[논문]고강도콘크리트의 최신 폭렬 방지 기술

한천구; 양성환; 한민철; 김성운; 이승훈; 김우재

doi:10.22636/mkci.2008.20.5.43

고강도콘크리트의 최신 폭렬 방지 기술
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문제 정의

그러므로 본고에서는 이러한 배경하에 최근 연구되고 일부 실용화 단계에 근접한 고강도콘크리트의 화재시 단면손실을 최소화하여 내화성능을 확보할 수 있는 각종 폭렬방지 기술을 소개하고자 한다.
본고에서는 현재 국내외에서 연구·개발되고 있는 고강도콘크리트의 화재시 폭렬 방지 및 내화성능 향상을 위한 최신 공법들을 소개하였는데, 일본, 유럽 및 호주를 위시한 선진국에서는 고강도콘크리트의 폭렬문제에 대한 심각성을 이미 충분히 인지하고 대책을 수립하여 다양한 폭렬방지 대책 개발, 이들의 실용화 및 관련 규격의 제정에 이르는 성과를 도출해 내고 있다.

가설 설정

① 복잡한 단면형상, 배관부분과 같은 좁은 공간에서의 시공이 편리하다.
② 피해를 입은 콘크리트의 보수에 적합하다.
③ 곡선의 구체인 경우는 내화성능이 감소한다.

제안 방법

삼성물산(주) 건설부분에서는 설계강도 50～150MPa급 고강도콘크리트에 PP섬유를 혼입하여 콘크리트의 폭렬을 방지하는 공법을 개발하고, 이를 노출 고강도콘크리트 기둥에 적용하였는데, 60MPa급 고강도콘크리트에는 길이 6mm에 직경 40㎛ 인 PP 섬유 0.17 %를 사용하였으며, 80MPa급 초고강도콘크리트에는 0.20%를 혼입하였다.

성능/효과

<사진 6(a) 및 6(b)>는 각각 접착공법과 건식공법의 3 시간내화시험 후 결과와 각각 접착공법과 건식공법의 온도이력을 나타낸 그래프이다. 3시간 내화 시험 결과 접착공법 및 건식공법 모두 폭렬이 발생하지 않고 원래의 모습을 그대로 유지하고 있었으며, 접착공법 시험체의 경우 주근부 최고온도가 436 ℃, 건식 공법 시험체의 경우 주근부 최고온도는 111℃로 양호한 폭렬방지 성능을 나타내었다.
본 고에서는 다루지 않았지만, 필자 등의 연구결과에 의하면⁶⁾ 같은 직경에서 형상비가 약 1580 이상으로 크게 되면 섬유의 분산성이 좋지 않아 오히려 폭렬이 발생하는 것을 확인하였다. 따라서 ‘섬유의 직경 및 길이가 일정한 범위 이내일 때, 형상비가 클수록 고강도콘크리트의 폭렬방지에 우수한 성능을 나타낸다.’는 것이 보다 정확한 표현일 것으로 생각된다.
<사진 2(c)>에 건식 마감방법으로 보드를 부착한 RC 구조체의 내화실험 결과를 나타내었는데, 이중 석고보드 부착 및 대리석 부착의 경우는 마감 시공시 접착본드의 무력화 및 패스너가 고온에서 녹아 마감재가 떨어지면서 극심한 파괴폭렬을 나타내었으나, 고정식 고정 철물을 이용하여 내화판을 이격시켜 마감한 시험체와 밀착 마감한 시험체의 경우는 양호한 폭렬방지 특성을 나타내었는데, 특히 내화판을 이용하여 밀착 마감한 시험체는 마감에 의한 급격한 고열 차단 및 횡구속 효과까지 발생하여 우수한 폭렬방지 특성을 나타내었다.
이를 검증하기위해 ISO 834에 의한 3시간 내화실험 결과 폭렬이 발생하지 않음을 확인하였고 이 공법을 적용하여 실구조체타설을 완료한 바 있다<사진 7, 8 참조>;. 이와 연관하여 현재, 삼성물산(주)건설부문에서는 콘크리트 폭열제어용 섬유, 내화성능이 향상된 철근콘크리트 기둥, 부분피복을 통한 철근콘크리트 내화구조 및 습식 내화피복 방법 등 4개의 특허를 보유하고 있는 상황이다.
이와 연관하여 <사진 2(a)>에서 알 수 있듯이 모르타르를 이용하여 마감한 경우 섬유 무혼입 모르타르는 피복이 고온에 벗겨지면서 부재의 박리폭렬이 나나났으나, PP 섬유, PVA 섬유 및 CL 섬유 등을 혼입한 경우 3시간의 내화시험 동안 마감재의 탈락이 방지되어 양호한 폭렬방지 성능을 확보하는 것을 알 수 있다. 특히, PVA 섬유 및 PP 섬유를 혼입한 모르타르를 18mm 두께로 뿜칠 마감한 경우는 양호하게 고열을 차단하여 주근위치의 온도를 약 50% 정도 저감시키는 것으로 나타나 18mm 두께의 PVA 섬유복합 모르타르로 뿜칠 마감하면 3시간 정도의 내화성능은 확보될 수 있을 것으로 판단된다.
한편, 필자 등은 에서 보듯이 유기섬유를 복합사용하여 폭렬방지효과를 얻고자 하였는데, NY 섬유, PP 섬유를 혼입한 경우 섬유 혼입률 0.05 %이상에서는 모두 폭렬이 발생하지 않은 것으로 나타나 기존 PP 섬유 단독 사용시 0.10 %이상에서 폭렬이 방지되는 것과 비교 할 경우 섬유 사용량을 절반으로 줄여도 폭렬방지 효과가 나타남을 확인할 수 있었다.

