Journal of the Korea Institute of Building Construction, Vol. 14, No. 3
http://dx.doi.org/10.5345/JKIBC.2014.14.3.223 www.jkibc.org
섬유 종류에 따른 고강도 콘크리트의 내화성능에 관한 실험적 연구
Fire Resistance Performance of High Strength Concrete with Fiber Types
김 정 진1) Kim, Jeong-Jin*
Research & Development Institute, LOTTE Engineering & Construction, Seoul, 140-846, Korea
Abstract
In this study, the fire resistance of high strength concrete with organic fibers and polymer powder (PW) was investigated. Two types of the specimens of φ100×200mm and 300×300×600mm sizes were prepared. As a result of the test, it was found that the fiber-to-PW mixing ratio of 1:1 achieved the highest fluidity. Further, it was found that the mixing ratios of PP 0.05% + PW 0.05%, PNY 0.05% + PW 0.05% was sufficient to protect the high strength concrete from spalling. For the mock-up specimens of 300 × 300 × 600mm size, if the required amounts of fibers were added in the concrete. the concrete spalling was resisted. Likewise, in the case of the polymix (PM) together with PW, all the tested specimens were satisfactory for fire resistance performance.
Keywords : high strength concrete, spalling resistance, polymix, fire resistance performance
1. 서 론
초고층 구조물은 다중이용 시설물로써 구조물의 안전성 확보가 대단히 중요하다. 특히 2001년 9월, 미국에서 발 생한 세계 무역센터 건물의 붕괴는 초고층 건축물의 화재 에 대한 안전성 확보 문제를 제기하였다. 이후 초고층 구 조물에 사용되는 고강도 콘크리트의 폭렬현상과 내화성능 확보는 초고층 건설분야에서 반드시 해결해야할 문제가 되었으며, 국내에서도 대형건설사와 학계를 중심으로 활 발하게 연구가 진행되어 왔다[1]. 그 결과 2008년 7월 국 토해양부에서는 설계기준강도 50MPa이상의 고강도콘크 리트 기둥․보에 대한 내화성능 관리기준을 마련하여 고시 하였다[2].
Received : January 6, 2014 Revision received : April 1, 2014 Accepted : April 2, 2014
* Corresponding author : Kim, Jeong-Jin
[Tel: 82-2-3483-7862, E-mail: [email protected]]
ⓒ2014 The Korea Institute of Building Construction, All rights reserved.
이러한 관점에서 최근 폭렬 파괴를 대상으로 한 가열 실험이 많이 행해지고 있는데, 그 중 일반적으로 채택되고 있는 폭렬 대책은 다음과 같다.
① 내부로의 온도 전달을 억제하는 내화피복 공법. ② 가연성 섬유를 혼입하는 섬유혼입 공법[3]. ③ 콘크리트의 비산방지를 위한 메탈라스, 강판 등의 삽입 방안. ④ 영구 거푸집을 이용한 콘크리트의 폭렬방지 방안 등이 있다[4].
이러한 여러 방안 중 모르타르 및 석고보드, 유기질 섬 유혼입 모르타르 피복공법과 가연성 섬유를 콘크리트에 혼입하여 콘크리트의 폭렬을 방지하는 방안이 현재 가장 보편적으로 채택되어지고 있다. 그러나 가연성 섬유를 콘 크리트 배합시 혼입하여 폭렬을 방지하는 방법은 섬유의 엉킴 현상으로 콘크리트의 유동성이 떨어져, 펌프압송 성 능이 급격히 저하되므로, 100층 이상 또는 500 m 이상의 초고층 건축물에 적용하기에는 어려움이 있다[5].
그러므로 본 연구에서는 고강도콘크리트 내화성능에 관 한 기준에 부합하며 실무에서 실용적으로 활용할 수 있는 폴리믹스(이하, PM, 섬유+폴리머분말)의 적정 배합비 도 출을 통해 폭렬을 방지하고 펌프압송성을 개선할 수 있는
Fire Resistance Performance of High Strength Concrete with Fiber Types
Figure 1. Mechanism of spalling explosion[6] Figure 2. Increase of vapor pressure at high temperature[6]
방안에 대하여 연구를 실시하여, 초고층 구조물에 가장 적 합한 내화성능 확보 기술을 개발하고, 이를 현장 구조물에 적용하고자 함에 있다.
