[논문]비정질강섬유를 혼입한 초고강도콘크리트의 폭렬특성에 관한 실험적 연구

최경철; 김규용; 김홍섭; 황의철; 남정수

doi:10.11112/jksmi.2019.23.3.111

비정질강섬유를 혼입한 초고강도콘크리트의 폭렬특성에 관한 실험적 연구
Experimental Study on the Spalling Properties of Ultra High Strength Concrete containing Amorphous Metallic Fiber 원문보기

한국구조물진단유지관리공학회 논문집 = Journal of the Korea Institute for Structural Maintenance and Inspection, v.23 no.3, 2019년, pp.111 - 118

최경철 (충남대학교 사회기반시설기술연구소) , 김규용 (충남대학교 건축공학과) , 김홍섭 (동경대학 대학원공학계연구과 건축재료연구실) , 황의철 (충남대학교 사회기반시설기술연구소) , 남정수 (충남대학교 건축공학과)

초록
AI-Helper

본 연구에서는 비정질강섬유의 혼입이 초고강도콘크리트의 폭렬특성에 미치는 영향이 실험적으로 검토되었다. 콘크리트는 압축강도 100과 150 MPa의 초고강도콘크리트가 사용되었다. 폴리프로필렌섬유는 0.15 vol%, 비정질강섬유는 0.3 및 0.5 vol%가 혼입되었다. 시험체는 콘크리트의 압축강도와 섬유혼입 조건에 따라 6수준이 제작되었고, ISO-834 가열곡선에 의해 가열되었다. 결과로써 폴리프로필렌섬유와 비정질강섬유가 혼입된 초고강도콘크리트의 폭렬제어에 있어서는 용융된 폴리프로필렌섬유가 형성하는 공극네트워크를 통해 수증기가 이동하는 효과가 지배적인 것으로 나타났다. 또한, 비정질강섬유 0.3v ol% 혼입률에서는 폭렬제어에 큰 영향을 미치지 않지만, 0.5 vol%의 비정질강섬유가 혼입될 경우에는 수증기가 이동할 수 있는 균열의 발생이 억제됨으로써 콘크리트 폭렬의 원인으로 지적되고 있는 수분막힘층(moisture clog)가 형성될 가능성이 높은 것을 확인할 수 있었다.

Abstract ▼ AI-Helper

This study examined the effect of amorphous metallic (AM) fibers on the spalling properties of ultra high strength concrete. Six specimens with concrete strengths of 100 MPa and 150 MPa were evaluated with mix proportions of polypropylene (PP) fibers of 0.15% by concrete volume, and proportions of AM fibers of 0.3% and 0.5% by concrete volume. These specimens were then heated in accordance with the ISO-834 heating curve. The movement of water vapor through a pore network formed by molten PP fibers was found to be a dominant factor controlling the spalling of high-strength concrete. Spalling control was not found to be significantly affected by the addition of 0.3% AM fibers; however, when 0.5% AM fibers was added, cracking was limited and so were paths for water vapor migration, increasing the likelihood of a moisture clog and creating the differential internal pressure often blamed for concrete spalling.

주제어

표/그림 (16)

그림 Fig. 1 Shape of PPF and AMF used this work
표 Table 1 Experimental plan
표 Table 2 Physical properties of used materials
표 Table 3 Characteristic of AMF and PPF
그림 Fig. 2 Heating curve
그림 Fig. 3 Heating device for concrete specimen
표 Table 4 Mixture proportions of UHSC
표 Table 5 Water contents, compressive and flexural strength
그림 Fig. 4 Water vapor pressure measuring system for concrete specimen
그림 Fig. 5 Surface condition of UHSC specimens after ISO 834 heating
그림 Fig. 6 Mass loss ratio of UHSC after ISO-834 heating
그림 Fig. 7 Spalled concrete fragment distribution
그림 Fig. 8 Residual axial load ratio of UHSC after ISO-834 heating
표 Table 6 Spalling sound occurrence time of UHSC specimens
그림 Fig. 9 Water vapor pressure – time curve
그림 Fig. 10 Water vapor pressure – temperature curve

