Spalling Reduction Method of High Strength Reinforced Concrete Columns Using Fibers

(1)

섬유를 활용한 고강도 콘크리트기둥의 폭렬제어방안

Spalling Reduction Method of High Strength Reinforced Concrete Columns Using Fibers

유석형^†

Suk-Hyeong Yoo

^† 진주산업대학교 건축학부

(2007. 10. 10.

접수

/2009. 8. 7.

채택

)

요 약

고강도콘크리트(HSC)는화재시 100^oC 이상에서부재내부의수분증발로인하여발생한수증기가수 밀한콘크리트에갇혀피복이탈락되는폭렬현상이발생한다. ^{콘크리트의}^폭렬을^제어할^수^있는^방안으

로는폴리프로필렌섬유(PP^섬유)^를^혼입하는^방법이^가장^효율적인^것으로^{보고되었다}. ^그러나^일정량^이

상 PP섬유의사용은폭렬저감에효과가없으며특히, 초고강도콘크리트의시공성을저하시킬것으로판 단된다. 따라서본연구에서는콘크리트강도 60MPa에서최적의 PP섬유량을도출하고 120MPa 초고강도 콘크리트에서시공성을확보하기위하여 PP^섬유를^대신하여 PP^분말^및^{폴리비닐알콜}(PVA)^섬유를^사용한

기둥실험체의내화실험및잔존강도실험을수행하였다. ^실험결과 60MPa ^{실험체에서} PP^섬유^함유량이 0%에서 0.2%까지 증가 할수록 잔존 축강도비는 68%에서 85%까지 증가하였으나, PP섬유 함유량이

0.2% 이상에서는잔존강도의증가가거의나타나지않았다. 또한, 120Mpa 실험체에서내화성능과시공성 을함께고려할경우 PVA^섬유가^가장^합리적인^것으로^나타났다.

ABSTRACT

As the concrete strength increases the degree of damage caused by the spalling becomes more seri- ous because of the permeability. It is reported that the polypropylene (PP) fiber has an important role in protecting concrete from spalling. However, the excessive usage of PP fiber would not useful in spalling control and would decrease the workability of ultra high strength concrete. The high-temperature behaviors of high-strength reinforced concrete columns with various dosage of PP fibers and three types of fire endurance fibers were observed this study. In results, the ratio of unstressed residual strength of columns, in case of concrete strength 60MPa, increases as the dosage of PP fiber increases from 0% to 0.2%, however, the effect of fiber dosage on residual strength of column barely changes above 0.2% and in case of concrete strength 120MPa, PVA fiber is the most suitable fire endurance fiber in accounting fire endurance performance and workability

Key words :Spalling, Fiber, High-strength concrete, Polypropylene fiber, PVA

1. 서 론

고강도 콘크리트

(HSC)

는내구성

,

사용성 및구조적

장점 뿐 만 아니라 경제성이 보통강도 콘크리트보다 우수하여건축·토목구조물에서의활용이 점차적으로 증대되고있다

.

그러나화재시폭렬현상과함께부재

가취성적인거동을하게되는단점을지니고있다

.

폭 렬현상은 화재시부재내부의 온도가

100

^o

C

이상에서 수분증발로인하여발생한수증기가수밀한콘크리트 에 갇혀 발생하므로

HSC

와 같이 투기성이 낮을수록 폭렬현상이심하게나타난다

.

따라서

HSC

의폭렬발생 메카니즘을관찰하여이에영향을미치는요인을규명 하고 재료적

,

구조적 대안을 강구하기 위한 연구⁽¹⁾와 기술개발이필요하다

.

†E-mail: [email protected]

(2)

콘크리트의폭렬을제어할수있는방안으로는폴리 프로필렌 섬유

(PP

^섬유

)

^를 ^혼입하는^방법이 ^가장 ^경제

적이고 효율적인것으로 보고되었다

.

