J. Korea Inst. Build. Constr. Vol. 20, No. 3 : 235-243 / Jun, 2020
https://doi.org/10.5345/JKIBC.2020.20.3.235 www.jkibc.org
폴리프로필렌 섬유를 혼입한 고강도 콘크리트의 화재피해 후 중성화 평가
Carbonation Assessment of High-Strength Concrete Using Polypropylene Fiber after Fire Damage
변 용 현
16) 류 동 우
2*Byun, Yong-Hyun
1Ryu, Dong-Woo
2*Researcher, HDC Hyundai PCE, HDC Hyundai Development Company, Yeoju-Si, Gyeonggi-Do, 12667, Korea
1Professor, Department of Architectural Engineering, Daejin University, Pocheon-Si, Gyeonggi-Do, 11159, Korea
2Abstract
In recent years, the use of high-strength concrete has increased with increasing height and enlarging scale of the buildings However, it has been pointed out that the use of high-strength concrete is the most serious problem compared to ordinary concrete in terms of the spalling of concrete cross sections caused by fires. For this reason, fiber cocktail methods, which are made of polypropylene fibers, nylon fibers, etc., are mainly used to improve the fire resistance performance. However, the majority of research on high-strength concrete to which the fiber cocktail method was applied is mainly focused on the effect of reducing spalling, and few studies have investigated and analyzed the effect of micropores produced by melting PP fibers on the long-term durability of high-strength concrete after a fire.
Therefore, in this study, the effect of micropores on the depth of carbonation was examined through carbonation tests and microstructure analysis, assuming high-strength concrete to which fiber-mixed construction method was applied, which caused fire damage.
Keywords : high strength concrete, spalling, polypropylene fiber, carbonation, microstructure analysis, micropores, long term durability
1. 서 론
1.1 연구의 목적
최근 국내·외 건축물들의 초고층화·대형화에 따라 고강도 콘크리트의 사용이 날로 증가하고 있다. 이러한 고강도 콘크 리트는 구조물의 단면축소 및 효율적인 공간 창출, 고내구성 등의 장점이 있으나 일반강도 콘크리트에 비해 화재에 의한 콘크리트 단면의 폭렬현상이 가장 심각한 문제점으로 지적 되고 있다. 이러한 폭렬현상은 콘크리트 부재 파편이 비산되
Received : April 8, 2020
Revision received : May 20, 2020 Accepted : May 22, 2020
* Corresponding author : Ryu, Dong-Woo
[Tel: 82-31-539-1949, E-mail: [email protected]]
ⓒ2020 The Korea Institute of Building Construction, All rights reserved.
어 인명안전성을 위협할 뿐만 아니라, 철근의 노출 및 부재 단면이 감소하여 구조물의 붕괴로 이어질 수 있다[1]. 이에 따라 고강도 콘크리트의 폭렬방지 및 내화성능 향상을 위한 연구가 국내외 많은 연구자들에 의해 활발히 이루어지고 있 다. 일반적인 내화성능 향상대책으로 폴리프로필렌 섬유(이 하 PP섬유), 나일론 섬유(이하 NY섬유) 등을 콘크리트 배합 시 일정량 혼입하는 섬유혼입공법과 화재시 콘크리트 구조 체가 화재에 직접적으로 노출되지 않도록 내화피복재(보드, 패널, 뿜칠 등)를 부착하는 내화피복공법 등이 보고되고 있 다. 특히, 섬유혼입공법은 고강도 콘크리트에 PP섬유 또는 NY섬유를 혼입함으로써 화재 시 약 170℃ 전후에서 녹아 수증기나 수분, 가스 등의 유출경로를 만들어주어 콘크리트 내부에 갇힌 고압의 수증기압을 완화시키는 방법이며, 시공 성과 경제성이 우수하여 주로 사용되고 있다[2-3].
Carbonation Assessment of High-Strength Concrete Using Polypropylene Fiber after Fire Damage
그러나 섬유혼입 공법이 적용된 고강도 콘크리트에 대한 대다수의 연구는 주로 폭렬저감 효과에 집중되어 있으며, 화 재 후 PP섬유가 용융되어 생성된 미세공극이 고강도 콘크리 트의 장기내구성에 미치는 영향을 조사·분석한 연구는 거의 없다. 또한 Pierre Kalifa et al.[4]의 연구에 따르면 고온에 서 PP섬유를 적용한 고강도 콘크리트의 섬유혼입량이 증가 할수록 투기성이 증가한다고 보고하고 있다. 이에 따라 섬유 혼입공법이 적용된 고강도 콘크리트의 장기내구성에 있어서 화재후 PP섬유가 용융되어 생성된 미세공극의 영향에 대한 평가가 요구된다.
