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문제 정의
- 따라서 본 연구에서는 화재로 인해 슬래브나 벽체와 같이 고온에 일면 노출된 철근콘크리트 부재의 손상 깊이를 정량적으로 평가하기 위해 색조분석, 흡수율과 할렬 인장강도시험에 의해 압축강도 잔존률을 평가하는 기법을 제안하고 고온에 노출된 콘크리트의 특성 변화를 고찰함으로써, 그 적용성을 검증하고자 한다.
- 본 연구에서는 고온에 노출된 콘크리트의 정량적인 손상도 평가기법을 제안하기 위해 일면가열 공시체를 대상으로 색조분석, 공시체 깊이 별 흡수율 분석 및 할렬 인장강도법에 의한 압축강도 잔존율을 추정한 결과 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
제안 방법
- 가열된 절편 시험체의 색조분석은 공시체 일면 가열 및 자연냉각을 거쳐 1일이 경과된 후 수행하였고, 사용기기는 일본 MINOLTA사 색조분석기(Spectrophotometer, CM-2500d)를 사용하였다.
- 강도 별로 절편 시험체의 흡수율 변화를 깊이에 따라 계산하여 건전 시험체의 흡수율과 비교하였으며 표 2, Figs. 9, 10과 같다.
- 고온에 노출된 콘크리트의 손상깊이 추정을 위해 콘크리트 강도를 일반강도에서 고강도 영역까지 20, 40, 60MPa의 3가지 종류로 구분하여 배합을 계획하였다. 모든 배합의 목표 슬럼프는 15cm로 정하고(단 60 MPa 의 슬럼프 플로우는 65cm로 설정), 목표 공기량은 4.
- 고온에 노출된 콘크리트의 손상깊이를 추정하기 위해, 일면 가열된 공시체를 절편으로 만들고, 각각에 대해 흡수율과 할렬 인장강도를 측정하였으며 그 변화를 건전 공시체 값과 비교분석하여 손상깊이를 평가하였다. 실험용 공시체는 전술한 바와 같이 20, 40, 60MPa 강도마다 600℃와 800℃로 가열하는 조건으로, 각 조건마다 4개씩 총 24개를 제작하였으며 각 조건마다 4개의 평균값을 이용하였고, 또한 각 공시체의 조각 절편은 가열 면에서 2cm 두께로 4조각, 10cm 두께 1조각을 만들어 깊이별 실험결과를 획득하였다.
- 고온에 노출된 콘크리트의 손상깊이를 추정하기 위해, 콘크리트 강도와 가열조건을 변수로 하는 ①100x200 콘크리트 공시체를 제작하여 일면 가열조건으로 전기로에서 가열한 후, 2cm 두께의 절편을 만들어 색조 분석, 흡수율과 할렬인장강도시험 결과에 의한 압축강도 변화를 가열되지 않은 건전 공시체와 비교분석함으로써 손상도 변화를 고찰한다.
- 하였다. 공시체 제작 시 Photo 1과 같이 내부 온도측정을 위해 K형 열전대를 표면에서 3cm, 6cm, 9cm, 12cm, 15cm 위치의 중앙부에 삽입하였고 KS F 2403에 따라 24시간 후에 캡핑한 다음, 다시 24시간 후 탈형하여 20℃ 항온수조에서 28일 수중 양생하였다.
- 끝으로 할렬인장강도법에 의한 잔존강도 평가를 위해서 건전공시체와의 잔존강도비로 분석하고 부재 깊이에 따라 압축강도의 저감을 평가함으로써 이에 따른 적정보수보강범위와 방법을 결정한다.
- 둘째로 색조분석실험은 화해 시험체의 색상 값을 측정하여 기준이 되는 건전 시험체의 값과의 상대 비교를 통한 부재 깊이 별 분석이 필요하며, 색상측정 시측정 기기의 측정범위, 색상좌표에 따라 측정되는 값의 종류, 측정 시 조명과 관측조건, 측정방법 등에 유념하여 측정한다.
- 색조분석은 Fig. 4와 같이 L*C*h 표색계를 기준으로 측정하며, 측정값 중 수열온도에 따른 콘크리트 변색과 밀접한 관계가 있는 색상 좌표 변화에 초점을 맞춰 분석하였다.
