[논문]고강도 콘크리트의 내화 특성에 관한 기존연구 고찰 및 실험적 연구

김우석; 강현구; 김화중

doi:10.11112/jksmi.2014.18.3.028

고강도 콘크리트의 내화 특성에 관한 기존연구 고찰 및 실험적 연구
State-of-the-Art Research and Experimental Assessment on Fire-Resistance Properties of High Strength Concrete 원문보기

한국구조물진단유지관리공학회 논문집 = Journal of the Korea Institute for Structural Maintenance and Inspection, v.18 no.3, 2014년, pp.28 - 39

김우석 (금오공과대학교 건축학부) , 강현구 (서울대학교 건축학과) , 김화중 (경북대학교 건축토목공학부)

초록
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본 연구에서는 우선 화재에 노출된 고강도 콘크리트의 내화특성과 폭렬 메커니즘을 규명한 기존 국내외 연구자들의 연구문헌들을 심도 깊게 고찰하였다. 그 후 고온을 받은 고강도 콘크리트에 대한 국내외 연구자들의 주요 실험 변수를 분석하여 가장 최적의 변수를 설정하였으며 이를 토대로 하여 100MPa급 고강도 콘크리트의 내화 특성을 규명하기 위한 내화실험을 계획하였다. 또한 기존 연구의 실험결과를 분석한 결과 폭렬방지에 효과가 있는 것으로 알려져 있는 PP섬유와 친수성 재료로서 시멘트 입자와 부착성능이 우수하고 워커빌리티를 개선할 수 있는 NY섬유를 혼합한 신재료 HB섬유를 섬유혼입률 0.05%로 정해 배합설계에 반영하였다. 이러한 배합설계로 타설한 총 48개의 공시체를 28일 양생기간 후 온도변화 ($100^{\circ}C{\sim}700^{\circ}C$)에 따른 고강도 콘크리트의 역학적 특성을 분석하기 위해 화재를 받은 후 냉간상태에서의 내화실험을 수행하였으며 이를 통해 고강도 콘크리트의 내화 특성을 분석하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

This paper reviews past literatures relevant to fire-resistance properties of high strength concrete and investigates spalling mechanism of high strength concrete in fire. First, literatures were reviewed on spalling occurrence and fire-resistance methods. Second, a chemical change of concrete components in an elevated temperature was presented. Finally, the mechanism of the spalling occurrence and spalling resistance were examined in terms of hybrid fiber content. The focus of the experimental study as part of this research is to investigate the effects of fire on the variation of thermal properties of high strength concrete, which tends to be used in super tall buildings. This experimental study was devised to investigate the fire-resistance performance of high strength concrete containing hybrid fibers. A total of 48 test specimens were exposed to high temperature ranging from $100^{\circ}C$ to $700^{\circ}C$, including room temperature (${\sim}20^{\circ}C$). Test results provide valuable information regarding fire-resistance properties of strength concrete with 100 MPa or greater.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

기존 연구 분석결과 고강도 콘크리트의 내화 특성에 관한 국내외 관심은 초고층건축의 급부상과 맞물려 지속적으로 증가하고 있지만 아직까지 100MPa급 이상의 (초)고강도 콘크리트의 실험 연구는 아직까지 미비한 실정이다. 따라서 본 연구에서는 100MPa급 이상의 (초)고강도 콘크리트의 내화 특성을 분석하기 위해 Table 1에 나타난 국내외 여러 연구자들의 주요 실험 변수를 분석하여 가장 최적의 변수를 설정하여 실험 연구를 수행하였다.
하지만 아직까진 고강도 콘크리트의 고온 특성에 관한 연구가 상당히 부족하고 그 실험방법에 대해서도 제대로 정립되지 않은 실정이다. 따라서 본 연구에서는 이와 같은 문제점을 해결하기 위해 선행된 국내외 문헌들을 조사하고 그 연구결과를 토대로 하여 국내실정에 맞는 가장 적절한 설계변수를 선정하고 온도별 (100℃~700℃)로 가열하여 고강도 콘크리트의 온도별 열적 특성 변화를 파악하여 궁극적으로 고온에서의 고강도 콘크리트 재료 모델을 개발하는데 있어 그 기초적 자료를 제공하고자 한다.
본 연구는 초고층 건축물의 고강도 콘크리트의 화재시 폭렬 현상의 방지를 위해 일정량의 섬유를 고강도 콘크리트에 혼입한 뒤, 상온 (약 20℃)에서 700℃까지 가열하여 가열 온도에 따른 고강도 콘크리트의 열적 특성 변화를 규명하고자 하였다. 그 일환으로 총 48개의 100MPa급 고강도 콘크리트 공시체에 고강도 콘크리트의 폭렬을 방지하기 위해 PP섬유와 나일론섬유 (NY섬유: NYlon fiber)를 혼합한 하이브리드 섬유 (HB섬유: HyBrid fiber)를 혼입하여 제작한 후 냉간상태에서 온도변화에 따른 내화실험을 진행한 후 최종적으로 냉간 상태에서의 압축강도와 탄성계수 및 응력-변형률의 관계를 통한 고강도 콘크리트의 역학적 특성 및 내화특성을 분석하고자 하였다.
이에 국내외 다수의 연구자들은 화재발생시 고강도 콘크리트의 폭렬문제를 해결하기 위하여 다양한 폭렬발생 메커니즘을 분석하고 폭렬방지 공법 개발 및 내화공법의 현장적용 사례 등에 관한 연구를 진행하였다. 이러한 폭렬현상을 방지하기 위한 방안으로는 콘크리트의 온도상승을 억제하는 방법, 내부 수증기를 빠르게 배출시키는 방법, 횡구속 등을 통해서 콘크리트의 비산을 억제하는 방법 등이 있다.

