최근 사용이 늘어나고 있는 고강도 콘크리트는 화재에 취약하여 고열에 의해 내부 수증기압의 상승으로 폭렬 현상이 발생하게 된다. 이러한 폭렬 현상의 방지 방안으로 유기질 섬유를 이용한 방법이 가장 많이 연구되고 있지만 이 방법은 결국 화재 후 콘크리트의 강도 저하를 초래하게 된다. 따라서 본 연구는 포비성 Alkali-Silicates계 내화재를 피복하여 유기질 섬유를 적용한 경우와 폭렬 특성 및 잔존 압축강도 특성을 검토하였다. 유기질 섬유의 혼입 방법으로 P.P, Nylon 섬유를 사용하였고, 내화 피복의 방법으로 포비성 Alkali-Silciates계 내화재를 사용하였다. 내화 시험은 자체 제작한 가열로에서 화염방사기를 이용하여 3시간 동안 화염 실험을 실시하였다. P.P 섬유를 혼입한 경우 폭렬은 방지 하였지만 잔존 압축강도는 측정할 수 없었고, 포비성 Alkali-Silicates계 내화재로 피복한 경우 폭렬 방지뿐만 아니라 잔존 압축강도가 최고 96%까지 유지되었다.
최근 사용이 늘어나고 있는 고강도 콘크리트는 화재에 취약하여 고열에 의해 내부 수증기압의 상승으로 폭렬 현상이 발생하게 된다. 이러한 폭렬 현상의 방지 방안으로 유기질 섬유를 이용한 방법이 가장 많이 연구되고 있지만 이 방법은 결국 화재 후 콘크리트의 강도 저하를 초래하게 된다. 따라서 본 연구는 포비성 Alkali-Silicates계 내화재를 피복하여 유기질 섬유를 적용한 경우와 폭렬 특성 및 잔존 압축강도 특성을 검토하였다. 유기질 섬유의 혼입 방법으로 P.P, Nylon 섬유를 사용하였고, 내화 피복의 방법으로 포비성 Alkali-Silciates계 내화재를 사용하였다. 내화 시험은 자체 제작한 가열로에서 화염방사기를 이용하여 3시간 동안 화염 실험을 실시하였다. P.P 섬유를 혼입한 경우 폭렬은 방지 하였지만 잔존 압축강도는 측정할 수 없었고, 포비성 Alkali-Silicates계 내화재로 피복한 경우 폭렬 방지뿐만 아니라 잔존 압축강도가 최고 96%까지 유지되었다.
Recently, the high-compressive strength concrete where the use is extending was weak in fire because of spalling that was occurring with rise of internal vapor pressure by high temperature. For preventing spalling of high-strength concrete in fire, Organic fibers have been using in concrete generall...
Recently, the high-compressive strength concrete where the use is extending was weak in fire because of spalling that was occurring with rise of internal vapor pressure by high temperature. For preventing spalling of high-strength concrete in fire, Organic fibers have been using in concrete generally. By melting of organic fibers in concrete in fire, the internal moistures of concrete moves quickly to the outside, and so, preventing of spalling of high-strength concrete. But this method will be able to prevent the spalling of high-strength concrete, but makes the decrease of the concrete strength after fire. This study make a comparison between properties of preventing of spalling and remaining compressive strength of concrete using intumescence Alkali-Silicates fire-resistant material and that of concrete with organic fibers. Using organic fibers for preventing of spalling of concrete are P.P and Nylon fibers, and anti-fire intumescence material for protection of concrete surface is alkali-silicate materials. Fire resistance test executed as long as 3 hr under the flame temperature $1,200^{\circ}C$ over. In the case of concrete with P.P fibers, don't occurred the spalling, but the remaining compressive strength will not be able to measure, the concrete using intumescence Alkali-Silicates system fire-resistant material is not only preventing of the spalling but also the remaining compressive strength maintained until the maximum 96%.
