본 논문은 철근콘크리트 구조물이 화재를 입었을 경우의 최고 노출 온도 예측 및 화재손상 분석을 위하여 콘크리트 시험체에 대한 기기 분석적 고찰을 실시하였다. 시차열분석 결과, $200^{\circ}C$까지는 모세관수 및 겔수의 증발로 인한 강한 흡열피크가 일어났으며, $520^{\circ}C$정도에서 수산화칼슘 ($Ca(OH)_2$)의 분해로 인해 흡열피크가 생성되었고, 흡열 반응으로 인해 시료의 중량이 크게 감소되었다. $720^{\circ}C$정도에서 칼사이트 ($CaCO_3$)의 분해로 인해 또 한번의 강한 흡열반응이 발생한 것을 알 수 있었다. 또한 X-선 회절분석 결과, $400^{\circ}C$까지는 $Ca(OH)_2$가 존재하지만 $600^{\circ}C$이상부터는 CH성분은 거의 소멸되고 CaO의 성분이 나타났으며, 온도가 높을수록 생성량이 증가하였다. 이것은 화재 시 콘크리트의 온도가 증가될수록 $Ca(OH)_2$과 $CaCO_3$가 분해되어 CaO로 변환되기 때문이며, $Ca(OH)_2$와 $CaCO_3$가 완전히 분해되어 피크가 없어지고 대신 CaO의 피크가 크게 형성되는 온도 범위를 약 $700{\sim}800^{\circ}C$로 추정할 수 있다. 주사형 전자현미경 분석 결과, 고열에 의해 콘크리트를 구성하고 있는 시멘트 반응생성물에서 결합수 및 겔수의 탈수로 인해 콘크리트의 수축이 발생함으로써 미세한 균열이 전반적으로 심하게 발생되는 것을 볼 수 있다. 이를 통해 보통 콘크리트가 열을 받으면 $300^{\circ}C$부터 미세균열이 발생되어 $500^{\circ}C$에서는 상당히 심하게 균열이 발생되는 것을 알 수 있다.
본 논문은 철근콘크리트 구조물이 화재를 입었을 경우의 최고 노출 온도 예측 및 화재손상 분석을 위하여 콘크리트 시험체에 대한 기기 분석적 고찰을 실시하였다. 시차열분석 결과, $200^{\circ}C$까지는 모세관수 및 겔수의 증발로 인한 강한 흡열피크가 일어났으며, $520^{\circ}C$정도에서 수산화칼슘 ($Ca(OH)_2$)의 분해로 인해 흡열피크가 생성되었고, 흡열 반응으로 인해 시료의 중량이 크게 감소되었다. $720^{\circ}C$정도에서 칼사이트 ($CaCO_3$)의 분해로 인해 또 한번의 강한 흡열반응이 발생한 것을 알 수 있었다. 또한 X-선 회절분석 결과, $400^{\circ}C$까지는 $Ca(OH)_2$가 존재하지만 $600^{\circ}C$이상부터는 CH성분은 거의 소멸되고 CaO의 성분이 나타났으며, 온도가 높을수록 생성량이 증가하였다. 이것은 화재 시 콘크리트의 온도가 증가될수록 $Ca(OH)_2$과 $CaCO_3$가 분해되어 CaO로 변환되기 때문이며, $Ca(OH)_2$와 $CaCO_3$가 완전히 분해되어 피크가 없어지고 대신 CaO의 피크가 크게 형성되는 온도 범위를 약 $700{\sim}800^{\circ}C$로 추정할 수 있다. 주사형 전자현미경 분석 결과, 고열에 의해 콘크리트를 구성하고 있는 시멘트 반응생성물에서 결합수 및 겔수의 탈수로 인해 콘크리트의 수축이 발생함으로써 미세한 균열이 전반적으로 심하게 발생되는 것을 볼 수 있다. 이를 통해 보통 콘크리트가 열을 받으면 $300^{\circ}C$부터 미세균열이 발생되어 $500^{\circ}C$에서는 상당히 심하게 균열이 발생되는 것을 알 수 있다.
