Spalling Reduction Method of High-Strength Reinforced Concrete Columns Using Insulating Mortar

단열모르타르를 이용한 고강도콘크리트 기둥의 폭렬저감 방안

Columns Using Insulating Mortar

유석형·임서형^†

Suk-Hyeong Yoo · Seo-Hyeong Lim^† 경남과학기술대학교 건축공학과

(2011. 1. 28. 접수/2011. 10. 13. 수정/2011. 12. 9. 채택) 요 약

고강도 콘크리트는 구조적인 장점에도 불구하고 화재 시 폭렬과 함께 취성적인 파괴를 나타내는 단점으 로 인하여 실구조물에 적용 시 주의하여 사용하여야 한다. 신축되는 고강도 콘크리트구조물의 폭렬제어를 위하여 많은 연구가 진행되어 왔으나, 사용 중인 고강도콘크리트 구조물의 폭렬제어방안에 대한 연구가 부 족한 실정이다. 본 연구에서는 사용 중인 고강도 콘크리트 구조물의 내화성능을 향상시키기 위한 내화 마 감재로서 미세공극과 유기섬유를 활용한 공극구조의 개선으로 단열성을 확보한 신개념의 무기질 내화 모 르타르를 개발하고자 한다. 잔골재 종류, PP섬유 혼입량 및 마감두께를 변수로 하는 내화모르타르에 대한 재료시험 및 실구조물에 대한 내화시험을 통하여 내화성능을 평가하였다. 재료시험결과 다공질의 경량골 재를 사용한 모르타르의 열전도율은 일반 잔골재에 비하여 크게 낮아졌으며, 기둥부재 내화시험결과 경량 잔골재의 사용으로 내화시간이 20분, 마감두께를 10 mm에서 20 mm로 증가시킬 경우 10분 그리고 PP섬 유를 0.6 % 혼입함으로써 4분 증가하였다.

ABSTRACT

High Strength Concrete (HSC) has a disadvantage of the brittle failure under fire due to the spalling.

The studies on spalling control method of new constructed HSC buildings were performed enough, but the studies on existing buildings are insufficient. The new inorganic refractory mortar is developed in this study. The insulating capacity is enhanced by using light weight fine aggregate and polypro- pylene (PP) fiber. In results of material test, the thermal conductivity of light weight fine aggregate get lower than general fine aggregate. And in results of column test, the fire resisting time is delayed 20 minutes by using light weight fine aggregate, 10 minutes by increasing finishing depth from 10 mm to 20 mm and 4 minutes by using 0.6 % PP fiber.

Key words : Spalling, Fire resistance, High-strength concrete, Light weight fine aggregate, Polypropylene

1.

연구배경 및 목적

최근의 건축 및 토목 구조물은 초고층화, 초대형화 의 추세로 인하여 고강도 콘크리트 사용이 점차 증가 하고 있으며, 국내에서는 최근 60층 정도 규모의 고급 주거 복합기능 시설을 비롯한 초고층건축물에 고강도 콘크리트가 적용되어 활발히 건설되고 있다. 그러나 고 강도 철근콘크리트 부재는 화재 시 폭렬(spalling) 현상

과 함께 부재가 취성적으로 붕괴되는 위험성이 있는 것으로 보고되면서 사회적으로 불안감이 조성된바 있다.

따라서 국토해양부에서 고강도 콘크리트 부재의 내 화성능관리기준¹⁾을 고시하면서 향후 신축되는 50 MPa 이상의 고강도 콘크리트 구조물은 반드시 폭렬에 대한 검토와 대책을 마련하도록 하여 일부 불안감은 해소되 었다. 신축 되는 콘크리트 구조물의 폭렬저감방안으로 써 일반적으로 PP섬유(Polypropylene fiber)를 콘크리트 타설시 혼입하는 것이 가장 효과적인 것으로 알려져 왔으며,^2-5) 국내에서도 이에 대한 상당한 연구^6-8)가 진

†E-mail: [email protected]

행되어 왔다. 그러나 고시 이전에 건축된 기존 고강도 콘크리트 구조물에 대하여는 내화성능 확보를 위한 제 도적 대책뿐 아니라 기초적인 연구조차 매우 부족한 실정이어서 이에 대한 연구 및 제도적 대책 마련이 매 우 시급한 상황이다.

