Journal of the Korea Institute for Structural Maintenance and Inspection Vol. 17, No. 2, March 2013, pp.094-100
http://dx.doi.org/10.11112/jksmi.2013.17.2.094
pISSN 2234-6937 eISSN 2287-6979
화재에 노출된 철근콘크리트 구조물의 최고노출온도 추정을 위한 연구
A Study on the Highest Exposure Temperatures of Exposed Reinforced Concrete Structures at Fire
김 성 수1) 이 정 배2)* 김 일 곤3) 송 종 진4)
Kim, Seong Soo Lee, Jeong Bae Kim, Il Kon Song, Jong Jin
Abstract
In this paper, Machinery analysis was conducted, in order to predict highest exposure temperatures and the analyze fire damage in the case of fire on reinforced concrete structure. After analyzing differential thermal of reference materials in accordance with temperature of concrete reference core specimen, it turned out that powerful endothermic peak came resulting from evaporation of capillary water and get water untill 200℃, another endothermic peak came resulting from decomposition of calcium hydroxide at 520℃, and then mass of reference materials remarkably decreased due to endothermic reaction. Another powerful endothermic reaction came after decomposition of calcite at 720℃. After analyzing X-ray diffraction of reference materials in accordance with temperature of concrete reference core specimen, it turned out that calcium hydroxide existed until the temperature of 400℃, but CH almost disappeared and CaO appeared from 600℃. The production increased in proportion to the temperature. This is because that calcium hydroxide and calcite are decomposed and CaO is produced when the temperature of concrete increases with fire. It is estimated that calcium hydroxide and calcite are utterly decomposed and peak disappears, and peak of CaO is remarkably formed instead, at the temperature of 700-800℃.
Keywords : Differential thermal analysis, X-ray diffraction, Scanning electron microscope, Predict highest exposure temperature, Fire damage analysis
1) 정회원, 대진대학교 토목공학과 교수
2) 정회원, 대진대학교 토목공학과 연구교수, 교신저자 3) 정회원, 대진대학교 토목공학과 박사수료 4) 정회원, 거동건설 과장
* Corresponding author : [email protected]
• 본 논문에 대한 토의를 2013년 4월 30일까지 학회로 보내주시면 2013년 5월호에 토론결과를 게재하겠습니다.
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1. 서 론
철근콘크리트는 건설 구조재료 가운데 내구성, 내화성 및 내 진성 등이 우수하여 건설재료로써 널리 사용되어 지고 있다.
최근 철근콘크리트 구조물의 대형화, 초고층화로 그 기능 이 다양화 되고 있으며, 이러한 구조물에 대형 화재가 빈번 하게 발생하여 재산 및 인명피해는 물론 구조물의 손상으로 이어져 사회문제로 대두되고 있는 실정이다 (Kim, I.T., 2000).
철근콘크리트로 시공된 교량, 고가교, 도로 및 철도용 터 널 등과 같은 토목구조물과 아파트, 빌딩, 오피스텔 등과 같 은 건축구조물에 화재가 발생하게 되면 1,000℃ 정도의 높 은 열에 노출되는 경우가 종종 있다.
토목 및 건축용 철근콘크리트 구조물에 화재가 발생하게 되면 일시적으로 고온을 받게 되고, 고온에 노출된 철근콘크 리트는 강도 및 탄성계수뿐만 아니라 구조물의 역학적 성질 은 물론 내구성능이 저하하여 그 성능을 회복할 수 없는 상 황에 이르게 된다 (Kwon, Y.J. et al., 2003; Moetaz, M. et al., 1996; Zoldners, N. G. et al., 1960).
서수연 등은 RC보의 화재노출시간에 따른 강도변화에 관 한 연구에서 화재에 노출된 철근콘크리트 구조물의 급격한 성능저하는 콘크리트의 취성적 파괴에 의한 것이라고 보고 하였다 (Seo, S.Y. et al., 2010).
