[논문]가열 속도에 따른 콘크리트의 폭렬 특성 및 내부 수증기압력 평가

최경철; 이태규; 남정수; 박병근; 김규용

doi:10.4334/jkci.2012.24.5.605

[국내논문] 가열 속도에 따른 콘크리트의 폭렬 특성 및 내부 수증기압력 평가
Evaluation of Spalling Property and Water Vapor Pressure of Concrete with Heating Rate 원문보기

콘크리트학회논문집 = Journal of the Korea Concrete Institute, v.24 no.5, 2012년, pp.605 - 612

최경철 (충남대학교 건축공학과) , 이태규 (충남대학교 건축공학과) , 남정수 (충남대학교 건축공학과) , 박병근 (삼성물산(주) 건설부문) , 김규용 (충남대학교 건축공학과)

초록
AI-Helper

콘크리트의 폭렬 발생 메커니즘에 대해서는 수증기압력에 의한 파괴, 내 외부의 온도 차이에 의해 발생하는 표면 압축력에 의한 파괴, 앞선 두 가지 요인의 복합작용에 의한 파괴가 있다. 이러한 폭렬에 영향을 주는 요인은 콘크리트 자체의 재료적 특성과 관계된 내부 요인과 환경에 의한 외부 요인으로 나눌 수 있으며 폭렬 현상을 이해하기 위해서는 두 가지 요인에 대한 충분한 고려가 필요하다. 외부 환경의 요소로써 가열 속도가 다른 경우 콘크리트 내부의 수분응집 및 수증기압력의 거동이 달라질 것으로 판단된다. 따라서 이 연구에서는 30, 50, 70, 90, 110 MPa의 다양한 강도 영역의 콘크리트를 대상으로 ISO-834 표준가열곡선과 $1^{\circ}C/min$의 가열 속도를 적용하여 가열 속도에 따른 콘크리트의 폭렬 성상 및 수증기압력, 열팽창 변형을 평가하였다. 실험 결과 콘크리트의 폭렬은 급속 가열조건에서 발생하며, 콘크리트가 고강도화될수록 폭렬에 의한 단면손실량이 증가하였다. 또한, 가열 초기에 콘크리트 표면부의 수증기압력 상승 속도 및 가열 속도에 따른 열팽창에 의한 초기압력 상쇄효과가 콘크리트의 폭렬 발생에 중요한 영향을 미치는 것으로 나타났다.

Abstract ▼ AI-Helper

Spalling of concrete occurs due to vapor pressure ignited explosion, temperature difference across a section, and combination of these factors. Factors affecting spalling can be classified into internal and external factors such as material property and environmental condition, respectively, have to be considered to precisely understand spalling behavior. An external environmental factor such as differences in heating rate cause internal humidity cohesion and different vapor pressure behavior. Therefore, spalling property, vapor pressure and thermal strain property were measured from concrete with compressive strengths of 30 MPa, 50 MPa, 70 MPa, 90 MPa, and 110 MPa, applied with ISO-834 standard heating curve of $1^{\circ}C/min$ heating rate. The experimental results showed that spalling occurred when rapid heating condition was applied. Also, when concrete strength was higher, the more cross section loss from spalling occurred. Also, spalling property is influenced by first pressure cancellation effect of thermal expansion caused by vapor pressure and heating rates.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

