60MPa급 고강도 콘크리트의 굵은골재 종류와 고온상태에 따른 변형특성 평가 Evaluation on Strain Properties of 60 MPa Class High Strength Concrete according to the Coarse Aggregate Type and Elevated Temperature Condition원문보기
화재시 콘크리트 구조물은 구성재료의 상이한 열적특성으로 인해 강도가 저하하고 동시에 수직부재는 수평부재의 팽창에 의한 모멘트하중을 받아 전단파괴가 발생한다. 따라서 여러가지 화재곡선을 사용한 콘크리트 구조물의 화재시 거동에 대한 연구가 많이 이루어졌지만 주로 온도상승구간에서 발생하는 폭렬특성과 열팽창변형에 관한 연구가 대부분이다. 하지만 고온이 유지될 경우 발생할 수 있는 크리프변형은 화재시 구조물의 안정성에 큰 영향을 미치지만 상대적으로 연구가 미진한 상태이다. 또한 이러한 고온을 받는 콘크리트의 안정성에는 체적의 대부분을 차지하는 굵은골재의 열적특성이 큰 영향을 미치기 때문에 이 연구에서는 화강암계, clay계, clay-ash계 세 종류의 굵은골재를 사용한 콘크리트의 고온 역학적 특성을 평가했다. 그 결과 굵은골재의 성인으로 인한 내부공극 때문에 경량골재를 사용한 콘크리트가 일반골재를 사용한 콘크리트보다 높은 고온강도 및 탄성계수를 나타냈고 열팽창변형과 전체변형의 경우 더 낮은 변형률을 나타내어 온도상승구간에서의 구조적 안정성 측면에서 유리한 것으로 판단되었다. 그러나 고온크리프의 경우 내부공극으로 인해 더 큰 수축량이 발생하기 때문에 내화성능설계시에 이에 대한 추가적인 고려가 필요할 것으로 판단되었다.
화재시 콘크리트 구조물은 구성재료의 상이한 열적특성으로 인해 강도가 저하하고 동시에 수직부재는 수평부재의 팽창에 의한 모멘트하중을 받아 전단파괴가 발생한다. 따라서 여러가지 화재곡선을 사용한 콘크리트 구조물의 화재시 거동에 대한 연구가 많이 이루어졌지만 주로 온도상승구간에서 발생하는 폭렬특성과 열팽창변형에 관한 연구가 대부분이다. 하지만 고온이 유지될 경우 발생할 수 있는 크리프변형은 화재시 구조물의 안정성에 큰 영향을 미치지만 상대적으로 연구가 미진한 상태이다. 또한 이러한 고온을 받는 콘크리트의 안정성에는 체적의 대부분을 차지하는 굵은골재의 열적특성이 큰 영향을 미치기 때문에 이 연구에서는 화강암계, clay계, clay-ash계 세 종류의 굵은골재를 사용한 콘크리트의 고온 역학적 특성을 평가했다. 그 결과 굵은골재의 성인으로 인한 내부공극 때문에 경량골재를 사용한 콘크리트가 일반골재를 사용한 콘크리트보다 높은 고온강도 및 탄성계수를 나타냈고 열팽창변형과 전체변형의 경우 더 낮은 변형률을 나타내어 온도상승구간에서의 구조적 안정성 측면에서 유리한 것으로 판단되었다. 그러나 고온크리프의 경우 내부공극으로 인해 더 큰 수축량이 발생하기 때문에 내화성능설계시에 이에 대한 추가적인 고려가 필요할 것으로 판단되었다.
Strain properties of concrete member which acts as an important factor in the stability of the concrete structure in the event of fire, significantly affected the characteristics of the coarse aggregate, which accounts for most of the volume. For this reason, there are many studies on concrete using...
