Development and Performance of Cementitious Materials for Fire Resistance of Tunnel

터 널 工 學

第26卷 第4C 號·2006年 7月 pp. 265~273

터널 내화용 시멘트계 재료의 개발 및 성능 평가

Development and Performance of Cementitious Materials for Fire Resistance of Tunnel

원종필*·최석원**·박찬기***·박해균****

Won, Jong Pil·Choi, Seok Won·Park, Chan Gi·Park, Hae Kyun

···

Abstract

This study aims at evaluation of the fire resistance performance of cementitious materials for fire protection of tunnel. For this purpose, the research procedure was divided into three parts. First, base mix proportion with different material type were determined by fire test. Second, the fire test of cementitious materials for fire resistance were performed on base mix pro- portions to evaluated their performance. Third, the performance of cementitious materials for fire resistance compare to the tar- get value and existing commercial products. If the performance of developed cemetitious materials for fire resistance were satisfied the target value, this studies were stopped. But, this research return to first process if the performance of cementitious materials for fire resistance are not satisfied the target value. As a result of this study, the spalling did not happen for develop and existing commercial product. Also, developed cementitious materials for fire resistance are shown with excellent com- pressive strength, flexural strength, and bond strength, because it used a height density aggregate. And developed cementitious materials has sufficient resistance for fire.

Keywords : fire resistance materials, high density aggregate, tunnel, spalling, target value

···

요 지

본 연구의 터널 내화용 시멘트계 재료의 역학적 특성 및 내화성능을 평가하는 것이다. 이와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 연구의 과정은 세단계로 나눌 수 있다. 첫 번째 과정은 서로 다른 종류의 재료를 이용하여 내화시험을 실시한 후 기본 배합비를 결정하는 것이다. 두 번째 과정으로 기본 배합비의 성능을 평가하기 위하여 내화특성 시험을 실시하였다. 세 번째 과정으로 내화용 시멘트계 재료의 성능을 목표성능 및 기존 상용제품과 비교하였다. 개발된 내화용 시멘트계 재료가 목표값 을 만족하면 연구를 멈추었고, 만족하지 못한다면 첫 번째 과정으로 돌아가 반복 시험을 실시하였다. 연구결과 개발된 제품 및 상용제품 모두 화재에 의한 폭렬이 발생하지 않았다. 또한 개발된 내화용 시멘트계 재료는 밀도가 큰 골재를 사용하여 우수한 압축강도, 휨강도 및 부착강도를 보여주었으며, 충분한 화재에 대한 저항성을 확보할 수 있었다.

핵심용어 : 내화용 재료, 고밀도 골재, 터널, 폭렬, 목표 값

···

1. 서 론

최근 세계적으로 도로 및 철도터널에 대형화재가 발생하고 있어 이로 인한 경제적 , 사회적으로 심각한 손실이 발생하고 있는 실정이다 . 이처럼 폐쇄된 공간인 터널 내 화재 발생 시 구조체의 강도저하로 인한 붕괴 및 인명피해 뿐만 아니 라 사회기반시설인 교통망을 장시간 끊어 놓게 되는 등 큰 문제를 발생시킨다 (Haukur 등 , 2004; ITA, 2004).

터널이나 지하구조물의 주재료인 콘크리트는 내화성능이 우수한 재료로 널리 사용되어 왔으나 화재시 고열을 받게 되면 폭렬이 발생하고 이로 인해 구조체 내부까지 고온이 전달되고 내하력 저하를 초래하여 경우에 따라서는 구조체

의 붕괴를 일으킬 수 있는 원인이 되기도 한다 (Ahmed 등 ,

2000; Haukur 등 , 2004).

콘크리트는 열전도성이 낮고 비열이 높기 때문에 고온에 노출되었을 경우 급격한 열전이라는 특징이 나타난다 . 이것 은 2 차원 내지 3 차원의 열응력을 발생시키며 그로 인해 인 장응력이 발생하게 된다 . 이 인장응력이 콘크리트의 인장강 도를 초과하면 인장응력은 단독적으로 폭렬의 원인이 되기

도 하나 공극압과 병행되어 폭렬을 일으킨다 (Anderberg 등 ,

1997).

열응력에 의한 콘크리트의 파괴형상은 외부에서 압축 열응 력이 발생하여 모서리 부분에서 서로 마주치게 될 때 인장 응력이 발생한다 . 만약 이러한 인장응력이 콘크리트의 인장

*정회원·건국대학교사회환경시스템공학과부교수

(E-mail : [email protected])

**건국대학교대학원석사과정

(E-mail : [email protected])

***정회원·건국대학교전임연구원

(E-mail : [email protected])

****정회원·삼성물산

(

)

(E-mail : [email protected])

강도에 이르게 되면 콘크리트의 모퉁이에서 파편이 떨어져 나가는 현상이 발생한다 . 이러한 현상은 곡면으로 된 콘크리

트에서도 유사하게 일어난다 (Kalifa 등 , 2000).

Pieere 등 (2001) 의 연구에 의하면 콘크리트 내부의 수증기

및 공기는 가열되는 면을 통해 일부분이 빠져나가기도 하지 만 동시에 콘크리트 내부로 이동하기도 한다 . 공극압의 최고 점은 가열되는 면으로부터 임의의 거리에 떨어진 포화층에 서 생기며 이러한 내부 압력으로 인하여 콘크리트의 인장강 도보다 높은 공극압은 균열을 발생시키게 되며 궁극적으로 콘크리트의 폭렬을 발생시킨다 .

이와 같은 터널 콘크리트 구조물의 화재로 인한 폭렬을 방지하여 구조물의 안전성을 확보하기 위하여 사용되는 방 법으로 내화용 시멘트계 재료로 2 차라이닝을 실시하는 방법 이 있다 ( 동경대학교 , 2002). 터널 구조물에 있어 내화용 시 멘트계 재료는 시공성이 좋고 충분한 내화성능을 확보할 수 있는 것으로 알려져 있다 .

