본 연구는 섬유를 혼입한 고강도 콘크리트의 온도 변화에 따른 내화특성 분석에 관한 연구로 고강도 콘크리트에 고온이 가해질 경우 발생되는 폭렬현상에 대하여 방지효과가 있는 것으로 알려져 있는 하이브리드섬유와 강섬유를 함께 혼입하여 만든 복합섬유를 사용하여 온도 변화($100{\sim}800^{\circ}C$)에 따른 고강도 콘크리트의 내화특성 및 역학적 메커니즘을 분석하였다. 또한 본 논문에서는 고강도 콘크리트 구조물에서 가장 문제가 되는 폭렬현상을 막는 대책 중의 하나인 섬유 혼입을 통한 방법을 사용하여 SEM 및 XRD 분석 등의 방법으로 고온을 받은 고강도 콘크리트의 열적 특성 및 역학적 특성을 규명하고자 하였다.
본 연구는 섬유를 혼입한 고강도 콘크리트의 온도 변화에 따른 내화특성 분석에 관한 연구로 고강도 콘크리트에 고온이 가해질 경우 발생되는 폭렬현상에 대하여 방지효과가 있는 것으로 알려져 있는 하이브리드섬유와 강섬유를 함께 혼입하여 만든 복합섬유를 사용하여 온도 변화($100{\sim}800^{\circ}C$)에 따른 고강도 콘크리트의 내화특성 및 역학적 메커니즘을 분석하였다. 또한 본 논문에서는 고강도 콘크리트 구조물에서 가장 문제가 되는 폭렬현상을 막는 대책 중의 하나인 섬유 혼입을 통한 방법을 사용하여 SEM 및 XRD 분석 등의 방법으로 고온을 받은 고강도 콘크리트의 열적 특성 및 역학적 특성을 규명하고자 하였다.
The objective of the present study is to investigate how elevated temperature ranging from $100^{\circ}C$ to $800^{\circ}C$ as well as room temperature affects the variation of mechanical properties of high strength concrete ($over\;f_{ck}=60MPa\;grade$). In this exp...
The objective of the present study is to investigate how elevated temperature ranging from $100^{\circ}C$ to $800^{\circ}C$ as well as room temperature affects the variation of mechanical properties of high strength concrete ($over\;f_{ck}=60MPa\;grade$). In this experiment, specimens were exposed for a period of $2^{\circ}C/min$ to temperatures of $20^{\circ}C$, $100^{\circ}C$, $200^{\circ}C$, $300^{\circ}C$$400^{\circ}C$, $500^{\circ}C$, $600^{\circ}C$, $700^{\circ}C$ and $800^{\circ}C$, respectively. Accordingly, the study investigated the fire resistance performance of high strength concrete mixed with composite fibers which composed with hybrid fibers and steel fibers. After cooling down to ambient temperature, the following basic mechanical properties were then evaluated and compared with reference values obtained prior to thermal exposure: (i) compressive strength in room temperature; (ii) residual compressive strength; (iii) Poisson's ratio; (iv) weight change; (v) SEM analysis & XRD analysis In addition, XRD and SEM Images analyses were performed to investigate chemical and physical characteristics of high strength concrete with composite fibers according to high temperature.
The objective of the present study is to investigate how elevated temperature ranging from $100^{\circ}C$ to $800^{\circ}C$ as well as room temperature affects the variation of mechanical properties of high strength concrete ($over\;f_{ck}=60MPa\;grade$). In this experiment, specimens were exposed for a period of $2^{\circ}C/min$ to temperatures of $20^{\circ}C$, $100^{\circ}C$, $200^{\circ}C$, $300^{\circ}C$$400^{\circ}C$, $500^{\circ}C$, $600^{\circ}C$, $700^{\circ}C$ and $800^{\circ}C$, respectively. Accordingly, the study investigated the fire resistance performance of high strength concrete mixed with composite fibers which composed with hybrid fibers and steel fibers. After cooling down to ambient temperature, the following basic mechanical properties were then evaluated and compared with reference values obtained prior to thermal exposure: (i) compressive strength in room temperature; (ii) residual compressive strength; (iii) Poisson's ratio; (iv) weight change; (v) SEM analysis & XRD analysis In addition, XRD and SEM Images analyses were performed to investigate chemical and physical characteristics of high strength concrete with composite fibers according to high temperature.