선진 외국에서는 화재를 받은 철근콘크리트 구조물에 대 한 연구가 활발히 이루어지고 있지만, 국내의 경우에는 그
연구 성과가 거의 없는 실정이다.
본 논문은 철근콘크리트 구조물이 화재를 입었을 경우의 최고노출온도 예측 및 화재손상 정도를 분석하기 위하여 고 온에 노출된 콘크리트에 대한 시차열분석 (Differential Thermal Analysis ; DTA), X-선 회절분석 (X-ray Diffraction ; XRD), 주사형전자현미경분석 (Scanning Electron Microscope : SEM) 등을 실험적으로 고찰하였으며, 이러한 실험결과를 바탕으로 향후 화재피해를 받은 철근콘크리트 구조물의 최고노출온도 를 추정하기 위한 기초자료를 확보하는데 목적이 있다.
이를 위해 화재 온도에 따른 미세조직의 변화 정도를 알아 보기 위하여 완공 후 5년이 지나서 화재가 발생한 설계기준 강도 24MPa의 지하콘크리트구조물에서 채취한 코어공시체 를 사용하였고, 코어의 압축강도는 30Mpa로 측정되었다. 채 취한 콘크리트 코어공시체에서 탄산화가 진행된 깊이를 페 놀프탈레인 용액을 이용하여 확인한 후 탄산화가 진행되지 않은 내측 부위를 표준시료로 사용하였다.
코어공시체로부터 채취된 시료를 10×10mm 이하의 여러 조 각으로 만들었으며, 전기로를 이용하여 상온에서부터 1,200℃
까지 열에 각각 노출시켜 화재온도에 따른 콘크리트의 손상 정도를 분석하였다.
2. 실험 방법
2.1 시차열분석 (DTA)에 의한 화재온도 분석
시차열분석은 열용량분석 (Differential Scanning Calorimetry
; DSC)과 열중량분석 (Thermo Gravimetric Analysis ; TGA)를 병행하였다.
열용량분석은 시료가 화학적 또는 물리적 변화를 일으킬 때 발생되는 열변화를 기준물질과의 온도차이 형태로 검출 하는 것이다.
열중량분석법은 시료를 일정 승온속도로 가열하면서 시료 의 중량 변화를 연속적으로 측정하는 것으로 천평칭과 전자회 로를 조합하여 자동제어장치를 사용한 연위법으로 측정한다. TGA와 DSC는 서로 관련이 있으므로 일반적으로는 동시 에 기록한다.
화재시 콘크리트가 받게 되는 온도를 추정하기 위한 자료기 반을 구축하기 위하여 코어 시험체로부터 미분말시료 50mg 을 채취하여 승온속도 40℃/min로 최고 1,000℃까지 측정 하였다.
콘크리트는 시멘트의 수화반응에 의해 많은 수화생성물을
함유하고 있으며 이들 수화생성물은 온도의 변화에 따라 결 정구조가 변화되며 변화할 때에 에너지를 흡수 또는 방출한 다. 또한 수화물의 결합수와 흡착수 등이 이탈하는 과정에서 도 열변화 등을 일으키기 때문에 미리 열변화를 일으킨 시료 를 열분석 할 경우 그 온도에서는 특별한 에너지의 흡수나 방출은 발생하지 않는다.
따라서 열변화를 일으키지 않은 시료를 열분석하고 열변화 를 일으킨 시료를 열분석하여 비교 분석함으로서 콘크리트의 화재온도를 추정할 수 있다 (Korea Infrastructure Safety &
Technologr Co., 1998).
2.2 X선 회절분석 (XRD)
콘크리트의 X선 회절분석은 고온에 의하여 콘크리트 중의 시멘트수화물의 변화를 정량적으로 추정하여 화재온도와 온 도의 작용시간을 추정하기 위하여 실시한다.