Strain properties of concrete member which acts as an important factor in the stability of the concrete structure in the event of fire, significantly affected the characteristics of the coarse aggregate, which accounts for most of the volume. For this reason, there are many studies on concrete using artificial lightweight aggregate which has smaller thermal expansion deformation than granite coarse aggregate. But the research is mostly limited on concrete using clay-based lightweight aggregate. Therefore, in this study, the high temperature compressive strength and elastic modulus, thermal strain and total strain, high temperature creep strain of concrete was evaluated. As a result, remaining rate of high-temperature strength of concrete using lightweight aggregate is higher than concrete with general aggregate and it is determined to be advantageous in terms of structural safety and ensuring high-temperature strength from the result of the total strain by loading and strain of thermal expansion. In addition, in the case of high-temperature creep, concrete shrinkage is increased by rising loading and temperature regardless of the type of aggregate, and concrete using lightweight aggregate shows bigger shrinkage than concrete with a granite-based aggregate. From this result, it is determined to require additional consideration on a high temperature creep strain in case of maintaining high temperature like as duration of a fire although concrete using light weight aggregate is an advantage in reducing the thermal expansion strain of the fire.
Strain properties of concrete member which acts as an important factor in the stability of the concrete structure in the event of fire, significantly affected the characteristics of the coarse aggregate, which accounts for most of the volume. For this reason, there are many studies on concrete using artificial lightweight aggregate which has smaller thermal expansion deformation than granite coarse aggregate. But the research is mostly limited on concrete using clay-based lightweight aggregate. Therefore, in this study, the high temperature compressive strength and elastic modulus, thermal strain and total strain, high temperature creep strain of concrete was evaluated. As a result, remaining rate of high-temperature strength of concrete using lightweight aggregate is higher than concrete with general aggregate and it is determined to be advantageous in terms of structural safety and ensuring high-temperature strength from the result of the total strain by loading and strain of thermal expansion. In addition, in the case of high-temperature creep, concrete shrinkage is increased by rising loading and temperature regardless of the type of aggregate, and concrete using lightweight aggregate shows bigger shrinkage than concrete with a granite-based aggregate. From this result, it is determined to require additional consideration on a high temperature creep strain in case of maintaining high temperature like as duration of a fire although concrete using light weight aggregate is an advantage in reducing the thermal expansion strain of the fire.
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문제 정의
따라서 이 연구에서는 화강암계 일반골재와 일반적으로 많이 사용되는 경량골재인 Clay계, 이를 개선한 Clay-ash계 세 종류의 굵은골재를 사용한 콘크리트의 화재의 상태에 따른 고온 역학적 특성을 평가하여 고강도 콘크리트를 사용한 구조물의 내화성능설계에 활용될 수 있도록 하였다.
제안 방법
4에 나타냈다.10) 가열 중 콘크리트의 변형은 비재하 시험의 경우 시험체 고정을 목적으로 0.2 kN 가력하고 측정하였으며, 재하시험의 경우는 압축강도의 20% 및 40%를 사전에 재하하여 실험을 진행하였다.
가열은 시험체 내 ･ 외부의 온도가 유사한 수준으로 상승되도록 상 ･ 하부의 가력지그를 가열하여 시험체에 열을 전달하는 간접가열방식을 사용하였고 가열속도는 Rilem에서 제안하고 있는 1℃/min로 가열하였으며 상온에서부터 50℃, 목표온도 50℃ 전에서 목표온도까지의 구간은 0.77℃/min의 속도로 가열하여 시험체 내 ･ 외부의 온도차이가 5℃ 이내로 되게 하였다.
Table 1에 이 연구에 사용된 콘크리트 배합과 실험계획을 나타냈다. 경량골재를 사용한 콘크리트의 경우 일반골재를 사용한 콘크리트에 비하여 낮은 압축강도를 보이기 때문에 실리카퓸을 첨가하여 동일한 강도를 낼 수 있도록 콘크리트 배합을 설정하였다.
또한 가열 중에 시험체의 변형을 평가하기 위하여 상 ･ 하부 가력지그의 중심을 지나는 ø10 mm의 석영관을 통해 외부의 변위계에 변형을 전달하여 가열 중 변형을 측정했다.
