2.3.1. 기존 연구

내화뿜칠재에 대한 기존연구의 내용은 ‘석고 및 질석계 내 화뿜칠재의 온∙습도조건에 따른 내화성능’이 있다. 본 논문에 서는 온도의 영향을 평가하기 위하여 -20, 20, 40°C, 상대습 도를 50%로 고정한 조건과 습도의 영향을 평가하기 위하여 상대습도를 30, 60, 90%, 온도를 20°C로 고정한 조건의 6가 지의 다른 온․습도 조건으로 구분하여 밀도 및 부착강도 실 험편을 7일간 열화시켜 실험하였다.

Table 2~Table 4는 각각 미국, 일본, 영국의 내구성 실험 기준을 정리하였다.

2.3.2. 변전소 경년열화에 따른 내구성 실험조건

변전소 구조물의 내구년한은 특별한 규정은 없으나 일반 적으로 약 40년으로 보고 있다. 따라서, 구조물의 경년열화 에 의한 환경조건을 최소 40년을 기준으로 하였다.

내구성 실험을 위한 환경조건으로 변전소 운전환경에서 내화뿜칠재에 작용할 수 있는 동결융해 (건설 및 창문개방 시), 습도, 온도, 중성화의 4가지 조건을 실험환경 조건으로 설정하였다.

온도조건으로는 기상청의 국내 온도 및 습도의 30년간 월 평년 값을 조사한 결과, 국내 최고온도는 8월 달에 30°C를 웃도는 것으로 나타났으며, 최저온도는 1월 달에 -10~-15°C 사이에 분포하였다. 상대습도는 1년 사이에 50~90% 사이에 서 변하는 것으로 나타났다.

이와 같은 기상청 자료 이외에 변전소 실내 온도이력을 2 년간에 걸쳐 측정한 결과는 Fig. 1과 같으며 최고 약 30°C에 서 최저 5°C로서 실내에서는 영하로 떨어지지 않았다.

Fig 1.

Internal temperature history in the substation for a year

습도조건은 ASTM E 1529 기준에서는 약 100%로 실험 하였으나, 본 실험에서는 싸이클 실험시 온∙습도 복합조건에 의한 실험장비 성능상 50%에서 60%로 정하였으며, 100% 습도조건은 실험편을 48시간 수중 침지하는 것으로 대체하 였다. 동결융해 조건은 변전소 내화뿜칠은 대부분 실내에서 노출로 시공되나 시공과정에서 외기에 노출될 수 있으므로 최저 -20°C에서 최고 60°C로 하였다. 중성화 실험조건은 대 기중 CO₂ 농도는 0.03% 이나 단기간 촉진열화를 위하여 약 100배 증가시킨 값으로 CO₂ 농도를 3%로 하였다.

Fig. 2는 내화뿜칠재를 열화시키기 위한 복합 실험조건 열 화싸이클을 나타내고 있다.

Fig 2.

Cyclic conditions of complex tests

12시간이 기본 싸이클로 되어 있으며 실험은 10, 25, 71, 90 싸이클 단위로 실험하였으며, 일수로는 최대 45일 열화시 켰다. 이는 촉진내후성 실험조건인 ASTM E 1529에서 30일 기준, BS 3900-F3에서는 부분적 외부조건으로 1,000시간으 로 되어 있어 본 실험에서는 12시간이 1 싸이클로 90 싸이 클 1,080시간으로 정하였으며, 24시간인 2 싸이클이 1년의 경년열화 시간임으로 변전소 내구년한인 40년 이상으로 하 였다.

2.3.3. 변전소 충격하중 실험조건 설정

충격하중 산정

(1)

변전소 수명기간동안 발생하는 진동은 연간 1회 정도 시행 하는 GIS 기기 전원 투입 및 개방 시 진동이 있다. Fig. 3은 GIS 전원 투입 및 개방 시 가속도 값을 현장에서 측정한 것 이다. 측정결과 가속도 최대값은 약 0.8 m/sec₂이었다.

Fig 3.