제안 방법

이 시험체를 가열로안에 위치시키고 시험체를 RILEM에서 권장하고 있는 승온 온도 2℃/분으로 하여 50분간 가열, 10분간 대기를 반복하여 1시간당 100℃ 상승을 유지하며, 상온 (20℃)부터 100, 200, 300, 400, 500, 600, 700℃까지 공시체를 가열하였다. 가열에 따른 콘크리트 온도를 측정하기 위하여 K 타입 열전대 (NiCr-Ni, 온도 측정 범위: -200~1370℃)를 사 용하였고, 목표 온도에 도달 후에 120분간 목표 온도를 유지 시켜 콘크리트 공시체의 내부까지 표면과 동일한 온도를 갖추도록 한 후, 상온에서 12~24시간동안 천천히 냉각시켰다. 그 후 고강도 콘크리트의 잔존 압축강도 및 탄성계수, SEM 형상 등과 같은 내화특성을 실험을 통해 분석하였다.
고온에서의 콘크리트 압축강도는 콘크리트의 열적 특성을 분석하는데 있어 가장 중요한 특성중 하나로 본 연구에서는 고온 가열을 받은 콘크리트 공시체를 24시간동안 상온에서 방치한 후 공시체의 잔존 압축강도를 측정하기 위해 KS F 2405에 따라 Fig. 6과 같이 셋업하여 압축강도 실험을 진행하였다.
고온을 받은 고강도 콘크리트 내화 특성 및 역학적 성질에 대한 기존 연구들을 분석하여 100MPa급 고강도 콘크리트에 대한 최적의 주요 변수들을 설정하였다. 이를 토대로 가열 조건에 따른 고강도 콘크리트의 역학적 특성 변화에 관한 연구를 수행한 결과 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
본 연구는 초고층 건축물의 고강도 콘크리트의 화재시 폭렬 현상의 방지를 위해 일정량의 섬유를 고강도 콘크리트에 혼입한 뒤, 상온 (약 20℃)에서 700℃까지 가열하여 가열 온도에 따른 고강도 콘크리트의 열적 특성 변화를 규명하고자 하였다. 그 일환으로 총 48개의 100MPa급 고강도 콘크리트 공시체에 고강도 콘크리트의 폭렬을 방지하기 위해 PP섬유와 나일론섬유 (NY섬유: NYlon fiber)를 혼합한 하이브리드 섬유 (HB섬유: HyBrid fiber)를 혼입하여 제작한 후 냉간상태에서 온도변화에 따른 내화실험을 진행한 후 최종적으로 냉간 상태에서의 압축강도와 탄성계수 및 응력-변형률의 관계를 통한 고강도 콘크리트의 역학적 특성 및 내화특성을 분석하고자 하였다.
가열에 따른 콘크리트 온도를 측정하기 위하여 K 타입 열전대 (NiCr-Ni, 온도 측정 범위: -200~1370℃)를 사 용하였고, 목표 온도에 도달 후에 120분간 목표 온도를 유지 시켜 콘크리트 공시체의 내부까지 표면과 동일한 온도를 갖추도록 한 후, 상온에서 12~24시간동안 천천히 냉각시켰다. 그 후 고강도 콘크리트의 잔존 압축강도 및 탄성계수, SEM 형상 등과 같은 내화특성을 실험을 통해 분석하였다.
5의 주사전자 현미경 (Mini-SEM: SNE-3200M model)을 사용하여 시료기 위에 카본 테이프를 붙이고 해당 공시체 시편을 카본 테이프 위에 정착시킨 후 에어 브러쉬로 불필요한 성분을 제거하였다. 그 후 시료를 코팅하기 위해 Fig. 5의 Ion sputter coater-MCM-100에 넣고 2분간 진공 상태를 유지하고 30초 간 코팅작업을 진행한 후 Mini-SEM system으로 공시체를 정밀하게 관찰하였다.
냉간 상태에서의 고강도 콘크리트의 열적 특성을 파악하기 위해 가열 시험을 진행하기 전에 함수량을 조정하고, 항온 항습실에서 양생시킨 공시체에 대하여 압축강도를 측정하였다. 제작된 총 48개의 공시체중 3, 7, 28일 강도 측정용 공시체를 제외한 33개의 공시체는 각 공시체 마다 함수량이 다르기 때문에 고온 가열시간에 따른 차이를 나타낼 것으로 사료되는바 모든 공시체의 함수율을 동일하게 조정하기 위해, 먼저 건조기에서 일정한 온도로 가열하여 콘크리트 공시체내의 수분을 제거하였다.
, 2008b). 따라서 본 연구에서는 콘크리트의 폭렬방지효과와 함께 작업성 (workability)을 종합적으로 고려하여 HB섬유 혼입률 (HB fiber volume fraction: V_HB)을 0.05%로 설정하여 모든 배합에 적용하였다. 본 연구에서 사용된 HB섬유의 물리적 특성은 Table 5와 같으며 그 형상은 Fig.
또한 SEM 촬영을 위해 압축강도 측정 후 Fig. 5의 주사전자 현미경 (Mini-SEM: SNE-3200M model)을 사용하여 시료기 위에 카본 테이프를 붙이고 해당 공시체 시편을 카본 테이프 위에 정착시킨 후 에어 브러쉬로 불필요한 성분을 제거하였다. 그 후 시료를 코팅하기 위해 Fig.
05%의 섬유혼입률 (V_f)에서도 폭렬이 방지되는 것으로 나타났고 이를 통해 콘크리트 조직 내의 거대 공극, 수분 함유량 및 밀실한 (dense) 공극 구조 형성은 화재 시 폭렬과 높은 연관성이 있다는 것을 증명하였다. 또한 WPB (Waterway Passages by Bleeding water: 블리딩 수에 의한 공기 이동 통로)에 의한 폭렬 발생에 대한 가설을 입증하였는데 콘크리트 조건에서의 박리 폭렬 (exfoliation spalling)과 모르타르에서의 전단 폭렬 현상, 그리고 원심 성형에 의한 시험체의 폭렬 방지 현상의 세 가지 가설을 입증함으로써 WPB에 의한 폭렬 메커니즘을 이 연구를 통해서 규명하였다. 또한 Pei et al.
