1.1. 연구의 배경 및 목적

최근 건축물들이 초고층화, 대형화되는 추세에 따라 고강 도 콘크리트의 수요가 증가하고 있는데, 고강도 콘크리트의 사용을 위해 고강도콘크리트의 장점뿐만 아니라 취약한 부 분을 개선하는 연구에 대해서도 활발히 진행되고 있다. 고강 도 콘크리트를 사용한 건물에 화재가 발생하면 콘크리트 표 면에 균열, 박리 등이 발생하며 심한 경우 폭렬(spalling)현상 이 발생한다. 이와 관련하여 본 연구에서는 고강도 콘크리트 의 폭렬을 방지하는 방법 중의 하나인 콘크리트 내부에 섬유 를 혼입하는 방법에 대한 연구를 진행하려 한다. 섬유를 혼입 하여 폭렬을 방지하는 방법에 대한 연구는 국내․외에서 많은 연구가 진행되고 있다(^{Kodur and Sultan, 2003}; ^{Behnood and Ghandehari, 2009}; ^{Han et al., 2009}; ^{Yoon et al., 2012}; ^{Kim et al., 2014}). 많은 섬유들 중 폭렬방지에 효과적인 섬유로는 폴 리프로필렌(이하 PP) 섬유와 나일론(이하 NY) 섬유가 있다. 이 두 섬유는 단일 섬유로 사용하였을 때도 폭렬방지에 효과 적이지만 두 섬유를 함께 혼입하여 사용할 경우 단일로 사용 할 때보다 낮은 혼입률에서 폭렬이 방지되는 연구결과가 있 다. 따라서 본 연구에서는 복합섬유를 폭렬방지를 위해 사용 하고 이에 더해 콘크리트의 휨강도 및 휨인성 등의 증진에 효 과가 있는 강섬유를 추가로 혼입하여 고강도 콘크리트의 고 온가열 시 특성변화에 대한 연구를 진행하고자 한다.

1.2. 기존 연구 고찰

화재 피해를 받은 고강도 콘크리트의 특성에 관한 연구는 국내․외에서 많이 진행되고 있는데 그 중에서도 섬유를 혼입 하여 폭렬을 방지하고 저감하는 방법에 관한 연구가 많이 진 행되고 있다. 우선 국내 연구를 살펴보면, ^Park(2009)은 50, 60 MPa급 고강도 콘크리트 구조부재에 PP섬유 및 강섬유를 혼 입하여 내화특성을 분석하는 실험을 진행하였다. PP섬유를 일정 이상 혼입할 경우 폭렬을 방지할 수 있었으며 그 외의 경 우 30분 이내에 폭렬이 발생하였다. 또한 PP섬유만을 혼입한 실험체보다 PP섬유와 강섬유를 함께 혼입한 실험체가 낮은 온도분포를 보여주었으며, 각 실험체간의 온도편차가 크지 않고 일정하게 유지되었다. ^{Han et al.(2008)}은 80 MPa급 고강 도 콘크리트에 PP섬유의 길이조합변화와 유기섬유 조합의 변화에 따른 고강도 콘크리트의 기초적 특성과 폭렬방지특성 을 분석하였다. 실험결과 PP섬유는 19 mm를 단독으로 사용 한 경우, 6 mm와 19 mm를 조합한 경우에 0.10 vol.% 혼입률 에서 폭렬이 방지되었으며, 복합유기섬유는 NY+PP가 0.05 vol.%에서도 폭렬이 방지되어 가장 양호한 것으로 나타났다. ^{Yoon et al.(2012)}은 초고강도 콘크리트를 대상으로 수증기 팽창압 및 폭렬성상을 평가하였다. 실험결과 0.15 vol% 혼입 한 경우 전 수준에서 폭렬이 발생하였지만 PP 및 NY섬유는 형태의 유지 또는 박리폭렬 정도를 나타내었다. 0.25vol% 혼 입한 경우에는 PE섬유는 폭렬로 인해 완파, PP섬유는 박리폭 렬, NY섬유는 폭렬이 발생하지 않았다. 혼입률이 증가할수록 표면 50 mm에서의 압력이 크게 측정되었는데 기존연구와는 다른 경향으로 섬유의 혼입이 수증기포화점을 내부로 이동시 키는 역할을 하는 것으로 추정되었는데 섬유의 초기 용융 및 기화에 따른 상세분석을 통해 폭렬특성을 평가하는 것이 필 요할 것으로 판단하였다.

