폴리프로필렌 섬유의 혼입률 및 부재크기 변화에 따른 고성능 콘크리트의 내화 특성 Properties of rin Resistance of High Performance Concrete with Varying Contents of Polypropylene Fiber and Specimen Size원문보기
최근 건축물은 고층화, 대형화되어짐에 따라 콘크리트도 고강도 및 고성능 콘크리트의 사용이 증가하고 있다. 그러나, 고성능 콘크리트는 보통 콘크리트와는 달리 내부조직이 치밀하기 때문에 화재시 고열을 받으면 부재표면이 박리 및 탈락하는 폭열현상이 발생하는데, 이러한 폭열현상은 구조체의 내화구조상 해결해야할 문제점으로 지적되고 있다. 그러므로, 본 연구에서는 고성능 콘크리트의 내화성능 향상을 목적으로 폴리프로필렌(PP) 섬유의 혼입률 및 부재크기 변화에 따른 콘크리트의 내화특성을 분석한 것으로, 시험결과는 다음과 같다. 내화시험시 PP섬유 혼입률 변화에 따른 폭열특성으로 PP 섬유 무혼입인 경우 W/C 35%는 부재크기에 관계없이 대부분 파괴폭열을 일으킨 반면, W/C 55%는 일부만 파괴 또는 박리폭 열을 보였을 뿐 대부분 폭열이 발생하지 않았고, 또한, PP섬유를 0.07% 이상 혼입한 경우는 대부분 폭열 방지에 우수한 것으로 나타났다. 부재크기 변화에 따른 폭열 특성으로는 부재가 작을수록 폭열이 발생하기 쉬우며, 부재의 우각부가 표면보다 폭열 발생이 용이한 것으로 나타났다. 가열후 잔존 압축 및 인장 강도율은 W/C 35%에서 45~65%, W/C 55%에서는 30~40% 범위로 나타났다.
최근 건축물은 고층화, 대형화되어짐에 따라 콘크리트도 고강도 및 고성능 콘크리트의 사용이 증가하고 있다. 그러나, 고성능 콘크리트는 보통 콘크리트와는 달리 내부조직이 치밀하기 때문에 화재시 고열을 받으면 부재표면이 박리 및 탈락하는 폭열현상이 발생하는데, 이러한 폭열현상은 구조체의 내화구조상 해결해야할 문제점으로 지적되고 있다. 그러므로, 본 연구에서는 고성능 콘크리트의 내화성능 향상을 목적으로 폴리프로필렌(PP) 섬유의 혼입률 및 부재크기 변화에 따른 콘크리트의 내화특성을 분석한 것으로, 시험결과는 다음과 같다. 내화시험시 PP섬유 혼입률 변화에 따른 폭열특성으로 PP 섬유 무혼입인 경우 W/C 35%는 부재크기에 관계없이 대부분 파괴폭열을 일으킨 반면, W/C 55%는 일부만 파괴 또는 박리폭 열을 보였을 뿐 대부분 폭열이 발생하지 않았고, 또한, PP섬유를 0.07% 이상 혼입한 경우는 대부분 폭열 방지에 우수한 것으로 나타났다. 부재크기 변화에 따른 폭열 특성으로는 부재가 작을수록 폭열이 발생하기 쉬우며, 부재의 우각부가 표면보다 폭열 발생이 용이한 것으로 나타났다. 가열후 잔존 압축 및 인장 강도율은 W/C 35%에서 45~65%, W/C 55%에서는 30~40% 범위로 나타났다.
Recently, the application of high strength and high performance concrete has been gradually increased as an important construction material for high rise and huge scaled construction. However, high performance concrete has undesirable characteristics of spalling subjected to high temperature due to ...
