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문제 정의
- 따라서, 본 연구에서는 기존연구(12)에서 시공성, 경제성 면으로 가장 효율적인 것으로 밝혀진 복합 유기 섬유 혼입 방법을 대상으로 그 혼입률 변화와 화재시 ISO 834와 RABT(Richtlinien fur die Ausstatung und den Betrieb won Stra entunneln) 등 가열 온도 곡선 변화에 따른 내화시험을 실시한 후 폭렬성상 및 잔존압축강도특성 등을 검토함으로써, 화재시 고강도 콘크리트 건축물의 내화안정성에 기여하고자 한다.
제안 방법
- 4와 같은 ISO 및 RABT 가열온도곡선에서 규정하는 표준가열 곡선에 따라 실시하였다. 내화시험후 공시체의 폭렬여부는 육안으로 관찰하여 조사하였고, 질량감소율은 내화시험 전후 각 시험체의 중량을 측정하여 백분율로 구하였으며, 폭렬등급은 질량감소율을 기준으로 비폭렬~1/4 폭렬일 때 1등급, 1/4~2/4 폭렬일 때 2등급, 2/4~3/4 폭렬일 때 3등급, 3/4~4/4 폭렬일 때 4등급 등 총 4개의 등급으로 분류하여 평가하였다.
- 즉, 고강도 콘크리트의 내화성능 실험계획으로 W/B는 25%의 1수준에 대해, 시멘트에 대한 질량비로 플라이애시(이하 FA) 20% 및 실리카퓸(이하 SF) 10%를 동시에 혼입하고 섬유를 무혼입한 것을 플레인 배합으로 하였다. 배합변수로는 여기에 폭렬방지용 유기섬유로서 폴리프로필렌섬유(이하 PP섬유)와 나일론섬유(이하 NY 섬유)를 1:1비로 혼입한 복합유기섬유의 혼입률을 0.01, 0.02, 0.03, 0.04, 0.05, 0.10, 0.15%의 7 수준으로 변화시켜 실험 계 획 하였다. 실험요인으로, 가열온도곡선 변화는 ISO가열온도곡선과 RABT 가열온도곡선의 2 수준으로 총 14 종류의 공시체를 제작하는 것으로 계획하였다.
- 본 연구는 고강도 콘크리트의 복합유기섬유의 혼입률 변화 및 ISO와 RABT의 가열온도곡선 변화에 따른 내화시험을 실시한 후 폭렬방지성상 및 잔존 압축강도 특성 등을 분석한 것으로, 그 결과를 요약하면 다음과 같다.
- 본 연구에서 콘크리트의 혼합은 강제식 팬타입 믹서를 사용하여 혼합하였다. 즉, 먼저 시멘트, 잔골재, 굵은 골재 및 복합유기섬유를 동시에 믹서에 넣고 30초간 건비빔을 실시한 후 물을 넣고 다시 60초간 비빔을 실시한 다음, 혼화제를 넣고 재차 90초간 비빔을 실시한 후에 배출하는 것으로 하였다.
- 실험사항으로, 굳지 않은 콘크리트에서는 슬럼프 플로우, 공기량, 단위용적질량을 측정하였고, 경화 콘크리트에서는 계획된 재령에서 압축강도, 인장강도, 내화시험 후의 폭렬유무, 폭렬등급, 질량감소율 및 잔존 압축강도를 측정하는 것으로 하였다.
- 15%의 7 수준으로 변화시켜 실험 계 획 하였다. 실험요인으로, 가열온도곡선 변화는 ISO가열온도곡선과 RABT 가열온도곡선의 2 수준으로 총 14 종류의 공시체를 제작하는 것으로 계획하였다.
- 이때 배합사항으로, 플레인 콘크리트는 목표 슬럼프 플로우 600±100 mm, 목표 공기량은 3.0±1.0%가만족되도록 배합설계한 다음 실험변수별 동일한 배합조건을 적용하였다.
- 2와 같다. 즉, 고강도 콘크리트의 내화성능 실험계획으로 W/B는 25%의 1수준에 대해, 시멘트에 대한 질량비로 플라이애시(이하 FA) 20% 및 실리카퓸(이하 SF) 10%를 동시에 혼입하고 섬유를 무혼입한 것을 플레인 배합으로 하였다. 배합변수로는 여기에 폭렬방지용 유기섬유로서 폴리프로필렌섬유(이하 PP섬유)와 나일론섬유(이하 NY 섬유)를 1:1비로 혼입한 복합유기섬유의 혼입률을 0.
