논 문]
뿜칠피복재를 사용한 고강도 콘크리트 부재의 내화피복두께에 관한 실험적 연구
An Experimental Study on the Fireproof Covering Thickness of High Strength Concrete Members with Spray Coating
이태규 Tae-Gyu Lee 우송대학교 철도건설환경공학과 (2010. 4. 1. 접수/2010. 8. 16. 체택)
요 약
고강도 콘크리트는 대형 사회기반 구조물로서 많이 활용되고 있다. 고강도 콘크리트는 우수한 재료적 성 능과 내구성을 확보하고 있지만 반면에 화재에 대한 급작스러운 폭렬현상으로 인하여 구조적인 문제를 야 기시키기도 한다. 따라서 본 연구에서는 콘크리트 피복두께에 추가하여 내화피복재를 사용함으로써 내화 피복두께에 따른 콘크리트의 내화성능을 평가하고 최적의 내화피복두께를 산정하는 실험적 연구를 수행 하였다. 내화피복재를 10mm 간격으로 증가시키면서 실험을 수행한 결과 콘크리트의 내화성능이 크게 향 상됨을 볼 수 있었으며, 최적의 내화피복두께는 약 1~3mm로 산정되었다. 또한 폭렬에 의하여 급작스러운 콘크리트 내부의 온도상승 이후 기화열에 의한 열손실로 완만하게 온도가 상승되는 현상이 실험적으로 관 측되었다. PP 섬유는 약 200oC 부근에서 용해되어 고온에서는 빈 채널만 남게 되므로 내부 증기압을 저 감시켜주는 역할도 관측되었다.
ABSTRACT
High strength concrete (HSC) has been mainly used in large SOC structures. HSC have superior property as well as improvement in durability compared with normal strength concrete. In spite of durability of HSC, explosive spalling in concrete front surface near the source of fire occurs serious problem in structural safety. Therefore, this study is concerned with experimentally investigation of fire resistance at high temperature due to fireproof material covering thickness in addition to concrete cover. From the test result, it was appeared that the use of fireproof material results in good perfor- mance for fire resistance and spalling prevention, and the optimal fireproof covering thickness is 1~3mm. On the other hand, the temperature was rapidly increased by explosive spalling within 30 minutes and showed very little rise caused by evaporation heat after then. It was also found that the void channel was remained at high temperature as PP fiber melts at about 200oC, and the pore pres- sure in concrete was decreased.
Key words : High strength concrete, Fire resistance, Covering thickness, PP fiber
1. 서 론
콘크리트는 일반 토목 구조물뿐만 건축 구조물 등 모든 사회기반 구조물에 폭넓게 사용되고 있다. 특히 최근 들어 각종 구조물의 대형화 추세에 따라 장대교 량, 특수교량, 고층 건축물 등이 다양하게 건설되고 있
으며 이에 따라 고강도 및 고성능 콘크리트의 사용이 필수적으로 증가되고 있는 추세에 있다.
고강도 콘크리트의 경우 단위수량의 감소로 인하여 추가적인 혼화재료를 첨가하여 소요의 작업성(workability) 을 확보시키고 있다. 그러나 이러한 낮은 물-시멘트비 의 사용으로 인하여 공극률(porosity)이 작게 되고, 투 수성(permeability)이 낮아지며, 치밀성(density)이 증가 하게 된다. 이 경우 화재와 같은 고온이 발생되면 내 E-mail: [email protected]
부 수분의 증발로 증기압이 형성되며 되며, 이 증기압 으로 인하여 콘크리트의 저항력이 감소하게 되어 결국 에는 폭렬(explosive spalling)을 유발시킨다. 폭렬은 급 작스러운 온도 상승으로 인하여 콘크리트 부재 표면이 심한 폭음과 함께 폭발적으로 파열(박리 및 탈락)되는 현상으로, 구조물에 치명적인 내력저하를 초래하여 결 국에는 구조물의 붕괴로까지 이어지는 대형사고의 원 인이 되기도 한다.1,2)
우리나라에서는 2008년에 고강도 콘크리트 부재의 내화성능 관리기준3)이 제정되었으며, 이에 따르면 비 재하 가열실험에 의하여 주철근의 온도가 평균 538oC, 최고 649oC 이하가 되도록 규정하고 있다. 참고적으로 일본의 경우에는 내화성능 인증방법4)으로 가열과 재하 에 따른 변형량과 변형속도 기준에 근거하는 방법과 재하하지 않고 가열실험만을 수행하여 강재의 온도 기 준에 근거하는 방법의 두 가지를 적용하고 있다. 두 번 째 방법인 비재하 가열실험에 의하는 경우에는 강재의 온도가 500oC 이하가 되도록 규정하고 있다.
