이 연구에서는 RC기둥의 내화실험 후 콘크리트 시멘트 매트릭스의 구성성분의 변화를 조사하였다. 표준화재곡선에 따라 내화실험을 수행하고 상온에서 기둥을 식힌 후, 표면과 깊이 40 mm, 80 mm, 단면중심(175 mm) 지점에서의 샘플을 채취하였다. 수화된 시멘트의 대표적인 구성성분인 칼슘-실리케이트 수화물(C-S-H)와 수산화칼슘의 구성성분 변화를 열중량분석기(TGA)와 X선 회절분석기(XRDA)를 이용하여 분석하였다. 핵자기공명기(NMR)를 이용하여, C-S-H의 실리케이트 중합도변화를 관찰하였다. 세 가지 분석 결과를 종합해 본 결과 내하실험에서 $236^{\circ}C$를 경험한 중심부(175 mm)에서의 시멘트 매트릭스의 상태가 $618^{\circ}C$를 경험한 깊이 40 mm에서의 시멘트 매트릭스의 상태와 유사하며, 가장 건전하다고 판단되는 시멘트 매트릭스는 $419^{\circ}C$를 경험한 깊이 80 mm 지점에서의 시멘트 매트릭스였다. 이는 콘크리트의 경험 온도와 철근의 온도제한에 의한 내화규정은 RC구조물의 내화성능을 과대평가할 수 있음을 나타내며, 향후 내화규정의 마련에 유용하게 활용될 것으로 판단된다.
이 연구에서는 RC기둥의 내화실험 후 콘크리트 시멘트 매트릭스의 구성성분의 변화를 조사하였다. 표준화재곡선에 따라 내화실험을 수행하고 상온에서 기둥을 식힌 후, 표면과 깊이 40 mm, 80 mm, 단면중심(175 mm) 지점에서의 샘플을 채취하였다. 수화된 시멘트의 대표적인 구성성분인 칼슘-실리케이트 수화물(C-S-H)와 수산화칼슘의 구성성분 변화를 열중량분석기(TGA)와 X선 회절분석기(XRDA)를 이용하여 분석하였다. 핵자기공명기(NMR)를 이용하여, C-S-H의 실리케이트 중합도변화를 관찰하였다. 세 가지 분석 결과를 종합해 본 결과 내하실험에서 $236^{\circ}C$를 경험한 중심부(175 mm)에서의 시멘트 매트릭스의 상태가 $618^{\circ}C$를 경험한 깊이 40 mm에서의 시멘트 매트릭스의 상태와 유사하며, 가장 건전하다고 판단되는 시멘트 매트릭스는 $419^{\circ}C$를 경험한 깊이 80 mm 지점에서의 시멘트 매트릭스였다. 이는 콘크리트의 경험 온도와 철근의 온도제한에 의한 내화규정은 RC구조물의 내화성능을 과대평가할 수 있음을 나타내며, 향후 내화규정의 마련에 유용하게 활용될 것으로 판단된다.
This study examined the changes of microstructural compositions in cement matrix according to the depth from the surface of a reinforced concrete (RC) column exposed to fire. The RC column was exposed to a standard fire for 180 minutes. After the fire test, core samples passing through the column se...
This study examined the changes of microstructural compositions in cement matrix according to the depth from the surface of a reinforced concrete (RC) column exposed to fire. The RC column was exposed to a standard fire for 180 minutes. After the fire test, core samples passing through the column section were obtained. Using the core samples, the remaining fractions of calcium-silicate-hydrates (C-S-H) and calcium hydroxide in cement matrix at the surface, the depth of 40 mm and 80 mm and the center (175 mm) were examined using thermal gravimetric analysis (TGA) and X-ray diffraction analysis (XRDA). Using nuclear magnetic resonance (NMR) technique, the silicate polymerization of C-S-H in cement matrix was also evaluated. The experimental results indicated that the amount of C-S-H loss at the center of column experiencing the transferred fire temperature of $236^{\circ}C$ has been underestimated as the TGA results showed the highest C-S-H contents are located at the depth of 80 mm, where the transferred fire temperature is $419^{\circ}C$. Moreover, the destruction of silicate connections at the center was observed as similar as that at the depth of 40 mm, where the transferred fire temperature was $618^{\circ}C$. This might be attributed to the temperature changes during cooling time after the fire test was neglected. Due to the relatively low thermal conductivity of concrete, the high temperature, which can affect the change of microstructure in cements, will hold longer at the center of the column than other depth.
