일반적으로 콘크리트는 다른 구조재료에 비해서 우수한 내화성능을 가지고 있기 때문에 내화구조 또는 방화구조 재료로 널리 사용되고 있으나, 화재시 가열에 의해 열응력과 열변형에 의한 손상뿐 아니라 폭렬현상과 같은 국부적인 파괴가 일어나게 된다. 따라서 이를 보완하기 위한 여러 연구가 진행되어지고 있다. 또한 최근, 첨단 나노기술은 일반적인 재료들과 다른 독특한 물리적, 화학적 특성을 갖도록 개발되고 있다. 나노 $SiO_2$가 혼입된 콘크리트의 내부온도, 중량손실률 및 압축강도 특성을 비교$\cdot$검토하여 높은 응력의 내화와 낮은 열적 거동의 증진을 연구하였다. 본 연구에서는 나노입자가 시멘트 중량의 0, 2, 4, $6\%$ 포함된 시편 (${\Phi}100{\times}200 mm$)과 화력 온도 $200^{\circ}C$, $500^{\circ}C$, $800^{\circ}C$에서 실험을 수행하였다. 그 결과 나노 입자 혼입률이 증가할수록 화력을 가한 후의 콘크리트 중량 손실률은 점차 감소하고, 압축, 강도는 효과적으로 증가하였다. 따라서 고온에서의 물리적 역학적 실험결과 강도 및 내부온도 증가면에서는 보통 콘크리트와 비교하여 충분히 건설용 구조재료로서의 사용이 가능할 것으로 판단된다.
일반적으로 콘크리트는 다른 구조재료에 비해서 우수한 내화성능을 가지고 있기 때문에 내화구조 또는 방화구조 재료로 널리 사용되고 있으나, 화재시 가열에 의해 열응력과 열변형에 의한 손상뿐 아니라 폭렬현상과 같은 국부적인 파괴가 일어나게 된다. 따라서 이를 보완하기 위한 여러 연구가 진행되어지고 있다. 또한 최근, 첨단 나노기술은 일반적인 재료들과 다른 독특한 물리적, 화학적 특성을 갖도록 개발되고 있다. 나노 $SiO_2$가 혼입된 콘크리트의 내부온도, 중량손실률 및 압축강도 특성을 비교$\cdot$검토하여 높은 응력의 내화와 낮은 열적 거동의 증진을 연구하였다. 본 연구에서는 나노입자가 시멘트 중량의 0, 2, 4, $6\%$ 포함된 시편 (${\Phi}100{\times}200 mm$)과 화력 온도 $200^{\circ}C$, $500^{\circ}C$, $800^{\circ}C$에서 실험을 수행하였다. 그 결과 나노 입자 혼입률이 증가할수록 화력을 가한 후의 콘크리트 중량 손실률은 점차 감소하고, 압축, 강도는 효과적으로 증가하였다. 따라서 고온에서의 물리적 역학적 실험결과 강도 및 내부온도 증가면에서는 보통 콘크리트와 비교하여 충분히 건설용 구조재료로서의 사용이 가능할 것으로 판단된다.
Recently, since the advanced nano technology develops unique physical and chemical properties different from those of the conventional materials. Normal concretes mixed with nano - $SiO_2$ have been studied to improve the fire-resistance with high strength and lower heat conductivity. In ...
Recently, since the advanced nano technology develops unique physical and chemical properties different from those of the conventional materials. Normal concretes mixed with nano - $SiO_2$ have been studied to improve the fire-resistance with high strength and lower heat conductivity. In this pilot study, the nano-particle contents in the specimens (${\Phi}100{\times}200 mm$) were 0, 2, 4, and $6\%$ by weight of cement, and fire-temperatures $200^{\circ}C$, $500^{\circ}C$, and $800^{\circ}C$ were considered. The results show that as the nano-particle contents increases, the weight loss of concrete gradually decreases, and the compressive strength after fire-attack increases effectively.
Recently, since the advanced nano technology develops unique physical and chemical properties different from those of the conventional materials. Normal concretes mixed with nano - $SiO_2$ have been studied to improve the fire-resistance with high strength and lower heat conductivity. In this pilot study, the nano-particle contents in the specimens (${\Phi}100{\times}200 mm$) were 0, 2, 4, and $6\%$ by weight of cement, and fire-temperatures $200^{\circ}C$, $500^{\circ}C$, and $800^{\circ}C$ were considered. The results show that as the nano-particle contents increases, the weight loss of concrete gradually decreases, and the compressive strength after fire-attack increases effectively.
