본 연구는 고온영역에 있어서 PCM의 역학특성의 기초적인 자료를 구축하는 것을 목적으로, 정온가열에 따른 온도별(100, 200, 400, $600^{\circ}C$) 잔존압축강도 특성에 대하여 실험하였다. 화재피해 이후의 특성을 살펴보기 위해 냉간시험을 실시하였으며 그 결과, PCM의 잔존압축강도는 폴리머의 종류에 관계없이 모두 감소하는 경향이 나타났다. 또한 함유량이 많을수록 $400^{\circ}C$의 고온영역부터 크게 감소하는 특성을 보였으며, PAE가 함유된 시험체가 EVA가 함유된 시험체보다 압축강도 기울기가 크게 나타나는 것을 확인하였다. 하지만 현재 PCM의 고온에 따른 역학적특성에 관한 연구는 상당히 미흡하기 때문에 본 연구와 더불어 보수방법 등에 대한 기초적인 연구가 반드시 선행되어야 할 것으로 판단된다.
본 연구는 고온영역에 있어서 PCM의 역학특성의 기초적인 자료를 구축하는 것을 목적으로, 정온가열에 따른 온도별(100, 200, 400, $600^{\circ}C$) 잔존압축강도 특성에 대하여 실험하였다. 화재피해 이후의 특성을 살펴보기 위해 냉간시험을 실시하였으며 그 결과, PCM의 잔존압축강도는 폴리머의 종류에 관계없이 모두 감소하는 경향이 나타났다. 또한 함유량이 많을수록 $400^{\circ}C$의 고온영역부터 크게 감소하는 특성을 보였으며, PAE가 함유된 시험체가 EVA가 함유된 시험체보다 압축강도 기울기가 크게 나타나는 것을 확인하였다. 하지만 현재 PCM의 고온에 따른 역학적특성에 관한 연구는 상당히 미흡하기 때문에 본 연구와 더불어 보수방법 등에 대한 기초적인 연구가 반드시 선행되어야 할 것으로 판단된다.
The Purpose of this study was to establish the basic data on the mechanical properties of PCM in the high temperature range. To this end, an experiment was conducted on the characteristics of the residual compressive strength by temperature (100, 200, 400 and $600^{\circ}C$) with a fixed ...
The Purpose of this study was to establish the basic data on the mechanical properties of PCM in the high temperature range. To this end, an experiment was conducted on the characteristics of the residual compressive strength by temperature (100, 200, 400 and $600^{\circ}C$) with a fixed temperature heating. An after heating test was performed to investigate the properties after fire damage. The result showed that the residual compressive strength of PCM had a tendency to decrease, regardless of the type of polymer. It was also found that when the contents were low, the residual compressive strength started to greatly decrease from the high temperature range of $400^{\circ}C$, and that the specimen containing PAE showed a steeper slope than the specimen containing EVA. However, since little studies have been conducted on the mechanical properties of PCM with the high temperature, it is considered that, in addition to this study, basic studies must be preceded, including studies on the repairing methods.
The Purpose of this study was to establish the basic data on the mechanical properties of PCM in the high temperature range. To this end, an experiment was conducted on the characteristics of the residual compressive strength by temperature (100, 200, 400 and $600^{\circ}C$) with a fixed temperature heating. An after heating test was performed to investigate the properties after fire damage. The result showed that the residual compressive strength of PCM had a tendency to decrease, regardless of the type of polymer. It was also found that when the contents were low, the residual compressive strength started to greatly decrease from the high temperature range of $400^{\circ}C$, and that the specimen containing PAE showed a steeper slope than the specimen containing EVA. However, since little studies have been conducted on the mechanical properties of PCM with the high temperature, it is considered that, in addition to this study, basic studies must be preceded, including studies on the repairing methods.
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문제 정의
따라서 온도별 PCM의 역학적 특성을 반드시 확인할 필요가 있기 때문에 본 연구에서는 온도별 폴리머종류 및 함유량에 따른 PCM의 역학특성 중 잔존압축강도 특성에 대하여 실험적으로 분석하고, 국외기준 등과의 비교를 통해 기초적인 데이터를 확보하는 것을 목적으로 한다.
