[논문]폴리프로필렌 섬유를 혼입한 고강도 콘크리트의 화재피해 후 중성화 평가

변용현; 류동우

doi:10.5345/jkibc.2020.20.3.235

폴리프로필렌 섬유를 혼입한 고강도 콘크리트의 화재피해 후 중성화 평가
Carbonation Assessment of High-Strength Concrete Using Polypropylene Fiber after Fire Damage 원문보기

한국건축시공학회지 = Journal of the Korea Institute of Building Construction, v.20 no.3, 2020년, pp.235 - 243

변용현 (HDC Hyundai PCE, HDC Hyundai Development Company) , 류동우 (Department of Architectural Engineering, Daejin University)

초록
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최근 국내·외 건축물들의 초고층화·대형화에 따라 고강도 콘크리트의 사용이 날로 증가하고 있으나 이러한 고강도 콘크리트는 일반강도 콘크리트에 비해 화재에 의한 콘크리트 단면의 폭렬현상이 가장 심각한 문제점으로 지적되고 있다. 이에 따라 내화성능 향상대책으로 폴리프로필렌 섬유, 나일론 섬유 등을 혼합한 섬유혼입공법이 주로 사용되고 있다. 그러나 섬유혼입공법이 적용된 고강도 콘크리트에 대한 대다수의 연구는 주로 폭렬저감 효과에 집중되어 있으며, 화재 후 PP섬유가 용융되어 생성된 미세공극이 고강도 콘크리트의 장기내구성에 미치는 영향을 조사·분석한 연구는 거의 없다. 따라서 본 연구에서는 화재피해가 발생한 섬유혼입공법이 적용된 고강도 콘크리트를 가정하여 중성화시험 및 미세구조분석을 통하여 미세공극이 중성화 깊이에 미치는 영향을 검토하였다. 그 결과, 300℃에서 1시간만 노출되어도 콘크리트 내부의 PP섬유가 중심부까지 전부 용융되어 중성화 촉진이 원활히 진행된 것으로 나타났다. 화재 후 PP섬유가 혼입된 고강도 콘크리트는 PP섬유가 용융되어 생성된 모세관 공극의 연결성 증가 및 미세균열증가로 인해 장기내구성에 대한 심각한 피해가 우려되며, 섬유혼입공법이 적용된 고강도 콘크리트의 장기내구성에 대한 더욱 정밀한 조사 및 분석이 요구된다.

Abstract ▼ AI-Helper

In recent years, the use of high-strength concrete has increased with increasing height and enlarging scale of the buildings However, it has been pointed out that the use of high-strength concrete is the most serious problem compared to ordinary concrete in terms of the spalling of concrete cross sections caused by fires. For this reason, fiber cocktail methods, which are made of polypropylene fibers, nylon fibers, etc., are mainly used to improve the fire resistance performance. However, the majority of research on high-strength concrete to which the fiber cocktail method was applied is mainly focused on the effect of reducing spalling, and few studies have investigated and analyzed the effect of micropores produced by melting PP fibers on the long-term durability of high-strength concrete after a fire. Therefore, in this study, the effect of micropores on the depth of carbonation was examined through carbonation tests and microstructure analysis, assuming high-strength concrete to which fiber-mixed construction method was applied, which caused fire damage.

주제어

표/그림 (21)

표 Table 1. Physical and chemical properties of OPC
표 Table 2. Physical and chemical properties of mineral admixture
표 Table 3. Physical of PP fiber
표 Table 4. Experimental factors and levels
표 Table 5. Mix proportion of HSC
그림 Figure 1. Standard time-temperature curve (ISO-834)
그림 Figure 2. Heating condition
그림 Figure 3. Electric furnace
그림 Figure 4. Aluminum tape attachment
그림 Figure 5. Carbonation chamber
그림 Figure 6. Specimen splitting
그림 Figure 7. Sampling by depth
그림 Figure 8. Compressive strength(dry curing)
그림 Figure 9. Average carbonation depth-1hour heating
그림 Figure 10. Average carbonation depth-2hour heating
그림 Figure 11. Control fiber diagram(×1,000)
표 Table 6. Comparison of Fiber diameter (Carbonation boundary – 1hour heating ×1,000)
표 Table 7. Depth of neutralization
표 Table 8. Results of SEM imaging(×100) - 60A
표 Table 9. Results of SEM imaging(×100) - 60B
표 Table 10. Results of SEM imaging(×100) - 80B

