[논문]폴리프로필렌 섬유 혼입량에 따른 초고성능 콘크리트의 내화 특성

최정일; 조기현; 유현상; 김희준; 이방연

doi:10.14190/jrcr.2020.8.2.212

폴리프로필렌 섬유 혼입량에 따른 초고성능 콘크리트의 내화 특성
Fire Resistance of Ultra-High Performance Concrete According to the Amount of Polypropylene Fiber 원문보기

Journal of the Korean Recycled Construction Resources Institute = 한국건설순환자원학회 논문집, v.8 no.2, 2020년, pp.212 - 218

최정일 (전남대학교 바이오하우징연구소) , 조기현 (전남대학교 건축학부) , 유현상 (전남대학교 건축학부) , 김희준 (전남대학교 건축학부) , 이방연 (전남대학교 건축학부)

초록
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이 연구의 목적은 초고성능 콘크리트의 폴리프로필렌 섬유 혼입량에 따른 폭렬 특성을 조사하는 것이다. 이를 위하여 섬유 혼입량이 다른 각각의 배합을 가열온도 900℃까지 가열한 후, 폭렬 성상, 잔존 압축강도 및 초음파 전달속도를 평가하였다. 실험 결과, 소량의 폴리프로필렌 섬유를 혼입하여도 폭렬 저항성능이 향상되는 것으로 나타났다. 폴리프로필렌 섬유를 0.4%이상 혼입하면 가열온도 900℃에서도 폭렬이 발생하지 않은 것으로 나타났다. 가열온도 900℃일 때, 잔존 압축강도는 상온 압축강도보다 48% 감소하고, 초음파 전달속도는 상온 전달속도보다 44% 감소하는 것으로 나타났다.

Abstract ▼ AI-Helper

The purpose of this study is to investigate the fire resistance of ultra-high-performance concrete according to the amount of polypropylene fiber. Different mixtures according to the amount of polypropylene fiber were exposed to a maximum temperature of 900℃; and explosive spalling, residual compressive strength, and ultrasonic velocity of each specimen were evaluated. Test results showed that the fire resistance can be improved by including a small amount of polypropylene fiber in ultra-high performance concrete. It was not observed that explosive spalling occur at a temperature of 900℃ when the polypropylene fibers over 0.4% were included. Residual compressive strength and ultrasonic velocity decreased by 48% and 44%, respectively, compared to those at room temperature.

주제어

표/그림 (6)

그림 Fig. 1. Test set-up
표 Table 1. Materials and mixture proportions(weight ratio to binder except fiber)
표 Table 2. Properties of fibers
표 Table 3. Spalling of each mixture according to temperatures
그림 Fig. 2. Residual compressive strength according to elevated temperatures
그림 Fig. 3. Ultrasonic velocity according to elevated temperatures

AI 본문요약
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문제 정의

8% 혼입하였다. 고성능 감수제는 섬유의 분산성이 최적화되는 유동상태를 확보하기 위하여 사용하였고, 소포제는 실험체 제작과정에서 의도하지 않게 발생한 기포가 역학 특성에 미치는 영향을 최소화하기 위하여 사용하였다.
이 연구에서는 초고성능 콘크리트의 폴리프로필렌 섬유 혼입량에 따른 내화 특성을 조사하였다. 이를 위하여 섬유 혼입량이 다른 각각의 배합을 가열온도 900℃까지 가열한 후, 폭렬 성상, 잔존 압축강도 및 초음파 전달속도를 측정하였다.
이와 같이 콘크리트의 폭렬 현상 및 저감 대책 등에 대한 연구는 수행되었지만, 다양한 온도 대역별로 초고성능 콘크리트의 폭렬 및 성능에 미치는 폴리프로필렌 섬유 혼입량에 대한 영향은 아직 연구가 미흡한 실정이다. 이에 이 연구에서는 900℃ 정도까지 온도 대역별로 고온에 노출된 초고성능 콘크리트에서 폴리프로필렌 섬유의 혼입량이 미치는 영향에 대하여 실험적으로 조사하고자 한다.