PCM재료의 역학적특성은 잔존압축강도, 정적탄성계수, 부착강도 등 다양한 특성이 존재하지만 화재시 RC구조물의 내력저하를 중점으로 잔존압축강도비에 대한 결과만을 고찰한다. 또한 고온환경에서 실험은 화재 발생 당시의 상황을 모사한 열간(during heating)시험과 화재 후 보수에 필요한 기초데이터 축적을 위한 냉간(after heating)시험으로 진행되고 있으나, 본 연구는 화재피해를 입은 콘크리트의 보수보강재료의 사용여부에 따른 화재시 온도별 평가를 위해 냉간시험을 선택하여 진행하였다.
예열로의 내부에 위치한 시험체별 폴리머 종류 및 함유량에 따라 시험체 내부로 전달되는 열이 다르게 분포될 수 있기 때문에 교정시험(Calibration test)을 실시한다. 본 실험은 정온열전달에 의한 PCM의 잔존압축강도를 측정하는 것을 목적으로 반드시 시험체 내부의 세부적인 평가가 필요하다.
본 연구는 고온영역에 있어서 PCM의 역학특성의 기초적인 자료를 구축하는 것을 목적으로, 정온가열에 따른 온도별(100, 200, 400, 600℃) 잔존압축강도 특성에 대하여 실험하였다. 화재피해 이후의 특성을 살펴보기 위해 냉간시험을 실시하였으며 그 결과, PCM의 잔존압축강도는 폴리머의 종류에 관계없이 모두 감소하는 경향이 나타났다.
일반적인 예상으로 가능하지만, 각 온도영역에서의 감소정도가 어느 정도인지에 대한 연구는 상당히 미흡한 수준이다. 본 연구는 이러한 측면에서 PCM의 고온영역에서의 기초적인 압축강도비에 대한 자료를 고찰할 수 있었다. 이에 대한 구체적인 내용에 대하여 다음과 같이 설명할 수 있다.
본 연구에서는 온도별 폴리머종류 및 함유량에 따른 잔존압축강도비에 대하여 고찰하였다. PCM재료의 역학적특성은 잔존압축강도, 정적탄성계수, 부착강도 등 다양한 특성이 존재하지만 화재시 RC구조물의 내력저하를 중점으로 잔존압축강도비에 대한 결과만을 고찰한다.
Figure 1은 시험체 내부의 열전대위치 및 교정시험을 실시한 사진을 나타낸 것이다. 시험체의 목표가열온도는 100, 200, 400, 600℃로 설정하고, 온도상승속도는 100℃/h 로 목표가열온도에 도달 후 2시간 동안 가열온도를 유지시키는 것을 목적으로 하였다. 열전대는 K형 열전대를 설치하였으며, 시험체의 중심에 위치하도록 타설하였다.
제안 방법
본 연구에서는 온도별 폴리머종류 및 함유량에 따른 잔존압축강도비에 대하여 고찰하였다. PCM재료의 역학적특성은 잔존압축강도, 정적탄성계수, 부착강도 등 다양한 특성이 존재하지만 화재시 RC구조물의 내력저하를 중점으로 잔존압축강도비에 대한 결과만을 고찰한다. 또한 고온환경에서 실험은 화재 발생 당시의 상황을 모사한 열간(during heating)시험과 화재 후 보수에 필요한 기초데이터 축적을 위한 냉간(after heating)시험으로 진행되고 있으나, 본 연구는 화재피해를 입은 콘크리트의 보수보강재료의 사용여부에 따른 화재시 온도별 평가를 위해 냉간시험을 선택하여 진행하였다.
5mm 이하의 건조모래를 사용하였다. Table 2는 시멘트 혼화용 폴리머의 특성값을 나타낸 것으로서, 시멘트 혼화용 폴리머는 Ethylene Vinyl Acetate (EVA), Poly Acrylic Ester(PAE)를 사용하였고, W/B를 40%로 설계하고, 폴리머의 량을 질량비로 치환하여 배합하였다.
압축강도시험은(100ton, UTM test) KS F 2426(주입 모르타르의 압축강도 시험방법)에 의거하여 진행하였으며, 냉간시험을 수행하기 위해 각 온도수준마다 3개의 시험에 대한 결과를 분석하였다. 각각의 시험체는 가열종료 후 예 열로 내부에서 1일간 서서히 냉각시켜 압축강도를 측정했다. 압축강도의 결과는 상온(20℃)의 결과를 기준으로 온도 영역별 잔존압축강도비를 계산하여 비교분석하였다.
[14]의 연구를 살펴보면 1시간 온도상승 후 목표수준온도가 2시간이 경과될 경우에 시험체가 안정된다고 보고된 바 있다. 따라서 본 실험에서는 Figure 4와 같이 가열조건을 설정하여, 폴리머 종류 및 함유량에 따른 시험체의 각 목표수준 온도로서 실험을 실시하였다. 또한 각각의 시험체는 각 온도수준마다 3개의 시험체를 동시에 가열하였다.