열팽창변형은 비재하시 열에 의해 발생하는 콘크리트의 변형을 측정하였다. 전체변형은 하중을 재하하고 목표온도까지 가열을 실시하는 경우에 발생하는 콘크리트의 변형을 측정하였으며, 고온 크리프 변형은 상온압축 강도의 20% 및 40%를 가열 시작 전에 미리 재하한 후 시험 종료까지 유지하며 목표온도까지 가열하고 300분간 온도를 유지하면서 이때 발생하는 변형을 크리프로 산정하였다.
이 연구에서의 콘크리트의 열팽창변형, 전체변형, 고온 크리프 변형의 시험방법은 RILEM에서 추천하는 시험방법으로 그 개요를 Fig. 4에 나타냈다.10) 가열 중 콘크리트의 변형은 비재하 시험의 경우 시험체 고정을 목적으로 0.
일반 및 경량골재를 사용한 모든 콘크리트 배합에는 목표 슬럼프 플로우 및 시공성을 만족시키기 위하여 폴리카르본산계 고성능 감수제를 사용하였다.
열팽창변형은 비재하시 열에 의해 발생하는 콘크리트의 변형을 측정하였다. 전체변형은 하중을 재하하고 목표온도까지 가열을 실시하는 경우에 발생하는 콘크리트의 변형을 측정하였으며, 고온 크리프 변형은 상온압축 강도의 20% 및 40%를 가열 시작 전에 미리 재하한 후 시험 종료까지 유지하며 목표온도까지 가열하고 300분간 온도를 유지하면서 이때 발생하는 변형을 크리프로 산정하였다.
콘크리트의 상온압축강도는 시험체를 고정하기 위하여 0.2 kN 가력하고 KS F 2405 ｢콘크리트 압축강도 시험방법｣에 준하여 측정하였고 고온압축강도의 측정은 가열전에 비재하 및 상온압축강도의 20% 및 40%를 재하한 후 목표온도까지 가열하고 압축강도를 측정하였다.
대상 데이터
이 연구에서 사용한 재료의 물리적 성질을 Table 2에 나타냈고 굵은골재의 화학조성을 Table 3, 열팽창계수를 Table 4에 나타냈다. 결합재로 1종 보통 포틀랜드 시멘트를 사용하였고 경량골재를 사용한 콘크리트에는 일반골재를 사용한 콘크리트와 동일한 강도를 발현시키기 위하여 실리카퓸을 시멘트 대비 8% 치환하였다.
또한 중요한 실험요인으로 설정한 굵은골재는 최대치수 20 mm, 밀도 2.65 g/cm3, 흡수율 0.8%의 화강암계 부순자갈을 일반골재로 사용했고 경량골재로는 최대치수 13 mm, 밀도 1.79 g/cm3, 흡수율 17.4%의 Clay계와 여기에 coal-ash를 첨가하여 강도와 흡수율 등의 문제점을 개선한 최대치수 13 mm, 밀도 1.68 g/cm3 , 흡수율 15.3%의 Clay-ash계 두 종류를 사용했다.8)
성능/효과
1) 고온압축강도와 탄성계수는 굵은골재의 밀도가 증가할수록 잔존률이 크게 저하했지만 재하하중이 증가할수록 잔존률이 상승하였다. 그러나 상온압축강도의 40%를 재하한 700℃ NW 시험체는 비재하의 경우보다 낮은 강도잔존률을 보이기 때문에 구조물의 내화성능설계 시에 이에 대한 고려가 필요할 것으로 판단된다.
2) 온도상승구간에서는 상대적으로 온도변화에 의한 열팽창변형의 영향이 크기 때문에 골재의 재료적 특성으로 인하여 경량골재를 사용한 콘크리트가 일반골재 콘크리트보다 더 낮은 변형률을 보였다. 따라서 온도상승구간에서의 고온강도 확보와 구조적 안정성 측면에서는 경량골재 콘크리트가 유리할 것으로 판단되었다.