Fig 3

측정위치는 진동원인 GIS 스위치로부터 거리가 떨어진 위 치에서 측정하였으므로 내화뿜칠재에 가해지는 가속도 값은 거리에 의한 감쇄, 층수에 따른 증폭, 실험시 오차 및 여유도 등을 고려하여 약 5~10 m/sec₂으로 하였다. 충격횟수는 변전 소 내구년한을 상회하는 45회로 하였다.

충격하중 실험장치 개발

(2)

Fig. 4의 실험장치는 내화뿜칠재가 GIS 투입 및 개방 시 받는 충격하중을 모사하여 실험체에 가하기 위한 장치로 유 사한 충격량이 가해질 수 있도록 햄머의 각도를 조정할 수 있게 하였다.

Fig 4.

The tester for impact loading

실험편은 Fig. 4에서 철판 밑에 하향의 방향으로 설치된다. 충격하중은 오른편의 햄머에 의하여 자유낙하와 같은 원리 로 회전축을 중심으로 반원을 그리며 실험편이 부착된 철판 면 주위에 충격을 가하고 이때의 충격가속도는 실험편 윗편 철판부의 실험편 중심에 설치된 가속도센서에 의하여 측정 하였다. 햄머의 뒤쪽에 설치된 각도 표시눈금은 일정한 충격 하중을 가하기 위하여 햄머를 드는 각도를 측정하는 장치이다.

3.1.1. 기존 부착강도 실험기준

국내 기준으로는 ^{KS F 2902 : 2008} ‘구조부재에 시공하는 내화 뿜칠재의 부착 강도 실험방법’에 따라서 실험하도록 되 어있으며, 국외기준으로는 ASTM E736 ‘Cohesion/Adhesion of Sprayed Fire-Resistive Materials Applied to Structural Members’가 있으며 두 기준은 내용은 유사하다.

3.1.2. 기존 실험방법 보완

기존에 수행되는 부착강도 실험방법은 Fig. 5와 같이 ASTM 및 KS 기준에 의하여 50kg 용량의 용수철 저울을 이용하여 인력으로 실험편 표면에 붙인 컵을 당겨서 최대 부착강도를 측정하게 되어 있다.

Fig 5.

Fig 5

용수철 저울을 이용한 방법은 용수철을 당기는 방법이 인 력에 의하기 때문에 일정한 하중을 연속적으로 가할 수 없 고, 부착강도가 용수철의 범위를 넘게되면 최대 부착강도를 알지 못하는 경우가 있다. 또한, 부착강도 실험 시 하중에 따 른 변위를 측정할 수 없어 내화재료 특성을 알 수 없었다.

본 논문에서는 이와 같은 점을 해결하기 위하여 Fig. 6과 같은 파괴 부착강도 까지 실험이 가능하도록 200kgf까지 유 압에 의하여 가력하며, 변위계 설치에 의한 변위측정, 실험 편의 고정 등 실험실 부착강도 실험 및 현장에서도 이용 가 능한 이동식 부착강도 실험기를 개발하게 되었다.

Fig 6.

The developed bond strength tester

실험장치는 알루미늄 프레임 하부에 소형 유압잭을 부착 하고 유압잭 피스톤 단부에 디지털 값으로 하중을 측정할 수 있는 로드셀이 부착되고 로드셀 하부에는 힌지장치가 있는 실험체를 결합할 수 있는 치구가 설치되어 정밀한 실험이 가 능하도록 하였다.

실험판 표면은 아연도금 강판을 이용하도록 되어 있으나, 변전소 현장 여건을 반영하기 위하여 녹막이 도장처리가 된 것과 안된 철판을 이용하였다. 실험판 두께는 규격에서는 1.6mm로 하게 되어 있으나 본 실험장치 이용시 실험판 자 체가 휘어져 실제 부착강도보다 작게 측정될 수 있는 문제가 있어 이를 방지하기 위하여 본 실험에서는 두께 5mm의 철 판을 이용하였다.