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문제 정의
이 두 섬유는 단일 섬유로 사용하였을 때도 폭렬방지에 효과적이지만 두 섬유를 함께 혼입하여 사용할 경우 단일로 사용할 때보다 낮은 혼입률에서 폭렬이 방지되는 연구결과가 있다. 따라서 본 연구에서는 복합섬유를 폭렬방지를 위해 사용하고 이에 더해 콘크리트의 휨강도 및 휨인성 등의 증진에 효과가 있는 강섬유를 추가로 혼입하여 고강도 콘크리트의 고온가열 시 특성변화에 대한 연구를 진행하고자 한다.
본 연구에서는 섬유가 혼입된 60 MPa급 고강도 콘크리트의 고온 가열 시 콘크리트의 역학적 특성변화에 대해 조사하였다. 실험에 사용한 콘크리트 배합비는 Table 1과 같다.
본 연구에서는 하이브리드 섬유와 강섬유를 혼입한 고강도 콘크리트의 내화실험 후의 열적, 역학적 특성에 대한 연구를 진행하였으며 실험결과를 통해 다음과 같은 결론을 얻었다.
선행논문들의 분석 결과, 단일로 섬유를 사용하였을 때보다 복합섬유를 사용하였을 때 폭렬방지 및 내화성능 향상에 효과적인 결과를 나타내었다. 이에 본 연구에서는 기존에 폭렬방지에 효과적이라고 알려진 PP섬유, NY섬유와 콘크리트의 휨성능을 향상시키고 PP섬유와 함께 사용할 때 열특성을 향상시킬 수 있는 강섬유를 함께 혼입하여 성능 향상과 고온을 받은 고강도 콘크리트의 성능 예측을 위한 기초자료로 활용하고자 한다.
고강도 콘크리트를 사용한 건물에 화재가 발생하면 콘크리트 표면에 균열, 박리 등이 발생하며 심한 경우 폭렬(spalling)현상이 발생한다. 이와 관련하여 본 연구에서는 고강도 콘크리트의 폭렬을 방지하는 방법 중의 하나인 콘크리트 내부에 섬유를 혼입하는 방법에 대한 연구를 진행하려 한다. 섬유를 혼입하여 폭렬을 방지하는 방법에 대한 연구는 국내·외에서 많은 연구가 진행되고 있다(Kodur and Sultan, 2003; Behnood and Ghandehari, 2009; Han et al.
제안 방법
SEM분석에는 Photo 1과 같은 J사의 JSM-6500F을 사용하였는데 각 온도별 냉간상태에서 고강도콘크리트의 미세구조관찰을 위해 사용하였다. XRD분석에는 Photo 2와 같은 R사의 SWXD(X-MAX/2000-PC)를 사용하였는데 고온가열 후 고강도콘크리트의 성분을 분석하기 위해 사용하였다.
SEM분석은 내화실험 후 충분히 식힌 공시체를 압축강도 시험한 후 공시체를 샘플링하여 각 온도별로 x100, x500 배율로 공시체 단면을 촬영하였다. SEM분석을 통해서 섬유가 고온에서 녹으며 수분이 이동할 수 있는 통로 역할을 하는지 검토하였다.
SEM분석은 내화실험 후 충분히 식힌 공시체를 압축강도 시험한 후 공시체를 샘플링하여 각 온도별로 x100, x500 배율로 공시체 단면을 촬영하였다. SEM분석을 통해서 섬유가 고온에서 녹으며 수분이 이동할 수 있는 통로 역할을 하는지 검토하였다.
SEM분석에는 Photo 1과 같은 J사의 JSM-6500F을 사용하였는데 각 온도별 냉간상태에서 고강도콘크리트의 미세구조관찰을 위해 사용하였다. XRD분석에는 Photo 2와 같은 R사의 SWXD(X-MAX/2000-PC)를 사용하였는데 고온가열 후 고강도콘크리트의 성분을 분석하기 위해 사용하였다.
내화실험에는 전기로를 사용하여 공시체를 가열하였다. 내화실험은 100~800℃까지 100℃ 간격으로 8개의 온도변수를 설정하여 승온온도 2℃/분으로 가열하여 목표온도에 도달하면 1시간동안 해당 온도를 유지한 후 실험을 종료하였다.
