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문제 정의
- 따라서, 본 연구에서는 초고층구조물의 건립에 적용이 기대되는 설계강도 80MPa 3성분계 고강도콘크리트를 대상으로 복합섬유 (PP+NY, 이하 섬유) 혼입율에 따른 재료물성과 내화시험을 수행하여, 시공성이 기대되고 폭렬방지를 위한 적정 섬유혼입율과 화재 전･후의 강도특성 등을 평가하였다.
- 본 연구는 섬유 혼입율 변화에 따른 고강도 콘크리트의 재료물성과 내화특성에 대해 검토 한 것으로, 그 결과를 요약하면 다음과 같다.
제안 방법
- 3성분계 고강도콘크리트의 내화시험 전후의 질량과 강도를 평가하기 위한 시험은 한국건설기술연구원에서 관리형 공시체(∅100×200 ㎜)를 사용하여 개정된 고강도콘크리트 기둥․보의 내화성능 관리기준에 따라 3시간 내화시험을 수행하였다.
- 2 %의 3수준이고 비교대상으로 복합섬유를 혼입하지 않은 시험체를 계획하였다. 3성분계 고강도콘크리트의 물결합재비는(W/B)는 21.5%이며, 목표 슬럼프플로 650 ± 50㎜, 목표 공기량 3.5±1.5%를 만족하도록 배합설계 하였다. 섬유가 혼입된 3성분계 고강도콘크리트를 대상으로 콘크리트의 굳지않은 물성과 내화실험 등을 수행하였다.
- 강제식 팬타입 믹서를 사용하여 제작한 3성분계 고강도콘크리트는 비빔직 후 슬럼프 플로 실험과 공기량 시험을 수행하고, 변수 별 결과 값을 평가하였다.
- 굳은 콘크리트의 압축강도와 인장강도 측정용 공시체는 KS F 2403에 의거 ∅100×200 ㎜ 몰드를 사용하여 제작하였으며, 목표재령 도달 후 압축강도와 인장강도 시험을 수행하고, 실험변수별 강도값을 평가하였다.
- 내화시험 후 공시체의 폭렬여부는 육안으로 관찰하여 조사하였으며, 질량감소율은 내화시험전후 각 시험체의 중량을 측정하여 백분율로 구하였으며, 잔존압축강도율은 가열시험 전과 후의 강도를 측정하여 백분율로 나타내었다.
- 본 연구에 사용된 3성분계 고강도콘크리트의 제조에는 동일중량비로 혼입되는 섬유 혼입율이 0.05, 0.1, 0.2 %의 3수준이고 비교대상으로 복합섬유를 혼입하지 않은 시험체를 계획하였다. 3성분계 고강도콘크리트의 물결합재비는(W/B)는 21.
- 5%를 만족하도록 배합설계 하였다. 섬유가 혼입된 3성분계 고강도콘크리트를 대상으로 콘크리트의 굳지않은 물성과 내화실험 등을 수행하였다. 시험에 사용된 3성분계 고강도콘크리트의 배합표와 세부 실험계획은표 1, 표 2와 같다.
대상 데이터
- 잔골재는 세척사를 사용하였으며, 최대치수 19 ㎜ 굵은 골재를 사용하였다. 고강도콘크리트의 폭렬방지 목적으로 국내산 S사 제품의 섬유를 사용하였으며, 물리적 특성은 표3과 같다.
- 본 실험에 사용한 3성분계 고강도콘크리트의 제작에사용된 시멘트는 국내산 보통 포틀랜드 시멘트를 사용하였으며, 혼화재는 경남 하동산 플라이애시와 고르슬래그 미분말을 사용하였다. 잔골재는 세척사를 사용하였으며, 최대치수 19 ㎜ 굵은 골재를 사용하였다.
- 본 실험에 사용한 3성분계 고강도콘크리트의 제작에사용된 시멘트는 국내산 보통 포틀랜드 시멘트를 사용하였으며, 혼화재는 경남 하동산 플라이애시와 고르슬래그 미분말을 사용하였다. 잔골재는 세척사를 사용하였으며, 최대치수 19 ㎜ 굵은 골재를 사용하였다. 고강도콘크리트의 폭렬방지 목적으로 국내산 S사 제품의 섬유를 사용하였으며, 물리적 특성은 표3과 같다.
성능/효과
- 1) 굳지않은 콘크리트의 유동특성은 섬유 혼입율 변화에 따라서는 모두 목표 공기량을 만족하였으며, 경화콘크리트의 특성인 압축강도에서는 섬유 혼입율이 증가함에 따라 재령 28일에 설계기준강도 80MPa를 만족하는 것으로 나타났다.
- 1) 특히 고강도콘크리트는 그 조직이 치밀하여 화재시 급격한 온도상승으로 인하여 콘크리트의 인장강도보다 큰 수증기압이 생성되어 폭렬현상이 발생한다. 이러한 폭렬현상은 구조부재 피복 콘크리트의 박락․비산과 함께 철근이 고온에 노출되어 심각한 구조내력 저하를 초래하여, 경우에 따라서는 건축물이 붕괴에까지 일으킬 수 있는 원인이 되기도 한다.
- 2) 3시간 내화시험 후 폭렬특성으로 섬유 혼입율 0%의 경우는 폭렬현상이 나타났으나, 0.05%이상에서는 모두 양호하게 폭렬현상이 방지되는 것으로 나타났다. 3시간 내화시험 후 잔존압축강도율은 크게 저하하였으나 폭렬발생되지 않은 공시체의 경우는 5~6%의 잔존압축강도율을 나타내었다.