Recently, the high-compressive strength concrete where the use is extending was weak in fire because of spalling that was occurring with rise of internal vapor pressure by high temperature. For preventing spalling of high-strength concrete in fire, Organic fibers have been using in concrete generally. By melting of organic fibers in concrete in fire, the internal moistures of concrete moves quickly to the outside, and so, preventing of spalling of high-strength concrete. But this method will be able to prevent the spalling of high-strength concrete, but makes the decrease of the concrete strength after fire. This study make a comparison between properties of preventing of spalling and remaining compressive strength of concrete using intumescence Alkali-Silicates fire-resistant material and that of concrete with organic fibers. Using organic fibers for preventing of spalling of concrete are P.P and Nylon fibers, and anti-fire intumescence material for protection of concrete surface is alkali-silicate materials. Fire resistance test executed as long as 3 hr under the flame temperature $1,200^{\circ}C$ over. In the case of concrete with P.P fibers, don't occurred the spalling, but the remaining compressive strength will not be able to measure, the concrete using intumescence Alkali-Silicates system fire-resistant material is not only preventing of the spalling but also the remaining compressive strength maintained until the maximum 96%.
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문제 정의
따라서 본 연구는 석회석과 포비성 Alkali-silicates 복합계 내화재를 이용하여 3시간의 내화 시험을 실시함으로써 Nylon섬유와 P.P 섬유를 적용하였을 경우와의 비교를 통해 고강도 콘크리트의 폭렬 특성 및 잔존 압축강도 특성을 검토하였다.
제안 방법
고강도 콘크리트에 유기질 섬유를 혼입한 경우와 포비성 Alkali-Silicates계 내화재를 이용하여 피복한 경우의 내화특성 및 잔존 압축강도 특성을 비교한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.
내화 시험은 내화벽돌과 내화판을 이용하여 자체적으로 가열로를 제작하고 여기에서 시험체를 LPG를 연료로 하는 화염 방사기를 이용하여 화염에 의해 직접 가열하는 방법으로 실시하였다. 이 화염 방사기는 최고 1,300℃까지 상승하며 가열 온도 이력을 그림 3에 나타내었다.
내화 시험은 먼저 잔존 압축강도 측정을 위하여 3시간동안 공시체를 가열하였고, 내화 시험 후 육안으로 폭렬 여부를 관찰하여 조사한 후 잔존 압축강도를 측정하였다. 또한 내화재의 차열성 시험을 위해 육면형 시험체에 매립된 thermocouple을 KYOWA사의 10점식 Data Logger에 연결하여 3시간 동안의 화염에 대한 내화피복재의 차열성 시험을 진행하였다.
3시간 내화 시험 후 시험체의 잔존 압축강도 측정 결과를 그림 9에 나타내었다. 동일 재령에서 내화 시험을 하지 않은 시험체를 기준으로 하여 잔존 압축강도를 잔존율(%)로 나타내었다. 여기에서 4-1, 2, 3은 세 번의 내화 시험 후 압축강도 잔존율을 각각 나타낸 것이다.
이에 따라 1일간 방치 후 내화 피복재를 제거하여 보았으나 c)와 같이 원형 그대로의 시험체 형태를 유지하고 있음을 확인할 수 있었다. 따라서 내화 시험을 하지 않은 일반 시험체와 압축강도를 측정하여 비교하였다.
또한 내화 피복재의 차열성 시험을 위한 시험체는 300×300×100 mm의 육면형 몰드를 제작하여 시험체의 중앙에 K type의 thermocouple(max temp.:1,300℃)을 매립함으로써 시험체를 제작하였다(그림 2).
내화 시험은 먼저 잔존 압축강도 측정을 위하여 3시간동안 공시체를 가열하였고, 내화 시험 후 육안으로 폭렬 여부를 관찰하여 조사한 후 잔존 압축강도를 측정하였다. 또한 내화재의 차열성 시험을 위해 육면형 시험체에 매립된 thermocouple을 KYOWA사의 10점식 Data Logger에 연결하여 3시간 동안의 화염에 대한 내화피복재의 차열성 시험을 진행하였다.
먼저 실험에 사용된 고강도 콘크리트의 배합 설계는 시방 규격 20-60-600 기준으로 각 유기질 섬유의 혼입량은 표준 사용량을 기준으로 하였고, plain의 공시체에 포비성 AlkaliSilicates계 내화재를 피복함으로써 유기질 섬유가 혼입되었을 경우와의 비교 실험을 실시하였다. 고강도 콘크리트의 배합사항은 표 2에 나타내었다.