다음으로 국외 연구를 살펴보면, ^{Reis et al.(2001)}은 가열, 냉각과정을 통해 강섬유를 혼입한 고강도 콘크리트의 특성에 대해 분석하였다. 강섬유를 혼입한 콘크리트는 모든 온도에 서 연성적인 거동을 보였으며, 200°C에서는 상온보다 높은 잔존압축강도 값을 나타내었다. 이후 300°C를 제외하고는 냉 각 후 일정한 압축강도를 회복하였는데 온도에 따라 차이가 있었으나 500~600°C에서 20%로 가장 큰 회복을 보였다. 폭 렬은 모든 공시체에서 발생하지 않았으며, 강섬유가 실험 중 공시체 일부가 탈락하는 현상을 저감시켜주는 모습이 나타났 다. 이러한 결과로, 강섬유 혼입이 폭렬을 지연시키는 방법이 될 수 있겠으나, 실물크기의 실험을 통한 체크가 필요할 것으 로 판단하였다. ^{Behnood and Ghandehari(2009)}은 고온에서의 PP섬유 혼입률에 따른 고강도 콘크리트의 강도특성에 관한 실험을 진행하였다. 600°C이후에서는 모든 콘크리트에서 급 격한 강도저하가 나타났으며 PP섬유를 혼입한 경우에 감소 량이 적게 나타났다. 쪼갬인장강도는 압축강도보다 온도에 더 민감하게 반응하였는데, 200°C이상에서 PP섬유의 혼입은 쪼갬인장강도보다 압축강도 유지에 더 효과적인 것으로 나타 났으며, 3가지 섬유혼입률 중 2 kg/m ³이 가장 효과적인 것으 로 나타났다.

기존 연구 분석결과 60 MPa부터 100 MPa이상까지 여러 강 도의 콘크리트에 대한 내화특성연구가 진행되었고, 주로 섬 유혼입을 통해 폭렬을 방지하고자 하였다. 선행논문들의 분 석 결과, 단일로 섬유를 사용하였을 때보다 복합섬유를 사용 하였을 때 폭렬방지 및 내화성능 향상에 효과적인 결과를 나 타내었다. 이에 본 연구에서는 기존에 폭렬방지에 효과적이 라고 알려진 PP섬유, NY섬유와 콘크리트의 휨성능을 향상시 키고 PP섬유와 함께 사용할 때 열특성을 향상시킬 수 있는 강 섬유를 함께 혼입하여 성능 향상과 고온을 받은 고강도 콘크 리트의 성능 예측을 위한 기초자료로 활용하고자 한다.

2.1. 실험 계획 및 방법

본 연구에서는 섬유가 혼입된 60 MPa급 고강도 콘크리트 의 고온 가열 시 콘크리트의 역학적 특성변화에 대해 조사하 였다. 실험에 사용한 콘크리트 배합비는 Table 1과 같다. W/B ratio는 26%, 실리카흄을 시멘트 대비 10%로 사용하였다. 또 한 폭렬을 방지하기 위해 PP섬유와 NY섬유를 1:1 비율로 혼 합한 하이브리드 섬유와 강섬유를 사용하였다. 강섬유 혼입 률은 0.5 vol%로 고정하였으며, 하이브리드 섬유는 0.05, 0.10 vol.% 2가지로 하여 실험을 진행하였다. 또한 섬유혼입으로 인한 유동성 저하를 보완하기 위해 폴리카본산계 고성능 감 수제를 사용하였다. 실험은 굳지 않은 콘크리트에 대해서는 슬럼프 플로우 실험, 경화된 콘크리트는 7일, 28일 압축강도 를 측정하였고, 고온 가열을 받은 콘크리트의 특성을 분석하 기 위해 100°C부터 800°C까지 100°C 간격으로 8가지 온도변 수로 가열한 후 잔존압축강도, 시험체 질량변화를 측정하였 다. 실험에 필요한 100x200 mm 원형 공시체는 각 온도 당 3개 씩 제작하였으며 실험사항은 Table 2에 나타내었다.