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

제안 방법

그러나 콘크리트에서폭렬이 발생될 때그 형태에 따라 특정한 소리가 발생하는 것으로 보고되고 있다.(Choe et al., 2019) 가열시험 중 가열장치에서 발생하는 소리로부터 폭렬이 발생하는 시점을 추정하였으며, 가열이 종료된 후 시험체의 외관을 육안으로 관찰하여 폭렬성상을 관찰했다. 질량감소율은 식(2)에 의해 계산하고, 이 값을 이용해 폭렬에 의해 손실된 콘크리트의 양을 추정하였다.
시험체는 ISO-834 표준가열곡선을 이용하여 50분 간 가열 되었다. 가열이 진행되는 동안에는 폭렬발생 시간, 내부수증기압력을 측정하고, 가열이 끝난 시험체의 폭렬성상, 질량감소율 및 잔존압축강도를 측정하였다.
슬럼프플로우와 공기량은 각각 650±50 mm와 2±1%로 설정하였으며, 콘크리트 제작 시 모든 시험수준에서 설정한 범위를 만족하였다. 두 가지 초고강도콘크리트의 배합에서 잔골재율과 단위수량은 각각 45%와 160 kg/m³로 동일하게 설정하였다.
Table 1에 본 연구의 실험 계획을 나타냈다. 시험체는 콘크리트의 압축강도 및 비정질강섬유의 혼입 조건에 따라 6수준으로 계획되었다. 콘크리트는 압축강도 100 및 150 MPa의 초고강도콘크리트를 사용하였으며, 모든 시험체에는 0.
10에 가열시험 중에 시험체의 내부에서 발생하는 수증기압력과 온도의 관계를 나타냈다. 온도-수증기압력의 관계 곡선은 포화수증기압력곡선(Saturation Vapor Pressure, SVP)와 비교했다. 폴리프로필렌만을 혼입한 시험체에서는 포화수증기압력을 초과하는 압력이 측정되지 않았다.
3은 본 연구에서 사용한 가열장치를 나타낸다. 이 가열장치는 전기저항식 가열코일을 이용하여 시험체를 가열하고 온도컨트롤러에 의해 최대온도 및 온도상승속도의 제어가 가능하도록 설계되었다.
초고강도콘크리트의 폭렬특성은 폭렬성상, 질량감소율, 폭렬발생시간, 폭렬에 의해 박리된 파편의 크기, 가열 후의 잔존축하중을 평가했다. 이 연구에서 사용한 가열장치는 Fig.
압력측정을 위한 금속파이프는 재질이 SUS304, 내경 1 mm, 외경 2 mm인 것을 사용하였고, 콘크리트시험체로부터 인발되는 것을 방지하지 위해서 매립되는 부분을 90° 굴곡하여 제작하였다. 콘크리트가 경화되기 전에 골재나 시멘트 페이스트가 유입되어 파이프의 입구가 막히는 것을 방지하기 위해 파라핀을 이용해 입구를 막았다. 여기서 사용된 파리핀의 용융점은 62 ℃로 수증기압력이 발생하는 온도 전에 용융되어 관의 입구를 개발시킴으로써 수증기의 배출이 원활하게 이뤄질 수 있도록 하였다.
4는 콘크리트시험체 내부의 수증기압력을 측정하기 위한 장치의 구성을 보여준다. 콘크리트를 타설하기 전에 시험체 표면으로부터 10 mm와 30 mm 깊이에 SUS pipe를 매립하여 시험체를 제작하고, 가열시험 중에 파이프를 통해 배출되는 수증기압력을 압력센서로 측정하였다. 압력측정을 위한 금속파이프는 재질이 SUS304, 내경 1 mm, 외경 2 mm인 것을 사용하였고, 콘크리트시험체로부터 인발되는 것을 방지하지 위해서 매립되는 부분을 90° 굴곡하여 제작하였다.
여기서 사용된 파리핀의 용융점은 62 ℃로 수증기압력이 발생하는 온도 전에 용융되어 관의 입구를 개발시킴으로써 수증기의 배출이 원활하게 이뤄질 수 있도록 하였다. 콘크리트시험체로부터 노출된 압력파이프는 가열장치의 직접적인 가열의 영향을 최소화하기 위해 단열재로 단열하였다.
폭렬에 의한 시험체의 질량감소율은 폭렬이 발생하지 않은 시험체의 질량감소율(평균 7.75%)을 고려해서 추정했다. 전 수준에서 폭렬이 발생한 압축강도 150 MPa 초고강도 콘크리트에서 150AFM0.
폭렬에 의해 콘크리트시험체에서 박리된 파편의 크기는 콘크리트용 골재의 입도를 평가하기 위해 사용되는 체를 이용하였고, 0.6 mm이하, 0.6∼1.25 mm, 1.25∼2.5 mm, 2.5∼5 mm, 5∼10 mm, 10 mm 이상의 6가지 크기로 나누어 선별했다.

