형유리관을 덮고 산소와 질소의 농도를 조절한 후 시험편의 상부에 불꽃을 점화 시킨다. 이 후 180초(3분)동안 시험편이 타 들어가는 정도를 확인하였다. 이 때 180초안에 시험편이 상부에서 5 cm이상 타 들어가면 다음 시험편 시험 시산소의 농도를 0.2줄여주고, 5 cm미만으로 타 들어갔다면 다음 시험편 시험 시 산소의 농도를 0.2 높여서 시험을 진행하였다.

탄화로 시험은 시험편을 질손분위기의 고온에서 불완전하게 산화(탈수소)하여 탄소의 형태로 바꾸는 장치이다. 이에 따라 각 함량별로 시편들을 탄화로 장치에 넣고, 2°C/min, 900°C까지 승온 시킨 후 상온에서 냉각한 다음, 시편의 외부변화를 관찰하였다.

내화로 실험은 건물이나 터널 화재시험에 적용되는 RABT(Richtlinien für die Ausstatung und den Betrieb won Straβentunneln) 곡선의 가열조건을 사용하여 실험을 진행하였다. 100×100×400 mm 제원의 무근콘크리트 실험체 2개를 Table 2와 같이 50 MPa 설계배합으로 제작하고, 외측 하나의 면에 내화보드를 부착하였다. 부착된 콘크리트 표면으로부터 철근의 피복두께를 고려하여 내부 5 cm지점에 구멍을 뚫고 온도 측정 센서를 설치하였다. 나머지 실험체는 동일한 방법으로 콘크리트 표면과 내부 3 cm지점, 6 cm지점, 9 cm지점에 온도 측정 센서를 설치하여 내화로 실험 시 콘크리트 실험체 내부에 전달되는 온도의 변화를 측정하였다. Fig. 11은 사용된 내화로 실험 장비를 나타낸 것이다.

기준(고강도 콘크리트 기둥·보의 내화성능 관리기준, 국토해양부 2008)에 의하여 화재 발생 시 주철근의 온도가 평균 538°C, 최고 649°C이하여야 하며, 고강도 콘크리트의 경우 250°C~350°C에서 폭렬현상이 일어남을 고려하여 Flame Test를 수행한 결과는 Fig. 12와 같다.

제조한 시험편을 각각 20~30 mg을 채취하여 25~900°C까지 20°C/min의 속도로 질소분위기 하에서 가열하여 온도변화에 따른 중량 감소를 분석한 결과는 Fig. 13과 같다.

순수한 실리콘 화합물보다 각각의 난연제가 첨가된 시험편의 열분해가 더 낮은 온도에서 시작하므로 열적 안정성이 순수한 실리콘보다 작을 것이나, 이는 각 난연제의 흡열 반응에 의한 분해 반응에 의한 것으로써 실리콘 보다 난연제가 먼저 이에 필요한 열을 흡수하여 열 분해를 시작하기 때문이다. 표면적으로 봤을 때는 열적안정성이 낮다고 판단할 수 있으나 이로 인해 실리콘의 분해가 늦춰짐을 고려하면 내화성능은 향상됨을 알 수 있었다. 최종 잔류량은 유기물질인 MC를 제외하고는 70%이상의 잔류량을 보여 화재 발생 시 보드의 중량감소로 인한 내화성능에 대한 문제는 없을 것이라고 판단되었다. MC를 제외한 ATH와 MDH 난연제에서는 각각 중량비 35 wt%가 혼입된 시편에서 가장 우수한 성질을 확인하였다. 이를 통해 효과적인 내화성능을 위한 배합 및 제조는 특정 중량비의 난연제 혼입을 통해 가능한 것을 확인하였다.

LOI시험을 통하여 얻은 산소지수의 값이 30 이상이 되면 난연성을 지닌다고 판단한다. 실험의 결과는 Fig. 14와 같다.

순수한 실리콘의 경우, 36에서 난연 성능의 효과를 확인하였으며, ATH, MDH, MC를 첨가하는 경우 모든 시험편에서 30이상의 산소지수를 얻었다. 이 값들은 모두 순수한 실리콘보다 높은 수치였으며, 각각의 난연제를 확인한 결과 난연제의 함량이 증가할수록 더 높은 산소지수를 얻음을 확인하였다. 특히 ATH의 경우 각 동일 중량비에 대한 값을 다른 난연제와 비교했을 때, 가장 높았으며 40 wt% 혼입 시 산소지수가 약 61로 전체 시험 값 중 가장 높은 값을 나타내어 연소에 대한 저항성, 난연성을 확인할 수 있었다.

총 세 가지의 실리콘과 난연제의 복합체를 제조하였는데 화염테스트와 열 특성 분석, 한계산소지수 시험을 진행 한 결과 ATH 30 wt%, 35 wt%를 첨가한 복합체가 다른 난연제를 첨가한 복합체보다 좋은 결과를 나타내어 탄화로 시험은 ATH만을 첨가한 복합체만 진행하였다.

Fig. 15에서 순수한 실리콘 고무의 경우 탄화가 진행되는 동안 열에 의해 시편내의 사슬 결합들이 깨지면서 본래의 형상을 잃어버리는 현상을 나타내었다. 실리콘/ATH 복합체는 탄화가 진행되는 동안 실리콘 화합물의 부피가 수축되는 형상을 보였고, ATH는 실리콘 화합물의 내부 및 외부에서 실리콘 화합물로 이동하는 열을 흡수하여 복합체들의 초기 형상을 유지시키는 것으로 판단된다. 또한 Fig, 16의 탄화 후 시편들의 무게 감소율을 보면 ATH의 함량이 증가할수록 무게 감소율이 증가되는 것을 알 수 있다.

