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문제 정의
- 것으로 판단된다. 따라서 본 연구는 화재와 같은 고온환경에서 콘크리트의 압축강도 및 함수율이 초기 폭렬특성에 미치는 영향을 정량적으로 분석하고자 하였다. 이를 위하여 물시멘트비 및 양생조건을 임의조정하여 구현된 콘크리트의 압축강도와 내부의 함수율을 주요 변수로 하여 초기 폭렬특성을 실험적으로 규명하였으며, 또한 이러한 폭렬특성이 재료 강도에 미치는 영향을 분석함으로써, 심각한 폭렬의 메커니즘 분석 및 기존 내화설계기준의 개정을 위한 기초자료를 제시하고자 한다.
- 따라서 본 연구는 화재와 같은 고온환경에서 콘크리트의 압축강도 및 함수율이 초기 폭렬특성에 미치는 영향을 정량적으로 분석하고자 하였다. 이를 위하여 물시멘트비 및 양생조건을 임의조정하여 구현된 콘크리트의 압축강도와 내부의 함수율을 주요 변수로 하여 초기 폭렬특성을 실험적으로 규명하였으며, 또한 이러한 폭렬특성이 재료 강도에 미치는 영향을 분석함으로써, 심각한 폭렬의 메커니즘 분석 및 기존 내화설계기준의 개정을 위한 기초자료를 제시하고자 한다.
제안 방법
- 도입하였다. 가열 실험 이후 폭렬성상, 균열특성, 그리고 잔존압축강도를 측정 . 평가하였다.
- 실험변수는 콘크리트 압축강도와 함수율로,압축강도의 경우 21, 50, 80, lOOMPa의 4종류로 하였으며, 함수율에 따른 조건은 양생조건을 기중양생, 봉합 양생, 고온양생, 건조양생의 4종류로 설정하여 함수율의 변화를 주었다. 또한 동일조건에서 충분한 건조를 통해 함수율을 0%의 시험체도 제작하였다. 양생 방법 중 기중양생 (ACC)은 콘크리트 타설 이후 공기중 (온도 20±3℃, 습도 RH 60%)에서 실험시까지, 봉합 양생(SCC)은 콘크리트 타설 이후 표면을 실링처리 하였으며, 고온양생 (WCC)는 타설 이후 수중 고온양생 (온도 65 ±5℃)을, 건조양생 (DCC)은 28일 표준양생 이후 고온(105±5℃) 건조기에서 실험시까지 실시하였다.
- 물시멘트비 및 양생조건을 임의 조정하여 콘크리트의 압축강도와 내부의 함수율을 주요 변수로 살펴본 초기폭렬특성 실험연구를 통하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 상온시험체 및 가열시험체는 상온으로 냉각 . 밀봉하여 2주간 건조한 후 측정하였다.
- 시험체 크기는 콘크리트의 품질관리 기준이 되는 0100X 200mm로 하였으며, 각 변수별 3개씩 총 144개를 제작하였다. 실험변수는 콘크리트 압축강도와 함수율로,압축강도의 경우 21, 50, 80, lOOMPa의 4종류로 하였으며, 함수율에 따른 조건은 양생조건을 기중양생, 봉합 양생, 고온양생, 건조양생의 4종류로 설정하여 함수율의 변화를 주었다. 또한 동일조건에서 충분한 건조를 통해 함수율을 0%의 시험체도 제작하였다.
- 압축강도 및 함수율이 콘크리트의 심각한 폭렬에 미치는 영향을 분석하기 위하여, 실험종료후 시험체의 폭렬 등급을 5단계로 구분하였다. 즉 폭렬이 없는 등급(None), 심각하지 않은 폭렬(Shallow spalling, SS), 심각한 폭렬(Deep spalling, DS), 부분 붕괴 (Partial rupture, PR), 완전붕괴 (Complete rupture, CR)로 구분하였으며, Figure 3에 가열시간 15분 및 30분에 함수율과 압축강 도의 관계를 나타냈다.