2. 폴리믹스 혼입에 의한 폭렬방지 메카니즘
2.1 고강도 콘크리트의 폭렬
초고층 건축물에 적용되는 고강도 콘크리트의 경우 화 재에 노출 시 콘크리트가 폭렬하는 현상이 발생한다. 이는 거주자가 화재로 인한 대피시 콘크리트의 폭렬로 인한 피 해가 발생함은 물론 구조체의 단면이 결손하여 잔존 내력 을 크게 저하시켜 구조물의 사용수명을 단축시키게 된다.
폭렬의 발생요인은 콘크리트 내부의 수증기압 상승, 급 격한 가열에 의한 비정상적인 열응력의 발생 및 골재 종 류 등이 주요 원인으로 정리될 수 있으며, 급격한 고온, 높은 함수율, 낮은 물결합재비(이하, W/B) 등의 복합적인 원인에 의해서 발생하는 것으로 알려져 있다. 고강도 콘크 리트의 경우 화재 발생 시 콘크리트 내부의 수분이 수증 기로 변화하면서 내부 수증기압이 증가하게 된다.
일반 강도 콘크리트의 경우는 콘크리트 내 공극을 통하 여 수증기가 분출, 내부 수증기압이 일정 수준으로 유지 되나, 고강도 콘크리트의 경우는 Figure 1, 2와 같이 내 부 수증기가 분출될 통로가 존재하지 않아 수증기압이 증 가하게 되며, 결국 내부수증기의 압력으로 인한 콘크리트 표면부에서의 폭렬이 발생하게 된다[6].
국내의 고내화 콘크리트 연구는 섬유를 단독으로 혼입 하는 공법이 주를 이루고 있으나, 이는 내화성능은 확보할
수 있으나, 콘크리트 강도의 증가시, 섬유량 증가로 점성이 크게 증가하여, 펌프 압송성능이 저하되므로, 초고층까지 섬유를 혼입한 콘크리트를 압송하는데 문제를 야기한다.
2.2 폴리믹스의 폭렬방지 메카니즘
Figure 3은 본 연구를 통해 개발된 PM을 활용한 폭렬 방지 메카니즘을 나타낸다.
a) At room temperature b) At 120℃
c) At 160℃ d) At 220℃
Figure 3. Spalling protection mechanism of polymix technique [5]
본 공법은 120 ℃의 용융점을 가진 폴리머분말(이하, PW)을 160 ℃의 용융점을 가진 Polypropylene(이하, PP)섬유와 220 ℃의 용융점을 가진 Nylon(이하, NY)섬 유를 함께 혼합하여, 굳지 않은 콘크리트 단계에서는 구형 의 PW에 의해서 유동특성이 향상되고, PW에 의해 확보 된 내화성능만큼 섬유량을 줄일 수 있어, 섬유만을 단독으 로 혼입한 내화콘크리트 공법에 비해서 유동특성을 크게
초고층 시공에 있어서는 내화성능과 펌프압송 성능을 동 시에 만족시킬 수 있을 것으로 판단된다[7].
3. 실험계획 및 방법
3.1 실험계획
고강도 콘크리트의 섬유혼입에 의한 폭렬 및 내화특성 검토를 위한 실험계획은 Table 1~2와 같으며, SeriesⅠ 에서는 80MPa 고강도 콘크리트 배합을 기준으로 PW의 유동특성 및 내화성능 검토를 하였으며, SeriesⅡ에서는 60~120MPa 강도변화에 따른 내화성능을 검토하였다.
먼저, SeriesⅠ에서는 섬유를 혼입하지 않은 플레인 콘 크리트와 PP 단독혼입과 복합섬유(이하, PNY, PP+NY) 를 혼입한 섬유혼입 콘크리트 2수준, PW와 섬유를 병용 한 PM을 혼입한 콘크리트 1수준으로 실험계획 하였으며, 특히, PM의 경우는 섬유와 PW의 혼합비를 (0:1, 0.25:0.75, 0.5:0.5, 0.75:0.25, 1:0) 5수준으로 총 20 배치를 실험계획 하였다.
실험항목으로는 굳지 않은 콘크리트에서 슬럼프 플로와 공기량을 측정하였고, 내화성능을 검토하기 위하여 φ 100×200mm의 공시체를 제작, 3시간 내화실험을 실시 하여 유동성 및 내화성능 확인을 위한 실험을 실시하였다.
