본 연구에서는 동일 설계기준 강도를 목표로 혼화재의 종류 및 치환율을 달리하여 콘크리트 배합설계를 실시하였으며, 이에 따른 혼화재의 종류가 고강도 콘크리트의 내화성능에 미치는 영향을 검토하고자 ASTM E119의 표준가열온도 곡선에 따른 내화시험을 실시하였다. 그 결과, 고로슬래그를 치환하는 경우 폭렬량이 현저히 저감되는 것으로 나타났으며, 실리카흄을 추가하여 치환하는 경우 폭렬량이 가장 많은 것으로 나타났다. 특히 실리카흄을 단독으로 치환하는 경우 비교적 양호한 폭렬량을 나타냈으나, 고로슬래그와 함께 치환한 시험체의 경우 분말도가 높은 실리카흄이 공극을 밀실하게 함으로써 수증기압의 증가로 인해 폭렬량이 증가한 것으로 판단된다. 또한, 실리카흄을 5% 치환한 시험체의 경우, 고로슬래그 치환율이 증가함에 따라 상대적으로 큰 공극량은 감소하고 미세공극량이 증가함으로써 폭렬량 또한 증가하는 결과를 나타냈다.
본 연구에서는 동일 설계기준 강도를 목표로 혼화재의 종류 및 치환율을 달리하여 콘크리트 배합설계를 실시하였으며, 이에 따른 혼화재의 종류가 고강도 콘크리트의 내화성능에 미치는 영향을 검토하고자 ASTM E119의 표준가열온도 곡선에 따른 내화시험을 실시하였다. 그 결과, 고로슬래그를 치환하는 경우 폭렬량이 현저히 저감되는 것으로 나타났으며, 실리카흄을 추가하여 치환하는 경우 폭렬량이 가장 많은 것으로 나타났다. 특히 실리카흄을 단독으로 치환하는 경우 비교적 양호한 폭렬량을 나타냈으나, 고로슬래그와 함께 치환한 시험체의 경우 분말도가 높은 실리카흄이 공극을 밀실하게 함으로써 수증기압의 증가로 인해 폭렬량이 증가한 것으로 판단된다. 또한, 실리카흄을 5% 치환한 시험체의 경우, 고로슬래그 치환율이 증가함에 따라 상대적으로 큰 공극량은 감소하고 미세공극량이 증가함으로써 폭렬량 또한 증가하는 결과를 나타냈다.
The method of concrete mix design used in this study aims to achieve the identical specified design strength, applying different types and replacement ratio of mineral admixtures and afterwards, fire tests were conducted using the standard time-temperature curve specified in the ASTM E119 to identif...
The method of concrete mix design used in this study aims to achieve the identical specified design strength, applying different types and replacement ratio of mineral admixtures and afterwards, fire tests were conducted using the standard time-temperature curve specified in the ASTM E119 to identify the influences of the types of mineral admixtures on the fire resistance performance of high strength concrete(HSC). The least spalling was observed in the test specimen containing blast furnace slag as a partial replacement of cement, while the most significant spalling phenomena were observed in the blast furnace slag test specimen that silica-fume was added in. In particular, the reasonable volume of spalling was observed when solely replaced by silica fume. However, the influence of the cement replacement by silica fume and blast furnace slag on the increases of spalling can be explained through blocked pores by the fine particles of silica fume, leading to decreases in permeability.
The method of concrete mix design used in this study aims to achieve the identical specified design strength, applying different types and replacement ratio of mineral admixtures and afterwards, fire tests were conducted using the standard time-temperature curve specified in the ASTM E119 to identify the influences of the types of mineral admixtures on the fire resistance performance of high strength concrete(HSC). The least spalling was observed in the test specimen containing blast furnace slag as a partial replacement of cement, while the most significant spalling phenomena were observed in the blast furnace slag test specimen that silica-fume was added in. In particular, the reasonable volume of spalling was observed when solely replaced by silica fume. However, the influence of the cement replacement by silica fume and blast furnace slag on the increases of spalling can be explained through blocked pores by the fine particles of silica fume, leading to decreases in permeability.
