Spalling Reduction Effect of PP Fibers and Silica Fume on High Strength Reinforced Concrete Columns

(1)

PP

섬유 및 실리카흄이 고강도 철근콘크리트 기둥의 폭열 저감에 미치는 영향

Spalling Reduction Effect of PP Fibers and Silica Fume on High Strength Reinforced Concrete Columns

유석형

^†

Suk-Hyeong Yoo

^† 진주산업대학교 건축학부

(2007. 10. 4.

접수

/2009. 8. 7.

채택

)

요 약

고강도콘크리트는구조적인장점에도불구하고화재시폭렬과함께취성적인파괴를나타내는단점으 로인하여실구조물에적용시주의하여사용하여야한다

.

고강도콘크리트의폭렬제어를위하여폴리프 로필렌섬유

(PP

^섬유

)

^의^혼입이^효율적인^것으로^콘크리트^공시체를^대상으로^한^여러^{내화실험결과를}^통

하여보고되었다

.

^또한^초고강도^{콘크리트의}^{강도발현을}^위하여^{필수적으로}^사용되는^{실리카흄은}^콘크리

트의수밀성을높여폭렬현상이더욱심하게발생할것으로판단된다

.

따라서본연구에서는

PP

섬유의혼 입량과실리카흄치환율을변수로하는고강도철근콘크리트기둥부재의내화실험및잔존강도실험을수 행하여고온시각변수들이폭렬현상에미치는영향및잔존강도를분석하였다

.

실험결과

PP

섬유혼입량

을

0%

^에서

0.2%

^까지^증가^시킬수록^기둥의^{폭렬정도가}^감소하고

,

^잔존^{압축강도비는}^증가하는^것으로^나

타났으며

,

^{실리카흄을}

7%, 14%

^및

21%

^로^{증가시킬수록}^기둥의^{폭렬정도는}^크게^변화하지^않았으나

,

^잔

존압축강도비는감소하는것으로나타났다

.

ABSTRACT

High Strength Concrete has a disadvantage of the brittle failure under fire due to the spalling. It is reported that spalling is caused by the vapor pressure under fire and polypropylene (PP) fiber has an important role in protecting from spalling. The silica fume which is essentially mixed in high strength concrete decrease the permeability of concrete, and this will increase the degree of spalling. The fire resistance characteristics of high-strength reinforced concrete columns with various contents of PP fiber and silica fume were investigated in this study. In results, the ratio of unstressed residual strength of columns increases as the content of PP fiber increases from 0% to 0.2% and the ratio decreases as the content of silica fume increases from 7% to 21%.

Key words :

Spalling, Fire resistance, High-strength concrete, Polypropylene fiber, Silica fume 1. 연구배경 및 목적

고강도콘크리트의폭렬현상은수증기압과열응력의 복합작용에 의한 결과로 나타난다

.

열응력은화재 시 부재내부의 온도차이로 인하여 발생하며

,

수증기압은

100

^이상에서 ^{부재내부의} ^수분 ^증발로 ^인하여 ^발생한

수증기가수밀한콘크리트에갇혀발생한다

.

따라서이 와같은폭렬현상은콘크리트강도가증가할수록더욱

뚜렷하게 발생할것으로사료된다

.

최근고강도콘크리 트

(High Strength Concrete)

^의^폭렬발생 ^{메커니즘을}^관

찰하여 이에 영향을 미치는 요인을 규명하고재료적

,

구조적대안을강구하기위한연구^1,2)와기술개발이진 행되고있다

.

PP

^섬유를^활용하여

HSC

^의^폭렬을^제어하기^위한^재

료적인 연구는 국내외적으로 상당히 진행되어왔다

.

^3-6)

일반적으로폭렬은

190

^o

C~250

^o

C

^사이에서^{발생하는데}

비하여

PP

섬유는

170

^o

C

에서녹는다

. PP

섬유가녹음으 로써시멘트 메트릭스에수증기가통할수있는 미세

†

E-mail: [email protected]

(2)

한통로를형성하게되고이로써수증기압이낮아지게 된다

.

^이와^같이

PP

^섬유 ^활용하여^{폭렬현상을} ^저감시

키려는연구는주로최적의

PP

섬유함유량및

PP

섬유 의길이를 구하기위하여 공시체를대상으로 하는재 료적수준의연구가수행되었다

.

^4,5)그러나실구조물에 서와같이부재수준에서의연구는매우부족한실정이다

.

한편

60MPa

이상의고강도 콘크리트에서는실리카

흄의사용이필연적이며이는콘크리트의수밀성을높 여폭렬현상이더욱심하게발생할 것으로판단된다

.