Table 1. Experimental outline of Series Ⅰ
Factors considered Tests Conducted Compressive strength 80MPa
Slump flow Air content Compressive
strength (28 days) Fire test (3 h)
W/Ba 22.5%
Slump flow 650±100mm
Air content 3.5±1.5%
Fiber type PP, PNY, PM
Volume of fiber & polymer
powder(%) 0, 0.05, 0.10, 0.15, 0.20 Mixing ratio of fiber to
polymer powder 0:1, 0.25:0.75, 0.5:0.5, 0.75:0.25, 1:0
Table 2. Experimental outline of series Ⅱ
Factors considered Tests Conducted Compressive strength 60, 80, 120MPa
Fire test (3 h) Spalling extent
Slump flow 650±100mm
Air content 3.5±1.5%
Fiber type PP, PNY, PMa
Volume of fiber content (%) 0, 0.05b, 0.10c, 0.15d
aPM (Polymix) is referred to the mixture of PNY and PW with a mixing ratio of 5:5
bApplies only to 60MPa concrete
cApplies only to 80MPa concrete
dApplies only to 120MPa concrete
비의 실용성 검토를 위하여 Table 2와 같이 60, 80, 120 MPa 3수준의 고강도 범위에서 PP와 PNY 및 PM의 성능 비교를 위한 실험을 계획하였다. 목표 슬럼프 플로는 650±100mm, 목표 공기량은 3.5±1.5%로 하였고, 내 화시험은 300×300×600mm의 모의부재를 제작하여 3 시간 내화시험을 실시하여 폭렬성상 및 온도이력을 측정 하였다. 본 연구에 사용된 콘크리트의 배합은 Table 3과 같다.
Table 3. Mixture proportions of concretes W/Ba
(%) S/ab (%) SPc/C
(%) Mix weight (kg/m3)
W Cd FAe BSf SFg Sh Gi
27.5 45 1.2 160 437 116 - 29 712 877
22.5 43 1.7 152 507 135 - 34 653 872
17.0 35 1.8 155 574 - 274 64 470 879
aWater to binder ratio,bSand to aggregate ratio,cSuperplasticizer
dCement,eFly ash,fBlast furnace slag,gSilica fume,hSand,iGravel
3.2 사용재료
본 실험에 사용한 재료로서 시멘트와 골재의 물리적 특 성은 Table 4, 5와 같다. 시멘트는 국내산 1종 보통 포틀 랜드 시멘트를 사용하였으며, 굵은 골재는 표건 밀도 2.62, 흡수율 0.72%의 남양산 화강암 부순돌(최대크기 20mm)을 사용하였고, 잔골재는 표건 밀도 2.61, 흡수율 0.69%의 북인천 세척사를 사용하였다. 한편, 본 연구에 사용되는 PW 및 섬유의 물리적 특성은 Table 6과 같다.
Table 4. Physical properties of cement.
Density (g/cm3)
Blaine fineness
(cm2/g) Stability
(%) Setting time (min) Compressive strength (MPa) Initial Final 3days 7days 28days
3.15 3,482 0.16 210 300 22.0 28.8 38.7
Table 5 Physical properties of aggregates Density
(g/cm3) Fineness
modulus Absorption
ratio (%) Solid Volume of aggregate (%)
Percentage passing 80µm
sieve (%)
2.62 6.62 0.72 57.9 0.91
2.61 3.05 0.69 57.4 0.84
Table 6. Physical properties of the polymer powder and fibers Material type Density
(g/cm3) Length
(mm) Diameter
(mm) Melting point (℃)
polymer powder (PW) 0.93 - 0.25 127
PP 0.91 19 0.07 162
Nylon (NY) 1.15 12 0.02 220
Fire Resistance Performance of High Strength Concrete with Fiber Types
4. 실험결과 및 분석
4.1 콘크리트의 굳지 않은 특성
Figure 4와 Figure 5는 섬유와 PW 혼입에 따른 유동 성 변화를 나타낸 것으로 섬유혼입률이 0.05%씩 증가할 수록 슬럼프 플로 값이 20~45mm정도씩 감소하는 것으 로 나타났으나 PW의 경우는 혼입률이 0.05%씩 증가할수 록 슬럼프 플로 값이 오히려 5~10mm정도씩 증가하는 것으로 나타났다. 이는 PW의 계면활성성분과 형상에 의 한 마찰력 감소로 인해 유동성이 증가한 것으로 판단되며, PW가 고강도 콘크리트의 유동성 확보에는 유리할 것으로 사료된다.
Figure 4. Slump flow with different contents of conventional fibers
Figure 5. Slump flow with different contents of PW
한편, PNY와 PW를 혼합비에 따라 조합하여 실험한 결 과 PNY와 PW를 각 1:1로 혼입한 경우가 Figure 6에서 와 같이 Plain에 비해 15%, PNY를 단독 혼입한 경우에 비해서는 20%정도 유동성이 우수한 것으로 확인되었는
데, 이는 섬유에 의한 분리 방지와 PW의 구성 성분중 폴 리에틸렌의 윤활작용이 상호작용한 것에 의한 효과로 판 단된다.
