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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.
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