[논문]화재곡선과 PET섬유 혼입량에 따른 고강도 세그먼트 콘크리트의 화재저항성 평가에 대한 연구

최순욱; 이규필; 장수호; 박영택; 배규진

doi:10.9711/ktaj.2014.16.3.311

화재곡선과 PET섬유 혼입량에 따른 고강도 세그먼트 콘크리트의 화재저항성 평가에 대한 연구
Fire resistance assessment of high strength segment concrete depending on PET fiber amount under fire curves 원문보기

Journal of Korean Tunnelling and Underground Space Association = 한국터널지하공간학회논문집, v.16 no.3, 2014년, pp.311 - 320

최순욱 (한국건설기술연구원 SOC성능연구소 Geo-인프라연구실) , 이규필 (한국건설기술연구원 SOC성능연구소 Geo-인프라연구실) , 장수호 (한국건설기술연구원 SOC성능연구소 Geo-인프라연구실) , 박영택 (한국건설기술연구원 SOC성능연구소 Geo-인프라연구실) , 배규진 (한국건설기술연구원 SOC성능연구소 Geo-인프라연구실)

초록
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화재 시 고강도 콘크리트는 보통강도 콘크리트보다 강도의 감소가 빠르게 나타날 뿐만 아니라 단면손실을 발생시키는 스폴링(spalling)에 취약하다. 본 연구에서는 PET섬유가 혼입된 고강도 세그먼트 콘크리트를 대상으로 ISO834 화재곡선과 RABT 화재곡선 하에서 화재저항성을 평가하였다. 화재저항성을 시험한 결과, PET섬유가 혼입되지 않았을 경우에 ISO834 화재곡선과 RABT 화재곡선 하에서 콘크리트의 단면손실은 약 8 cm, 9.5 cm로 측정되었다. ISO834 화재곡선 하에서 PET섬유가 0.1% 혼입되었을 경우에는 단면손실이 발생하지 않았으나, RABT 화재곡선 하에서는 PET섬유가 0.1% 혼입되었을 경우에는 6.5 cm의 단면손실이 발생하였다. RABT 화재곡선 하에서는 PET섬유가 0.2% 혼입되었을 경우에 단면손실이 발생하지 않았다. 따라서 본 연구에서 사용한 세그먼트 콘크리트는 PET섬유의 혼입량이 0.1%일 때 ISO834 화재곡선 하에서 내화성능을 확보하였으며 RABT 화재곡선 하에서는 PET섬유의 혼입량이 0.2%일 때 내화성능을 가지는 것으로 나타났다. 그러나 단면손실이 발생하지 않았더라도 가열면으로부터 4 cm까지의 손상된 표면의 보수보강이 필요한 것으로 판단된다.

Abstract ▼ AI-Helper

High strength concrete is not only vulnerable to the occurrence of spalling which generates the loss of cross-section in concrete structures but produces faster degradation in its mechanical properties than normal strength concrete in the event of fire. This study aims to evaluate fire resistance of high strength segment concrete with PET fibers mixed to prevent spalling under ISO834 (2hr) and RABT fire curve. As results, the samples without PET fibers show the concrete loss up to the depth of about 8 cm and 9.5 cm from the surface exposed to fire under ISO834 and RABT fire curve respectively. The samples mixed with PET fiber of 0.1% show no spalling under ISO834 fire curve and the spalled thickness of 6.5 cm under RABT fire curve after the fire tests. Finally, the sample mixed with PET fiber of 0.2% shows no spalling under RABT fire curve. The results indicate that the suitable amounts of PET fiber for securing fire resistance performance of this high strength segment concrete are 0.1% under ISO834 fire curve and 0.2% under RABT fire curve. However, even though spalling does not occur, it is necessary to repair the deterioration of concrete up to 4 cm from the surface exposed to fire after fire.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

보통 1 kg/m³ 보다 작을 경우는 내화효과가 저하되고, 3 kg/m³ 보다 클 경우는 콘크리트의 워커빌리티(workability)의문제가 발생하는 것으로 알려져 있다(Khoury, 2008). PET섬유의 사용범위 역시 PP섬유와 유사하므로 본 연구에서는 1～3 kg/m³ 범위의 PET섬유 혼입량에 따른 고강도 세그먼트의 내화특성을 파악하고자 하였다.
본 연구에서는 RABT 화재곡선과 ISO834 화재곡선 하에서 PET섬유의 혼입량에 따른 고강도 터널 세그먼트라이닝의 화재저항성을 평가하기 위하여 내화시험을 수행하였고, 다음과 같은 결론을 얻었다.