따라서 본 연구에서는 펄라이트계 뿜칠피복재를 사 용한 80MPa의 고강도 콘크리트 부재를 대상으로 하여 비재하 가열실험을 수행하여 내화피복두께에 따른 내 화성능의 상관관계를 규명하고자 하며, 이에 따른 최 적의 내화피복두께를 산출하고자 한다.
2. 실험계획
2.1 시험체 제작
콘크리트 시험체는 500 × 500mm 정사각형 단면으로 Figure 1과 같이 길이 800mm로 제작하였다. 주철근은 8-D25로 배치하였으며, 띠철근은 D10을 사용하고 200mm 간격으로 배근하였다. 그리고 콘크리트의 순수 피복두께는 40mm로 설계하였다.
국내 관리기준에 의한 내화성능을 평가하기 위하여 모서리 및 중앙부의 주철근에 센서를 설치하고, 또한 콘크리트 단면 내부의 온도전이를 평가하기 위하여 콘 크리트 표면 위치 및 콘크리트 표면으로부터 125mm,
250mm에 위치한 콘크리트에 총 5개의 센서를 설치하 였으며, 설치모습은 Figure 2와 같다. 사용된 온도센서 의 직경은 1.6mm이고, 온도감지부분은 센서 끝에서 약 4mm에 해당된다.
2.2 실험변수
사용된 내화피복재는 펄라이트계 제품의 뿜칠내화피 복재를 적용하였다. 내화피복재의 두께에 따른 주철근 의 온도변화를 파악하기 위하여 시험체의 표면에서 0, 10, 20, 30mm를 각각 피복하였다. 피복재는 측면에만 도포하였으며, 상면과 하면에는 도포하지 않았다. 실험 변수는 Table 1에 나타낸 바와 같다. 콘크리트 배합비 는 Table 2에 나타낸 바와 같으며, 폭렬방지를 위하여 길이 6mm, 직경 46m인 폴리프로필렌(Polypropylene) 섬유(PP 섬유)를 0.2vol.% 혼입하였다.
콘크리트 부재는 타설 후 기건양생을 실시하였으며, 재령 18일 경과 후 내화피복재를 도포하였고, 재령 35 일 경과한 시점에서 비재하 가열실험을 실시하였다. 재 령에 따른 콘크리트 압축강도는 Table 3에 나타낸 바 와 같이 28일 압축강도가 79MPa이고, 실험시점인 35
Figure 1. Shape of specimen.
Table 2. Mixture Condition of Specimen W/B
(%)
Unit Weight (kg/m3) PP Fiber (vol.%) W C SF FA S G SP
(%) 25 165 515 46 99 629 878 2.1 0.2 Figure 2. Installation of sensors and form.
Table 1. Test Specimens Detail
Specimen Dimension (mm)
Concrete Strength (MPa)
Covering Thickness (mm) C00
500 × 500 80
00
C10 10
C20 20
C30 30
일 압축강도가 80.8MPa이다.
비재하 가열실험은 콘크리트 기둥의 상하면에 암면 쉬트를 사용하여 열 유입을 차단하고, 열은 측면으로 만 유입되도록 하였다. 가열온도는 Figure 3과 같은 KS F 2257 가열곡선5)에 맞추었으며, 3시간 동안 가열을 실시한 후 실험을 종료하였다.
3. 실험결과 및 분석
3.1 내화피복두께별 단면의 온도전이
각 내화피복두께에 따른 콘크리트 단면 내부로의 온 도전이를 시간대별로 살펴보면 Figure 4와 같다.
그림과 같이 전반적으로 콘크리트 표면에서 주철근 위치까지는 온도가 급격하게 변화하고 있으며, 그 이 후 표면에서 125mm까지는 서서히 변화하는 양상을 보 이다가 중심부 근처에서는 온도가 거의 변화하지 않고 일정한 수준을 유지하는 것으로 나타나고 있다.
내화피복두께별 콘크리트 표면의 온도를 살펴보면 내화피복을 실시하지 않았을 경우에는 화재온도에 근 Table 3. Compressive Strength at Age
W/B (%)
Slump Flow (mm)
Air Content
(%)
Strength (MPa) 7 day 14 day 28 day Test
day 25 600 3.5 58.1 77.0 79.0 80.8
Figure 3. KS F 2257 heat condition.
Figure 4. Temperature spread in concrete due to fireproof covering thickness.
접한 수준인 약 1040oC까지 온도가 증가하고 있지만, 내화피복을 실시하여 주면 피복두께가 10mm 증가할 때마다 표면온도가 545oC, 377oC, 332oC로 급격하게 저하되고 있는 것으로 나타나고 있다. 따라서 내화피 복재는 콘크리트의 내화성능 향상에 큰 역할을 하고 있는 것을 보여주고 있다.
