최근 고강도 콘크리트의 폭렬 방지용 보강 섬유로서 폴리프로필렌 섬유를 대신하여 나일론 섬유의 사용이 증가됨에 따라 고온에 노출된 나일론 섬유를 혼입한 고강도 콘크리트의 폭렬 및 역학적 특성에 관한 실험적 연구가 수행되고 있다. 그러나, 고온을 받은 나일론 섬유 보강 고강도 콘크리트에 관한 연구는 주로 폭렬 특성, 압축강도 및 탄성계수에 대한 평가만이 수행되고 있으며, 열팽창 변형, 전체 변형, 크리프 변형 및 과도 변형과 같은 거동은 평가된 바가 없다. 따라서 이 연구에서는 W/B 0.30~0.15에 따른 나일론 섬유를 혼입한 고강도 콘크리트에 대하여 열팽창 변형, 전체 변형, 크리프 및 과도 변형 등을 평가하였다. 실험 결과, 나일론 섬유는 고온을 받은 나일론 섬유를 혼입한 고강도 콘크리트의 성능에 특별한 영향을 미치지 않는 것으로 보였으며, 나일론 섬유 보강 고강도 콘크리트는 섬유를 혼입하지 않은 고강도 콘크리트 또는 보통 강도 콘크리트보다 큰 과도 변형을 나타냈다.
최근 고강도 콘크리트의 폭렬 방지용 보강 섬유로서 폴리프로필렌 섬유를 대신하여 나일론 섬유의 사용이 증가됨에 따라 고온에 노출된 나일론 섬유를 혼입한 고강도 콘크리트의 폭렬 및 역학적 특성에 관한 실험적 연구가 수행되고 있다. 그러나, 고온을 받은 나일론 섬유 보강 고강도 콘크리트에 관한 연구는 주로 폭렬 특성, 압축강도 및 탄성계수에 대한 평가만이 수행되고 있으며, 열팽창 변형, 전체 변형, 크리프 변형 및 과도 변형과 같은 거동은 평가된 바가 없다. 따라서 이 연구에서는 W/B 0.30~0.15에 따른 나일론 섬유를 혼입한 고강도 콘크리트에 대하여 열팽창 변형, 전체 변형, 크리프 및 과도 변형 등을 평가하였다. 실험 결과, 나일론 섬유는 고온을 받은 나일론 섬유를 혼입한 고강도 콘크리트의 성능에 특별한 영향을 미치지 않는 것으로 보였으며, 나일론 섬유 보강 고강도 콘크리트는 섬유를 혼입하지 않은 고강도 콘크리트 또는 보통 강도 콘크리트보다 큰 과도 변형을 나타냈다.
Recently, to prevent explosive spalling of high-strength concrete (HSC) members, the usage of nylon fiber instead of polypropylene fiber has increased. Past experimental studies have been conducted to examine the spalling and mechanical properties of HSC with nylon fibers when exposed to elevated te...
Recently, to prevent explosive spalling of high-strength concrete (HSC) members, the usage of nylon fiber instead of polypropylene fiber has increased. Past experimental studies have been conducted to examine the spalling and mechanical properties of HSC with nylon fibers when exposed to elevated temperature. However, the previous studies on HSC with nylon fibers subjected to high temperatures were performed only on the properties such as spalling, compressive strength, and elastic modulus rather than investigations on to the behaviors such as thermal strain, total strain, steady state creep, and transient creep. Therefore, in this study thermal strain, total strain, steady state creep, and transient creep of HSC mixed with nylon fibers with water to binder ratio of 0.30 to 0.15 were tested. The experimental results showed that nylon fibers did not affect the performance of HSC with nylon fibers at high temperatures. However, HSC with nylon fibers generated a larger transient creep strain than that of HSC without fibers and normal strength concrete.
Recently, to prevent explosive spalling of high-strength concrete (HSC) members, the usage of nylon fiber instead of polypropylene fiber has increased. Past experimental studies have been conducted to examine the spalling and mechanical properties of HSC with nylon fibers when exposed to elevated temperature. However, the previous studies on HSC with nylon fibers subjected to high temperatures were performed only on the properties such as spalling, compressive strength, and elastic modulus rather than investigations on to the behaviors such as thermal strain, total strain, steady state creep, and transient creep. Therefore, in this study thermal strain, total strain, steady state creep, and transient creep of HSC mixed with nylon fibers with water to binder ratio of 0.30 to 0.15 were tested. The experimental results showed that nylon fibers did not affect the performance of HSC with nylon fibers at high temperatures. However, HSC with nylon fibers generated a larger transient creep strain than that of HSC without fibers and normal strength concrete.
