[논문]재생 PET섬유 보강 고강도 콘크리트 원형기둥의 내화성능

서태석; 공민호; 권해원

doi:10.5345/jkibc.2016.16.6.513

재생 PET섬유 보강 고강도 콘크리트 원형기둥의 내화성능
Fire Resistance Performance of Recycling PET Fiber Reinforced High Strength Concrete Circular Column 원문보기

한국건축시공학회지 = Journal of the Korea Institute of Building Construction, v.16 no.6, 2016년, pp.513 - 518

서태석 (Advanced Material R& D Team, Hyundai Engineering & Construction) , 공민호 (Research & Development Center, Hyundai Engineering) , 권해원 (Research & Development Center, Hyundai Engineering)

초록
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본 연구에서는 PET섬유(혼입율: 0.05vol.%)로 보강된 60MPa 고강도 콘크리트의 내화특성을 검토하였다. 특히 원형 기둥에 대한 내화실험 결과가 아직까지 없기 때문에 콘크리트 원형기둥을 대상으로 내화시험을 실시하였다. 그 결과 PET섬유가 고강도 콘크리트 폭렬 제어에 효과가 있는 것을 확인할 수 있었다. 하지만 피복두께 30mm 시험체에서는 주철근 온도규정을 만족시키지 못하는 것으로 나타났고 피복두께 40mm 시험체에서는 주철근 온도규정을 만족하는 것으로 나타났다. 따라서 내화성능을 만족하기 위해서는 40mm 이상의 피복두께가 필요할 것으로 판단된다.

Abstract ▼ AI-Helper

This study evaluates the fire resistance performance for 60MPa high strength concrete reinforced by recycling polyethylene-terephthalate(PET) fiber(fiber content : 0.05 vol.%). Because there is no fire resistance test results for circular concrete column, a fire resistance test was carried out for circular concrete column specimens. As a result, it was confirmed that PET fiber was effective against the spalling control of high strength concrete. However, the specimen with cover thickness 30mm did not satisfy the temperature standard of main reinforcement, and the specimen with cover thickness 40mm satisfied the temperature standard of main reinforcement. Therefore, more than 40mm cover thickness was demanded for stable fire resistance performance.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

따라서, 본 연구에서는 PET섬유 보강 콘크리트의 내화특성을 검토하기 위하여 60MPa 고강도 철근콘크리트 원형기둥부재를 대상으로, 피복두께 30과 40㎜ 두 가지에 대해 내화시험을 실시하도록 한다. 이를 통해, 미적요소의 부가를 위해 최근 증가하고 있는 건축물 내부 원형 기둥에서의 PET섬유 혼입 공법에 따른 내화 특성을 확인하고, 40MPa 이상인 고강도 콘크리트 적용에 따른 피복두께 10㎜ 저감 규정[15]의 적용 가능성을 본 연구를 통해 확인하도록 한다.
따라서, 본 연구에서는 PET섬유 보강 콘크리트의 내화특성을 검토하기 위하여 60MPa 고강도 철근콘크리트 원형기둥부재를 대상으로, 피복두께 30과 40㎜ 두 가지에 대해 내화시험을 실시하도록 한다. 이를 통해, 미적요소의 부가를 위해 최근 증가하고 있는 건축물 내부 원형 기둥에서의 PET섬유 혼입 공법에 따른 내화 특성을 확인하고, 40MPa 이상인 고강도 콘크리트 적용에 따른 피복두께 10㎜ 저감 규정[15]의 적용 가능성을 본 연구를 통해 확인하도록 한다.

제안 방법

05vol.%를[14] 혼입한 60MPa의 고강도 콘크리트를 사용하였으며, 배합으로 Table 4와 같은 실험요인에 대해 슬럼프 플로, 공기량의 경시변화와 압축강도 테스트를 실시하도록 한다. 슬럼프 플로와 공기량의 경시변화는 30분, 60분, 90분에 대하여 측정하였고, 압축강도는 7일, 14일, 28일에 측정하였다.
PET섬유에 친수성을 부여하고 유동성을 개선시키기 위하여 섬유 표면에 Alkyl Phosphate계의 유제를 코팅하여(Figure 3) 콘크리트와의 부착 능력이 향상되어 콘크리트와 배합 후 흐르지 않고 갇혀 있는 형태를 형성하게 되고, 콘크리트와 정전기적 반발력을 유도하여 유동성을 개선하였다. 사용된 콘크리트는 60MPa 고강도 배합이며, Table 2에 배합에 사용된 재료의 물성을 나타내었다.
본 연구에서는 직경 700㎜의 고강도 콘크리트 원형기둥을 대상으로 3시간 내화시험을 실시하였고, 피복두께별 주철근 온도변화와 내화시험 후의 시험체 외관조사를 실시한 결과, 아래와 같은 결론을 얻었다.
%를[14] 혼입한 60MPa의 고강도 콘크리트를 사용하였으며, 배합으로 Table 4와 같은 실험요인에 대해 슬럼프 플로, 공기량의 경시변화와 압축강도 테스트를 실시하도록 한다. 슬럼프 플로와 공기량의 경시변화는 30분, 60분, 90분에 대하여 측정하였고, 압축강도는 7일, 14일, 28일에 측정하였다.
시험체는 제작 후 3일째 탈형하고 대기양생을 실시하여 총 77일간 양생한 것으로 내화시험 기준에 따라, 방재시험연구원 내화 실험동에서 실시하였고, ISO-834 표준화재 가열곡선을 적용하였으며, 180분간 비재하 내화시험을 실시하여 최고온도 1 109℃에서 실험을 종료하였다.