본 연구에서는 기존 고강도 콘크리트 구조물의 내화 성능을 향상시키기 위한 내화 피복재로서 미세공극과 유기섬유를 활용한 공극구조의 개선으로 단열성을 확 보함은 물론 내부 수증기압을 저감시켜 폭렬을 방지할 수 있는 신개념의 무기질 피복재를 개발하고자 한다.

내화 피복재는 내화성능으로서 단열성뿐만 아니라 상온에서 마감재로서 요구되는 역학적 성능과 시공성 을 갖추어야 한다. 본 연구에서는 KS 기준에 따라 조 성된 내화모르타르의 역학적 성능을 확인하고 내화모 르타르를 기둥부재에 도포하면서 부착성을 확인하였다.

조성된 모르타르를 피복재로 하는 고강도 콘크리트 기 둥에 대한 내화시험을 수행하고 관리기준¹⁾에서 제시하 는 지침에 따라 부재의 주철근 온도가 평균 538^oC에 도달하는 시간을 피복재 변수별로 비교하여 최종적인 내화성능을 평가하였다.

본 연구에서 새롭게 개발되는 내화피복재는 기존 고 강도 콘크리트 건축물의 내화성능 개선은 물론 신축되 는 건축물의 내화설계에도 활용될 것이며, 내화 피복 재의 제조가 매우 간편하고 경제적이어서 실용화 가능 성이 높을 것으로 판단된다. 또한 향후 성능설계 개념 의 고강도 콘크리트 구조물의 내화설계기법 정립을 위 한 기초 자료로서 활용될 것으로 기대된다.

2.

실 험

2.1 내화모르타르

본 실험에서는 다공질 경량골재와 PP섬유를 활용한 공 극구조의 개선으로 단열성능이 우수한 내화모르타르를 개발하고 이를 고강도 콘크리트 기둥부재에 부착한 후 고시된 기준¹⁾에 따라 내화피복재로서의 성능을 평가하 였다. PP섬유는 160^oC에서 용융되고 340^oC에서 기화됨 으로서 화재 시 콘크리트 내부의 수증기를 배출시키는 역활을 하는 것으로 보고되었다.⁴⁾모르타르 내부에 혼입 된 PP섬유는 화재 시 기화됨으로써 미세 공극을 형성하 여 다공질 골재와 함께 모르타르의 단열성능을 높일 것 으로 기대된다. 따라서 잔골재 종류로서 일반잔골재와 경 량잔골재를 PP섬유는 혼입량 0, 0.3 및 0.6 Vol%를 변수 로 선정하였으며, 내화모르타르의 배합비는 Table 1과 같다.

내화모르타르의 역학적 특성으로서 압축강도와 휨강 도는 각각 KS L 5105 및 KS F 2408에 따라 측정하 였고, 내화성능으로서 열전도율의 측정은 KS L 9016 에 따라 측정하였으며, 시험결과는 Table 1과 같이 상 온에서 마감재로서 요구되는 역학적 성능을 만족할 것 으로 판단되며, 열전도율(W/m·K)은 일반잔골재의 경 우 1.03을 기준으로 경량잔골재를 사용한 경우 0.21~0.23 으로 크게 줄어들었으나, PP섬유의 혼입량에 따라서는 열전도율의 변화가 거의 나타나지 않았다.

2.2 실험체 제작

기둥실험체는 내화모르타르의 배합비 변수와 더불어

Table 1. Mixing Proportions and Properties of Insulating Mortar

Specimen Finishing

(mm) W/C Fine

Aggre. C : S

Unit Mass (kg/m³)

PP Fiber (Vol%)

Conductivity (W/m · K)

Compressive Strength

(MPa)

Flexural Strength (MPa)