- 셋째로 흡수율실험의 결과는 건전 시험체와의 흡수율 차이를 비교함으로써 손상깊이를 파악하고 균열 발생 및 내구성 등에 대한 손상정도를 파악하는 자료로 활용한다.
- 실험용 공시체는 전술한 바와 같이 20, 40, 60MPa 강도마다 600℃와 800℃로 가열하는 조건으로, 각 조건마다 4개씩 총 24개를 제작하였으며 각 조건마다 4개의 평균값을 이용하였고, 또한 각 공시체의 조각 절편은 가열 면에서 2cm 두께로 4조각, 10cm 두께 1조각을 만들어 깊이별 실험결과를 획득하였다. 본 연구에서 수행된 실험 순서 및 방법은 Fig.
- 전기로 상부 뚜껑에 공시체 장착용 구멍을 설치하여 일면 가열실험이 가능하도록 하였고 가열 온도 및 속도 조절이 가능한 컨트롤 박스를 설치하였다. 전기로 내부 온도를 600℃ 및 800℃ 로 설정하고, 13.33℃/분의 속도로 가열하여 45분과 60 분만에 목표 온도에 도달되도록 하였으며, 목표 온도에 도달 후 공시체 내부 온도가 균일하도록 2시간 동안 그 온도가 유지되도록 제어하였다. 공시체 일면 가열실험에 적용된 가열 곡선은 공시체의 비재하 잔존강도 내화실험을 위해 Fig.
- 1과 같이 가로 X 세로 X 길이가 87cmx 80cm x 150cm 인 전기로를 제작하였다. 전기로 상부 뚜껑에 공시체 장착용 구멍을 설치하여 일면 가열실험이 가능하도록 하였고 가열 온도 및 속도 조절이 가능한 컨트롤 박스를 설치하였다. 전기로 내부 온도를 600℃ 및 800℃ 로 설정하고, 13.
- 첫째로 본 실험방법은 화재로 인해 구조 부재가 일면 가열 조건에 노출된 경우에, 현장에서 채취된 코아공시체에 대한 실험에 적용한다.
- 콘크리트 공시체를 전기로에서 600℃와 800℃ 일면 가열조건에서 가열 후 2cm 두께 절편으로 만든 시편에 대해 색조분석을 실시하였으며 공시체 깊이에 따라 측정된 색상 값의 상대값(relative hue value)과 온도분포는 Fig. 7, 8과 같고, 색상 값의 상대변화는 건전 공시체의 색상 값에 대한 화해 공시체의 색상 값의 비를 나타낸다. 800℃ 가열조건의 색상 값을 살펴보면 20MPa 는 82%〜]00%, 40MPa 는 87%〜]03%, 60MPa는 81%〜100%를 나타내고 있는데, 이로부터 가열 면에 가까울수록 가열 면 색상은 빨간 색상으로 더 가까워짐을 알 수 있다.
- 69%를 갖는 세척사를 사용하였다. 혼화재는 플라이애쉬를 사용하여 설계기준강도 20, 40MPa는 대체율 10%로, 설계기준강도 60MPa는 대체율 20%를 갖도록 조절하였고, 여기서 대체율은 시멘트의 대체재로 사용되는 혼화재의 비율을 의미한다. 사용된 혼화제는 배합강도 20, 40MPa의 경우 표준형 AE감수제였고 질량비를 0.
대상 데이터
- Fig. 1과 같이 가로 X 세로 X 길이가 87cmx 80cm x 150cm 인 전기로를 제작하였다. 전기로 상부 뚜껑에 공시체 장착용 구멍을 설치하여 일면 가열실험이 가능하도록 하였고 가열 온도 및 속도 조절이 가능한 컨트롤 박스를 설치하였다.
- 본 실험에 사용된 시멘트는 국내산 1종 보통 포틀랜드 시멘트이고, 굵은 골재는 최대치수를 20〜25mm로 제한하였으며 잔골재는 조립율 2.7, 흡수율 0.69%를 갖는 세척사를 사용하였다. 혼화재는 플라이애쉬를 사용하여 설계기준강도 20, 40MPa는 대체율 10%로, 설계기준강도 60MPa는 대체율 20%를 갖도록 조절하였고, 여기서 대체율은 시멘트의 대체재로 사용되는 혼화재의 비율을 의미한다.