본 실험은 고강도 콘크리트의 화재 시 폭렬 저감 방안으로 사용되고 있는 유기질 섬유상 재료의 혼입 방법(Han CheonGoo et al., 2005)과 고강도 콘크리트 표면에 내화 뿜칠 피복재를 도포하는 두 가지 방법의 폭렬 특성 및 잔존 압축강도의 비교를 실시하였다.
시험체의 제작은 고강도 콘크리트의 내화 시험 후의 잔존 압축강도를 측정하기 위하여 콘크리트의 압축강도 측정용 Ø100×200 mm 몰드를 사용하여 공시체를 제작하였다.
차열성 시험을 위해 제작한 육면형 시험체에 내화재료를 10±1 mm의 두께로 피복하여 건조 후 3시간 동안 내화 시험을 실시하였다.
대상 데이터
, 2005)과 고강도 콘크리트 표면에 내화 뿜칠 피복재를 도포하는 두 가지 방법의 폭렬 특성 및 잔존 압축강도의 비교를 실시하였다. 내화 피복재로서는 포비성 AlkaliSilicates계 내화재를 사용하였고, 유기질 섬유로서는 Nylon, Poly Propylene 섬유를 각각 사용하였다. 실험계획은 표 1과 같다.
사용한 시멘트의 물리·화학적 특성을 표 3과 4에 각각 나타내었다. 또한 고강도 콘크리트 제작을 위한 굵은 골재는 깨끗하고 강하고 염분이나 불순물이 함유되지 않은 재료를 사용하였으며, 굵은 골재의 최대치수는 20 mm로 하였다. 잔골재 조립율(F.
석회석은 강원도 도계에서 산출되는 재료로 가장 저급 재료로서 시멘트 제조에 사용되는 등급 이하의 것을 사용하였다. 일반적인 석회석의 화학 조성과 열분해 특성을 표 9와 그림 1에 각각 나타내었다.
실험에 사용된 시멘트는 D사의 보통 포틀랜드시멘트(비중 : 3.15, 분말도 : 3,302 cm2/g)를 사용하였다. 사용한 시멘트의 물리·화학적 특성을 표 3과 4에 각각 나타내었다.
실험에 사용된 유기질 섬유 중 Nylon 섬유는 국내 K사의 제품을 사용하였고, poly propylene(P.P) 섬유는 국내 S사의 제품을 사용하였다. 혼입량은 제조사의 표준사용량을 기준으로 혼입하였으며 표 6과 7에 각각의 물리적 특성을 나타내었다.
실험에 사용된 포비성 Alkali-Silicates계 내화재는 silicates와 alkali의 몰 비율이 3.3인 합성용액의 포비성과 석회석의 열분해를 이용한 내화 피복재이다. 용액의 합성은 silica sol과 alkali 시약을 이용한 것으로 표 8에 합성용액의 물리·화학적 특성을 나타내었다.
0으로 하였으며 세척사를 사용하였다. 혼화제는 국내 D사의 poly-carboxylate 고성능 감수제를 사용하였으며 그 물성은 표 5에 나타내었다.
성능/효과
1) 유기질 섬유를 혼입한 시험체를 내화 시험 후 약 1일간 상온에서 방치하였을 경우 자체 붕괴로 인한 잔존 압축강도의 측정이 불가능하였으나 포비성 Alkali- Silicates계 내화재를 피복 적용함으로써 폭렬을 방지하는 것은 물론 가열 이후 잔존 압축강도가 내화 시험을 하지 않은 plain 대비 약 96%까지 유지되는 것을 확인하였다.
2) 포비성 Alkali-Silicates계 내화재는 초기 피복 두께에서 약 5배 이상 포비함으로써 약 1,300의 화염에 대하여 콘크리트의 표면의 온도를 300℃ 수준을 3시간 동안 유지하는 것을 확인하였다.
3) 포비성으로 인해 기존의 내화 피복재보다 얇은 두께로 뛰어난 차열성 효과를 보이며 이것은 기존의 두꺼운 내 화재의 단점인 유효공간의 감소를 개선할 것으로 판단된다.
