2.1 사용재료

2.1.2 섬유보강재

매크로 합성섬유는 폴리프로필렌 재질의 합성 섬유로 길이 54 mm, 직경 0.34 µm, 섬유 형상비는 159로 섬유길이를 길게 하여 폭렬현상 제어를 확인하고자 한다. 밀도는 0.91 g/c$m^{3}$이며 인장강도는 570~660 MPa, 탄성계수는 4.67 GP이다. 섬유의 형상 및 상세 제원은 Table 2와 Fig. 2와 같다. 매크로 합성섬유는 Twisted와 Fibrillated 형태를 약 9:1의 비율로 혼합하여 사용하였으며 Fig. 2의 (a)와 (b)는 Twisted 형태, (c)와 (d)가 Fivrillated 형태이다. 매크로 합성섬유는 화학구조식에 따라 극소수성을 나타내므로 콘크리트 배합 시 섬유의 뭉침 현상이 타 섬유들에 비해 적다.

Fig. 1. Deck plate shape

Table 1. Deck plate sectional performance

Thickness (mm)	Weight (kg/$m^{2}$)	Sectional area (c$m^{2}$)	Neutral axis (cm)
0.8	13.24	13.04	2.458

Table 2. Fiber specifications

Material	Tensile strength (MPa)	Modulus of elasticity (GPa)	Length (mm)	Diameter (µm)	Aspect ratio
Polypropylene	54.9	4.67	54	0.34	159

Fig. 2. Shape of macro-synthetic fibers

2.2 시험체 세부 사항

본 연구에서는 데크플레이트의 유무와 매크로 합성섬유의 혼입 여부를 시험 변수로 하여 Table 3과 같이 데크슬래브 시험체를 계획하였다. 데크슬래브에 사용된 콘크리트 배합표는 Table 4와 같으며 28일 공시체의 압축강도는 섬유가 미혼입된 공시체가 평균 34.2 MPa, 매크로 합성섬유가 혼입된 공시체는 33.1 MPa로 측정되었다. 또한 내화 시험일인 재령 90일 공시체의 평균 압축강도는 섬유가 미혼입된 공시체가 37.6 MPa, 매크로 합성섬유가 혼입된 공시체가 29.9 MPa로 섬유가 혼입되었을 때 압축강도가 더 낮게 나타났다. 내화시험이 수행된 데크슬래브 시험체의 형상은 내화구조의 인정 및 관리기준에 따라 양 끝에 각각 250 mm의 지지대 부분을 포함해 4,700 mm×3,000 mm크기의 직사각형 형태로 제작하였으며 Fig. 3에 나타내었다. 또한 시간에 따른 시험체의 단면 온도분포를 파악하기 위하여 Fig. 3과 같이 콘크리트와 상, 하부 철근 및 데크플레이트에 30 mm, 80 mm, 120 mm 높이에 열전대를 설치하였다(Choi et al. 2014)⁽⁴⁾. 데크슬래브 시험체는 타설 후 3개월간 양생하여 콘크리트의 수분함유량을 일반적인 데크슬래브 사용조건에 부합하도록 하였고 내화시험은 기건상태에서 수행하였다.

Fig. 3. Specimen details and location of the thermocouple

Fig. 4. Standard time - temperature curve

Note: W/C: water/cement; C: cement; W: water; FA: fine aggregate; CA: coarse aggregate; AD: admixture

2.3 시험방법 및 계획

내화시험은 국내 KS F 2257-1(KATS 2005)⁽¹¹⁾ 건축부재의 내화시험방법에 따라 수행하였다. 시험체 모두 내화구조 성능기준인국토해양부 고시 제 2005-122호에서 규정한 120분 동안 가열하였으며 가열 온도의 경우 Fig. 4와 식(1)의 ISO834 (ISO/TC 92/SC 2 1999)⁽⁷⁾ 표준시간-가열온도 곡선에 따라 슬래브 하부면을 가열하였다(KATS 2015)⁽¹²⁾.

여기서, $t$는 화재발생시간(min), $T(t)$는 가열로 내 평균온도(°C), $T_{0}$는 대기온도(20 °C)이다.

재하가열시험에서 시험체의 내화성능 평가는 KS F 2257-1 (KATS 2005)⁽¹¹⁾ 건축부재의 내화시험방법에 규정되어 있는 하중지지력, 차열성, 차염성의 3가지 조건에 의해 평가하였다. 하중지지력의 평가는 슬래브 두께에 따른 한계 변형량과 허용 변형률을 초과하게 될 때 부재는 구조적으로 붕괴됐다고 판정하며 최대 처짐 기준을 초과하지 않도록 규정하고 있다. 시험체가 안정된 상태에 도달할 때까지 상대적으로 급속한 변형이 생길 수 있으므로 변형률의 성능 기준은 변형량이 L/30을 초과할 때까지 적용하지 않는다. KS F 2257-1(KATS 2005)⁽¹¹⁾에는 식(2), 식(3)을 통하여 두 가지 기준을 모두 초과하였을 때 부적합한 것으로 판단하였다.

