[논문]시멘트 복합체의 내화성능 향상을 위한 폴리프로필렌 섬유의 형상과 혼입량 결정

원종필; 박경훈; 김황희; 김정훈; 이수진; 이시원

문제 정의

본 연구에서는 터널 및 지하공간에 적용되는 숏크리트 및 콘크리트에 요구되는 내화성능을 발휘할 수 있는 최적의 폴리프로필렌 섬유를 찾는 것을 목표로 하였다. 이를 위하여 폴리프로필렌 섬유의 두께와 길이, 혼입량의 세 가지 인자에 대한 폴리프로필렌 섬유보강 모르타르 실험을 실시하여 내화성능을 발휘할 수 있는 폴리프로필렌 섬유의 형상과 혼입량의 범위를 도출하고자 한다.
있는 최적의 폴리프로필렌 섬유를 찾는 것을 목표로 하였다. 이를 위하여 폴리프로필렌 섬유의 두께와 길이, 혼입량의 세 가지 인자에 대한 폴리프로필렌 섬유보강 모르타르 실험을 실시하여 내화성능을 발휘할 수 있는 폴리프로필렌 섬유의 형상과 혼입량의 범위를 도출하고자 한다.
본 연구에서는 폴리프로필렌 섬유의 최적의 폭열방지를 위한 조건을 도출하고자 폴리프로필렌 섬유의 두께, 길이, 혼입량의 세 가지 인자를 고려하여 시멘트 모르타르의 배합에 따른 내화실험을 통한 폭열 상태 및 표면상태를 관찰하는 실험을 하였다. 사용된 폴리프로필렌 섬유의 두께의 범위는 1.

제안 방법

및 표면상태를 관찰하는 실험을 하였다. 사용된 폴리프로필렌 섬유의 두께의 범위는 1.25, 3, 10, 30 데니어의 4가지 범위, 길이는 4, 10, 15 , 20, 40i皿의 5가지 범위를 주었으며 讨당 폴리프로필렌 섬유의 혼입량의 범위는 0, 0.9, 1.5, 2.0, 2.5, 3.0kg으로 두었다. 실험설계는 통계학의 최적화 방법을 사용하였으며 표 1과 같은 실험배합이 산출되었다.
폴리프로필렌 섬유의 혼입률에 따른 압축강도 특성을 알아보기 위해 KS L 5105에 의하여 50x50x50mm의 입방체 몰드를 9개씩 제작하여 재령 1일, 7일, 28일에서 재령 당 3개씩 압축강도를 측정하였으며 KS F 2476 및 KS F 4042에 준하여 40x40x160mm의 시편을 3개씩 제작하여 재령 7일, 28일의 휨강도를 측정하였다. 또한 터널 및 지하구조물의 화재 발생시 밀폐된 구조물의 상황과 급격한 온도증가가 발생하게 되는데 이러한 터널 내 화재 상황을 잘 모사한 시간가열온도곡선으로 판단되는 RABT 곡선을 이용하여 내화로에서 내화시험을 실시한 후 내화시험 전 .
휨강도를 측정하였다. 또한 터널 및 지하구조물의 화재 발생시 밀폐된 구조물의 상황과 급격한 온도증가가 발생하게 되는데 이러한 터널 내 화재 상황을 잘 모사한 시간가열온도곡선으로 판단되는 RABT 곡선을 이용하여 내화로에서 내화시험을 실시한 후 내화시험 전 . 후의 표면관찰과 중량변화, 잔류 압축강도를 측정하여 내화시험 전 .
또한 터널 및 지하구조물의 화재 발생시 밀폐된 구조물의 상황과 급격한 온도증가가 발생하게 되는데 이러한 터널 내 화재 상황을 잘 모사한 시간가열온도곡선으로 판단되는 RABT 곡선을 이용하여 내화로에서 내화시험을 실시한 후 내화시험 전 . 후의 표면관찰과 중량변화, 잔류 압축강도를 측정하여 내화시험 전 . 후의 물리 .
후의 물리 . 역학적 변화를 살펴보았다.
본 실험에서는 폴리프로필렌 섬유에 대하여 직경, 길이 및 혼입량을 범위로 정하여 모르타르 내화성능 실험을 실시하였다.
화재 발생시 폴리프로필렌 섬유의 효과를 알아보기 위해 고온(최고 1200P)의 내화시험 후 모르타르의 표면관찰과 잔류압축강도 및 중량변화를 측정하였다. 중량변화는 단순한 모르타르의 자유수의 증발과 시멘트 페이스트의 분해 등의 화학적인 반응에 따른 단순한 수분의 소멸에 기인하는 것으로 판단되며 이를 통해 내화성능을 판단하기는 어렵다고 판단된다.