대상 데이터

50 g/cm³, 분말도 : 200,000cm²/g)이 혼화재로 사용되었다. 굵은골재는 밀도 2.70 g/cm³,흡수율 0.9%, 최대치수 20 mm 인 화강암 쇄석을 사용하였으며, 잔골재는 밀도 2.65 g/cm³, 흡수율 1.0%, 조립률 2.6인 강모래를 사용했다.
본 연구에서는 모두 3가지 형태의 시험체가 사용되었다. 압축강도, 폭렬특성 및 함수율의 측정에는 지름 100 mm, 높이 200 mm의 원주형 시험체가 사용되었으며, 수증기압력의 측정에는 100×100×200 mm(DWH)의 각기둥형 시험체가 제작되었다.
7은 폭렬에 의해 박리된 콘크리트 조각의 크기별분포와 가장 큰 조각의 크기를 나타낸다. 비교평가를 위해 파편크기의 분석은 전 수준에서 폭렬이 발생한 압축강도 150 MPa 시험체(150AMF0.0, 150AMF0.3 및 AMF 0.5)를 대상으로 했다. 150AMF0.
비정질강섬유는 길이 30 mm, 폭 1.6 mm, 두께 20 m, 밀도 7.2g/cm3및 인장강도 1400 MPa 이며, 얇은 판상의 형태인 것을 사용하였고, 폴리프로필렌섬유는 길이 15 mm, 직경 20 μm, 밀도 0.91 g/cm3, 용용점 170 ℃인 원통형의 형태를 갖는 것을 사용했다.
본 연구에서 사용한 재료의 물리적 성질을 Table 2에 나타냈다. 시멘트는 1종 보통포틀랜드시멘트(밀도 : 3.15 g/cm³ , 분말도 3,200 cm²/g)를 사용하였고, 고로슬래그미분말(밀도 : 2.50g/cm³, 분말도 6,000 cm²/g), 석고(밀도 : 2.90 g/cm³, 분말도 3,550 cm²/g), 실리카흄(밀도 : 2.50 g/cm³, 분말도 : 200,000cm²/g)이 혼화재로 사용되었다. 굵은골재는 밀도 2.
압력측정을 위한 금속파이프는 재질이 SUS304, 내경 1 mm, 외경 2 mm인 것을 사용하였고, 콘크리트시험체로부터 인발되는 것을 방지하지 위해서 매립되는 부분을 90° 굴곡하여 제작하였다.
압축강도, 폭렬특성 및 함수율의 측정에는 지름 100 mm, 높이 200 mm의 원주형 시험체가 사용되었으며, 수증기압력의 측정에는 100×100×200 mm(DWH)의 각기둥형 시험체가 제작되었다.
시험체는 콘크리트의 압축강도 및 비정질강섬유의 혼입 조건에 따라 6수준으로 계획되었다. 콘크리트는 압축강도 100 및 150 MPa의 초고강도콘크리트를 사용하였으며, 모든 시험체에는 0.15 vol% 의 폴리프로필렌섬유가 혼입되었다. 비정질강섬유는 0.

이론/모형

초고강도콘크리트시험체는 28일간 온도 20±2 ℃의 수조에서 양생된 후, 온도 20±2 ℃, 상대습도 60±5%의 항온항습조건에서 300일간 양생되었다. 함수율은 Rilem committee TC 129의 방법으로 측정하였다. 시험체를 105 ℃건조기에 거치 시킨 상태에서 질량변화가 없을 때의 질량을 건조질량으로 정의하고 식(1)에 의해 함수율을 계산했다.