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문제 정의
이에 이 연구에서는 여러 온도 조건 및 하중하에서 나일론 섬유를 혼입한 고강도 콘크리트의 압축강도 및 크리프 시험을 수행하여 그 결과를 제시하는데 목적이 있다.
제안 방법
가열 방법은 1℃/min의 속도로 목표 온도까지 가열하고 30분간 목표 온도를 유지한 후 압축강도 평가 또는 크리프 시험을 실시하였다.
각 W/B에 사용된 나일론 섬유의 혼입량은 선행 연구에서 폭렬을 억제하기 위해 도출 된 최적의 혼입량을 적용하였다.
고온에서 콘크리트의 압축강도 시험은 비재하(unstressed test) 및 재하 시험(stressed test)에 의해 실시하였다.
고온에서의 압축강도 평가 시험은 재령 약 120일, 크리프 시험은 재령 약 180일에서 실시되었으며, 시험 전에는 시험체의 상·하면을 콘크리트용 연마기를 사용하여 평활하게 마감처리를 하였다.
고온을 받은 고강도 콘크리트의 변형 특성을 평가하기 위하여 물결합재비(W/B)는 0.30, 0.26, 0.23, 0.20 및 0.15로 하였으며, 각각의 W/B에 대하여 가열전 평가한 압축강도의 0% 및 30%의 하중 조건과 100℃, 200℃, …, 700℃및 800℃의 온도하에서 압축강도가 평가되었다.
또한, 200℃, 400℃, 600℃ 및 800℃의 온도에서 정적 상태 크리프 시험 방법에 의해 열팽창 변형, 전체 변형 및 크리프에 대한 평가가 수행되었으며, 평가된 결과값에 의해 과도 변형을 산출하였다.
또한, 가열의 효율성을 높이기 위해 Fig. 1의 사진과 같은 열전달지그를 사용하였으며, 가열 방법은 시험체 상·하부에 위치한 재하지그를 가열하여 시험체에 열을 전달하는 간접 가열 방법을 사용하였다.
비재하 시험은 Fig. 2의 열팽창 변형 시험과 같이 시험체를 고정하기 위해 약 0.25 MPa의 하중을 재하한 후 목표 온도까지 가열을 실시하였고, 재하 시험은 Fig. 2의 전체 시험과 같이 가열 시험전 평가한 상온 압축강도의 30% 하중(σ)을 재하한 후 시험체의 변형이 안정된 상태에서 가열을 실시하였다.
시험체 제작은 각 배합별로 콘크리트를 비빈 후 Ø100× 200 mm의 철제 몰드에 의해 공시체를 제작하였으며, 24시간 후 탈형하여 20 ± 2℃의 수중에서 표준 양생을 실시하였다.
시험체를 제작하기 전 슬럼프-플로우 및 공기량 등의 굳지 않은 콘크리트 성질을 평가하였으며, 잔골재율과 굵은골재 최대치수의 변화에 따른 작업성의 변화 정도를 관찰하였다.
열팽창 변형은 콘크리트의 변형에 영향을 미치지 않는 범위의 하중하에서(이 연구에서는 0.25 MPa를 적용) 목표온도(Tmax)까지 가열을 실시할 때 발생하는 콘크리트의 변형을 측정하였다.
이 연구에서는 Anderberg17) 등이 제시한 식을 활용하여 고온을 받은 나일론 섬유를 혼입한 고강도 콘크리트의 크리프 변형을 산출하였다.
이 연구에서는 가열 및 하중을 동시에 적용하기 위해 Fig. 1과 같이 전기 가열로와 자동적으로 변형 및 하중 제어가 가능한 2,000 kN급 UTM을 연결시킨 재하·가열 시험 장치를 사용하였다.
전체 변형은 콘크리트 상온 강도의 30% 하중(σ)을 재하한 후 목표 온도(Tmax)까지 가열을 실시할 때 발생하는 콘크리트 시험체의 변형을 측정하였다.
크리프 시험은 앞서 기술한 열팽창 변형 시험 방법에 의해 설정된 목표 온도(Tmax)에 도달한 후 30분간 유지한 상태인 t0에서 상온 압축강도의 30% 하중을 재하하였다.
표준 압축강도 측정을 위한 시험체는 재령 28일까지 수중에서 양생하였고, 가열 시험을 위한 시험체는 수중에서 7일간 양생한 후 상대습도 50 ± 5%, 온도 20 ± 2℃의 항온 항습실에서 가열 시험 전까지 기건 양생하였다.