본 연구는 터널 내화용 시멘트계 재료의 개발을 목적으로 하였다 . 이를 위하여 내화용 재료의 목표성능을 설정한 후 기초실험을 실시하여 각 재료의 특성 및 종류에 따른 내화 특성을 평가하였다 . 재료특성에 따른 내화성능은 시멘트 종 류별 , 골재종류별 및 폴리프로필렌섬유 (PP 섬유 ) 를 변수로하 여 내화실험을 실시하였고 , 실험결과를 이용하여 내화용 재 료의 기본 배합비를 결정하였다 . ^{기본배합비가 결정된 내화}

용 시멘트계 재료를 이용하여 외국에서 사용되는 기존 내화 용 시멘트계 재료와 물리·역학적 특성 및 내화특성을 비교 평가하였다 . 실험결과는 성능 개발목표와 상용제품과 비교하 여 만족할 만한 성과를 획득하면 내화용 재료의 개발을 끝 냈고 , 목표 성능 및 비교결과가 만족하지 않으면 다시 기본 배합비 선정 단계로 돌아가 다시 반복해서 시험하는 방법을 취하였다 . 그림 1 은 터널 내화용 시멘트계 재료를 개발하기 위한 연구 순서를 나타낸다 .

2. 터널 내화용 시멘트계 재료의 목표 성능

본 연구에서 개발하고자 하는 터널 내화용 시멘트계 재료 는 현장에서 간편하게 배합 및 시공이 가능하게하고 화재시

터널 구조물의 안전성을 확보하기 위하여 기존 콘크리트 구 조물의 폭렬 및 물리·역학적 성능의 저하를 방지할 수 있 어야 한다 . 또한 비가연성으로 화재시 유독 , 유해가스 발생 이 없는 제품이어야 한다 . 특히 기존 상용제품의 단점으로 작용하고 있는 역학적 특성 특히 압축강도 , 휨강도 및 부착 강도가 우수하여야 한다 . 펄라이트와 팽창질석을 주요 원료 로 하는 기존 상용제품의 경우 골재의 다공성으로 인해 재 료 내부에 다량의 공극을 포함함으로써 내화성능을 충분히 확보할 수 있었다 . 그러나 다량의 공극으로 인하여 강도가 낮은 단점으로 탈락 등의 문제점을 가지고 있어 실제 터널 등에 적용시 장기적으로 가면 교통량에 의해서 발생하는 표 면 압력으로 인해 내화용 시멘트계 재료가 탈락 및 박리 현 상이 발생하는 문제점을 지니고 있다 . 따라서 본 연구에서는 경량의 다공성 골재를 사용한 기존 강도가 낮은 상용제품의 문제점을 해결하기 위하여 강도가 높은 제품을 개발하고자 하였다 . 표 1 은 기존 제품의 물리·역학적 특성과 본 연구 에서 개발하고자 하는 내화용 시멘트계 재료의 목표 성능을 나타내었다 . 표 1 의 목표성능에서 압축강도 , 휨강도 및 부착 강도가 기존 일본 및 유럽에서 널리 사용되고 있는 내화용 재료 보다 크게 설정한 이유는 개발된 제품을 터널 등에 적 용시 탈락 및 박락이 발생하지 않고 지속적으로 내화성능을 발휘할 수 있도록 하기 위해서이다 . 일반적으로 도로터널의

경우 약 25Pa, 철도터널에서는 약 600Pa 정도의 표면압력

을 가지고 있는 것으로 알려져 있다 (ITA, 2004). 특히 이와

같은 표면 압력은 통과하는 자동차 및 기차의 속도 , 수량에 따라 변화하며 철도 터널 및 고속도로 터널 등은 진동이 심 하게 발생하였을 경우 표면 압력은 더욱더 증가할 수 있다

(ITA, 2004). 따라서 최소한 상기의 압력에 견딜 수 있는

역학적 특성을 가지고 있어야 하기 때문에 강도를 증가시키 는 방법을 선택하였다 .

3. 터널 내화용 시멘트계 재료 결정을 위한 기초실험 터널 내화용 재료는 골재의 내화도가 높아 화재시

1,200

C ^{의 온도에도 변형이 없으며 폭렬 방지와 단열성능을}

중점사항으로 하고 있다 . 이러한 성능을 만족하기 위하여 일 반적으로 변형이 없으면서도 단열성능이 우수한 경량골재를 사용하고 폭렬의 가능성을 최소화하기 위하여 PP 섬유를 사 용하였다 . 또한 뿜어 붙이기 공법을 적용하기 위해서는 급결 성능이 필요하며 이를 만족하기 위하여 급결제를 사용하였 다 . 본 연구에서는 터널 내화용 재료의 개발을 위한 기초실 험으로 시멘트종류별 , 골재종류별 , PP 섬유 종류별 내화시험 을 실시하여 터널 내화용 재료로 적합한 재료를 선택하고자 그림 1. 내화용 시멘트계 재료 개발을 위한 연구계획

표 1. 터널 내화용 시멘트계 재료의 목표 물성 구 분 기존 제품 목 표 물 성

압축강도 (MPa) 7 20 이상

휨 강도 (MPa) 2 4 이상

부착강도 - 1 이상

Heat resistance(1,200

C ) 양 호 양 호

Initial set(hrs:min) 30 분 5 분 이내

길이변화율 ± 1.5% ± 1.5 %

하였으며 , 급결제 첨가율별 응결시간을 측정하여 뿜어 붙이 기 적용시 적합한 사용량을 결정하고자 하였다 .