성능/효과

1) 초고강도콘크리트의 폭렬제어에는 비정질강섬유에 의한 매트릭스의 보강 보다 폴리프로필렌섬유의 용융에 의해 형성된 공극네트워크를 통한 수증기의 이동이 큰 영향을 미치며, 0.15vol%의 폴리프로필렌섬유의 혼입량은 100MPa 초고강도콘크리트의 폭렬제어에는 유효하지만, 150MPa 초고강도콘크리트의 폭렬제어에는 효과적이지 목한 것으로 나타났다.
잔존축하중률은 콘크리트의 폭렬특성과 다소 다른 결과로 나타났다. 100AMF0.0과 100AMF0.3의 잔존축하중율은 약 20%인 반면, 100AMF0.5는 폭렬에 의해 11.23%의 질량이 손실되었음에도 불구하고 약 38%의 잔존축하중율이 측정되었다.
2) 비정질강섬유가 혼입된 초고강도콘크리트는 급속한 가열환경에 노출되어 폭렬이 발생하더라도 20% 이하의 질량이 손실된 경우에는 비정질강섬유의 혼입에 의한 고강도콘크리트의 매트릭스 균열이 억제되기 때문에 폭렬이 발생하지 않는 시험체와 유사한 수준의 잔존축하중을 유지하는 것을 확인하였다.
3) 비정질강섬유의 혼입에 의해 초고강도콘크리트의 휨강도를 개선하는 효과가 있지만, 본 연구에서 검토한 범위에서는 0.5vol%의 비정질감성유를 혼입한 경우에는 고온노출 환경에서 수증기가 이동할 수 있는 균열의 발생을 제한함으로써 콘크리트 폭렬의 원인으로 지적되고 있는 수분막힘층(moisture clog)이 형성할 수 있음을 확인했다.
이것은 과포화수증기압력의 상태를 의미하며, 폭렬이 원인이 되는 수분막힘층(moisture clog)이 형성될 가능성이 높다고 판단할 수 있다. 따라서, 본 연구에서 검토된 비정질강섬유 0.5 vol%의 혼입조건에서는 폴리프로필렌섬유의 용융에 의한 공극네트워크는 형성되지만 균열이 억제됨으로써 수분막힘층을 형성하는 데영향을 미치는 것으로 판단된다.
9에 가열시험 중 콘크리트시험체 내부에서 발생하는 가열시간과 수증기압력의 관계를 나타냈다. 모든 시험체에서 시간-수증기압력 곡선은 10 mm의 압력이 먼저 형성된 후, 몇 분의 시간적 간격을 두고 30 mm의 압력이 증가하는 형태로 나타났다. 또한, 모든 시험체에서 최대압력은 30 mm에서 측정되었다.
이로부터 폴리프로필렌섬유가 약 170℃에서 용융되어 연속 공극네트워크를 형성하고 수증기압력의 응집을 방지하는 효과를 확인할 수 있다. 비정질강섬유를 0.3 vol%혼입한 경우에도 수증기압력이 포화수증기압력을 초과하지 않는 것으로부터, 비정질강섬유를 0.3 vol% 혼입하더라고 폴리프로필렌섬유의 수증기압력 저감 효과가 유지되는 것을 확인했다. 한편, 비정질강섬유 0.
5는 각각 38%와 50%였다. 비정질강섬유를 혼입한 시험체에서는 비정질강섬유와 콘크리트 조각이 부착된 형태로 박리된 것을 확인할 수 있었다. 따라서, 비정질강섬유가 혼합된 콘크리트에서 폭렬이 발생할 경우에는 비정질강섬유의 시멘트 매트릭스 보강효과에 의해 큰 조각의 콘크리트가 박리되는 것으로 생각할 수 있다.
폴리프로필렌만을 혼입한 시험체에서는 포화수증기압력을 초과하는 압력이 측정되지 않았다. 이로부터 폴리프로필렌섬유가 약 170℃에서 용융되어 연속 공극네트워크를 형성하고 수증기압력의 응집을 방지하는 효과를 확인할 수 있다. 비정질강섬유를 0.
75%)을 고려해서 추정했다. 전 수준에서 폭렬이 발생한 압축강도 150 MPa 초고강도 콘크리트에서 150AFM0.0, 150AMF0.3 및 150AMF0.5는 각각 10.03, 19.14 및 35.52%의 질량이 감소되었다. 콘크리트의 폭렬이 제어될 수 있을 만큼의 충분한 폴리프로필렌섬유가 혼입되지 않은 경우에는 비정질강섬유의 혼입량이 많을수록폭렬에 의해 박리되는 콘크리트의 양이 증가하는 것을 확인할 수 있었다.
최초의 폭렬은 7∼10분에 발생했으며, 최초폭렬 이후에 10∼15분 간 지속적으로 폭렬이 발생했다. 최초폭렬이 발생하는 시간은 콘크리트의 압축강도가 높고 비정질강섬유의 혼입량이 많을 수 록빨라지는 경향이 있었다.
52%의 질량이 감소되었다. 콘크리트의 폭렬이 제어될 수 있을 만큼의 충분한 폴리프로필렌섬유가 혼입되지 않은 경우에는 비정질강섬유의 혼입량이 많을수록폭렬에 의해 박리되는 콘크리트의 양이 증가하는 것을 확인할 수 있었다.
한편, 본 연구에서 설정한 폴리프로필렌섬유의 혼입률 0.15vol%는 100 MPa의 초고강도콘크리트에 대해서는 폭렬 억제 효과를 확인할 수 있었지만, 150 MPa 초고강도콘크리트의 폭렬을 억제하기에는 충분하지 않은 것으로 확인되었다. 따라서, 압축강도 150 MPa 초고강도콘크리트의 폭렬을 제어하기 위해서는 더 많은 폴리프로필렌섬유의 혼입율이 검토되어야 할 것으로 판단된다.
3 vol% 혼입하더라고 폴리프로필렌섬유의 수증기압력 저감 효과가 유지되는 것을 확인했다. 한편, 비정질강섬유 0.5 vol%를 혼입한 시험체에서는 일부 포화수증기압력을 초과하거나 매우 근접한 수증기압력이 형성되는 것을 확인할 수 있었다. 이것은 과포화수증기압력의 상태를 의미하며, 폭렬이 원인이 되는 수분막힘층(moisture clog)이 형성될 가능성이 높다고 판단할 수 있다.