제안 방법

PET섬유가 혼입되지 않은 SP1 시험체와 PET섬유가 0.1% 혼입된 SP2 시험체에 대하여 ISO834 (2시간) 화재곡선 하에서 내화시험을 수행하였다. 콘크리트블록 시험체 내에 설치된 열전대로부터 얻어진 시간에 따른 온도이력곡선은 Fig.
PET섬유가 혼입되지 않은 SP3 시험체와 PET섬유가 0.1%, 0.2% 혼입된 SP4, SP5 시험체에 대하여 최대 온도 유지시간이 60분인 RABT 화재곡선 하에서 내화 시험을 수행하였다. 콘크리트블록 시험체 내에 설치된 열전대로부터 얻어진 시간에 따른 온도이력곡선은 Fig.
내화시험에 앞서, 고주파 용량식(20 MHz) 콘크리트 및 모르타르 수분측정기(Kett사 HI-520)를 사용하여 각 시험체의 함수비를 측정하였다(Table 4). 사용된 수분측정기는 설정된 일정깊이에서의 함수비의 평균값을 보여준다.
내화시험을 위한 화재곡선은 Fig. 4와 같이 RABT (Richtlinien für die Ausstattung und den Betrieb von Straßentunneln, 최대 온도 유지시간 60분) 화재곡선과 ISO834 (2시간) 화재 곡선을 적용하였으며, 이때 콘크리트블록 시험체 내부 온도를 Fig. 3의 열전대 위치에서 매 1초 간격으로 측정하였다.
본 연구에서는 수동적 화재저항방식 중 세그먼트 제작단계에서 내화섬유 중 하나인 PET섬유(Polyester fibres)를 콘크리트에 혼입하는 방법을 적용하였다. PET는 플라스틱(plastic)으로 알려져 있는 폴리머(polymer), 즉 고분자중합체의 일종으로 PP (Polypropylene)와 더불어 범용 플라스틱의 대표적인 재료이고 주로 컵이나 음료수 병인 PET병 등을 만드는 데 사용된다.
콘크리트블록 시험체는 내화시험을 위한 가열로 크기에 맞도록 1,400× 1,000 × 300 mm (가열면 1,100 × 700 mm)로 제작하였고 이때 사용한 콘크리트 배합은 Table 2와 같다. 콘크리트 배합에서 PET섬유의 혼입량은 Table 3과 같으며, ISO834화재곡선과 RABT (60)화재곡선 하에서 PET 섬유 혼입량에 따른 내화시험을 수행할 수 있도록 PET 섬유가 혼입되지 않은 시험체와 0.1%가 혼입된 시험체를 두 개씩 제작하고 0.2%가 혼입된 시험체는 한 개 제작하였다.
콘크리트블록 시험체는 내화시험을 위한 가열로 크기에 맞도록 1,400× 1,000 × 300 mm (가열면 1,100 × 700 mm)로 제작하였고 이때 사용한 콘크리트 배합은 Table 2와 같다.

대상 데이터

33%가 된다(Khoury, 2008). 본 연구에서 사용한 PET섬유는 길이, 직경, 인장강도에서 PP섬유와 유사하지만, 밀도와 융점(melting point)이 약 1.5배 정도 높다
화재곡선과 PET섬유 혼입량에 따른 고강도세그먼트의 화재저항성을 조사하기 위하여 Fig. 1과 같은 콘크리트블록 시험체를 5개 제작하였다. 콘크리트블록 시험체는 내화시험을 위한 가열로 크기에 맞도록 1,400× 1,000 × 300 mm (가열면 1,100 × 700 mm)로 제작하였고 이때 사용한 콘크리트 배합은 Table 2와 같다.