제안 방법

이 연구에서 사용한 가열장치는 전기저항에 의해 가열되는 가열코일을 이용하여 콘크리트 시험체를 가열하는 방식이며, 온도컨트롤러에 의해 최대온도 및 온도상승속도 제어가 가능하도록 하였다. 가열방법은 Fig. 2에 나타낸 바와 같이 가열속도에 의한 콘크리트의 폭렬 및 내부 수증기압력을 평가하기 위하여 급속가열조건으로 ISO834 표준가열속선과 저속가열조건으로 1℃/min의 가열방법을 설정하였으며 최고온도를 ISO-834 표준가열곡선에 준하여 50분간 가열한 886℃로 설정하였다.
가열속도에 의한 콘크리트 내부의 수증기압력을 평가하기 위해 가열조건은 급속조건인 ISO-834 표준가열곡선과 1℃/min의 저속조건으로 설정하였다. 저속가열조건은 RILEM TC 129-MHT “Part 3-Compressive strength for service and accident conditions”에 따라 100 mm 직경의 콘크리트 시험체가 20℃ 미만의 내·외부 온도 차이를 갖도록 설정하였다.
따라서 수증기의 응결문제를 해결하기 위해 Fig. 4의 하단에 나타낸 방법과 같이 상온에 노출되는 금속관에 연질의 가열코일을 감싸 재가열을 실시하였다. 또한 코일을 glass wool로 감싼 후 알루미늄 테이프로 접착시켜 단열을 실시하여 노출부의 재가열 후에도 열손실이 최소화되도록 하였다.
따라서, 이 연구에서는 외부적 요인 중 가열 속도와 내부적 영향으로서 압축강도를 실험변수로 설정하였다. 이에 따른 콘크리트 폭렬 현상과 수증기압력의 영향을 평가하기 위하여 다양한 압축강도 레벨의 콘크리트를 대상으로 폭렬 특성, 폭렬 발생과 내부 수증기압력의 관계 및 수증기압력의 발생과 열팽창 변형의 관계를 평가하였다.
제작된 콘크리트 시험체는 탈형 후 7일간 수중양생을 실시하였으며 이후 20±3℃, RH 50±5%의 항온항습조건에서 56일간 기건 양생하였다. 또한 가열시험 전 상면은 콘크리트용 연마기를 이용해 평활하게 마감한 후 가열실험을 실시하였다.
4의 하단에 나타낸 방법과 같이 상온에 노출되는 금속관에 연질의 가열코일을 감싸 재가열을 실시하였다. 또한 코일을 glass wool로 감싼 후 알루미늄 테이프로 접착시켜 단열을 실시하여 노출부의 재가열 후에도 열손실이 최소화되도록 하였다.
또한, 고온가열에 따른 폭렬 현상에 대한 내부적 요인인 압축강도의 영향을 평가하기 위해 콘크리트의 강도수준은 W/B 55%의 일반강도부터 W/B 40%, 33%, 23%, 18%의 고강도영역에 이르기까지 다섯 수준으로 설정하였으며, W/B 33% 이하의 고강도 콘크리트는 강도증진을 위하여 실리카퓸을 각각 시멘트 대비 5%, 16%, 23% 첨가하였다.
또한, 콘크리트가 경화되기 전에 골재나 페이스트의 유입에 의해 금속관의 입구가 폐쇄되는 문제를 방지하기 위해서 용융점 62~65℃의 파라핀계 물질을 이용하여 Fig. 6과 같이 금속관을 사전에 폐쇄시키는 방법을 사용했다. 이 파라핀계 물질이 가열 중 수증기압력의 발생시점 이전에 용융되어 관의 입구를 개방시킴으로써 수증기의 배출이 원활하게 이루어질 수 있도록 하였다.
3에 나타낸 바와 같이 가열로 상·하부에 설치되어 있는 LVDT에 의해 측정되었다. 시험체의 축변형은 직경 10 mm의 석영관에 의해 가열로 외부에 설치된 LVDT에 전달되도록 하였으며 하중과 변형데이터는 데이터로거 및 프로그램에 의해 1초 간격으로 기록하였다.
이 연구에서 사용한 가열장치는 전기저항에 의해 가열되는 가열코일을 이용하여 콘크리트 시험체를 가열하는 방식이며, 온도컨트롤러에 의해 최대온도 및 온도상승속도 제어가 가능하도록 하였다. 가열방법은 Fig.
6과 같이 금속관을 사전에 폐쇄시키는 방법을 사용했다. 이 파라핀계 물질이 가열 중 수증기압력의 발생시점 이전에 용융되어 관의 입구를 개방시킴으로써 수증기의 배출이 원활하게 이루어질 수 있도록 하였다. 콘크리트 시험체로부터 금속관이 인발되는 것을 방지하기 위해 매립되는 부분을 말단에서 90°각도로 굴곡하여 제작하였다.
따라서, 이 연구에서는 외부적 요인 중 가열 속도와 내부적 영향으로서 압축강도를 실험변수로 설정하였다. 이에 따른 콘크리트 폭렬 현상과 수증기압력의 영향을 평가하기 위하여 다양한 압축강도 레벨의 콘크리트를 대상으로 폭렬 특성, 폭렬 발생과 내부 수증기압력의 관계 및 수증기압력의 발생과 열팽창 변형의 관계를 평가하였다.
저속가열조건은 RILEM TC 129-MHT “Part 3-Compressive strength for service and accident conditions”에 따라 100 mm 직경의 콘크리트 시험체가 20℃ 미만의 내·외부 온도 차이를 갖도록 설정하였다.
제작된 콘크리트 시험체는 탈형 후 7일간 수중양생을 실시하였으며 이후 20±3℃, RH 50±5%의 항온항습조건에서 56일간 기건 양생하였다.
콘크리트 시험체로부터 금속관이 인발되는 것을 방지하기 위해 매립되는 부분을 말단에서 90°각도로 굴곡하여 제작하였다.
평가 항목으로는 콘크리트 압축강도 및 가열속도에 따른 폭렬 성상, 중량손실률, 내부 수증기압력, 가열 중 열팽창 변형을 평가였다.
8에 나타냈다. 폭렬 발생에 영향을 미치는 표면부 30 mm 위치의 온도에 따른 수증기압력을 평가하였다. 급속가열을 경우 가열이 시작됨과 동시에 수증기압력이 발생하기 시작하여 100℃ 이후에 급격히 상승해 약 200℃에서 가장 높은 압력값을 나타냈다.