3.1 내화용 재료에 적용될 시멘트 종류 결정

일반적으로 시멘트 종류에 따라 내화도의 차이를 나타내는 데 알루미나 시멘트는 수화될 때 소석회가 분리되지 않으므 로 고온 수열시 생석회의 영향을 받지 않아 내열성이 높아

지는 것으로 알려져 있다 (Khoury 등 , 1997). 그러나 일반적

으로 보통 , 조강 , 중용열 및 플라이애시 시멘트를 사용한 콘

크리트는 20

C~300

C 에서 노출할 경우 시멘트의 종류에 따

른 각 종 특성치의 영향이 없다고 알려져 있다 . 따라서 시 멘트 성분보다는 모르타르 및 콘크리트를 구성하는 골재 성 분들이 내화성능에 보다 큰 영향을 미치는 것을 판단할 수 있었다 . 본 연구에서는 이와 같은 기존 자료를 근거로 보통 포틀랜드시멘트를 내화용 시멘트로 적용하기로 결정하고 기 존 제품과 화학적 조성 및 내화실험을 실시하여 성능을 평 가하였다 . 시멘트의 종류를 결정하기 위하여 기존 내화용 재 료에 사용되고 있는 시멘트와 보통포틀랜드시멘트의 화학적

조성을 평가하기 위하여 XRD ^{분석을 실시하였다} . ^분석결과

는 그림 2 와 같다 .

분석결과 보통포틀랜드시멘트와 유사한 결과를 가지고 있 음을 알 수 있었다 . 또한 상용제품에 적용된 시멘트와 보통 포틀랜드시멘트의 열에 대한 균열 및 파괴 , 폭렬 등의 영향 을 파악 하고자 내화 성능을 평가하였다 . 실험방법은 물 - 시 멘트비를 0.4 로 하여 시멘트 페이스트를 제작한 후 1 일 양 생 후 내화로에 넣고 균열 및 파괴 , 폭렬 등 외관 상태를 관찰하였다 . ^{실험 결과 시멘트의 종류 및 성분은 초기의 경}

화속도 ( 초기강도 ) 및 균열에서 만 미세한 차이를 보일뿐 파

괴나 폭렬은 발생하지 않았다 . 따라서 본 연구에서는 보통 포틀랜드시멘트를 사용하기로 결정하였으며 물리·화학적 특 성은 표 2 와 같다 .

3.2 내화용 골재의 결정

고온에서는 시멘트 경화체와 골재는 각기 다른 수축 팽창 성상을 나타낸다 . 이 때문에 고온으로 가열된 콘크리트의 특 성은 사용 골재의 성질에 영향을 받는 것으로 알려져 있다 .

따라서 제품 설계의 특성 상 , 제품의 밀도는 골재의 밀도에 직접적인 영향을 받는다 . 결과적으로 균열 , 폭렬과 열전도율 의 영향을 고려하여 골재의 밀도가 작은 경량골재를 사용하 는 것이 일반적이다 (Li 등 , 2004). 표 3 은 골재의 종류에

따른 밀도 및 W/C 비를 보여주고 있다 . 표 3 에서보면 내화

용 재료로 가장 널리 사용되는 펄라이트 및 팽창질석의 경 우 밀도가 매우 작은 것을 알 수 있다 . 일반적으로 펄라이 트 및 팽창질석을 사용할 경우 강도가 감소하는 이유가 밀 실하지 않은 골재를 사용하기 때문이라는 것을 알 수 있다 .

본 연구에서는 표 3 의 골재 중 펄라이트와 팽창질석은 적 용 재료가 강도에 영향을 받기 때문에 제외하고 다른 재료 를 내화용 재료로 고려하기로 하고 일본 및 유럽에서 내화

용 골재로 널리 사용되고 있는 shell sand 와 비슷한 특성을

가진 골재를 선택 적용하고자 하였다 . 따라서 본 연구에서는 중간성질의 밀도를 가진 중탄을 내화용 재료로 고려하여

shell sand 와 비교시험을 실시하였다 . 또한 본 연구에서는 중

탄과 shell sand 의 조성을 알아보기 위해서 XRD 분석결과

를 실시하였으며 분석결과그림 3 과 같이 shell sand 역시 주요성분이 석회석임을 알 수 있다 . ^표 4 ^{는 본 연구에 적용}

그림 2. 상용제품과 보통포틀랜드시멘트의 XRD 분석결과

표 2. 시멘트의 물리·화학적 특성

Physical properties

Fineness

(cm

/g) Specific

gravity Stability (%)

Setting time Compressive strength (MPa) Initial

(min) Final

(min) 3

days 3

days 28

3,200 3.15 0.02 220 400 20 30 days 38

Chemical

properties Loss on ignition (%) MgO (%) SO

(%)

1.5 3.0 2.0

표 3. 골재의 종류에 따른 밀도

골재 종류 대리석 화강석 중탄 유리소성球 펄라이트 팽창질석

밀 도 대 (1.75) (0.25) 소

그림 3. Shell sand와 중탄의 XRD 분석결과

된 중탄의 입도분포 및 조립율을 나타낸다 .

중탄의 내화특성을 알아보기 위하여 shell sand 와 내화시 험을 실시하여 폭렬 특성을 평가하였다 . 실험은 시멘트 : 골 재 비를 1:1.5, 물 - 시멘트비 0.4 로하여 20 × 100 × 100mm 의 시편을 제작하고 28 일 양생 후 실험을 실시하였다 . 이때 시 멘트는 보통포틀랜드시멘트를 사용하였다 . ^{시험결과 중탄 및}

shell sand 에서 모두 폭렬이 발생하지 않았으며 , 표면 균열

역시 거의 발생되지 않았다 . 중탄의 경우 shell sand 에 비하

여 밀도가 약간 크기 때문에 강도 측면에서 shell sand 에

비하여 우수한 성능을 발휘할 것으로 판단되기 때문에 중탄 을 내화용 재료로 적용하고자 하였다 . 다만 밀도가 크기 때 문에 뿜칠시 재료의 리바운드량이 커지고 내화성능이 다소 떨어질 수 있는 가능성이 있어 이를 해결하기 위하여 리바 운드량 감소를 위하여 급결제를 적용하고 , 내화성능 향상을 위하여 PP 섬유를 첨가하고자 하였다 .