This study examined the changes of microstructural compositions in cement matrix according to the depth from the surface of a reinforced concrete (RC) column exposed to fire. The RC column was exposed to a standard fire for 180 minutes. After the fire test, core samples passing through the column section were obtained. Using the core samples, the remaining fractions of calcium-silicate-hydrates (C-S-H) and calcium hydroxide in cement matrix at the surface, the depth of 40 mm and 80 mm and the center (175 mm) were examined using thermal gravimetric analysis (TGA) and X-ray diffraction analysis (XRDA). Using nuclear magnetic resonance (NMR) technique, the silicate polymerization of C-S-H in cement matrix was also evaluated. The experimental results indicated that the amount of C-S-H loss at the center of column experiencing the transferred fire temperature of $236^{\circ}C$ has been underestimated as the TGA results showed the highest C-S-H contents are located at the depth of 80 mm, where the transferred fire temperature is $419^{\circ}C$. Moreover, the destruction of silicate connections at the center was observed as similar as that at the depth of 40 mm, where the transferred fire temperature was $618^{\circ}C$. This might be attributed to the temperature changes during cooling time after the fire test was neglected. Due to the relatively low thermal conductivity of concrete, the high temperature, which can affect the change of microstructure in cements, will hold longer at the center of the column than other depth.
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문제 정의
이 연구에서는 다양한 분석방법을 이용하여 화재 후 RC 구조물의 손상을 평가할 수 있는 방안을 검토하였다.
29-실리케이트 마각 핵자기공명기(29Si magic angle spinning nuclear magnetic resonance, 29Si MAS NMR)를 이용하여 C-S-H의 중합도를 산정하였다. 이러한 분석 결과를 종합하여 화재시 온도상승에 따른 시멘트 매트릭스 내의 C-S-H와 수산화칼슘의 구성변화를 파악하여, 화재에 의한 콘크리트의 손상을 정량적으로 평가하고자 한다.
가설 설정
14) 결정화된 물질은 반복적인 원자층을 가지고 있다. 이를 고려하여, 일정한 파동의 길이 λ를 가지는 X선을 θ의 각도로 입사시키면, 원자층간의 거리 d에 따라 입사된 X선이 원자층을 통과하거나 원자에 부딪혀 반사된다.
제안 방법
X선 회절 분석 (X-ray diffraction analysis, XRDA)을 통하여 표면으로부터 깊이에 따른 C-S-H와 수산화칼슘의 상대적인 감소량을 파악하였다. 29-실리케이트 마각 핵자기공명기(29Si magic angle spinning nuclear magnetic resonance, 29Si MAS NMR)를 이용하여 C-S-H의 중합도를 산정하였다. 이러한 분석 결과를 종합하여 화재시 온도상승에 따른 시멘트 매트릭스 내의 C-S-H와 수산화칼슘의 구성변화를 파악하여, 화재에 의한 콘크리트의 손상을 정량적으로 평가하고자 한다.
제작된 콘크리트실험체를 표준화재조건에 노출시킨 내화시험방법(KS F 2257-1)에 따라 방재시험연구원 방내화 실험동에서 내화실험을 실시하였다. ISO-834 표준화재 가열곡선13)을 적용하였으며, 180분간 비재하 내화시험을 실시하였다. 콘크리트의 28일 압축강도는 35.
