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문제 정의
- 본 연구에서는 폴리프로필렌섬유의 혼입률에 따른 내화(폭렬) 성능을 평가하고자 설계기준강도 60 MPa의 고강도콘크리트 기둥 공시체를 제작하여 내화실험을 실시하였다. 내화실험체는 가열시간별 내부온도를 측정하였으며 내화실험 이후 내화실험체의 표면을 관찰하였다.
- 이에 본 연구에서는 화재 발생시 고강도콘크리트의 폭렬을 방지하기 위해 사용되고 있는 폴리프로필렌섬유의 혼입량에 따른 내화성능을 평가하기 위하여 폴리프로필렌섬유의 혼입량에 따른 고강도 기둥부재에 대한 폭렬 및 내부온도 변화성능 평가를 실시하였다.
제안 방법
- 고강도콘크리트 기둥 공시체의 내화실험은 내화실험용 시편을 내화로에 거치한 이후 데이터 로거를 이용하여 열전대의 온도를 기록하였다. Fig.
- 본 연구에서는 폴리프로필렌섬유의 혼입률에 따른 내화(폭렬) 성능을 평가하고자 설계기준강도 60 MPa의 고강도콘크리트 기둥 공시체를 제작하여 내화실험을 실시하였다. 내화실험체는 가열시간별 내부온도를 측정하였으며 내화실험 이후 내화실험체의 표면을 관찰하였다. 다음은 고강도콘크리트 기둥 공시체의 내화실험 평가 결과이다.
- 고강도콘크리트 기둥 공시체의 내화성능을 평가하기 위하여 표준 화재 조건에 노출시킨 내화 시험 방법 (KS F 2257-1)에 따라 실험을 실시하였다. 실험은 한국건설기술 연구원 화재시험동에서 실시하였는데 내화실험을 위하여 ISO-834의 가열곡선을 적용하였으며 가열후 180분간 실험을 실시하여 최고온도 1,109℃에서 실험을 종료하였다.
- 본 연구에서는 내화시험용 고강도콘크리트 기둥 공시체 제작을 위하여 설계기준강도 60 MPa의 콘크리트 배합을 사용하였다. 특수 제작된 내화용 폴리프로필렌섬유의 혼입량은 각각 1.0, 1.2, 1.5 kg/m3으로 하였다. Table 2는 본 연구에서 사용한 고강도콘크리트 기둥 공시체의 배합설계를 나타낸다.
- 폴리프로필렌섬유 혼입량에 따른 콘크리트의 내화성능 향상에 관한 연구도 실시되었는데 이들 연구들에서는 폴리프로필렌섬유의 혼입에 따라 폭렬발생 및 잔존강도 등에서 우수한 특성을 발현하는 것으로 평가하였으며 폴리프로필렌섬유가 일정량 이상 혼입될 경우에는 폴리프로필렌섬유의 혼입량 증가에 따라 폭렬발생 및 잔존강도 등의 차이와 같은 내화성능 차이는 크게 발생하지 않는 것으로 평가하였다.3,4) 그러나 이러한 연구들에서는 폴리프로필렌섬유의 혼입 유무 및 혼입량에 따른 콘크리트의 물리·역학적 내화성능 평가를 실시하였을뿐 폴리프로필렌섬유 혼입량에 따른 콘크리트 내부온도 변화 및 부재의 위치별 내화 특성과 같은 연구는 실시하지 못하였다.
- 폴리프로필렌섬유 혼입에 따른 고강도콘크리트의 슬럼프 및 공기량을 측정하였다. 폴리프로필렌섬유를 혼입하지 않은 경우 슬럼프는 110 mm, 공기량은 2.
대상 데이터
- 고강도콘크리트 기둥 공시체를 피복두께 50 mm, 단면치수 270 × 270 × 3,000 mm의 크기로 제작하였다. 고강도 콘크리트 기둥부재의 내화실험을 위한 내화실험 공시체는 폴리프로필렌 섬유보강재를 사용하지 않은 것과 혼입한 것을 각각 제작하였다. 또한 내화실험중의 고강도콘크리트 기둥 공시체의 내부온도 변화를 측정하기 위하여 기둥 공시체 윗면으로부터 600 mm, 1,500 mm 및 2,400 mm의 위치에 K-Type의 열전대를 설치하였다.
- 고강도콘크리트 기둥 공시체를 피복두께 50 mm, 단면치수 270 × 270 × 3,000 mm의 크기로 제작하였다.