²⁾ 일반적으로 폭 렬은

190

^o

C~250

^o

C

사이에서발생하는데비하여

PP

섬 유는

170

^o

C

에서녹는다

. PP

섬유가녹음으로써 시멘트 메트릭스에 수증기가통할수있는미세한 통로를형 성하게 되고이로써수증기압이낮아지게된다

.

³⁾

PP

섬유를활용하여

HSC

의폭렬을제어하기위한연 구는 국내외적으로 상당히 진행되어왔으나

,

주로 최 적의

PP

^섬유^함유량^및

PP

^섬유의^대체재를^구하기^위

하여공시체를대상으로한재료적수준의연구가수행 되었다

.

그러나고온에노출된실구조물에서와같이철 근의물성치변화

,

띠철근이수분이동을방해하면서생 성되는수분막으로인한수증기압의증대⁴⁾및콘크리 트단면결손에의한구조적성능저하등을고려한부 재수준에서의 연구는매우부족한 실정이다

.

따라서 본 연구에서는

PP

섬유 함유량과 내화재 종 류를 변수로하는기둥 실험체에 대한내화실험과잔 존강도실험을수행하여폭렬현상을관찰하고잔존강도 를측정함으로써콘크리트강도

60MPa

에서최적의

PP

섬유량을도출하고

120MPa

초고강도콘크리트에서시

공성을 만족하는 섬유를선정하여최종적으로

HSC

부 재의내화설계를위한기초자료를제시하고자하였다

.

2. 실 험

2.1실험체계획및배합

총

14

개의 기둥실험체

(260 × 260 × 800mm)

를 제작 하였으며

,

실험체의배근상세는

Figure 1

과같다

.

모든실험체는피복두께

4cm,

주근비

(

ρ

) 1.69%

와가 열시단면 내온도 분포를파악하기 위하여 표면으로 부터

25, 50, 130mm

^되는 ^위치에

K type

^의 ^열전대

(Thermo couple)

를설치하였으며

,

가력시상하단부의

Table 1. List of Specimens and Mixing Proportions Concrete

Strength fck (MPa)

Concrete Strength f28 (MPa)

Binder (kg) W/B

(%) S/A (%)

Unit mass (kg/m³) Fiber Ratio

(Vol.%) Heating Specimen

W C F.A S.F G.S. S G

60 60 593 27.5 43.4 163 504 89 0 0 705 925

0 × 60-N

FiberPP

0 ○ 60-F-0

0.10.1 ^○ 60-F-1 60-P-1 0.20.2 ^○ 60-F-2 60-P-2

0.3 ○ 60-P-3

120 100 816 19 35 155 574 64 69 109 468 873

0 × 120-N

FiberPP 0.1 ○ 120-PF-1

0.2 ○ 120-PF-2

PowderPP 0.1 ○ 120-PP-1

0.2 ○ 120-PP-2

FiberPVA 0.1 ○ 120-PA-1

0.2 ○ 120-PA-2

S. gravity 1 3.15 2.18 2.15 2.91 2.60 2.67

Figure 1. Dimensions and reinforcement detail.

(3)

파괴를 방지하기위하여 이구간의 띠철근 간격을중 앙부띠철근간격

(100mm)

^의

1/2

^로^줄여서^{배근하였다}

.

또한

,

가력시축방향변형측정을위한

LVDT

의설치

를위하여 φ

5mm

^강봉을^{매립하였다}

.

실험체의변수는고강도콘크리트

(40MPa

이상

)

로서

콘크리트압축강도

60MPa

실험체는

PP

섬유함유율

0,

0.1, 0.2, 0.3%(

콘크리트에대한체적비

)

을초고강도콘 크리트

(100MPa

이상

)

로서

120MPa

실험체는섬유종류

PP

섬유

, PP

분말및

PVA

섬유를각각

0.1, 0.2%

씩혼입 하였다

.

실험체별배합계획은

Table 1

과같다

.