사용된 굵은골재 및 잔골재의 입형은 비교적 균질하며 골재의 강도 역시 양호한 수준으로 그 물리적 특성을 Table 7에 나타내었다. 또한 본 연구에서 사용되는 HB섬유를 콘크리트에 혼입했을 경우, 콘크리트의 유동성이 낮아지므로 시멘트 입자의 분산성이 우수한 Table 8과 같은 화학적 성질을 가진 고성능감수제 (유동화제)를 첨가하였다.
본 연구에서는 고온 가열을 받은 고강도 콘크리트의 역학적 특성 (압축강도, 잔존 압축강도, 탄성계수 등)을 연구하기 위해 먼저 초고층 건축의 시공 조건을 고려하여 물결합재비 (w/b ratio)를 15%로 설정하였으며 Table 2의 조건으로 배합하였다. 배합설계에는 결합재로 플라이애쉬 (fly ash)와 실라카퓸 (silica fume)을 사용하였고 각 결합재의 물리적⋅화학적 성질은 Table 3과 Table 4에 나타내었다.
화재를 상정한 가열시험은 공시체를 종류별로 나누어 가열로 내부에 수직으로 놓고, 타이머를 작동하여 설정온도를 지속하였다. 본 연구의 가열을 위한 장치는 최대 용량 300kN인 인스트론형 MTS-815 재하장치에 전기 가열로 (muffle furnace: max 900℃)를 설치하여 가열할 수 있도록 하였다. 이 시험체를 가열로안에 위치시키고 시험체를 RILEM에서 권장하고 있는 승온 온도 2℃/분으로 하여 50분간 가열, 10분간 대기를 반복하여 1시간당 100℃ 상승을 유지하며, 상온 (20℃)부터 100, 200, 300, 400, 500, 600, 700℃까지 공시체를 가열하였다.
본 연구의 가열을 위한 장치는 최대 용량 300kN인 인스트론형 MTS-815 재하장치에 전기 가열로 (muffle furnace: max 900℃)를 설치하여 가열할 수 있도록 하였다. 이 시험체를 가열로안에 위치시키고 시험체를 RILEM에서 권장하고 있는 승온 온도 2℃/분으로 하여 50분간 가열, 10분간 대기를 반복하여 1시간당 100℃ 상승을 유지하며, 상온 (20℃)부터 100, 200, 300, 400, 500, 600, 700℃까지 공시체를 가열하였다. 가열에 따른 콘크리트 온도를 측정하기 위하여 K 타입 열전대 (NiCr-Ni, 온도 측정 범위: -200~1370℃)를 사 용하였고, 목표 온도에 도달 후에 120분간 목표 온도를 유지 시켜 콘크리트 공시체의 내부까지 표면과 동일한 온도를 갖추도록 한 후, 상온에서 12~24시간동안 천천히 냉각시켰다.
(2007)은 초고층 건축물의 고강도 콘크리트의 화재 발생 시 콘크리트 폭렬 현상 방지를 위한 연구의 일환으로 폭렬 현상에 영향을 미치는 콘크리트 공극 구조 및 폭렬 발생의 영향 요인을 고찰하여 폭렬 발생 메커니즘을 규명하고자 하였다. 이 연구의 주요 실험 변수로 물결합재비 (w/b ratio), 혼화재 종류, 공기량, 굵은 골재 최대치수, 함수율, 성형방법 등 각 요소별 변수를 2~3가지 수준씩 계획하여 총 14가지 조건으로 실험을 진행하였다. 실험결과 다량의 공기량을 함유한 공시체와 낮은 함수율 및 실리카퓸을 사용하지 않은 시험체에서는 0.
이러한 공시체 실험결과를 토대로 300×300×600mm의 모의 기둥부재와 1,000×4,750×200mm의 모의 슬래브부재를 제작하여 폭렬성상, 온도이력 등 내화성 능을 검토하였다.
냉간 상태에서의 고강도 콘크리트의 열적 특성을 파악하기 위해 가열 시험을 진행하기 전에 함수량을 조정하고, 항온 항습실에서 양생시킨 공시체에 대하여 압축강도를 측정하였다. 제작된 총 48개의 공시체중 3, 7, 28일 강도 측정용 공시체를 제외한 33개의 공시체는 각 공시체 마다 함수량이 다르기 때문에 고온 가열시간에 따른 차이를 나타낼 것으로 사료되는바 모든 공시체의 함수율을 동일하게 조정하기 위해, 먼저 건조기에서 일정한 온도로 가열하여 콘크리트 공시체내의 수분을 제거하였다. 즉, 제작된 총 48개의 공시체의 질량을 측정한 뒤 105±2℃에서 72시간동안 가열로 내에서 가열하여 콘크리트 공시체내의 모든 수분을 제거하였다.
Hong and Yang (2005)은 고온에서 60MPa급 고강도 콘크리트의 역학적 특성 및 폭렬 특성을 파악하기 위해 가열온도, 가열 지속시간, 냉각 방법 등에 따른 실험을 수행하였다. 주요 변수인 가열온도는 20, 100, 200, 450, 600, 800℃로 차이를 두고, 가열 지속 시간을 24MPa급 보통강도 콘크리트 의 경우 30분으로 하고, 60MPa급 고강도 콘크리트의 경우 30, 60, 120분으로 설정하였다. 가열 직후 콘크리트 공시체의 냉각 방법으로는 서냉법과 급냉법을 실시하였는데 고온에 노출된 보통강도 콘크리트는 800℃에서 폭렬하지 않고 미세 균열만 발생하는 것으로 나타난 반면에 고강도 콘크리트의 경우에는 가열온도 450℃에서 가열 지속시간 30분에 이를 때 폭렬 현상이 발생하는 것을 밝혀냈다.
즉, 제작된 총 48개의 공시체의 질량을 측정한 뒤 105±2℃에서 72시간동안 가열로 내에서 가열하여 콘크리트 공시체내의 모든 수분을 제거하였다.
화재를 상정한 가열시험은 공시체를 종류별로 나누어 가열로 내부에 수직으로 놓고, 타이머를 작동하여 설정온도를 지속하였다. 본 연구의 가열을 위한 장치는 최대 용량 300kN인 인스트론형 MTS-815 재하장치에 전기 가열로 (muffle furnace: max 900℃)를 설치하여 가열할 수 있도록 하였다.