B는 내화재와 콘크리트가 맞닿아 있는 콘크리트의 계면에서의 온도를 측정한 결과이다. 3시간의 내화 시험 시간이 경과한 후에도 콘크리트 계면의 온도가 약 300℃ 수준을 유지하는 것을 확인할 수 있었다.
plain과 Nylon, P.P 섬유를 혼입한 경우는 모두 1일 후 시험체 자체가 스스로 붕괴되어 압축강도를 측정조차 하지 못하지만 내화재를 피복한 시험체의 경우 내화 시험 후에도 최고 96%까지 압축강도를 유지하는 것을 확인 할 수 있었다.
그림 11에 차열성능 시험 시 콘크리트 시험체의 이면의 온도를 열화상카메라를 이용하여 촬영한 사진을 나타내었다. 사진의 상부에서 보이는 높은 온도(붉은색)는 전면에서의 화염이 넘어온 열기로 인하여 나타나는 것이고, 3시간 내화 시험동안 지속적으로 콘크리트 이면의 온도가 100℃ 이하를 유지하는 것을 확인할 수 있었다.
Table 10에 고강도 콘크리트의 물성으로 굳지 않은 콘크리트의 슬럼프 플로우와 공기량, 경화 콘크리트의 7, 28일의 평균 압축강도를 나타내었다. 아무 처리도 하지 않은 1(plain)과 유기질 섬유를 혼입한 2(Nylon 섬유), 3(P.P 섬유)의 경우 슬럼프 플로우와 공기량 모두 배합사항의 목표치에 만족하는 것으로 나타났다. 또한, 압축강도의 측정 결과는 28일에 모두 60 MPa을 상회하면서 목표치에 만족하였다.
이 결과로 보아 내화피복재를 사용함으로서 화재 발생 시 내화피복재를 사용하지 않은 콘크리트 구조체에 비해 콘크리트 표면이나 콘크리트 내부의 철근에 전달되는 화재에 의한 온도를 낮추어 화염에 의한 콘크리트 열화를 방지하는 효과가 우수한 것으로 판단된다.
이에 따라 1일간 방치 후 내화 피복재를 제거하여 보았으나 c)와 같이 원형 그대로의 시험체 형태를 유지하고 있음을 확인할 수 있었다. 따라서 내화 시험을 하지 않은 일반 시험체와 압축강도를 측정하여 비교하였다.
화염이 닿는 동시에 내화재가 포비되기 시작하였고 c)에서처럼 시험체에 피복 된 내화재의 포비 특성이 나타나는 것을 잘 확인할 수 있었다. 포비된 내화재의 두께는 초기 두께에서 약 5배 이상 포비되는 것을 확인 할 수 있었다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
최근 사용되는 고강도 콘크리트는 무엇에 취약한가?
최근 사용이 늘어나고 있는 고강도 콘크리트는 화재에 취약하여 고열에 의해 내부 수증기압의 상승으로 폭렬 현상이 발생하게 된다. 이러한 폭렬 현상의 방지 방안으로 유기질 섬유를 이용한 방법이 가장 많이 연구되고 있지만 이 방법은 결국 화재 후 콘크리트의 강도 저하를 초래하게 된다.
콘크리트는 어떤 성능이 강한 건축재료로 알려져 있는가?
일반적으로 건축 재료로 널리 쓰이는 콘크리트는 내화성이 강한 건축 재료로 알려져 있다. 그러나 최근 건축물의 고층화, 대형화로 40 MPa 이상의 고강도 콘크리트 사용이 보편화 되면서 고강도 콘크리트의 사용이 늘어나고 있다.
고강도 콘크리트의 폭렬 현상의 방지 방안으로 어떤 방법이 가장 많이 연구되고 있는가?
최근 사용이 늘어나고 있는 고강도 콘크리트는 화재에 취약하여 고열에 의해 내부 수증기압의 상승으로 폭렬 현상이 발생하게 된다. 이러한 폭렬 현상의 방지 방안으로 유기질 섬유를 이용한 방법이 가장 많이 연구되고 있지만 이 방법은 결국 화재 후 콘크리트의 강도 저하를 초래하게 된다. 따라서 본 연구는 포비성 Alkali-Silicates계 내화재를 피복하여 유기질 섬유를 적용한 경우와 폭렬 특성 및 잔존 압축강도 특성을 검토하였다.
참고문헌 (12)
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