- 사용하여 혼합하였다. 즉, 먼저 시멘트, 잔골재, 굵은 골재 및 복합유기섬유를 동시에 믹서에 넣고 30초간 건비빔을 실시한 후 물을 넣고 다시 60초간 비빔을 실시한 다음, 혼화제를 넣고 재차 90초간 비빔을 실시한 후에 배출하는 것으로 하였다.
- 2423에 의거 실시하였다. 화재를 상정한 내화시험은 Fig. 3과 같이 공시체를 종류별로 바닥용 내화시험 가열로 내에 수직으로 배치하여 놓고, Fig. 4와 같은 ISO 및 RABT 가열온도곡선에서 규정하는 표준가열 곡선에 따라 실시하였다. 내화시험후 공시체의 폭렬여부는 육안으로 관찰하여 조사하였고, 질량감소율은 내화시험 전후 각 시험체의 중량을 측정하여 백분율로 구하였으며, 폭렬등급은 질량감소율을 기준으로 비폭렬~1/4 폭렬일 때 1등급, 1/4~2/4 폭렬일 때 2등급, 2/4~3/4 폭렬일 때 3등급, 3/4~4/4 폭렬일 때 4등급 등 총 4개의 등급으로 분류하여 평가하였다.
대상 데이터
- 골재로써 잔골재는 국내 P사산 부순 잔골재와 천연 잔골재를 1:1로 혼합한 잔골재를 사용하였으며, 굵은골재는 국내 P사산 20 mm 부순 굵은골재를 사용하였는데, 그 물리적 성질은 Table 4와 같고, 입도곡선은 Fig. 1과 같다. 혼화재로서 플라이애시 및 실리카퓸은 국내에서 일반적으로 유통되는 것을 사용하였는데, 그 물리.
- 본 실험에 사용한 시멘트는 국내산 보통 포틀랜드시멘트를 사용하였는데, 그 물리적 성질은 Table 3과 같다. 골재로써 잔골재는 국내 P사산 부순 잔골재와 천연 잔골재를 1:1로 혼합한 잔골재를 사용하였으며, 굵은골재는 국내 P사산 20 mm 부순 굵은골재를 사용하였는데, 그 물리적 성질은 Table 4와 같고, 입도곡선은 Fig.
- 1과 같다. 혼화재로서 플라이애시 및 실리카퓸은 국내에서 일반적으로 유통되는 것을 사용하였는데, 그 물리.화학적 성질은 각각 Table 5, 6과 같다.
이론/모형
- 경화 콘크리트의 실험으로 압축강도 및 잔존 압축강도는 0100x200 mm 공시체를 KS F 2403 규정에 의거 제작한 다음 계획된 소정 재령 및 내화시험후 KS F 2405 규정에 의거 측정하였고, 인장강도는 KS F 2423에 의거 실시하였다. 화재를 상정한 내화시험은 Fig.
- 굳지 않은 콘크리트의 실험으로 슬럼프플로우는 KS F 2594, 공기량은 KS F 2421, 단위용적질량은 KS F 2409의 규정에 의거 실시하였다.
성능/효과
- 1) 복합유기섬유 혼입 콘크리트의 기초적 특성으로 유동성은 섬유혼입률이 증가할수록 직선적으로 저하하는 경향이었고, 공기량은 약간의 증가 또는 감소의 경향은 있었으나 큰 차이 없었으며, 28일 압축강도는 완만한 감소경향을 나타내었다.
- 2) 내화특성으로, RABT 가열온도곡선의 경우는 ISO 가열온도곡선에 비해 복합유기섬유 혼입률이 많은 범위까지 폭렬양상을 나타내었으나, 주로 박리폭렬일뿐 내부까지 극심한 폭렬양상은 발생하지 않았다. 결국 W/B 25%인 고강도 콘크리트의 경우 ISO 가열온도 곡선은 섬유의 혼입률 0.