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문제 정의
따라서, 본 연구에서는 해외에서 건설예정 중인 원자로 구조물을 모사하여 각 혼화재별 단독 및 복합 치환율 변화가 고강도 콘크리트의 내화성능에 미치는 영향을 검토하고자 ASTM E119[5]에 따른 내화시험을 통하여 내화성능 평가를 진행하였다.
본 연구에서는 고강도 콘크리트의 폭렬현상에 영향을 미치는 주요 인자로써 압축강도 및 함수율, 공극구조(MIP)를 분석하여, 고강도 콘크리트 시험체의 내화성능 평가에 관한 기초자료로 활용하고자 하였다.
본 연구에서는 혼화재의 종류 및 치환율이 고강도 콘크리트의 내화성능에 미치는 영향을 검토하고자 ASTM E119에 따른 내화시험을 진행하였으며, 그 결과를 다음과 같이 정리 하였다.
제안 방법
내화시험은 콘크리트 가열이면과 주철근에 열전대를 설치하여 온도를 측정하였으며, 내화시험 종료 후 육안관찰을 통해 폭렬상태 및 철근 노출 등을 조사하였다.
고강도 콘크리트 시험체의 내화시험 재령은 91일이며, 콘크리트 타설 직후 Figure 5에 나타낸 바와 같이 봉합양생을 실시하였다. 또한, 고강도 콘크리트 시험체 제작 시 별도의 시험체를 제작하여 동일한 조건으로 봉합양생을 실시하였으며, 내화시험 재령인 91일에 압축강도 및 함수율을 측정하였다.
폭렬 깊이는 시험체 중심부를 지나는 수직선 위 10개 지점의 깊이를 측정하였으며, 최대 폭렬깊이와 평균 폭렬깊이를 산출하였다. 또한, 폭렬면적은 I사의 화상분석 프로그램을 사용하여 가열면적 대비 폭렬면적을 백분율로 정량화 하였다.
또한 Table 3, Table 4에 나타낸 바와 같이 콘크리트 배합에 사용된 시멘트는 보통 보틀랜드 시멘트(1종)를 사용하였고, 혼화재는 범용적으로 많이 사용되고 있는 고로슬래그(3종)와 플라이애시(2종), 실리카흄(Grade 940U)을 사용하였다. 배합강도는 56MPa(8,000psi), 70MPa(10,000psi)급으로써 물결합재비는 각각 34, 28%이며, 단위수량은 155kg/m3으로 고정하였으며, 총 8개 배합에 대한 내화시험을 진행하였다.
본 연구에서는 동일 설계기준 강도를 목표로 혼화재의 종류 및 치환율을 달리하여 콘크리트 배합설계를 실시하였으며, 사용된 고강도 콘크리트 배합을 Table 2에 나타내었다. 또한 Table 3, Table 4에 나타낸 바와 같이 콘크리트 배합에 사용된 시멘트는 보통 보틀랜드 시멘트(1종)를 사용하였고, 혼화재는 범용적으로 많이 사용되고 있는 고로슬래그(3종)와 플라이애시(2종), 실리카흄(Grade 940U)을 사용하였다.
본 연구에서는 벽부재를 가정한 ASTM E119에 따른 내화시험을 3시간동안 실시하였으며, 내화시험 시 주철근 온도를 함께 측정하여 국토교통부 고시 기준에서 제시하고 있는 기둥 부재를 가정한 추가적인 분석을 실시하였다.
3m2 이상으로 명시하고 있으나, 본 시험체는 Figure 2에 나타낸 바와 같이 원전구조물 격납건물의 벽체를 모사한 것으로써 편의상 Small size의 시험체로 제작하였다. 이 때, 최대한 실물 부재와 동일한 조건을 구현하고자 실제 사용되는 크기의 철근을 사용하였으며, 양생방법은 봉합양생을 실시하였다.