내화실험에는 전기로를 사용하여 공시체를 가열하였다. 내화실험은 100~800℃까지 100℃ 간격으로 8개의 온도변수를 설정하여 승온온도 2℃/분으로 가열하여 목표온도에 도달하면 1시간동안 해당 온도를 유지한 후 실험을 종료하였다.
M)를 사용하였고, 실험값은 공시체 3개의 평균 값을 사용하나 10%를 초과하는 값은 제하고 평균하여 측정하였다. 또한 내화실험 전 공시체의 질량과 내화실험 후의 질량을 측정하여 공시체의 질량변화를 측정하였다.
% 2가지로 하여 실험을 진행하였다. 또한 섬유혼입으로 인한 유동성 저하를 보완하기 위해 폴리카본산계 고성능 감수제를 사용하였다. 실험은 굳지 않은 콘크리트에 대해서는 슬럼프 플로우 실험, 경화된 콘크리트는 7일, 28일 압축강도를 측정하였고, 고온 가열을 받은 콘크리트의 특성을 분석하기 위해 100℃부터 800℃까지 100℃ 간격으로 8가지 온도변수로 가열한 후 잔존압축강도, 시험체 질량변화를 측정하였다.
또한 섬유혼입으로 인한 유동성 저하를 보완하기 위해 폴리카본산계 고성능 감수제를 사용하였다. 실험은 굳지 않은 콘크리트에 대해서는 슬럼프 플로우 실험, 경화된 콘크리트는 7일, 28일 압축강도를 측정하였고, 고온 가열을 받은 콘크리트의 특성을 분석하기 위해 100℃부터 800℃까지 100℃ 간격으로 8가지 온도변수로 가열한 후 잔존압축강도, 시험체 질량변화를 측정하였다. 실험에 필요한 100x200 mm 원형 공시체는 각 온도 당 3개씩 제작하였으며 실험사항은 Table 2에 나타내었다.
압축강도 시험용 공시체는 100x200 mm의 원주형 공시체를 사용하였으며 모든 공시체는 24시간 후 탈형하고, 양생수조에서 압축시험 하루 전까지 수중양생시켰다. 압축강도시험은 금오공과대학교 구조연구실에 설치된 980 kN용량의 만능 시험기(U.T.M)를 사용하였고, 실험값은 공시체 3개의 평균 값을 사용하나 10%를 초과하는 값은 제하고 평균하여 측정하였다. 또한 내화실험 전 공시체의 질량과 내화실험 후의 질량을 측정하여 공시체의 질량변화를 측정하였다.
대상 데이터
W/B ratio는 26%, 실리카흄을 시멘트 대비 10%로 사용하였다. 또한 폭렬을 방지하기 위해 PP섬유와 NY섬유를 1:1 비율로 혼합한 하이브리드 섬유와 강섬유를 사용하였다. 강섬유 혼입률은 0.
실험에 사용한 섬유는 PP섬유와 NY섬유가 1:1 비율로 혼합된 하이브리드 섬유와 강섬유 총 3가지로 각 섬유의 특성은 아래 Table 5에 나타내었다.
실험에 사용한 시멘트와 골재의 물리적 성질은 Table 3, 4와 같으며, 시멘트는 국내 S사에서 생산된 1종 보통 포틀랜드 시멘트를 사용하였으며, 굵은 골재는 최대치수 20 mm인 것, 잔골재는 낙동강 하천사 입도 2.82의 것을 사용하였다.
실험은 굳지 않은 콘크리트에 대해서는 슬럼프 플로우 실험, 경화된 콘크리트는 7일, 28일 압축강도를 측정하였고, 고온 가열을 받은 콘크리트의 특성을 분석하기 위해 100℃부터 800℃까지 100℃ 간격으로 8가지 온도변수로 가열한 후 잔존압축강도, 시험체 질량변화를 측정하였다. 실험에 필요한 100x200 mm 원형 공시체는 각 온도 당 3개씩 제작하였으며 실험사항은 Table 2에 나타내었다.