이와 같은 조건하에 잔존압축강도에 대하여 실험을 실시하여 그 결과를 비교 · 고찰하였다. 또한 가열방법 및 가열시간에 대한 교정(calibration)실험을 통해 실험방법 및 타당성에 대해 검토하였다.
열전대는 K형 열전대를 설치하였으며, 시험체의 중심에 위치하도록 타설하였다. 또한 예열로 내부에서 시험체표면의 온도를 측정하여 표면과 중심부의 온도차에 대한 영향을 검토하였다. 교정시험한 시험체는 Plain과 폴리머 종류별로 함유량 10%의 시험체를 검토하였다.
본 실험은 온도별 노출된 PCM의 잔존압축강도를 측정하는 것으로서 시험체의 배합 및 예열로에서의 가열온도를 실험조건으로서 Table 1에 나타내었다. 이와 같은 조건하에 잔존압축강도에 대하여 실험을 실시하여 그 결과를 비교 · 고찰하였다.
잔존압축강도를 측정하기 위하여 시험체는 예열로 안에서 열전달을 용이하게 하기 위해 ∅50×100mm 의 원통형 시험체로 제작하였다. 시험체의 양생은 3일간 습윤양생 후, 28일간 수중양생하였으며, 수중양생이 끝난 후 4주간 기건 양생(20℃, 60 R.H.)을 실시하였다. 총 양생기간이 끝난 후 가열시험 실시 전까지 함수율을 3%이하로 조절하기 위해 건조기에서 60℃로 시험체를 건조시켰다.
각각의 시험체는 가열종료 후 예 열로 내부에서 1일간 서서히 냉각시켜 압축강도를 측정했다. 압축강도의 결과는 상온(20℃)의 결과를 기준으로 온도 영역별 잔존압축강도비를 계산하여 비교분석하였다.
예열로의 내부에 위치한 시험체별 폴리머 종류 및 함유량에 따라 시험체 내부로 전달되는 열이 다르게 분포될 수 있기 때문에 교정시험(Calibration test)을 실시한다. 본 실험은 정온열전달에 의한 PCM의 잔존압축강도를 측정하는 것을 목적으로 반드시 시험체 내부의 세부적인 평가가 필요하다.
이와 같은 조건하에 잔존압축강도에 대하여 실험을 실시하여 그 결과를 비교 · 고찰하였다.
열간시험의 경우 가열하에 재하를 가하는 방법을 사용하는 연구[13] 및 가열 후 즉시 압축강도측정을 하는 방법[14]등으로 구분되며, 실험방법의 복잡한 순서 및 한계성을 갖는다. 하지만 본 실험은 냉간시험을 목적으로 화재피해 이후의 PCM의 압축강도 저하를 분석하는 것으로서, 정온 열전달에 대한 역학적 특성만을 다룬다.
함수율 조절은 PCM의 재료적 특성에 의한 폭렬 및 폴리머 자체의 성상을 파악하기 위해 시험전 전처리 과정에서 절대건조 상태로 만들어 가열실험을 실시하였다.
대상 데이터
또한 예열로 내부에서 시험체표면의 온도를 측정하여 표면과 중심부의 온도차에 대한 영향을 검토하였다. 교정시험한 시험체는 Plain과 폴리머 종류별로 함유량 10%의 시험체를 검토하였다.
시멘트는 KS L 5201(제1종) 보통 포틀랜드 시멘트를 사용하였으며, 잔골재는 2.5mm 이하의 건조모래를 사용하였다. Table 2는 시멘트 혼화용 폴리머의 특성값을 나타낸 것으로서, 시멘트 혼화용 폴리머는 Ethylene Vinyl Acetate (EVA), Poly Acrylic Ester(PAE)를 사용하였고, W/B를 40%로 설계하고, 폴리머의 량을 질량비로 치환하여 배합하였다.
잔존압축강도를 측정하기 위하여 시험체는 예열로 안에서 열전달을 용이하게 하기 위해 ∅50×100mm 의 원통형 시험체로 제작하였다.
이론/모형
3.2 잔존압축강도
압축강도시험은(100ton, UTM test) KS F 2426(주입 모르타르의 압축강도 시험방법)에 의거하여 진행하였으며, 냉간시험을 수행하기 위해 각 온도수준마다 3개의 시험에 대한 결과를 분석하였다
. 각각의 시험체는 가열종료 후 예 열로 내부에서 1일간 서서히 냉각시켜 압축강도를 측정했다.