폭렬특성 평가방법은 기본적으로 육안관찰을 실시하여 콘크리트 폭렬깊이 및 면적, 철근의 박락여부 등을 관찰하였다. 폭렬 깊이는 시험체 중심부를 지나는 수직선 위 10개 지점의 깊이를 측정하였으며, 최대 폭렬깊이와 평균 폭렬깊이를 산출하였다. 또한, 폭렬면적은 I사의 화상분석 프로그램을 사용하여 가열면적 대비 폭렬면적을 백분율로 정량화 하였다.
폭렬특성 평가방법은 기본적으로 육안관찰을 실시하여 콘크리트 폭렬깊이 및 면적, 철근의 박락여부 등을 관찰하였다. 폭렬 깊이는 시험체 중심부를 지나는 수직선 위 10개 지점의 깊이를 측정하였으며, 최대 폭렬깊이와 평균 폭렬깊이를 산출하였다.
한편, 시험체의 온도측정 위치는 가열이면과 주철근의 온도를 측정하였다. 열전대는 Figure 4에 나타낸 바와 같이 가열이면 중앙부 1개소, 주철근 2개소에 K-type 열전대를 설치하였다.
대상 데이터
ASTM E119에서는 내력벽부재의 가열면적을 최소 9.3m2 이상으로 명시하고 있으나, 본 시험체는 Figure 2에 나타낸 바와 같이 원전구조물 격납건물의 벽체를 모사한 것으로써 편의상 Small size의 시험체로 제작하였다. 이 때, 최대한 실물 부재와 동일한 조건을 구현하고자 실제 사용되는 크기의 철근을 사용하였으며, 양생방법은 봉합양생을 실시하였다.
본 연구에서는 동일 설계기준 강도를 목표로 혼화재의 종류 및 치환율을 달리하여 콘크리트 배합설계를 실시하였으며, 사용된 고강도 콘크리트 배합을 Table 2에 나타내었다. 또한 Table 3, Table 4에 나타낸 바와 같이 콘크리트 배합에 사용된 시멘트는 보통 보틀랜드 시멘트(1종)를 사용하였고, 혼화재는 범용적으로 많이 사용되고 있는 고로슬래그(3종)와 플라이애시(2종), 실리카흄(Grade 940U)을 사용하였다. 배합강도는 56MPa(8,000psi), 70MPa(10,000psi)급으로써 물결합재비는 각각 34, 28%이며, 단위수량은 155kg/m3으로 고정하였으며, 총 8개 배합에 대한 내화시험을 진행하였다.
시험체 제원은 Figure 3에 나타낸 바와 같이 500×500×150㎜ 크기로 제작하였다. 또한, 철근배근은 주철근 D32, 띠 철근 D19를 사용하였으며, 피복두께는 51㎜로 하였다.
한편, 시험체의 온도측정 위치는 가열이면과 주철근의 온도를 측정하였다. 열전대는 Figure 4에 나타낸 바와 같이 가열이면 중앙부 1개소, 주철근 2개소에 K-type 열전대를 설치하였다.
성능/효과
1) 육안관찰 결과 56MPa급 시험체의 경우, S65SF5 시험체의 폭렬깊이가 142.9㎜로 나타나 폭렬량이 가장 많은 것으로 나타났으며, 다음은 SF5, F25, S50의 순으로 나타났다.
2) 특히, S50의 경우 고로슬래그를 50% 치환함으로써 폭렬량이 현저히 감소하였으나, 고로슬래그를 65% 치환한 S65SF5 시험체의 경우 고로슬래그의 혼입량이 더 많았음에도 불구하고 실리카흄 5%를 추가 치환함에 따라 가장 많은 폭렬량을 보였다.
3) 70MPa 시험체의 경우에도 S65SF5 시험체가 폭렬량이 가장 많은 것으로 나타났으며, 그 다음으로 S45SF5, F25SF5, SF5의 순으로 나타났다.