열중량분석(thermal gravimetric analysis, TGA)을 이용하여 시멘트 매트릭스내의 C-S-H, 수산화칼슘(calcium hydroxide, Ca(OH)2), 탄산칼슘(calcium carbonate, CaCO3)의 상대적인 변화량을 분석하였다. X선 회절 분석 (X-ray diffraction analysis, XRDA)을 통하여 표면으로부터 깊이에 따른 C-S-H와 수산화칼슘의 상대적인 감소량을 파악하였다. 29-실리케이트 마각 핵자기공명기(29Si magic angle spinning nuclear magnetic resonance, 29Si MAS NMR)를 이용하여 C-S-H의 중합도를 산정하였다.
26,27) 이 연구에서는 Si(CH3)4(tetramethylsilane, TMS)이 0 ppm을 기준으로 29Si 화학이동량을 결정하였다. 보조 기준으로는 Si[(CH3)3]8 Si8O20을 사용하여 TMS기준으로 11.6 ppm에서 화학이동 피크를 확인하였다.
표면과 표면으로부터 20 mm, 40 mm, 60 mm, 80 mm, 그리고 중심부(175 mm)에서 온도의 변화를 측정한 후, 표면과 깊이 40 mm, 80 mm, 그리고 중심부(175 mm) 지점에서 총 3가지 방법을 통해 시멘트 매트릭스의 미세구조의 구성성분 변화를 조사하였다. 열중량분석(thermal gravimetric analysis, TGA)을 이용하여 시멘트 매트릭스내의 C-S-H, 수산화칼슘(calcium hydroxide, Ca(OH)2), 탄산칼슘(calcium carbonate, CaCO3)의 상대적인 변화량을 분석하였다. X선 회절 분석 (X-ray diffraction analysis, XRDA)을 통하여 표면으로부터 깊이에 따른 C-S-H와 수산화칼슘의 상대적인 감소량을 파악하였다.
이 연구에서는 RC 기둥을 표준 화재 곡선에 따라서 내화실험을 실시한 후 대기 온도 조건에 노출시켜 내화 실험된 RC기둥의 온도를 상온까지 낮추었다. 표면과 표면으로부터 20 mm, 40 mm, 60 mm, 80 mm, 그리고 중심부(175 mm)에서 온도의 변화를 측정한 후, 표면과 깊이 40 mm, 80 mm, 그리고 중심부(175 mm) 지점에서 총 3가지 방법을 통해 시멘트 매트릭스의 미세구조의 구성성분 변화를 조사하였다.
이 연구에서는 TGA 실험에서 C-S-H로부터 물이 증발하는 시작온도를 고려하여14) 145℃∼400℃, 수산화칼슘으로부터 물이 증발하는 온도의 범위를 400℃∼600℃, 탄산칼슘으로부터 이산화탄소가 증발하는 온도의 범위를 600℃∼825℃로 고려하여, 해당 온도범위에서의 중량의 손실률을 Table 2에 정리하였다.
콘크리트의 온도는 표면과 표면으로부터 깊이 20 mm, 40 mm, 60 mm, 80 mm, 그리고 중심부(175 mm)에서 각각 2기의 열전대(thermocouple)을 설치하여 측정하였다. 종방향철근의 온도는 각 철근의 중심부에 열전대를 삽입하여 측정하였다. Fig.
콘크리트의 온도는 표면과 표면으로부터 깊이 20 mm, 40 mm, 60 mm, 80 mm, 그리고 중심부(175 mm)에서 각각 2기의 열전대(thermocouple)을 설치하여 측정하였다. 종방향철근의 온도는 각 철근의 중심부에 열전대를 삽입하여 측정하였다.
4와 같이 기둥의 단면을 가로 지르는 코어 공시체를 얻었다. 표면과 깊이 40 mm, 80 mm, 그리고 중심부(175 mm) 지점에서 시료를 채취하여 시멘트 매트릭스의 미세구조 변화를 측정하였다.
