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문제 정의
- 이 연구에서는 W/B 20, 14.5, 12.5%의 초고강도 콘크리트를 대상으로 콘크리트의 설계강도에 대한 하중조건을 적용하고 이에 따른 고온에서의 역학적 특성을 평가함으로서 고온에 따른 상태변화와 재하조건을 고려한 콘크리트의 열적거동 및 잔존내력예측을 위한 기초데이터를 확보하고자 하였다.
제안 방법
- 콘크리트 시험체의 가열은 결합된 전기히터를 활용한 가열 방식으로 사전에 3시간 동안 하중을 재하한 후, 가열로의 상부와 하부에 위치한 가력지그를 가열하여 열을 전달하는 열전달 가열방식을 사용하였다. 가열온도 조정은 열전대에 의해 입력되는 시험체의 온도데이터를 통해 전기히터의 온도를 제어하고 시간과 온도변동의 관계를 프로그램화하였다. 시험체를 내 · 외부의 온차를 5℃이하로 균일하게 가열하기 위해 Fig.
- 시험체는 탈형 후 7일간 수중양생을 실시하였으며, 이후 20 ± 3℃, RH 50 ± 5%의 항온항습실내에서 재령 300일까지 기건양생을 실시하였다. 또한, 가열 시험 전 시험체의 상면을 콘크리트용 연마기를 사용하여 평활하게 마감한 후, 가열실험을 실시하였다.
- 시험체는 탈형 후 7일간 수중양생을 실시하였으며, 이후 20 ± 3℃, RH 50 ± 5%의 항온항습실내에서 재령 300일까지 기건양생을 실시하였다.
- 시험체를 내 · 외부의 온차를 5℃이하로 균일하게 가열하기 위해 Fig. 4와 같이 상온(20℃)～50℃ 및 목표온도 도달전의 50℃구간은 0.77℃/min로 가열하였으며, 이외의 구간은 1℃/min의 가열속도로 가열하였다.
- 시험체의 크기는 ∅100×200 mm의 원형공시체를 사용하였으며, 비재하 및 상온압축강도의 25%의 하중을 재하한 조건에서 20, 100, 200, 300 500, 700℃의 목표온도까지 가열을 실시하였다.
- 이 연구의 가열 · 재하 실험을 위한 장치는 Fig. 3과 같은 2000 kN급 UTM에 전기 가열로를 설치하여 재하와 가열이 동시에 이루어 질 수 있도록 하였으며, 시험체의 변형은 가력판 상 · 하부 및 냉각기 중심에 ∅15 mm의 공간을 두어 석영관을 설치하고, 시험체 반대쪽의 석영관 끝에 변형률 게이지를 설치하여 공시체의 변형을 측정하였다.
- 콘크리트 시험체의 가열은 결합된 전기히터를 활용한 가열 방식으로 사전에 3시간 동안 하중을 재하한 후, 가열로의 상부와 하부에 위치한 가력지그를 가열하여 열을 전달하는 열전달 가열방식을 사용하였다. 가열온도 조정은 열전대에 의해 입력되는 시험체의 온도데이터를 통해 전기히터의 온도를 제어하고 시간과 온도변동의 관계를 프로그램화하였다.
- 시험체의 크기는 ∅100×200 mm의 원형공시체를 사용하였으며, 비재하 및 상온압축강도의 25%의 하중을 재하한 조건에서 20, 100, 200, 300 500, 700℃의 목표온도까지 가열을 실시하였다. 평가항목으로는 재하와 가열을 동시에 받는 상태에서의 응력-변형, 최대하중에서의 변형, 고온압축강도, 고온탄성계수, 열팽창변형 및 단기고온크리프를 평가하였다.
- 5에 나타냈다. 하중재하조건은 상온압축강도의 25%를 재하하는 것으로 설정하였으며, RILEM TC 129-MHT ｢Part 6-Thermal strain｣에 준하여 변형특성을 측정하여 화재시 콘크리트의 열적거동을 분석하였다. 단기고온크리프는 RILEM TC 129-MHT ｢Part 7-Transient creep｣에 준하여 식 (2)로 계산하였다.
대상 데이터
- 고온시 역학적특성 평가를 위한 콘크리트 시험체는 KS F 2403「콘크리트의 강도시험용 시험체 제작방법」에 준하여 ∅100×200 mm 크기로 제작하였다.
- 00%의 세척사를 사용하였다. 굵은 골재는 밀도 2.70 g/cm3, 흡수율 0.9% 및 최대치수 13 mm의 화강암류 부순 자갈을 사용하였다.