성능/효과

ISO834 (2시간)화재곡선 하에서 내화시험을 수행한 결과에서 PET섬유가 혼입되지 않은 고강도 세그먼트 콘크리트의 단면손실 깊이는 약 8 cm로 나타났으며, 또한 철근노출로 인하여 구조물의 내하력에 문제가 발생할 수 있을 것으로 예상되었다. 그러나 PET섬유가 0.
PET섬유가 0.1% 혼입된 SP2 시험체에서는 가열면으로부터 5 cm 지점의 온도가 시험이 종료될 때까지 완만한 증가추세를 보였으며, 최종온도가 333℃로 측정되었다(Fig. 7). SP2 시험체에서의 최대온도는 ITA (2004)에서 제시하는 콘크리트의 강도 손실온도 기준인 380°C이하로 나타났다.
PET섬유가 혼입되지 않은 SP3 시험체에서는 가열면으로부터 5 cm 지점의 최대온도가 가열로 내의 온도에 도달하였고 가열면으로부터 10 cm지점의 최대온도가 625°C인 것으로 판단할 때 단면손실깊이는 7～10cm정도인 것으로 파악되었다(Fig. 9).
8(a), (b)은 내화시험 전과 후의 SP2 시험체의 표면 형상이다. 가열면의 색상이 가열 전과 비교하여 노란색 계열로 바뀐 것을 확인할 수 있었다.
결론적으로 PET섬유 혼입량에 따른 고강도 세그먼트 콘크리트에 대하여 ISO834 화재곡선과 RABT 화재곡선 하에서 내화시험을 수행한 결과, ISO834 화재 곡선의 경우에는 0.1%의 혼입량이 적절하고, RABT 화재곡선의 경우에는 0.2%의 혼입량이 적절한 것으로 판단된다.
SP2 시험체에서의 최대온도는 ITA (2004)에서 제시하는 콘크리트의 강도 손실온도 기준인 380°C이하로 나타났다. 따라서 유지시간이 120분인 ISO834 화재곡선 하에서 내화성능을 확보하기 위한 PET섬유의 혼입량으로 0.1%는 적합한 것으로 판단된다. 그러나 보수 및 보강의 측면에서 볼 때, 비록 내화섬유의 혼입에 의해 콘크리트 내부의 수증기가 이동할 수 있는 유로가 확보되어 스폴링이 발생하지 않았지만 적어도 가열면으로부터 30 mm 까지의 콘크리트는 수분 손실 즉 콘크리트 입자사이의 공극수(capillary water)외 에도 화학적결합수(chemically bound water)의 손실이 발생하였을 것으로 예상되므로 이에 대한 고려가 필요하다.
내화섬유의 하나로서 사용되는 PET섬유는 PP섬유와 마찬가지로 콘크리트의 내화를 위한 재료로서 적합하였다. 또한 PP섬유에 의한 내화시험결과와의 직접적인 비교를 할 수는 없었으나, 혼입량의 범위에서 PP섬유와 유사한 것으로 나타났다
14(b)와 같이 내화실험에 의해 표면의 폭렬은 발생하지 않았다. 또한 가열면의 색상이 가열 전과 비교하여 노란색 계열로 바뀐 것을 확인할 수 있었다. 또한 이 색상은 ISO834 화재곡선 하에서 시험된 SP2 시험체의 노란색 보다 더 짙은 노란색을 띄었다.
마지막으로 PET섬유가 0.2% 혼입된 SP5 시험체에 대하여 내화시험을 수행한 결과, 가열면으로부터 5 cm 지점의 최대온도가 316°C였으며, 가열면으로부터 10cm지점의 최대온도는 173°C에 도달하였다(Fig. 13).
가열면으로부터 5 cm 지점에서의 온도는 시험이 시작된 후 8분 이후부터 급격히 증가하여 16분에 1,000°C 이상이 되어 이 지점에서의 콘크리트의 단면이 완전히 손실되었음을 알 수 있다. 실제 관찰창으로 확인한 결과, 11분경에 철근이 노출된 것을 확인할 수 있었다. 가열면으로부터 15cm 지점에서의 최대온도는 272°C로서 ITA(2004)에서 제시하는 콘크리트의 강도 손실온도 기준인 380°C 이하로 나타났다.
최대온도 유지시간이 60분인 RABT 화재곡선 하에서 내화시험을 수행한 결과에서는 PET섬유가 혼입되지 않은 경우와 0.1% 혼입된 경우에서 고강도 세그먼트 콘크리트의 단면손실 깊이가 각각 9.5 cm, 6.5 cm 정도로 나타났고 PET섬유가 혼입되지 않은 경우는 철근이 완전히 노출되었고 PET섬유가 0.1% 혼입된 경우는 일부 철근노출이 발생하였다. 또한 단면손실된 면으로부터 콘크리트 내부로 역학적 특성 저하가 발생하였기 때문에 ISO834 화재곡선 하에서와 마찬가지로 구조물의 내하력에 문제가 발생할 수 있을 것으로 예상되었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	화재 시 고강도 콘크리트의 단점은 무엇인가?	화재 시 고강도 콘크리트는 보통강도 콘크리트보다 강도의 감소가 빠르게 나타날 뿐만 아니라 단면손실을 발생시키는 스폴링(spalling)에 취약하다. 본 연구에서는 PET섬유가 혼입된 고강도 세그먼트 콘크리트를 대상으로 ISO834 화재곡선과 RABT 화재곡선 하에서 화재저항성을 평가하였다.
	쉴드터널 세그먼트의 역할은 무엇인가?	쉴드터널 세그먼트는 쉴드TBM의 추진을 위한 반력 지지 구조물로서의 역할과 공사 중의 안정성 확보는 물론이고 영구적인 구조체로서의 역할을 한다. 세그먼트는 구조물로서의 기능적인 측면뿐만 아니라 쉴드터널의 직접공사비에서 가중 큰 비중을 차지하기 때문에 비용적인 측면에서도 매우 중요하다.
	폭렬이란 어떤 경우에 발생하며 무엇을 의미하는가?	화재 시 고강도 콘크리트는 강도의 감소뿐만 아니라 단면손실을 발생시키는 스폴링(spalling)의 발생에서도 취약하다. 콘크리트 경화체 조직이 치밀한 고강도 콘크리트는 화재에 의한 급격한 온도상승에 따라 내부의 수증기의 이동이 원활하지 않기 때문에 화재 가열 면으로부터 수 센티미터 내에서 수증기압의 증가에 따라 콘크리트 표면이 터져나가는 현상이 발생한다. 이것이 바로 폭렬(explosive spalling)이며, 스폴링에서 가장 잘 알려져 있다.

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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].

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