박선종
(Sun-Jong Park)
1
임홍재
(Hong Jae Yim)
2*
© Korea Institute for Structural Maintenance Inspection. All rights reserved.
키워드
손상 회복, 동탄성계수, 화재 손상 콘크리트, 충격공진기법, 재양생 조건, 인장강도
Key words
Damage recovery, Dynamic elastic modulus, Fire-damaged concrete, Impact resonance vibration method, Post-fire curing regimes, Tensile strength
1. 서 론
콘크리트는 높은 내화성과 낮은 열전도율을 가지는 대표적 인 건설 재료이다. 따라서 콘크리트 구조물이 화재 등 고온에 노출되었을 경우 콘크리트는 내화재로써
부재 내부의 철근을 보호한다. 그러나 고온에 노출된 콘크리트는 구성물질 간 열 팽창률 차이와 같은 물리적 변화와 더불어 결정구조의 변화 와 같은 화학적
변화가 발생한다. 이는 미세균열을 유발시킬 뿐만 아니라, 내부 공극수의 증발에 따른 폭렬, 박락 등 거시 적인 손상의 직접적인 원인이다. 이로 인해
고온에 노출된 콘 크리트 구조물은 수열온도 및 노출시간 등에 따라 급격한 재 료물성(강도, 탄성계수 등)의 감소에 따른 안전성 저하가 발 생한다(Bažant and Kaplan, 1996; Kim, 2008; Yim et al., 2012).
한편, 화재 손상을 입은 콘크리트는 고온 노출 이후 특정 재 양생 조건에서 재료물성이 회복되는데, 여러 조건 중 습도가 높은 경우 재료물성 회복이
두드러지게 나타난다(Poon 2001). 이는 콘크리트 구성물질의 재수화반응에 따른 것으로, 수분 의 공급에 따라 C-S-H겔뿐만 아니라 미수화 시멘트,
CaO, Ca(OH)2 등의 수화 반응이 발생한다. 이와 같은 수화 부산물 은 시멘트 매트릭스와 골재 계면의 균열 및 공극을 감소시키 고, 구성물질
간 결합력을 강화시켜 화재 손상을 회복시킨다. 화재 손상 콘크리트의 재수화 반응과 이에 따른 미세구조의 변화는 마이크로미터 단위의 전자현미경(scanning
electron microscopy), X-선 회절(X-ray diffraction), 3D X-선 단층촬영 (3D X-ray computed tomography)
등을 통해 입증된 바 있다 (Harada et al., 1972; Sarshar et al., 1993; Lin et al., 1996; Poon, 2001; Alonso and Fernandez, 2004; Henry et al., 2011; Henry et al., 2014). 따라서 화재 손상을 입은 콘크리트 구조물의 재 사용 및 보수 보강 여부를 판단하기 위해서는 화재 직후 주요 손상 부위의 평가와 더불어 이후 재양생
조건에 따른 계속적 인 평가가 필수적이다.
화재 손상을 입은 콘크리트의 계속적인 평가에 관한 연구 는 초음파 속도 측정과 비선형인자 측정에 관한 연구가 한정 적으로 수행된 바 있다. 먼저 Lin
등은 화재 손상 이후 수중에 서 재양생된 콘크리트의 강도를 측정하여 800°C 노출 시편을 제외한 콘크리트 시편에서 강도의 회복을 확인하였으며, 측
정된 강도 및 초음파속도 간의 관계식을 도출하였다(Lin et al., 1996). Park 등은 손상평가인자인 비선형인자와 인장강도 를 측정하여
화재 손상 이후 높은 습도 조건에서 재양생할 경 우 손상 및 강도의 회복이 발생함을 확인하였으며, 비선형인 자 측정을 통한 잔존 강도의 추정식을 제안하였다(Park
et al., 2015). 한편, 현재까지 탄성계수에 관한 연구는 화재 손상에 따른 탄성계수의 저하에 관해서는 다수의 연구사례가 보고된 바 있다(Phileo,
1958; Bažant and Kaplan, 1996; Phan et al., 2011; Dilek, 2008). 그러나 재양생 조건에 따른 탄성계수의 변화와 관련된 연구는 수행된 사례가 거의 전무한 실정이다.