- 이 연구에서 사용한 재료는 Table 2에 나타난 바와 같이 시멘트는 분말도 3200 cm2/g 및 밀도 3.15 g/cm3의 1종 보통포틀랜드시멘트를 사용하였으며, 혼화제는 폴리카르본산계 고성능 감수제를 사용하였다. 잔골재는 천연잔골재로서 밀도 2.
- 이 연구에서는 Table 1에 나타낸 바와 같이 W/B 20, 14.5, 12.5%의 초고강도 콘크리트를 사용하였다. 시험체의 크기는 ∅100×200 mm의 원형공시체를 사용하였으며, 비재하 및 상온압축강도의 25%의 하중을 재하한 조건에서 20, 100, 200, 300 500, 700℃의 목표온도까지 가열을 실시하였다.
- 15 g/cm3의 1종 보통포틀랜드시멘트를 사용하였으며, 혼화제는 폴리카르본산계 고성능 감수제를 사용하였다. 잔골재는 천연잔골재로서 밀도 2.65 g/cm3, 흡수율 1.00%의 세척사를 사용하였다. 굵은 골재는 밀도 2.
이론/모형
- 또한, 역학적 특성의 평가는 목표온도 도달후 1시간의 유지시간을 두어 시험체 내 · 외부의 온도가 균일하도록 한 상태에서 ｢KS F 2405-콘크리트 압축 강도 시험방법｣ 및 ｢KS F 2438-콘크리트 원주 공시체의 정탄성계수 및 포아송비 시험방법｣에 준하여 측정하였으며, 최대하중에서의 변형은 Fig. 6에 나타낸 바와 같이 EN 1992-1-2:2004(E)에서 제시하고 있는 방법으로 평가하였다.
성능/효과
- 0.25fcu의 하중재하상태에서는 80 MPa 초고강도 콘크리트 시험체의 경우 300℃이하의 온도에서는 변형이 서서히 증가되고, 500℃이상의 온도에서 재하하중의 영향으로 수축변형이 빠른 속도로 일어나게 되며, 700℃에서는 비재하시 발생되는 열팽창변형의 절대값과 유사하게 -0.01로 나타났다.
- 1) 가열온도 300℃ 이하의 범위에서는 하중재하조건에 관계없이 취성적으로 파괴되었지만, 하중재하 상태에서는 모든 온도조건에서 일반상태와 유사한 취성적 파괴 거동을 보였다.
- 11에 상온에 대한 고온에서의 잔존 탄성계수비를 나타냈다. 100℃에서 잔존탄성계수 비가 일부 증가하거나 감소하는 경향을 나타냈으나, 200℃ 이후의 탄성계수는 온도상승에 의해 감소하는 것으로 나타났다. 비재하 상태의 경우, CEB code와 비교해 80 MPa 콘크리트는 300℃ 이하의 온도조건에서 기존코드를 상회하는 결과를 보였으며, 500℃이상의 온도에서는 기존코드와 유사한 경향을 나타냈다.
- 9배 높아지는 것으로 나타났다. 130 MPa 콘크리트 시험체는 500℃에서 0.9배, 700℃에서 4.3배 가량 잔존탄성계수의 상승효과가 나타났다. 따라서, 고온강도와 유사한 경향으로 500℃이상의 온도에서 하중재하에 의한 영향으로 고온탄성계수가 증가되는 것으로 나타났다.
- 모든 시험체에서 CEB 및 CEN code에서 제시되고 있는 것과 달리 100℃에 약 10～40%의 범위로 압축강도가 낮아지는 경향을 나타냈다. 180 MPa시험체는 약 40%, 130 MPa 시험체는 30%, 80 MPa 시험체는 10%로 콘크리트의 설계 압축강도가 높을수록 100℃에서의 강도 저하율이 큰 것으로 나타났다. 또한, 200℃에서 압축강도가 재상승하는 현상이 나타났으며, 상온압축강도에 비하여 180 MPa 시험체의 경우 약 90%, 130 MPa 시험체의 경우 95%, 80 MPa 시험체의 경우 102%의 압축강도비를 나타내 설계 압축강도가 낮을수록 강도의 상승량이 증가하였다.
- 2) 설계기준강도가 높을수록 고온에 따른 콘크리트의 압축강도가 저하되는 폭이 크게 나타났으며 하중재하에 의한 영향으로 고온에서 압축강도 및 탄성계수의 잔존율이 높게 나타났다.
- 3) 비재하상태에서 가열에 의한 초고강도 콘크리트의 열팽창변형은 압축강도에 관계없이 유사한 경향을 나타내고, 하중재하에 의한 수축변형이 고온에 의한 열팽창변형을 상쇄시키는 것으로 나타났다.