따라서 본 연구에서는 화재피해가 발생한 섬유혼입공법이 적용된 고강도 콘크리트를 가정하여 CO2에 의한 중성화의 영향을 평가하고자 원주형 시험체(Φ100×200mm)를 제작 하여 PP섬유의 용융점 전후의 온도(200, 300℃)에서 가열 한 후 KS F 2584에 따른 촉진 중성화시험을 진행하였다.
또한 콘크리트의 깊이별 미세구조분석(SEM)을 실시하여 중 성화 깊이에 미치는 영향을 정량적으로 검토하고자 하였다.
2. 실험계획 및 방법
2.1 사용재료
본 실험에 사용된 시멘트는 KS L 5201(포틀랜드 시멘트)에 적합한 보통 포틀랜드 시멘트(1종)를 사용하였다. 또한 고로슬 래그 미분말은 KS F 2563(콘크리트용 고로슬래그 미분말)에 적합한 3종을 사용하였으며, 플라이애시는 KS L 5405(플라이 애시)에 적합한 2종을 사용하였다. 각각의 특성은 Table 1과 Table 2에 나타낸 바와 같다. 섬유는 Polypropylene 섬유를 사용하였으며, 특성은 Table 3과 같다.
Physical properties Chemical composition(%) Density
(g/cm
3) Blaine (cm
2/g)
Ignition loss
(%)
SiO
2Al
2O
3Fe
2O
3CaO MgO SO
33.14 3,149 0.79 22.0 5.27 3.44 63.4 2.13 1.96 Table 1. Physical and chemical properties of OPC
Type Density (g/cm
3)
Activity factor(%)
Component Ignition
loss (%)
Blaine (cm
2/g) Age
7d Age 28d
Age 91d
GGBS 2.89 86.9 110 111 MgO SO
30.75 4,231
FA 2.20 - 90 96 CaO SiO
22.8 3,707
Table 2. Physical and chemical properties of mineral admixture
lengh (mm)
diameter
(㎛) specific gravity melting point (℃)
tensile strength (MPa)
6.0 20~25 0.91 160 ~ 170 500 or more
Table 3. Physical of PP fiber
2.2 실험계획
본 연구의 실험인자 및 수준은 Table 4와 같으며, 고강도 콘크리트 배합표는 Table 5와 같다. 고강도 콘크리트 배합 은 시멘트에 대한 질량비로 60MPa 급은 고로슬래그 미분 말(이하 GGBS) 20%, 플라이애시(이하 FA) 15%를 치환한 2성분계 배합으로 설정하였다. 또한 PP섬유의 경우 60MPa 급에는 1.0kg/m3, 80MPa 급에는 1.5kg/m3를 혼입하여 원주형 시험체(Φ100×200mm)를 제작하였다.
경화 콘크리트는 기중양생 후 재령(28일)에서 압축강도를 측정하였다. 또한 장기내구성 평가를 위해 재령 (91일) 경과 한 섬유혼입 고강도 콘크리트 시험체를 대상으로 고온 가열 후 2주간의 촉진 중성화 시험을 실시하였다.
Factors levels
basic properties
curing
condition atmospheric curing compressive
strength 28 Day
durability
depth of carbonation
Control 200℃
300℃
heating 1hours 2hours
2week
microstructure (SEM)
surface boundary
center Table 4. Experimental factors and levels
Series W/B (%)
S/a (%)
W (kg/m
3)
Weight (kg/m
3)
PP Fiber (kg/m
3) OPC GG
BS FA S G
60A 32.1 44.8 180 365 112 84 724 893 1.0 60B 29.8 43.3 172.5 406 174 - 705 922 1.0 80B 22.9 43.2 165 504 216 - 660 870 1.5
※ GGBS : Blast furnace slag, FA : Fly ash, G : Gravel, S : sand
Table 5. Mix proportion of HSC
2.3 가열실험
고온 가열을 받은 섬유혼입공법이 적용된 고강도 콘크리
Figure 3. Electric furnace
170℃를 고려하여 가열온도를 200℃ 및 300℃로 설정하였 다. 또한 Kang et al.[5]에 따르면 전기가열로에서 약 2시 간 가열시 원주형 시험체(Φ100×200mm)의 중심부 온도가 설정온도까지 도달하는 것으로 나타나 이를 참조하여 가열 시간은 1시간 및 2시간으로 하였다. 승온조건은 Figure 1에 나타낸 ISO-834 표준화재가열곡선에 의거하여 200℃ 및 300℃의 초기 승온 조건에 해당하는 40℃/min로 하였다.