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문제 정의
잔골재는 표준사를 사용하였으며, 굵은 골재의 최대 크기는 대개 13mm 이상이 추천되고 있으나, 일반적으로 최대 조골재 크기는 25 mm로 합니다. 본 연구에서는 공극의 크기를 최소화하기 위하여 최대 조골재 크기를 13mm로 하여 굵은골재로 인한 공극의 크기가 커지는 것을 방지하기 위해 이와 같이 정하였습니다. KS F 2502-2511 및 KS F 2531-2534의 시험 방법에 따른 잔골재 및 굵은 골재의 물리적 특성은 Table 5와 같다.
본 연구에서는 정상상태시험(residual property test)를 통해 고온에서 콘크리트의 압축강도 압축강도 잔존율 실험을 실시하였다. 압축강도 잔존율 실험은 화재피해를 입은 콘크리트의 성능평가를 위하여 수행하였다. 정상 상태 시험의 목 적은 화재피해를 입은 콘크리트의 성능평가를 위한 것으로 실험체를 실험 목표 온도까지 가열한 후 정적상태에 이를 때까지 유지한 후 냉각된 실험체는 상온에서 하중 제어 실험 및 변형제어 실험이 적용된다.
제안 방법
8 %이며, 그 특성은 Table 6과 같다. 본 실험에서는 시멘트 중량비의 2, 4, 6%를 치환하여 사용하였다.
Fig 3은 본 연구에 사용된 가열로(fumace)의 가열조건을 나타낸 것이다. 본 연구에 사용된 가열로의 가열조건은 현재 국제표준으로 인정되고 있는 RtLEM Committee 129-MHT(Test Methods for Mechanical Properties of Concrete at High Temperatures)과 ASTM E119 REV, ISO 834, JIS A 1304에서 규정하고 있는 표준가열온도 곡 선 조건에 따라 수행하였으며, 본 연구는 내화시험의 종류 중 정적상태시험 (Steady-state test)을 통한 정상 상태 시험 (Residual property test)을 실시하였다. 콘크리트 내부온도가 20~800℃까지 가열된 실험체를 대상으로 수행하였다.
본 연구에서 콘크리트 배합은 물-시멘트비를 0.50, 잔골 재율을 0.42, 단위 수량을 고정하고, 시멘트 중량대비 나노 실리카 분말량을 0, 2, 4, 6% 혼입 시켜 동일 조건에서 내열 성능 비교를 하도록 배합계획을 수립하였다. 이에 따른 배합표는 Table 7과 같다.
본 연구에서는 나노 분말 소재 중 나노 실리카 분말을 콘크리트에 혼입하면 강도가 증대되고 열전도율이 낮아져 내화성능이 향상될 것이라는 점에 착안하여 나노 실리카 분말 혼입률과 실험온도를 변수로 설정하여 실험체(6 100x200mm)를 제자 중량손실률, 내부온도 측정 및 압축 강도실험 등을 수행하였으며, 나노 실리카 분말과 보통 콘크리트의 실험 결과를 비교. 분석하였다.
본 연구에서는 정상상태시험(residual property test)를 통해 고온에서 콘크리트의 압축강도 압축강도 잔존율 실험을 실시하였다. 압축강도 잔존율 실험은 화재피해를 입은 콘크리트의 성능평가를 위하여 수행하였다.
보통 콘크리트와 나노 실리카 분말을 혼입한 콘크리트의 열적 특성 비교 및 내화성능을 파악하기 위해 실험 방법에 따른 물리적. 역학적 특성 평가를 실시하고 내부온도 측정 및 내화 메커니즘 및 강도감소요인을 분석하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
정상 상태 시험의 목 적은 화재피해를 입은 콘크리트의 성능평가를 위한 것으로 실험체를 실험 목표 온도까지 가열한 후 정적상태에 이를 때까지 유지한 후 냉각된 실험체는 상온에서 하중 제어 실험 및 변형제어 실험이 적용된다. 이에 본 연구에서는 실험체를 목표 온도까지 일정한 비율로 사전재하 없이 가열하였고 목표 온도에서 정적상태에 도달될 수 있도록 10분 동안 유 지시켰다. 이후에 실험체는 상온까지 서서히 냉각시켰으며, 냉각된 실험체는 KS F 2405의 재하속도 규정에 따라 Fig 5의 UTM을 사용하여 공 시체가 파괴될 때까지 하중을 가하여 압축강도 및 압축강도 잔존율을 구하였다.