In this paper, Machinery analysis was conducted, in order to predict highest exposure temperatures and the analyze fire damage in the case of fire on reinforced concrete structure. After analyzing differential thermal of reference materials in accordance with temperature of concrete reference core s...
In this paper, Machinery analysis was conducted, in order to predict highest exposure temperatures and the analyze fire damage in the case of fire on reinforced concrete structure. After analyzing differential thermal of reference materials in accordance with temperature of concrete reference core specimen, it turned out that powerful endothermic peak came resulting from evaporation of capillary water and get water untill $200^{\circ}C$, another endothermic peak came resulting from decomposition of calcium hydroxide at $520^{\circ}C$, and then mass of reference materials remarkably decreased due to endothermic reaction. Another powerful endothermic reaction came after decomposition of calcite at $720^{\circ}C$. After analyzing X-ray diffraction of reference materials in accordance with temperature of concrete reference core specimen, it turned out that calcium hydroxide existed until the temperature of $400^{\circ}C$, but CH almost disappeared and CaO appeared from $600^{\circ}C$. The production increased in proportion to the temperature. This is because that calcium hydroxide and calcite are decomposed and CaO is produced when the temperature of concrete increases with fire. It is estimated that calcium hydroxide and calcite are utterly decomposed and peak disappears, and peak of CaO is remarkably formed instead, at the temperature of $700-800^{\circ}C$.
In this paper, Machinery analysis was conducted, in order to predict highest exposure temperatures and the analyze fire damage in the case of fire on reinforced concrete structure. After analyzing differential thermal of reference materials in accordance with temperature of concrete reference core specimen, it turned out that powerful endothermic peak came resulting from evaporation of capillary water and get water untill $200^{\circ}C$, another endothermic peak came resulting from decomposition of calcium hydroxide at $520^{\circ}C$, and then mass of reference materials remarkably decreased due to endothermic reaction. Another powerful endothermic reaction came after decomposition of calcite at $720^{\circ}C$. After analyzing X-ray diffraction of reference materials in accordance with temperature of concrete reference core specimen, it turned out that calcium hydroxide existed until the temperature of $400^{\circ}C$, but CH almost disappeared and CaO appeared from $600^{\circ}C$. The production increased in proportion to the temperature. This is because that calcium hydroxide and calcite are decomposed and CaO is produced when the temperature of concrete increases with fire. It is estimated that calcium hydroxide and calcite are utterly decomposed and peak disappears, and peak of CaO is remarkably formed instead, at the temperature of $700-800^{\circ}C$.
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문제 정의
X선 회절분석을 통해 콘크리트의 반응생성물을 정성적으로 분석하고 시멘트 수화물이 고온에 의하여 어떤 물질로 변하고 얼마나 변하였는지를 정량적으로 분석하여 콘크리트가 화재 온도별로 어떠한 반응과 생성물을 만드는지 알아보고자 하였다.
본 논문은 철근콘크리트 구조물이 화재를 입었을 경우의 최고노출온도 예측 및 화재손상 정도를 분석하기 위하여 고온에 노출된 콘크리트에 대한 시차열분석 (Differential Thermal Analysis ; DTA), X-선 회절분석 (X-ray Diffraction ; XRD), 주사형전자현미경분석 (Scanning Electron Microscope : SEM) 등을 실험적으로 고찰하였으며, 이러한 실험결과를 바탕으로 향후 화재피해를 받은 철근콘크리트 구조물의 최고노출온도를 추정하기 위한 기초자료를 확보하는데 목적이 있다.
콘크리트의 X선 회절분석은 고온에 의하여 콘크리트 중의 시멘트수화물의 변화를 정량적으로 추정하여 화재온도와 온도의 작용시간을 추정하기 위하여 실시한다.
제안 방법
이상의 결과에 의하면 실제 화재에 의해 고온의 영향을 받을 경우 약 300℃부터 콘크리트 조직에 미세균열이 발생되는 것으로 추정할 수 있다. 또한 시멘트 수화조직에 대한 원소 성분의 변화를 정성적, 정량적으로 조사하여 건전한 시료와 화상을 입은 시료와의 차이를 분석함으로서 콘크리트 열화정도를 판정할 수 있다.