따라서 본 논문에서는 화재 손상 콘크리트의 안전성 평가 를 위해 재양생 조건에 따른 재료물성 변화에 관한 실험적 연 구를 수행하였다. 이를 위해 충격공진기법을
이용하여 화재 손상 전후 및 재양생 이후 콘크리트의 동탄성계수를 측정하 였다. 화재 손상을 입은 콘크리트 시편의 재양생 조건은 습도 와 재양생 기간을
달리한 총 12개의 조건을 설정하였다. 측정 된 동탄성계수를 토대로 재양생 조건이 콘크리트의 화재 손 상에 미치는 영향을 분석하였다. 추가적으로 동탄성계수와
인장강도의 비교를 통해 재양생 조건에 따른 재료물성별 변 화 추이를 분석하였다.
2. 콘크리트 시편 제작 및 실험
2.1. 시편 제작
콘크리트 시편은 Table 1에 주어진 배합비로 지름 100 mm, 높이 200 mm의 원주형 몰드로 제작되었다 (W: 물, C: 시멘트, S: 잔골재, G: 굵은 골재). 타설된
직후 콘크리트 시편은 24 시 간 동안 기건양생을 거친 후 탈형하여 28 일간 수중양생 하였 다. 양생기간이 지난 콘크리트 시편은 시편절단기를 이용하
여 두께 25 mm의 원형 판 형태로 제작되었다. 화재 손상 전 원 형 판 형태의 시편은 폭렬현상을 방지하기 위해 24 시간 동안 80°C로 유지된
오븐 건조기에 보관되었다. 건조된 시편은 총 3가지의 수열온도(300°C, 500°C, 700°C)로 기 설정된 전기로 에 노출시킴으로써 화재 손상을
유발하였다. 손상 후 각 시편 은 상온의 물에 넣음으로써 냉각시켰으며, 모든 시편에 대해 5 분간 동일하게 냉각을 진행하였다.
Table 1
Mix proportion of concrete samples
|
W/C
|
Unit weight (kgf/m3)
|
|
|
W
|
C
|
S
|
G
|
|
|
0.5
|
160
|
320
|
922
|
922
|
냉각 후 콘크리트 시편은 24시간 동안 20°C로 유지된 자연 순환건조기에 건조하였으며, Table 2에 정리된 재양생 조건 에 따라 각기 분류되었다. 본 연구에서 고려된 재양생 조건은 총 12가지로 서로 다른 4개의 습도 조건 RH10 (상대습도
10%), RH60 (상대습도 60%), RH90 (상대습도 90%), WS (습 윤양생)과 서로 다른 3개의 재양생 기간 7일, 15일, 30일을
포 함하였으며, 추가적으로 재양생 조건을 거치지 않은 RH0 조 건을 고려하였다. 모든 재양생 조건에서 온도는 20°C로 동일 하게 유지하였다. 재양생을
마친 콘크리트 시편은 20°C로 유 지된 자연순환건조기에서 24시간 동안 건조 후 충격공진실험 을 진행하였다.
Table 2
Post-fire curing regimes of fire-damaged concrete samples
|
Sample Label
|
Humidity(%)
|
Duration(day)
|
Temperature(°C)
|
|
|
RH0-0d
|
-
|
-
|
-
|
|
RH10-7d
|
10
|
7
|
20
|
|
RH10-15d
|
10
|
15
|
|
RH10-30d
|
10
|
30
|
|
RH60-7d
|
60
|
7
|
|
RH60-15d
|
60
|
15
|
|
RH60-30d
|
60
|
30
|
|
RH90-7d
|
90
|
7
|
|
RH90-15d
|
90
|
15
|
|
RH90-30d
|
90
|
30
|
|
WS-7d
|
100
|
7
|
|
WS-15d
|
100
|
15
|
|
WS-30d
|
100
|
30
|
2.2. 충격공진실험
콘크리트 시편의 동탄성계수 측정을 위한 충격공진기법의 (impact resonance vibration method) 개요도를 Fig. 1에 나타 내었다. 일반적으로 동탄성계수 측정은 원주형 혹은 직사각 형 시편에 한정적으로 수행된다(ASTM C 215, 2014). 이에 비 해 본 연구에서 적용된 원형 판 형태의 시편은 상대적으로 작 은 크기이므로, 해당 시편을 통한 동탄성계수 측정은 실제 콘 크리트 구조물에서의
적용성 향상을 기대할 수 있다(Leming et al., 1998). 먼저 시편의 자유진동을 유지하고 외부의 영향 을 저감시키기 위한 매트를 콘크리트
시편 밑에 설치하였다. 그리고 시편의 밑면 정중앙에 가속도계를 부착하여 윗면 정 중앙부에 가진되는 충격에 따른 공진 신호를 측정하도록 구 성하였다.
이때 충격은 무게 13.8 g의 쇠구슬을 자유낙하시켜 가진하였으며, 200 kS/s로 설정된 데이터로거를 이용하여 시 편의 공진 신호를 수집 및 저장하였다.