대상 데이터

수증기의 압력을 측정하기 위한 수증기가 외부로 배출되기 위한 금속관을 매립하였다. 금속관(내경 1 mm, 외경 2 mm)은 내열성이 우수한 SUS304 재질을 사용하였다.
9 g/cm³, 분말도 6000~7000 cm²/g의 고로슬래그 미분말을 사용하였다. 또한 혼화제로 폴리카르본산계 고성능 감수제를 사용하였다.
또한, 압축강도를 평가하기 위한 콘크리트 시험체는 KS F 2403“콘크리트의 강도시험용 시험체 제작방법”에 준하여 100×200 mm의 크기로 제작하였다.
이 연구에 사용된 재료는 Table 2에 나타낸 바와 같다. 시멘트 분말도 3200 cm²/g, 밀도 3.15 g/cm³의 1종 보통포틀랜드시멘트를 사용하였으며, 고강도 콘크리트 배합에 있어서는 강도증진을 위하여 밀도 2.5 g/cm³, 분말도 200,000 cm²/g의 실리카퓸과 밀도 2.9 g/cm³, 분말도 6000~7000 cm²/g의 고로슬래그 미분말을 사용하였다. 또한 혼화제로 폴리카르본산계 고성능 감수제를 사용하였다.
압축강도 및 가열속도에 따른 콘크리트 내부의 수증기 압력을 평가하기 위한 시험체는 가로와 세로, 각각 100×100 mm의 단면에 높이 200 mm의 각주형으로 제작하였다.