3) 상대적으로 하중의 영향이 커지는 온도유지구간에서의 고온크리프의 경우 골재종류와 관계없이 온도와 재하량이 증가할수록 수축량이 증가하였으며 경량골재를 사용한 콘크리트가 일반골재를 사용한 콘크리트보다 큰 수축량을 보였다. 이를 통해 경량골재를 사용한 콘크리트는 화재 시 열팽창변형의 저감에는 유리하나 화재가 지속되는 등 고온이 유지되는 경우에는 고온크리프변형이 크게 발생하여 구조물의 내화성능설계 시에 이에 대한 추가적인 고려가 필요할 것으로 판단되었다.
40% 재하 시험체의 경우 세 종류의 시험체 모두 20% 재하 시험체와 비교하여 동일한 열팽창변형의 값에서 더 큰 크리프 변형을 보이는 것으로 나타났다. ∊cr/∊th는 NW 0.
40%를 재하한 경우 20%를 재하한 경우보다 전체적으로 수축량이 증가하였으며 세 시험체 모두 100, 200, 300℃에서 거의 동일한 수축량을 보였다. 500℃로 가열한 NW는 측정초기부터 변형이 증가하여 최종적으로 약 -4.
CL 및 CA의 경우 NW보다 콘크리트의 강도가 저하되는 100℃에서 CL은 약 5%, CA는 약 15% 높은 강도잔존율을 보였으며 300℃ 이상의 온도에서도 강도저하량이 작아 700℃에서 약 50% 이상의 강도잔존율을 보였다. 특히 CA의 경우 비재하시 약 63%, 재하시에 약 85%의 강도잔존율을 보여 고온에서 높은 강도유지성능을 나타냈다.
CL과 CA는 500℃까지는 온도가 증가할수록 유사한 경향으로 수축량이 증가하였으나 700℃에서 CL은 최종적으로 약 1.8×10-3의 변형률에 수렴하였고 CA는 측정 시작부터 변형률이 급격히 증가하여 최종적으로 약 4.0×10-3의 변형률을 나타냈다.
경량골재를 사용한 CL, CA 모두 NW보다 높은 탄성계수 잔존률을 나타냈으며 그 크기는 CA>CL>NW의 순으로 나타났다.
2) 온도상승구간에서는 상대적으로 온도변화에 의한 열팽창변형의 영향이 크기 때문에 골재의 재료적 특성으로 인하여 경량골재를 사용한 콘크리트가 일반골재 콘크리트보다 더 낮은 변형률을 보였다. 따라서 온도상승구간에서의 고온강도 확보와 구조적 안정성 측면에서는 경량골재 콘크리트가 유리할 것으로 판단되었다.
또한 300℃ 이전의 온도영역에서는 재하에 의한 영향이 크지 않으나 500, 700℃에서는 재하량이 증가할수록 고온압축강도가 증가하는 경향을 보였다. 이는 고온에 의한 콘크리트의 팽창변형이 재하에 의한 수축변형으로 상쇄되어 콘크리트 조직 내부의 미세균열 발생이 억제되었기 때문으로 판단된다.
6에 나타냈다. 상술한 바와 같이 굵은골재의 밀도가 작을수록 고온에서 높은 강도잔존율을 보였으며 재하에 의해 그 값이 상승하였다. NW는 재하량에 의해 강도잔존률에 차이가 있으나 CL과 CA는 재하량에 의한 차이가 거의 발생하지 않았다.