- 또한, 200℃에서 압축강도가 재상승하는 현상이 나타났으며, 상온압축강도에 비하여 180 MPa 시험체의 경우 약 90%, 130 MPa 시험체의 경우 95%, 80 MPa 시험체의 경우 102%의 압축강도비를 나타내 설계 압축강도가 낮을수록 강도의 상승량이 증가하였다. 300℃에서 시험체가 파괴된 180 MPa 시험체를 제외한 80, 130 MPa 시험체에서 300℃ 이후로 압축강도가 감소하였으며 최고온도 700℃에서 80 MPa 시험체는 44%, 130 MPa의 시험체는 17%의 압축강도 잔존율을 나타냈다. 따라서, 콘크리트의 설계강도가 높을수록 고온에 의한 압축 강도의 저하가 크게 발생하는 것으로 확인되었다.
- 하중재하상태에서도 가열 온도에 따른 강도저하 및 강도의 상승은 비재하상태와 동일한 경향을 나타냈다. 300℃이하의 온도범위에서는 재하하중에 따른 고온압축강도의 차이는 크게 나타나지 않았지만, 500℃ 이상의 온도범위에서 하중재하에 의한 압축강도의 잔존율이 높아지는 것으로 나타났다. 특히, 130 MPa 시험체에서 비재하 상태에 비해 1.
- 4) 하중재하에 의해 콘크리트의 열팽창이 억제되어 잔존압축강도 및 잔존탄성계수가 높게 나타났으며, 이러한 현상은 500℃이상의 온도에서 설계기준강도가 높을수록 명확하게 나타났다.
- 12에 초고강도 콘크리트의 고온탄성계수에 대한 하중재하의 영향을 나타냈다. 80 MPa 콘크리트의 경우 500℃이하의 온도에서는 하중재하에 의한 탄성계수의 증가효과가 없었지만, 700℃에서는 0.9배 높아지는 것으로 나타났다. 130 MPa 콘크리트 시험체는 500℃에서 0.
- 3배 가량 잔존탄성계수의 상승효과가 나타났다. 따라서, 고온강도와 유사한 경향으로 500℃이상의 온도에서 하중재하에 의한 영향으로 고온탄성계수가 증가되는 것으로 나타났다.
- 300℃에서 시험체가 파괴된 180 MPa 시험체를 제외한 80, 130 MPa 시험체에서 300℃ 이후로 압축강도가 감소하였으며 최고온도 700℃에서 80 MPa 시험체는 44%, 130 MPa의 시험체는 17%의 압축강도 잔존율을 나타냈다. 따라서, 콘크리트의 설계강도가 높을수록 고온에 의한 압축 강도의 저하가 크게 발생하는 것으로 확인되었다.
- 180 MPa시험체는 약 40%, 130 MPa 시험체는 30%, 80 MPa 시험체는 10%로 콘크리트의 설계 압축강도가 높을수록 100℃에서의 강도 저하율이 큰 것으로 나타났다. 또한, 200℃에서 압축강도가 재상승하는 현상이 나타났으며, 상온압축강도에 비하여 180 MPa 시험체의 경우 약 90%, 130 MPa 시험체의 경우 95%, 80 MPa 시험체의 경우 102%의 압축강도비를 나타내 설계 압축강도가 낮을수록 강도의 상승량이 증가하였다. 300℃에서 시험체가 파괴된 180 MPa 시험체를 제외한 80, 130 MPa 시험체에서 300℃ 이후로 압축강도가 감소하였으며 최고온도 700℃에서 80 MPa 시험체는 44%, 130 MPa의 시험체는 17%의 압축강도 잔존율을 나타냈다.
- 30fcu의 재하하중을 받을 경우, 압축강도가 25%정도 상승하는 것을 확인하였고 이 연구에서도 같은 효과가 확인 되었다. 또한, 설계압축강도가 높은 콘크리트 일수록 하중재하에 의한 고온압축강도 및 고온탄성계수의 잔존율이 높아지는 것을 확인할 수 있었다.
- 하중재하상태에서는 500℃ 이상의 고온을 받을 경우에도 목표온도에서 파괴시 취성거동을 나타냈다. 또한, 초고강도 콘크리트의 압축강도가 증가할수록 기울기가 높아지고 대부분의 시험체에서 최종파괴시의 변형률이 0.003～0.004사이의 값을 갖는 것으로 확인되었다. 이는 콘크리트가 500℃이상의 고온을 받을 경우, 시멘트 페이스트와 골재의 계면에서 균열이 발생해 내력저하가 발생하게 되지만, 하중재하에 의해 균열이 억제되어 고온에도 취성적 파괴가 발생하는 것으로 판단된다.