Sullivan

⁷⁾ ^등은 ^실리카 ^흄이 ^폭렬에 ^미치는 ^영향에

대하여 연구하여실리카 흄을

10%

이하사용할 경우

폭렬에 미치는 영향이 거의 없음을 확인하였으나 그 이상의 사용에대한연구는거의진행되지않고있다

.

따라서본연구에서는

PP

섬유함유량과실리카흄혼 입량을변수로하는고강도철근콘크리트기둥실험체 에대한내화실험을수행하여폭렬현상을관찰하고잔 존강도를측정함으로써

HSC

기둥의폭렬특성에영향 을미치는요인을분석하고나아가

HSC

부재의내화설 계를위한기초자료를 제시하고자한다

.

2. 실 험

2.1실험체계획 및배합

실험체는 콘크리트 배합강도

27, 60

및

100MPa

에

대하여

PP

섬유 함유율

0, 0.1, 0.2%(

콘크리트에 대한

체적비

)

^와^실리카흄^치환율

0, 7, 14, 21%(

^결합재에^대

한 무게비

)

를 변수로 하여 총

13

개의 기둥 실험체를 제작하였으며

,

^각^실험체별^{배합계획은}

Table 1

^과^같다

.

실험체 명에서

S

는실리카흄 비교실험체를

F

는

PP

섬 유비교실험체를 의미한다

.

콘크리트공시체와철근이 배근된콘크리트기둥부재의내화거동의차이는주근의 물성변화의유무

,

띠철근이수분이동을방해하면서생 기는수분막으로인한수증기압력의증대및콘크리트 단면결손에의한부재단면력의감소등이있다

.

^기존

의폭렬특성에 관한연구들이주로공시체를대상으로 수행되었으나

,

본연구에서는

“

콘크리트구조설계기준

”

⁸⁾

에서요구하는기둥부재의 최소단면크기 조건을 만족 하는단주실험체를제작하여실험하였다

.

실험체의길 이는

800mm

이고

,

단면은

Figure 1

과같다

.

모든 실험 체는 피복두께

4cm,

주근비

(

ρ

) 1.69%

와 가열시 단면

내온도 분포를 파악하기위하여

Figure 1

과같이 표

면으로부터

25, 50, 130mm

되는위치에

K type

의열 전대를 설치하였으며

,

가력시 기둥 상하단부의 파괴 를방지하기 위하여이구간의 띠철근의간격을 중앙

부 띠철근 간격

(100mm)

의

1/2

로 줄여서 배근하였다

.

또한

,

가력시축방향변형측정을위한

LVDT

의설치

를 위하여 φ

5mm

강봉을 상하단부로부터 각각

20cm

위치에단면을관통하여콘크리트타설전에매립하였다

.

Table 1.

List of Specimens and Mixing Proportions Concrete

Strength f

ck

(MPa)

Concrete Strength f

28

(MPa)

Binder (kg) W/B

(%) S/A (%)

Unit mass (kg/m

³

) PP Fiber Content (Vol.%)

Content SF

(%) Heating Specimen W C F.A S.F S G PP Fiber

27 32 364 48.4 47.6 176 309 55 0 817 906 0 0 0

^×

27-S

0 0

○

27-F-0

60 60 593 27.5

43.4 163 504 55

0 705 925

0 0

0

×

60-S

0 0

○

60-F-0

0.93 0.1

○

60-F-1

1.86 0.2

○

60-F-2

67 601 27 42

817 906 1.86 0.2 7

○

60-S-1

74 637 25.5 78 14

○

60-S-2

80 707 23 148 21

○

60-S-3

100 85 748 19.1 36.6 142.5 635 113 557 974

0 0

15

×

100-S

0 0

○

100-F-0

0.93 0.1

○

100-F-1

1.86 0.2

○

100-F-2

S. gravity 1 3.15 2.18 2.15 2.60 2.67 0.93

○

(3)

최적의

PP

섬유 함유량에대한 구체적인 값이 국내 에서는 아직 제시되어있지 않으나

,

한천구⁹⁾ 등은콘 크리트강도가 증가할수록

PP

섬유의 임계치가 증가함

을실험을통하여보여주고있고

, Kalifa

⁴⁾^등은^콘크리

트압축강도

100MPa

의공시체를대상으로수행한내

화실험에서 가열시 공시체 내부의 최대압력

(P

max

),

^최

대압력시온도

(T

_pmax

)

및최대압력구배

(

∆

P

max

)

등과같 이폭렬현상에 직접적으로관련되는인자들을 관찰하 여

PP

섬유함유량이

1.75kg/m

³

(

체적비

0.19%)

까지증가 할수록폭렬제어에효과가있으나그이상에서는효과 가없음을확인하였다

.