- 혼화재는 플라이애쉬를 사용하여 설계기준강도 20, 40MPa는 대체율 10%로, 설계기준강도 60MPa는 대체율 20%를 갖도록 조절하였고, 여기서 대체율은 시멘트의 대체재로 사용되는 혼화재의 비율을 의미한다. 사용된 혼화제는 배합강도 20, 40MPa의 경우 표준형 AE감수제였고 질량비를 0.5%로 하였다. 배합강도 60MPa의 경우 고성능 AE 감수제 (폴리카르본산계)를 이용하여 질량비로 1.
이론/모형
- 공시체 제작은 KS F 2403, 콘크리트의 압축강도 시험 용 공시 체 제 작 방법, 따랐으며 크기 는 0100 X 200으로 하였다. 공시체 제작 시 Photo 1과 같이 내부 온도측정을 위해 K형 열전대를 표면에서 3cm, 6cm, 9cm, 12cm, 15cm 위치의 중앙부에 삽입하였고 KS F 2403에 따라 24시간 후에 캡핑한 다음, 다시 24시간 후 탈형하여 20℃ 항온수조에서 28일 수중 양생하였다.
성능/효과
- 1) 공시체 깊이별 색조분석 결과, 공시체가 고온에 노출된 경우 가열 면에 가까울수록 빨간 색상으로 가열 면이 변색 되며, 깊이가 깊어질수록 공시체 내부 온도가 낮아져 빨간색상으로 변색은둔화되었다.
- 2) 가열온도가 높고 공시체 강도가 클수록 균열 및 공극 발생으로 인한 내부결함이 커져서 흡수율 변화가 더욱 커지는 것으로 나타났다. 또한, 가열 면에서 멀어질수록 흡수율은 건전공시체 값에 근접하며 압축강도 저감률이 적어진다.
- 600℃ 가열조건인 Fig. 9에 의하면 가열면에서 2cm 깊이에서 건전 절편 시험체의 평균 흡수율은 콘크리트 강도 20MPa에서 4.2%, 40MPa에서 2.6%, 60MPa에서 1.4%를 나타내고 있고, 가열 시험체의 흡수율은 20MPa에서 7.54%, 40MPa에서 7.52%, 60MPa에서 10.16%로 기록되었는데, 공시체 깊이가 깊어질수록 건전 시험체의 흡수율과차이가 점점 적어지는 경향을 보여주었다. 특히 60MPa 공시체의 경우 두 가지 특징이 나타났다.
- 7, 8과 같고, 색상 값의 상대변화는 건전 공시체의 색상 값에 대한 화해 공시체의 색상 값의 비를 나타낸다. 800℃ 가열조건의 색상 값을 살펴보면 20MPa 는 82%〜]00%, 40MPa 는 87%〜]03%, 60MPa는 81%〜100%를 나타내고 있는데, 이로부터 가열 면에 가까울수록 가열 면 색상은 빨간 색상으로 더 가까워짐을 알 수 있다.
- Table 2에서와 같이 흡수율 변화에 따른 상대 색상값의 변화를 비교하면, 20, 40MPa 강도에서는 흡수율이 7%이상에서는 상대색상변화는 82%〜89%, 흡수율이 5.4%〜7%에서는 상대색상변화는 89%〜97%, 흡수율이 5%미만에서 상대색상변화는 100%를 나타내고 있어 흡수율이 증가될수록 색상 값의 변화가 컸다.
- 가열면의 색상변화는 육안으로 관찰한 결과 800℃ 가열조건에서 20MPa, 40MPa 공시체는 확연한 붉은 색상으로 변하였으며 60M任a에서는 별다른 색상변화는 없었다. 또한 600℃의 가열조건에서 20M@a, 40MPa는 옅은 붉은 색상으로 변하였으나 60MPa에서는 별다른 색상변화가 관찰되지 않았다.
- 7%를 나타내던 흡수율이 400℃ 부근에서는 6% 정도를 나타내다가 500℃ 이후에는 8%이상 값으로 온도가 상승될수록 점점 증가되었다. 또한 400℃ 이하에서는 20MPa, 40MPa 흡수율이 60MPa보다 크게 나타났으며 60MPa경우 500℃이상 급격한 흡수율 증가가 있었다. Fig.