2.1.3. SEM 및 XRD 분석

SEM분석에는 Photo 1과 같은 J사의 JSM-6500F을 사용하 였는데 각 온도별 냉간상태에서 고강도콘크리트의 미세구조 관찰을 위해 사용하였다. XRD분석에는 Photo 2와 같은 R사 의 SWXD(X-MAX/2000-PC)를 사용하였는데 고온가열 후 고강도콘크리트의 성분을 분석하기 위해 사용하였다.

Photo 1

SEM Analyzer

Photo 2

XRD Analyzer

SEM분석의 배율은 x100, x500을 사용하였으며 시료를 백 금코팅하여 분석하였다. XRD 분석은 2θ/θ모드로 10~90범위 로 분석하였으며, 그 외 분석조건은 Table 6과 같다.

Table 6

SEM & XRD Analysis Condition

SEM Category	Measurement Condition	XRD Category	Measurement Condition
Acceleration Voltage	15 kV	X-Ray Generator	18 kW
Working Distance	15 mm	Tube Power	40kV, 200mA
Magnification	x100, x500	Scanning Mode	2θ/θ
Spot Size	50	Scanning Type	Continuos Scanning
Coating	Pt	Range(·2θ)	10~90
		Step Size(·2θ)	0.02
		Monochrometer	No Use

3.1. 상온압축강도 및 잔존압축강도

상온에서는 7일과 28일 압축강도를 각각 측정하였으며 압 축강도 측정값은 Fig. 1과 Table 7에 나타내었다. 7일 압축강 도는 28일 압축강도의 75~80%의 값, 28일 압축강도의 경우 계획했던 60 MPa에서 ±10%내외로 나타났다. 그러나 Hybrid 0.10%+Steel 0.5% 실험체의 경우 배합과정에서 섬유뭉침 (fiber ball) 현상으로 인해 강도저하가 발생한 것으로 보이며, 이를 방지하기 위해 배합 시 주의가 필요할 것으로 판단된다.

Fig. 1은 혼입률별 잔존압축강도를 나타낸 것으로, 100~ 200°C에서는 온도의 증가에 따라 강도가 감소하였으며, 300 °C에서는 3개 중 2개의 공시체에서 200°C보다 높은 강도를 보였다. 이후 400~800°C에서는 모든 공시체가 온도의 증가에 따라 강도가 감소하는 경향을 나타내었다. Fig. 2는 혼입률별 잔존압축강도를 평균하여 나타낸 것으로, 그림을 보면 100°C 에서의 강도가 상온에서의 강도보다 약간 증가한 것을 볼 수 있고 200°C에서는 상온의 90%정도, 300°C에서는 상온의 80~90%정도의 강도를 나타내 200°C와 비교할 때 조금 증가 하거나 유사하게 나타났다. 그러나 400°C이후에는 현저한 잔 존압축강도 저감을 보이는데 500°C에서는 대략 상온의 50%, 800°C에서는 상온의 20%정도의 잔존압축강도를 나타내었 는데 이는 기존 참고문헌들의 냉간실험 결과와 유사한 경향 을 나타내었다.

Fig. 1.

Residual Compressive Strength according to Temp.

Fig. 2.

Residual Compressive Strength(Ave.) according to Temp.

3.2. 공시체 파괴양상과 포아송비 측정

Photo 3은 전형적인 공시체 파괴양상을 나타낸 것으로 복 함섬유의 혼입으로 인해 가열 후 공시체의 파괴모드가 취성 파괴에서 연성파괴로 거동함을 알 수 있다. Photo 4는 공시체 를 가열 후 냉간상태에서 압축강도 및 포아송비 시험을 진행 한 test setup를 나타낸 것이다.

Photo 3

Failure Mode

Photo 4

Test Setup

Fig. 3은 온도에 따른 포아송비를 나타낸 것인데 포아송비 측정결과 콘크리트가 열을 계속 받음으로써 콘크리트의 성질 을 점점 잃어 정상적인 콘크리트의 포아송비 범위인 0.1~0.3 내에 값을 얻을 수 없었다. 특히 고강도 콘크리트의 경우 일반 적으로 300°C이상의 고온에 노출되면 재료적 성질이 변하는 데 본 연구에서는 500°C까지 가열된 상태에서 고강도 콘크리 트의 포아송비는 제대로 나타났으나 그 이후로는 포아송비가 급격히 감소하는 현상을 실험을 통해 확인할 수 있었다.

Fig. 3.