후속연구

15vol%는 100 MPa의 초고강도콘크리트에 대해서는 폭렬 억제 효과를 확인할 수 있었지만, 150 MPa 초고강도콘크리트의 폭렬을 억제하기에는 충분하지 않은 것으로 확인되었다. 따라서, 압축강도 150 MPa 초고강도콘크리트의 폭렬을 제어하기 위해서는 더 많은 폴리프로필렌섬유의 혼입율이 검토되어야 할 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	폭렬이란 무엇인가?	폭렬은 고온 환경에 노출된 콘크리트에서 수증기압력과 열응력에 의해 모체로부터 콘크리트 조각이 박리되는 취성적 파괴현상으로 정의되며, 콘크리트의 폭렬을 예측하는 것은 매우 어려운 일이다.(Kodur, 2000)
	고강도콘크리트의 장점은 무엇인가?	고강도콘크리트는 소요의 압축강도를 발현하기 위해 매우 낮은 물-결합재비로 배합설계되는 것이 일반적이며, 일반강도콘크리트에 비해 기계적인 강도와 내구성이 매우 뛰어난 것으로 알려져 있다. 그러나 화재와 같은 극단적인 고온에 노출될 경우에는 폭렬이 발생하는 문제가 있는 것으로 보고되고 있다.
	고강도콘크리트의 문제점은 무엇인가?	고강도콘크리트는 소요의 압축강도를 발현하기 위해 매우 낮은 물-결합재비로 배합설계되는 것이 일반적이며, 일반강도콘크리트에 비해 기계적인 강도와 내구성이 매우 뛰어난 것으로 알려져 있다. 그러나 화재와 같은 극단적인 고온에 노출될 경우에는 폭렬이 발생하는 문제가 있는 것으로 보고되고 있다.(Kalifa et al.

저자의 다른 논문 :

LOADING...

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].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증