Figure 6. Slump flow with different mixing ratios of PNY and PW
4.2 콘크리트의 경화 특성
압축강도는 섬유 및 PW를 혼입하면 3~5%정도 저하하 는 것으로 나타났으며, 탄성계수의 경우도 3~4%정도 감 소하는 것으로 나타났으나, 전체적인 경화특성에 큰 차이 는 없었으며 섬유 종류와 혼입율에 따른 경향은 나타나지 않았다. 따라서 굳지 않은 콘크리트의 유동특성 및 내화성 능을 만족할 수 있는 범위 내에서 섬유 혼입량을 결정하는 것이 타당할 것으로 판단된다.
유동성능을 고려할 경우는 일반 PP 및 PNY 모두 섬유 와 PW의 혼합비율이 0.5:0.5(이하, 1:1) 일 때, 압축강도 확보 및 유동성능 확보면에서 가장 유리한 것으로 확인되 었으며, 콘크리트의 유동성은 콘크리트의 펌프압송성능에 도 영향을 미치므로, 내화성능이 확보 가능한 범위내에서 섬유의 양을 작게 하는 것이 유리할 것으로 사료된다.
Figure 7. Compressive strength with different mixing ratios of PNY and PW
4.3.1 기초 내화성능 검토
PP와 PNY 및 PW를 혼합하여 혼합비별 φ100×
200mm의 공시체를 활용하여 3시간 내화시험을 실시하였 다. 실험결과 PW를 단독으로 사용한 경우에는 플레인보 다 내부 수증기압은 감소하였지만 충분하지 못하여 혼입 률과 상관없이 모두 폭렬이 발생하여 단독사용은 불가능 한 것으로 나타났고, 섬유 0.25:PW 0.75 혼합비의 경우 에도 폭렬이 발생하는 것으로 나타났다. 그러나 PP 0.5:PW 0.5 및 PNY 0.5:PW 0.5 이상의 경우에는 Figure 8과 같이 폭렬이 방지되는 것으로 나타나, 기존에 알려진 섬유공법과 비교하여 더 적은 양의 섬유 혼입량으 로도 고강도 콘크리트의 폭렬방지 성능을 발휘하는 것으 로 나타났는데, 유동성 확보 측면까지 고려할 시는 섬유와 PW의 혼합비가 1:1인 경우가 가장 효과적일 것으로 판단 된다.
Plain PW 0.05% PW 0.10%
PP 0.25:PW 0.75 PP 0.5:PW 0.5 PP 0.75:PW 0.25
PNY 0.25:PW 0.75 PNY 0.5:PW 0.5 PNY 0.75:PW 0.05 Figure 8. Spalling extent after fire tests
4.3.2 실기둥 축소부재 내화성능 검토
Figure 9는 강도수준별 섬유 종류 및 혼입률에 따른 RC 모의부재의 폭렬성상을 나타낸 것이고, Figure 10은 표준가열곡선 및 각 모의부재 모서리 주근의 온도이력을 나타낸 것이다.
0.05%, 80MPa는 0.10%, 120MPa는 0.15%를 각각 혼 입하였으며, 압축강도, 슬럼프 플로, 공기량은 모두 관리 기준은 만족하였으며, 슬럼프 플로의 경우는 PM이 가장 우수한 것으로 나타났다. 실험 결과로서, 80MPa의 섬유 를 혼입하지 않은 플레인은 급격한 고온과 내부 수증기압 의 영향으로 심한 파괴폭렬이 발생하여 피복이 탈락하였 고, 섬유를 혼입한 경우에는 내열성이 작은 섬유가 고온에 녹아 내부 수증기압을 효과적으로 배출할 수 있는 통로를 형성하여 폭렬이 방지됨을 확인할 수 있었다. 내부온도 이 력은 PP섬유만을 혼입한 경우가 가장 높게 나타났으며, PM, PNY 순으로 낮은 온도이력 경향을 보였다.