본 논문에서는 코어 시험체로부터 미분말 시료를 채취하여 X선 회절분석을 실시하였다. 측정조건은 CuK (Ni Filter): 30KV, 20mA, Scanning Speed; 6/min, Full Scale; 250cps, 2θ; 5~60°
로 하였다.
X선 회절분석을 통해 콘크리트의 반응생성물을 정성적으 로 분석하고 시멘트 수화물이 고온에 의하여 어떤 물질로 변 하고 얼마나 변하였는지를 정량적으로 분석하여 콘크리트가 화재 온도별로 어떠한 반응과 생성물을 만드는지 알아보고 자 하였다.
2.3 SEM 및 EDS에 의한 미세구조 분석
주사형 전자현미경 (Scanning Electron Microscope : SEM) 은 전자빔을 시료표면에 주사시켜 2차 전자를 발생시켜 시 료의 입체감 있는 표면상을 얻게 하는 장치이며 분석기기는 philips XL30 ESEM를 사용하였다.
한편, SEM분석과 동시에 에너지분산형 분석장치를 EDS (Energy Dispersive X-ray Spectroscopy)형 전자현미경분석 기 (Electronic Probe Micro Analyzer : EPMA)를 사용하여 미소영역의 원소를 분석하였다.
EDS 분석은 가속된 전자가 시료에 충돌하여 2차적으로 방사하는 특정 X선을 검출하고 그 시료의 원소성분을 정성 적, 정량적으로 조사하는 방법이다. 시멘트 수화조직에 대한 원소 성분의 변화와 외부로부터 유입되어 콘크리트내부로 확산되는 물질 등을 검출함으로써 콘크리트 열화기구의 해
0 200 400 600 800 1000
Temperature ( )℃100 ℃ normarl 200℃ 300℃
400℃
500℃
H eat F low (W /g)
600℃
700℃
800℃
900℃
1000℃
1100℃
1200℃
Evaporation of gel water Decomposition of gel
Decomposition of portlandite
Formation of β -C2S &
Decomposition of calcite Conversion of silica glass phase
Condition : exposed to the specific temperatures for 30 min.
Fig. 1 Result of differential scanning calorimetry analysis
0 200 400 600 800 1000
Temperature ( )℃
100 ℃
normarl 200℃
300℃
400℃
We ig ht (% ) 500℃
600℃
700℃
800℃
900℃
1000℃
1100℃
1200℃
Evaporation of gel water
Decomposition of gel
Decomposition of portlandite
Formation of β -C2S &
Decomposition of calcite Conversion of silica glass phase
Condition : exposed to the specific temperatures for 30 min.
Fig. 2 Result of thermo gravimetric analysis
명에 많이 기여하고 있는 분석방법이다.본 논문에서는 콘크리트의 건전부위와 화재손상에 의해 열화된 부위를 온도별로 촬영하였으며, 동시에 EDS분석도 참고적으로 실시하였다.
3. 실험 결과 및 고찰
3.1 시차열분석에 의한 화재온도 분석
Fig. 1과 Fig. 2는 콘크리트 구조물에서 채취한 표준시료 를 상온에서부터 1,200℃까지 100℃간격으로 30분간 노출 시킨 시료에 대한 시차열분석 결과를 나타낸 것이다.
이 그림에서 알 수 있듯이 200℃까지는 모세관수 및 겔수 의 증발로 인한 강한 흡열피크가 일어나고, 520℃정도에서 Ca(OH)2의 분해로 인해 흡열피크가 생성되고, 흡열 반응으
로 인해 시료의 중량이 크게 감소하게 된다.
한편 720℃ 정도에서는 칼사이트 (CaCO3)의 분해로 인해 또 한번의 강한 흡열반응이 발생한 것을 알 수 있다. 또한 가열온도 400, 700, 900℃부근에서는 비정질실리카상의 전 이 (Conversion)로 인한 흡열피크가 발생되었다 (Kim, S.S.
et al., 2011).