성능/효과
1) 고온영역에서 PCM의 잔존압축강도 특성은 폴리머의 종류와 관계없이 감소하는 경향이 나타났다. 폴리머는 함유량에 따라 다르게 분포되며, 상온일 경우 함유량이 5%일 때 보다 10%일 때 압축강도가 증가하는 경향을 보였다.
2) 폴리머 함유량이 일정한 경우, 즉 폴리머 종류가 다른 경우에는 PAE계 폴리머가 함유된 시험체가 EVA가 함유된 시험체보다 압축강도 감소의 기울기가 크게 나타났다. 이는 적은 감소율의 차이지만 아크릴계 유기물이 초산비닐계 유기물보다 산소와 반응하여 연소되기 쉬운 원인으로 내부공극이 증가하여 응력을 부담하는 부분이 적어진 것으로 판단된다.
폴리머는 함유량에 따라 다르게 분포되며, 상온일 경우 함유량이 5%일 때 보다 10%일 때 압축강도가 증가하는 경향을 보였다. 또한 폴리머의 함유량이 많을수록 400℃의 고온영역 부터 크게 감소하는 경향을 보였다.
화재피해 이후의 특성을 살펴보기 위해 냉간시험을 실시하였으며 그 결과, PCM의 잔존압축강도는 폴리머의 종류에 관계없이 모두 감소하는 경향이 나타났다. 또한 함유량이 많을수록 400℃의 고온영역부터 크게 감소하는 특성을 보였으며, PAE가 함유된 시험체가 EVA가 함유된 시험체보다 압축강도 기울기가 크게 나타나는 것을 확인하였다. 하지만 현재 PCM의 고온에 따른 역학적특성에 관한 연구는 상당히 미흡하기 때문에 본 연구와 더불어 보수방법 등에 대한 기초적인 연구가 반드시 선행되어야 할 것으로 판단된다.
일반적으로 무기계의 콘크리트의 경우 설계강도와 관계없이 100℃에서 강도저하가 나타나며, 가열온도 200℃에서 강도 상승 후, 300℃ 부터 강도가 저하되는 경향을 보이고 있다[16]. 반면, 유기계의 PCM의 경우, 잔존압축강도비가 급격히 저하되는 결과가 나타났으며, PAE 및 EVA는 가열온도 600℃에서 약 40%까지 강도저하가 나타났다.
일반적으로 냉간시험을 수행한 압축강도에 대한 문헌[13,14]을 살펴보면, 100℃ 및 200℃영역에서는 상온과 거의 유사하거나 조금 증가한 것을 알 수 있다. 이는 시험체의 수분의 증발에 의한 폴리머의 접착성 증가로 기인할 수 있는 결과이며, 폴리머 함유량에 따라 함유량이 적을수록 400℃의 고온부터 크게 감소하는 것을 알 수 있다. 유기물은 500℃이하에서 용융하기 때문에 400℃ 이상의 고온영역에서는 압축강도를 좌우하는 것은 시멘트 모르타르의 수화물의 영향일 가능성이 높다고 판단된다.
Figure 5는 상온에서 잔존압축강도 측정결과를 나타낸다. 측정결과, Plain의 경우가 30.8 MPa로 가장 높게 측정되었으며, 폴리머 함유량이 5%일 때 낮아지고, 함유량이 10%가 되면 다시 높아지는 경향을 나타냈다. 이는 Bae et al.
1) 고온영역에서 PCM의 잔존압축강도 특성은 폴리머의 종류와 관계없이 감소하는 경향이 나타났다. 폴리머는 함유량에 따라 다르게 분포되며, 상온일 경우 함유량이 5%일 때 보다 10%일 때 압축강도가 증가하는 경향을 보였다. 또한 폴리머의 함유량이 많을수록 400℃의 고온영역 부터 크게 감소하는 경향을 보였다.
본 연구는 고온영역에 있어서 PCM의 역학특성의 기초적인 자료를 구축하는 것을 목적으로, 정온가열에 따른 온도별(100, 200, 400, 600℃) 잔존압축강도 특성에 대하여 실험하였다. 화재피해 이후의 특성을 살펴보기 위해 냉간시험을 실시하였으며 그 결과, PCM의 잔존압축강도는 폴리머의 종류에 관계없이 모두 감소하는 경향이 나타났다. 또한 함유량이 많을수록 400℃의 고온영역부터 크게 감소하는 특성을 보였으며, PAE가 함유된 시험체가 EVA가 함유된 시험체보다 압축강도 기울기가 크게 나타나는 것을 확인하였다.