- 9는 상온에 대한 고온에서의 잔존 압축강도비를 나타낸 것으로서 CEB 및 CEN code와 비교한 것이다. 모든 시험체에서 CEB 및 CEN code에서 제시되고 있는 것과 달리 100℃에 약 10～40%의 범위로 압축강도가 낮아지는 경향을 나타냈다. 180 MPa시험체는 약 40%, 130 MPa 시험체는 30%, 80 MPa 시험체는 10%로 콘크리트의 설계 압축강도가 높을수록 100℃에서의 강도 저하율이 큰 것으로 나타났다.
- 100℃에서 잔존탄성계수 비가 일부 증가하거나 감소하는 경향을 나타냈으나, 200℃ 이후의 탄성계수는 온도상승에 의해 감소하는 것으로 나타났다. 비재하 상태의 경우, CEB code와 비교해 80 MPa 콘크리트는 300℃ 이하의 온도조건에서 기존코드를 상회하는 결과를 보였으며, 500℃이상의 온도에서는 기존코드와 유사한 경향을 나타냈다. 130 MPa의 콘크리트는 비재하 상태의 경우 전범위에서 CEB code 보다 낮게 평가되었다.
- 7은 고온 및 하중재하조건에 따른 초고강도 콘크리트의 응력-변형 곡선을 나타낸 것이다. 비재하상태의 경우, 80 및 130 MPa 초고강도 콘크리트 시험체는 가열 온도 300℃까지 변형률 0.004 이하의 직선에 가까운 응력-변형곡선 형태로 취성적 파괴현상을 보였으나, 500℃ 이후로 그 기울기가 낮아져 700℃에서의 파괴변형률 0.01로 연성적으로 파괴되었다. 한편, 180 MPa 초고강도 콘크리트의 경우에는 200℃ 이하의 온도조건에서는 상온의 변형률과 유사한 수준을 보였고, 300℃ 이상의 온도조건에서는 가열 중 파괴되어 고온압축강도의 측정이 불가능하였다.
- 의 분해에 따른 매트릭스 붕괴와 골재의 열팽창변형에 의한 균열발생으로 인해 500℃이후의 온도에서 콘크리트의 transient creep이 급격하게 증대된다. 이 연구에서 사용한 콘크리트는 일반 콘크리트에 비해 굵은 골재 최대치수가 작고 결합재량이 많기 때문에 300℃이후에서 압축강도가 크게 저하하며, 재하하중 및 고온을 받을 경우 콘크리트 매트릭스의 결속력이 저하하여 수축변형이 급격하게 발생함으로써 취성적으로 파괴되는 것으로 판단된다.
- 300℃이하의 온도범위에서는 재하하중에 따른 고온압축강도의 차이는 크게 나타나지 않았지만, 500℃ 이상의 온도범위에서 하중재하에 의한 압축강도의 잔존율이 높아지는 것으로 나타났다. 특히, 130 MPa 시험체에서 비재하 상태에 비해 1.8배 높은 잔존 압축강도를 나타냈고, 180 MPa 시험체는 300℃이상의 온도에서 비재하시험의 경우는 파괴되었으나, 하중재하 경우에서는 파괴되지 않아 고온에서 잔존강도를 확보할 수 있는 것으로 확인되어 하중재하에 의한 효과는 설계 강도가 높을수록 커지는 것으로 판단된다.
- 01까지 증가했다. 하중재하상태에서는 콘크리트의 최대하중에서의 변형은 상온시와 비교하여 약간 상회하지만 유사한 값으로써 0.25fcu의 하중재하에 의해 골재팽창에 따른 콘크리트의 팽창변형이 재하하중에 의한 수축변형과 상쇄되는 효과가 있는 것을 확인 할 수 있었다.
- 한편, CEN code에서 규정하고 있는 최대응력에서의 변형값은 이 연구의 결과 값과는 큰 차이가 발생하는 것으로 확인되었다. CEN에서 규정하고 있는 값은 비재하 잔존강도 시험방법에 의한 결과 값으로써 목표온도까지 가열한 후 상온까지 냉각시켜 평가를 하기 때문에 균열이 크게 발생할 수 있고, 공기 중의 수분과 반응 후 팽창이 발생되어 길이변화가 생길 수 있는 요인도 존재한다.
후속연구
- 이러한 기준 및 연구데이터는 실부재의 내화성능 설계 시 콘크리트재료의 열적특성에 관한 수치적 해석에 응용 되어 구조물의 열적 거동 및 잔존내력의 예측에 이용될 수 있다. 그러나 이러한 연구데이터는 국내에서는 보고 사례가 적고, 국외경우에도 일반강도영역 및 압축강도 100 MPa이하의 고강도 콘크리트를 대상으로 하고 있다.
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