- 3) 가열온도곡선 변화에 따른 질량감소율은 폭렬이 방지된 경우 ISO 가열온도곡선은 7%전후, RABT 가열온도곡선은 9%전후로 나타났다.
- 4) 가열온도곡선변화에 따른 잔존압축강도율은 폭렬이 방지된 경우 ISO 가열온도곡선은 50%~60%, RABT 가열온도곡선은 30%~35%를 나타내었다. 이상을 종합하면, 섬유의 혼입률 0.
- 않았다. 결국 W/B 25%인 고강도 콘크리트의 경우 ISO 가열온도 곡선은 섬유의 혼입률 0.04%이상에서, RABT 가열온도곡선의 경우는 섬유의 혼입률 0.10% 이상에서 폭렬이 방지되는 것으로 나타났다.
- 10%이상에서는 충분한 섬유량에 의한 수증기의 양호한 배출로 박리폭렬도 방지되는 것으로 분석된다. 따라서, RABT와 같이 급격한 고온조건의 경우에는 ISO 가열조건보다 폭렬의 심각도는 작을지라도 박리폭렬이 발생하므로서 일반적인 내화대책에 필요한 섬 유량보다 더 많은 섬유가 필요한 것을 알 수 있다.
- 또한, RABT 가열온도곡선에 따른 잔존압축 강도는 플레인 콘크리트의 경우 역시 심한 폭렬현상이 발생하여 강도측정이 불가능하였고, 섬유의 혼입률 변화에 따라서는 잔존압축강도가 증가하는 것으로 나타났는데, 폭렬이 비교적 적게 발생 또는 방지된 섬유의 혼입률 0.04%~0.15% 에서 잔존압축강도율은 28.8%~ 35%로 작게 나타났다.
- 04%이상에서는 충분한 양의 섬유가 고온에 녹아 통로를 형성하면서 효과적인 수증기 배출로 폭렬이 방지된 것으로 판단된다. 또한, RABT 가열온도곡선의 경우는 초기의 갑작스러운 고온 상승에 의해 콘크리트 표면의 수증기압이 급격히 상승됨에 따라 섬유의 혼입율 0.05%에서도 콘크리트의 표면이 부분적으로 박리되는 박리폭렬이 발생되었고, 섬유의 혼입율 0.10%이상에서는 충분한 섬유량에 의한 수증기의 양호한 배출로 박리폭렬도 방지되는 것으로 분석된다. 따라서, RABT와 같이 급격한 고온조건의 경우에는 ISO 가열조건보다 폭렬의 심각도는 작을지라도 박리폭렬이 발생하므로서 일반적인 내화대책에 필요한 섬 유량보다 더 많은 섬유가 필요한 것을 알 수 있다.
- 10은 가열온도곡선별 복합유기섬유의 혼입률 변화에 따른 내화시험 직후 질량감소율을 나타낸 것이다. 먼저 ISO 가열온도곡선에 따른 내화시험 직후 질량감소율은 플레인의 경우 74% 전후로 크게 나타났고, 복합유기섬유의 혼입률 변화에 따라서는 감소하는 경향이었는데, 섬유의 혼입률 0.03%이상에서는 공히 7%전후로 비교적 적게 나타났다. 반면, RABT 가열온도 곡선에 따른 내화시험 직후 질량감소율은 플레인의 경우 65% 정도로 크게 발생하긴 하였지만 ISO 가열온도곡선보다는 작게 나타났고, 복합 유기 섬유의 혼입률 변화에 따라서는 0.
- 먼저 ISO 가열온도곡선에 따른 내화특성으로, 섬유를 혼입하지 않은 플레인의 경우는 급격한 고온에 심한 폭렬이 발생하여 폭렬등급이 4 등급으로 낮게 나타났다. 복합유기섬유의 혼입률 증가에 따라서는 혼입률 0.
- 먼저, ISO 가열온도곡선에 따른 잔존압축강도는 플레인 및 섬유의 혼입률 0.02% 이하에서는 심한 폭렬로강도측정이 불가였고, 섬유의 혼입률 0.03%~0.15%에서는 잔존압축강도율이 33.9%~59.4% 범위로 섬유의 혼입률이 증가할수록 증가하는 경향을 나타내었다.