대상 데이터

본 연구에 사용된 PET섬유의 기초물성은 Table 1과 같으며, 그 제조 공정은 Figure 2에 나타내었다. PET섬유는 폐PET섬유를 수집하여 건조/습윤법을 이용하여 불순물을 제거한 뒤 압쇄 분쇄한 다음 융해하여 방사공정(Figure 2(a))을 거친 후에 후처리(Figure 2(b))를 하게 된다.
PET섬유에 친수성을 부여하고 유동성을 개선시키기 위하여 섬유 표면에 Alkyl Phosphate계의 유제를 코팅하여(Figure 3) 콘크리트와의 부착 능력이 향상되어 콘크리트와 배합 후 흐르지 않고 갇혀 있는 형태를 형성하게 되고, 콘크리트와 정전기적 반발력을 유도하여 유동성을 개선하였다. 사용된 콘크리트는 60MPa 고강도 배합이며, Table 2에 배합에 사용된 재료의 물성을 나타내었다.
실험에 사용된 시험체 형상은 Figure 4와 같으며, 비재하 내화시험을 실시하기 위하여 시험체의 직경 700㎜, 높이 1 500㎜인 원형 기둥으로 2개의 시험체를 제작하였다. 시험체(#1) 는 피복두께를 30㎜로 제작하였고, 시험체(#2)는 피복두께를 40㎜로 제작하였다. 주철근은 8–SHD22–600으로 항복강도 600MPa이며, 띠철근은 HD10@300–SD400으로 항복강도 400MPa의 것을 사용하였다.
실험에 사용된 시험체 형상은 Figure 4와 같으며, 비재하 내화시험을 실시하기 위하여 시험체의 직경 700㎜, 높이 1 500㎜인 원형 기둥으로 2개의 시험체를 제작하였다. 시험체(#1) 는 피복두께를 30㎜로 제작하였고, 시험체(#2)는 피복두께를 40㎜로 제작하였다.
열전대는 동서남북 방향의 4개의 주철근에 설치하였으며 본 실험에 사용된 열전대는 –200∼1 250℃까지 측정가능한 K-type 열전대(thermocouple K-type)를 사용하였다.
주철근은 8–SHD22–600으로 항복강도 600MPa이며, 띠철근은 HD10@300–SD400으로 항복강도 400MPa의 것을 사용하였다.