3.3 PP섬유 길이 및 직경 결정

기존 자료에서 살펴보면 콘크리트의 폭렬을 저감시키는 재 료는 PP 섬유가 가장 효과적인 것으로 나타나 있다 . 본 연구 에서도 PP 섬유의 효과를 파악하고자 길이 및 직경별로 실험 을 실시하였다 . 실험방법은 물 - 시멘트비 0.4, 시멘트 : 골재 비

는 1:1.5 로 모르타르 공시체를 제작하였으며 섬유의 혼입률을

0.25% 로 하였다 . 비빔은 시멘트와 골재를 넣고 30 초간 건비

빔을 실시한 후 물을 첨가한 후 1 분 30 초간 비빔을 실시하 였다 . ^{그리고 섬유를 첨가한 후 섬유의 충분한 분산성을 확보}

하기 위하여 추가적으로 3 분간 비빔을 하였다 . 표 5 는 PP 섬 유의 길이별 특징을 나타내고 있으며 , 표 6 은 PP 섬유의 물성 을 나타내고 있다 . 내화실험은 제작한 공시체를 28 일간 양생 후 내화로에 넣고 폭렬 및 표면균열상태 등을 육안관찰을 통 해서 실시하였다 . 실험결과는 3 종류 모두 거의 유사한 결과를 나타냈는데 모든 시편에서 폭렬이 발생하지 않았고 표면에서 파괴 및 균열이 현저하게 감소하였다 . 이는 PP 섬유의 용융점

이 160

C~180

C ^{사이로 낮은 온도에서 융해되어 고온에 노출}

된 콘크리트의 내부 공급압인 수증기압을 밖으로 배출시킬 수 있게 경로를 형성하기 때문이다 (Pierre 등 , 2001; Kondur 등 ,

2004). 본 연구에서는 이러한 실험결과를 기본하여 상대적으

로 작은 길이보다는 큰 길이의 제품에 골고루 분포되어 공극 압 및 수증기압이 배출될 수 있는 경로 역할에 보다 유리하

리라 판단되어 개발하는 터널 내화용 재료에 길이 18mm PP

섬유를 사용함이 적절하다고 판단하였다 .

3.4 급결제 사용량 결정

개발된 내화용 시멘트계 재료는 뿜칠 공법을 이용하여 콘 크리트 라이닝 표면에 적용하도록 하고 있다 . 그러나 뿜칠 공법을 적용할 경우 초기강도를 확보하지 않으면 재료의 탈락 및 리바운드 등이 발생한다 . ^{특히 본 연구에서는 밀}

도가 기존 재료보다 큰 중탄을 내화용 재료로 사용하였다 .

따라서 중탄의 사용으로 인한 리바운드량을 감소시키기 위 하여 급결제를 사용할 필요성이 발생하였다 . 또한 공용중인 도로터널이나 철도 터널의 경우 충분한 강도를 얻기 전에 교통이 개방되면 표면 압력에 의하여 내화용 재료의 탈락 및 박락 등이 발생할 수 있다 . 따라서 본 연구에서는 내화 용 재료의 초기 강도 확보를 위하여 표 7 의 특성을 가진 광물계 급결제를 사용하였으며 표 8 은 광물계 급결제 사용 량별 관입저항 값을 보여주고 있다 . 터널 내화용 재료 개 발을 위한 기초실험 중 관입저항에 의한 응결시간 측정은 급결제량이 증가할수록 급결력이 증가함을 보여주고 있다 .

그러나 초기 급결력이 저하하면 리바운드량이 과다 발생하 고 너무 빠르면 라이닝 표면이 거칠어지는 단점이 발생한 다 . 시험결과 급결제 사용량이 증가할수록 급결력은 증가하 였다 . 그러나 같은 급결제량을 사용하더라도 급결제를 미리 첨가하여 프리믹스 타입으로 포장된 개발품이 급결제를 나 중에 첨가한 개발품의 관입저항 값 보다 더 크게 측정되었 다 . 이는 시공시 내화용 터널 라이닝 모르타르 제품을 포 장단위로 급결제를 첨가한 프리믹스 타입이 더 효율적이라 사료된다 .

표 4. 중탄의 체분석 결과

체치수 (mm) ^{각 체에 남은 잔류량} (wt%) _조립율

(F.M)

8 16 30 50 100 170 Under

잔류량 7.7 21.6 30.8 28.6 8.3 under : 3.0 2.83

표 6. PP섬유의 물성

명칭 재질 흡습성 비중 융해점

(

C ) ^발화점 (

C ) ^{인장탄성계수} (MPa) ^기타 PP ^망사형

(PM type) Homopolymer

Polypropylene ^없음 0.91 162 590 350~770 ^{내알카리성} _내산성

표 5. PP섬유의 사용량 및 길이별 특징

구 분 사 용 량 두 께 융 점

길이 2mm 0.25 % 1.8 데니아 160 ~ 180

C

길이 3mm 0.25 % 1.2 데니아 160 ~ 180

C

길이 18mm 0.25 % 2.1 데니아 170 ~ 185

C

표 7. 광물계 급결제의 기본물성

주 성 분 형 태 비 중 pH

특성 C

A

연회색 분말 2.76 11.7

표 8. 광물계 급결제 사용량별 관입저항 항목

제품명

관 입 저 항 (MPa) 급결제

(C 사용량 × %) 1 ^분 3 ^분 5 ^분 10 ^분 15 ^분

외부첨가 급결제

0.0 0.0 0.8 2.4 3.9 0.5 0.0 0.8 5.5 9.8 12.9 1.0 1.0 3.1 8.0 11.8 16.7 2.0

내부첨가 급결제 0.0 1.2 7.1 11.4 15.7 1.0

4. 개발된 터널 내화용 시멘트계 재료의 내화성능 평가

뿜어 붙이기공법을 적용하기위하여 상기와 같이 개발된 터 널 내화용 시멘트계 재료의 성능을 평가하기 위해서 본 연 구에서는 표 1 에서 제시한 목표성능과 현재 유럽에서 적용 되고 있는 내화용 제품과 비교하여 성능을 평가하였다 . 개발