W C S

S-0-1 10

0.38

General 1 : 3 185 486 1458

0.0 1.03 37.0 11.1

S-0-2 20

S-3-1 10

0.3 1.01 31.0 09.0

S-3-2 20

S-6-1 10

0.6 1.02 27.0 08.3

S-6-2 20

L-0-1 10

Light

Weight 1 : 0.14 234 617 85

0.0 0.23 19.1 05.5

L-0-2 20

L-6-1 10

0.6 0.21 19.0 05.9

L-6-2 20

N No finishing

마감두께 10, 20 mm를 추가하여 Table 1과 같이 총 11 개의 기둥 실험체를 제작하였다. 모든 실험체는 Figure 1과 같이 크기(300 × 300 × 700 mm)이고 실구조물과 같 이 단부의 띠철근 간격을 중앙부 띠철근 간격(100 mm) 의 1/2로 줄여서 배근하였고 피복두께 4 cm와 주근비 (ρ) 1.69 %로 배근하였다. 가열시 단면 내 온도 분포를 파악하기 위하여 Figure 1과 같이 4곳의 주근에 Ø3 깊 이 5 mm의 홈을 파고 Figure 2와 같이 중간높이에서 K type의 열전대(Thermo couple)를 설치하였다. 각각의 실험체표면은 Table 1의 변수에 따라서 내화모르타르 로 마감하였다. 사용된 콘크리트 배합비는 Table 2와 같으며, 28일 압축강도는 65 MPa로 측정되었다.

2.3 내화시험

구조부재의 내화성능을 평가하는 방법은 일반적으로 가열과 가력을 동시에 진행하는 재하가열시험방법

(Stressed Test Method), 가열시 가력을 하지 않고 내화 실험을 수행하는 비재하가열시험방법(Unstressed Test Method) 그리고 가열 후 실험체를 냉각시킨 후 가력 하는 잔존강도시험방법(Unstressed Residual Strength Test Method) 등이 있다. 재하가열시험은 화재 시 실 구조부재의 거동을 규명하거나 내화성능기준의 적합여 부를 판단하기에 가장 적합한 방법이지만 비재하가열 시험과 비교하여 시험수행방법이 다소 번거롭다. 반면, 최근 고시된 ‘고강도콘크리트 기둥·보의 내화성능관 리기준’¹⁾에서 고강도콘크리트의 내화성능평가 기준을 화재 시의 구조적성능이 아닌 온도로서 규정(주철근의 온도 평균 538^oC 최고 649^oC)하고 있어 재하가열시험 보다 쉽고 간편하게 비재하가열시험을 통하여 내화성 능평가가 가능하도록 하고 있다. 또한 비재하가열시험 은 화해를 입은 부재의 거동에 영향을 미치는 각 요인 을 비교·평가하기에 충분한 방법이다. 따라서 본 연 구에서는 내화모르타르의 조성 및 마감두께에 따른 고 강도콘크리트 기둥의 내화 성능에 미치는 영향을 비 교·평가하기 위하여 비재하가열시험을 수행하였다. 가 열은 국제기준인 ISO 834-1을 기초로 하고 있는 KS F Figure 1. Details of reinforcement and thermocouples.

Figure 2. Setting of reinforcement and thermo couples.

Table 2. Mixing Proportions of Concrete w/b

(%) s/a (%)

Unit mass(kg/m3) s.p.

W C S A S.F. (%)

20 37 127.1 520 601 1042 130 3.0

Figure 3. Specimen setting in furnace.

Figure 4. Standard time-temperature curves.

2257-1(건축구조 부재의 내화시험방법)에 따라서 식(1) 과 같이 정의된 온도곡선을 따라 가열하였으며, 가열 시 기둥의 길이방향의 온도분포 특성을 배제시키기 위 하여 상·하 주두를 Figure 3과 같이 세라믹섬유로 단 열처리 하였다.

T = 345log10(8t + 1) + T0 (1)

3.

실험결과 및 분석

3.1 폭렬양상

내화모르타르의 변수에 따른 폭렬의 양상정도를 외 형적으로 평가하기 위하여 3시간 내화시험 후 화해를 입은 실험체를 Figure 5와 같이 육안조사 하였다. 육안

조사는 폭렬발생 면적과 폭렬깊이를 관찰하여 다음과 같이 3단계의 등급으로 나누어 평가하였다.