제안 방법

실험체를 가열하기 위하여 사용한 디지털 전기로는 최고 온도 1,000℃, 정밀도 ±5℃, 분포도 ±10℃를 갖는 국내 C사의 디지털 전기로이다. 가열 조건은 승온온도 40℃/min 로 설정하였고, 각 배합의 최고 가열 온도는 23℃, 300℃, 400℃, 500℃, 600℃, 700℃, 800℃, 900℃로 설정하였다. 실험체가 각각의 목표 온도에 도달하면 60분간 목표 온도를 유지하여 충분히 고온 환경에 노출될 수 있도록 한 후, 상온에서 천천히 냉각시켰다.
각 배합의 폭렬 성상을 통하여 폴리프로필렌 섬유 혼입량에 따른 가열 온도별 폭렬 발생을 파악하였다. Table 3은 가열 온도에 따른 각 배합의 폭렬 성상을 나타낸다.
실험체를 제작하기 위하여 분말형 재료들인 결합재와 충전재, 팽창재, 수축저감제 및 규사를 혼합기에 넣고 약 5분 동안 건비빔하였다. 건비빔이 완료된 후 배합수를 혼입하고 액상형 혼화제인 고성능감수제와 소포제를 투입하였다. 혼입한 재료들이 액상 형태의 유동상태를 나타낼 때까지 충분한 시간 동안 혼합하였고, 액상 형태의 유동상태를 나타내면 추가로 3분 동안 혼합기의 회전속도를 증가시켜 혼합하였다.
실험체가 각각의 목표 온도에 도달하면 60분간 목표 온도를 유지하여 충분히 고온 환경에 노출될 수 있도록 한 후, 상온에서 천천히 냉각시켰다. 냉각이 완료되면 파괴 성상을 평가하였고, 잔존 압축강도 및 초음 파 탐상 실험을 실시하였다. 각 배합의 잔존 압축강도는 KS L 5105 에 따라 측정하였고, Fig.
5mm 및 인장강도 2,500MPa이다. 섬유 혼입 량은 모든 배합에서 전체부피비의 1.5%를 혼입하였지만, 폴리프로필렌 섬유 혼입량에 따른 폭렬 특성을 파악하기 위하여 각 배합마다 폴리프로필렌 섬유 혼입량과 강섬유 혼입량을 다르게 혼입하였다.
실험체를 제작하기 위하여 분말형 재료들인 결합재와 충전재, 팽창재, 수축저감제 및 규사를 혼합기에 넣고 약 5분 동안 건비빔하였다. 건비빔이 완료된 후 배합수를 혼입하고 액상형 혼화제인 고성능감수제와 소포제를 투입하였다.
고온 환경에 노출된 콘크리트의 압축강도는 열적 특성을 평가할 수 있는 중요한 역학 성능 중 하나이다. 이 연구에서는 측정한 최고 온도까지 폭렬이 발생하지 않은 PP0.4 배합과 PP0.5 배합의 측정 온도별 잔존 압축강도를 평가하였다.
따라서 실험체를 가열하기에 앞서 모든 실험체의 함수율을 동일하게 조정하기 위하여 80℃의 건조기에서 48시간 건조하였다. 이 후, 디지털 전 기로를 이용하여 실험체를 가열하였고, Fig. 1.(a)는 실험에 사용한 전기로를 나타낸다.
이 연구에서는 초고성능 콘크리트의 폴리프로필렌 섬유 혼입량에 따른 내화 특성을 조사하였다. 이를 위하여 섬유 혼입량이 다른 각각의 배합을 가열온도 900℃까지 가열한 후, 폭렬 성상, 잔존 압축강도 및 초음파 전달속도를 측정하였다. 실험을 통해 도출한 결론은 다음과 같다.
(b)는 압축강도 실험 모습을 나타낸다. 잔존 압축강도는 가열 후 전기로에서 실험체를 빼낸 후 상온에서 식힌 후 실험을 실시하였다. 초음파 탐상은 수신자와 발신자를 실험체의 양쪽 면에 직접 접촉하여 측정하는 방법인 직접법을 사용하여 전달속도를 측정하였고, Fig.
제작한 실험체는 수분 증발을 최소화하기 위하여 플라스틱 필름으로 실험체를 덮고 2일 동안 온도(23 ± 3)℃와 상대습도(60 ± 5)%에서 기건 양생을 하였다.
(c)는 초음파 탐상 실험에 사용한 실험 장치를 나타낸다. 초음파 전파속도 측정을 통해 실험체의 손상정도를 간접적으로 평가하였다.
잔존 압축강도는 가열 후 전기로에서 실험체를 빼낸 후 상온에서 식힌 후 실험을 실시하였다. 초음파 탐상은 수신자와 발신자를 실험체의 양쪽 면에 직접 접촉하여 측정하는 방법인 직접법을 사용하여 전달속도를 측정하였고, Fig. 1.(c)는 초음파 탐상 실험에 사용한 실험 장치를 나타낸다.
최고온도 900℃ 온도에서 폭렬이 발생하지 않은 PP0.4 배합과 PP0.5 배합의 초음파 탐상법을 실시하여 초음파 전달속도를 측정하였다. Fig.
건비빔이 완료된 후 배합수를 혼입하고 액상형 혼화제인 고성능감수제와 소포제를 투입하였다. 혼입한 재료들이 액상 형태의 유동상태를 나타낼 때까지 충분한 시간 동안 혼합하였고, 액상 형태의 유동상태를 나타내면 추가로 3분 동안 혼합기의 회전속도를 증가시켜 혼합하였다. 이 후, 섬유를 혼입하고 섬유의 분산성이 최적화 될 때까지 충분한 시간 동안 혼합하였다.
혼합이 완료된 후, 폭렬 성상, 잔존 압축강도 및 초음파 탐상 실험을 실시하기 위하여 한 변의 길이가 50mm인 입방형 실험체를 제작하였다. 제작한 실험체는 수분 증발을 최소화하기 위하여 플라스틱 필름으로 실험체를 덮고 2일 동안 온도(23 ± 3)℃와 상대습도(60 ± 5)%에서 기건 양생을 하였다.