Recently, the application of high strength and high performance concrete has been gradually increased as an important construction material for high rise and huge scaled construction. However, high performance concrete has undesirable characteristics of spalling subjected to high temperature due to its dense microstructure content. A spalling by fire brings surface failure and falling off concrete member. It is considered that spalling by fire should be taken into account for the safety of the concrete structure under fire. Therefore, in this paper, tests are carried out using high performance concrete containing polypropylene(PP) fiber in order to improve the fire resistance performance. PP fiber contents and member sizes are varied. According to experimental results, as for the influence of PP fiber contents, all the test specimens without PP fiber show entire failure in W/C of 35％, while they show nearly sound shape except some kinds of surface fracture in W/C of 55％. When PP fiber is contained more than 0.07％, favorable prevention effects of spatting by fire are obtained. As for the effects of test specimens size, it tends to increase the possibilities of spatting by fire as test specimens become larger. And spatting by fire at the edge of test specimens occurs more frequently than at the surface of test specimens. Residual compressive and tensile strength shows 45∼65 ％ of its original strength at W/C of 35％, and 30∼40％ at W/C of 55 ％.
Recently, the application of high strength and high performance concrete has been gradually increased as an important construction material for high rise and huge scaled construction. However, high performance concrete has undesirable characteristics of spalling subjected to high temperature due to its dense microstructure content. A spalling by fire brings surface failure and falling off concrete member. It is considered that spalling by fire should be taken into account for the safety of the concrete structure under fire. Therefore, in this paper, tests are carried out using high performance concrete containing polypropylene(PP) fiber in order to improve the fire resistance performance. PP fiber contents and member sizes are varied. According to experimental results, as for the influence of PP fiber contents, all the test specimens without PP fiber show entire failure in W/C of 35％, while they show nearly sound shape except some kinds of surface fracture in W/C of 55％. When PP fiber is contained more than 0.07％, favorable prevention effects of spatting by fire are obtained. As for the effects of test specimens size, it tends to increase the possibilities of spatting by fire as test specimens become larger. And spatting by fire at the edge of test specimens occurs more frequently than at the surface of test specimens. Residual compressive and tensile strength shows 45∼65 ％ of its original strength at W/C of 35％, and 30∼40％ at W/C of 55 ％.
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문제 정의
그러므로 본 연구에서는 콘크리트의 내화성에 효과적인것으로 알려진 폴리프로필렌(이하 PP라 함) 섬유를 혼입한 고성능 콘크리트4~6)에 대하여 섬유 혼입률 변화 및 부재크기 변화에 따른 가열 전후의 콘크리트 강도 및 폭열특성 등을 검토하므로써, 고성능 RC구조물의 내화성능 향상에 한 참고자료로 제시하고자 한다.
제안 방법
0, 0.C6, 0.07, 0.10 %의 4 수준 WC 55%에서 PP섬유 혼입률을 0과 0.10 %의 2 수준에 대하여 부재크기를 $10x20 cm, $15x30 cm, 20x20><20 cm 및 50x50x150 cm로 변화시켜 실험계획 하였다.
내화시험은 각 부재를 크기별로 나누어 Photo 2와 같이바닥용 내화시험 가열로 내에 수직으로 배치한 후 KS F 2257에서 규정한 표준가열곡선으로 1시간 가열을 실시하는 것으로 하였다. 이때 가열로 내부 및 공시체의 각부온도는 K타입 열전대(NiCr-Ni, 온도측정 범위 -200-1370 ℃)를 사용하여 측정하였으며, 내화시험 후 부재크기별 폭열 여부는 육안으로 조사하였다.
본 연구의 실험방법으로 콘크리트의 혼합은 강제식 팬믹서를 사용하였는데, PP섬유의 혼입은 섬유의 분산이 잘되도록 건비빔시 손으로 골고루 뿌려준 후 혼합을 실시하는 것으로 하였다.
부재크기 변화에 따른 각 공시체는 KS F 2403에 의거 제작하였고, 500x500x1500 mm는 RC 기둥부재로 상정하여 Fig. 1의 배근도에 의해 철근조립 후 거푸집을 제작한 다음 콘크리트를 부어넣어 제작하는 것으로 하였다.
것으로 하였다. 이때 가열로 내부 및 공시체의 각부온도는 K타입 열전대(NiCr-Ni, 온도측정 범위 -200-1370 ℃)를 사용하여 측정하였으며, 내화시험 후 부재크기별 폭열 여부는 육안으로 조사하였다.
대상 데이터
또한 혼화제로 고성능감수제는 국내산 K사의 폴리 칼본산계를 사용하였고, PP섬유는 국내산 S사의 단섬유를 사용하였는데, 각 재료의 물리적 성질은 Table 3~6과 같다.