대상 데이터

본 연구를 위해 사용된 시멘트는 KS F 5201의 규격을 만족하는 1종 보통 포틀랜드 시멘트이며 화학적, 물리적 성질은 Table 6과 같다. 골재는 최대크기 10mm의 쇄석을 굵은 골재로 천연 모래와 부순 모래를 1:1 비율로 혼합한 골재를 잔골재로 사용하였다.
배합설계에는 결합재로 플라이애쉬 (fly ash)와 실라카퓸 (silica fume)을 사용하였고 각 결합재의 물리적⋅화학적 성질은 Table 3과 Table 4에 나타내었다.
본 연구를 위해 사용된 시멘트는 KS F 5201의 규격을 만족하는 1종 보통 포틀랜드 시멘트이며 화학적, 물리적 성질은 Table 6과 같다. 골재는 최대크기 10mm의 쇄석을 굵은 골재로 천연 모래와 부순 모래를 1:1 비율로 혼합한 골재를 잔골재로 사용하였다.
실험에 사용한 공시체는 Fig. 4와 같은 인스트론형 MTS-815 재하장치를 사용하여 압축강도를 측정하였다. 가열 조건은 현재 국내 건축구조부재의 내화 시험방법인 KS F 2357-1, 4, 5, 6, 7에서 규정하고 있는 표준가열 온도곡선 조건에 따라 콘크리트 시험체를 가열하였다.