된 제품에 사용된 PP 섬유는 길이 18mm 에 두께 2.1 데니아

이며 0.25% 를 혼입하고 있다 . 또한 보통포틀랜드시멘트를

사용하였으며 , 예비실험에서 내화성능이 우수한 중탄을 내화 용 골재를 사용하였다 . 개발된 재료는 뿜칠 및 수작업으로 동시에 시공 할 수 있게 만들어진 제품으로 비빔시 물 - 내화

용 재료비는 0.395 이다 . 또한 본 연구에서 비교대상으로 삼

은 유럽에서 적용되고 있는 내화용 재료는 뿜칠 및 수작업 이 모두 가능하며 일반적인 물리·역학적 성능은 Table 9 와 같다 .

4.1 응결시간

광물계 급결제를 1% ^{첨가한 터널 내화용 시멘트계 재료}

의 초기 부착 성능의 향상과 뿜어 붙이기방식의 시공 방법

에 대한 리바운드 감소를 위해 KS F 2436( 관입저항침에

의한 콘크리트 응결시간 시험방법 ) 에 준하여 관입저항을 측 정하였다 .

개발된 터널 내화용 시멘트계 재료의 응결시간 시험결과는 표 10 과 같다 . 상용 제품의 관입저항은 급결제를 사용하지 않았기 때문에 15 분 후에도 급결력을 보이지 않고 있으나 시멘트 광물계 급결제를 1% ^{첨가하여 프리믹스 타입으로 개}

발된 터널 내화용 시멘트계 재료의 관입저항은 3 분후부터 초기 경화와 함께 안정된 급결력을 나타내고 있다 . 따라서 급결제 1% 의 사용은 리바운드 감소와 초기 부착을 향상시 킬 것이라 판단된다 .

4.2 압축강도

개발된 터널 내화용 시멘트계 재료의 압축강도 특성을 알

아보기 위하여 KS L 5105( 수경성 시멘트 모르타르의 압축

강도 시험방법 ) 에 준하여 압축강도실험을 실시하였다 . 50 × 50 × 50mm 입방체 몰드의 1 일 , 7 일 , 28 일 압축강도를 측 정하였으며 실험은 재령당 3 개씩 2 회 반복하여 평균값으로 평가하였으며 결과는 그림 4 와 같다 . 재령 28 일에 20MPa

이상을 목표 강도를 만족하는 평균 20.89MPa 의 압축강도를

보였다 . 반면 상용제품의 압축강도는 재령 1 일에는 완전한 경화가 이루어지지 않았으며 재령 7 일 및 28 일 압축강도는

각각 4.05MPa 와 7.44MPa 의 낮은 강도결과를 보였다 . 개발

된 터널 내화용 시멘트계 재료의 경우 광물계 급결제를 사 용하여 초기강도발현에 증진을 보였는데 , 이는 초기에 다량 의 에트린자이트를 생성하는 광물계 급결제의 특징으로 내 부의 조직이 치밀해졌기 때문이라 판단된다 . 또한 상용제품 은 급결제를 사용하지 않이 초기강도가 낮았으며 , 다공성의 경량골재를 사용함으로써 압축강도가 크지 않았다 . 그러나 개발된 제품은 밀도가 상대적으로 큰 중탄을 사용하였기 때 문에 강도가 크게 나타났다 .

4.3 휨강도

개발된 터널 내화용 시멘트계 재료의 휨강도 특성을 알아

보기 위하여 KS F 2477( 폴리머 시멘트 모르타르의 강도

시험방법 ) 에 준하여 휨강도를 측정하였다 . 본 시험은

40 × 40 × 160mm 공시체를 3 개씩 제작하여 재령 1 일 , 7 일 , 28 일의 휨강도를 측정하였다 . 시험은 2 회 반복하여 실시하였 으며 평균값으로 결과를 평가하였다 .

개발된 터널 내화용 시멘트계 재료의 휨강도 역시 압축강

도와 비슷한 경향을 보여 주었다 ( 그림 5). 상용제품의 경우

재령 1 일에는 경화가 제대로 이루어지지 않았으며 재령 7 일

에는 1.88MPa ^{의 강도 값을 나타내었으며 재령} 28 ^일에는

2.77MPa 의 강도 값을 나타내었다 . 개발된 제품의 휨강도는

목표 강도 4 MPa 을 상회 하였다 . 그러나 급결제의 사용으

로 초기강도 증진을 가져오리라는 예상과 달리 1 일 휨강도 에서는 강도 증진의 효과가 없었다 . ^{이는 경량골재를 사용함}

으로써 골재 자체의 강도가 일반적인 골재의 강도보다 작기 때문이라 판단된다 .