- 97의 강모래를 사용하였다. 굵은골재는 최대치수 19 mm, 비중 2.67의 부순골재를 사용하였다.
- 고강도 콘크리트 기둥부재의 내화실험을 위한 내화실험 공시체는 폴리프로필렌 섬유보강재를 사용하지 않은 것과 혼입한 것을 각각 제작하였다. 또한 내화실험중의 고강도콘크리트 기둥 공시체의 내부온도 변화를 측정하기 위하여 기둥 공시체 윗면으로부터 600 mm, 1,500 mm 및 2,400 mm의 위치에 K-Type의 열전대를 설치하였다. 내화실험용기둥 공시체의 단면 및 열전대 위치는 Fig.
- 본 연구에서 사용된 섬유보강재는 화재 발생시 고강도 콘크리트의 폭렬을 효과적으로 방지하기 위하여 직경과 길이가 다른 3데이어 5 mm, 5데니어 10 mm의 폴리프로필렌섬유를 7:3의 비율로 사용하였다.3,4) 본 연구에서 사용된 폴리프로필렌섬유의 일반적인 물성은 Table 1과 같다.
- 본 연구에서는 H사의 1종 보통포틀랜드시멘트를 사용하였으며, 잔골재는 비중 2.66, 조립률 2.97의 강모래를 사용하였다. 굵은골재는 최대치수 19 mm, 비중 2.
- 본 연구에서는 내화시험용 고강도콘크리트 기둥 공시체 제작을 위하여 설계기준강도 60 MPa의 콘크리트 배합을 사용하였다. 특수 제작된 내화용 폴리프로필렌섬유의 혼입량은 각각 1.
이론/모형
- 고강도콘크리트 기둥 공시체의 내화성능을 평가하기 위하여 표준 화재 조건에 노출시킨 내화 시험 방법 (KS F 2257-1)에 따라 실험을 실시하였다. 실험은 한국건설기술 연구원 화재시험동에서 실시하였는데 내화실험을 위하여 ISO-834의 가열곡선을 적용하였으며 가열후 180분간 실험을 실시하여 최고온도 1,109℃에서 실험을 종료하였다.
성능/효과
- 1) 따라서 폴리프로필렌섬유의 혼입을 통해 폭렬발생은 효과적으로 방지할 수는 있으나 내부온도 저하에 있어서는 폴리프로필렌섬유가 규정을 만족할 만한 역할을 하지는 못하는 것으로 나타났다. 폴리프로필렌섬유를 혼입한 기둥 공시체의 내화시험후 표면형상 및 내부 온도 분포 결과는 Figs.
- 1) 폴리프로필렌섬유를 혼입하지 않은 고강도콘크리트 기둥 공시체의 경우 내화시험후 전단면에 걸쳐 폭렬이 심하게 발생하였으며 가열시간에 비례하여 내부온도가 증가하였다.
- 2) 폴리프로필렌섬유의 혼입양에 따른 최고내부온도 증가에 있어서는 혼입량에 따라 큰 차이를 보이지 않았으나 평균내부온도에 있어서는 폴리프로필렌섬유의 혼입량이 증가할수록 평균내부온도가 저하되는 결과를 나타냈다. 그러나 내부온도 저하에 있어서는 큰 효과를 나타내지 않는 것으로 나타났다.
- 3) 열전대의 위치별 내부온도 증가에 있어서는 최고 온도를 보인 모서리 부분과 내부 온도차가 크게 나타나 온도 증가의 편차가 크게 발생하였으며 폴리프로필렌섬유 혼입량에 따른 열전대 위치별 내부온도 증가에 있어서도 혼입량에 따른 내부온도 증가의 상관관계가 거의 없는 결과를 나타냈다.
- 고강도콘크리트 기둥 공시체의 내화시험 결과 폴리프로필렌섬유를 혼입하지 않은 기둥 공시체의 경우 내화시험후 전단면에 걸쳐 폭렬이 심하게 발생하였으며 가열시간에 비례하여 내부온도가 증가하였다.
- 고강도콘크리트 기둥 공시체의 재령 28일 압축강도를 측정한 결과 폴리프로필렌섬유를 혼입하지 않은 기둥 공시체의 압축강도는 60.6 MPa이었으며 폴리프로필렌섬유를 1.0 kg/m3을 혼입한 경우는 59.7 MPa, 1.2 kg/m3을 혼입한 경우는 59.1 MPa, 1.5 kg/m3을 혼입한 경우는 61.4 MPa 의 압축강도를 나타냈다. 시험 결과 재령 28일의 설계압축강도인 60 MPa과 큰 차이를 나타내지 않아 목표 압축 강도를 만족하는 결과를 나타냈으며 폴리프로필렌섬유가 고강도콘크리트의 압축강도에 큰 영향을 주지 않는 것으로 나타났다.