- 또한 동일조건에서 충분한 건조를 통해 함수율을 0%의 시험체도 제작하였다. 양생 방법 중 기중양생 (ACC)은 콘크리트 타설 이후 공기중 (온도 20±3℃, 습도 RH 60%)에서 실험시까지, 봉합 양생(SCC)은 콘크리트 타설 이후 표면을 실링처리 하였으며, 고온양생 (WCC)는 타설 이후 수중 고온양생 (온도 65 ±5℃)을, 건조양생 (DCC)은 28일 표준양생 이후 고온(105±5℃) 건조기에서 실험시까지 실시하였다. 시험체 전경 및 각각의 양생조건을 Figure 1에 나타냈다 N
- 등급을 5단계로 구분하였다. 즉 폭렬이 없는 등급(None), 심각하지 않은 폭렬(Shallow spalling, SS), 심각한 폭렬(Deep spalling, DS), 부분 붕괴 (Partial rupture, PR), 완전붕괴 (Complete rupture, CR)로 구분하였으며, Figure 3에 가열시간 15분 및 30분에 함수율과 압축강 도의 관계를 나타냈다. Table 7에서 21MPa급 NSC의 경우는 양생조건에 관계없이 폭렬이 발생하지 않았다.
- 또한 유동성을 확보하기 위하여 폴리카르본산계(Polycarboxylate) 고성능감수제(AE)를 사용하였다. 콘크리트의 혼합은 강제식 믹서를 사용하였으며, 시멘트와 잔골재를 투입하여 선 혼합한 후, 물과 혼화제, 굵은 골재의 순서로 투입하여 각각 90초간 혼합하였다. 실험 중 슬럼프 플로오는 21MPa급 콘크리트의 경우 120mm로 나타났으며, 50MPa 이상급에서는 500mm 이상의 고유동성을 나타냈다.
- 함수율 측정은 양생 28일 이후, 시혐체를 100±5℃ 의 건조기에 넣어 중량변화가 없을때까지 충분히 건조한 이후(약 84일), 이를 기준으로 측정된 중량감소량을 이용하여 측정하였으며 측정결과는 Table 6과 같다. 표로부터 양생조건에 따른 함수율의 추이는 봉합 양생, 고온양생, 기중양생의 순으로 높게 나타남을 알 수 있다.
대상 데이터
- HSC의 심각한 폭렬의한 원인으로써 보고되고 있는 실리카 흄(Silica fume) 및 기타혼화재(Fly ash 등)의 경우')에는 실재 HSC에 사용되는 적정 비율을 모든 시험체에 동일하게 적용함으로써 그 영향 요인을 제거하였다. 시멘트는 보통포틀랜트 시멘트(OPC)를, 잔골재는 천연사, 굵은골재는 최대크기 15mm 이하의 쇄석을 이용했으며, 혼화재의 경우에는플라이애쉬 4000급, 실리카흄 2(H), 000급을 이용하였다. 또한 유동성을 확보하기 위하여 폴리카르본산계(Polycarboxylate) 고성능감수제(AE)를 사용하였다.
- 시험체 크기는 콘크리트의 품질관리 기준이 되는 0100X 200mm로 하였으며, 각 변수별 3개씩 총 144개를 제작하였다. 실험변수는 콘크리트 압축강도와 함수율로,압축강도의 경우 21, 50, 80, lOOMPa의 4종류로 하였으며, 함수율에 따른 조건은 양생조건을 기중양생, 봉합 양생, 고온양생, 건조양생의 4종류로 설정하여 함수율의 변화를 주었다.
- 실험은 Figure 2와 같이 방재시험연구원에 소재한가열로를 이용하였으며, 화재하중은 건축물 표준 내화시험 방법인 KS F 2257-μ)에 준하여 15분, 30분을 도입하였다. 가열 실험 이후 폭렬성상, 균열특성, 그리고 잔존압축강도를 측정 .
이론/모형
- 시멘트는 보통포틀랜트 시멘트(OPC)를, 잔골재는 천연사, 굵은골재는 최대크기 15mm 이하의 쇄석을 이용했으며, 혼화재의 경우에는플라이애쉬 4000급, 실리카흄 2(H), 000급을 이용하였다. 또한 유동성을 확보하기 위하여 폴리카르본산계(Polycarboxylate) 고성능감수제(AE)를 사용하였다. 콘크리트의 혼합은 강제식 믹서를 사용하였으며, 시멘트와 잔골재를 투입하여 선 혼합한 후, 물과 혼화제, 굵은 골재의 순서로 투입하여 각각 90초간 혼합하였다.