이론/모형

4와 같은 인스트론형 MTS-815 재하장치를 사용하여 압축강도를 측정하였다. 가열 조건은 현재 국내 건축구조부재의 내화 시험방법인 KS F 2357-1, 4, 5, 6, 7에서 규정하고 있는 표준가열 온도곡선 조건에 따라 콘크리트 시험체를 가열하였다. Fig.

성능/효과

(1) 고온을 받은 고강도 콘크리트 내화 특성에 관한 기존 국내외 연구자들의 연구문헌을 고찰한 결과 고강도 콘크리트의 잔존 압축강도는 700℃에서 상온 압축강도의 20~40% 수준을 나타내었는데 본 연구의 실험결과 에서도 38%의 범위로 나타나 이를 다시 한 번 검증할 수 있었다.
(2) 가열 온도에 따른 잔존 압축강도를 분석한 결과 상온(20℃)에서의 고강도 콘크리트의 압축강도와 비교하여 100℃이후 잔존 압축강도가 점진적으로 저하하기 시작하며, 200~700℃까지 지속적으로 강도가 저하하는 것을 확인할 수 있었다. 특히 600℃이후에서는 공시체내에 소성 변형만이 발생하게 되는데 이를 통해 600℃ 이상이 고온에 노출된 고강도 콘크리트의 급격한 성능저하가 발생하는 시점으로 유추해 볼 수 있다.
(3) 온도에 따른 콘크리트의 탄성계수를 평가한 결과, 잔존 압축강도의 변화 양상과 유사하게 100℃~200℃에 서 급격하게 감소를 하다가 200℃이후부터는 지속적으로 감소하는 것을 확인할 수 있었다.
(4) 400℃ 이상의 고온에서 고강도 콘크리트에 함유된 하이브리드섬유가 녹아서 화재시 발생하는 공시체 내부의 수증기압이 외부로 빠져 나가는 통로 (path)역할을 하여 폭렬이 방지되는 것을 실험적으로 확인할 수 있었다.
Fig. 10에서 보이듯 400℃에서 여러 배율로 확대하여 정밀하게 관찰하였으나 섬유가 전혀 나타나지 않았는데 이로 인해 400℃ 이상의 고온에서 고강도 콘크리 트에 함유된 HB섬유가 녹아서 화재시 발생하는 공시체 내부의 수증기압이 외부로 빠져 나가는 통로 (path)역할을 하여 폭렬이 방지되는 것을 확인할 수 있었다.
주요 변수인 가열온도는 20, 100, 200, 450, 600, 800℃로 차이를 두고, 가열 지속 시간을 24MPa급 보통강도 콘크리트 의 경우 30분으로 하고, 60MPa급 고강도 콘크리트의 경우 30, 60, 120분으로 설정하였다. 가열 직후 콘크리트 공시체의 냉각 방법으로는 서냉법과 급냉법을 실시하였는데 고온에 노출된 보통강도 콘크리트는 800℃에서 폭렬하지 않고 미세 균열만 발생하는 것으로 나타난 반면에 고강도 콘크리트의 경우에는 가열온도 450℃에서 가열 지속시간 30분에 이를 때 폭렬 현상이 발생하는 것을 밝혀냈다. 또한, 콘크리트의 강도가 높아질수록 비열 및 열전도율이 높아 동일 가열 시간에 더 높은 온도를 유지하였고 냉각 속도도 더 빠르게 나타난다는 사실을 규명하였다.
7은 고강도 콘크리트의 가열 온도에 따른 냉간 상태에서의 압축강도를 측정한 결과를 나타낸 그래프이다. 각 온도별 압축강도의 변화추이를 살펴보면 상온 (20℃)에서의 압축강도 128MPa에서 100℃~200℃를 거치면서 압축강도가 40% 이상이 감소하면서 줄어들다가 200℃이후부터는 조금씩 감소하는 것을 확인할 수 있었다. 압축강도의 감소율 역시 상온~100℃의 구간에서는 9%, 100~200℃구간에서는 30%가량 압축강도가 낮아졌고, 그 후 200℃ 이후부터 600℃까지 가열 온도에 따른 압축강도 양상은 가열온도가 100℃씩 상승할 때 마다 약 9~10% 가량 낮아지는 것을 확인할 수 있었다.
Han and Choi (2011)는 PP섬유와 NY섬유를 혼입한 60MPa급 고강도 콘크리트가 화재에 노출되는 동안 콘크리트 재료의 물성변화 및 미세구조 변화에 관한 평가를 위해 상온조건부터 800℃까지의 광범위한 온도변화에 따른 비재하조건에서 콘크리트의 제반 역학적 특성 및 주사형 전자현미경분석 (SEM분석: Scanning Electron Microscope analysis), 포로시메터 및 X선 회절분석 (XRD: X-Ray Diffraction) 등을 이용한 미세구조를 분석하였다. 그 결과 300℃까지는 상온과 비슷하거나 조금 높게 나타나고 300℃이후 강도가 급격하게 저감하여 800℃에서는 상온 압축강도의 대략 40%내외만을 보유한다고 발표하였다.