여기서, $L$은 시험체 스팬(mm), $d$는 구조 단면의 최대 압축력을 받도록 설계된 위치에서 최대 인장력을 받도록 설계된 위치까지의 거리(mm)이다.

또한 차열성의 경우 내화시험 중 시험체의 비가열면 온도가 초기 온도보다 140 K를 초과하여 상승하게 되면 차열성능에 부적합한 것으로 판단하였다.

내화시험체의 재하하중에 따른 내화성능을 평가하기 위해 KS F 2257-5(KATS 2005)⁽¹¹⁾건축 수평부재의 내화시험 규정에따라 내화시험체 상부를 등분포하중으로 재하하여 시험을 수행하였으며 Fig. 5와 같이 나타내었다. 총 재하하중의 경우 공칭내력 205 kN･m의 약 34.7 %인 90 kN을 재하하였으며 등분포하중은 재하치구의 무게를 포함해 9 kN/$m^{2}$를 재하하였다. 내화시험은 Fig. 6의 가열로를 이용하여 시험체 하부면을 가열하였으며 시험체는 Fig. 7과 같이 설치 후 진행하였다.

Fig. 5. Fire resistance test specimen loading and installation

Fig. 6. Inside the heating furnace

Fig. 7. Test set-up

3.1 내화시험 결과

데크슬래브의 내화시험에 관한 결과는 Table 5에 나타내었다. Fig. 8은 각 시험체의 시간에 따른 변형량을 나타낸 것이며 식(2)에 따른 한계변형량 기준을 붉은색 점선으로 나타내었다. Deck-0 시험체는 한계변형량 $L$/30=140 mm를 초과하지 않았지만 RC-0, Deck-2.4 시험체는 한계변형량 $L$/30= 140 mm를 초과하는 결과가 나타났기 때문에 구조안전성에 대해서 허용변형률 기준인 $L^{2}/ 9,\:000d$를 고려하여 내화성능을 평가하였다. 하중지지력 평가 시 내화시간 목표인 120분 동안 RC-0 시험체는 변형량 149.8 mm, 변형률 5.7 mm/min로 한계 변형량 기준 294 mm를 초과하지 않았으며 허용변형률 기준 13 mm/min도 초과하지 않았다. 또한 Deck-0 시험체의 경우 변형량 134.8 mm, 변형률 8.0 mm/min로 한계변형량과 허용변형률 기준을 초과하지 않았으며 Deck-2.4 시험체의 경우 변형량 151.5 mm, 변형률 6.6 mm/min로 한계변형량과 허용변형률을 모두 만족하였다. 차열성 측면에서 이면상승온도 또한 RC-0 시험체의 경우 평균 79.4 °C, 최고 102.1 °C로 나타났고 Deck-0의 경우 평균 99.3 °C, 최고 158.4 °C이며 Deck-2.4 시험체는 평균 65.0 °C, 최고 69.8 °C로 3개 시험체 모두 이면상승온도 기준을 초과하지 않았다.

내화시험 수행결과 3개의 시험체 모두 변형량, 변형률, 이면상승온도 모두 기준치를 초과하지 않았으며 건축법시행령 제56조의 건축 부재별 내화구조기준에서 규정하는 바닥부재 내화인정 시간 120분을 만족하였다.