- 05%이상에서는 모두 양호하게 폭렬현상이 방지되는 것으로 나타났다. 3시간 내화시험 후 잔존압축강도율은 크게 저하하였으나 폭렬발생되지 않은 공시체의 경우는 5~6%의 잔존압축강도율을 나타내었다. 또한 내화 후 질량감소율은 10%전후로 비교적 양호하게 나타났다.
- 2%에서는 섬유가 혼입되지 않은 공시체와 큰 차이가 없는 것으로 나타났다. 공기량 시험결과, 섬유 혼입율에 상관없이 모두 목표공기량을 만족하는 것으로 나타났다. 그림 2는 섬유 혼입율 변화에 따른 공기량을 나타내고 있다.
- 그림 4는 3시간 내화전․후 압축강도 특성을 나타낸 것으로, 전체적으로 내화 전 압축강도에서는 섬유혼입 변화에 상관없이 80MPa를 만족하는 것으로 나타났으며, 내화 후 잔존압축강도에서는 섬유 혼입율 0%의 경우 섬유혼입한 공시체보다 잔존압축강도가 미세하지만 낮은 현상을 나타났으나 섬유 혼입율 0.2%에서는 0.05%, 0.1%혼입한 공시체보다 낮은 강도현상을 보였다. 이는 섬유혼입의 과다에 따른 공극이 많아져서 강도현상이 낮아졌다고 판단되며, 또한 섬유 엉킴현상에 의한 것이라고 판단된다.
- 그림 5은 내화 후 잔존압축강도율과 질량감소율을 나타낸 것으로 섬유 혼입율 0.05%이상에서 잔존압축강도가 4MPa전후로 5~6%의 잔존압축강도율을 나타났으며, 질량감소율에서는 가열전공시체를 100%를 보았을 섬유 혼입율의 변화에 상관없이 질량감소율이 10%전후로 비교적 양호하게 나타났다.
- 3시간 내화시험 후 잔존압축강도율은 크게 저하하였으나 폭렬발생되지 않은 공시체의 경우는 5~6%의 잔존압축강도율을 나타내었다. 또한 내화 후 질량감소율은 10%전후로 비교적 양호하게 나타났다.
- 05%일 경우 슬럼프 플로가 740 ㎜로 가장 우수하며, 섬유 혼입율이 증가함에 따라 슬럼프 플로는 감소하는 것으로 나타났다. 본 연구에서 개발 중인 3성분계 고강도콘크리트의 경우 섬유혼입율 0.2%까지는 재료분리 없이 목표 슬럼프플로를 만족하는 것으로 나타났다. 그림 1는 섬유 혼입율 변화에 따른 슬럼프플로의 변화를 나타내고 있다.
- 섬유 혼입율 변화에 따른 공기량의 변화를 평가한 결과, 섬유 혼입율이 0.2%까지 섬유가 혼입되지 않은 시험체 대비 공기량의 큰 변화는 없으나, 섬유 혼입율이 0.1 %까지는 공기량이 미세하게 감소하나 0.2%에서는 섬유가 혼입되지 않은 공시체와 큰 차이가 없는 것으로 나타났다. 공기량 시험결과, 섬유 혼입율에 상관없이 모두 목표공기량을 만족하는 것으로 나타났다.
- 섬유 혼입율 변화에 따른 슬럼프 플로의 변화에 대한 평가결과, 섬유 혼입율이 0.05%일 경우 슬럼프 플로가 740 ㎜로 가장 우수하며, 섬유 혼입율이 증가함에 따라 슬럼프 플로는 감소하는 것으로 나타났다. 본 연구에서 개발 중인 3성분계 고강도콘크리트의 경우 섬유혼입율 0.
- 그림 3은 섬유 혼입율 변화에 따른 압축강도와 인장강도 특성을 나타낸 것으로, 재령 28일 강도에서는 전반적으로 압축강도의 경우 설계기준강도 80MPa를 만족하는 것으로 나타났다. 섬유 혼입율에 의해 재령일이 낮아질수록 섬유 혼입율 0%보다 낮아지는 현상을 보였으나, 섬유 혼입율 0%에 비해 섬유혼입으로 인한 압축, 인장강도 특성이 전체적으로 미세하지만 낮은 경향을 나타내었다. 이는 고강도 영역에서 섬유와 콘크리트와의 부착강도가 압축강도에 영향을 미치지 못하는 것과 공기량의 증가에 의해 미세하지만 강도가 저하하는 원인으로 판단한다.
- 사진 1은 섬유 혼입율에 따른 관리용 공시체의 폭렬 성상을 나타낸 사진이다. 섬유를 혼입하지 않은 섬유 혼입율 0%의 경우는 급격한 고온에 의한 내부 수증기압의 영향으로 3개 공시체 모두 폭렬이 발생하였으며, 나머지 섬유 혼입율 0.05%, 0.1%, 0.2%에서는 폭렬이 발생하지 않았고, 공시체의 형상도 그대로 유지하고 있었는데, 이는 내부의 높은 수증기압을 외부로 원활히 배출함에 기인한 것으로 분석된다. 즉 섬유가 고온에 노출되어 콘크리트내부에서 녹아 미세공극을 형성하게 되는데 이를 통하여 내부 수증기가 이동하게 되어 폭렬현상이 방지되는 것으로 판단된다.
- 05%에서도 폭렬이 방지되었다. 이는 고온가열시 혼합섬유가 녹아 생기는 공극으로 내부 수증기압이 밖으로 배출됨에 따라 폭렬현상이 방지되는 것으로 분석되며, 또한 3성분계 고강도콘크리트로서 실리카 흄의 미혼입에 의해 폭렬현상이 적은 섬유혼입에서도 방지됨을 알 수 있었다.
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