실제측 정된콘크리트의

28

일압축강도는

60

과

100MPa

로각 각측정되었다

.

최적의

PP

섬유 함유량에대한 구체적인 값이 국내

에서는아직제시되어있지않으나

, Kalifa

⁵⁾등은공시

체를대상으로수행한내화실험에서가열시공시체내 부의최대압력

(P

max

),

최대압력시온도

(T

_pmax

)

및최대압 력구배

(

∆

P

max

)

등과같이 폭렬현상에직접적으로관련

되는 인자들을관찰하여

Figure 9

와같이

PP

섬유함유

량이

1.75kg/m

³

(

체적비

0.19%)

까지 증가 할수록 폭렬 제어에 효과가 있으나 그 이상에서는 효과가 적음을 확인하였다

.

본연구에서는이러한재료실험결과를바 탕으로실구조물과유사한조건에서최적의

PP

섬유함 유량을 확인하기위하여 기둥 실험체를제작하고

PP

섬유함유량을

0, 0.1, 0.2

및

0.3%

로계획하였다

.

초고강도콘크리트는낮은물

-

결합재비로인하여소 량의

PP

섬유혼입에도시공성에크게저하하므로시공 성까지 확보할수있는섬유의선택이중요하다

.

김무

한⁶⁾ 등은초고강도콘크리트에서 시공성확보를 위해 섬유표면을특수처리한신기술들을소개하였으며한 천구⁷⁾등은

PP

^섬유^대신^친수성의^{폴리비닐알콜}

(PVA)

섬유를사용하여시공성을확보하기위한실험에서예 상과달리

PVA

^섬유가 ^시공성이^더^낮은^것으로 ^나타

났는데이는형상비의영향때문인것으로보고하였다

.

본연구에서는초고강도콘크리트에서 시공성 비교 를위해

PP

섬유

, PP

분말및

PVA

섬유를비교하였으며

,

PP

섬유및

PVA

섬유의물리적 특성및재원은기존연

구⁸⁾결과를 참조로 폭렬에 가장유리한 길이

(19mm)

와

직경

(0.07mm

및

0.012mm)

을택하였다

.

각섬유의 물 리적성질은

Table 2

와같다

.

2.2시공성

콘크리트에혼입된

PP

섬유는콘크리트강도가 증가 할수록더욱많은양이요구되며

,

이로인하여콘크리 트의 시공성이더욱 낮아지게 된다

.

따라서 콘크리트

강도

120MPa

에서 내화재로 사용되는 섬유의 종류를

Table 2. Physical Properties of Fibers

Material Specific Gravity Length (mm) Diameter (mm) Melting Point (^oC) Tensile Strength (MPa)

Polypropylene Fibrer 0.9 19 0.07 162 400-550

Polypropylene Powder 0.9 1 0.07 162 400-550

Polyvinyl Alcohol Fiber 1.26 19 0.012 220 700-2,000

Figure 2. Shape of fibers.

Table 3. Properties of Fresh Concrete

Specimen Slump (cm) Flow (cm) Air (%) Specimen Slump (cm) Flow (cm) Air (%)

60-N 18 27 3.6 120-N

60-F-0 18 28 2.1 120-PF-1

60-F-1 18 27 1.9 120-PF-2

60-P-1 19 29 2 120-PP-1 15 21 1.7

60-F-2 17 28 2 120-PP-2 22.5 33 2.1

60-P-2 18 26 1.5 120-PA-1 20.5 26.5 1.8

60-P-3 17 25 1.7 120-PA-2 24 60 2.0

(4)

달리하면서시공성과폭렬발현의차이를비교하였다

. Table 3

^에^{나타난바와}^같이

60MPa

^의^경우

PP

^섬유의

혼입량이

0.2%

에서

17-19cm

의적정한슬럼프가확보되

는것을알수있다

.