Figure 2에 나타낸 바와 같이 설정온도에 도달한 후 가열시 간동안 정치하였다. 실험에 사용된 전기가열로는 Figure 3 과 같다.
2.4 촉진 중성화 시험 및 중성화 깊이 측정
전기로 가열실험 종료 후 표층부의 수분증발로 인한 불포 화층이 존재하여 수분을 매개로 한 중성화 반응이 어려울
Figure 1. Standard time-temperature curve (ISO-834)
Figure 2. Heating condition
항온항습(20℃, 60%RH)을 실시하였다. 또한 Figure 4와 같이 시험체 상하면에 알루미늄 테이프를 부착하여 CO2의 일면침투를 유도하였다.
Figure 5에 나타낸 바와 같이 CO2촉진 챔버(CO2농도 5%, 60%RH)를 이용하여 2주 동안 촉진시험을 실시하였다.
Figure 6과 같이 중성화 촉진시험 종료 후 시험체를 할렬한 후 페놀프탈레인 용액을 분무하여 10개소의 중성화 깊이를 화상분석 소프트웨어(Innerview)를 이용하여 정량적으로 분석하였다.
Figure 4. Aluminum tape
attachment Figure 5. Carbonation
chamber
Carbonation Assessment of High-Strength Concrete Using Polypropylene Fiber after Fire Damage
Figure 6. Specimen splitting
Figure 7. Sampling by depth
2.5 미세구조분석
Figure 7과 같이 깊이별(표면부, 중성화 경계부, 중심부) 시료를 채취하여 전자주사현미경(Scanning Electron Microscope : 이하 SEM)을 통한 미세구조분석을 실시하였 으며, 화상분석 소프트웨어(Innerview)를 통해 PP섬유의 직경을 측정하였다.
3. 실험 결과 및 고찰
3.1 압축강도
Figure 8은 28일 재령에서의 압축강도를 나타낸 것이다.
재령 28일 기준 60A는 60.81MPa, 60B는 83.62MPa, 80B는 88.78MPa으로 모든 시험체가 설계기준강도를 만족 하였다. 강도발현율은 설계기준강도대비 GGBS를 30% 단 독 치환한 60B 시험체가 가장 크게 나타났다.
또한 60B가 동일 설계기준강도인 60A보다 압축강도가 높은 것으로 나타났다. 한편, Hwang and Lin[6]에 의하면 잠재수경성으로 인해 치환율이 증가할수록, 장기재령일수록 공극구조가 치밀해지는 것으로 알려져 있다. 따라서 GGBS 의 치환율이 30%인 60B가 20%인 60A보다 상대적으로 높 은 GGBS의 치환율로 인해 압축강도가 증가한 것으로 판단 된다.
Figure 8. Compressive strength(dry curing)
3.2 페놀프탈레인 용액에 의한 중성화 깊이
Figure 9와 Figure 10 및 Table 7은 전기로 가열시간에 따른 섬유혼입 고강도 콘크리트의 촉진 중성화 시험결과를 나타낸 것이다.
200℃로 1시간 가열한 시험체의 경우 중성화 깊이가 평 균 7.3mm로 고온을 받지 않은 Control 시험체(평균 4.6mm) 대비 약 2배 증가하였으며, 2시간 가열한 시험체의 경우 평균 13.6mm로 약 3배 증가하였다. 또한 300℃로 1 시간 가열한 시험체의 경우는 평균 45.9mm로 약 10배 이 상 증가하였다.
한편, 200℃로 2시간 가열한 경우 1시간 가열한 시험체 보다 중성화 깊이가 약 2배 증가한 것으로 나타났다. 300℃
로 2시간 가열한 시험체는 중심부까지 중성화가 진행되었으 며, 1시간 가열한 시험체와 큰 차이를 보이지 않았다. 따라 서 300℃에 1시간 이상 노출될 경우 중심부(50mm)까지 중 성화가 진행된다는 것을 확인하였다.
Figure 9. Average carbonation depth-1hour heating
Figure 10. Average carbonation depth-2hour heating
또한 80MPa의 경우 60MPa보다 중성화에 대한 피해가 더욱 심각한 것으로 나타났다. 이는 80MPa의 경우 60MPa 보다 강도는 높으나 혼합된 PP섬유의 양이 많아 가열시 PP 섬유의 용융으로 인해 모세관 공극이 증가하여 CO2가 침투 할 수 있는 열린 네트워크를 형성함으로써 중성화 촉진이 가속된 것으로 판단된다.