4.4 부착강도

시험용 밑판을 제작하기 위하여 KS L 5105 에 따라 배합

표 9. 상용제품의 물리·역학적 특성

구 분 기존 상용제품

타설 시스템 습 식 법

밀 도

(kg/ ㎥ ) ^슬러리 1.4 ^± 0.1

28 일 1.2 ± 0.1

압축강도 (MPa) 7

휨 강도 (MPa) 2

Heat resistance (1200

C ) 양 호

Initial set (hrs:min) 30 분

max particle size 4 mm

Package 3 포장

팽 창 성 능

팽 창 율 -

길이변화율 -

표 10. 개발된 터널 내화용 시멘트계 재료의 관입저항 결과 항 목

재료

관 입 저 항 (MPa) 급결제

(C 사용량 ^× %)

1 ^분 3 ^분 5 ^분 10 ^분 15 ^분

개발품 0.0 1.2 7.1 11.4 15.7 1.0

상용제품 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 2.5 그림 4. 개발 및 상용화된 터널 내화용 시멘트계 재료의 압축강도

한 모르타르를 안쪽 치수 70 ^× 70 ^× 20mm ^{의 금속제 거푸집을}

사용 성형시켜 온도 20 ± 3

C, 습도 80% 이상의 상태에서

24 시간 양생시켜 탈형한 후 6 일 동안 20 ± 2

C 의 물속에서

양생하였다 . 다시 양생실에서 온도 20 ± 2

C, 상대습도 60 ±

10% 의 조건으로 7 일 이상 양생하였다 . 그 후 KS L 6003

에서 규정하는 150 번 연마지를 사용하여 사용할 면을 충분 히 연마해서 시험용 밑판으로 사용하였다 . 시험용 밑판을 제 작한 후 개발된 터널 내화용 재료를 5mm 의 두께로 여러 번 얇게 도포 하여 재령 14 일 동안 기건 양생시켰다 . 그

후 중앙에 40 × 40mm 의 정사각형의 크기로 시료 도포면을

절단한 후 어테치먼트를 에폭시 수지를 사용하여 각각 부착 하였다 . 시험방법은 KS F 4716 ( 시멘트계 바탕 바름재 ) 에 의하여 부착강도를 측정하였다 . 공시체는 3 개씩 제작하였으 며 2 회 반복 실시하였으며 평균값으로 결과를 평가하였다 .

개발된 터널 내화용 시멘트계 재료의 부착강도 시험결과 는 그림 6 과 같다 . 재령 28 일의 부착강도는 평균 1.81~1.85 MPa 강도로 예상보다는 낮은 경향을 보이고 있으나 목표강 도는 만족하였다 . 반면 상용제품의 재령 28 일 부착강도의 경

우도 1MPa 보다 낮은 결과를 보였다 . 이와 같은 결과는 압

축 및 휨강도와 마찬가지로 사용된 골재와 급결제의 사용 때문이다 .

4.5 길이변화율

개발된 터널 내화용 시멘트계 재료의 시공시 팽창 및 수 축으로 인한 강도 및 내구성 저하가 우려되고 계면에서 역 학적 특성이 일체화되지 않아 탈락이 발생할 우려가 있으므 로 이에 대해 개발된 터널 내화용 시멘트계 재료의 재령별 길이변화율을 측정하였다 . ^{재료는 단면} 25.4 ^× 25.4 ^× 285.75 mm 의 시험편으로 각각 제작하여 ASTM D 696 (Standard

Test Method for Coefficient of Linear Thermal Expansion

of Plastics) 와 KS F 2424 ( 모르타르 및 콘크리트의 길이변

화 시험방법 - 다이알게이지방법 ) 에 준하여 길이변화율시험을 실시하였다 . 길이변화율은 식 (1) 과 같이 계산하였다 .

길이변화율 = (%) (1)

여기서 , X : 재령에 따른 길이 , X

: 초기 길이이다 .

측정 결과는 그림 7 과 같다 . 개발제품은 1 일 측정시 팽창 하는 결과를 가져왔으나 재령일이 지날수록 점점 수축하는 현상을 보이고 있으며 상용제품보다 안정적인 치수안정성능 을 보이고 있다 . 개발 제품은 목표 길이변화율 ± 1.5% 를 만 족하는 결과를 보여주었다 .

4.6 내화시험

개발된 터널 내화용 시멘트계 재료에 대한 내화성을 평가 하기 위해 내화시험을 실시하였다 . 내화시험은 그림 8 과 같 은 형상을 가진 내화로에서 RABT 가열곡선에 의해 실시하 였다 . 그림 9 에 보여지는 RABT 곡선은 Eureka 499 프로젝 트의 결과물로 터널내에서 화재시 유사한 온도분포를 나타 내었으며 독일에서 개발되었다 (Haukur 등 , 2004). Eureka 449 프로젝트의 RABT 곡선은 5 분내 1200

C 에 도달하여 30

분간 지속된 후 110 분 동안 냉각되는 형상을 보이고 있다 .

그러나 Eureka 449 프로젝트의 실험대상물의 최고온도는

1000

C 이하 이지만 최고온도가 지속된 시간은 대형트레일 러인 경우 최소 15 ^{분 이상} , ^{기차인 경우 최대} 80 ^{분까지 지}

속되며 지하철인 경우 최소 5 분 이상 지속된다고 보고하고 X X –

X

--- 100 ×

그림 5. 개발 및 상용화된 터널 내화용 시멘트계 재료의 휨강도

그림 6. 개발 및 상용화된 터널 내화용 시멘트계 재료의 부착 강도

그림 7. 개발 및 상용화된 터널 내화용 시멘트계 재료의 길이변 화율

그림 8. 화재시험을 위한 내화로의 형상

있다 . 이러한 결과에 따라 RABT 곡선에서 30 분간 지속되는 최고온도는 특정한 경우에 따라 60 ^{분까지 연장될 수 있다} .

또한 냉각되는 시간도 상황에 따라 달라지는데 일본에서 냉

각되는 시간은 120 분으로 정하고 있다 (Haukur 등 , 2004).

본 연구에서에서 적용한 RABT 곡선은 5 분내 1200

C 에 도달 하여 60 분간 지속된 후 120 분 동안 냉각시키는 방법을 적 용하였다 .

시편은 일방향으로 열이 가해지도록 하여 터널 화재와 같 은 현상을 묘사하였다 . 내화 시험을 통해 폭렬 , 박리 , 균열

에 대해 육안 관찰을 하였다 . 100 × 100 × 400mm 의 시편을

재령 28 일 동안 습윤양생 후 내화시험을 실시하였다 .