· Minor : 폭렬이 철근까지 도달하지 않고 콘크리트 표면에 일어난 경우

· Major : 폭렬이 철근까지 도달하고 철근이 노출된 경우

· Severe : 폭렬이 띠철근의 안쪽까지 일어난 경우 가열 3시간 이후 S-0-1, S-3-2, L-0-2 실험체는 마감 이 대부분 탈락하지 않아 ‘Minor’한 등급으로 판정하 였으나, 나머지 대부분의 실험체는 모두 4면의 주근 및 띠철근이 노출될 정도로 콘크리트 피복이 완전 탈락하 여 ‘severe’로 판정하였다. 또한 Figure 5에서와 같이 대부분 실험체의 주두에서 폭렬에 의한 콘크리트의 탈 락은 나타나지 않아 길이방향의 온도변화의 영향은 배 제할 수 있을 것으로 판단된다. ‘severe’로 판정된 대 부분의 실험체의 외형적 화해 상태는 변수에 상관없이 피복이 완전히 탈락하여 변수별 비교가 불가능하였다.

이는 본 연구에서 개발한 내화모르타르의 내화성능이 3시간의 가열시간에 대부분 견디지 못하였기 때문이다.

따라서 내화모르타르의 변수별 성능평가는 가열시 실 험체 내부에 설치된 온도센서를 통하여 계측된 실험체 의 온도분포 특성을 실험변수별로 비교하여 수행하였다.

3.2 내부온도분포

실험체 내부에 설치된 온도센서에 계측된 온도데이 터를 통하여 가열 시 실험체 내부의 시간-온도 변화의 추이를 분석함으로써 화재 시 고강도콘크리트 기둥 부 재의 내화성능을 평가할 수 있다. 본 실험에서는 Figure 1과 같이 실험체마다 4곳에서 온도를 계측하였으며, 3 시간 가열 시 매분마다 온도를 측정하였다. 각 변수별 단열마감재의 단열성능 비교 평가는 고시된 기준¹⁾에 따라서 각 실험체마다 내부 평균온도가 538^oC에 도달 하는 시간을 기준으로 비교 하였다.

실험체마다 4곳의 온도계측데이터에 대한 평균 시간- 온도곡선을 구하여 전체 실험체를 하나의 그래프에서 비교하여 Figure 6에 나타내었다. 전체적으로 시간에 따른 온도의 변화는 가열 후 30분 정도, 내부 수분이 기화하기 시작하는 100^oC 이후에 온도가 급격히 상승 하기 시작하였으며, 가열 후 130분 이후부터 각 실험 체 내부온도가 노 내부의 가열온도에 까지 상승하였다.

이는 이 시간에 단열모르타르 마감뿐만 아니라 온도센 서를 감싸는 콘크리트 피복까지 탈락하여 온도센서가 화기에 완전히 노출되었음을 알 수 있다.

기준에서 제시하는 평균온도 538^oC에 도달하는 시 간은 전체적으로 80분에서 110분 사이로 나타났으며, Figure 5. Spalling condition.

본 실험의 내화마감공법은 지속적으로 단열성능을 향 상시킬 경우 2시간 내화성능을 확보할 수 있을 것으로 판단된다. Figure 7 및 Table 3~5와 같이 이시간대에 각 내화모르타르 변수별 평균온도 538^oC 도달시간을 비교함으로써 내화성능을 평가 하였다.

Table 3과 같이 잔골재 종류에 따른 내화성능을 비 교하면 일반잔골재에 비하여 경량 잔골재의 기준온도

도 538^oC 도달시간이 평균적으로 20분 정도 지연되어 내화성능이 향상됨을 알 수 있다. 이는 Table 1에서와 같이 일반 잔골재에 비하여 다공질의 경량 잔골재의 열전도율이 낮기 때문인 것으로 판단된다.

마감 두께에 따른 내화성능은 Table 4에서와 같이 10 mm보다는 20 mm 마감두께가 내화시간이 평균 10 분 정도 지연되는 것으로 나타났다.

PP섬유 혼입량에 따른 내화성능의 비교는 Table 5에 서와 같이 PP섬유 혼입량 0 %에 비하여 0.6 %에서 내 화시간이 4분 정도 지연되어 크게 차이가 나지 않았다.