3.3 미세구조분석(SEM)
전기로 가열실험 및 CO2 촉진에 따른 중성화 깊이를 측 정한 시험체를 대상으로 Figure 7과 같이 표면부, 경계부, 중심부의 깊이별 시료를 채취하여 SEM 측정(×100)을 실시 한 결과는 Table 8, 9, 10과 같다. 또한 PP섬유의 배합별, 온도별, 가열시간에 따른 섬유직경 변화를 Figure 11 및 Table 6과 같이 비교·검토하여 중성화 깊이에 미치는 영향 을 정량적으로 검토하고자 하였다.
Figure 11. Control fiber diagram(×1,000)
Series 200℃ 300℃
60A
60B
80B
미세구조분석 결과, Control의 경우 중성화 깊이별 측정 결과와 같이 표면부 및 중심부에서 PP섬유가 뚜렷하게 관찰 되었다. 그러나 200℃에서 1시간동안 가열한 시험체의 경우 중성화 깊이는 Control보다 약 1.5~2배 진행되었음에도 불 구하고 모든 깊이에서 PP섬유가 남아있는 것을 확인하였다.
이는 PP섬유의 용융점이 160~170℃임에도 직접적인 화염 에 닿지 않고 전기가열로의 간접적인 가열을 받아 PP섬유가 용융점 이상의 온도에서도 존재하는 것으로 판단된다. 또한 섬유의 직경 비교 결과, Control에 비해 200℃로 가열한 중 성화 경계부의 섬유 직경은 약 22.3㎛에서 약 18.8㎛로 감 소한 것으로 나타났다. 따라서 섬유의 직경이 감소함에 따라 모세관 공극의 연결성 증가로 중성화 깊이가 더욱 진행된 것으로 나타난다.
한편, 200℃로 2시간 가열한 시험체의 경우 표면부 및 경 계부의 모든 PP섬유가 용융된 것으로 나타났으며, 중심부의 PP섬유는 남아있는 것을 확인하였다. 또한 300℃로 가열한 시험체의 경우 가열시간에 상관없이 중심부(5cm)까지의 PP 섬유가 완전히 용융된 것을 확인하였다. 또한 Ozawa et al.[7]의 연구에 의하면 섬유혼입공법이 적용된 콘크리트의
Carbonation Assessment of High-Strength Concrete Using Polypropylene Fiber after Fire Damage
Series 60A 60B 80B
Control
200℃
1 hour
2 hour
300℃
1 hour
2 hour
Table 7. Depth of neutralization
Series control
200℃ 300℃
1 hour 2 hour 1 hour 2 hour
surface
bounda ry
center
Series control
200℃ 300℃
1 hour 2 hour 1 hour 2 hour
surface
bounda ry
center
Table 9. Results of SEM imaging(×100) - 60B
Carbonation Assessment of High-Strength Concrete Using Polypropylene Fiber after Fire Damage
Series control
200℃ 300℃
1 hour 2 hour 1 hour 2 hour
surface
bounda ry
center
Table 10. Results of SEM imaging(×100) - 80B
화재 후 염해저항성을 평가한 결과, 고온에 의해 섬유가 용융되어 생성된 공극으로 인해 염화물이온의 침투가 더욱 원활히 진행된 것으로 보고하고 있다. 즉 PP섬유가 용융되 어 생성된 공극을 수분이 채움으로써 Cl-의 침투가 촉진되 어 염해가 더욱 진행된 것으로 판단된다. 따라서 섬유혼입공 법이 적용된 고강도 콘크리트의 경우 섬유의 용융으로 인해 생성된 모세관 공극 및 미세균열의 증가로 인해 300℃에서 1시간 이상 노출시 중성화에 대한 피해가 심각한 것으로 판 단된다. 이에 따라 PP섬유 직경의 감소 및 용융으로 인해 모세관 공극의 연결성 및 균열이 증가하므로 CO2의 침투가 촉진되어 중성화 깊이가 더욱 증가한 것으로 판단된다.
4. 결 론
섬유혼입공법이 적용된 고강도 콘크리트를 대상으로 화재 시 PP섬유가 용융되어 생성된 모세관 공극으로 인한 장기내 구성의 열화인자중 하나인 중성화 피해를 알아보기 위해 촉 진 중성화시험을 실시하여, 중성화 깊이 및 SEM 분석을 실 시한 결과는 다음과 같다.
1) 중성화 깊이는 강도에 상관없이 Control 대비 200℃
에서 1시간, 2시간 가열한 시험체의 경우 각각 약 2 배, 약 3배 증가하였다. 300℃로 1시간 가열한 시험
체는 약 10배이상 증가하였으며 중심부(50mm)까지 중성화가 진행되었다. 중성화에 대한 강도별 영향은 80MPa가 60MPa보다 심각했으며 PP섬유 혼입시에 는 강도보다 혼입섬유량이 큰 영향을 미치는 것을 확 인하였다.