대상 데이터

시멘트는 KS L 5201을 만족하는 H사의 1종 보통 포틀랜드 시멘트를 사용하였으며 잔골재는 표준사인 주문진 규사를 사용하였고 비중은 1.6이다. 표 3은 시멘트의 물리적인 특성을 나타낸다.

데이터처리

0kg으로 두었다. 실험설계는 통계학의 최적화 방법을 사용하였으며 표 1과 같은 실험배합이 산출되었다.

성능/효과

표면관찰 결과 균열이 심각하게 관찰된 모르타르는 섬 유의직경이 얇고 길이가 짧을수록 균열정도가 심각한 것으로 관찰되었다. 두께가 10 데니어인 폴리프로필렌 섬유를 혼입한 모르타르의 경우 균열정도가 가장 양호하였고 3데니어 두께의 폴리프로필렌 섬유를 혼입한 모르타르의 경우 길이가 15~40皿인 경우 균열정도가 양호하였다. 반면 두께가 가장 얇은 L25 데니어의 경우 균열이 가장 극심하였다.
반면 두께가 가장 얇은 L25 데니어의 경우 균열이 가장 극심하였다. 1.25 데니어의 폴리프로필렌 섬유를 혼입한 모르타르의 경우 혼입량이 2.5〜3kg/nf 인 경우 균열상태가 양호해지는 경향을 보였으나 폴리프로필렌 섬유가 과다하게 혼입할 경우 구조물의 성능이 저하될 수 있으므로 적절치 못하다고 판단된다. 내화시험 후의 중량변화를 살펴보면 그림 3과 같이 모르타르의 중량 손실률은 10.
내화시험 전 . 후의 잔류강도를 측정한 결과 모르타르의 강도손실률은 66.8~91.9%의 범위를 나타내었다. 혼입한 폴리프로필렌 섬유의 직경이 얇은 1.
9%의 범위를 나타내었다. 혼입한 폴리프로필렌 섬유의 직경이 얇은 1.25 데니어와 3 데니어의 모르타르의 경우 10 데니어와 30데니어로 혼입한 모르타르보다 잔류강도가 낮게 나타났으며 섬유의 혼입량이 2〜3kg/m‘인 경우 섬유의 혼입량이 비교적 적은 0.9〜 1.5kg/nf인 경우보다 잔류강도가 낮은 것으로 나타났다. 이는 직경이 얇은 폴리프로필렌 섬유의 경우 모르타르에 미세한 통로(microchannel)를 형성하여 내화시험 후 모르타르 내에 미세한 공극이 형성되었기 때문이며 폴리프로필렌 섬유의 혼입량이 많은 경우에도 모르타르 내의 폴리프로필렌 섬유가 융해되면서 형성된 공극으로 인해 강도값이 조금 더 낮은 것으로 판단된다.
하지만 내부 공극압이 외부로 팽창하고자 하는 힘에 의해 발생된 것으로 판단되는 심각한 균열이 관찰된 모르타르 시편도 찾아볼 수 있었다. 표면관찰 결과 균열이 심각하게 관찰된 모르타르는 섬 유의직경이 얇고 길이가 짧을수록 균열정도가 심각한 것으로 관찰되었다. 두께가 10 데니어인 폴리프로필렌 섬유를 혼입한 모르타르의 경우 균열정도가 가장 양호하였고 3데니어 두께의 폴리프로필렌 섬유를 혼입한 모르타르의 경우 길이가 15~40皿인 경우 균열정도가 양호하였다.

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