본 실험에 사용한 시멘트는 국내산 보통 포틀랜드 시멘트를 사용하였고, 잔골재는 충북 청원군 부강산 강모래를사용하였으며, 굵은골재는 충북 옥산산 25mni 부순 굵은 골재를 사용하였다.
이론/모형
경화 콘크리트의 실험으로 내화시험 전후의 압축강도는 KS F 2405에 의거 실시하였고, 인장강도는 KS F 勿23의할렬시험에 의한 간접인장강도 시험으로 Photo 1과 같이공시체를 옆으로 눕힌 상태에서 쪼갬시험으로 100 ton UTM을 사용하여 측정하였다.
굳지않은 콘크리트의 실험으로 슬럼프는 KS F 2402 규정에 의거 실시하였고, 슬럼프플로우는 슬럼프 측정이 끝난 후 최대직경과 이에 직교하는 직경의 평균치로 하였으며, 공기량 및 단위용적중량은 KS F 2421 및 加09의 규정에 따라 실시하였고, 응결시간은 KS F 勿36에 의거 실시하였다.
성능/효과
1) 경화 콘크리트의 특성으로 PP섬유 혼입률 증가에 따른 인장강도는 다소 증가하는 경향으로 나타났으나, 무혼입과 비교하여 큰 차이가 없는 것으로 분석되며, 부재크기별 압축강도는 20 X 20 X a) cm, $10 X 20 cm $15 X 30 cm순으로 크게 나타났다
2) PP섬유 혼입률 변화에 따른 폭열특성으로 WC 35 %는 PP섬유 무혼입인 경우 대부분 파괴폭열을 일으킨 반면, WC 55 %는 1개의 파괴 및 일부 박리폭열을 보였을 뿐 나머지는 폭열이 발생하지 않아, 고성능 콘크리트에서 폭열이 중요하게 문제시됨을 알 수 있었고, PP섬유를 0.07 % 이상 혼입한 경우는 대부분 폭열방지 효과가 우수한 것으로 나타났다.
3) 부재크기별 폭열특성으로는 부재가 작을수록, 또한, 부재의 우각부와 같이 온도상승곡선이 급할 경우 고온에의한 열응력과 내부 수증기압에 의한 복합적인 영향으로폭열이 쉽게 발생하는 것으로 나타났다.
4) 내화시험후 부재크기별 잔존 압축 및 인장강도율은 WC 35 %에서 PP섬유를 0.05 % 이상 혼입하여 폭열이방지된 경우의 잔존압축강도율이 65 %전후, 인장강도율은 45% 전후로 나타났고, WC 55 %는 PP섬유 혼입 유무에관계없이 잔존 압축 및 인장강도율이 30-40 % 정도로 WC 35% 보다 작게 나타났다.
것이다. PP섬유 혼입률 변화에 따른 재령 28일의 인장강도는 PP 섬유 혼입률이 증가함에 따라 다소 증가하는 것으로 나타났으나, 무혼입과 비교하여 큰 차이는 없는 것으로 분석된다.
6은 W/C 35 %를 대상으로 부재크기별 PP섬유 혼입률 변화에 따른 재령 28일의 압축강도를 나타낸 것이다. PP섬유 혼입률별 압축강도는 섬유 혼입률이 증가할수록 AE 공기량과 반대경향으로 약간 증가하다가 감소하는 경향으로 나타났고, 부재크기별 압축강도는 20x20x20 an의 입방체 공시체가 세장비 등의 영향으로 $10x20 cm 및 $15x30 cm의 원주형 공시체보다 크게 나타났으며, 원주형공시체에서는 부재크기가 작은 $10x20 cm 공시체가 $ 15x30 cm 공시체보다 크게 나타났다.
秋 35 %를 대상으로 실시한 부재크기별 잔존 압축 강도율은 PP섬유 무혼입인 경우 폭열의 영향으로 $10 X 20 cm 공시체에서 압축강도가 측정되지 못하였으나, 기타는 50~60%의 범위로 나타났고, PP섬유를 0.05% 이상 혼입한 경우는 60~70 % 범위이었으며, 부재크기별로는 큰 차이가 없는 것으로 나타났다.