콘크리트의 물리적 특성실험은 상대적인 열전도율과 내 화 Meeh血sm을 파악하기 위해 Fig 2와 같이 열전대선을 이용하여 콘크리 트의 내부온도를 즉정 하였다. 중량손실율 은 Fig 4의 가열로에서 가열하여 콘크리트 내부온도가 목 표 온도에 도달되면 목표 온도에서 5~10분동안 콘크리트 내부온도를 정상 상태로 이르게 한 후 다시 서서히 냉각하여 상온에서 중량손실률을 측정하였다
콘크리트의 물리적 특성실험은 상대적인 열전도율과 내 화 Meeh血sm을 파악하기 위해 Fig 2와 같이 열전대선을 이용하여 콘크리 트의 내부온도를 즉정 하였다. 중량손실율 은 Fig 4의 가열로에서 가열하여 콘크리트 내부온도가 목 표 온도에 도달되면 목표 온도에서 5~10분동안 콘크리트 내부온도를 정상 상태로 이르게 한 후 다시 서서히 냉각하여 상온에서 중량손실률을 측정하였다
대상 데이터
본 실험에 사용된 시멘트는 KS L 5201에 규정된 규격을 만족하는 국내 S 사의 보통포틀랜트 시멘트를 사용하였으며, 화학조성 및 물리적 특성은 Tables 3, 4와 같다
본 연구에 사용된 가열로의 가열조건은 현재 국제표준으로 인정되고 있는 RtLEM Committee 129-MHT(Test Methods for Mechanical Properties of Concrete at High Temperatures)과 ASTM E119 REV, ISO 834, JIS A 1304에서 규정하고 있는 표준가열온도 곡 선 조건에 따라 수행하였으며, 본 연구는 내화시험의 종류 중 정적상태시험 (Steady-state test)을 통한 정상 상태 시험 (Residual property test)을 실시하였다. 콘크리트 내부온도가 20~800℃까지 가열된 실험체를 대상으로 수행하였다.
Fig 2는 본 연구에 사용된 실험체를 나타낸 것이다. 콘크리트의 고온에서의 중량손실률, 압축강도 실험체는 KS F403(콘크리트의 강도시험용 공 시체)에 따라 010x20mm의 실험체를 제작하였으며, 상대적 열전도율을 측정하기 위한 내부온도측정용 실험체는 콘크리트가 초결이 시작되기 전에 K 타입 열전대선을 Fig. 2와 같이 일정한 위치에 삽입한 후24시간 후 탈형 하여 20 ±3 ℃에서 28일간 공기 중 양생하여 제작하였다.
콘크리트의 내화 성능개선을 위해 사용된 나노 분말소재 는 국내 D사의 나노 실리카 분말로 순도 99.8 %이며, 그 특성은 Table 6과 같다. 본 실험에서는 시멘트 중량비의 2, 4, 6%를 치환하여 사용하였다.
이론/모형
이에 본 연구에서는 실험체를 목표 온도까지 일정한 비율로 사전재하 없이 가열하였고 목표 온도에서 정적상태에 도달될 수 있도록 10분 동안 유 지시켰다. 이후에 실험체는 상온까지 서서히 냉각시켰으며, 냉각된 실험체는 KS F 2405의 재하속도 규정에 따라 Fig 5의 UTM을 사용하여 공 시체가 파괴될 때까지 하중을 가하여 압축강도 및 압축강도 잔존율을 구하였다.
성능/효과
1) 재령 28일인 나노 분말 6% 혼입 콘크리트가 가장 적은 중량손실을 나타내고 있으며, 이는 목표 온도 200 ℃에 서는 보통 콘크리트와 약 1% 정도의 차이를 보이고 있고, 또한 목표 온도 800 ℃에서는 상온과 비교하여 약 6% 정도의 중량손실률을 보이고 있어 보통콘크리트보다 약 1 % 정도 적은 중량손실률을 보이고 있다. 상온에서 200 ℃까지는 높은 중량손실률을 보이고 있으나, 200 ℃ 이후부터는 중량손실률이 완만하게 증가하고 있다.
3) 재령 28일 콘크리트의 가열온도 200 ℃에서는 80%이상의 잔존율을 나타내며, 가열온도 500 ℃에서는 약 50% 이상의 잔존율을 측정되었으며 가열온도 800 ℃에서는 압축강도가 급격히 감소하여 10 % ~ 20 %를 나타내고 있다. 800 ℃에서 나노 실리카 혼입량이 6 %까지는 혼입량이 증가할수록 압축강도 잔존율이 감소하는 경향을 보이나 이는 상대적으로 목표 온도에 도달되는 시간이 나노량이 증가할수록 늘어나 더 오랜 시간 고온을 수 열하기 때문으로 판단된다.