- 이는 폭렬이 발생하지 않아 내부까지 온도 전달이 늦춰진 것으로 판단된다. 그러나 열전대의 각 위치별 내부온도 증가에 있어서는 최고 온도를 보인 모서리 부분과 내부 온도차가 크게 나타나 온도 증가의 편차가 크게 발생하였으며 폴리프로필렌섬유 혼입량에 따른 열전대 위치별 내부온도 증가에 있어서도 혼입량에 따른 내부온도 증가의 상관관계가 거의 없는 결과를 나타냈다. 이는 폴리프로필렌섬유가 내화시험중 발생하는 기둥 시험체의 균열을 효과적으로 제어하지 못하여 미세균열이 많이 발생한 기둥 시험체 부위에 위치한 열전대의 온도 증가가 컸기 때문인 것으로 판단된다.
- 열전대 위치 A,B,C에서는 최고 내부온도가 약 700℃에 달했으나 콘크리트 기둥 부재의 중앙부에 위치한 열전대 위치 D에서는 최고 내부온도가 약 500℃에 그쳐 약 200℃낮은 온도차를 나타냈다. 따라서 열전대 위치별 내부온도 결과에서는 부재의 중앙부 보다는 모서리 부분에서의 온도 증가가 큰 것으로 나타났다. 하지만 폴리프로필렌 섬유 혼입률에 따른 내부온도 저감의 효과에 있어서는 폴리프로필렌섬유 혼입률과는 상관관계가 없는 내부온도 결과를 나타냈다.
- 시험 결과 목표 슬럼프 및 공기량인 슬럼프 100 mm, 공기량 3 ± 1%의 유효범위에 만족하는 결과를 나타내었으며 폴리프로필렌섬유가 고강도콘크리트의 공기량 및 슬럼프에 큰 영향을 주지 않는 것으로 나타났다.
- 4 MPa 의 압축강도를 나타냈다. 시험 결과 재령 28일의 설계압축강도인 60 MPa과 큰 차이를 나타내지 않아 목표 압축 강도를 만족하는 결과를 나타냈으며 폴리프로필렌섬유가 고강도콘크리트의 압축강도에 큰 영향을 주지 않는 것으로 나타났다.
- 열전대 위치별 온도변화 결과에서는 모든 시편에서 시험 종료시간인 180분경 최고 온도를 나타내었다. Control 시편의 경우 극심한 폭렬의 발생으로 모든 위치에서 높은 온도 증가를 보였다.
- 폴리프로필렌섬유 혼입 유무에 따라 내화시험후 폭렬 발생 유무의 차이가 뚜렷하였으며 특히 폴리프로필렌섬유를 1.0 kg/m3 혼입한 경우와 폴리프로필렌섬유를 혼입하지 않은 경우 평균 내부온도의 차가 크지 않았음에도 폭렬의 발생 차이가 뚜렷하였다. 이는 폴리프로필렌섬유가 폭렬의 발생을 크게 저감시킨 것으로 평가된다.
- 폴리프로필렌섬유를 혼입한 3종의 고강도콘크리트 기둥 공시체의 경우 내화시험후 폭렬이 발생하지 않았으며 폴리프로필렌섬유를 혼입하지 않은 기둥공시체보다 평균 내부온도 및 최고내부온도 모두 낮은 결과를 나타냈다.
- 폴리프로필렌섬유의 혼입률에 따른 최고온도 증가에 있어서는 혼입량에 따라 큰 차이를 보이지 않았으나 평균내부온도에 있어서는 폴리프로필렌섬유의 혼입량이 증가할수록 평균내부온도가 다소 저하되는 결과를 나타냈다. 폴리프로필렌섬유를 1.
- Control 시편의 경우 극심한 폭렬의 발생으로 모든 위치에서 높은 온도 증가를 보였다. 피복 50 mm 지점에 위치한 3곳의 열전대와 내부 중심에 위치한 열전대에서의 온도차이가 거의 나타나지 않았으며 높은 온도 증가를 나타냈다. 열전대 위치 A,B,C에서는 최고 내부온도가 약 700℃에 달했으나 콘크리트 기둥 부재의 중앙부에 위치한 열전대 위치 D에서는 최고 내부온도가 약 500℃에 그쳐 약 200℃낮은 온도차를 나타냈다.
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