특히 손상온도 600℃에서 1,200℃까지의 시료에서는 중 량감소의 변화가 확인되지 않는데, 이는 고온으로 인해서 콘 크리트의 수화생성물의 결정구조가 변화되어, 가열온도에 따 라 발생하는 특별한 에너지의 흡수나 방출을 하지 않기 때문 으로 판단된다. 즉, 손상온도 200℃ 이하일 경우에는 승온 온도에 따라 수화생성물의 변화로 에너지 흡수 및 방출 현상 이 두드러지며, 각각의 생성물의 반응에 의해 발생하는 중량 변화가 현저하게 관찰되었다. 또한 200~300℃의 손상온도 에서 모세관수와 시멘트수화물의 결합수 탈수작용 등에 의
Table 1 Main peak of hydration products and the reaction products index
● SiO
2Silicon Oxide (Quartz)
☆ CaOH
2Portlandite
◇ SiO
2Silicon Oxide (Feldspar)
× CaCO
3Calcium Carbonate (Calcite)
+ CaO Calcium Oxide
10 20 30 40 50 60
2 Theta [deg.]
In te ns ity [ cp s]
600 oC 700 oC 800 oC 900 oC 1000 oC 1100 oC 1200 oC
10 20 30 40 50 60
2 Theta [deg.]
In te ns ity [ cp s]
0 oC 100 oC 200 oC 300 oC 400 oC 500 oC
Fig. 3 Result of energy dispersive X-ray spectroscopy analysis (0~500℃)
한 흡열반응 정도로 평가하면 520℃ 정도에서 발생되는 수 산화칼슘의 분해에 의한 흡열반응은 거의 진행되지 않았지 만, 중량변화 현상은 뚜렷하게 나타났다.
콘크리트가 500℃ 정도의 고열을 받으면 520℃ 정도에서 발생되는 수산화칼슘의 분해에 의한 흡열반응이 완전히 진 행되며, 중량변화 현상은 미미하게 나타나는 것을 볼 수 있 다. 또한 700~800℃ 이상의 고열을 받으면 TGA의 경우 중 량의 감소가 없으며, 흡열반응이 생성되는 칼사이트의 반응 이 완전히 진행되었음을 알 수 있다.
3.2 XRD에 의한 반응생성물 분석
화재손상을 받지 않은 철근 콘크리트 구조물의 표준 코아 공시체를 채취하여 표면부위의 시료를 전기로에서 100~1,200℃
로 가열한 결과를 Fig. 3에 나타내었다.
분석 결과 400℃까지는 CH (Ca(OH)2)가 존재하지만 600℃
이상부터는 CH성분은 거의 소멸되고 CaO의 성분이 나타났 으며, 온도가 높을수록 생성량이 증가하고 있다. 이것은 화 재시 콘크리트의 온도가 증가될수록 수산화칼슘이 분해되고 또한 칼사이트 (CaCO3)가 분해되어 CaO로 변환되기 때문 으로 판단된다 (Chow, W. K. et al., 1996).
800℃의 경우, 시멘트수화 생성물인 Ca(OH)2와 칼사이트 인 CaCO3가 완전히 분해되어 피크가 없어지고 대신 CaO의 피크가 크게 형성되어 있는 것으로 나타났으며, 500℃의 경 우에는 Ca(OH)2은 완전히 분해되었으나, 칼사이트인 CaCO3
는 존재하는 것으로 분석되었다.
3.3 SEM 및 EDS에 의한 미세구조 분석
화재손상에 의한 콘크리트의 미세조직을 비교 관찰하기 위하여 화재에 노출 되지 않은 철근 콘크리트의 표준시료를 전기로를 이용하여 인위적으로 열에 노출시켰으며, 고열에 노출시켜 SEM을 측정하여 정리한 것이 Fig. 4이다. 이 그림 에서 알 수 있듯이 상온 시료의 경우, 조직이 치밀하게 나타
난 반면, 수열온도가 증가할수록 수화물의 결합수 및 조직내 부 모세관수의 증발로 인한 수축으로 온도 300℃부터 미세
(0℃) (100℃) (200℃) (300℃)
(400℃) (500℃) (600℃) (700℃)
(800℃) (900℃) (1,000℃) (1,100℃)
Fig. 4 SEM image of the heated concrete surface
Table 2 Main peak of EDS index
▲ O
■ Si
● Ca
Fig. 5 Result of energy dispersive X-ray spectroscopy analysis (0~500℃)
균열이 발생되어 500℃에서는 상당히 심하게 균열이 발생되 는 것을 알 수 있다 (Paolo, C. et al., 2001).