후속연구
ISO834 곡선 등을 통한 가열곡선에 따른 PCM의 압축강도의 저감에 대한 연구는 비교적 많은 편이지만, 정온가열영역에서의 압축강도의 특성은 기초적인 데이터 구축에 주요한 사례로 판단된다. RC구조물의 내화설계 및 안전진단을 위해서는 반드시 이러한 정온분석을 통한 기초적인 자료를 통해 이루어져야 할 것으로 판단된다.
이러한 결과와 더불어 PCM은 유기계로서, 연소특성에 대한 연구가 필요하며, 더욱이 현재는 구조물의 내력감소를 충분히 견뎌낼 수 있는 강도를 가진 대체물이나 부속첨가물들이 개발되고 있지만, 기본적인 배합비에서부터 정온가열 온도, 가열방법, 시험방법의 정립 등이 필요하다. 이에 대한 내용을 면밀히 파악하기 위해서는 표준화 작업이 병행되어야 할 것으로 판단되며, 현재 시험방법 조차 제시된 것이 없어 향후 어떤 방법을 적용해 보수할 것인지에 대한 연구가 선행되어야 할 것으로 판단된다.
이러한 결과와 더불어 PCM은 유기계로서, 연소특성에 대한 연구가 필요하며, 더욱이 현재는 구조물의 내력감소를 충분히 견뎌낼 수 있는 강도를 가진 대체물이나 부속첨가물들이 개발되고 있지만, 기본적인 배합비에서부터 정온가열 온도, 가열방법, 시험방법의 정립 등이 필요하다. 이에 대한 내용을 면밀히 파악하기 위해서는 표준화 작업이 병행되어야 할 것으로 판단되며, 현재 시험방법 조차 제시된 것이 없어 향후 어떤 방법을 적용해 보수할 것인지에 대한 연구가 선행되어야 할 것으로 판단된다.
또한 함유량이 많을수록 400℃의 고온영역부터 크게 감소하는 특성을 보였으며, PAE가 함유된 시험체가 EVA가 함유된 시험체보다 압축강도 기울기가 크게 나타나는 것을 확인하였다. 하지만 현재 PCM의 고온에 따른 역학적특성에 관한 연구는 상당히 미흡하기 때문에 본 연구와 더불어 보수방법 등에 대한 기초적인 연구가 반드시 선행되어야 할 것으로 판단된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
시멘트 모르타르에 비교하여 PCM의 장점은 무엇인가?
이와 같이 화재피해 및 열화된 RC구조물에 있어서는 표면피복공법, 균열주입공법, 단면수복공법 등으로 보수를 실시[6]하고, 보수재료로서 폴리머 시멘트 모르타르(PCM)가 대부분 사용되고 있다. PCM은 보통 시멘트 모르타르에 비해 접착성, 치밀성, 내약품성, 시공성 등이 우수하기 때문에 보수 · 보강에 있어서는 불가결한 재료로서 인식되고 있다[7,8].
RC구조물이 화재피해를 입은경우 보수공법과 재료는 무엇이 있는가?
이는 신축공사를 하는 경우보다 경제적인 효과가 증대되기 때문에 화재피해 입은 RC구조물의 정량적인 안전진단을 통한 면밀한 검토는 반드시 필요할 것으로 판단된다. 이와 같이 화재피해 및 열화된 RC구조물에 있어서는 표면피복공법, 균열주입공법, 단면수복공법 등으로 보수를 실시[6]하고, 보수재료로서 폴리머 시멘트 모르타르(PCM)가 대부분 사용되고 있다. PCM은 보통 시멘트 모르타르에 비해 접착성, 치밀성, 내약품성, 시공성 등이 우수하기 때문에 보수 · 보강에 있어서는 불가결한 재료로서 인식되고 있다[7,8].
폴리머 함유량이 일정한 경우 폴리머의 종류에 따라서도 강도차가 나타난다. PAE계 폴리머가 함유된 시험체가 EVA가 함유된 시험체보다 압축강도비 감소가 두드러지며, 이는 아크릴계 유기물이 초산비닐계 유기물보다 산소와 반응하여 연소되기 쉬운 결과로 판단된다. 이로 인해 시험체 내부공극이 증가하여 응력을 부담하는 부분이 적어진 것으로 사료된다.
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