성능/효과

1) 이 연구에서 제안한 수증기압력 측정방법을 통해 가열속도에 따른 콘크리트 내부의 수증기압력을 정량적으로 평가할 수 있었다.
2) 콘크리트의 폭렬 현상은 급속한 가열에 의해 발생하는 것으로 나타났으며, 압축강도 90 MPa 이상의 콘크리트 시험체에서는 25% 이상의 단면손실량이 발생하는 것으로 나타났다.
3) 급속가열을 받은 콘크리트 시험체는 가열 초기에 표면의 수증기압력이 증가하며, 초기 표면 수증기압력의 상승속도 45 kPa/min 이상에서 콘크리트 폭렬 발생이 발생하는 것으로 나타났다.
4) 저속 가열을 받은 콘크리트에서 높은 수증기압력이 발생함에도 불구하고 폭렬 현상이 발생하지 않았다. 이는 수증기압력 발생 이전에 열팽창 변형에 의해 유발되는 균열을 통해 수증기압력이 완화되는 효과에 의한 것으로 판단된다.
ISO-834 표준가열곡선에 의해 가열을 실시한 시험체의 경우, 30M을 제외한 모든 시험체에서 폭렬 현상이 발생하였다. 50M 및 70M의 시험체에 있어서는 상대적으로 응력이 집중되는 시험체의 모서리부분과 표면부분의 콘크리트가 부분적으로 박리되는 폭렬 현상이 나타났으나 90M과 110M의 콘크리트 시험체는 전체적으로 폭렬이 발생하는 현상이 나타났다.
이는 가열에 의한 콘크리트 내부 수분의 증발에 의한 것으로 판단된다. 경미한 폭렬이 발생한 50M 및 70M의 시험체의 중량손실률은 10~11%로 비교적 폭렬에 의한 단면손실량이 적었다. 그러나 폭렬이 격렬하게 발생한 90M, 110M의 경우에 각각 25%, 39%로 매우 많은 양의 단면손실이 발생하였다.
급속가열의 경우 표면부의 온도가 급격히 상승하는 것에 의해 표면에서 수증기 발생한 수증기압력이 이동해 30 mm에서의 수증기압력이 저속가열조건보다 약 100℃ 낮은 온도에서 발생하고 최고압력 또한 약 200℃ 가량 낮은 온도에서 나타나는 것으로 판단된다. 따라서, 가열속도가 증가함에 따라 표면 수증기압력이 초기에 발생하여 폭렬의 위험이 증가하는 것으로 나타났으며 이는 앞서 폭렬 성상의 평가를 통해서도 확인할 수 있다.
연질의 가열코일을 작동시킨 후 10분 후 관의 내부 온도가 95℃ 이상을 유지하는 것으로 나타나 콘크리트 가열시험 전 금속관 외부를 10분 전에 가열함으로써 콘크리트 내부로부터 배출되는 수증기온도의 저하를 방지시켜 측정되는 수증기압력의 손실을 최소화하였다.
2 kPa/min 정도의 낮은속도로 평가되었다. 전반적으로 폭렬에 의한 중량손실량이 큰 시험체일수록 초기의 표면 수증기압력의 상승속도가 높아지는 것으로 나타났다.
7에 급속 가열을 받은 콘크리트 시험체의 표면 30 mm 깊이에서 최초 폭렬이 발생한 9~12분 사이의 수증기압력의 초기상승속도를 나타냈다. 폭렬이 발생하지 않은 30M 시험체는 12.6 kPa/min의 속도 수증기압력이 상승하였으며, 경미한 폭렬이 발생한 50M 및 70M은 각각 45, 61.2 kPa/min의 속도로 수증기압이 상승하였다. 폭렬이 격렬히 발생한 90M의 경우에는 88.

후속연구

0027에서 파괴되는 것으로 나타났다. 이를 통해 저속가열의 110M의 파괴시점을 알 수 있었으며, 100 MPa 이상의 초고강도영역의 가열 중 파괴요인에 대해서는 추가적인 검토가 필요할 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	콘크리트의 폭렬 발생 메커니즘은 어떻게 설명되는가?	이러한 콘크리트의 폭렬 발생 메커니즘에 대해서는 가열 중 콘크리트 내부의 수분이 수증기화되는 과정에서 생성되는 수증기압력의 인장력에 의한 파괴와 콘크리트의 내·외부의 온도 차이에 의해 발생하는 표면 압축력에 의한 파괴 그리고 앞선 두 가지 요인이 복합적으로 작용하여 발생하는 2축 응력에 의한 파괴의 세 가지 이론을 통해 설명하고 있다.2-9)
	수증기압력설에 따르면 언제 폭렬 현상이 발생하는가?	수증기압력설에 따르면 콘크리트 내부에 다양한 형태로 존재하는 수분은 외부로부터 고온을 받게 되면 내부의 특정 위치에 응집되는 현상이 발생한다. 이 수분 수증기응집층에서 수증기압력이 최대가 되어 콘크리트의 인장강도를 초과하는 경우 폭렬 현상이 발생하는 것으로 알려져 있으며, Fig. 1과 같이 수분응집층의 예상지점에 관을 설치하는 방법으로 수증기압력을 측정할 수 있다.
	콘크리트의 표면이 박리비산하는 폭렬 현상이 콘크리트 구조부재에 끼치는 영향은?	화재 등의 고온 환경에 노출된 콘크리트는 상온상태와 비교해 여러가지 취약점을 갖는다. 그 중 콘크리트의 표면이 박리비산하는 폭렬 현상은 콘크리트 구조부재의 단면을 감소시켜 내력저하를 초래하고 이는 구조물 전체에 걸쳐 안정성을 위협하는 결과를 가져올 수 있다.