내화로 실험은 기존 터널 및 건물 화재의 경우에 적용하는 RABT curve 가열 조건에 따라 실험을 진행하였다. Fig. 17은 내화로 실험결과를 RABT curve와 비교하여 나타낸 것이다.

Fig. 17에서 보듯이 실험시작 후 약 2시간 30분경과 후 RABT곡선보다 높은 온도를 나타내었는데 이것은 내화보드가 콘크리트시편에서 떨어져서 나타난 것으로 판단된다. 두 가지 그래프를 하나로 합치므로 내화보드가 콘크리트 내부의3 cm지점 이상 5 cm지점까지도 영향을 미치는 것을 확인 할 수 있었고, 내부 6 cm지점보다 내화보드의 영향을 더 많이 받고 있는 것을 알 수 있었다.

Fig. 18은 지점별 온도곡선 중 온도의 급격한 변화가 일어난 시간에서의 온도 그래프를 나타낸 것이다. 표면에서의 온도곡선 중 온도의 급격한 변화가 일어나는 시간은 77분 이였고, 표면에서 내부 5 cm지점까지는 내화보드의 영향을 받는 것을 알 수 있었다. 콘크리트 표면에서 멀어질수록 내화보드의 영향을 받지 못해 내부 5 cm지점과 내부 9 cm지점은 약 2.2배의 온도 차이가 나는 것을 확인 할 수 있었다. 내부 3 cm에서의 온도곡선 중 온도의 급격한 변화가 일어난 시간은 98분 이였고, 내부 5 cm지점과 내부 9 cm지점은 약 1.5배의 온도 차이가 나는 것을 확인 할 수 있었다. 내부 5 cm에서의 온도곡선 중 온도의 급격한 변화가 일어난 시간은 117분 이였고, 내부 5 cm지점과 내부 9 cm지점은 약 1.3배의 온도 차이가 나는 것을 확인할 수 있었다. 내부 6 cm에서의 온도곡선 중 온도의 급격한 변화가 일어난 시간은 90분 이였고, 내부 5 cm지점과 내부 9 cm지점은 약 1.7배의 온도 차이가 나는 것을 확인 할 수 있었다. 내부 9 cm에서의 온도곡선 중 온도의 급격한 변화가 일어난 시간은 75분 이였고, 내부 5 cm지점과 내부 9 cm지점은 약 2.4배의 온도 차이가 나는 것을 확인했다.

Fig. 19의 상단부 그림은 온도곡선이 RABT곡선과 만났을 때의 지점별 시간을 나타낸 그래프이다. 내화보드가 콘크리트시편과 떨어지면서 시간이 지나면서도 온도가 높게 나타난 것으로 보인다. 표면에서 내부 5 cm지점까지는 내화보드의 영향으로 온도가 서서히 올라가 RABT곡선과 만나는데 시간이 오래 걸리는 것을 알 수 있다. 내화보드에서 멀어질수록 RABT곡선과 만나는 시간이 더 짧아지는 것을 확인 할 수 있다. Fig. 19의 하단부 그림은 온도곡선이 RABT곡선과 만났을 때의 지점별 온도를 나타낸 그래프이다. 온도곡선이RABT곡선과 만났을 때의 지점별 시간을 나타낸 그래프와 반대인 것을 알 수 있다. 앞의 그래프에서 확인할 수 있는 것처럼 내화보드의 영향을 받아 표면에서부터 5 cm까지는 온도가 올라가는 시간도 오래 걸리고 다른 지점들 보다 온도가 더 낮다는 것을 확인할 수 있다. 이러한 결과는 고강도 콘크리트부재의 내화성능기준 KS F 2257-1에서 제시하는 비재하 가열실험 시 주철근의 온도가 평균 538°C, 최고 649°C 이하인 것으로 나타났다. 실험에 사용한 RABT 곡선은 초기 5분에 1300°C에 도달하는 극한 화재시나리오임을 고려할 때 이러한 결과는 상대적으로 내화성능을 만족하는 결과로 판단된다. 실험조건에서 두께 10 cm인 실험체의 중앙을 5 cm 구간으로 고려하였을 때, 중앙을 기준으로 내화보드가 있는 표면구간과 내화보드가 없는 6 cm, 9 cm 지점에서의 온도 차이는 Fig. 18에서 보이는 것과 같이 명확하다. 특히 내화보드가 부착된 지점의 콘크리트 표면온도는 최고 576.2°C를 초과하지 않았다. 실험결과로부터 내화보드가 부착된 콘크리트 실험체 내부 3 cm, 5 cm 지점의 최고온도는 각각 529.2°C, 481.9°C로 확인되었고 내화보드를 부착하지 않은 쪽의 9 cm, 6 cm 지점 최고온도는 707.6°C, 563.2°C로 확인되었다. 9 cm지점은 여전히 콘크리트 내부 지점임을 고려한다면 콘크리트 표면의 최고온도는 750°C이상으로 예상된다. ITA(International Tunnelling Association, 2004)의 내화한계온도 380°C 이하를 만족하는 각 지점의 내화시간은 표면구간에서 58분, 3 cm에서 81분, 5 cm에서 88분, 6 cm에서 69분, 9 cm에서 39분으로 나타났다.