Fig. 8. Deck slab deflection - time curve

Fig. 9. Temperature distribution of concrete

Fig. 10. Temperature distribution inside re-bars and deck plates

3.2 데크슬래브의 내화성능

각 시험체별 내부 온도분포를 Fig. 9와 Fig. 10, Table 6에 나타내었다. Fig. 9와 Fig. 10에 나타낸 바와 같이 Deck-0 시험체와 Deck-2.4 시험체의 온도분포를 살펴보면 두 시험체 모두 약 10분에서 20분 사이에 온도상승 지연구간을 보이고 있다. 이러한 특정구간 온도상승 지연현상은 일반 철근콘크리트슬래브에서는 보기 힘든 현상이다(Khoury 2000; Kim et al. 2005a, 2005b; 2011)^(13-16). 데크슬래브 시험체의 경우 슬래브 하부면의 데크플레이트 때문에 양생기간 중 수분 증발이 일반 RC 슬래브보다 적었기 때문에 시험체 가열 시 초기 온도상승 지연구간이 발생한 것으로 판단된다. 또한 시험체별 30 mm 높이의 온도곡선 그래프의 기울기를 살펴보면 내화시험 시작 후 20분에서 60분 사이에 데크슬래브 시험체의 온도가 급격하게 상승하다가 60분 이후 완만하게 변화하면서 RC-0 시험체와 유사한 기울기를 나타냈다. 이는 일반 콘크리트의 경우 온도가 증가됨에 따라 콘크리트의 질량이 감소하며 내부의 수분이 빠져나가면서 생기는 공극으로 인해 콘크리트의 열전도율은 감소하게 되는데 데크플레이트의 경우 초기에 높은 열전도율로 인하여 급격한 온도상승을 보이다가 콘크리트의 열적 특성으로 인해 시간이 지남에 따라 열전도율이 감소하여 나타난 현상으로 판단된다. 또한 Deck-0 시험체의 경우 콘크리트 내부 120 mm 높이의 온도가 평균 134.3 °C로 가장 높게 나타났는데 이는 동일한 위치에서 RC-0 시험체가 114.6 °C, Deck-2.4 시험체가 102.6 °C로 나타난 것과 비교해 가장 높은 온도로 측정되었다. 이러한 온도 차이는 데크플레이트의 열적특성으로 때문에 데크플레이트가 콘크리트로의 열전달이 원활하게 이루어져 발생한 것으로 판단된다. 그러나 변형량 측면에서 RC-0 시험체와 Deck-0 시험체를 비교한 결과 Deck-0 시험체의 변형량이 RC-0 시험체 대비 15 mm 감소한 결과가 나타났다. 콘크리트는 내부의 온도가 상승하게 되면 내부의 골재자체의 압력이 높아져 콘크리트는 팽창하게 되고 결과적으로 콘크리트의 성능저하가 발생하게 된다. 그러나 시험결과 RC 시험체와 Deck 시험체의 휨강도는 같으나 데크플레이트의 리브가 길기 때문에 RC 실험체보다 Deck 실험체의 휨강성이 높게 나온 것으로 판단된다.

3.3 매크로 합성섬유 혼입에 따른 내화성능

매크로 합성섬유 혼입에 따른 데크슬래브의 내화성능을 평가하기 위하여 Deck-0 시험체와 Deck-2.4 시험체를 대상으로 동일 위치에 설치한 열전대를 시간에 따른 온도분포를 비교하였다. Fig. 9와 Fig. 10에 나타낸 바와 같이 Deck-2.4 시험체는 데크플레이트의 열전달이 높았음에도 불구하고 콘크리트 내부 120 mm 위치에서 평균 102.6 °C로 평균 114.6 °C의 RC-0 시험체와 비교해도 상부의 평균 온도차이가 12 °C 낮은 것으로 나타났다. 또한 Deck-2.4 시험체의 경우 Deck-0 시험체와는 다르게 내화시험 시작 20분부터 시험 종료 시까지 온도곡선의 기울기가 완만한 것을 확인할 수 있었다. 원종필 등의 연구에 따르면 콘크리트 부재의 내화시험 시 콘크리트 내부에 위치한 폴리프로필렌섬유가 고온에 노출되면서 용융되어 수증기 통로를 형성하고 이 통로를 통해 공기 순환이 원활하게 이루어져 시험체 내부의 온도증가를 방지했기 때문이라고 주장하였다(Won et al. 2008)⁽²⁰⁾. 매크로 합성섬유의 주요 재질도 폴리프로필렌이기 때문에 원종필 등의 연구결과와 동일한 결과가 나타난 것으로 판단된다(Won et al. 2008)⁽²⁰⁾. 내화시험 종료 후에 Deck-2.4 시험체의 단면을 확인한 결과 Fig. 11에 나타낸 바와 같이 데크플레이트의 높이인 80 mm 이상의 섬유는 모두 온전한 것으로 나타났으며 80 mm 높이 미만의 섬유는 모두 융해되어 슬래브 내부에 공극이 생긴 것을 확인하였다. 이러한 결과는 Fig. 9와 Fig. 10에 나타낸 바와 같이 Deck-2.4 시험체의 120 mm 위치의 온도는 평균 102.6 °C로 폴리프로필렌섬유의 녹는점인 160 °C에 미치지 못하기 때문으로 판단된다. Deck-2.4 시험체의 경우 RC-0 시험체와 Deck-0 시험체 대비 가장 많은 변형량을 보였는데 이는 콘크리트의 온도에 따른 성능저하와 선행 연구들의 결과인 콘크리트의 섬유혼입과 온도에 따른 콘크리트의 변형량 증가의 결과로 판단된다(Shin et al. 2006; Teja et al. 2012; Li et al. 2017)^(17-19).

Fig. 11. Section of Deck-2.4