따라서 본연구에서는이러한 재료실험결과를바탕 으로 실 규모 기둥부재에서 최적의

PP

섬유 함유량을

확인하기 위하여

PP

^섬유 ^함유량을

0, 0.1, 0.2%

^로^계

획하였으며

,

사용된

PP

섬유의 물리적 특성은

Table 2

와 같다

.

실리카 흄의 치환율에따른 폭렬특성을 관

찰하기 위한실험체

(60-S-1,2,3)

의경우실리카흄의치

환율을변화시키면서함수량은일정하게유지함으로써 함수량의영향을 배제하고실리카흄의 영향만을비교 할수있도록하였다

.

2.2가열및잔존강도실험

가열은

Figure 2

와같이 가열로 내에는 실험체를

2

열로써

400mm

간격으로배치하였다

.

실험체의상·하

양 단부 부분의 폭렬을 방지하지 위하여 세라믹롤을

사용하여양단부를

190mm

폭으로감쌌다

.

가열은국제

기준인

ISO 834-1

^을^기초로 ^하고 ^있는

KS F 2257-1 (

건축구조부재의내화시험방법

)

의가열곡선에따라

1

시 간동안가열하였다

.

화해를입은기둥실험체의잔존강도측정을위하여

1000t

용량의

UTM

에실험체를설치하여축하중강도

를측정하였다

.

상하단부 부분은가열전에세라믹롤 로감싸 폭렬을 방지하였고

,

^가열^후^그리고 ^가력 ^전

에탄소섬유를상하단부에 부착하여주두부분의 파괴 를방지하였다

.

^가력은^{예상하중의}

80%

^까지^하중제어

를그 이후는 변위제어를 하였다

.

중심축하중 가력에 도불구하고임의적으로발생한폭렬에의하여단면이 불규칙하여가력시편심이미소하게발생하였으나

,

전 체적인 파괴양상은 중심축하중파괴와 비슷한 양상을 나타내었다

.

3. 실험결과 및 분석

3.1실험결과

폭렬정도에대한정량적인평가를위하여본연구에 서는 식

(1)

과같이 폭렬전·후 콘크리트질량감소량 을측정하여폭렬정도를평가하였다

.

(1)

여기서

, W

L은 폭렬에 의하여 발생하는 콘크리트의 중량감소량이고

, W

C는가열전기둥실험체의중량이

Spalling Degree = W W --- 100

^LC^×

Figure 1.

Section details.

Table 2.

Material Properties of Polypropylene Material Specific Gravity Length

(mm) Diameter (mm)

Melting Point

(

^o

C)

Tensile Strength

(MPa) Polypropy-

Lene Fibre 0.9 19 0.07 162 400~550

Figure 2.

Specimen setting in furnace.

(4)

다

. PP

^{섬유함유량에}^따른^{폭렬정도를}^나타내는

Figure

3

및

Figure 4

를보면

PP

섬유량을증가시킬수록 폭렬

정도가 감소함을 확실하게 확인할 수 있으며

,

특히

Figure 3

을 보면

PP

섬유 함유량이

0.1%

를 초과하여

0.2%

까지증가함에따라폭렬제어에효과적임을알수 있다

.

이러한결과는

Kalifa

⁴⁾^가^공시체를^대상으로^수행한

실험결과와 유사한결과로서향후

HSC

부재의 내화설 계를위한최적의

PP

섬유함유량결정을위한기초자 료로활용될 수있을것으로 판단된다

.

Figure 5

^에^나타난^바와^같이^실리카흄^치환량의^변

화에따라 폭렬발현상태의외형적 차이는거의 나지

않는것을알수있다

.

^그러나

Figure 6

^과^같이^표면에

서

25mm

위치에서 온도분포곡선을보면 실리카흄의

함유량이많을수록온도가높게나타나실리카흄의함 유량이 많을수록 고온에서 열전도율이 높음을 알 수

있다

.

^이는^피복두께

50mm

^{위치에서도}^동일한^경향을

나타내었다

.

PP

^섬유가 ^고온에서^콘크리트^{내부온도에}^미치는 ^영

향을 관찰하기 위하여 동일한 콘크리트 강도

60MPa

Figure 3.

Spalling degree according to PP fiber contents.

Figure 4.

Spalling condition according to PP fiber content (f'

ck

= 60MPa).