3.2.1. 실험편 제작방법

실험편은 중밀도, 저밀도, 녹막이 도장면, 철판면의 4가지 이며 열화 싸이클은 0, 10, 25, 71, 90 5개 싸이클로 20개 이 며, 각 Case 별로 3개의 실험편을 제작하여 총 60개가 소요 된다. 추가로 침수실험 및 기타의 목적에 따른 실험을 위하 여 40개를 더하여 총 100개의 실험편을 제작하였다. 실험판 의 크기는 300 × 300 mm이며, 시공두께는 약 24mm로 하 였다. 재료구성은 Table 5와 같다.

실험편 표면 처리

(1)

실험편의 표면 처리는 Fig. 7과 같이 중밀도 (b) 제품은 제 품기준에 따라 하도처리를 하였고, 저밀도 (a)는 하도처리가 없으며 용제를 이용하여 기름기 등을 제거하였다.

Fig 7.

Fig 7

내화뿜칠 시공

(2)

실험편 제작을 위한 시공용 기계는 Fig. 8과 같이 현장에 서 사용하는 동일한 종류의 장비를 사용하였다.

Fig 8.

Fig 8

3.2.2. 실험편 양생 및 열화

실험편의 양생은 약 1개월간 실내조건에서 양생하였으며, 양생이 끝난 실험편에 대하여 Fig. 9의 중성화실험장치를 이 용하여 최대 45일 (90 싸이클)온도, 습도, 중성화 조건으로 열화시켰다. 실험장치는 일본 마루이사의 중성화실험기를 이 용하였다.

Fig 9.

Fig 9

3.2.3. 부착강도 실험편 제작

양생 및 열화가 끝난 실험편을 접착제를 이용하여 컵을 붙 인 후 24시간 양생하였다 (Fig. 10).

Fig 10.

Attachment of Cup

Fig. 11은 10일 열화된 실험편을 나타내고 있다. 실험체 표면의 반점은 열화에 의한 현상이 아니라 복합열화 시 상부 실험편의 철판에서 녹물이 떨어져 생긴 흔적이다.

Fig 11.

Deteriorated specimens

3.3.1. 부착강도 실험방법

부착강도 실험은 양생 및 열화가 끝난 실험편에 대하여 수 행하였으며, Fig. 12의 좌측과 같이 부착강도 실험기에 실험 편을 고정하고 50mm 변위계를 원통형 접시 위에 설치한다. 가력은 유압에 의하여 원통형 접시를 인장하며 로드셀 및 변 위계를 이용하여 하중과 변위값을 데이터로거에 연결하여 동시에 측정한다.

Fig 12.

Fig 12

3.2.2. 실험편 파괴양상

부착강도 실험결과 실험편은 크게 3가지 양상으로 파괴되 었다. (1) 내화뿜칠재 재료에서 파괴 (Fig. 13a), (2) 내화뿜 칠재 재료와 철판면에서 파괴 (Fig. 13b), (3) 철판면 전체 에서 파괴 (Fig. 12b)되었다.

Fig 13.

Fig 13

내화뿜칠재 재료와 철판면에서 파단되는 양상은 열화전 실험체에서만 관찰되었다. 철판면 전체에서 파단되는 양상은 열화가 진행된 실험편 중 도장면에 시공한 실험편에서 발생 되었다. 재료와 철판면에서 파괴되는 이유는 양생이 충분히 되지 않아 강도부족으로 재료간의 점착력이 약하므로 전단 력에 의하여 파괴된 것으로 판단되며, 철판면 전체에서 파괴 되는 것은 열화가 진행되면서 도장면과 내화뿜칠재 사이에 습기가 침투되어 부착력이 약화된 것으로 판단된다.

3.3.3. 부착강도 실험결과

열화 싸이클에 따른 부착강도 실험결과

(1)

Table 6은 실험결과를 열화 Cycle 및 재료특성에 따라 구 분하여 정리한 결과이다.

Table 6.

The results of bond strength test

Test Sample\Cycles	Medium density(bond strength (MPa))		Low density (bond strength (MPa))
	painting	non-painting	painting	non-painting
0 Cycles	0.16	0.19	0.06	0.09
10 Cycles	0.14	0.15	0.03	–
25 Cycles	0.07	0.21	0.05	0.05
71 Cycles	0.71	0.17	0.04	0.05
90 Cycles	0.06	0.18	0.04	0.06

부착강도는 Cycle이 증가하여 열화가 진행될수록 부착강 도는 감소하며, 비중이 높을수록 부착강도는 높아지는 경향 을 보였다. 즉, 부착강도는 열화에는 반비례하고, 비중에는 비례하는 특성을 나타냈다.