(2006)은 기존 선행연구의 실험 결과를 토대로 폭렬방지에 효과가 있는 것으로 알려진 PP섬유와 친수성 재료로서 유동성 개선을 기대할 수 있는 폴리비닐알콜섬유 (PVA섬유: PolyVinyl Alcohol fiber)에 대한 실험을 수행하였는데, 섬유혼입량 변화에 따른 콘크리트의 기초적 특성 분석을 위하여 공시체 및 Mock-up 부재 실험체를 3시간 내화실험하여 폭렬방지 성능 및 잔존 압축강도 성능 등의 내화특성을 검토하였다. 그 결과 40MPa급 고성능 콘크리트에서 PP 섬유 및 PVA 섬유의 혼입률을 0.1% 이상으로 배합할 경우에 양호한 폭렬 방지 성능을 보이는 것으로 나타났다.
(2011a)은 고온을 받은 100MPa 이상 고강도 콘크리트의 역학적 특성에 관한 골재의 영향을 규명하기 위해 잔골재율, 굵은 골재의 최대 크기 및 물결합재비 (w/b ratio)를 주요 변수로 하여 고강도 콘크리트의 열적 거동에 관한 실험을 수행하였다. 그 결과 500℃의 온도에서 가열된 고강도 콘크리트의 잔존 역학적 특성은 주요 변수에 영향을 받는 것으로 나타났다.
8MPa, 89MPa의 고강도 콘크리트에 대하여 사전재하 (preloaded)와 사전비재하 (unloaded) 상태로 나누어 실험하였고 고온시 고강도 콘크리트의 열적 특성을 규명하기 위해 승온 온도를 7~8℃/min으로 설정하여 100~800℃ 구간사이에서 온도를 단계별 (100℃)로 상승시키며 내화실험을 진행하였다. 그 결과 고강도 콘크리트는 400℃에서 점진적으로 강도 손실을 보이며 800℃에 도달하였을 때는 상온 (23℃)의 30%정도로 강도가 저하되며 사전재하를 적용한 경우 강도의 손실을 경감시키는데 이점이 있다고 발표하였다.
(2010)은 폭렬 저감재인 PP섬유와 강섬유 (steel fiber)를 혼입한 하이브리드 섬유 (FC섬유: Fiber-Cocktail fiber)를 사용한 고강도 콘크리트의 구조적 안전 성능을 평가하고자 하였으며 고강도 콘크리트의 내화성능을 평가하기 위하여 평가의 기준이 되는 탄성계수의 역학적 모델을 제시하였다. 그 결과를 살펴보면, 40~100MPa급 고강도 콘크리트 구조부재에서 탄성계수의 손실은 보통강도 콘크리트와 고강도 콘크리트 모두 상온과 100℃의 온도 범위에서 나타났고, 탄성계수는 보통강도와 고강도 콘크리트 모두 100℃ 에서 300℃의 온도 범위에서 급격하게 감소하는 경향을 나타낸 후 300℃ 이상의 범위에서 보통강도 콘크리트와 고강도 콘크리트 공히 영구적인 탄성계수의 손실 현상이 나타났다.
(2002)은 초고층 건축물의 폭렬 현상 방지를 위한 PP섬유의 혼입률 및 시험체의 크기 변화에 따른 폭렬 현상 및 강도 특성을 파악하여 내화성능 향상을 검토하였다. 그 연구결과 중 가열 후 잔존 압축강도를 살펴보면 PP섬유 무혼입 콘크리트의 경우 상온시 압축강도의 55% 전후로 나타났고, PP 섬유 0.05% 이상을 혼입한 공시체의 경우에는 65% 전후로 나타나는 것을 확인할 수 있었으며, 이로써 PP섬유를 혼입하 였을 경우 폭렬 현상의 방지 효과뿐만 아니라 잔존 압축강도에 대해서도 성능이 향상되는 것을 확인할 수 있었다. 또한 Han et al.
그 주요 내용으로는 콘크리트의 내부온도가 100℃에서 잉여수가 빠르게 증발하였고, 180℃에 도달하였을 때 상당한 양의 결합수가 증발하여 공시체 중심부의 온도 상승률 저하를 유발하였으며 공시체 중심부의 온도가 270℃에 이르렀을 때 표면과 중심부사이에 가장 큰 온도차를 나타내었다는 것이다.
10에서 보이듯 400℃에서 여러 배율로 확대하여 정밀하게 관찰하였으나 섬유가 전혀 나타나지 않았는데 이로 인해 400℃ 이상의 고온에서 고강도 콘크리트에 함유된 HB섬유가 녹아서 화재시 발생하는 공시체 내부의 수증기압이 외부로 빠져 나가는 통로 (path)역할을 하여 폭렬이 방지되는 것을 확인할 수 있었다. 따라서 400~700℃에서는 섬유가 모두 전소되어 전혀 발견되지 않았으며, 가열 온도가 높을수록 공시체 시편의 열화가 심해져 판상형태로 변화하고 공극량, 크기, 형태가 변화하는 것을 확인할 수 있었다.