- 03%이상에서는 공히 7%전후로 비교적 적게 나타났다. 반면, RABT 가열온도 곡선에 따른 내화시험 직후 질량감소율은 플레인의 경우 65% 정도로 크게 발생하긴 하였지만 ISO 가열온도곡선보다는 작게 나타났고, 복합 유기 섬유의 혼입률 변화에 따라서는 0.02%까지는 ISO 가열온도 곡선보다 작게 나타났지만 그 이후에는 크게 나타났다. 즉, 폭렬이 발생하지 않은 섬유 혼입률 0.
- 복합유기섬유의 혼입률 변화에 따라서는 혼입률 0.01%에서는 심한 파괴폭렬현상이 발생하였고, 섬유의 혼입률 0.02~0.05% 범위내에서는 폭렬등급은 1등급을 기록하였으나, 여전히 일부 박리폭렬이 발생하는 것으로 나타났다. 단, 섬유의 혼입률이 0.
- 복합유기섬유의 혼입률 변화에 따른 28일 압축강도는 먼저 플레인의 경우 76.5MPa로 고강도 범위를 나타내었고, 섬유의 혼입률 변화에 따라서는 완만한 감소 경향을 나타내었는데, 이는 섬유와 콘크리트간의 부착 강도가 압축강도에 거의 영향을 미치지 못함에 기인한 것으로 판단된다.
- 복합유기섬유의 혼입률 변화에 따른 단위 용적 질량은 공기량의 경향과 유사하게 전반적으로는 큰 차이가 없는 것으로 나타났다.
- 복합유기섬유의 혼입률 변화에 따른 인장강도는 압축강도의 8% 전후로, 섬유의 혼입률 0.03% 이하에서는 약간의 감소하는 경향을 나타내다가 그 이상 혼입률에서는 압축강도와 달리 큰 차이 없는 것으로 나타났다.
- 폭렬이 발생하여 폭렬등급이 4 등급으로 낮게 나타났다. 복합유기섬유의 혼입률 증가에 따라서는 혼입률 0.02%이하에서는 역시 심한 탈파괴폭렬이 발생하였고, 혼입률 0.03%에서는 약간의 박리폭렬이 발생하였으며, 그 이상 혼입률에서는 폭렬이 방지되어 공시체의 원래의 형상을 양호하게 유지하는 것으로 나타났다.
- 섬유를 무혼입한 플레인 콘크리트는 목표 공기량을 만족하는 것으로 나타났고, 복합유기섬유의 혼입률 변화에 따라서는 섬유의 혼입률 0.05%까지는 공기량이 약간 저하하다가 그 이상에서는 다시 약간 증가하는 경향을 나타내었으나 전반적으로는 큰 차이 없는 것으로 분석된다.
- 섬유를 무혼입한 플레인 콘크리트는 목표 슬럼프플로우치를 만족하는것으로 나타났고, 섬유의 혼입률 증가에 따라서는 거의 직선적으로 저하하는 경향이었다.
- 나타내었다. 이상을 종합하면, 섬유의 혼입률 0.02% 이하에서는 ISO 가열온도곡선의 경우 RABT 가열온도 곡선에 비해 더 심한 폭렬현상이 발생하였지만, 그 이상 혼입률에서는 RABT 가열온도곡선의 경우에서 박리폭렬이 더 심하게 발생되어 가스, 석유류 등 격심한 온조조건의 화재인 경우 건축구조물의 내화성 확보는 ISO 가열온도곡선에 따른 폭렬방지에 필요한 섬유량보다 더 많은 양이 확보되어야만 가능함을 알 수 있었다.
- 전체적으로, 가열온도곡선 변화에 따른 내화 특성으로 ISO 가열온도곡선의 경우는 섬유의 혼입률 0.04% 이상에서 폭렬이 방지되는 것으로 나타났지만, RABT 가열온도곡선의 경우는 섬유의 혼입률 0.05%에서도폭렬이 발생하였다. 이는 ISO가열온도곡선의 경우 섬유의 혼입률 0.
- 02%까지는 ISO 가열온도 곡선보다 작게 나타났지만 그 이후에는 크게 나타났다. 즉, 폭렬이 발생하지 않은 섬유 혼입률 0.10% 이상의 경우에도 질량감소율은 9%전후로 ISO 가열곡선에 비해 약 2%전후로 크게 나타났다.
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