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 본 연구에서는 화재피해가 발생한 섬유혼입공법이 적용된 고강도 콘크리트를 가정하여 CO2에 의한 중성화의 영향을 평가하고자 원주형 시험체(Φ100×200mm)를 제작하여 PP섬유의 용융점 전후의 온도(200, 300℃)에서 가열한 후 KS F 2584에 따른 촉진 중성화시험을 진행하였다.
또한 PP섬유의 배합별,온도별, 가열시간에 따른 섬유직경 변화를 Figure 11 및 Table 6과 같이 비교·검토하여 중성화 깊이에 미치는 영향을 정량적으로 검토하고자 하였다.
에 의한 중성화의 영향을 평가하고자 원주형 시험체(Φ100×200mm)를 제작하여 PP섬유의 용융점 전후의 온도(200, 300℃)에서 가열한 후 KS F 2584에 따른 촉진 중성화시험을 진행하였다. 또한 콘크리트의 깊이별 미세구조분석(SEM)을 실시하여 중성화 깊이에 미치는 영향을 정량적으로 검토하고자 하였다.

제안 방법

Figure 5에 나타낸 바와 같이 CO₂촉진 챔버(CO₂ 농도 5%, 60%RH)를 이용하여 2주 동안 촉진시험을 실시하였다. Figure 6과 같이 중성화 촉진시험 종료 후 시험체를 할렬한 후 페놀프탈레인 용액을 분무하여 10개소의 중성화 깊이를 화상분석 소프트웨어(Innerview)를 이용하여 정량적으로 분석하였다.
농도 5%, 60%RH)를 이용하여 2주 동안 촉진시험을 실시하였다. Figure 6과 같이 중성화 촉진시험 종료 후 시험체를 할렬한 후 페놀프탈레인 용액을 분무하여 10개소의 중성화 깊이를 화상분석 소프트웨어(Innerview)를 이용하여 정량적으로 분석하였다.
Figure 7과 같이 깊이별(표면부, 중성화 경계부, 중심부)시료를 채취하여 전자주사현미경(Scanning Electron Microscope : 이하 SEM)을 통한 미세구조분석을 실시하였으며, 화상분석 소프트웨어(Innerview)를 통해 PP섬유의 직경을 측정하였다.
경화 콘크리트는 기중양생 후 재령(28일)에서 압축강도를 측정하였다. 또한 장기내구성 평가를 위해 재령 (91일) 경과한 섬유혼입 고강도 콘크리트 시험체를 대상으로 고온 가열후 2주간의 촉진 중성화 시험을 실시하였다.
본 연구의 실험인자 및 수준은 Table 4와 같으며, 고강도 콘크리트 배합표는 Table 5와 같다. 고강도 콘크리트 배합은 시멘트에 대한 질량비로 60MPa 급은 고로슬래그 미분말(이하 GGBS) 20%, 플라이애시(이하 FA) 15%를 치환한 2성분계 배합으로 설정하였다. 또한 PP섬유의 경우 60MPa급에는 1.
고온 가열을 받은 섬유혼입공법이 적용된 고강도 콘크리트의 중성화를 평가하기 위해 PP섬유의 용융점인 160~170℃를 고려하여 가열온도를 200℃ 및 300℃로 설정하였다. 또한 Kang et al.
경화 콘크리트는 기중양생 후 재령(28일)에서 압축강도를 측정하였다. 또한 장기내구성 평가를 위해 재령 (91일) 경과한 섬유혼입 고강도 콘크리트 시험체를 대상으로 고온 가열후 2주간의 촉진 중성화 시험을 실시하였다.
섬유혼입공법이 적용된 고강도 콘크리트를 대상으로 화재 시 PP섬유가 용융되어 생성된 모세관 공극으로 인한 장기내구성의 열화인자중 하나인 중성화 피해를 알아보기 위해 촉진 중성화시험을 실시하여, 중성화 깊이 및 SEM 분석을 실시한 결과는 다음과 같다.
전기로 가열실험 종료 후 표층부의 수분증발로 인한 불포화층이 존재하여 수분을 매개로 한 중성화 반응이 어려울 것으로 판단되었다. 이에 따라 항온항습 챔버에서 일주일간 항온항습(20℃, 60%RH)을 실시하였다. 또한 Figure 4와 같이 시험체 상하면에 알루미늄 테이프를 부착하여 CO₂의 일면침투를 유도하였다.