200℃~700℃사이에서의 탄성계수의 변화를 살펴보면, 200℃ 에서의 급격한 탄성계수 감소 현상은 나타나지 않았지만 700℃까지 지속적으로 탄성계수가 감소하는 현상이 나타났다. 따라서 탄성계수는 공시체에 노출되는 온도가 증가할수록 감소되는 경향을 나타냈으며, 이는 노출온도에 따른 시멘트 페이스트와 골재의 상이한 수분 증발과 서로 다른 탄성 거동에 의한 것으로 사료된다
가열 직후 콘크리트 공시체의 냉각 방법으로는 서냉법과 급냉법을 실시하였는데 고온에 노출된 보통강도 콘크리트는 800℃에서 폭렬하지 않고 미세 균열만 발생하는 것으로 나타난 반면에 고강도 콘크리트의 경우에는 가열온도 450℃에서 가열 지속시간 30분에 이를 때 폭렬 현상이 발생하는 것을 밝혀냈다. 또한, 콘크리트의 강도가 높아질수록 비열 및 열전도율이 높아 동일 가열 시간에 더 높은 온도를 유지하였고 냉각 속도도 더 빠르게 나타난다는 사실을 규명하였다.
(2004)은 고온에 노출된 실리카퓸을 혼입한 고강도 콘크리트의 공극구조변환을 보고한 바 있다. 승온 온도 800℃까지의 실험을 통해 가열온도가 증가할수록 공극도 증가하고 전공극률은 가열 온도에 따라 동일한 경향을 보이고 있으며 물의 증발 및 시멘트 수화물의 탈수에 기인하여 공극분포의 증감 폭이 커진다는 것을 밝혀냈다.
이 연구의 주요 실험 변수로 물결합재비 (w/b ratio), 혼화재 종류, 공기량, 굵은 골재 최대치수, 함수율, 성형방법 등 각 요소별 변수를 2~3가지 수준씩 계획하여 총 14가지 조건으로 실험을 진행하였다. 실험결과 다량의 공기량을 함유한 공시체와 낮은 함수율 및 실리카퓸을 사용하지 않은 시험체에서는 0.05%의 섬유혼입률 (V_f)에서도 폭렬이 방지되는 것으로 나타났고 이를 통해 콘크리트 조직 내의 거대 공극, 수분 함유량 및 밀실한 (dense) 공극 구조 형성은 화재 시 폭렬과 높은 연관성이 있다는 것을 증명하였다. 또한 WPB (Waterway Passages by Bleeding water: 블리딩 수에 의한 공기 이동 통로)에 의한 폭렬 발생에 대한 가설을 입증하였는데 콘크리트 조건에서의 박리 폭렬 (exfoliation spalling)과 모르타르에서의 전단 폭렬 현상, 그리고 원심 성형에 의한 시험체의 폭렬 방지 현상의 세 가지 가설을 입증함으로써 WPB에 의한 폭렬 메커니즘을 이 연구를 통해서 규명하였다.
각 온도별 압축강도의 변화추이를 살펴보면 상온 (20℃)에서의 압축강도 128MPa에서 100℃~200℃를 거치면서 압축강도가 40% 이상이 감소하면서 줄어들다가 200℃이후부터는 조금씩 감소하는 것을 확인할 수 있었다. 압축강도의 감소율 역시 상온~100℃의 구간에서는 9%, 100~200℃구간에서는 30%가량 압축강도가 낮아졌고, 그 후 200℃ 이후부터 600℃까지 가열 온도에 따른 압축강도 양상은 가열온도가 100℃씩 상승할 때 마다 약 9~10% 가량 낮아지는 것을 확인할 수 있었다. 이후 600~700℃구간에서는 이전단계보다 약 50%정도 압축강도가 낮아져 최종적으로 48MPa의 압축강도를 나타내었다.
(2008)은 고강도 콘크리트의 폭렬 방지를 위해 공시체의 가열조건, 재하 방법을 달리해서 고강도 콘크리트의 역학적 특성을 알아봄으로써 내화성능설계의 기초데이터 구축을 위한 연구를 진행하였다. 연구결과 상온과의 비교시 100℃에서는 압축강도 (80~85%)와 탄성계수 모두 감소하다가 200℃ 범위에서는 압축강도가 대략 10%정도 상승한 후 300℃이후 압축강도가 지속적으로 감소하였는데 특히 강도가 높을수록 고온하에서 압축강도가 큰 폭으로 감소한다는 것을 실험을 통해 규명하였다. 또한 Kim et al.
Hammer (1995)는 고온시 경량골재와 일반쇄석을 사용한 69~118MPa까지의 고강도 콘크리트에 대한 연구를 수행하였다. 온도 300℃에서 다량의 수증기가 방출됨으로써 폭렬에 의한 파괴가 발생하였고, 300℃ 이상의 온도에서는 탄성계수가 빠른 비율로 감소하였으며 경량골재를 사용한 고강도콘크리트의 강도 손실은 일반골재를 사용한 고강도 콘크리트의 강도 손실과 비교하여 큰 차이가 없는 것으로 나타났다.

