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문제 정의
- 따라서 본 연구에서는 내화섬유의 종류 및 실리카 흄 치환율을 변수로 하는 고강도 및 초고강도 콘크리트 기둥 실험체에 대한 내화실험과 잔존강도실험을 수행하여 폭렬에 영향을 미치는 각 인자들의 효과를 분석하고 화재시 폭렬거동을 관찰함으로써 HSC 및 UHSC 부재의 내화설계를 위한 기초 자료를 제시하고자 한다.
- 따라서 초고강도 콘크리트에서 사용되는 내화 섬유는 내화성능뿐만 아니라 시공성을 동시에 확보하여야 할 것이다. 본 연구에서는 콘크리트강도 120MPa 에서 내화재로 사용되는 섬유의 종류를 달리하면서 시공성과 폭렬 발현의 차이를 비교하였다.
제안 방법
- 60MPa와 120MPa의 각 실험체에서 화재실험 후화해를 입은 실험체의 잔존강도를 건전 실험체와 비교함으로써 변수별 내화성능을 고찰하였다.
- 가열로 내부의 온도와 실험체 내에 설치된 열전대에서 측정한 온도는 세라믹으로 감싸인 케이블을 통하여 중앙 제어실에서 취합하여 획득하였으며, 가열 종료 후 24시간동안 실험체를 냉각시킨 후 가열로에서 꺼낸 즉시 폭렬에 의한 손실중량 측정을 실시하였다.
- 고강도 및 초고강도 콘크리트 기둥 실험체의 내화실험과 화해를 입은 실험체의 폭렬상태관찰, 잔존강도실험을 수행하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 모든 기둥 실험체는 피복두께 4cm, 주근비(p) 1.91%와 가열 시 단면 내 온도분포를 파악하기 위하여 표면으로부터 25, 50, 130mm 위치에 K type의 열전대를 설치하였으며, 가력 시 상하 단부의 파괴를 방지하기 위하여 상하 단부구간의 띠철근의 간격을 100mm 간격으로 배근하였다. 또한 가력 시 축방향 변형 측정을 위한 LVDT의 설치를 위하여 ©8mm 강봉을 상하부에 매립하였다.
- 2%로 일정하게 유지하고 실리카 흄의 치환율 0, 7, 14, 21%로 달리하였다. 실리카 흄의 치환율에 따른 폭렬 특성을 관찰하기 위하여 실리카흄의 치환율을 변화시키면서 달라지는 콘크리트 강도를 일정하게 유지하기 위하여 W/B를 달리할 경우 함수량이 폭렬에 미치는 영향을 배제할 수 없기 때문에 W/B를 일정하게 유지한 상태에서 실리카 흄의 치환율만 달리하였다. 120Mpa 의 경우는 PP섬유, PP분말 및 PVA에 대하여 함유량 변수를 0.
- 실험체의 변수는 실리카흄 치환율과 내화 섬유종류로서 Table 1과 같이 60Mpa의 경우 PP섬유 함유율 (콘크리트에 대한 체적비) 0.2%로 일정하게 유지하고 실리카 흄의 치환율 0, 7, 14, 21%로 달리하였다. 실리카 흄의 치환율에 따른 폭렬 특성을 관찰하기 위하여 실리카흄의 치환율을 변화시키면서 달라지는 콘크리트 강도를 일정하게 유지하기 위하여 W/B를 달리할 경우 함수량이 폭렬에 미치는 영향을 배제할 수 없기 때문에 W/B를 일정하게 유지한 상태에서 실리카 흄의 치환율만 달리하였다.
- D10을 사용하였다. 철근의 인장강도 시험은 KS B 0801(금속재료 인장시험편 규정)의 2호, KS B 0802의 금속재료 인장시험 방법에 따라 각각의 시험편에 대해 3번 이상의 시험을 실시하였다. 이와 같은 인장강도 시험 결과에 따른 재료역학적 특성을 Table 4에 나타내었다.
- 120MPa에서는 실리카 흄과 더불어 고로슬래그를 첨가하였고, 다른 조건은 Table 2와 같이 일정한 조건에서 섬유의 종류와 혼입량만을 변화시켰다. 혼화제는 폴리카르본산계의 고성능 AE감수제를 사용하였으며 유동성을 향상시키기 위해 분산 투여하였다.
대상 데이터
- 굵은 골재의 크기는 13mm를 사용하였다. 기준시험체(60-N, 120-N) 에 대한 배합비를 기준으로 60 MPa에서는 실리카 흄의 영향을 관찰하기위하여 시멘트량, fly ash량 및 물의 양을 일정하게 하였으며 플라이애쉬와 실리카 흄 7, 14, 21%을 사용하였다. 120MPa에서는 실리카 흄과 더불어 고로슬래그를 첨가하였고, 다른 조건은 Table 2와 같이 일정한 조건에서 섬유의 종류와 혼입량만을 변화시켰다.
- 본 실험에서 사용된 철근은 주근에 SD40의 이형철근 D19을 사용하였으며, 횡 보강근에 SD40의 이형 철선 D10을 사용하였다. 철근의 인장강도 시험은 KS B 0801(금속재료 인장시험편 규정)의 2호, KS B 0802의 금속재료 인장시험 방법에 따라 각각의 시험편에 대해 3번 이상의 시험을 실시하였다.
- 본 연구에 사용된 내화섬유로는 Fig. 2와 같이 PP 섬유, PP분말 및 PVA섬유 등이고 이들은 모두 국내에서 일반적으로 양산되고 사용 범위는 콘크리트의 수축균열 억제, 충격 . 파손에 대한 저항력 증대, 피로 .