각 실험별로 측정은 50 ms 동안 진행되었으며, 대표적인 시간 축 데이터를 Fig. 2(a) 에 나타나내었다. 한편, 계측된 시간 축 데이터는 공진주파수 산정을 위해 FFT를 이용하여 주파수 축 데이터로 변환하였 다. Fig. 2(b)는 대표적인 손상 전 및 손상 직후의 주파수 축 데 이터를 도식화한 결과이다. 이로부터 수열온도가 증가할수록 공진주파수가 뚜렷하게 감소함을 확인할
수 있다.
Fig. 1
Schematic diagram of experimental setup
Fig. 2
Representative results of impact resonance vibration methods: (a) a time-domain signal
measured from a reference sample, (b) a set of frequency-domain signals
한편, 측정된 공진주파수로부터 원형 판 형태의 콘크리트 시편의 동탄성계수를 산정하는 식은 다음과 같다(Leming et al., 1998).(1)
여기에서 Ed는 콘크리트 시편의 동탄성계수, v는 포아송비, ρ는 콘크리트의 밀도, f는 충격공진기법을 통해 측정된 고유 원 진동수(natural circular frequency), d는 시편의 지름, Ω0는 기본진동모드의 반복적인 해석을 통해 구해지는 무차원 주파 수 인자(dimensionless frequency parameter)이다(Leming
et al., 1998).
3. 실험결과
3.1. 동탄성계수 측정
콘크리트 시편의 화재 손상 전과 직후 및 재양생 이후 측정 된 결과를 Fig. 3(a)∼(c) 및 Table 3에 나타내었으며, 손상 전 시편 대비 감소 후 잔존비율을 추가적으로 Table 3에 정리하 였다. 손상 후 콘크리트 시편은 수열온도가 증가함에 따라 동 탄성계수가 급격히 감소하는데, 손상을 입지 않은 시편 대비 300°C의 경우
38.8%, 500°C의 경우 8.7%, 700°C의 경우 1.1% 수준의 동탄성계수 값을 보인다. 이로부터 탄성계수가 고온 노출 시 발생하는 구성물질의
물리적 및 화학적 변화에 의해 급격하게 저하되는 것으로 사료된다.
Fig. 3
Test results of dynamic elastic modulus of fire-damaged concrete samples before and
after post-fire curing: (a) exposure to 300°C, (b) exposure to 500°C, and (c) exposure
to 700°C
Table 3
Average values with standard deviation and decreasing ratio of dynamic elastic modulus
(Ed)
|
Sample Label
|
300°C
|
500°C
|
700°C
|
|
|
Ed(GPa)
|
Ratio
|
Ed(GPa)
|
Ratio
|
Ed(GPa)
|
Ratio
|
|
|
RH00-0d
|
29.39±1.29
|
100.0%
|
-
|
-
|
-
|
-
|
|
RH10-7d
|
11.39±1.35
|
38.8%
|
2.56±0.47
|
8.7%
|
0.31±0.05
|
1.1%
|
|
RH10-15d
|
8.46±2.19
|
28.8%
|
2.65±0.91
|
9.0%
|
0.49±0.09
|
1.7%
|
|
RH10-30d
|
8.76±0.92
|
29.8%
|
2.14±0.28
|
7.3%
|
0.34±0.09
|
1.2%
|
|
RH60-7d
|
11.40±0.92
|
38.8%
|
2.43±0.44
|
8.3%
|
0.42±0.09
|
1.4%
|
|
RH60-15d
|
10.86±1.77
|
37.0%
|
3.56±0.35
|
12.1%
|
0.56±0.03
|
1.9%
|
|
RH60-30d
|
10.19±1.09
|
34.7%
|
2.44±0.40
|
8.3%
|
0.48±0.07
|
1.6%
|
|
RH90-7d
|
12.54±0.90
|
42.7%
|
3.44±0.46
|
11.7%
|
0.40±0.07
|
1.3%
|
|
RH90-15d
|
12.60±1.57
|
42.9%
|
4.38±1.50
|
14.9%
|
0.58±0.07
|
2.0%
|
|
RH90-30d
|
13.92±1.28
|
47.4%
|
4.49±0.47