압축강도 시험용 공시체는 100x200 mm의 원주형 공시체를 사용하였으며 모든 공시체는 24시간 후 탈형하고, 양생수조에서 압축시험 하루 전까지 수중양생시켰다. 압축강도시험은 금오공과대학교 구조연구실에 설치된 980 kN용량의 만능 시험기(U.
데이터처리
SEM분석의 배율은 x100, x500을 사용하였으며 시료를 백금코팅하여 분석하였다. XRD 분석은 2θ/θ모드로 10~90범위로 분석하였으며, 그 외 분석조건은 Table 6과 같다.
성능/효과
(1) 고온 가열에 따른 고강도 콘크리트의 압축강도를 살펴보면 100℃부분에서는 상온보다 강도가 약간 상승하였고 그 이후에는 대체로 강도가 감소하는 경향을 나타냈으며 이는 선행 참고문헌의 고강도 콘크리트 냉간실험과 유사한 결과를 보였다. 그러나 300℃에서는 200℃보다 강도가 약간 상승한 것을 확인할 수 있었는데 이는 선행논문과 다소 다른 결과로, 이에 대한 추가적인 연구가 필요할 것으로 판단된다.
(2) 폭렬을 방지할 수 있는 섬유 혼입률 이상을 혼입할 때는 혼입률의 증가에 따른 잔존압축강도 차이는 크게 나타나지 않는 것을 확인할 수 있었다.
(3) 포아송비 측정 결과 400℃ 이상 가열 후에는 포아송비 값이 0에 가깝거나 아예 측정되지 않았는데 이러한 관점으로 비추어 볼 때 400℃ 이상 고온을 받은 고강도 콘크리트는 이때부터 콘크리트의 특성을 잃은 것으로 판단할 수 있었다.
(4) SEM 분석결과 고온에서 섬유가 녹으면서 수분이 빠져나가는 통로(path)역할을 하는 것을 확인할 수 있었다. 200℃ 와 300℃의 SEM분석사진을 살펴보면 섬유의 용융점을넘는 온도임에도 해당 섬유가 녹지 않은 것을 관찰 할 수있는데, 이에 대한 원인은 목표온도에서 1시간 유지하는 것으로 공시체 중심까지 동일한 온도에 도달하지 못한 것이거나, 선행논문에서 나타난 PP섬유와 강섬유를 함께 사용할 때 PP섬유만을 사용한 경우보다 낮은 온도분포를 보이는 것 때문인 것으로 판단된다.
(5) XRD 분석결과 에트린자이트의 양이 300℃까지는 상온과 비슷한 양을 나타냈으나 400℃이후부터는 급격히 감소하는 것을 확인할 수 있었다.
15 vol% 혼입한 경우 전 수준에서 폭렬이 발생하였지만 PP 및 NY섬유는 형태의 유지 또는 박리폭렬 정도를 나타내었다. 0.25vol% 혼입한 경우에는 PE섬유는 폭렬로 인해 완파, PP섬유는 박리폭렬, NY섬유는 폭렬이 발생하지 않았다. 혼입률이 증가할수록 표면 50 mm에서의 압력이 크게 측정되었는데 기존연구와는 다른 경향으로 섬유의 혼입이 수증기포화점을 내부로 이동시키는 역할을 하는 것으로 추정되었는데 섬유의 초기 용융 및 기화에 따른 상세분석을 통해 폭렬특성을 평가하는 것이 필요할 것으로 판단하였다.
(2001)은 가열, 냉각과정을 통해 강섬유를 혼입한 고강도 콘크리트의 특성에 대해 분석하였다. 강섬유를 혼입한 콘크리트는 모든 온도에서 연성적인 거동을 보였으며, 200℃에서는 상온보다 높은 잔존압축강도 값을 나타내었다. 이후 300℃를 제외하고는 냉각 후 일정한 압축강도를 회복하였는데 온도에 따라 차이가 있었으나 500~600℃에서 20%로 가장 큰 회복을 보였다.
PP섬유를 일정 이상 혼입할 경우 폭렬을 방지할 수 있었으며 그 외의 경우 30분 이내에 폭렬이 발생하였다. 또한 PP섬유만을 혼입한 실험체보다 PP섬유와 강섬유를 함께 혼입한 실험체가 낮은 온도분포를 보여주었으며, 각 실험체간의 온도편차가 크지 않고 일정하게 유지되었다. Han et al.