후속연구

하지만 아직까지 100MPa 이상의 고강도 콘크리트의 내화 성능을 검증하는 연구가 미비한 실정이고 더 많은 실험 데이터 수집 및 연구결과 분석을 통해 고강도 고온 재료모델의 개발이 요구되는 바이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	화재시 고강도 콘크리트는 어떤 문제가 발생하는가?	일반적으로 콘크리트는 다른 구조재료에 비해 열전도율과 열 확산계수가 현저히 낮아 대표적인 내화구조재료로서 널리 사용되어지고 있으나, 화재시 콘크리트 내부온도 가 600℃ 이상이 되면 급격한 재료물성의 내력저하 (strength degradation)가 발생하는 것으로 알려져 있다. 더욱이 보통강도 콘크리트에 비해 낮은 물시멘트비 (w/c ratio)와 치밀한 콘크리트 미세조직구조를 가진 고강도 콘크리트는 화재시 내부 수증기압 증가 및 내부 열응력 증가에 의한 폭렬 (spalling) 현상과 공극량 증가에 의한 내력저하가 발생하기 때문에 이에 따른 원인 분석과 대책이 절실하게 필요한 실정이다.
	고강도 콘크리트의 폭렬문제를 방지하기 위한 방안으로 무엇이 있는가?	이에 국내외 다수의 연구자들은 화재발생시 고강도 콘크리트의 폭렬문제를 해결하기 위하여 다양한 폭렬발생 메커 니즘을 분석하고 폭렬방지 공법 개발 및 내화공법의 현장적 용 사례 등에 관한 연구를 진행하였다. 이러한 폭렬현상을 방지하기 위한 방안으로는 콘크리트의 온도상승을 억제하는 방법, 내부 수증기를 빠르게 배출시키는 방법, 횡구속 등을 통해서 콘크리트의 비산을 억제하는 방법 등이 있다. 이중 내부 수증기를 빠르게 외부로 배출시키는 방법으로서 콘크리 트 비빔시 폴리프로필렌섬유 (PP섬유: Poly-Propylene fiber) 를 혼입하여 화재시 섬유가 녹아 생긴 통로 (path)를 통해 내 부 수증기를 배출하고 수증기압을 낮추어 폭렬을 방지하는 방법이 가장 경제적이고 안전한 방안으로 보고되었다 (Kalifa et al.
	내부 수증기를 빠르게 외부로 배출시키는 방법 중 어떤 방법이 가장 경제적이고 안전한 방안으로 보고되었는가?	이러한 폭렬현상을 방지하기 위한 방안으로는 콘크리트의 온도상승을 억제하는 방법, 내부 수증기를 빠르게 배출시키는 방법, 횡구속 등을 통해서 콘크리트의 비산을 억제하는 방법 등이 있다. 이중 내부 수증기를 빠르게 외부로 배출시키는 방법으로서 콘크리 트 비빔시 폴리프로필렌섬유 (PP섬유: Poly-Propylene fiber) 를 혼입하여 화재시 섬유가 녹아 생긴 통로 (path)를 통해 내 부 수증기를 배출하고 수증기압을 낮추어 폭렬을 방지하는 방법이 가장 경제적이고 안전한 방안으로 보고되었다 (Kalifa et al., 2000; Xiao and Falkner, 2006; Noumowe et al.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

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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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