^그러나

120MPa

^에서

PP

^섬유를

0.1%

및

0.2%

혼입한경우슬럼프및플로어값의측정이불

가능할정도로시공성이안좋았으며

, PP

분말의슬럼프 는혼입률

0.1%, 0.2%

에서각각

15cm, 22.5cm

로나타났 고

,

플로어는

21cm, 33cm

로나타났다

. PVA

섬유의슬럼 프는

0.1%, 0.2%

에서각각

20.5cm, 24cm

로나타나기존 의연구⁷⁾와는상반된결과를보여주고있는데이는본 연구에서는콘크리트배합시친수성의

PVA

섬유를가 장늦게투여함으로써분산성은다소떨어지더라도시 공성을적게저하시켯기때문인것으로판단된다

.

2.3가열및잔존강도실험

가열시실험체상·하단부부분의폭렬을방지하기 위하여 세라믹롤을 사용하여

190mm

폭으로 감쌓으며

,

나머지 중간의

420mm

구간은 실험구간으로서화재에

노출하였다

.

국제기준인

ISO 834-1

을기초로하고있는

KS F 2257-1(

건축구조부재의내화시험방법

)

에따라서

식

(1)

과같이정의된온도곡선을따라가열하였다

.

T = 345log

10

(8t + 1) + T

0

(1)

화해를입은기둥실험체의잔존강도측정을위하여

Figure 3

과같이

1000t

용량의

UTM

에실험체를설치 하여 축 하중강도를측정하였다

.

상하단부 부분은 가 열전에세라믹롤로감싸폭렬을방지하였고

,

가열후 그리고가력전에탄소섬유를상하단부에부착하여주

두부분의 파괴를방지하였다

.

중심축하중가력에도불 구하고임의적으로발생한폭렬에의하여단면이불규 칙하여 가력 시편심이 미소하게발생하였으나

,

전체 적인파괴양상은 중심축하중파괴와비슷한 양상을 나 타내었으며이는 기둥양측면에서계측된처짐의 차 이를비교함으로써 확인하였다

.

3. 실험결과 및 분석

3.1폭렬양상

120MPa

실험체의섬유종류에따른폭렬양상은

Figure

4

에나타낸바와같다

. PP

분말 실험체의경우철근이

노출되고 열에노출된면적중

88%, 74%

에서폭렬에

의한피복탈락현상이일어나폭렬이

PP

섬유실험체에

비하여심하게발생되어

Table 3

에서와같이

PP

섬유에

비하여 시공성은 우수하나 폭렬제어에는 효과적이지 않음을알수있다

.

PVA

섬유

0.1%

를 혼입한 실험체의경우 거의 모든

부위에서 폭렬이 일어났으나 철근의 노출현상까지의 폭렬이 나타나지않으면서전반적으로균일한 폭렬이

Figure 3. Specimen setting. ^{Figure 4.} Spalling shapes according to fiber types (120MPa).

(5)

일어난 것을볼수있으며

,

함유량

0.2%

의경우모서 리부분과면에서약간의폭렬이일어난것을볼수있다

. PP

섬유함유량에따른폭렬상태를나타내는

Figure 5

를보면

PP

^섬유량을^{증가시킬수록} ^{폭렬정도가}^감소함

을확실하게확인할수있다

.

폭렬현상은내부온도분포곡선을통하여도확인할수 있다

. PP

섬유량에따른고온에서콘크리트내부온도분

포의차이를관찰하기위하여실험체의

25mm

위치에

서 계측한 온도

-

시간 곡선을

Figure 6

에 비교하였다

.

Figure 6

에서보면 폭렬이 발생한

PP

섬유 혼입율

0%

실험체의 피복깊이

25mm

위치에서온도가 급격히상

승하고있다

.

^섬유^종류에^따른^내부온도^분포^특성을

비교한

Figure 7

을보면

, PP

분말실험체가 가장 급격

한온도상승곡선을 나타내었는데

,

^이는

Figure 4(a)

^에

서와같이

PP

분말실험체에서피복의 탈락이가장심 하게발생되었기 때문이다

.