성능/효과

05vol.% PET섬유를 혼입한 60MPa 고강도 콘크리트의 슬럼프 플로와 공기량의 경시변화 물성은 모두 KS F 4009의 기준을 만족하였고, 재령 28일 압축강도 역시 68.4MPa로 설계기준강도를 만족하였다.
05vol.% PET섬유의 보강으로 모든 시험체에서 폭렬현상이 발생하지 않았지만 피복두께 30㎜에 해당하는 위치에서의 주철근 온도는 기준을 만족시키지 못하는 것으로 나타났으므로 최소 피복두께를 40㎜ 이상 확보하는 것이 필요한 것으로 판단된다.
05vol.% 혼입한 설계기준강도 60MPa 고강도 콘크리트 기둥 부재의 3시간 내화시험 결과를 나타내었다. 피복 두께가 30㎜인 시험체(#1)의 경우(Figure 8(a)) 대략 150분 후에 주철근 평균온도가 545℃로 기준온도(538℃)를 초과하였고, 180분 후에 주철근 최고온도가 656℃로 기준온도(649℃)를 초과하는 것으로 나타났다.
2) 피복 두께가 30㎜인 시험체(#1)의 경우 주철근 평균온도와 최고온도 규정을 만족시키지 못하는 것으로 나타났지만 피복 두께가 40㎜인 시험체(#2)의 경우 주철근 평균온도와 최고온도 규정을 모두 만족한 것으로 나타났으며, 피복두께 10㎜ 증가에 따라 주철근 평균 및 최고 온도가 약 28%감소한 것으로 나타났다.
% 혼입한 설계기준강도 60MPa 고강도 콘크리트 기둥 부재의 3시간 내화시험 결과를 나타내었다. 피복 두께가 30㎜인 시험체(#1)의 경우(Figure 8(a)) 대략 150분 후에 주철근 평균온도가 545℃로 기준온도(538℃)를 초과하였고, 180분 후에 주철근 최고온도가 656℃로 기준온도(649℃)를 초과하는 것으로 나타났다. 피복 두께가 40㎜인 시험체(#2)의 경우(Figure 8(b)) 180분 후에 주철근 평균온도와 최고온도가 각각 465℃와 474℃로 주철근 온도 기준을 충분히 만족하였으며 피복두께가 10㎜ 증가로 주철근 평균 및 최고 온도가 약 28% 정도 감소하는 것으로 나타났다(Figure 9).
피복 두께가 30㎜인 시험체(#1)의 경우(Figure 8(a)) 대략 150분 후에 주철근 평균온도가 545℃로 기준온도(538℃)를 초과하였고, 180분 후에 주철근 최고온도가 656℃로 기준온도(649℃)를 초과하는 것으로 나타났다. 피복 두께가 40㎜인 시험체(#2)의 경우(Figure 8(b)) 180분 후에 주철근 평균온도와 최고온도가 각각 465℃와 474℃로 주철근 온도 기준을 충분히 만족하였으며 피복두께가 10㎜ 증가로 주철근 평균 및 최고 온도가 약 28% 정도 감소하는 것으로 나타났다(Figure 9).
Figure 10에 기존 연구와 본 연구의 주철근 최고온도와 주철근 평균온도와의 관계를 나타내었다. 각형 기둥의 경우 주철근 최고온도가 평균온도보다 16~30%정도 높은 것으로 조사되었지만, 본 실험에서 사용된 원형기둥의 경우 주철근 최고온도와 평균온도의 차이가 1~2% 수준으로 큰 차이가 없는 것으로 나타났다.
초기와 30분, 60분, 90분에서의 경시변화 실험결과 KS F 4009에서 기준하고 있는 슬럼프 플로 600±100㎜와 공기량 3.5±1.5% 범위를 모두 만족하는 것으로 나타났다.

후속연구

05vol.% PET섬유 혼입 고강도 콘크리트의 시공성 확보에 문제가 없는 것으로 확인되었지만 섬유 혼입율 변화에 따른 물성검토를 추가적으로 실시할 필요가 있다.
05vol.% PET섬유의 보강으로 고강도 콘크리트 폭렬현상을 제어하였지만, 피복두께 30㎜에서는 주철근 온도 기준을 만족시키지 못하는 것으로 나타나, 폭렬이 방지되더라도, 국내 고시기준을 만족하기 위해서는 최소 피복두께 40㎜ 이상을 확보하는 것이 필요할 것으로 판단된다.
3) 각형기둥을 대상으로 한 기존 내화 연구에 의하면 상대적으로 비표면적이 큰 모서리 부분에 열이 집중하여 모서리 주철근 온도가 다른 부위의 주철근 온도보다 높게 나타났으나, 원형기둥을 대상으로 한 이번 연구에서는 온도편차가 적게 나타났다. 이는 주철근의 비표면적이 서로 같이 때문인 것으로 사료되나, 추가적인 실험을 통해 검증할 필요가 있을 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	콘크리트에 PET섬유를 혼입해 얻을 수 있는 이점은?	한편 음료수 용기로 사용되는 PET 병은 사용 후 버려지는 양이 매우 많아 환경적 측면에서 문제가 제기되고 있어 재생 PET섬유를 콘크리트에 혼입한 다양한 연구가 진행되고 있다[10,11,12]. 특히 PET섬유는 상변이 과정에서 에너지 흡수율이 높은 섬유이므로 화재 발생시 주철근의 온도상승을 지연시킬 것으로 기대되어 PET섬유를 혼입한 고강도 콘크리트의 내화특성에 관한 연구결과도 발표되었다[13,14].
	내화성능을 만족하기 위해서는 40mm 이상의 피복두께가 필요할 것으로 판단되는 근거는?	그 결과 PET섬유가 고강도 콘크리트 폭렬 제어에 효과가 있는 것을 확인할 수 있었다. 하지만 피복두께 30mm 시험체에서는 주철근 온도규정을 만족시키지 못하는 것으로 나타났고 피복두께 40mm 시험체에서는 주철근 온도규정을 만족하는 것으로 나타났다. 따라서 내화성능을 만족하기 위해서는 40mm 이상의 피복두께가 필요할 것으로 판단된다.
	화재로 인한 폭렬발생으로 인한 그 영향은?	고강도 콘크리트는 보통 콘크리트와 달리 Figure 1과 같이 조직이 치밀하므로 화재시 콘크리트 구조체 내부에 큰 수증기압이 발생함으로써 구조부재의 단면손실을 유발할 수 있는 폭렬현상이 발생하게 된다[1,2]. 화재로 인한 폭렬발생은 콘크리트 구조물의 사용수명을 급격히 저하시킬 뿐만 아니라, 심한 경우에는 구조물의 붕괴를 유발시킬 수 있어, 대형 인명 피해마저 발생할 수 있다.

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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