고층건축물의 구조부재로 적용되는 철골이나 고강도콘크리트로 시공된 경우 내화대책은 필수 불가결한 요소이며 특히, 고강도콘크리트로 적용된 경우 폭렬 등에 의한 단면결손이 발생하기 쉽기 때문에 이에 대한 대책이 필요하다. 즉, 내화성능 확보를 위해 온도상승을 허용범위 이내로 억제하는 대책이 필요하며 이 중 가장 효율적인 방법이 내화성 마감을 실시하는 것이다. 일반적으로 내화성 마감재에 사용되는 시멘트계 재료는 C-S-H, 및 CH가 단계적으로 열 분해되어 압축강도는 저하하게 된다. 내화성능을 발휘하기 위해 고온에서 강도감소가 작고 안정적인 고온특성을 보인다면 보다 효과적으로 성능 발현이 가능할 것이다. 본 연구는 고층건축물의 철골 및 콘크리트 부재의 효과적인 내화성능 발현을 위한 경량 내화성 마감재 개발을 위한 연구로 내화성능이 우수하다고 알려진 Alumino-silicate계 재료를 내화성 마감에 적용하기 위해 고온특성에 대해 검토하였다. 검토 결과, 플라이애시, 메타카올린 및 경량골재를 활용한 경량 내화성 마감재는 고온에서 비교적 안정적인 특성을 발현하여 내화성 마감재로의 효용성을 확인할 수 있었다.
고층건축물의 구조부재로 적용되는 철골이나 고강도콘크리트로 시공된 경우 내화대책은 필수 불가결한 요소이며 특히, 고강도콘크리트로 적용된 경우 폭렬 등에 의한 단면결손이 발생하기 쉽기 때문에 이에 대한 대책이 필요하다. 즉, 내화성능 확보를 위해 온도상승을 허용범위 이내로 억제하는 대책이 필요하며 이 중 가장 효율적인 방법이 내화성 마감을 실시하는 것이다. 일반적으로 내화성 마감재에 사용되는 시멘트계 재료는 C-S-H, 및 CH가 단계적으로 열 분해되어 압축강도는 저하하게 된다. 내화성능을 발휘하기 위해 고온에서 강도감소가 작고 안정적인 고온특성을 보인다면 보다 효과적으로 성능 발현이 가능할 것이다. 본 연구는 고층건축물의 철골 및 콘크리트 부재의 효과적인 내화성능 발현을 위한 경량 내화성 마감재 개발을 위한 연구로 내화성능이 우수하다고 알려진 Alumino-silicate계 재료를 내화성 마감에 적용하기 위해 고온특성에 대해 검토하였다. 검토 결과, 플라이애시, 메타카올린 및 경량골재를 활용한 경량 내화성 마감재는 고온에서 비교적 안정적인 특성을 발현하여 내화성 마감재로의 효용성을 확인할 수 있었다.
The serious issue of tall building is to ensure the fire resistance of high strength concrete. Therefore, Solving methods are required to control the explosive spalling. The fire resistant finishing method is installed by applying a fire resistant material as a light-weight material to structural st...
The serious issue of tall building is to ensure the fire resistance of high strength concrete. Therefore, Solving methods are required to control the explosive spalling. The fire resistant finishing method is installed by applying a fire resistant material as a light-weight material to structural steel and concrete surface. This method can reduce the temperature increase of the reinforcement embedded in structural steel and concrete at high temperature due to the installation thickness control. This study is interested in identifying the effectiveness of light-weight fire protection material compounds including the inorganic admixture such as fly ash, meta-kaolin and light-weight aggregate as the fire resistant finishing materials through the analysis of fire resistance and components properties at high temperature. Also, this paper is concerned with change in microstructure and dehydration of the light-weight fire protection materials at high temperatures. The testing methods of fire protection materials in high temperature properties are make use of SEM and XRD. The study results show that the light-weight fire resistant finishing material composed of fly ash, meta-kaolin and light-weight aggregate has the thermal stability of the slight decrease of compressive strength at high temperature. These thermal stability is caused by the ceramic binding capacity induced by alkali activation reaction by the reason of the thermal analysis result not showing the decomposition of calcium hydrate. Developed light-weight fire protection materials showed good stability in high Temperatures. Thus, the results indicate that it is possible to fireproof panels, fire protection of materials.