한편, 시험체 제작시 섬유를 혼입한 고강도 콘크리트의 굳지 않은 콘크리트 특성 평가를 위해 슬럼프-플로우 및 공기량 시험을 실시하였다.
대상 데이터
W/B 0.30~0.20의 경우 잔골재는 밀도 2.60 g/cm3의 세척사, 굵은 골재는 최대 치수 20 mm, 밀도 2.62 g/cm3의 화강암계 쇄석을 사용했다.
기존 연구에서 이 연구와 유사한 값은 섬유를 혼입하지 않은 고강도 콘크리트에 대하여 平島18)가 4.03을 사용하였다.
사용한 골재는 물결합재비에 따라 구분하여 사용하였다.
설계기준강도 50 MPa, 60 MPa, 80 MPa, 100 MPa 및 150 MPa을 위한 W/B는 0.30, 0.26, 0.23, 0.20 및 0.15로서 국내 건설사에서 실제 건축 구조물에 사용된 바 있는 콘크리트 배합을 이용하였다.
이 연구에서는 결합 재료로서 KS L 5201에 준한 1종 보통 포틀랜드 시멘트 및 4종 저열 포틀랜드 시멘트와 상용적으로 사용되고 있는 실리카퓸, 고로슬래그, 플라이애쉬 및 무수석고를 사용했다.
폭렬 방지를 위한 유기 섬유는 길이 13 mm, 밀도 1.10 g/cm3, 용융점 225℃ 및 변장비(aspect ratio, lf/df) 565의 나일론 섬유를 사용했다.
데이터처리
예측식은 실험 결과의 회귀 분석을 통하여 얻어졌다.
이론/모형
최종적으로 압축강도 시험은 KS F 2405에 준하였으며, 축하중은 분당 0.5 mm의 축 변형 속도로 적용하였다.
성능/효과
1) 나일론 섬유 보강 고강도 콘크리트의 열팽창 변형은 약 630o C까지 온도가 상승함에 따라 팽창하였고, 이후에는 큰 변화 없이 유지되는 것으로 나타났다. 또한, 열팽창변형은 굵은 골재의 열팽창 계수 및 단위 결합재량에 크게 영향을 받는 것으로 나타났다.
2) 전체 변형은 가열전 재하한 하중과 각 온도별 압축강도와의 비에 영향을 받는 것으로 나타났다.
3) 나일론 섬유를 혼입한 고강도 콘크리트는 온도가 증가함에 따라 크리프가 증가하는 것으로 나타났으며, 크리프시험 초기 100분 이내에서 전체 크리프(5시간)의 60% 이상이 발생한 후 200분 부터 일정한 값에서서히 수렴하는 것으로 나타났다.
4) 시험 결과에서는 나일론 섬유가 고온에서 나일론 섬유를 혼입한 고강도 콘크리트의 성능에 특별한 영향을 미치지 않는 것으로 나타났다.
5) 나일론 섬유를 혼입한 고강도 콘크리트는 섬유를 혼입하지 않은 고강도 콘크리트 및 보통 강도 콘크리트에 비해 큰 과도 변형을 보였다.
W/B 0.30~0.20 범위에 대한 나일론 섬유보강 고강도 콘크리트의 열팽창 변형은 약 630o C까지 온도가 상승함에 따라 팽창하였으며, 이후에는 큰 변화 없이 유지되는 것으로 나타났다.
따라서 상온 압축강도의 30% 하중을 동일하게 적용하였으나 온도가 높아짐에 따라 압축강도의 저하율은 W/B가 작을수록 크게 증가하여 고온에서는 더 큰 하중비로 작용된 원인이 W/B작을수록 전체 변형이 크게 수축하는 결과에 기인한 것으로 판단된다.
따라서, 기존 연구자들의 연구 결과에서 열팽창 변형은 이 연구의 열팽창 변형보다 작은 결과로부터 나일론 섬유 보강 고강도 콘크리트의 과도 변형은 섬유를 혼입하지 않은 고강도 콘크리트 및 일반 강도 콘크리트보다 크다고 판단된다.
또한, 100~800℃ 범위에서 평가한 고온에서의 압축강도시험 결과는 기존 연구 결과1,2,16-18)들과 유사한 경향으로 온도가 증가함에 따라 압축강도가 감소하는 것으로 나타났으며, 상온 압축강도의 30%를 재하한 경우 800o C에서 W/B 0.30의 시험체를 제외한 대부분의 시험체가 압축강도 시험전 가열중 축하중에 의해 파괴되는 것으로 나타났다.