기존 연구 분석결과 60 MPa부터 100 MPa이상까지 여러 강도의 콘크리트에 대한 내화특성연구가 진행되었고, 주로 섬유혼입을 통해 폭렬을 방지하고자 하였다. 선행논문들의 분석 결과, 단일로 섬유를 사용하였을 때보다 복합섬유를 사용하였을 때 폭렬방지 및 내화성능 향상에 효과적인 결과를 나타내었다. 이에 본 연구에서는 기존에 폭렬방지에 효과적이라고 알려진 PP섬유, NY섬유와 콘크리트의 휨성능을 향상시키고 PP섬유와 함께 사용할 때 열특성을 향상시킬 수 있는 강섬유를 함께 혼입하여 성능 향상과 고온을 받은 고강도 콘크리트의 성능 예측을 위한 기초자료로 활용하고자 한다.
(2012)은 초고강도 콘크리트를 대상으로 수증기 팽창압 및 폭렬성상을 평가하였다. 실험결과 0.15 vol% 혼입한 경우 전 수준에서 폭렬이 발생하였지만 PP 및 NY섬유는 형태의 유지 또는 박리폭렬 정도를 나타내었다. 0.
Photo 8은 섬유혼입률과 가열온도에 따른 SEM촬영 사진을 나타낸 것으로 400℃까지는 크게 구별되는 차이점이 발생 하지 않았으나, 500℃부터 미세한 균열이 발생하기 시작하였으며, 이후에는 작은 알갱이로 나눠지는 모습을 나타내었다. 온도에 따른 차이는 발생하였으나 2가지 섬유혼입률 모두 폭렬이 발생하지 않았기에 혼입률에 의한 SEM분석의 차이는 거의 없는 것으로 나타났다.
Table 8는 가열 전과 후의 공시체 질량변화를 나타낸 것으로 실험 전 질량대비 질량변화율을 퍼센트로 나타내었다. 이를 통해 가열과정에서 발생하는 표면 박리, 수분증발, 섬유의 용융 등으로 인한 감소량을 확인할 수 있었다. 또한 Fig.
200℃ 와 300℃의 SEM분석사진을 살펴보면 섬유의 용융점을넘는 온도임에도 해당 섬유가 녹지 않은 것을 관찰 할 수있는데, 이에 대한 원인은 목표온도에서 1시간 유지하는 것으로 공시체 중심까지 동일한 온도에 도달하지 못한 것이거나, 선행논문에서 나타난 PP섬유와 강섬유를 함께 사용할 때 PP섬유만을 사용한 경우보다 낮은 온도분포를 보이는 것 때문인 것으로 판단된다. 이후 500℃부터는 미세한 균열이 보이기 시작했으며 온도가 증가할수록 작은 알갱이로 나누어지는 것을 확인할 수 있었다.
4는 수치를 시각적으로 나타내기 위한 그래프로 각 온도별 공시체를 3개씩 배치하였으며 혼입률에 따라 실험 전 공시체 질량 대비 질량변화로 나타내었다. 질량감소율은 200℃와 300℃ 사이에서 가장 크게 증가하였으며 이후로는 감소율이 점점 낮아지다가 600℃부터는 질량감소율이 거의 일정해졌다. 일반 콘크리트에서는 100℃와 200℃에서 공시체 내부의 수분이 빠져나가지만 고강도 콘크리트의 경우 밀실한 구조로 인해 수분이 잘 빠져나가지 못한다.
600℃이후에서는 모든 콘크리트에서 급격한 강도저하가 나타났으며 PP섬유를 혼입한 경우에 감소량이 적게 나타났다. 쪼갬인장강도는 압축강도보다 온도에더 민감하게 반응하였는데, 200℃이상에서 PP섬유의 혼입은 쪼갬인장강도보다 압축강도 유지에 더 효과적인 것으로 나타났으며, 3가지 섬유혼입률 중 2 kg/m3이 가장 효과적인 것으로 나타났다.
3 내에 값을 얻을 수 없었다. 특히 고강도 콘크리트의 경우 일반적으로 300℃이상의 고온에 노출되면 재료적 성질이 변하는데 본 연구에서는 500℃까지 가열된 상태에서 고강도 콘크리트의 포아송비는 제대로 나타났으나 그 이후로는 포아송비가 급격히 감소하는 현상을 실험을 통해 확인할 수 있었다.