CL 및 CA의 경우 NW보다 콘크리트의 강도가 저하되는 100℃에서 CL은 약 5%, CA는 약 15% 높은 강도잔존율을 보였으며 300℃ 이상의 온도에서도 강도저하량이 작아 700℃에서 약 50% 이상의 강도잔존율을 보였다. 특히 CA의 경우 비재하시 약 63%, 재하시에 약 85%의 강도잔존율을 보여 고온에서 높은 강도유지성능을 나타냈다. 이는 인공경량골재의 제조과정 중 발생하는 골재 내부의 공극으로 인해 열에 의한 팽창이 크지 않아 고온에서 콘크리트 강도저하의 주된 원인으로 알려진 골재와 모르타르 사이의 ITZ(interfacial transition zone)에서 열팽창 차이에 의한 균열발생이 적었기 때문으로 판단된다.
후속연구
9) 따라서 화재시나 화재 후에 구조물을 재사용하는 경우 안전성을 평가하기 위해서는 이러한 온도가 유지되는 영역에 대한 고려도 필요할 것이라고 판단되었다.
3) 상대적으로 하중의 영향이 커지는 온도유지구간에서의 고온크리프의 경우 골재종류와 관계없이 온도와 재하량이 증가할수록 수축량이 증가하였으며 경량골재를 사용한 콘크리트가 일반골재를 사용한 콘크리트보다 큰 수축량을 보였다. 이를 통해 경량골재를 사용한 콘크리트는 화재 시 열팽창변형의 저감에는 유리하나 화재가 지속되는 등 고온이 유지되는 경우에는 고온크리프변형이 크게 발생하여 구조물의 내화성능설계 시에 이에 대한 추가적인 고려가 필요할 것으로 판단되었다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
화재시 콘크리트 구조물에 어떠한 변화가 일어나는가?
화재시 콘크리트 구조물은 구성재료의 상이한 열적특성으로 인해 강도가 저하하고 동시에 수직부재는 수평부재의 팽창에 의한 모멘트하중을 받아 전단파괴가 발생한다. 따라서 여러가지 화재곡선을 사용한 콘크리트 구조물의 화재시 거동에 대한 연구가 많이 이루어졌지만 주로 온도상승구간에서 발생하는 폭렬특성과 열팽창변형에 관한 연구가 대부분이다.
콘크리트의 사용재료의 열팽창계수 차이가 있으면 어떠한 문제점을 야기하게 되는가?
콘크리트의 구성재료 중 시멘트 페이스트는 가열을 받아 온도가 증가할수록 수축을 하지만 굵은골재는 팽창하는 경향을 보인다. 이러한 사용재료의 열팽창계수 차이에 의해 콘크리트는 내부에 균열이 발생하여 강도가 저하하게 되고 기둥과 같은 수직부재의 경우에는 강도가 저하된 상태에서 보와 슬래브 등의 수평부재의 팽창에 의해 큰 모멘트하중을 받아 전단파괴가 발생할 수 있다.1) 이러한 전단 파괴로 인해 구조물이 붕괴된 사례는 우리나라와 미국, 일본 등의 화재 사례에서도 여러 차례 보고되고 있다.
본 연구에서 평가한 화강암계, clay계, clay-ash계 세 종류의 굵은골재를 사용한 콘크리트의 고온 역학적 특성은 어떠한가?
또한 이러한 고온을 받는 콘크리트의 안정성에는 체적의 대부분을 차지하는 굵은골재의 열적특성이 큰 영향을 미치기 때문에 이 연구에서는 화강암계, clay계, clay-ash계 세 종류의 굵은골재를 사용한 콘크리트의 고온 역학적 특성을 평가했다. 그 결과 굵은골재의 성인으로 인한 내부공극 때문에 경량골재를 사용한 콘크리트가 일반골재를 사용한 콘크리트보다 높은 고온강도 및 탄성계수를 나타냈고 열팽창변형과 전체변형의 경우 더 낮은 변형률을 나타내어 온도상승구간에서의 구조적 안정성 측면에서 유리한 것으로 판단되었다. 그러나 고온크리프의 경우 내부공극으로 인해 더 큰 수축량이 발생하기 때문에 내화성능설계시에 이에 대한 추가적인 고려가 필요할 것으로 판단되었다.
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