4) 고로슬래그를 치환하는 경우, 폭렬량이 현저히 감소 할 수 있으나, 실리카흄을 추가적으로 치환하는 경우, 미세한 실리카흄 입자가 공극을 밀실하게 채움으로써 폭렬량이 증가하는 것으로 판단된다.
5) 가열이면의 온도이력을 분석한 결과, 56MPa급 시험체에서는 SF5, F25, S50 시험체가 온도판정조건을 만족하였으며, 70MPa급 시험체의 경우 SF5 시험체만이 온도판정도건을 만족하였다.
내화시험에 앞서 폭렬현상의 주요 영향인자인 함수율을 측정한 결과를 다음 Figure 9, Figure 10에 나타냈다. 56MPa 급 시험체의 경우 최대 4.08%, 최소 3.25%인 것으로 나타났으며, 평균적으로 3.82%의 수분을 포함하고 있는 것으로 나타났다. 한편, 70MPa급 시험체의 경우 최대 3.
다음 Figure 14에 콘크리트 시험체의 주철근 온도를 나타내었다. 56MPa급 시험체 중 F25, S50 시험체가 국토교통부 고시기준의 기둥부재 온도판정조건(평균 538℃, 최고 649℃)을 만족하였으며, 70MPa급 시험체의 경우는 모든 시험체가 온도판정조건을 만족하지 못했다.
Figure 7, Figure 8은 고강도 콘크리트 시험체의 재령 91일 압축강도를 나타낸 것이다. 56MPa급 시험체의 모든 시험체는 목표 압축강도를 만족하는 것으로 나타났다. 플라이애시를 25% 치환한 F25 시험체의 압축강도는 약 70MPa 로 가장 높은 것으로 나타났으며, 다음으로 SF5>S65SF5>S50 순인 것으로 나타났다.
6) 주철근 온도이력을 분석한 결과, 56MPa급 시험체의 경우 F25, S50 시험체가 온도판정조건을 만족하였으며, 70MPa급 시험체의 경우 모든 시험체가 온도판정 조건을 만족하지 못하는 것으로 나타났다.
그러나 단면결손의 정도가 상이함에 따라 온도상승의 기울기 차이를 보였으며, 온도상승율이 가장 높은 시험체는 S65SF5이며, 다음으로 S45SF5>F25SF5>SF5순인 것으로 나타났다.
내화시험 초기에는 동등한 온도이력을 보였으나, 시험시작 약 30분경과 후 S65SF5 시험체의 온도가 급격히 상승하였으며, 40분 경과 후 SF5, F25, S50의 순으로 주철근온도가 완만하게 높아지는 경향을 나타내었다. 특히 고로슬래그를 치환한 S50 시험체의 경우, 내화시험 개시 후 약 30분에서 40분사이 주철근의 온도가 정체되는 현상이 뚜렷하게 나타났다.
한편, 70MPa급 시험체의 육안관찰결과, 폭렬 깊이 및 면적, 철근의 노출상태 등으로 미루어 볼 때 S65SF5 시험체의 폭렬량이 가장 많은 것으로 나타났으며, S45SF5>F25SF5>SF5의 순으로 나타났다. 실리카흄 5%와 고로슬래그를 치환한 S65SF5, S45SF5 시험체를 비교해 본 결과, 고로슬래그의 치환율이 증가할수록 폭렬량이 증가하는 경향을 나타냈다. 이는 Figure 12에 나타낸 바와 같이 실리카흄과 고로슬래그를 함께 사용하는 경우, 고로슬래그의 치환율이 증가할수록 상대적으로 100nm 이상의 큰 공극이 감소하고, 10∼30nm 크기의 미세공극이 증가함에 따라 상대적으로 치밀한 공극구조를 형성하여 폭렬량이 증가하는 것으로 판단된다.