대상 데이터

본 실험에 사용된 시멘트는 KS L 5201(포틀랜드 시멘트)에 적합한 보통 포틀랜드 시멘트(1종)를 사용하였다. 또한 고로슬래그 미분말은 KS F 2563(콘크리트용 고로슬래그 미분말)에 적합한 3종을 사용하였으며, 플라이애시는 KS L 5405(플라이애시)에 적합한 2종을 사용하였다. 각각의 특성은 Table 1과 Table 2에 나타낸 바와 같다.
본 실험에 사용된 시멘트는 KS L 5201(포틀랜드 시멘트)에 적합한 보통 포틀랜드 시멘트(1종)를 사용하였다. 또한 고로슬래그 미분말은 KS F 2563(콘크리트용 고로슬래그 미분말)에 적합한 3종을 사용하였으며, 플라이애시는 KS L 5405(플라이애시)에 적합한 2종을 사용하였다.
각각의 특성은 Table 1과 Table 2에 나타낸 바와 같다. 섬유는 Polypropylene 섬유를 사용하였으며, 특성은 Table 3과 같다.

성능/효과

1) 중성화 깊이는 강도에 상관없이 Control 대비 200℃에서 1시간, 2시간 가열한 시험체의 경우 각각 약 2배, 약 3배 증가하였다. 300℃로 1시간 가열한 시험체는 약 10배이상 증가하였으며 중심부(50mm)까지 중성화가 진행되었다.
2) SEM 분석 결과, 200℃로 2시간 가열한 시험체의 경우 표면부 및 경계부의 PP섬유가 모두 용융된 것으로 나타났으며, 300℃로 가열한 시험체의 경우 가열온도에 상관없이 중심부까지 모든 PP섬유가 용융된 것을 확인하였다. 이는 가열 온도 및 가열 시간에 따라 PP섬유가 용융되어 생성된 모세관 공극의 연결성이 증가하여 CO₂의 침투가 촉진됨에 따라 중성화가 더욱 진행된 것으로 판단된다.
200℃로 1시간 가열한 시험체의 경우 중성화 깊이가 평균 7.3mm로 고온을 받지 않은 Control 시험체(평균 4.6mm) 대비 약 2배 증가하였으며, 2시간 가열한 시험체의 경우 평균 13.6mm로 약 3배 증가하였다. 또한 300℃로 1시간 가열한 시험체의 경우는 평균 45.
3) 1시간 가열한 시험체를 대상으로 경계부의 PP섬유의 직경을 비교한 결과, Control의 PP섬유 직경이 약 22.5㎛인 것에 반해 200℃의 경우 약 18.8㎛로 감소하였다. 따라서 PP섬유의 직경 감소 및 용융으로 인해 모세관 공극의 연결성이 증가하여 CO₂의 침투가 더욱 촉진됨에 따라 중성화가 더욱 진행된 것으로 판단된다.
300℃에서 1시간 이상 가열될 경우 중성화 깊이가 중심부(5cm 깊이)까지 도달하는 것을 확인하였다. 이는 300℃에서 1시간만 노출되어도 콘크리트 내부의 PP섬유가 중심부까지 전부 용융되어 중성화 촉진이 원활히 진행된 것으로 판단된다.