Figure 5.

Spalling condition according to silica fume content.

Figure 6.

Comparison of temp. - time curves according to

silica fume content (25mm).

(5)

실험체의

25mm

^위치에서 ^계측한 ^온도

-

^시간 ^곡선을

Figure 7

에비교하였다

. Figure 7

에서보면 폭렬에 의

한영향을받는

25mm

위치에서는

PP

섬유혼입율

0%

실험체에서 온도가

100

^o

C

이상이 되는

20~30

분사이 에서급격하게상승하였으나

PP

섬유가

0.1%

및

0.2%

를혼입한 실험체는온도증가가 완만하였다

.

이는

PP

섬유가없는실험체에서폭렬로인하여콘크리트피복 이떨어져나가열전달 경로가짧아졌기때문이다

.

3.2잔존강도평가

화재시발생한 폭렬에의하여 기둥부재의 구조적 인성능이저하된정도를정량적으로평가하기위하여

내화실험 이후 화해

(

火害

)

를 입은 기둥실험체에 대한 잔존강도를 평가하였다

.

내화실험 이후의 기둥실험체

를

Figure 8

과 같이

UTM

에설치하여 잔존 압축강도

를측정하였다

.

^화해를^입은^{기둥실험체에}^대한^잔존

축하중강도

(P

f

)

를각콘크리트강도별로가열하지않 은기준 실험체

(27-S, 60-S,

^및

100-S)

^의^최대축 ^하중

강도

(P

s

)

로 나누어 잔존 압축강도비

(P

f

/P

s

)

를 구하였으 며

,

실험결과는

Table 3

과같고

, PP

섬유 함유량및실 리카흄 치환율에 따른 잔존강도 비교그래프는

Figure 9

및

10

과같다

.

PP

섬유함유량에따른기둥실험체의잔존압축강도

비를 나타내는

Figure 9

을보면

PP

섬유함유량이

0%

Figure 7.

Comparison of temp. - time curves according to PP fiber content (60MPa, 25mm).

Figure 8.

Specimen setup at UTM.

Table 3.

Results of Residual Strength Test Concrete

Strength

f

ck

(MPa) Specimen Ultimate

Load P

f

(kN) Ratio of Residual Capacity (P

f

/P

s

)

27 27-S 3,182 -

27-F-0 2,148 67.5

60 60-S 6,210 -

60-F-0 4,160 67

60-F-1 4,471 72

60-F-2 4,905 79

60-S-1 5,480 88

60-S-2 5,090 82

60-S-3 4,950 80

100 100-S 8,024 -

100-F-0 6,018 75

100-F-1 6,579 82

100-F-2 6,820 85

Figure 9.

Ratios of residual axial capacity according to PP

fiber content.

(6)

에서

0.2%

^까지 ^증가 ^할수록 ^잔존 ^{압축강도비가} ^일정

한정도로증가하였으며

,

이는

Figure 3

에나타난바와 같이

PP

섬유 함유량이 증가할수록 폭렬정도가 감소 하여 질량손실에따른 단면감소가일정하게나타났기 때문인 것으로 판단된다

.

실리카흄 치환율에따른 잔 존강도비를나타내는

Figure 10

을보면실리카흄의함 유량이 많을수록잔존강도가낮게 나타난것을알수

있다

. Figure 5

에 나타난 바와 같이 실리카흄의 양에

상관없이

SD

가일정하게 발생하였음에도 잔존강도의 차이가발생한것은실리카흄이함유된콘크리트의압 축강도가온도증가로 인하여 감소하였기때문인 것으 로 판단되며

, Sullivan

⁷⁾ 등은

10%

미만의 실리카흄혼 입콘크리트의경우고온시잔존압축강도의감소가보 통콘크리트에 비하여미소하게더증가함을 보여주 었다

.

따라서실리카흄을혼입한콘크리트의고온시역 학적

,

열적특성에관한연구가필요할것으로사료된다

.

4. 결 론

1) PP

섬유함유량을

0%

에서

0.2%

까지증가시킬경

우 화해를 입은 기둥부재의 잔존 압축강도비는 평균

70%

에서

82%

까지증가하였으며

,

향후최적의

PP

섬유 혼입량을결정하기위한추가적인연구가필요할것으 로판단된다

.

2)

실리카흄의함유량에따른폭렬발생은외형적으 로차이가 나지않았으나

,

^잔존강도 ^{비교에서는} ^실리

카흄을

7%, 14%

및

21%

로증가시킬수록화해를입은

기둥실험체의잔존강도비는 점차낮게나타났다

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Figure 10.