이 연구에서는 RC 기둥을 표준 화재 곡선에 따라서 내화실험을 실시한 후 대기 온도 조건에 노출시켜 내화 실험된 RC기둥의 온도를 상온까지 낮추었다. 표면과 표면으로부터 20 mm, 40 mm, 60 mm, 80 mm, 그리고 중심부(175 mm)에서 온도의 변화를 측정한 후, 표면과 깊이 40 mm, 80 mm, 그리고 중심부(175 mm) 지점에서 총 3가지 방법을 통해 시멘트 매트릭스의 미세구조의 구성성분 변화를 조사하였다. 열중량분석(thermal gravimetric analysis, TGA)을 이용하여 시멘트 매트릭스내의 C-S-H, 수산화칼슘(calcium hydroxide, Ca(OH)2), 탄산칼슘(calcium carbonate, CaCO3)의 상대적인 변화량을 분석하였다.
대상 데이터
설계기준강도를 30 MPa로 설정하여 Table 1과 같이 배합하였다. 결합재료는 KS L 5201 규정을 만족하는 1종 보통포틀랜드 시멘트 및 KS L 5405 규정에 적합한 플라이애쉬를 사용하였다. 잔골재는 밀도 2.
결합재료는 KS L 5201 규정을 만족하는 1종 보통포틀랜드 시멘트 및 KS L 5405 규정에 적합한 플라이애쉬를 사용하였다. 잔골재는 밀도 2.62 g/cm3, 조립률 2.83의 세척사를 사용하였으며, 최대치수는 25 mm, 밀도는 2.65 g/cm3의 굵은골재를 사용하였다.
콘크리트 기둥의 내화성능을 평가하기 위해 기존연구에서 사용했던 동일한 제원의 높이 1524 mm, 단면 350 mm×350 mm인 실험체를 제작하였다.
이론/모형
제작된 콘크리트실험체를 표준화재조건에 노출시킨 내화시험방법(KS F 2257-1)에 따라 방재시험연구원 방내화 실험동에서 내화실험을 실시하였다. ISO-834 표준화재 가열곡선13)을 적용하였으며, 180분간 비재하 내화시험을 실시하였다.
성능/효과
1) 기둥 350 mm×350 mm의 화재시험 후 TGA 결과로부터 내화실험에서 최고 수열온도 419℃를 경험한 깊이 80 mm에서의 C-S-H의 양이 최고 수열온도 236℃를 경험한 기둥중앙(175 mm)에서의 C-S-H의 양보다 더 많음을 확인하였다.
2) XRDA 및 NMR 분석 결과, TGA 결과와 같이 깊이 80 mm 지점에서의 C-S-H의 양이 가장 많고, C-S-H의 중합도가 가장 높음을 확인하였다.
3) TGA, XRDA, NMR에 의한 분석 결과는 내화실험 후 기둥을 식히는 과정에서 콘크리트의 낮은 열전도도로 인하여 기둥 중앙부의 온도가 표면이나 깊이 80 mm 지점보다 오랜 시간 C-S-H를 분해할 수 있는 온도 145℃ 이상을 유지함에 의한 것으로 판단된다.
4) 상기의 현상은 실제의 화재 후 RC 구조물의 평가와 유사한 경우로, 콘크리트나 철근의 화재시 온도로 RC 구조물의 내화기준을 설정하는 것은 화재에 의한 콘크리트 시멘트 매트릭스의 C-S-H 구조의 파괴를 과소평가할 수 있음을 보여준다. 그러므로, 기둥의 단면 크기를 고려하여 수열온도 이력을 고려하는 연구가 필요할 것으로 사료된다.
145℃∼400℃, 수산화칼슘으로부터 물이 증발하는 온도의 범위를 400℃∼600℃, 탄산칼슘으로부터 이산화탄소가 증발하는 온도의 범위를 600℃∼825℃로 고려하여, 해당 온도범위에서의 중량의 손실률을 Table 2에 정리하였다. Table 2에 정리된 결과로부터 RC 기둥의 중앙에서 수산화칼슘과 탄산칼슘으로부터 증발된 물의 양과 이산화탄소의 양이 각각 2.6%와 2.1%로 가장 크게 나타난 반면, C-S-H로부터 손실된 물의 양은 1.9%로 깊이 80 mm에서의 2.2% 보다 작게 나타남을 볼 수 있다. C-S-H에 대한 이러한 결과는 내화실험에서 최고 수열온도 419℃까지 상승한 깊이 80 mm에서의 C-S-H 의 양이 최고 수열온도 236℃를 기록한 기둥중앙(175 mm)에서의 C-S-H의 양보다 더 많음을 나타낸다.