78MPa으로 모든 시험체가 설계기준강도를 만족 하였다. 강도발현율은 설계기준강도대비 GGBS를 30% 단독 치환한 60B 시험체가 가장 크게 나타났다.
300℃로 2시간 가열한 시험체는 중심부까지 중성화가 진행되었으며, 1시간 가열한 시험체와 큰 차이를 보이지 않았다. 따라서 300℃에 1시간 이상 노출될 경우 중심부(50mm)까지 중성화가 진행된다는 것을 확인하였다.
한편, Hwang and Lin[6]에 의하면 잠재수경성으로 인해 치환율이 증가할수록, 장기재령일수록 공극구조가 치밀해지는 것으로 알려져 있다. 따라서 GGBS의 치환율이 30%인 60B가 20%인 60A보다 상대적으로 높은 GGBS의 치환율로 인해 압축강도가 증가한 것으로 판단 된다.
한편, 200℃로 2시간 가열한 시험체의 경우 표면부 및 경계부의 모든 PP섬유가 용융된 것으로 나타났으며, 중심부의 PP섬유는 남아있는 것을 확인하였다. 또한 300℃로 가열한 시험체의 경우 가열시간에 상관없이 중심부(5cm)까지의 PP 섬유가 완전히 용융된 것을 확인하였다. 또한 Ozawa etal.
또한 80MPa의 경우 60MPa보다 중성화에 대한 피해가 더욱 심각한 것으로 나타났다. 이는 80MPa의 경우 60MPa보다 강도는 높으나 혼합된 PP섬유의 양이 많아 가열시 PP 섬유의 용융으로 인해 모세관 공극이 증가하여 CO₂가 침투할 수 있는 열린 네트워크를 형성함으로써 중성화 촉진이 가속된 것으로 판단된다.
이는 PP섬유의 용융점이 160~170℃임에도 직접적인 화염에 닿지 않고 전기가열로의 간접적인 가열을 받아 PP섬유가 용융점 이상의 온도에서도 존재하는 것으로 판단된다. 또한 섬유의 직경 비교 결과, Control에 비해 200℃로 가열한 중성화 경계부의 섬유 직경은 약 22.3㎛에서 약 18.8㎛로 감소한 것으로 나타났다. 따라서 섬유의 직경이 감소함에 따라 모세관 공극의 연결성 증가로 중성화 깊이가 더욱 진행된 것으로 나타난다.
미세구조분석 결과, Control의 경우 중성화 깊이별 측정 결과와 같이 표면부 및 중심부에서 PP섬유가 뚜렷하게 관찰되었다. 그러나 200℃에서 1시간동안 가열한 시험체의 경우 중성화 깊이는 Control보다 약 1.
300℃로 1시간 가열한 시험체는 약 10배이상 증가하였으며 중심부(50mm)까지 중성화가 진행되었다. 중성화에 대한 강도별 영향은 80MPa가 60MPa보다 심각했으며 PP섬유 혼입시에는 강도보다 혼입섬유량이 큰 영향을 미치는 것을 확인하였다.