The serious issue of tall building is to ensure the fire resistance of high strength concrete. Therefore, Solving methods are required to control the explosive spalling. The fire resistant finishing method is installed by applying a fire resistant material as a light-weight material to structural steel and concrete surface. This method can reduce the temperature increase of the reinforcement embedded in structural steel and concrete at high temperature due to the installation thickness control. This study is interested in identifying the effectiveness of light-weight fire protection material compounds including the inorganic admixture such as fly ash, meta-kaolin and light-weight aggregate as the fire resistant finishing materials through the analysis of fire resistance and components properties at high temperature. Also, this paper is concerned with change in microstructure and dehydration of the light-weight fire protection materials at high temperatures. The testing methods of fire protection materials in high temperature properties are make use of SEM and XRD. The study results show that the light-weight fire resistant finishing material composed of fly ash, meta-kaolin and light-weight aggregate has the thermal stability of the slight decrease of compressive strength at high temperature. These thermal stability is caused by the ceramic binding capacity induced by alkali activation reaction by the reason of the thermal analysis result not showing the decomposition of calcium hydrate. Developed light-weight fire protection materials showed good stability in high Temperatures. Thus, the results indicate that it is possible to fireproof panels, fire protection of materials.
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문제 정의
이에 따라 본 연구에서는 내화성 마감재로서의 효용성 여부를 확인하기 위해 시멘트를 결합재로 사용하지 않고 플라이애시 및 메타카올린을 사용한 무기결합재의 내화특성에 대해 규명하고자 한다. 또한, 내부에서 생성되는 수증기압을 저감하기 위한 폴리프로필렌섬유(이하 PP섬유)와 경량골재 등을 활용한 내화 마감재를 개발하고 고온시의 압축강도 및 미세조직 구조 변화 등을 관찰하여 경량 내화성 마감재로서의 적용가능성에 대해 규명하고자 한다.
특히, 시멘트 수화생성물인 수산화칼슘을 형성하지 않으므로 시멘트계 바인더에서 보이는 500 ℃ 이상에서의 현저한 강도저하 현상이 발생하지 않을 것으로 예측된다. 이에 따라 본 연구에서는 내화성 마감재로서의 효용성 여부를 확인하기 위해 시멘트를 결합재로 사용하지 않고 플라이애시 및 메타카올린을 사용한 무기결합재의 내화특성에 대해 규명하고자 한다. 또한, 내부에서 생성되는 수증기압을 저감하기 위한 폴리프로필렌섬유(이하 PP섬유)와 경량골재 등을 활용한 내화 마감재를 개발하고 고온시의 압축강도 및 미세조직 구조 변화 등을 관찰하여 경량 내화성 마감재로서의 적용가능성에 대해 규명하고자 한다.
플라이애시, 메타카올린, PP섬유 및 경량골재를 이용한 무기결합재에 대해 고온시의 강도 및 물성 변화 등을 확인하고 내화성능 확보 및 내화성 마감재로 사용이 가능할 것으로 예측되는 본 연구의 결과를 정리하면 다음과 같다.
제안 방법
내화성 마감재는 시공시의 유동성을 확보하기 위해 플로 값을 180±10 mm으로 하였고, 뿜칠 및 모르타르 마감이 가능하도록 응결시간을 조절하였다.
또한, FE-SEM을 이용한 조직관찰 및 XRD를 이용한 성분분석을 실시하여 재료특성을 평가하였다.
제작된 시험체는 항온항습 챔버를 이용하여 온도 23±2 ℃, RH 95 % 이상의 조건에서 표준양생을 실시하였다.
대상 데이터
내화성 마감재는 제조된 모르타르를 바탕으로 강재형틀을 이용하여 50×50×50 mm의 시험체를 제작하였다.
또한, 단면결손을 방지하기 위해 수증기압 저감에 효과가 뚜렷한 PP섬유를 사용하였으며 시공성 확보를 위해 6 mm의 단섬유를 사용하였다. 내화성 마감재의 경량성 확보를 위해 펄라이트 및 경량골재를 사용하였으며 Fig.1과 같다. 펄라이트는 일반 시판품을 사용하였으며 경량골재는 흡수율이 낮은 유리슬러지 경량골재를 사용하였다.