참고문헌 (15)

Fu, Y. and Li, L., "Study on Mechanism of Thermal Spalling in Concrete Exposed to Elevated Temperatures," Materials and Structures Original Article, Vol. 44, Issue 1, 2011, pp. 361-376.

상세보기
Bangi, M. R. and Horiguchi, T., "Pore Pressure Development in Hybrid Fibre-Reinforced High Strength Concrete at Elevated Temperatures," Cement and Concrete Research, Vol. 41, Issue 11 2011, pp. 1150-1156.

상세보기
Mideguia, J. C., Pimienta, P., Noumowe, A., and Kanema, M., "Temperature, Pore Pressure and Mass Variation of Concrete Subjected to High Temperature-Experimental and Numerical Discussion on Spalling Risk," Cement and Concrete Research, Vol. 40, Issue 3, 2010, pp. 477-478.

상세보기
RILEM TC 129-MHT, "Part 3-Compressive Strength for Service and Accident Conditions," Material and Structures, Vol. 28, 1995, pp. 410-414.

상세보기
Phan, L. T., "Pore Pressure and Explosive Spalling in Concrete," Materials and Structures Original Article, Vol. 41, Issue 10, 2008, pp. 1623-1632.

상세보기
Ko, J. W., Noguchi, T., and Ryu, D. W., "The Spalling Mechnism of High-Strength Concrete under Fire," Magazine of Concrete Research, Vol. 63, Issue 5, 2011, pp. 357- 370.

상세보기
Conzolazio, G. R., Mcvay, M. C., and Rish III, J. W., "Measurement and Prediction of Pore Pressures in Saturated Cement Mortar Subjected to Radiant Heating," ACI Materials Journal, Vol. 95, No. 5, 1998, pp. 525-536.

상세보기
Kalifa, P., Menneteau, F. D., and Quenard, D., "Spalling and Pore Pressure in HPC at High Temperatures," Cement and Concrete Research, Vol. 30, Issue 12, 2000, pp. 1915-1927.

상세보기
Kontani, O. and Shah, S. P., "Pore Pressure in Sealed Concrete at Sustained High Temperature," Proceedings of the International Confernce on Concrete Under Severe Conditions, CONSEC'95, Sapporo (Japan), Vol. 2, 1995, pp. 1151-1162.
Bangi, M. R. and Horiguchi, T., "Effect of Fibre Type and Geometry on Maximum Pore Pressures in Fibre-Reinforced High Strength Concrete at Elevated Temperatures," Cement and Concrete Research, Vol. 42, Issue 2, 2012, pp. 459-466.

상세보기
Kalifa, P., Chene, G., and Galle, C., "High-Temperature Behaviour of HPC with Polypropylene Fibres from Spalling to Microstructure," Cement and Concrete Research, Vol. 31, Issue 10, 2001, pp. 1487-1499.

상세보기
Ko, J. W., Ryu, D. W., Lee, M. H., and Lee, S. H., "Study on the Behavior of Microstructure and Spalling Mechanism by Heat and Moisture Movement in Concrete under Fire Environment," Architectural Institute of Korea (Structure), Vol. 23, No. 12, 2007, pp. 107-116.
Hertz, K. D., "Limits of Spalling of Fire-Exposed Concrete," Fire Safety Journal, Vol. 38, No. 2, 2003, pp. 103- 116.

상세보기
Anderberg, Y., "Fire Safety Design-Spalling Phenomena of HPC and OC," International Workshop on Fire Performance of High Strength Concrete, NIST, Gaithersburg, 1997, pp. 69-73.
Han, M. C., Heo, Y. S., and Han, C. G., "Investigation of Spalling Mechanism in High Strength Concrete," Magazine of the Korea Concrete Institute, Vol. 19, No. 1, 2007, pp. 94-100.

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증