- 없었다. 또한 600℃의 가열조건에서 20M@a, 40MPa는 옅은 붉은 색상으로 변하였으나 60MPa에서는 별다른 색상변화가 관찰되지 않았다.
- 또한 60M頂a에서는 흡수율이 8%이상에서는 상대색상변화는 81%〜87%, 흡수율이 5%〜6%에서는 상대색상변화는 91%〜95%, 흡수율이 4%미만에서 상대색상변화는 100%를 나타내고 있어 20, 40MPa에 비해 흡수율 변화가 커지면서 색상 변화도 크게 나타났다.
- 또한 800℃ 가열조건에 노출된 공시체는 6cm 깊이까지는 압축강도가 20%이하로 저감되었으며, 공시체 깊이가 깊어질수록 증가하다가 10cm 이후로 강도 저감이 미약한 것으로 나타나 가열온도 증가할수록 강도 저감이 더 심화됨을 알 수 있다.
- 특히 800℃ 가열조건에서 150℃일 때 3cm 위치의 열전대가 급격한 온도상승을 보이고 있는데, 이는 열이 공시체에 발생한 균열을 통해 열전대에 직접 전달되었기 때문인 것으로 판단된다. 또한, 공시체 깊이별로 시간 변화에 따른 온도 증가 경향은 600℃와 800℃ 가열구간인 45분과 1시간까지는 가파르게 온도가 증가하고 2시간 유지구간에서는 완만한 온도 증가 경향을 나타내고 있으며, 그 이후에는 자연냉각상태로 온도가 감소됨을 알 수 있다.
- 11과 같다. 수열온도 600℃ 가열조건에 노출된 공시체는 수열 면에서 4cm 깊이까지는 잔존 강도율이 강도에 상관없이 50%미만을 나타내고 있었고, 공시체 깊이가 깊어질수록 증가하다가 6cm이후로는 강도의 손실이 없는 것으로 나타났고, 특히 깊이 4cm구간까지는 20MPa, 40MPa 강도에 비해 60MPa 강도 공시체의 강도저감이 더 큰 것으로 나타났다.
- 반면 600℃ 가열조건의 경우 3cm에서 514℃, 6cm에서 326℃, 9cm에서 130℃, 12cm에서 95℃, 15cm에서 26℃였다. 이를 비교할 때 800℃ 가열조건에서 최고 온도가 600℃ 가열조건보다 3%~21% 높은 것으로 나타났다. 특히 800℃ 가열조건에서 150℃일 때 3cm 위치의 열전대가 급격한 온도상승을 보이고 있는데, 이는 열이 공시체에 발생한 균열을 통해 열전대에 직접 전달되었기 때문인 것으로 판단된다.
- 특히 60MPa 공시체의 경우 두 가지 특징이 나타났다. 첫째로 4cm 깊이까지는 흡수율이 급격히 감소하다가 6cm이후에서는 완만하게 감소되는 경향과 둘째로 4cm 이전에서는 흡수율이 20MPa, 40MPa보다 큰 값이나 6cm 이후에서는 20MPa, 40MPa의 흡수율보다 적어지는 경향이었다. 이는 깊이 4cm 에서 공시체 온도가 500℃에 도달되며, 고강도일수록 조직이 치밀하여 균열 발생 및 수분 증발에 의한 공극발생이 촉진되기 때문에 공시체의 흡수율이 커지고 있다고 판단된다.
후속연구
- 3) 본 연구에서 제안한 가열조건 및 강도별로 공시체 깊이에 따른 잔존강도의 정량적 평가 기법은 화재 피해를 입은 슬래브나 벽체의 코어링 공시체에 적용하여 잔존강도 판단을 위한 평가 방법으로 활용할 수 있을 것이다.
- 4) 수열온도별 콘크리트 잔존강도 값은 가열온도, 콘크리트 강도 등의 변수나 실험방법에 따라 그 값이 달라지므로 기존 기준의 적용 시 세심한 주의가 필요하며, 또한 화재 구조물의 손상도를 객관적으로 평가하기 위한 평가방법 및 지침의 개발이 필요하다.
- 따라서 시험체가 같은 온도를 경험하여도 잔존강도가 상이한 값으로 나타나고 있어 기존 기준의 세심한 적용이 필요하며 이에 영향을 주는 변수에 대한 추가연구가 필요함을 알 수 있다.
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