알칼리 활성화 용액은 2몰의 수산화칼륨 용액을 사용하였다. 또한, 단면결손을 방지하기 위해 수증기압 저감에 효과가 뚜렷한 PP섬유를 사용하였으며 시공성 확보를 위해 6 mm의 단섬유를 사용하였다. 내화성 마감재의 경량성 확보를 위해 펄라이트 및 경량골재를 사용하였으며 Fig.
본 연구의 내화성 마감재 제조에 사용된 재료로는 플라이애시, 메타카올린, 수산화칼륨(Potassium hydroxide)이며 Table. 1과 같다.
2와 같다. 알칼리 활성화 용액은 2몰의 수산화칼륨 용액을 사용하였다. 또한, 단면결손을 방지하기 위해 수증기압 저감에 효과가 뚜렷한 PP섬유를 사용하였으며 시공성 확보를 위해 6 mm의 단섬유를 사용하였다.
1과 같다. 펄라이트는 일반 시판품을 사용하였으며 경량골재는 흡수율이 낮은 유리슬러지 경량골재를 사용하였다. 유리슬러지를 사용하여 제조한 경량골재는 일반 경량골재와 달리 유리슬러지의 분말로 제조된 구상의 발포체로 낮은 온도에서 성형이 가능하고 표면이 치밀하여 흡수율 및 밀도가 작은 특징을 지닌다.
1과 같다. 플라이애시는 국내 A화력발전소에서 배출된 CaO 함량이 10 % 이하인 F급 플라이애시이며, 메타카올린은 국내 B사의 시판 제품을 사용하였으며 성분 및 함량은 Table. 2와 같다.
이론/모형
내화성 마감재의 단열성능을 측정하기 위해 열전도율을 측정하였으며 KS L 9016의 보온재료의 열전도율 시험방법에 의하여 측정하였으며 시험체의 크기는 150×150×30 mm 이었다.
내화성 마감재의 배합은 혼합용적 5.7 L의 강제식 믹서를 이용하였으며, 재료투입은 재료의 균질성을 위하여 선비빔을 실시하였으며 이후 KS L 5105(수경성 시멘트 모르타르의 압축강도 시험방법)에 의거하여 실시하였다. 내화성 마감재는 제조된 모르타르를 바탕으로 강재형틀을 이용하여 50×50×50 mm의 시험체를 제작하였다.
성능/효과
1) LP계 및 LG계 경량 내화성 마감재는 가열온도가 증가할수록 질량감소율 또한 증가하였으며 약 15∼20 %의 감소율을 보였다.
2) LP계 및 LG계 시험체는 가열온도가 증가할수록 압축강도는 감소하였으며 200 ℃ 전 후에서 강도의 감소가 크게 나타났다.
3) LP계 및 LG계 시험체의 열전도율은 0.22∼0.28 W/mk의 범위로 나타나 비교적 낮은 열전도율을 보였으며 이는 경량재료의 사용과 마감재의 다공성에 기인한 것 내화성능 판정에는 유리할 것으로 사료된다.
6에 나타내었다. LP계 및 LG계 시험체는 가열온도가 증가할수록 압축강도는 감소하는 경향을 보였다. 또한 Plain 시험체의 200∼400 ℃ 범위에서 강도가 약간 증가하는 경향을 보인것과는 상이하게 가열온도의 증가에 따라 점진적으로 감소하는 경향을 보였으며 200 ℃ 전 후에서 강도의 감소가 크게 나타났다.
5에 나타내었다. LP계 시험체는 가열온도가 증가할수록 질량감소율 또한 증가하는 일반적인 경향을 보였다. Plain 시험체는 600∼800℃에서 약 5 %의 감소율을 보여 고온시의 질량감소가 크게 나타나지 않았으며 LP계 시험체의 경우는 600∼800 ℃에서 약 15∼20 %의 감소율을 보여 가열온도가 증가함에 따라 감소율도 크게 증가하였다.
Plain 시험체의 X선 회절 분석결과 고온으로 갈수록 수산화칼슘 피크(2θ deg. = 18˚, 34˚) 및 에트린자이트 피크(2θ deg.=9˚)의 강도세기(intensity)와 Quartz의 강도세기는 감소하고 있음을 확인하였다.
또한 Plain 시험체의 200∼400 ℃ 범위에서 강도가 약간 증가하는 경향을 보인것과는 상이하게 가열온도의 증가에 따라 점진적으로 감소하는 경향을 보였으며 200 ℃ 전 후에서 강도의 감소가 크게 나타났다.