또한, 7일 수중 양생 및 가열 전까지 기건 양생을 실시한 시험체의 경우 재령 약 120일에서의 압축강도는 66.6 MPa, 75.1 MPa, 97.3 MPa, 104.2 MPa 및 162.1 MPa로 각각 나타났다.
또한, 나일론 섬유를 혼입한 콘크리트의 열팽창 변형은 섬유를 혼입하지 않은 콘크리트에 비해 500o C 이후 약간 낮은 값을 보이고 있지만, 전체적으로 아주 유사하게 나타났다.
또한, 열팽창변형은 굵은 골재의 열팽창 계수 및 단위 결합재량에 크게 영향을 받는 것으로 나타났다.
또한, 온도가 증가할수록 초기 크리프는 더욱 크게 나타났고, 일부 시험체에서만 평가가 가능하였으나, 600o C 이후의 크리프는 시간이 지나도 일정한 값에 수렴하지 않고 계속적으로 크리프가 발생하는 것으로 나타났다.
또한, 전체 변형과 유사한 경향으로 약 500o C 이후 변형률은 크게 증가하는 것으로 나타났다.
또한, 처음 50분까지 매우 빠른 속도의 크리프 거동을 나타내었으며 이후 변형 속도가 서서히 감소되는 것으로 나타났다.
슬럼프-플로우는 KS F 2402 및 KSCE 2003-02, 공기량은 KS F 2421을 참고하여 측정하였으며, 모든 콘크리트에서 650 ± 50 mm의 슬럼프-플로우 값과, 1.5±1%의 공기량 값을 만족하는 것으로 나타났다.
약 250o C까지 열팽창 변형이 증가하다 이 후 700o C까지는 큰 변화 없이 250o C에서의 변형값과 유사한 값을 나타내었으며, 700o C 이후 급격하게 열팽창 변형이 저하하는 것으로 나타났다.
온도가 증가함에 따라 압축강도 감소율이 크게 될 경우, 전체 변형 값이 작게 나타났으며, 이 연구에서 압축강도 감소율은 W/B가 작을수록 크게 증가하는 것으로 나타났다.
이에 초기에 재하한 상온 압축강도 30%에 해당하는 하중(σ)과 각 온도별 압축강도( fc,T)와의 비는 Fig. 8과 같이 온도가 상승함에 따라 증가하고, W/B가 작을수록 크게 증가하는 것으로 나타났다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
폭렬 방지용 섬유로 나일론 섬유를 사용하면 어떤 효과가 있는가?
이러한 가운데 최근 폭렬 방지용 섬유로 PP 섬유를 대신하여 나일론(nylon) 섬유가 사용된 연구가 발표되고 있다.9-11) 나일론 섬유는 폴리아미드(polyamide) 계열의 합성섬유로서 콘크리트에 혼입시 우수한 분산력과 및 건조 수축을 감소시키는데 효과가 있으며,12,13) PP 섬유를 혼입한 콘크리트 보다 압축강도 및 인장강도에서 향상된 결과를 나타내고 있다.13) 또한, 고온 환경에 있어서도 나일론 섬유는 PP 섬유와 동등 및 그 이상으로 고강도 콘크리트의 폭렬 방지에 대한 우수한 능력을 보여 콘크리트용 섬유로서 우수한 성능이 입증되어 왔다.9,10)
폭렬 발생 억제를 위해 어떤 방법들이 이용되는가?
폭렬 발생을 억제하기 위해 내화 보드, 내화 도료, 섬유 혼입 등과 같은 다양한 방법들이 이용되고 있다. 이중 섬유 혼입 공법에 의한 연구가 가장 많이 수행되고 있는데, 특히 김규용,3) 한천구,4) 염광수,5) 원종필,6) Kalifa7) 및 Bilodeau8) 등과 같은 다수의 연구자들은 폴리프로필렌(polypropylene, PP)섬유에 의한 폭렬 억제 성능을 제시하였다.
고강도 콘크리트가 화재시 급격한 성능 저하를 일으키는 이유는 무엇인가?
이와 같은 고강도 콘크리트는 많은 기존 연구에서 보고된 바와 같이 낮은 물시멘트비에 의해 내부가 치밀해져 화재시 폭렬에 따른 급격한 성능 저하뿐만 아니라 보통 강도 콘크리트에 비해 고온에서 역학적 성능의 저하가 더욱 크게 일어난다. 따라서, 고온을 받은 고강도 콘크리트의 성능을 이해하기 위한 연구의 필요성이 강조되고 있다.
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