또한

PP

섬유가 가장 온도 변화가작아피복의 탈락이적음을 확인할수있다

.

3.2잔존강도

실험체의가열이후의잔존축하중강도

(P

f

)

^를^각^콘

크리트강도별로비가열기준실험체

(60-N

및

120-N)

의 최대축하중

(P

s

)

으로나누어잔존축강도비

(P

f

/P

s

)

를구 한후

PP

섬유함유량및내화재종류에따라비교하였 다

.

가열하지않은기준실험체

60-N

및

120-N

의최대 중심축하중은각각

3,664

및

6,860kN

으로나타났다

.

PP

섬유함유량에따른기둥실험체의 잔존축강도

비를나타내는

Figure 8

을보면

PP

섬유함유량이

0%

에서

0.1%

까지변화가 거의없다가

0.1%

에서

0.2%

까 지증가하여공시체실험결과인

Figure 9

와는차이를보

이고있으나

, 0.2%

이상에서는잔존강도비가거의증

가하지않고있음을알수있다

.

이는

Figure 9

와같이

Kalifa

⁵⁾가 공시체를 대상으로 수행한 내화실험결과의

PP

섬유함유량과 최대압력구배의관계에서나타난 바 Figure 5. Spalling shapes according to fiber dosage.

Figure 6. Temperature-time curve (60MPa, 25mm).

Figure 7. Temperature-time curve (0.1%, 50mm). Figure 8. Residual strength according to PP fiber dosage.

(6)

와유사한결과로서

PP

^{섬유함유량}

0.2%

^가^{폭렬제어에}

최적인 것으로판단된다

.

섬유 종류에 따른잔존 강도비는

Figure 10

에나타

난바와 같이 섬유함유량이

0.1%

일 경우에는 별다른

차이가없으나섬유

0.2%

^일^경우에는

PP

^섬유

(76%) >

PVA

섬유

(71%) > PP

분말

(63%)

순으로 잔존강도비를 나타내고 있어

PP

^섬유를 ^혼입한 ^경우 ^{내화성능이} ^가

장좋은것으로나타났다

.

그러나

Table 3

과같이시공

성을 함께 고려할 경우

PVA

섬유를 혼입한 실험체가 내화성능은 다소부족하지만 시공성이 확보되므로초 고강도 콘크리트에서는가장 합리적인 섬유로서사용 될수있을것으로판단된다

.

4. 결 론

1) PP

섬유함유량을

0%

에서

0.2%

까지증가시킬경

우 기둥부재의 잔존축강도비는 증가하였으나

,

그이 상증가시킬경우잔존강도비의차이는거의나타나지 않았다

.

따라서

PP

섬유함유량

0.2%

가폭렬제어에임계 치인것으로 판단된다

.

2)

배합강도

60MPa

에서

PP

섬유를

0.2%

혼입한경 우적정한시공성을확보하였으나

, 120MPa

^의^경우^슬

럼프측정이불가능했다

,

그러나

PP

분말과

PVA

섬유를 혼입한 콘크리트의 슬럼프와 플로어값은

PP

섬유보다 크게나타났다

.

3)

초고강도콘크리트에서섬유종류에따른잔존강 도비는

PP

섬유

(76%) > PVA

섬유

(71%) > PP

분말

(63%)

순으로잔존강도비를나타내었다

.

4)

내화성능과시공성을함께고려할경우초고강도 콘크리트에서는

PVA

^섬유가 ^가장^합리적인 ^섬유인 ^것

으로판단된다

.

감사의 글

이논문은

2008

년도 정부재원

(

교육인적자원부 학술

연구조성사업비

)

으로한국학술진흥재단의지원을받아 연구되었음

(KRF-2008-331-D00639).

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Figure 9. Maximum pressure gradient according to PP fiber dosage.

Figure 10. Residual strength according to kind of fibers.