대상 데이터

2017). 결합재는 1종보통포틀랜드 시멘트와 지르코니아 실리카퓸을 사용하였고, 시멘트와 지르코니아 실리카퓸의 비율은 8:2이다. 지르코니아 실리카퓸은 96% 이상의 실리카 성분으로 구성되어 있고, BET 방법으로 측정한 지르코니아 실리카퓸의 비표면적은 7.
Table 1은 이 연구에서 사용한 재료와 배합을 나타낸다. 기본 배합(PP0)은 압축강도 150MPa 급을 나타내는 초고성능 콘크리트 배합을 사용하였다(Choi et al. 2017). 결합재는 1종보통포틀랜드 시멘트와 지르코니아 실리카퓸을 사용하였고, 시멘트와 지르코니아 실리카퓸의 비율은 8:2이다.
보강 섬유는 폴리프로필렌 섬유와 강섬유를 사용하였고, 각 섬유의 특성은 Table 2와 같다. 폴리프로필렌 섬유는 직경 12μm, 길이 10mm, 인장강도 850MPa 및 녹는점 155℃이고, 강섬유는 직경 200μm, 길이 19.
충전재는 평균 입경 2.2μm 크기를 갖는 순수 실리카를 결합재 대비 24% 혼입하였고, 유동성 향상 및 강도 증진을 위하여 사용하였다.
팽창제는 수축량을 저감하기 위하여 결합재 대비 6% 혼입하였고, Hauyne(3CaO3·3Al2O3·CaSO4), 유리석회(CaO), 석고(CaSO4) 로 구성된 칼슘설포알루미네이트(CSA)계 팽창재를 사용하였다.

이론/모형

냉각이 완료되면 파괴 성상을 평가하였고, 잔존 압축강도 및 초음 파 탐상 실험을 실시하였다. 각 배합의 잔존 압축강도는 KS L 5105 에 따라 측정하였고, Fig. 1.(b)는 압축강도 실험 모습을 나타낸다.