이는 PP섬유 혼입량에 따른 내화 모르타르에 대한 열 전도율 시험결과를 나타내는 Table 1과 유사한 경향을 나타내는 것으로서 PP섬유 혼입이 모르타르의 열적특 성을 크게 변화시키지 못함을 알 수 있다. 이는 콘크 리트 구조체에서 PP섬유의 혼입이 수증기압을 낮추는 메카니즘을 형성 하였으나, 모르타르내에서는 이러한 수증기 분출 메카니즘을 형성하지 못하고 또한 공극의 확보를 통한 단열성능 향상에도 기여하지 못하였기 때 문인 것으로 판단된다.

4.

결 론

1) 일반 잔골재와 다공질의 경량골재를 사용한 모르 Figure 6. Time-temperature curve of all specimens.

Figure 7. Comparison of time-temperature curves.

Table 3. Comparison of Refractoriness According to Fine Aggregate Type

General Light weight

Specimen Fire Resisting

Time Specimen Fire Resisting Time

S-0-1 079 L-0-1 110

S-0-2 092 L-0-2 109

S-6-1 084 L-6-1 107

S-6-2 103 L-6-2 116

Table 4. Comparison of Refractoriness According to Finishing Depth

Depth (10 mm) Depth (20 mm) Specimen Fire Resisting

Time Specimen Fire Resisting Time

S-0-1 079 S-0-2 092

S-3-1 084 S-3-2 097

S-6-1 084 S-6-2 103

L-0-1 110 L-0-2 109

L-6-1 107 L-6-2 113

Table 5. Comparison of Refractoriness According to PP Fiber Ratio

PP 0 % PP 0.6 %

Specimen Fire Resisting

Time Specimen Fire Resisting Time

S-0-1 079 S-6-1 084

S-0-2 092 S-6-2 0103

L-0-1 110 L-6-1 107

L-0-2 109 L-6-2 113

타르의 열전도율은 각각 1.03(W/m·K)와 0.23(W/m·

K)로 나타나 경량잔골재의 사용으로 모르타르의 단열 성능은 크게 향상하였으나, PP섬유를 혼입한 모르타르 의 단열성능은 거의 변화하지 않았다.

2) 내화피복재 종류에 따른 고강도콘크리트 기둥내 화성능평가 결과 경량잔골재의 사용으로 내화시간이 20분, 마감두께를 10 mm에서 20 mm로 증가시킬 경우 10분 그리고 PP섬유를 0.6 % 혼입함으로써 4분 증가 하였다.

3) 본 연구에서 개발한 내화모르타르는 지속적인 추 가연구를 통하여 기존 사용 중인 고강도 콘크리트 구 조물의 내화피복재로서 활용될 수 있을 것으로 판단된다.

감사의 글

본 연구는 교육과학기술부·지식경제부의 출연금으 로 수행한 산학협력중심대학육성사업과 경남과학기술 대학교의 2010년도 기성회 연구비의 연구결과입니다.

참고문헌

1. 국토해양부 고시, “고강도콘크리트 보·기둥부재의

내화성능관리방안”, 제2008-334호(2008).

2. NISTIR 5934, “Fire Performance of High-Strength Concrete : A Report of the State-of-the-Art”, NIST, Dec.(1996).

3. L. Sarvaranta and E. Mikkola, “Fiber Mortar Composites in Fire Conditions”, Fire Mater, Vol.18, pp.45-50(1994).

4. Pierre Kalifa, “High-Temperature behaviour of HPC with Polypropylene Fibers from Spalling to Microstructures”, Cement and Concrete Research, Jun., pp.1487-1499(2001).

5. D. Bentz, “Fibers, Percolation and Spalling of High Performance Concrete”, ACI material Journal, March, pp.351-359(2000).

6. 유석형, 김인기, 신성우, “고강도 철근콘크리트 기둥 의 폭열제어를 위한 최적의 PP섬유함유량 산정”, 한 국구조물진단학회논문집, Vol.11, No.2(2007).

7. 유석형, “섬유를 활용한 고강도 콘크리트기둥의 폭렬 제어방안”, 한국화재소방학회 논문지, Vol.23, No.4, pp.1-6(2009).

8. 한천구, 양성환, 이병열, 황인성, “골재종규 및 폴리 프로필렌 섬유 혼입률 변화에 따른 고성능 콘크리트 의 폭렬특성에 관한 연구”, 콘크리트학회논문집, 통 권53호, Vol.11, No.5, pp.69-78(1999).