개발된 터널 내화용 시멘트계 재료의 내화실험 후 표면관 측 결과는 그림 10 과 같다 . 시간가열온도곡선 중 RABT 곡 선을 기초로 내화로에 노출된 시편은 내화실험 전·후에 큰 외관적 변화는 일어나지 않았으며 폭렬 및 박리 현상도 보 이지 않았다 . 그러나 표면 관측결과 PP 섬유가 융해된 흔적 이 보였고 미세 균열이 다량 발생하였는데 이는 모르타르 내부의 열응력과 공극압에 의해 발생된 것으로 사료된다 . 또 한 내화실험 후 외부 표면이 많이 거칠어졌으며 쉽게 부스 러지는 현상이 발견됐다 . 이는 경량골재의 강도 저하 및 시 멘트 페이스트의 Ca(OH)

가 분해로 인한 페이스트와 골재 사이의 결합력 저하의 원인으로 판단된다 .

4.7 잔류 압축강도

개발된 터널 내화용 시멘트계 재료의 역학적 특성 변화를 알기 위해 내화시험 후 압축강도를 측정하였다 . 50 × 50 × 50 mm 의 입방체 몰드를 재령 28 일 후 내화로에서 RABT 곡 선에 의해 내화실험을 실시한 후 KS L 5105( 수경성 시멘 트 모르타르의 압축강도 시험방법 ) ^{에 준하여 압축강도실험을}

실시하였다 . 개발된 터널 내화용 시멘트계 재료의 내화실험

후 잔류 압축강도 결과는 그림 11 ^{과 같다} . ^재령 28 ^{일 후}

RABT 곡선에 의해 내화로에서 노출시켜 내화실험을 한 후

24 시간 뒤 압축강도를 측정하였다 . 잔류 압축강도는 평균

3.59~3.67MPa 로 잔류율이 17.17~17.58% 의 범위를 보였으며

상용제품은 잔류압축강도가 15.7% 를 나타내어 개발제품과 거의 동일한 잔류압축강도를 나타내었다 . 따라서 PP 섬유의 혼입은 폭렬방지에는 효과가 있으나 강도감소 저감 효과는 크지 않는 것으로 나타났다 . 이는 모르타르가 온도 1200

C

에 노출될 경우 골재의 변형과 시멘트 페이스트 내의

Ca(OH)

의 분해로 인한 페이스트와 골재 사이의 결합력의

저하 및 다량의 미세균열과 PP 섬유의 융해된 공간 때문에 강도가 저하되었다고 판단된다 .

4.8 열전도율

개발된 터널 내화용 시멘트계 재료는 터널 콘크리트의 열 적 손상을 저감시키기 위해 단열 성능이 우수해야 함으로 단열 성능을 평가하기 위해 열전도율을 KS F 2463( 가열판 에 의한 재료의 열 전도율 시험방법 ) 에 의하여 측정하였다 .

공시체는 KS L 3306 ( 열성법에 따른 내화벽돌의 열전도도

측정방법 ) ^{에 의하여 Φ} 150 ^× 60mm ^{의 공시체를 제작하였으며}

열전도율은 식 (2) 의하여 산출하였다 .

(2)

여기서 , λ : 열전도율 (W/mk), q : 단위 미터당 열류 속도

(W/m), t

, t

: 측정 시간 (sec), T

, T

: 측정 온도 (k) 이다 .

개발된 터널 내화용 시멘트계 재료의 열전도율 결과는 그 림 12 와 같다 . 평균 열전도율은 0.353~0.355kcal/mh

C 로

λ q ⋅ ln ( t

t

)

4 Π ( T

⁄ T

)

---

=

그림 9. RABT 시간가열곡선

그림 10. 내화시험 전후의 공시체의 표면사진

그림 11. 개발 및 상용화된 터널 내화용 시멘트계 재료의 잔류압 축강도율

그림 12. 개발 및 상용화된 터널 내화용 시멘트계 재료의 전도율

보통콘크리트보다 3~4 배 낮은 열전도율을 가지며 경량골재 를 사용한 경량단열콘크리트와 유사하거나 낮은 열전도율을 나타냈다 . 또한 상용제품과 비교하여 열전도율이 약간 작게 나타났다 . 개발된 내화용 시멘트계 재료의 열전도율이 작은 이유는 열전도율에 가장 큰 영향을 미치는 골재가 경량골재 로 구성되어 있으며 PP 섬유 혼입으로 열전도율을 감소시키 는 때문에 열전도율이 작은 것으로 판단된다 .

4.9 내부온도분포

개발된 터널 내화용 시멘트계 제품의 내부온도분포를 평가 하기 위하여 내화 실험은 내화로에서 RABT 시간가열온도곡 선에 의해 실시하였다 . 시편 (10 × 10 × 40cm) 은 일방향으로 열 이 가해지도록 실시하였으며 시편의 내부온도 관찰을 위해 그림 13 처럼 열이 가해지는 표면으로부터 2, 4, 6, 8cm 에

K 형 열전대를 삽입하여 온도를 측정하였다 . 표면 온도 관찰 을 위해서는 R 형 열전대를 설치하여 측정하였다 .