후속연구

우리나라의 경우도 국토해양부 고시를 포함한 정부차원의 대책마련과 이에 대응하는 대형 건설사들의 기술개발 및 실용화 움직임이 활발하게 진행되고 있어 무척 다행스럽게 받아들여지고 있다. 결국 향후 고성능 콘크리트의 폭렬방지 공법으로서 각광을 받을 수 있는 최신기술은 우수한 폭렬방지 성능은 기본으로 하고 보다 경제적이면서도 우수한 시공성 및 유지 관리 성능을 확보해야할 것으로 판단되며, 아울러 콘크리트의 압축강도가 초고강도 영역에 진입할 경우 폭렬에 대한 적절한 대처는 더욱 어렵게 되므로 이 부분에 대한보다 심도 있는 연구개발이 필요할 것으로 사료된다.

핵심어

질문

논문에서 추출한 답변

건축물은 화재시 어떤 대책이 마련되어야 하는가?

건축물은 화재시 인명안전, 재산보호의 관점에서 일정시간 내화성능의 확보와 함께 구조적인 안전대책이 마련되어야 한다. 하지만, 현행 건축법이 제정될 당시 콘크리트구조물의 대부분은 일반강도의 보통 콘크리트로서 화재 발생시에도 콘크리트 구조체에는 심각한 피해가 발생하지 않아 이에 대한 검토가 충분치 않았다.

고강도콘크리트의 화재시 폭렬이 발생할 경우 어떤 현상이 일어나는가?

이러한 고강도콘크리트에 폭렬이 발생할 경우 콘크리트 구조체의 부재표면이 심한 폭음과 함께 박리․탈락하고 이로 인한 피복 콘크리트의 결손으로 그 내부까지 고온이 전달되며, 또한 철근이 노출되어 고온을 받게 되면 철근의 강도저하로 구조부재는 치명적인 내력저하를 초래하여 결국에는 붕괴를 일으킬 수 있는 원인이 되기도 한다.

고강도콘크리트의 특징은?

하지만, 현행 건축법이 제정될 당시 콘크리트구조물의 대부분은 일반강도의 보통 콘크리트로서 화재 발생시에도 콘크리트 구조체에는 심각한 피해가 발생하지 않아 이에 대한 검토가 충분치 않았다. 그러나 최근 건설 구조물은 초고층화 및 대형화와 함께 콘크리트의 고강도화도 꾸준히 이루어져 왔는데, 이러한 고강도콘크리트는 조직이 치밀하여 강도가 크고, 내구성이 우수한 반면, 화재시 폭렬에 취약하고, 내화성이 크게 저하되는 문제점을 지니고 있다. 특히, 여러 학자들은 압축강도 40MPa 이상 고강도콘크리트의 화재시 폭렬발생에 대한 검토를 신중히 제기하고, 설계 단계에서 내화성능을 반드시 확보해야 만하는 것을 문제점으로 지적하고 있다.

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