또한 RC 기둥부재의 경우는 화구에 직접 접하는 면의코아를 채취하여 叽0 X 20 cm의 28일 압축강도와 비교한것으로 잔존 압축강도는 코아채취시 단면결손 등의 원인으로 다른 부재에 비하여 다소 저하한 것으로 나타났다
10 %를 혼입한 경우는 전혀 폭열을 일으키지 않았다. 또한 WC 55 %에서 PP섬유 무 혼입인 경우는 $10 X 20 cm에서 2개의 박리폭열, $15 x 30 cm 에서 1개의 파괴 및 박리폭열을 보였을 뿐 20 X 20 X 20 cm 공시체 및 RC 기등은 폭열을 일으키지 않아, 역시 부재 크기가 클수록 폭열저항성이 우수함을 알 수 있었다. 이는 부재크기가 클수록 부재의 온도 상승곡선이 완만하여 수증기 발산이 양호함에 따른 것으로 분석된다.
높게 나타났다. 또한 WC별로는 WC 35 %가 시멘트수화반응에 의한 발열량의 증가로 W/C 55 % 보다 수화열 온도의 피크점이 높게 나타남을 알 수 있다.
또한 공기량은 PP섬유 혼입률 증가에 따라 다소 증가 혹은 변동흐}는 경향을 나타내고 있는데, 이는 AE제의 사용에 따른 계량오차 혹은 실험과정에서의 품질변동일 뿐 무 혼입과 큰 차이는 없는 것으로 분석되며, 단위용적 중량은 공기량과 반대경향으로 나타났다.
먼저, PP섬유 혼입률 변화에 따른 가열후 잔존압축 및 인장 강도율은 W/C 35 %에서 PP섬유 무혼입인 경우 모두 폭열 하여 강도측정이 불가능하였으나, PP섬유를 0.05 % 이상 혼입하여 폭열이 발생하지 않은 경우는 잔존 압축강도율이 ffi % 전후로 나타났고, 잔존 인장강도율은 고온에 의한 내부 균열 등의 영향으로 45% 전후로 압축 강도보다 작게 나타났다.
먼저, PP섬유 혼입률 변화에 따른 내화시험의 결과로, WC 35%에서 PP섬유를 혼입하지 않은 경우는 부재크기에 관계없이 대부분 심한 파괴 및 박리폭열을 일으켰고, PP섬유를 0.07% 이상 혼입한 경우는 RC 기둥부재만 경미한 박리폭열을 보였을 뿐 나머지는 폭열을 일으키지 않았다
부재크기 변화에 따른 내화시험 결과로, WC 35%에서 PP섬유 무혼입인 경우 饥Ox20cm는 공시체의 형상을 알 수 없을 정도로 심한 파괴폭열을 일으켰고, 饥5 X 30 cm는파괴폭열을 일으켰으나 공시체의 형상은 어느정도 유지하였으며, 20 x 20 x 20cm는 공시체의 형상을 유지하며 일부 박리 폭열을 일으켜 공시체가 클수록 폭열에 유리함을 알 수 있었다. 또한, RC 기둥부재는 PP섬유를 무혼입한 경우 특히 우각부에 있어서 심한 파괴폭열을 일으켰고, 0.
이상을 종합하며 부재크기가 작거나, 부재의 우각부인경우는 화재시 급격한 온도상승곡선으로 고온이 내부까지이름에 따라 내부 잉여수가 모세관 내에서 수증기압을 발생시키게 되고, 이 수증기압이 콘크리트의 인장강도 보다크게 되면 폭열이 발생하는 것으로(Fig. 8참조), PP섬유를 0.07 % 이상 혼입한 경우는 화재시 고온(162 ℃ 이상)에의해 PP섬유가 녹으므로써 공시체 내부의 수증기압을 효과적으로 외부로 방출시키는 통로 및 공간을 부재 내에서제공하여 줌으로써 폭열을 방지하여 주는 것으로 분석된다.
전반적으로 응결시간은 초결 11시간 전후, 종결 14시간 전후로 나타났으며, PP섬유의 혼입률 변화에 따른 응결 시간은 거의 차이가 없는 것으로 나타나났다.
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