Plain 60MPa
80MPa 120MPa
Figure 9. Spalling extent with different strengths
또한 PM의 경우에도 폭렬방지 및 내부온도 상승 억제 에 효과적인 것으로 나타났는데, 이는 Figure 3과 같이 화재시 120 ℃ 부근에서 발생된 수증기가 PW이 녹아서 생긴 빈 공극으로 모여, 1차적으로 수증기압이 감소되며, 160 ℃와 220 ℃에서 PP섬유와 NY섬유가 녹아 생긴 통 로를 통해 응집된 수증기들이 외부로 배출되어 수증기압 을 감소시킨 결과로 분석된다. 이에 PM의 경우 유동성 확 보 및 우수한 내화 성능을 가지는 것으로 확인되었다.
Fire Resistance Performance of High Strength Concrete with Fiber Types
특히 펌프압송을 반드시 실시해야 하는 초고층 시공에 있어서는 내화성능과 펌프압송 성능을 동시에 만족시킬 수 있여야 하므로, PM이 적합할 것으로 판단된다. 따라서 PM을 고강도 콘크리트에 혼합하여 사용할 경우 기타 섬 유만을 혼입할 경우와 비교하여 유동성이 우수하고 내화 성능까지 확보하는 것이 가능할 것으로 사료된다.
Figure 10. Temperature history of concretes
5. 결 론
본 연구의 SeriesⅠ에서는 가연성 섬유와 PW의 혼합비
별 유동특성과 폭렬특성을 검토하였고, SeriesⅡ에서는 각 섬유별 내화성능 검토 및 폭렬특성을 분석하였으며, 본 연구의 범위에서는 다음과 같은 결론을 얻었다.
1) 섬유 종류 및 혼입률 변화에 따른 유동특성으로, 섬 유의 혼입률이 증가할수록 슬럼프 플로 값이 저하하 지만, PM의 혼입률이 증가할수록 유동성은 향상되 는 것으로 나타났으며, 섬유와 PW의 혼합비 변화에 따라서는 섬유와 PW의 혼합비가 1:1일 때 유동성 이 가장 우수한 것으로 나타났다.
2) φ100×200mm의 공시체를 이용하여, 섬유와 PW 의 혼합비별 1시간 가열 내화시험을 실시한 결과 PW을 단독으로 사용한 경우, 모든 시험체에서 폭렬 이 발생하여 PW이 계면활성성분과 볼베어링효과에 의해 유동성 증진 효과는 있으나, 고강도 콘크리트 의 폭렬 방지를 위해서는 섬유와 병용하여 사용해야 한다. 또한 PP:PW 혼합비가 1:1 및 PNY:PW 혼 합비가 1:1 이상의 경우에서 더 적은 양의 섬유혼입 량으로 고강도 콘크리트의 폭렬방지가 가능한 것으 로 확인되었다.
3) 강도 및 섬유 혼합비 변화에 따른 모의부재의 폭렬 특성을 분석한 결과, 300×300×600mm의 모의부 재에서 적정량의 섬유를 혼입한 경우 모두 폭렬이 방지되는 것으로 나타났으며, 내부온도 이력은 PP 만을 혼입한 경우 가장 높게 나타났고, PNY를 혼입 한 경우가 가장 낮게 나타났다. 한편, PM의 경우에 도 폭렬방지 및 내부온도 상승 억제에 효과적인 것 으로 나타나 유동성 및 내화 성능을 모두 만족하는 것으로 나타났다.
요 약
본 연구에서는 고강도 콘크리트의 폭렬특성 분석 및 폭렬 방지공법 개발을 위하여 유기 섬유와 PW을 혼입한 고강도 콘크리트로 φ100×200mm 시험체와 300×300×600mm 의 모의부재를 제작하여 내화성능 시험을 실시하였다. 실험 결과, 섬유 종류 및 PW혼입률 변화에 따른 특성으로, 섬유 와 PW의 혼합비가 1:1일 때 유동성이 가장 우수한 것으로 나타났으며, 내화시험을 실시한 결과 PP 0.05%+PW 0.05% 및 PNY 0.05%+PW 0.05% 이상의 경우에서 고강
300×300×600mm의 모의부재는 적정량의 섬유를 혼입한 경우 모든 시험체에서 폭렬이 방지되는 것으로 나타났다.
한편, PW을 혼합한 폴리믹스의 경우도 내화성능면에서 모 두 만족하는 것으로 나타났다.
키워드 : 고강도 콘크리트, 폭렬방지, 폴리믹스, 내화성능 References
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![Figure 1. Mechanism of spalling explosion[6] Figure 2. Increase of vapor pressure at high temperature[6]](https://thumb-ap.123doks.com/thumbv2/123dokinfo/5125267.579126/2.892.70.822.122.329/figure-mechanism-spalling-explosion-figure-increase-pressure-temperature.webp)