이와 같은 결과는 알칼리 자극제에 의해 Alumino-silicate 겔이 형성됐음을 뜻한다. 또한, C-S-H가 생성되었으며 가열에 의해 고온으로 올라갈수록 Quartz와 C-S-H의 강도세기가 작아지는 경향을 보였는데 이는 고온으로 갈수록 열에 의해 수화생성물들이 분해되는 것임을 알 수 있다.
0 g/cm2전 후로 뿜칠이나 마감재로서 철골 및 콘크리트 부재에 부착하는 경우 질량에 대한 부담이 적어 유리하다. 시험체는 가열에 의해 밀도가 감소하였으며 유리슬러지 골재를 사용한 경우 감소율이 크게 나타났다.
또한, LP시험체는 100∼200 ℃ 전 후에서 질량감소의 경향이 크게 나타났는데 이는 다공체인 경량골재가 수분을 함수한 상태에서 100 ℃이상의 고온에서 내부의 수분이 증발함에 따라 질량감소도 크게 발생한 것으로 사료된다. 유리슬러지 경량골재를 이용한 LG계 시험체도 전체적으로 가열온도의 증가에 따라 감소하는 동일한 경향을 보였으나 LP시험체 보다 약간 질량감소의 정도가 크게 나타났다.
수산화칼슘은 450∼500 ℃에서 탈수하여 CaO로 변화하는데 결정의 크기에 따라 분해속도는 다르게 나타나며 300∼400℃의 온도에서 장시간 노출되는 경우 서서히 분해된다. 이에 따라 본 XRD의 결과에서도 600 ℃로 가열한 시험체의 경우 수산화칼슘의 피크가 현저하게 감소함을 알 수 있었으며 600 ℃ 이하의 온도에서도 가열온도가 증가함에 따라 피크세기는 점차적으로 감소하는 경향을 보였다.
평판법에 의한 Plain 시험체의 열전도율이 0.48 W/mk인데 반해 LP계 및 LG계 시험체의 열전도율은 0.22∼0.28 W/mk의 범위로 나타나 비교적 낮은 열전도율을 보였다.
후속연구
4) 경량 내화성 마감재는 알칼리 활성화에 의한 결합재에 경량화를 도모한 것으로 경량화에 따라 강도변화 또한 다소 상이한 경향을 보이며 고온에서의 강도감소가 크게 나타나 경량 마감재 제조에는 보다 적절한 배합의 조절이 필요하며 추후 내화성능에 대한 면밀한 검토가 필요하다.
28 W/mk의 범위로 나타나 비교적 낮은 열전도율을 보였다. 이와 같은 결과는 경량재료의 사용과 마감재의 다공성에 기인한 것으로 화재 발생시 외부의 고온을 내부로의 전달을 차단하여 부재의 온도상승을 늦출 수 있어 내화성능 판정에는 보다 유리하게 작용할 것으로 사료된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
내화성 모르타르의 도포나 내화성 마감재를 적용으로 얻는 효과는 무엇인가?
이 중 가장 효율적인 방법은 화재시의 화열을 차단하여 부재의 온도상승을 제어함으로서 구조물에 미치는 영향을 최소화하는 것이며 폭렬방지의 기본적인 대책이 되며 구체적인 방법으로 내화성 모르타르의 도포나 내화성 마감재를 적용하는 것이다1),2).
건축물의 내화성능은 어떻게 구분할 수 있는가?
건축물의 내화성능은 크게 비손상성, 차열성, 차염성 등의 3가지로 구분할 수 있다. 즉, 구조부재는 구조내력상의 지장을 가져올만한 변형이나 융해, 단면손상이나 파괴 등이 발생하지 않아야 한다.
고강도콘크리트 구조물의 경우 내화대책이 필수 불가결한 요소인 이유는 무엇인가?
특히, 고층건축물의 구조부재로 적용되는 철골이나 고강도콘크리트(이하 HSC)로 시공된 경우 내화대책은 필수 불가결한 요소이다. 또한, HSC로 적용된 구조물의 경우 폭렬 등에 의한 단면결손이 발생하기 쉽기 때문에 이에 대한 대책이 필요하며 만약 단면결손이 발생하더라도 허용범위 이내의 제어가 필요하다. 즉, 폭렬제어는 수증기압과 열응력 등의 유발요인으로부터 폭렬깊이나 온도상승을 허용범위 이내로 억제하는 대책이 필요하다.
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