그림 14 는 시간에 따른 온도 변화 및 깊이에 따른 최고 온도 변화 결과를 보여주고 있다 . 실험결과 개발된 터널 내

화용 시멘트계 재료의 경우 RABT 시간가열온도곡선에 의한

실행된 온도측정은 열이 가해지는 표면으로부터 내부 2cm

부근의 최고온도는 300.6

C 를 나타냈으며 가열된 지 105 분

이후부터 미약하게 감소하는 경향을 보였다 . 4, 6, 8cm 의

내부온도는 RABT 곡선의 열이 감소하는 이후에도 계속적으

로 온도가 상승하는 결과를 보였다 . Kodur 의 연구에 의하면

가열되는 온도가 감소되기 시작하여도 콘크리트 내부 50,

100mm 의 온도는 지속적으로 상승하거나 상승하다가 일정한

온도를 유지하는 경향을 보인다고 하였다 (Kondur 등 ,

2004). 상용제품은 65 분 뒤 최고 986.1

C 에 도달하였으며

내부 2cm 에서의 온도는 가열 후 105 분 뒤 304.2

C 의 최고

온도를 보인 후 점차 감소한 특징을 보였다 . 내부 4, 6,

8cm 의 온도는 RABT 곡선의 열이 감소하는 이후에도 계속

적으로 온도가 증가되는 현상을 보였다 . 5. 결 론

본 연구에서는 터널 구조물의 화재에 대한 안전성을 확보 하기 위하여 내화용 시멘트계 재료를 개발하기 위하여 두가 지 과정으로 나누어 연구를 실시하였다 . 첫 번째 과정에서는 재료특성에 따른 내화성능을 평가하여 기본배합비를 도출하 였고 , 두 번째 과정에서는 도출된 배합비를 적용한 제품의 성능 시험을 실시하여 목표성능 및 기존 해외에서 적용하고 있는 제품과 비교시험을 실시하였다 . 이와 같은 과정을 통하 여 본 연구에서는 터널 내화용 시멘트계 재료를 개발하였으 며 실험에 의한 결과를 요약하면 다음과 같다 .

1. 기본 배합비를 선정하기 위한 재료종류에 따른 내화실험 을 실시한 결과 시멘트는 보통포틀랜드시멘트 , 골재는 밀

도가 작은 경량골재 , PP ^{섬유는 두께가} 2.1 ^데니아인

18mm 길이의 섬유를 0.25% 를 사용하고 , 초기강도를 얻

기 위하여 광물질 급결제를 1% 첨가한 배합비를 결정하 였다 .

2. ^{개발된 터널 내화용 시멘트계 재료의 압축} , ^{휨 및 부착강}

도 시험결과 목표성능을 만족하는 우수한 성능을 보여주 었다 .

3. 터널 내화용 시멘트계 재료의 길이변화율 시험결과 1 일 측정시 팽창하는 결과를 가져왔으나 재령일이 지날수록 점 점 수축하는 현상을 보이며 목표성능을 만족하였다 .

4. 터널 내화용 시멘트계 재료는 내화실험 전·후에 큰 외관

적 변화와 폭렬 및 박리의 현상이 없었으며 , 잔류 압축강 도는 상용제품과 거의 유사한 결과를 보여주었다 . 5. 터널 내화용 시멘트계 재료의 평균 열전도율은 0.353~

0.355kcal/mh

C 를 보여주었다 .

6. 터널 내화용 시멘트계 재료의 내부온도분포를 측정한 결 과 상용제품과 거의 비슷한 결과를 얻을 수 있었다 . 또 한 두께가 증가할수록 내부온도는 작아지는 결과를 보여 주었다 .

본 연구에서는 터널 내화용 시멘트계 재료를 개발하고 이 에 대한 성능을 평가하였다 . 그러나 개발된 재료가 터널의 그림 13. 내부온도 측정을 위한 열전대 설치 형상도

그림 14. 터널 내화용 시멘트계 제품의 내부 온도 분포

2 차라이닝 부분에 적용되기 때문에 실제적인 적용을 위해서 는 내화성능을 발휘하기 위한 최적두께의 결정을 위한 추가 적인 실험과 내부온도분포 해석등이 필요할 것으로 본다 .

참고문헌

동경대학교 국제 산학공동연구센터 (2002) 신간선 콘크리트터널의 박락과 콘크리트 구조물의 열화 .

Anderberg, Y. (1997) Spalling phenomena of HPC of OC, Proceed- ing of International Workshop on Fire performance of High- Strength Concrete , NIST, USA, pp. 69~73.

Ahmed, G. N. and Hurst, J. P. (1997) An analytical approach for investigating the causes of spalling of high-strength concrete at elevated temperatures, Proceedings of the International Work- shop on Fire Performance of High-Strength Concrete , NIST Special Publication 919, pp. 95~108.

Gabriel, A. K. (2003) Passive fire protection in tunnel, Concrete for the Construction Industry , Vol. 37, No. 2, pp. 31~36.

Haukur I. and Anders L. (2004) Recent Achievents Regarding Measuring of Time-Heat and Time-Temperature Development in Tunnel, Safe & Tunnels, First International Symposium, Pra-

gue, pp. 87~96.

ITA Working group No. 6 Maintenance and repair, Guidelines for structural fire resistance for road tunnels, ITA, 2004.

Kalifa, P., Menneteau, F. D., and Quenard, D. (2000) Spalling and pore pressure in HPC at high temperatures, Cement & Con- crete Research , Vol. 30, pp. 1~13.

Kodur, V. K. R., Bilodeau. A. and Hoff, G. C. (2004) Optimization of the type and amount of polypropylene fibres for preventing the spalling of lightweight concrete subjected to hydrocarbon fire, Cement & Concrete Composites , Vol. 26, Issue 2, pp.

163~174.

Khoury, G. (2000) Effect of fire on concrete and concrete struc- tures, Progress in Structural Engineering and Materials , Vol. 2, pp. 429~447.

Li, Z., Xiangming, Z., and Bin, S. (2004) Fiber-cement extrudates with perlite subject to high temperatures, Journal of Materials in Civil Engineering ASCE , Vol. 16, No. 3, pp. 221~229.

Pierre, K., Gregoire, C. and Christophe, G. (2001) High-tempera- ture behaviour of HPC with polypropylene fiber from spalling to microstructure, Cement & Concrete Research , Vol. 31, pp.

1487~1499.

( 접수일 : 2006.2.7/ 심사일 : 2006.3.20/ 심사완료일 : 2006.5.2)