이후 300℃를 제외하고는 냉각 후 일정한 압축강도를 회복하였는데 온도에 따라 차이가 있었으나 500~600℃에서 20%로 가장 큰 회복을 보였다. 폭렬은 모든 공시체에서 발생하지 않았으며, 강섬유가 실험 중공시체 일부가 탈락하는 현상을 저감시켜주는 모습이 나타났다. 이러한 결과로, 강섬유 혼입이 폭렬을 지연시키는 방법이될 수 있겠으나, 실물크기의 실험을 통한 체크가 필요할 것으로 판단하였다.
후속연구
(1) 고온 가열에 따른 고강도 콘크리트의 압축강도를 살펴보면 100℃부분에서는 상온보다 강도가 약간 상승하였고 그 이후에는 대체로 강도가 감소하는 경향을 나타냈으며 이는 선행 참고문헌의 고강도 콘크리트 냉간실험과 유사한 결과를 보였다. 그러나 300℃에서는 200℃보다 강도가 약간 상승한 것을 확인할 수 있었는데 이는 선행논문과 다소 다른 결과로, 이에 대한 추가적인 연구가 필요할 것으로 판단된다.
폭렬은 모든 공시체에서 발생하지 않았으며, 강섬유가 실험 중공시체 일부가 탈락하는 현상을 저감시켜주는 모습이 나타났다. 이러한 결과로, 강섬유 혼입이 폭렬을 지연시키는 방법이될 수 있겠으나, 실물크기의 실험을 통한 체크가 필요할 것으로 판단하였다. Behnood and Ghandehari(2009)은 고온에서의 PP섬유 혼입률에 따른 고강도 콘크리트의 강도특성에 관한 실험을 진행하였다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
콘크리트의 폭렬방지에 효과적인 섬유에는 무엇이 있는가?
, 2014). 많은 섬유들 중 폭렬방지에 효과적인 섬유로는 폴리프로필렌(이하 PP) 섬유와 나일론(이하 NY) 섬유가 있다. 이 두 섬유는 단일 섬유로 사용하였을 때도 폭렬방지에 효과 적이지만 두 섬유를 함께 혼입하여 사용할 경우 단일로 사용할 때보다 낮은 혼입률에서 폭렬이 방지되는 연구결과가 있다.
고강도 콘크리트를 사용한 건물은 화재 발생 시 무엇이 발생하는가?
최근 건축물들이 초고층화, 대형화되는 추세에 따라 고강도 콘크리트의 수요가 증가하고 있는데, 고강도 콘크리트의 사용을 위해 고강도콘크리트의 장점뿐만 아니라 취약한 부분을 개선하는 연구에 대해서도 활발히 진행되고 있다. 고강도 콘크리트를 사용한 건물에 화재가 발생하면 콘크리트 표면에 균열, 박리 등이 발생하며 심한 경우 폭렬(spalling)현상이 발생한다. 이와 관련하여 본 연구에서는 고강도 콘크리트의 폭렬을 방지하는 방법 중의 하나인 콘크리트 내부에 섬유를 혼입하는 방법에 대한 연구를 진행하려 한다.
하이브리드 섬유와 강섬유를 혼입한 고강도 콘크리트의 내화 실험 후의 열적, 역학적 특성에 대한 본 연구에서, SEM 분석 결과 고온에서 섬유가 녹으면서 어떤 역할을 하는 것을 확인할 수 있었는가?
(4) SEM 분석결과 고온에서 섬유가 녹으면서 수분이 빠져나가는 통로(path)역할을 하는 것을 확인할 수 있었다. 200°C 와 300°C의 SEM분석사진을 살펴보면 섬유의 용융점을넘는 온도임에도 해당 섬유가 녹지 않은 것을 관찰 할 수있는데, 이에 대한 원인은 목표온도에서 1시간 유지하는 것으로 공시체 중심까지 동일한 온도에 도달하지 못한 것이거나, 선행논문에서 나타난 PP섬유와 강섬유를 함께 사용할 때 PP섬유만을 사용한 경우보다 낮은 온도분포를 보이는 것 때문인 것으로 판단된다.
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