Figure 13은 고강도 콘크리트 시험체의 이면온도 이력을 나타낸 것이다. 최고온도를 기준으로 하는 경우 56MPa급 시험체 중 SF5, F25, S50 시험체가 온도판정조건을 만족하였으며, 70MPa급 시험체의 경우 SF5 시험체만이 온도판정 조건을 만족하였다.
내화시험 초기에는 동등한 온도이력을 보였으나, 시험시작 약 30분경과 후 S65SF5 시험체의 온도가 급격히 상승하였으며, 40분 경과 후 SF5, F25, S50의 순으로 주철근온도가 완만하게 높아지는 경향을 나타내었다. 특히 고로슬래그를 치환한 S50 시험체의 경우, 내화시험 개시 후 약 30분에서 40분사이 주철근의 온도가 정체되는 현상이 뚜렷하게 나타났다. 이는 콘크리트의 표면부로부터 밀려들어온 시험체내 결합수가 액상에서 수증기로 기화하면서 생기는 잠열에 의한 현상인 것으로 판단된다.
플라이애시를 25% 치환한 F25 시험체의 압축강도는 약 70MPa 로 가장 높은 것으로 나타났으며, 다음으로 SF5>S65SF5>S50 순인 것으로 나타났다.
82%의 수분을 포함하고 있는 것으로 나타났다. 한편, 70MPa급 시험체의 경우 최대 3.41%, 최소 2.71%인 것으로 나타났으며, 평균적으로 3.12%의 수분을 포함하고 있는 것으로 나타나 56MPa급 시험체와 0.7%의 함수율 차이를 보였다.
한편, 70MPa급 시험체의 육안관찰결과, 폭렬 깊이 및 면적, 철근의 노출상태 등으로 미루어 볼 때 S65SF5 시험체의 폭렬량이 가장 많은 것으로 나타났으며, S45SF5>F25SF5>SF5의 순으로 나타났다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
폭렬현상로 인한 문제점을 해결하기 위한 방안을 위한 연구는 어떤것들이 진행되었는가?
폭렬현상은 부재 단면에 심각한 단면결손을 초래하게 되고, 철근이 노출되는 등 구조물의 내력저하에 치명적인 문제점을 유발하게 된다[1]. 이에 따라 선행 연구자들은 고강도 콘크리트의 내화성능 확보를 위해 콘크리트 배합 시 폴리프로필렌섬유 또는 강섬유 등을 혼입한 섬유 혼입공법이나, 내화보드 및 판넬, 뿜칠 등을 적용한 내화피복 공법에 관한 다수의 연구[2,3,4]를 진행하였다.
콘크리트의 폭렬현상이 일어나는 원인은 무엇인가?
일반적으로 콘크리트는 압축강도가 증가할수록 조직구조가 밀실해지기 때문에 화재 시 수증기압 증가로 인한 폭렬현상이 발생하기 쉽다. 폭렬현상은 부재 단면에 심각한 단면결손을 초래하게 되고, 철근이 노출되는 등 구조물의 내력저하에 치명적인 문제점을 유발하게 된다[1].
폭렬현상이 미치는 영향은 무엇인가?
일반적으로 콘크리트는 압축강도가 증가할수록 조직구조가 밀실해지기 때문에 화재 시 수증기압 증가로 인한 폭렬현상이 발생하기 쉽다. 폭렬현상은 부재 단면에 심각한 단면결손을 초래하게 되고, 철근이 노출되는 등 구조물의 내력저하에 치명적인 문제점을 유발하게 된다[1]. 이에 따라 선행 연구자들은 고강도 콘크리트의 내화성능 확보를 위해 콘크리트 배합 시 폴리프로필렌섬유 또는 강섬유 등을 혼입한 섬유 혼입공법이나, 내화보드 및 판넬, 뿜칠 등을 적용한 내화피복 공법에 관한 다수의 연구[2,3,4]를 진행하였다.
참고문헌 (11)
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