- 본 연구의 기둥 실험체는 총 11개로서 260 X 260X 800mm로 제작하였으며, 실험체의 형상 및 배근상세도는 Fig. 1과 같다.
- 실험체 제작에 사용된 콘크리트는 배합강도 60MPa 와 120MPa의 2가지로 계획하였다. 굵은 골재의 크기는 13mm를 사용하였다.
이론/모형
- 하 양 단부 부분의 폭렬을 방지하지 위하여 세라믹롤을 사용하여 양단부를 190mm폭으로 감쌌다. 가열은 국제기준인 ISO 834T을 기초로 하고 있는 KS F 2257-1 (건축구조부재의 내화시험방법)에 따라서 Fig. 4과 같은 가열곡선에 따라 1시간동안 가열하였다.
성능/효과
- 1) 배합강도 60MPa에서 PP 섬유를 0.2% 혼입한 경우 적정한 시공성을 확보하였으나, 120MPa의 경우 슬럼프 측정이 불가능했다, 그러나 PP 분말과 PVA를 혼입한 콘크리트의 슬럼프와 플로어 값은 PP섬유보다 크게 나타났다.
- 2) 실리카 흄의 함유량에 따른 폭렬발생은 외형적으로 차이가 나지 않았으나, 잔존강도 비교에서는 실리카 흄을 7%, 14% 및 21%로 증가시킬수록 잔존강도 비는 낮게 나타났으나, 14%에서 21%로 증가할 경우 잔존강도비의 감소율이 작게 나타났다.
- 3) 초고강도 콘크리트에서 내화섬유 종류에 따른 잔존강도 비는 PP 섬유(76%) > PVA 섬유(71%) > PP 분말(63%)순으로 잔존 강도비를 나타내었다.
- 4) 내화성능과 시공성을 함께 고려할 경우 초고강도 콘크리트에서는 PVA가 가장 합리적인 내화 섬유인 것으로 판단된다.
- Fig. 12에 나타난바와 같이 내화섬유 종류에 따른 잔존 강도비는 내화섬유 함유량이 0.1%일 경우에는 별다른 차이가 없으나 내화섬유 0.2%일 경우에는 PP 섬유(76%) > PVA 섬유(71%) > PP 분말(63%) 순으로 잔존강도비를 나타내고 있어 PP섬유를 혼입한 경우 내화성능이 가장 좋은 것으로 나타났다. 그러나시공성을 함께 고려할 경우 PVA섬유를 혼입한 실험체가 내화성능은 다소 부족하지만 시공성이 확보되므로 초고강도 콘크리트에서는 가장 합리적인 내화 섬유로서 사용될 수 있을 것으로 판단된다.
- 5cm, 24cm로 나타났다. PP 섬유의 경우 혼입량이 증가할수록 플로어 값이 감소하였으나 PP 분말과 PVA 섬유의 경우 오히려 혼입량이 증가할수록 플로어 및 슬럼프 값이 증가하는 것으로 나타났다.
- PP섬유 및 PVA의 물리적 특성 및 재원은 기존연구 결과를 참조로 폭렬에 가장 유리한 길이(19mm)와직경(0.07mm) 을 택하였다. 각 내화섬유의 물리적 성질은 Table 5와 같다.
- 2%에서 적정한 슬럼프가 확보되는 것을 알 수 있다. 그러나 120MPa에서 PP 섬유를 0.1% 및 0.2% 혼입한 경우 슬럼프 및 플로어 값의 측정이 불가능할 정도로 시공성이 안 좋았으며, PP 분말의 슬럼프는 혼입률 0.1%, 0.2%에서 각각 15cm, 22.5cm로 나타났고, 플로어는 21cm, 33cm 로 나타났다. PVA 섬유의 슬럼프는 0.
- 7(a)에서와 같이 PP분말 실험체에서 피복의 탈락이 가장 심하게 발생되었기 때문이다. 또한 PP섬유가 가장 온도변화가 작아 피복의 탈락이 적음을 확인할 수 있다.
- 7에 나타낸바와 같다. 섬유함유량 0.1%에서 0.2%로 섬유 혼입량이 증가함에 따라 폭렬현상이 감소됨을 확인할 수 있었다.
후속연구
- 9에 나타난바와 같이 초기균열강성은 차이가 나지 않았으나 잔존강도는 실리카흄의 함유량에 따라 변화하였다. 60-S-1 실험체에서는 잔존강도 5, 374 kN, 잔존강도비 88.11%이고, 60-S-2 실험체는 잔존강도 4, 991kN 잔존강도비는 81.85%, 마지막 60-S-3 실험체는 잔존강도 4, 854kN 잔존강도비는 79.60%로 실리카 흄의 함유량이 많을수록 잔존강도가 낮게 나타난 것을 알 수 있으나 함유량 14%와 21%사이에서는 큰 차이가 나지 않아 단순히 실리카 흄의 양이 많을수록 폭렬에 의한 부재의 내력 저하가 증가한다고 단정지을 수 없고, 좀 더 많은 연구가 진행되어야 할 것으로 판단된다.
- 그러나 일반적으로 콘크리트 강도가 100MPa 이상의 초고강도 콘크리트(이하 UHSC)를 확보하기 위하여 실리카 흄이 최소 10%이상 첨가되어야함을 고려할 때 10%이상 혼합된 실리카 흄이 폭렬에 미치는 영향에 대한 연구가 필요할 것으로 판단된다.
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