이상의 결과에 의하면 실제 화재에 의해 고온의 영향을 받 을 경우 약 300℃부터 콘크리트 조직에 미세균열이 발생되 는 것으로 추정할 수 있다. 또한 시멘트 수화조직에 대한 원 소 성분의 변화를 정성적, 정량적으로 조사하여 건전한 시료 와 화상을 입은 시료와의 차이를 분석함으로서 콘크리트 열 화정도를 판정할 수 있다.
Fig. 5와 Fig. 6은 화재에 노출 되지 않은 철근 콘크리트 구조물에서 채취한 표준 코어공시체 표면부위의 시료를 채 취하여 전기로에서 100℃~1,200℃까지 가열하여 이 때 발 생하는 구성성분의 변화를 알아보기 위하여 EDS 분석을 실 시한 결과이다. 이 그림에서 알 수 있듯이 가열온도가 높을 수록 칼사이트의 분해와 결합수의 증발로 인해 탄소성분은 증가하고 산소성분은 상대적으로 감소되고 있다.
따라서 탄소와 산소의 성분을 정량적으로 분석하여 화상 의 정도를 간접적으로 평가할 수 있다.
Fig. 6 Result of energy dispersive X-ray spectroscopy analysis (600~1,200℃)
4. 결 론
화재를 받지 않은 철근콘크리트 구조물에서 표준코어공시 체를 채취하여 일정시간동안 지속적인 열을 가하여 인위적 으로 화재손상을 준 표면부위의 표준시료를 이용하여 시차 열분석, X-ray분석 및 미세구조를 분석하여 화재손상정도를 평가하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
(1) 콘크리트 표준코어공시체의 온도에 따른 시차열분석 결과, 200℃까지는 모세관수 및 겔수의 증발로 인한 강한 흡열피크가 일어났으며, 520℃정도에서 Ca(OH)2
의 분해로 인해 흡열피크가 생성되고, 흡열 반응으로 인해 시료의 중량이 크게 감소하게 된다. 720℃정도 에서 칼사이트 (CaCO3)의 분해로 인해 또 한번의 강 한 흡열반응이 발생한 것을 알 수 있다. 또한, 가열온 도 400, 700, 900부근에서는 비정질실리카상의 전이 (Conversion)로 인한 흡열피크가 발생되었다.
(2) 콘크리트 표준코어공시체의 온도에 따른 표준시료의 X-선 회절분석 결과를 보면 400℃까지는 Ca(OH)2가 존재하지만 600℃ 이상부터는 Ca(OH)2 성분은 거의 소멸되고 CaO 성분이 나타났으며, 온도가 높을수록
생성량이 증가하고 있다. 이것은 화재 시 콘크리의 온 도가 증가될수록 수산화칼슘과 칼사이트 (CaCO3)가 분해되어 CaO로 변환되기 때문이다. 한편, Ca(OH)2
와 칼사이트인 CaCO3가 완전히 분해되어 피크가 없 어지고 대신 CaO의 피크가 크게 형성되어 있는 온도 범위를 약 700~800℃로 추정할 수 있다.
(3) 콘크리트 표준코어공시체의 온도에 따른 표준시료의 미세조직 변화 정도를 알아보기 위하여 SEM 측정한 결과, 고열에 의해 콘크리트를 구성하고 있는 시멘트 반응생성물에서 결합수 및 겔수의 탈수로 인해 콘크리 트의 수축이 발생함으로써 미세한 균열이 전반적으로 심하게 발생되는 것을 볼 수 있다. 또한 미세균열은 300℃부터 발생되어 500℃에 이르면 균열의 발생정 도는 심화되는 것으로 나타났다.