본 논문에서는 코어 시험체로부터 미분말 시료를 채취하여 X선 회절분석을 실시하였다. 측정조건은 CuK (Ni Filter): 30KV, 20mA, Scanning Speed; 6/min, Full Scale; 250cps, 2θ; 5~60°로 하였다.
본 논문에서는 콘크리트의 건전부위와 화재손상에 의해 열화된 부위를 온도별로 촬영하였으며, 동시에 EDS분석도 참고적으로 실시하였다.
이를 위해 화재 온도에 따른 미세조직의 변화 정도를 알아보기 위하여 완공 후 5년이 지나서 화재가 발생한 설계기준강도 24MPa의 지하콘크리트구조물에서 채취한 코어공시체를 사용하였고, 코어의 압축강도는 30Mpa로 측정되었다. 채취한 콘크리트 코어공시체에서 탄산화가 진행된 깊이를 페놀프탈레인 용액을 이용하여 확인한 후 탄산화가 진행되지 않은 내측 부위를 표준시료로 사용하였다.
코어공시체로부터 채취된 시료를 10×10mm 이하의 여러 조각으로 만들었으며, 전기로를 이용하여 상온에서부터 1,200℃까지 열에 각각 노출시켜 화재온도에 따른 콘크리트의 손상 정도를 분석하였다.
한편, SEM분석과 동시에 에너지분산형 분석장치를 EDS (Energy Dispersive X-ray Spectroscopy)형 전자현미경분석기 (Electronic Probe Micro Analyzer : EPMA)를 사용하여 미소영역의 원소를 분석하였다.
화재를 받지 않은 철근콘크리트 구조물에서 표준코어공시체를 채취하여 일정시간동안 지속적인 열을 가하여 인위적 으로 화재손상을 준 표면부위의 표준시료를 이용하여 시차 열분석, X-ray분석 및 미세구조를 분석하여 화재손상정도를 평가하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
화재시 콘크리트가 받게 되는 온도를 추정하기 위한 자료기반을 구축하기 위하여 코어 시험체로부터 미분말시료 50mg 을 채취하여 승온속도 40℃/min로 최고 1,000℃까지 측정하였다.
대상 데이터
이를 위해 화재 온도에 따른 미세조직의 변화 정도를 알아보기 위하여 완공 후 5년이 지나서 화재가 발생한 설계기준강도 24MPa의 지하콘크리트구조물에서 채취한 코어공시체를 사용하였고, 코어의 압축강도는 30Mpa로 측정되었다. 채취한 콘크리트 코어공시체에서 탄산화가 진행된 깊이를 페놀프탈레인 용액을 이용하여 확인한 후 탄산화가 진행되지 않은 내측 부위를 표준시료로 사용하였다.
성능/효과
(1) 콘크리트 표준코어공시체의 온도에 따른 시차열분석 결과, 200℃까지는 모세관수 및 겔수의 증발로 인한 강한 흡열피크가 일어났으며, 520℃ 정도에서 Ca(OH)2의 분해로 인해 흡열피크가 생성되고, 흡열 반응으로 인해 시료의 중량이 크게 감소하게 된다. 720℃ 정도에서 칼사이트 (CaCO3)의 분해로 인해 또 한번의 강한 흡열반응이 발생한 것을 알 수 있다.
(2) 콘크리트 표준코어공시체의 온도에 따른 표준시료의 X-선 회절분석 결과를 보면 400℃까지는 Ca(OH)2가 존재하지만 600℃ 이상부터는 Ca(OH)2 성분은 거의 소멸되고 CaO 성분이 나타났으며, 온도가 높을수록 생성량이 증가하고 있다. 이것은 화재 시 콘크리의 온도가 증가될수록 수산화칼슘과 칼사이트 (CaCO3)가 분해되어 CaO로 변환되기 때문이다.