Poisson’s Ratio according to Temperature

3.3. 공시체 질량변화

Table 8는 가열 전과 후의 공시체 질량변화를 나타낸 것으 로 실험 전 질량대비 질량변화율을 퍼센트로 나타내었다. 이 를 통해 가열과정에서 발생하는 표면 박리, 수분증발, 섬유의 용융 등으로 인한 감소량을 확인할 수 있었다. 또한 Fig. 4는 수치를 시각적으로 나타내기 위한 그래프로 각 온도별 공시 체를 3개씩 배치하였으며 혼입률에 따라 실험 전 공시체 질량 대비 질량변화로 나타내었다. 질량감소율은 200°C와 300°C 사이에서 가장 크게 증가하였으며 이후로는 감소율이 점점 낮아지다가 600°C부터는 질량감소율이 거의 일정해졌다. 일 반 콘크리트에서는 100°C와 200°C에서 공시체 내부의 수분 이 빠져나가지만 고강도 콘크리트의 경우 밀실한 구조로 인 해 수분이 잘 빠져나가지 못한다. 이러한 이유로 100°C와 200°C부분에서 질량감소가 적은 것으로 판단되며 200°C와 300°C사이에서 하이브리드 섬유가 녹으면서 수분이 빠져나 가는 통로역할을 해주어 질량감소가 큰 것으로 판단된다.

Fig. 4.

Weight Change of Specimens

3.4. SEM 및 XRD 분석

SEM분석은 내화실험 후 충분히 식힌 공시체를 압축강도 시험한 후 공시체를 샘플링하여 각 온도별로 x100, x500 배율 로 공시체 단면을 촬영하였다. SEM분석을 통해서 섬유가 고 온에서 녹으며 수분이 이동할 수 있는 통로 역할을 하는지 검 토하였다.

Photo 5는 100°C까지 가열한 공시체의 500배 확대 사진으 로 100°C에서는 섬유가 녹지 않은 것을 확인할 수 있다.

Photo 5

SEM Shooting at 100°C

Photo 6은 각각 200, 300°C 가열온도일 때의 SEM 분석사 진으로, 200°C에서는 두 가지 섬유 모두 녹지 않은 모습이며, 300°C에서는 섬유의 직경을 볼 때 PP섬유만 녹고 NY섬유는 남아있는 모습이다. Photo 7에서 살펴보면 400°C이후로는 섬 유가 모두 녹은 것으로 보이며 섬유가 녹은 구멍으로 보이는 부분이 많이 나타났다.

Photo 6

SEM Shooting at 200, 300°C

Photo 7

SEM Shooting at 400~700°C

Photo 8은 섬유혼입률과 가열온도에 따른 SEM촬영 사진 을 나타낸 것으로 400°C까지는 크게 구별되는 차이점이 발생 하지 않았으나, 500°C부터 미세한 균열이 발생하기 시작하였 으며, 이후에는 작은 알갱이로 나눠지는 모습을 나타내었다. 온도에 따른 차이는 발생하였으나 2가지 섬유혼입률 모두 폭 렬이 발생하지 않았기에 혼입률에 의한 SEM분석의 차이는 거의 없는 것으로 나타났다.

Photo 8

SEM Analysis (x500)

Fig. 5(a)는 하이브리드섬유를 0.05%와 강섬유 0.5%를 혼 입한 공시체의 온도에 따른 XRD 분석 그래프를 나타낸 것으 로, SiO₂(Quartz) 값은 계속해서 비슷한 양이 검출되었으며, 에트린자이트(Ettringite)의 경우 300°C에서 상온과 비슷한 양이 나타났고 이후 600°C에서 감소한 양이 보인 뒤 이후에는 나타나지 않았다. CS₂(Carbon sulfide)는 꾸준히 검출되었으 며 고온으로 갈수록 점차 감소하는 경향으로 나타났다. Fig. 5(b)는 하이브리드 섬유 0.10%와 강섬유 0.5%를 혼입한 공시 체의 온도에 따른 XRD 분석으로, SiO₂의 경우 0.05% 혼입한 공시체와 유사하게 모든 온도에서 꾸준히 나타났으며, 에트 린자이트의 경우 0.05%보다 400°C 이후 급격히 감소한 것을 볼 수 있다. CS₂는 거의 모든 온도에서 나타나고 있다.

Fig. 5.

XRD Analysis Results