4) 200 ℃에서 콘크리트는 콘크리트의 강도에 상관없이 콘크리트 내부에 존재하는 잉여수, 모세관수, 흡착수, 층간수 및 화학적 결합수의 일부가 수증기로 방출됨으로서 콘크리트 내부의 공극 압력 상승에 따라 중량 손실률 이 크게 저하하고 있으며, 계속적으로 500 ℃이상 가열되면 콘크리트 강도에 상관없이 골재와 시멘트 페이스 트의 결합력이 상실되어 500 ℃이후의 고온영역에서 콘크리트는 성능 저하가 크게 나타났다. 그러나 500 ℃ 에 도달하는 시간은 나노 혼입 콘크리트는 보통 콘크리트보다 최대 약 35분 정도 지연되었고, 또한 700 ℃에 도 달하는 시간은 약 60분 정도 지연되어 보통 콘크리트보다 내화 성능이 우수함을 알 수 있다.
6% 혼입한 콘크리트의 압축강도는 보통 콘M리트의 압죽 강도보다 약 30%증가된 성능을 보이며, 재령 7일에서의 나노 실리카 분말을 6% 혼입한 콘크리트의 강도는 보통 콘크리트(나노 실리카를 혼입하지 않은 콘크리트)의 재령 28일의 강도와 비슷한 수준에 도달하였다. 이는 나노실리 카 분말을 혼입한 콘크리트는 시멘트 수화물에 의해 생성된 Ca(OH)2와 반응을 하는 포졸란 반응을 통해 더 많은 수화물을 생성할뿐더러 공극을 충진시켜주는 충진제 역할도 하기 때문에 나노 실리카를 혼입하지 않은 콘크리트보다 압축강도가 높아지는 결과를 가져온다.
위의 Fig 11에서 보는 바와 같이 각 재령에 따라 강도와 콘크리트의 내부온도의 관계의 실험 결과를 회귀 분석하여 얻은 압축강도를 fc로 나타내었다. 또한 온도가 증가함에 따라 fc값이 감소하여 온도와 압축강도 간의 상관관계가 존재함을 알 수 있다. Table 11은 각 재령별 콘크리트의 압축강도와 내부온도 간의 상관관계를 나타낸 것으로 압축강도 fc를 콘크리트 내부온도 T에 관한 함수로 표현할 수 있었으며 약 0.
6MPa가 나왔다. 상온 양생의 재령 별 강도 발현을 측정하여 함수로 분석한 결과 나노실리 카 분말을 6% 혼입한 콘크리트의 압축강도 회귀분석식 은 fc = 15.056x盛I®로 도출되었다. 또한 6% 혼입한 콘크리트의 압축강도는 보통 콘크리트의 압축강도보다 약 30%증가된, 성능을 보인다.
상온에서의 재령과 압축강도와의 관계를 회귀 분석한 결과 도출된 제안 식은 다음 Table 10과 같다. 제안 식과 측정값과의 상관계수는 약 0.90 이상으로 신뢰도가 매우 높게 나타났다.
후속연구
99 이상의 높은 상관계수를 나타내었다. 나노 실리카 분말을 혼입한 콘크리트 및 보통콘크리트의 재령 28일 잔류 압축강도를 예측할 수 있는 식을 나타내었으며 콘크리트의 내부온도를 알 수 있다면 고온 가열 시 잔류 압축강도를 예측할 수 있을 것으로 판단된다.
본 실험에서 구한 고온에서의 물리적. 역학적 실험 결과 강도 및 내부 온도 증가면에서는 보통 콘크리트와 비교하여 충분히 건설용 구조 재료로서의 사용이 가능할 것으로 판단되며, 향후 본 연구를 기초로 하여 나노 분말의 종류 및 실험방법별 고온에서의 열적 특성 변화에 대한 다각적인 연구가 이루어져야 할 것이며, 아울러 콘크리트의 재료물성 평가 및 나노 분말의 물성평가와 더불어 화재시 구조부재의 온도분포 및 열거 동 해석에 대한 연구를 통하여 콘크리트 구조부재의 적용부위에 따른 화재안전 성능 평가가 이루어져야 건설용 구조 재료로서 사용이 가능하리라 판단된다.
참고문헌 (4)
Schneider, U., 'Behavior of concrete under thermal steady state and non-steady conditions,' Fire and Materials, Issue 1, 1976, pp.103-15
한국콘크리트학회, '(건설교통부제정) 콘크리트 표준시방서', 한국콘크리트학회, 1999, pp.255-258
방재시혐연구원, '내화성능 시험방법에 관한 연구', 방재시험연구원, 1992, pp.14-16
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