- 실험 중 슬럼프 플로오는 21MPa급 콘크리트의 경우 120mm로 나타났으며, 50MPa 이상급에서는 500mm 이상의 고유동성을 나타냈다. 모든 시험체는 양생 중 재령 28일에 KS F 2405 콘크리트의 압축강도 시험 방법에 준하여 압축강도를 측정하였으며, Table 2에 나타냈다. 배합별로 압축강도는 목표강도에 도달하였으며, 기건 양생 (ACC) < 봉합양생 (SCC) < 고온수중양생 (WCC)순으로 높게 나타났다.
- 평가하였다. 콘크리트의 세공구조 측정은 수은 압입법에 의해 포로시메타를 이용하여 측정하였다. 상온시험체 및 가열시험체는 상온으로 냉각 .
성능/효과
- 1. 콘크리트 압축강도가 21 MPa 급의 보통강도 콘크리트는 KS F 2257 화재하중에 대한 가열시간, 양생 방법 및 함수율에 관계없이 초기 30분간 폭렬이 발생하지 않았다.
- 2. 콘크리트 압축강도가 50~80MPa급의 고강도 콘크리트는 폭렬의 발생여부 및 정도에 있어 함수율이나 강도와의 상관성을 찾을 수 없었으며, 오히려, 콘크리트 재료가 가지고 있는 폭렬시작 시점에서의 결함(Initial imperfection) 요인이 더욱 중요한 변수가 된다고 판단되었다.
- 3. 압축강도가 lOOMPa급의 고강도콘크리트는 3% 이상의 함수율 상태에서 심각한 폭렬이 발생하였으며, 완전붕괴한 경우도 관찰되었다.
- 5. 가열시간에 따른 폭렬 정도는 초기 15분 및 30분에서 유사하게 나타났으며, 이를 통해 콘크리트의 폭렬은 초기 15분 이내에서 대부분 발생함을 알 수 있었다.
- 6. 화재초기 콘크리트의 잔존강도율는 15분시 약 80% 이상의 높은 잔존강도율을 나타냈다. 반면, 30분 가열 후의 잔존강도율은 15분 가열후 보다 약 30% 정도 낮게 측정되었으며, 이러한 경향은 고강도화 될수록 증대되는 경향을 보였다.
- 7. 공극구조에 대한 분석 결과 고강도화 될수록 공극이 세공화됨으로써 탈수현상이 지연되었으며, 이러한 원인으로 인한 수분의 위상변화에 따른 폭렬압 증가는 고강도콘크리트의 심각한 폭렬에 대한 원인중 하나가 될 것으로 판단되었다.
- 압축강도 . 가열시간 - 함수율이 증가할수록 폭렬발생 및 폭렬현상이 증대되는 경향이 나타났으며, 압축강도 및 함수율에 따른 폭렬발생영역은 압축강도 50~ lOOMPa의 경우 함수율 3% 이하, lOOMPa 이상의 경우는 1% 이하로 제어할 겨우 폭렬현상이 발생하지 않을 것으로 판단된다.
- 폭렬이 발생한 50MPa급 이상 HSC 시험체의 경우에도 단면감소에 따른 잔존강도율저하를 보였으나, 80% 이상의 강도잔존율을 보였다. 그러나 30분 가열 후의 잔존강도율은 21~50MPa의 경우 약 52%, 80MPa의 경우 약 47%, lOOMPa의 경우약 39%로 측정됨으로서, 압축강도가 증가함에 따라 잔존강도의 저하가 보다 증대되는 경향을 보였다. 또한 15분과 30분의 가열시간에 따른 폭렬발생 유.
- 이러한 원인은 콘크리트 재료가 혼합물로써 균질하지 않 으며, 다양한 미세공극 및 균열을 가지고 있기 때문에, 폭렬 시작 시점에서의 초기결함(Initial imperfection) 요 인이 더욱 중요한 요인이라 판단할 수 있다. 그러므로 50~80MPa급의 콘크리트를 실제 구조물에 적용하는 경우 폭렬이 발생한다고 가정하는 것이 타당할 것으로 판단된다. lOOMPa 이상급 HSC의 경우에는 모든 시험 체에서 심각한 폭렬이 발생하였으며, 더욱이 콘크리트 의 일부 또는 전부가 폭렬에 의해 비산, 붕괴하는 현 상도 나타났다.