NMR분석에서 나타난 Q3 연결은 골재에 의한 것으로 판단된다. 표면에서의 NMR분석 결과를 살펴보면, 연결 없이 존재하는 실리케이트의 상대량 Q0가 91.5%로 대부분의 실리케이트 연결이 파괴되었음을 알 수 있다. 깊이 80 mm 지점에서 Q0의 양이 가장 적고, 중합도도 1.
후속연구
4) 상기의 현상은 실제의 화재 후 RC 구조물의 평가와 유사한 경우로, 콘크리트나 철근의 화재시 온도로 RC 구조물의 내화기준을 설정하는 것은 화재에 의한 콘크리트 시멘트 매트릭스의 C-S-H 구조의 파괴를 과소평가할 수 있음을 보여준다. 그러므로, 기둥의 단면 크기를 고려하여 수열온도 이력을 고려하는 연구가 필요할 것으로 사료된다.
따라서, 이 연구에서 제안된 C-S-H의 손실에 대한 연구는 향후 초고층건축물의 내화기준을 마련하는데 유용하게 활용될 수 있을 것으로 사료된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
C-S-H는 무엇인가?
특히, 콘크리트는 온도 500℃에서 콘크리트의 시멘트 매트릭스를 구성하는 칼슘 실리 케이트 수화물(calcium silicate hydrates, C-S-H)이 모두 분해되는 것으로 알려져 있고,6) 이를 고려하여 500℃ 이상의 온도에 노출되었던 콘크리트는 시멘트 매트릭스가 모두 파괴된 것으로 간주하고 그 강도를 무시하는 것이다. C-S-H는 콘크리트 시멘트 매트릭스의 67%를 차지하는 미세구조로써,7) 콘크리트의 강도와 파괴특성에 가장 중요한 역할을 담당하고 있다. 더욱이, 시멘트 매트릭스의 장기 거동과 관련된 크리프와 건조수축 특성은 C-S-H에 의해 지배되는 것으로 알려져 있다.
화재에 노출되었던 RC 부재의 강도와 강성도 저하를 고려하기 위해 화재시 온도에 따른 시방기준이나 유효 단면적을 고려하는 방법 등을 따를 때의 문제점은 무엇인가?
이러한 설계방법 또는 관리기준은 단순히 콘크리트나 철근의 온도로만 내화성능을 평가하기 때문에, 온도상승에 따른 콘크리트 시멘트 매트릭스의 화학적 조성 변화를 고려하지 못하는 단점이 있다. 특히, 실제 구조물에 화재 발생 시 콘크리트나 철근의 내부온도를 정확히 측정 또는 평가할 수 없기 때문에, 화재 후 구조물의 잔존강도나 손상여부를 파악하기 어렵다. 특히, 콘크리트는 온도 500℃에서 콘크리트의 시멘트 매트릭스를 구성하는 칼슘 실리 케이트 수화물(calcium silicate hydrates, C-S-H)이 모두 분해되는 것으로 알려져 있고,6) 이를 고려하여 500℃ 이상의 온도에 노출되었던 콘크리트는 시멘트 매트릭스가 모두 파괴된 것으로 간주하고 그 강도를 무시하는 것이다.
철근콘크리트 구조물이 화재에 노출되면 어떤 문제가 생기는가?
철근콘크리트(reinforced concrete, RC) 구조물이 화재에 노출되면, 콘크리트와 철근의 온도가 상승하고 구조부재의 변형에 대한 강성도와 강도가 저하된다. 화재에 노출되었던 RC 부재의 강도와 강성도 저하를 고려하기 위하여 일반적으로 화재시 온도에 따른 시방기준을 제시하고 있다.
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