3.2 각 센서위치에서의 온도이력
센서가 매설된 각 위치에서 내화피복두께별로 시간 에 따른 온도변화를 살펴보면 Figure 5와 같다. 그림에 서 보는 바와 같이 전체적으로 볼 때 모서리 부위(Figure 5(a))가 가장 온도가 높게 나타나고 있는데, 이는 인접 한 양쪽 면에서 모두 화재열이 침투하기 때문인 것으 로 사료된다.
한편 내화피복을 실시하지 않은 경우와 실시한 경우 는 그 차이가 극명하게 다르게 나타남을 볼 수 있는데, 내화피복을 실시하지 않은 경우에는 모든 센서위치에 서 그래프가 3단계로 급격하게 변화하고 있다. 즉, 일 정시간 경과 후 온도가 급격히 상승하는 구간, 완만하
게 상승하는 구간, 그리고 다시 급격하게 상승하는 구 간으로 나눌 수 있다.
내화피복을 실시하지 않은 경우 가열 후 25분에서 폭렬이 발생하여 콘크리트 피복부위가 탈락하였으며, 이로 인하여 외부의 화재열이 급격하게 내부로 진입하 여 온도가 급격히 상승하는 구간을 보이고 있다. 이후 100~120oC 정도로 온도가 상승하자 내부의 수분이 증 발하게 되면서 기화열(Evaporation heat)에 의한 온도저 감효과가 발생하여6)온도가 완만하게 상승하는 구간을 보여주고 있으며, 내부의 수분이 완전히 증발되어 더 이상 온도저감효과가 발생하지 않게 되면서 온도는 다 시 급상승하는 현상을 나타내고 있다.
내화피복두께가 10mm인 경우 4번 위치(Figure 5(c)) 에서 2시간 경과시 온도가 갑자기 상승하는 현상이 나 타나는데 이는 폭렬은 발생하지 않았으나 내부 증기압 의 증가로 인하여 Figure 6과 같이 균열이 발생하여 균 열 틈으로 화재열이 직접 진입하면서 온도가 급격히 상승되었기 때문인 것으로 판단된다.
한편 내화피복두께가 20mm 이상인 경우에서는 위 Figure 5. Temperature distribution at each positions.
와 같은 급격한 온도증가 없이 시간에 따라 서서히 증 가되는 양상을 보여주고 있다.
3.3 최적 내화피복두께 산정
위에서 언급된 바와 마찬가지로 주철근의 온도는 모서리에 배근된 철근이 가장 높으며, 내화피복을 실 시하지 않은 경우 3시간 가열시의 온도는 600oC 정 도까지 도달하는 것으로 나타나고 있다. 따라서 주철 근의 온도를 낮추어 내화성능을 확보시킬 수 있는 방 법은 콘크리트의 피복 자체를 증가시키는 방법과 콘 크리트 피복에 내화피복재를 추가하는 방법의 두 가 지가 있다.
3시간 가열 이후의 각 내화피복두께별 모서리 철근 의 온도를 나타내면 Table 4와 같다. 표에서 알 수 있 듯이 콘크리트 표면에 내화피복재를 10mm만 설치하 여도 주철근의 온도가 크게 감소함을 알 수 있다.
본 연구에서는 모서리 주철근의 온도가 내화성능 확 보를 위하여 규정된 값3,4)이하로 발현되는 최적의 내 화피복두께를 산정하기 위하여 외기대류계수(air convection coefficient)의 개념을 도입하였다. 이는 콘크 리트 내부의 철근 온도는 콘크리트 표면 또는 피복재 표면에서 발생되는 대류계수가 가장 중요한 함수이기 때문이다.
피복재를 포함한 경우 일반화재조건에서의 콘크리트 외기대류계수(ha)는 다음과 같이 정의할 수 있다.7)
(W/m2·oC) (1)
여기서, di는 피복재의 두께, λi는 피복재의 열전도율이 다. 펄라이트계 뿜칠피복재의 열전도율은 0.0465W/m2·
oC을 사용하였으며, 콘크리트의 열전도율은 Kodur의 수식8)을 적용하였다.
식(1)의 외기대류계수 수식에 Table 4의 실험결과를 조합하면 식(2)와 같이 온도와 외기대류계수 간의 상 관관계식을 도출할 수 있으며, 이를 그림으로 나타내 면 Figure 7과 같다.
T = 201(ha− 0.873)0.34+ 10 (2) 안전측의 평가를 위하여 모서리 주철근의 온도를 내 화기준의 평균값인 538oC로 설정하여 이에 해당되는 내화피복두께를 식(2)로부터 산정하면 약 1.0mm로 나 타나며, 여기에 구조물에 적용되는 최소 안전율9)인 1.2 를 고려하여 온도 450oC에 해당하는 두께를 구하면 약 3.2mm 정도로 나타나게 된다.