- 이는 가열시간 15분에서 대부분의 폭렬이 발생한 이후 30분까지는 지속적인 폭렬의 증가는 크게 발생하지 않는다는 사실을 의미한다. 그러므로 콘크리트의 폭렬제어에 있어서는 초기 온도 상승영 역에서의 폭렬제어가 보다 효과적인 방법에 될 수 있을 것으로 판단되었다. 다만 lOOMPa급 이상 HSC 시혐체의 경우에는 15분 이후에도 폭렬이 증가하여 완전붕괴되는 경향도 나타났기 때문에, 폭렬제어에 보다 주의가 필요하다고 판단되었다.
- 10) 그러므로 본연구에서는 콘크리트 내부의 세공구조를 포로시메타를이용해 측정하였으며, 기건양생한 콘크리트의 강도별 세공구조측정 결과를 Figure 7에 나타냈다. 그림으로부터 콘크리트 강도가 증가할수록 전공극률이 작았으며 0.05㎛ 이하의 공극이 증가하는 것을 알 수 있었다. 가열 이후의 공극구조를 살펴보면 0.
- 또한 15분과 30분의 가열시간에 따른 폭렬발생 유.무의 차이는 크지 않았으나, 잔존강도 저하율은 15분 가열조건과 비교하여, 30분 가열한 경우가 약 30% 이상 크게 저하하는 것으로 나타났다.
- 모든 시험체는 양생 중 재령 28일에 KS F 2405 콘크리트의 압축강도 시험 방법에 준하여 압축강도를 측정하였으며, Table 2에 나타냈다. 배합별로 압축강도는 목표강도에 도달하였으며, 기건 양생 (ACC) < 봉합양생 (SCC) < 고온수중양생 (WCC)순으로 높게 나타났다. 이는 초기 양생에서 수분 이탈을 막아 충분한 수화반응이 이루어졌기 때문으로 분석되었다.
- 콘크리트의 혼합은 강제식 믹서를 사용하였으며, 시멘트와 잔골재를 투입하여 선 혼합한 후, 물과 혼화제, 굵은 골재의 순서로 투입하여 각각 90초간 혼합하였다. 실험 중 슬럼프 플로오는 21MPa급 콘크리트의 경우 120mm로 나타났으며, 50MPa 이상급에서는 500mm 이상의 고유동성을 나타냈다. 모든 시험체는 양생 중 재령 28일에 KS F 2405 콘크리트의 압축강도 시험 방법에 준하여 압축강도를 측정하였으며, Table 2에 나타냈다.
- 반면 84일간 건조함으로서 함수율이 0%에 가까운 시험체에서는 모든 압축강도 조건에서 폭렬이 발생하지 않았다. 이러한 실험결과 3% 이상의 함수율을 갖는 HSC의 폭렬은 대부분 가열초기 15분 이내에서 발생하여 확산되고, 30분에 완전 붕괴까지도 도달할 수 있으며, 압축강도가 증가할수록, 함수율이 증가할수록 그 크기 및 서)기가 커진다는 사실을 알 수 있었다.
- 화재초기 특성을 보기 위해 15분 가열 시의 실험결과는 폭렬이 발생하지 않은 경우, 압축강도 수준에 관계없이 약 85% 이상의 높은 잔존 강도율을 보였다. 폭렬이 발생한 50MPa급 이상 HSC 시험체의 경우에도 단면감소에 따른 잔존강도율저하를 보였으나, 80% 이상의 강도잔존율을 보였다. 그러나 30분 가열 후의 잔존강도율은 21~50MPa의 경우 약 52%, 80MPa의 경우 약 47%, lOOMPa의 경우약 39%로 측정됨으로서, 압축강도가 증가함에 따라 잔존강도의 저하가 보다 증대되는 경향을 보였다.
- 불가능한 시험체이다. 화재초기 특성을 보기 위해 15분 가열 시의 실험결과는 폭렬이 발생하지 않은 경우, 압축강도 수준에 관계없이 약 85% 이상의 높은 잔존 강도율을 보였다. 폭렬이 발생한 50MPa급 이상 HSC 시험체의 경우에도 단면감소에 따른 잔존강도율저하를 보였으나, 80% 이상의 강도잔존율을 보였다.
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