감사의 글
본 논문은 대진대학교의 2013년 연구비지원으로 이루어 졌습니다. 이에 감사드립니다.
참고문헌
1. Chow, W. K. and Chan, Y. Y., “Computer Simulation of the Thermal Fire Resistance of Building Material and Structural Elements”, Construction and Building Material, vol. 10, No.
2, 1996, pp.131-140.
2. Kim, I. T., “10 Fire Case Analysis and Countermeasures”, Korea Fire Protection Association, Disaster prevention technology, vol. 28, 2000, pp.55-631. (in Korean)
3. Kim, S. S., Park, K. P., “Fire Damages and Deterioations of Concrete Structures”, Magazin of the Korea Concrete Institute, vol. 23, No. 3, 2011, pp.28-31. (in Korean)
4. Korea Infrastructure Safety & Technologr Co., “A Studies on basic properties and durability of the scene of a fire at an approach elevated bridge of North End of Wonhyo bridge”, 1998. (in Korean)
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H., Kim, M. H., “A Study on the Diagnosis and Repair Mehod of deteriorated Concrete Structure by Fire Damage”, Proceedings of the Korea Institute of Science & Engineering, vol. 17, No. 2, 2003, pp.230-235. (in Korean)
6. Moetaz, M., EI-Hawary, A. M., Ragab, A. A. and Shadia Elibiari, “Effect of Fire on Flexural Behaviour of RC Beams”, Construction and Building Material, vol. 10, No. 2, 1996, pp.147-150.
7. Paolo, C., Pietro, C. and Salvatore, W., “Assessing Fire Damage to R.C. Element”, Fire Safety Journal, vol. 36, No.
2, 2001, pp.181-199.
8. Seo, S. Y., Jeoung, C. M., Choi, K. B., “Strength of Rc Beam
요 지
본 논문은 철근콘크리트 구조물이 화재를 입었을 경우의 최고 노출 온도 예측 및 화재손상 분석을 위하여 콘크리트 시험체에 대한 기기 분석적 고찰을 실시하였다. 시차열분석 결과, 200℃까지는 모세관수 및 겔수의 증발로 인한 강한 흡열피크가 일어났으며, 520℃정도에서 수산화칼슘 (Ca(OH)2)의 분해로 인해 흡열피크가 생성되었고, 흡열 반응으로 인해 시료의 중량이 크게 감소되었다. 720℃정도에서 칼사이 트 (CaCO3)의 분해로 인해 또 한번의 강한 흡열반응이 발생한 것을 알 수 있었다. 또한 X-선 회절분석 결과, 400℃까지는 Ca(OH)2가 존 재하지만 600℃이상부터는 CH성분은 거의 소멸되고 CaO의 성분이 나타났으며, 온도가 높을수록 생성량이 증가하였다. 이것은 화재 시 콘 크리트의 온도가 증가될수록 Ca(OH)2과 CaCO3가 분해되어 CaO로 변환되기 때문이며, Ca(OH)2와 CaCO3가 완전히 분해되어 피크가 없 어지고 대신 CaO의 피크가 크게 형성되는 온도 범위를 약 700~800℃로 추정할 수 있다. 주사형 전자현미경 분석 결과, 고열에 의해 콘크 리트를 구성하고 있는 시멘트 반응생성물에서 결합수 및 겔수의 탈수로 인해 콘크리트의 수축이 발생함으로써 미세한 균열이 전반적으로 심하게 발생되는 것을 볼 수 있다. 이를 통해 보통 콘크리트가 열을 받으면 300℃부터 미세균열이 발생되어 500℃에서는 상당히 심하게 균 열이 발생되는 것을 알 수 있다.