2) SEM 분석 결과, 200℃로 2시간 가열한 시험체의 경우 표면부 및 경계부의 PP섬유가 모두 용융된 것으로 나 타났으며, 300℃로 가열한 시험체의 경우 가열온도에 상관없이 중심부까지 모든 PP섬유가 용융된 것을 확 인하였다. 이는 가열 온도 및 가열 시간에 따라 PP섬 유가 용융되어 생성된 모세관 공극의 연결성이 증가하 여 CO2의 침투가 촉진됨에 따라 중성화가 더욱 진행 된 것으로 판단된다.
3) 1시간 가열한 시험체를 대상으로 경계부의 PP섬유의 직경을 비교한 결과, Control의 PP섬유 직경이 약 22.5㎛인 것에 반해 200℃의 경우 약 18.8㎛로 감소 하였다. 따라서 PP섬유의 직경 감소 및 용융으로 인 해 모세관 공극의 연결성이 증가하여 CO2의 침투가 더욱 촉진됨에 따라 중성화가 더욱 진행된 것으로 판 단된다.
300℃에서 1시간 이상 가열될 경우 중성화 깊이가 중심
에서 1시간만 노출되어도 콘크리트 내부의 PP섬유가 중심 부까지 전부 용융되어 중성화 촉진이 원활히 진행된 것으로 판단된다. 따라서 화재 후 PP섬유가 혼입된 고강도 콘크리 트는 PP섬유가 용융되어 생성된 모세관 공극의 연결성 증가 및 미세균열증가로 인해 장기내구성에 대한 심각한 피해가 우려되며, 섬유혼입공법이 적용된 고강도 콘크리트의 장기 내구성에 대한 더욱 정밀한 조사 및 분석이 요구된다.
요 약
최근 국내·외 건축물들의 초고층화·대형화에 따라 고강도 콘크리트의 사용이 날로 증가하고 있으나 이러한 고강도 콘 크리트는 일반강도 콘크리트에 비해 화재에 의한 콘크리트 단면의 폭렬현상이 가장 심각한 문제점으로 지적되고 있다.
이에 따라 내화성능 향상대책으로 폴리프로필렌 섬유, 나일 론 섬유 등을 혼합한 섬유혼입공법이 주로 사용되고 있다.
그러나 섬유혼입공법이 적용된 고강도 콘크리트에 대한 대 다수의 연구는 주로 폭렬저감 효과에 집중되어 있으며, 화재 후 PP섬유가 용융되어 생성된 미세공극이 고강도 콘크리트 의 장기내구성에 미치는 영향을 조사·분석한 연구는 거의 없다. 따라서 본 연구에서는 화재피해가 발생한 섬유혼입공 법이 적용된 고강도 콘크리트를 가정하여 중성화시험 및 미 세구조분석을 통하여 미세공극이 중성화 깊이에 미치는 영 향을 검토하였다. 그 결과, 300℃에서 1시간만 노출되어도 콘크리트 내부의 PP섬유가 중심부까지 전부 용융되어 중성 화 촉진이 원활히 진행된 것으로 나타났다. 화재 후 PP섬유 가 혼입된 고강도 콘크리트는 PP섬유가 용융되어 생성된 모 세관 공극의 연결성 증가 및 미세균열증가로 인해 장기내구 성에 대한 심각한 피해가 우려되며, 섬유혼입공법이 적용된 고강도 콘크리트의 장기내구성에 대한 더욱 정밀한 조사 및 분석이 요구된다.
키워드 : 고강도 콘크리트, 폭렬현상, 폴리프로필렌 섬유, 중성화, 미세구조분석, 미세공극, 장기내구성
Funding
This research was supported by grant (20AUDP- B100368-06) from Urban Architecture Research
and Transport of Korean government ORCID
![Figure 3. Electric furnace170℃를 고려하여 가열온도를 200℃ 및 300℃로 설정하였다. 또한 Kang et al.[5]에 따르면 전기가열로에서 약 2시간 가열시 원주형 시험체(Φ100×200mm)의 중심부 온도가 설정온도까지 도달하는 것으로 나타나 이를 참조하여 가열시간은 1시간 및 2시간으로 하였다](https://thumb-ap.123doks.com/thumbv2/123dokinfo/5121019.577813/3.888.543.797.377.750/고려하여-가열온도를-설정하였다-전기가열로에서-설정온도까지-도달하는-참조하여-가열시간은.webp)