후속연구

이는 300℃에서 1시간만 노출되어도 콘크리트 내부의 PP섬유가 중심부까지 전부 용융되어 중성화 촉진이 원활히 진행된 것으로 판단된다. 따라서 화재 후 PP섬유가 혼입된 고강도 콘크리트는 PP섬유가 용융되어 생성된 모세관 공극의 연결성 증가 및 미세균열증가로 인해 장기내구성에 대한 심각한 피해가 우려되며, 섬유혼입공법이 적용된 고강도 콘크리트의 장기내구성에 대한 더욱 정밀한 조사 및 분석이 요구된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	폭렬현상이 야기시키는 문제는 무엇인가?	이러한 고강도 콘크리트는 구조물의 단면축소 및 효율적인 공간 창출, 고내구성 등의 장점이 있으나 일반강도 콘크리트에 비해 화재에 의한 콘크리트 단면의 폭렬현상이 가장 심각한 문제점으로 지적 되고 있다. 이러한 폭렬현상은 콘크리트 부재 파편이 비산되어 인명안전성을 위협할 뿐만 아니라, 철근의 노출 및 부재 단면이 감소하여 구조물의 붕괴로 이어질 수 있다[1]. 이에 따라 고강도 콘크리트의 폭렬방지 및 내화성능 향상을 위한 연구가 국내외 많은 연구자들에 의해 활발히 이루어지고 있다.
	고강도 콘크리트의 장단점은 무엇인가?	최근 국내·외 건축물들의 초고층화·대형화에 따라 고강도 콘크리트의 사용이 날로 증가하고 있다. 이러한 고강도 콘크리트는 구조물의 단면축소 및 효율적인 공간 창출, 고내구성 등의 장점이 있으나 일반강도 콘크리트에 비해 화재에 의한 콘크리트 단면의 폭렬현상이 가장 심각한 문제점으로 지적 되고 있다. 이러한 폭렬현상은 콘크리트 부재 파편이 비산되어 인명안전성을 위협할 뿐만 아니라, 철근의 노출 및 부재 단면이 감소하여 구조물의 붕괴로 이어질 수 있다[1].
	폭렬방지 및 내화성능 향상을 위한 방법은 무엇인가?	이에 따라 고강도 콘크리트의 폭렬방지 및 내화성능 향상을 위한 연구가 국내외 많은 연구자들에 의해 활발히 이루어지고 있다. 일반적인 내화성능 향상대책으로 폴리프로필렌 섬유(이하 PP섬유), 나일론 섬유(이하 NY섬유) 등을 콘크리트 배합 시 일정량 혼입하는 섬유혼입공법과 화재시 콘크리트 구조체가 화재에 직접적으로 노출되지 않도록 내화피복재(보드, 패널, 뿜칠 등)를 부착하는 내화피복공법 등이 보고되고 있다. 특히, 섬유혼입공법은 고강도 콘크리트에 PP섬유 또는 NY섬유를 혼입함으로써 화재 시 약 170℃ 전후에서 녹아 수증기나 수분, 가스 등의 유출경로를 만들어주어 콘크리트 내부에 갇힌 고압의 수증기압을 완화시키는 방법이며, 시공성과 경제성이 우수하여 주로 사용되고 있다[2-3].

참고문헌 (7)

Kwon YJ. Trends of research and practical use on explosive spalling properties and performance based of structural design of the high-strength concrete. Proceedings of the Korea Concrete Institute Conference; 2008 Nov 7; Ilsan, Korea. Seoul(Korea): Korea Concrete Institute; 2008. p. 935-40.
Han CG, Han MC, Kim WK, Lee JS. Effect of admixture types and PP fiber on the development of spalling resistance of high strength concrete. Journal of the Architectural Institute of Korea. 2009 Nov;25(11):105-12.
Kalifa P, Menneteau FD, Quenard D. Spalling and pore pressure in HPC at high temperatures. Cement and Concrete Research. 2000 Dec;30(12):1915-27. https://doi.org/10.1016/S0008-8846(00)00384-7

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Kalifa P, Chene G, Galle C. High-temperature behavior of HPC with polypropylene fiber From spalling to microstructure. Cement and Concrete Research. 2001 Oct;31(10):1487-99. https://doi.org/10.1016/S0008-8846(01)00596-8

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Kang YH, Kang CH, Choi HG, Shin HJ, Kim WJ. Compressive properties of ultra high strength concrete exposed to high temperature. Journal of the Korea Concete Institute. 2014 Jun;26(3):377-84. https://doi.org/10.4334/JKCI.2014.26.3.377

원문보기 상세보기
Hwang CL, Lin CY. Strength development of blended balst-furnace slag-cement mortar. Journal of the Chinese Institute of Engineers. 1986 Feb;9(3):233-9. https://doi.org/10.1080/02533839.1986.9676884

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Ozawa M, Sakoi Y, Fujimoto K, Tetsura K, Parajuli SS. Estimation of chloride diffusion coefficients of high-strength concrete with synthetic fibers after fire exposure. Construction and Building Materials. 2017 Jul;143:322-9. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2017.03.117

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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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