또한, 결과를 정리한 Fig. 14를 참고하면 중밀도 무도장면 은 열화 Cycle에 관계없이 높은 값을 나타내었다.

Fig 14.

Bond strength test results

범례의 Mp는 중밀도 도장, Mnp는 중밀도 무도장, Lp는 저밀도 도장, Lnp는 저밀도 무도장을 나타낸다.

충격하중 실험결과

(2)

충격하중실험은 내화뿜칠재 열화 후 탈락여부를 판단하기 위한 방법으로 수행하였으며, 변전소에서 발생하는 최대 진 동가속도인 5~10 m/sec₂을 충격하중으로 가력하여 실험하였다.

실험체 부착방법은 Fig. 17a과 같이 철골내화뿜칠 시공 부위 중 중력에 의한 자중의 작용으로 가장 불리한 조건인 뿜칠재를 하향 방향으로 부착하고 Fig. 17b의 직상부 근처 를 햄머에 의해 충격력을 가하고 실험편에 작용하는 충격력 을 가속도센서를 이용하여 측정하였다. Fig. 15는 실험장치 를 뒤편에서 본 것이며, Fig. 16은 우측에서 본 것이다.

Fig 15.

Impact test

Fig 16.

Details of an impact tester

이와 같은 방법으로 충격 실험을 수행한 결과 90 싸이클 열화된 모든 실험편이 45회의 충격력을 가하는 동안 탈락되 지 않고 실험편에 부착되어 있어 진동에 의한 조건에서는 이 상이 없는 것으로 확인되었다. 그러나, 탈락된 실험편이 하 나도 없었으므로 제작된 실험장치 실험방법의 효과성을 검 증하기 위하여 보다 큰 충격하중 (약 500 m/sec₂)으로 충격 력 실험을 수행한 결과 부착력이 약한 실험편이 2회에서 20 회 사이에서 탈락되는 것을 확인할 수 있었으며, 이로 인하 여 실험방법에는 이상이 없음을 확인하였다.

3.3.4. 밀도실험

저밀도와 중밀도 기준을 설정하기 위하여 밀도실험을 실 시하였다.

밀도실험편 제작

(1)

밀도실험을 위한 실험편은 Fig. 18과 같이 합판을 이용하 여 동일한 용적의 거푸집을 제작하여 사용하였다. 밀도계산 을 위해서 거푸집 질량은 따로 측정하였다.

Fig 17.

Fig 17

밀도실험 결과

(2)

밀도실험결과는 Table 7과 같으며, 밀도가 항량에 도달 했 을 때의 밀도값이다. Fig. 19는 ^{KS F 2901}에 따라 24시간 간격으로 측정하여 질량이 일정한 값에 수렴하는 항량에 도 달될 때 까지 약 3개월간 양생하며 측정한 결과에 대한 그래 프이다. 실험결과를 바탕으로 저밀도는 400 kg/m³ 이상, 중 밀도는 490 kg/m³ 이상을 기준으로 설정하였다. 원자력 건 설시공 기준 값은 640 kg/m³이다.

Table 7.

The results of density test

Test Sample	Weight(kg)	Density (kg/m3)	Note
H-1	0.630	420.0
H-2	0.580	386.7
H-3	0.663	422.0
Total	1.843
Average	0.614	409.0	Low Density
Z-1	0.754	502.7
Z-2	0.755	503.3
Z-3	0.738	492.0
Total	2.247
Average	0.749	499.3	Medium Density

Fig 18.

Fig 18

Fig 19.

Progress of density changes

3.3.5. 침수 실험

본 실험은 변전소 마감재 시공전 내화뿜칠재 시공 시 내화 뿜칠재가 우수에 젖을 경우를 가정한 실험이다. 실험방법은 Fig. 21과 같이 실험편을 침수시켰다.

Fig 20.

The results for impact loading test

Fig 21.

Waterlogging test