(3) 콘크리트 표준코어공시체의 온도에 따른 표준시료의 미세조직 변화 정도를 알아보기 위하여 SEM 측정한 결과, 고열에 의해 콘크리트를 구성하고 있는 시멘트 반응생성물에서 결합수 및 겔수의 탈수로 인해 콘크리트의 수축이 발생함으로써 미세한 균열이 전반적으로 심하게 발생되는 것을 볼 수 있다. 또한 미세균열은 300℃부터 발생되어 500℃에 이르면 균열의 발생정도는 심화되는 것으로 나타났다
즉, 손상온도 200℃ 이하일 경우에는 승온 온도에 따라 수화생성물의 변화로 에너지 흡수 및 방출 현상이 두드러지며, 각각의 생성물의 반응에 의해 발생하는 중량 변화가 현저하게 관찰되었다. 또한 200~300℃의 손상온도에서 모세관수와 시멘트수화물의 결합수 탈수작용 등에 의한 흡열반응 정도로 평가하면 520℃ 정도에서 발생되는 수산화칼슘의 분해에 의한 흡열반응은 거의 진행되지 않았지만, 중량변화 현상은 뚜렷하게 나타났다.
분석 결과 400℃까지는 CH(Ca(OH)2)가 존재하지만 600℃이상부터는 CH성분은 거의 소멸되고 CaO의 성분이 나타났으며, 온도가 높을수록 생성량이 증가하고 있다. 이것은 화재시 콘크리트의 온도가 증가될수록 수산화칼슘이 분해되고 또한 칼사이트 (CaCO3)가 분해되어 CaO로 변환되기 때문으로 판단된다 (Chow, W.
이상의 결과에 의하면 실제 화재에 의해 고온의 영향을 받을 경우 약 300℃부터 콘크리트 조직에 미세균열이 발생되는 것으로 추정할 수 있다. 또한 시멘트 수화조직에 대한 원소 성분의 변화를 정성적, 정량적으로 조사하여 건전한 시료와 화상을 입은 시료와의 차이를 분석함으로서 콘크리트 열화정도를 판정할 수 있다.
특히 손상온도 600℃에서 1,200℃까지의 시료에서는 중량감소의 변화가 확인되지 않는데, 이는 고온으로 인해서 콘크리트의 수화생성물의 결정구조가 변화되어, 가열온도에 따라 발생하는 특별한 에너지의 흡수나 방출을 하지 않기 때문으로 판단된다. 즉, 손상온도 200℃ 이하일 경우에는 승온 온도에 따라 수화생성물의 변화로 에너지 흡수 및 방출 현상이 두드러지며, 각각의 생성물의 반응에 의해 발생하는 중량 변화가 현저하게 관찰되었다. 또한 200~300℃의 손상온도에서 모세관수와 시멘트수화물의 결합수 탈수작용 등에 의한 흡열반응 정도로 평가하면 520℃ 정도에서 발생되는 수산화칼슘의 분해에 의한 흡열반응은 거의 진행되지 않았지만, 중량변화 현상은 뚜렷하게 나타났다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
철근콘크리트의 특징은 무엇인가?
철근콘크리트는 건설 구조재료 가운데 내구성, 내화성 및 내진성 등이 우수하여 건설재료로써 널리 사용되어 지고 있다.
열용량분석이란 무엇인가?
열용량분석은 시료가 화학적 또는 물리적 변화를 일으킬 때 발생되는 열변화를 기준물질과의 온도차이 형태로 검출 하는 것이다.
열변화 유무에 따른 시료비교를 통하여 콘크리트의 화재온도를 추정할 수 있는 이유는 무엇인가?
콘크리트는 시멘트의 수화반응에 의해 많은 수화생성물을 함유하고 있으며 이들 수화생성물은 온도의 변화에 따라 결정구조가 변화되며 변화할 때에 에너지를 흡수 또는 방출한다. 또한 수화물의 결합수와 흡착수 등이 이탈하는 과정에서도 열변화 등을 일으키기 때문에 미리 열변화를 일으킨 시료를 열분석 할 경우 그 온도에서는 특별한 에너지의 흡수나 방출은 발생하지 않는다.
참고문헌 (9)
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