성능/효과

(1) 초고성능 콘크리트에 폴리프로필렌 섬유를 혼입하면 폭렬 저항 성능이 향상되는 것으로 나타났다. 폴리프로필렌 섬유를 0.
(2) 잔존 압축강도는 폴리프로필렌 섬유를 0.4% 이상 혼입하면 상온에서의 압축강도보다 가열온도 500℃까지 약 45% 증가하고, 이 후, 지속적으로 감소하는 것으로 나타났다. 900℃에서의 잔존 압축강도는 상온에서의 압축강도보다 약 51% 감소하는 것으로 나타났다.
(3) 초음파 전달속도는 상온에서의 전달속도와 비교하여 가열온도가 600℃일 때, 약 39%로 크게 감소하였고, 600℃부터 900℃ 까지는 약 5% 감소하여 감소폭이 크지 않은 것으로 나타났다.
5 배합의 초음파 속도는 유사하게 나타났고, 상온일 때 평균 5,885m/s, 900℃일 때 평균 3,512m/s로 나타났다. 900℃에서 PP0.4 배합의 초음파 전달 속도는 3,380m/s로서 상온보다 44% 감소한 것으로 나타났고, PP0.5 배합의 초음파 전달속도는 3,345m/s로서 상온보다 41% 감소한 것으로 나타났다. 이는 잔존 압축강도에 비하여 다소 낮은 감소율이다.
4% 이상 혼입하면 상온에서의 압축강도보다 가열온도 500℃까지 약 45% 증가하고, 이 후, 지속적으로 감소하는 것으로 나타났다. 900℃에서의 잔존 압축강도는 상온에서의 압축강도보다 약 51% 감소하는 것으로 나타났다.
PP0.4 배합과 PP0.5 배합의 잔존 압축강도 성능은 유사하게 나타났고, 가열 온도가 증가함에 따라 압축강도가 증가하다 400℃ ~ 500℃까지 가열온도가 올라가면 이후 점차 감소하는 것으로 나타났다.
4 배합의 상온부터 900℃까지의 초음파 전달속도를 나타낸다. PP0.4 배합과 PP0.5 배합의 초음파 속도는 유사하게 나타났고, 상온일 때 평균 5,885m/s, 900℃일 때 평균 3,512m/s로 나타났다. 900℃에서 PP0.
5 배합의 상온일 때 압축강도는 각각 126MPa과 129MPa로 나타나 섬유 혼입량에 따른 차이가 크지 않았다. PP0.4 배합은 가열 온도 300℃에서 상온에서의 압축강도보다 약 35%, 400℃에서 약 53%까지 증가하는 것으로 나타났고, 500℃부터 점차 감소하는 것으로 나타났다. PP0.
4 배합은 가열 온도 300℃에서 상온에서의 압축강도보다 약 35%, 400℃에서 약 53%까지 증가하는 것으로 나타났고, 500℃부터 점차 감소하는 것으로 나타났다. PP0.5 배합은 가열 온도 300℃에서 상온에서의 압축강도보다 약 31%, 400℃에서 약 33%, 500℃에서 약 39%까지 증가하는 것으로 나타났고, 600℃보다 높은 온도에 노출된 경우 상온에 비하여 잔존 압축강도가 낮게 나타났다. 폴리프로필렌 섬유가 압축강도 60MPa에서 100MPa을 갖는 고성능 콘크리트의 내화성능에 미치는 영향을 조사한 기존 연구(Xiao and Falkner 2006)에서는 400℃까지 잔존 압축강도가 상온에서의 압축강도와 비교하여 10% 정도밖에 증가하지 않았는데 이는 기존 연구에서는 폴리프로필렌 섬유의 혼입량이 부피비로 약 0.
5 배합의 잔존 압축강도는 점차 감소하는 것으로 나타났다. 가열온도가 100℃씩 상승할 때, 압축강도는 PP0.4 배합이 약 31MPa, PP0.5 배합이 약 30MPa 감소하는 것으로 나타났고, 최종적으로 가열온 도 900℃에서 PP0.4 배합의 압축강도는 65.9MPa, PP0.5 배합의 압축강도는 58.4MPa로 나타났다. 이는 상온일 때 압축강도와 비교하여 각각 52%, 45% 수준으로 나타났다.
가열온도가 500℃보다 높아지면 PP0.4 배합과 PP0.5 배합의 잔존 압축강도는 점차 감소하는 것으로 나타났다. 가열온도가 100℃씩 상승할 때, 압축강도는 PP0.
2%로 작게 들어갔으며, 물-결합재비가 27%에서 34%로 이 연구에서 조사한 배합에 비하여 컸기 때문인 것으로 판단된다. 결과적으로 이 연구에서 잔존 압축강도는 측정한 PP0.4 배합과 PP0.5 배합의 경우 충분한 양의 폴리프로필렌 섬유 혼입을 통하여 공극 내부에 팽창된 수증기가 밖으로 배출되어 팽창압이 증가하지 않은 상태에서 양생 초기에 고온 양생을 하지 않은 실험체에서 고온에 의한 결합재들의 추가적인 화학반응에 의하여 조직이 치밀해진 것으로 판단된다.
잔존 압축강도와 달리 PP0.4 배합의 각 온도구간에서 초음파 전달속도는 상온에서 600℃까지 약 39%로 매우 크게 감소한 반면, 600℃부터 900℃까지 초음파 전달속도는 약 5% 정도로 감소폭이 크지 않았다. 이는 600℃ 이전에 폴리프로필렌 섬유가 모두 녹아 초음파 전파 속도가 크게 감소하고, 온도상승에 따라 재료의 손상정도가 증가하고 부피팽창에 따라 밀도가 증가하였기 때문인 것으로 판단된다.
Table 3은 가열 온도에 따른 각 배합의 폭렬 성상을 나타낸다. 전체적으로 초고성능 콘크리트의 폭렬 발생은 폴리프로필렌 섬유 혼입량이 증가함에 따라 폭렬이 발생하는 가열온도가 증가하는 것으로 나타났다. 이는 폴리프로필렌 섬유 혼입량이 고강도 콘크리트의 폭렬 저항 성능에 영향을 미친다는 것을 의미한다.
5 배합은 가열온도 900℃에서도 미세 균열은 발생하였으나, 폭렬은 발생하지 않았다. 전체적으로 폭렬이 발생하는 가열온도는 폴리프로필렌 섬유량과 강한 양의 상관관계를 나타내는 것으로 관찰되었다.
(1) 초고성능 콘크리트에 폴리프로필렌 섬유를 혼입하면 폭렬 저항 성능이 향상되는 것으로 나타났다. 폴리프로필렌 섬유를 0.1% 만 혼입하여도 가열온도 300℃까지 폭렬이 발생하지 않은 것으로 나타났고, 0.4% 이상 혼입하면 가열온도 900℃까지 폭렬 이 발생하지 않은 것으로 나타났다.

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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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