따라서 약 1~3mm 정도의 내화피복재를 추가하면 모 서리 철근의 온도가 기준값 이하로 되어 콘크리트의 내화성능 인증을 받을 수 있을 정도로 크게 향상될 것 으로 판단된다.
3.4 PP 섬유의 거동
내화피복두께 10mm인 경우에 대하여 각 조건에서 의 주사전자현미경(SEM) 사진을 보면 Figure 8과 같 다. 당초 콘크리트 타설시 (a)에서와 같이 평균 직경 46µm의 PP 섬유를 혼입하였으며, 가열실험 이후에 3 번 위치(표면에서 125mm)를 보면 (b)와 같이 온도가 171oC만큼 상승하였는데 섬유는 당초의 제 형상을 거 의 그대로 가지고 있는 것으로 나타나고 있다. 반면에 2번 위치(표면에서 60mm)의 섬유를 보면 (c)와 같이 온도가 317oC만큼 상승함에 따라 섬유질이 완전히 녹 ha = 1
1 25--- + di
λi
∑---- ---
Figure 6. Fracture shape of C10.
Figure 7. Temperature due to air convection coefficient.
Table 4. Temperature of Edge Steel After 3 Hours Covering thickness (mm) 0 10 20 30
Temperature (oC) 598 317 238 166
아 주위의 매트릭스에 흡수되면서 직경 약 42µm의 빈 채널만 남아있는 형상을 볼 수 있다.
따라서 PP 섬유 혼입의 목적인 내부 증기압의 유출 통로 확보가 잘 이루어지고 있음을 실험을 통하여 보 여주고 있다.
4. 결 론
본 연구는 고강도 콘크리트 부재의 내화피복두께에 따른 가열실험을 통하여 내화피복두께와 내화성능과의 관계를 확인하고 최적의 내화피복두께를 산정하고자 하며, 또한 가열실험에 따른 콘크리트 내부의 온도이 력 및 PP 섬유의 폭렬방지효과를 실험적으로 검증하였다.
1) 내화피복을 실시하지 않은 경우 콘크리트 표면온 도가 약 1040oC까지 나타나고 있지만, 내화피복을 10mm 씩 증가시키면서 실험을 수행한 결과 콘크리트 표면온 도가 절반 이하로 크게 감소되고 있다. 따라서 내화피 복재는 콘크리트의 내화성능에 큰 역할을 하고 있는 것으로 판단된다.
2) 각 센서위치에서 내화피복두께에 따른 온도변화 추이를 살펴보면 내화피복을 실시하지 않은 경우에는 온도가 급격히 상승하는 구간, 기화열로 인하여 완만 하게 상승하는 구간, 다시 급격히 상승하는 구간으로 크게 구별된다. 하지만 내화피복을 실시한 경우에 있 어서는 구간이 거의 나타나지 않고 처음부터 완만하게 온도가 상승하는 현상을 보여주고 있다.
3) 펄라이트계 뿜칠피복재를 사용한 경우 콘크리트 온도가 538oC에 도달하는 시점의 내화피복두께는 1.0mm 로 나타났으나, 안전율을 고려하면 약 1~3mm 정도가 최적의 내화피복두께인 것으로 산정되었다.
4) PP 섬유는 약 200oC 이상에서 용해되어 주위의 매트릭스에 흡수되면서 빈 채널만 남게 되고, 이 빈 채 널을 통하여 내부 증기압이 유출되는 특성을 실험에 의한 SEM 사진을 통하여 관측하였다.
참고문헌
1. 김형두, “화재시 고강도 콘크리트의 폭열현상에 관한 고찰”, 한국화재소방학회 논문지, Vol.20, No.2, pp.80- 86(2006).
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3. 국토해양부, “고강도 콘크리트 기둥·보의 내화성능 관리기준”, 국토해양부 고시 제2008-334호(2008).
4. 日本建築セシタ一/(財)日本建築總合試驗所, “防耐火性 能試驗評價業務方法書”(2008).
5. KS F 2257, “건축구조부재의 내화시험방법”, 한국산 업규격(1999).
6. 이태규, “화재시 내부증발을 고려한 콘크리트의 수분 이동”, 한국화재소방학회 논문지, Vol.23, No.5, pp.17- 23(2009).
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8. V.K.R. Kodur and Mohamed Sultan, “Thermal Properties of High Strength Concrete at Evaluated Temperature”, CANMET-ACI-JCI International Con- ference on Recent Advances in Concrete Technology, Japan, pp.467-480(1998).
9. 한국콘크리트학회, “콘크리트구조설계기준”, 한국콘 크리트학회(2007).
Figure 8. Transition of PP fiber.