|
15.3%
|
0.73±0.16
|
2.5%
|
|
WS-7d
|
14.93±1.15
|
50.8%
|
5.25±1.05
|
17.9%
|
1.11±0.18
|
3.8%
|
|
WS-15d
|
20.04±1.16
|
68.2%
|
10.03±1.59
|
34.1%
|
1.82±0.71
|
6.2%
|
|
WS-30d
|
24.26±3.38
|
82.5%
|
12.05±1.39
|
41.0%
|
4.51±1.29
|
15.4%
|
한편, Fig. 3 및 Table 3에 주어진 결과를 토대로 재양생 조 건에 따라 측정된 동탄성계수 값은 큰 차이를 보인다. 재양생 조건에 따른 영향을 보다 면밀히 분석하기 위해 각
수열온도 별 양생기간 및 상대습도 조건별 비교결과를 Fig. 4(a)∼(c)에 나타내었다. 먼저 상대적으로 낮은 상대습도 조건인 RH10(상 대습도 10%) 및 RH60(상대습도 60%)에서는 수열온도 및 재 양생 기간에
상관없이 동탄성계수의 변화가 거의 발생하지 않음을 확인할 수 있다. 이로부터 일정 수준 이하의 상대습도 조건에서는 콘크리트의 화재 손상회복이 거의
발생하지 않는 것으로 보인다. 한편, 상대적으로 높은 상대습도 조건인 RH90 (상대습도 90%) 및 WS(습윤양생)에서는 재양생 기간이 지남 에
따라 점차 동탄성계수의 회복이 발생함을 확인할 수 있으 며, 수열온도와 관계없이 동탄성계수가 뚜렷하게 증가하는 경향을 보인다. 특히, 습윤양생 조건에서는
다른 재양생 조건 에 비해 현저하게 높은 회복 정도를 보여준다. 이를 통해 습도 조건이 화재 손상 콘크리트의 동탄성계수 회복에 지배적인 영향을 가짐을
확인할 수 있었다. 동탄성계수는 WS에서 30일 이 경과하면 손상 직후 시편에 비해 300°C에서는 2.2배, 500°C 에서는 5.0배, 700°C에서는
23.4배 증가한다. 한편, 손상을 입 지 않은 시편에 비해서는 동탄성계수가 300°C에서는 85%, 500°C에서는 54%, 700°C에서는 27%
수준까지 회복되는 것 으로 나타난다. 이를 종합해보면 700°C에 노출된 콘크리트 시편에서 재양생 후 회복되는 비율이 가장 크게 나타남을 확 인할
수 있다. 그러나 회복 이후의 잔존 동탄성계수의 수준은 손상 전에 비해 30% 미만이므로, 해당 콘크리트는 보수가 반 드시 필요한 상태라고 판단된다.
한편, 500°C 이하에 노출된 콘크리트에서는 손상 이후 충분한 수분 공급을 통한 동탄성 계수 및 재료물성의 회복을 기대할 수 있을 것으로 판단된다.
Fig. 4
Recovery rate of dynamic elastic modulus at peak temperatures according to post-fire
curing regimes: (a) exposed to 300°C, (b) exposed to 500°C, (c) exposed to 700°C
3.2. 동탄성계수와 인장강도의 관계
콘크리트의 인장강도는 압축강도에 비해 화재 손상의 영향 을 보다 크게 받는 것으로 보고된 바 있다(Bažant and Kaplan 1996). 본
연구진은 동일 콘크리트 시편에 대해 화재 손상 전 후 및 재양생 조건을 거친 후 할렬 인장강도 측정을 수행하였 다(Park et al. 2015).
재양생 조건이 콘크리트의 재료물성 회 복에 미치는 영향을 면밀히 분석하기 위해 충격공진기법을 통해 측정된 동탄성계수 측정 결과와의 기 측정된 인장강도
결과와의 직접적인 비교분석을 수행하였다. 이를 토대로 두 측정결과의 상관관계를 도출하고, 콘크리트의 화재 손상 전후 및 재양생 조건에 따른 재료물성별
변화 추이를 분석하였다.
Fig. 5는 인장강도 측정결과와 동탄성계수 측정결과 간 직 접적인 관계를 재양생 조건별로 분석한 결과이다. 상대적으 로 낮은 습도의 재양생 조건인 RH10
및 RH60에서는 재양생 기간이 동탄성계수와 인장강도에 별다른 영향을 미치지 않는 것으로 나타났다. 이는 해당 조건에서 화재 손상 콘크리트의 동탄성계수
및 인장강도 회복이 거의 발생하지 않는 것으로 보인다. 한편, 상대적으로 높은 습도의 재양생 조건인 RH90 및 WS에서는 재양생 기간이 지남에 따라
동탄성계수 및 인장 강도가 점차 회복됨을 확인할 수 있다. 특히, 습윤양생 조건인 WS에서는 인장강도 및 동탄성계수가 큰 폭으로 회복되는 경 향을
보이며, 인장강도에 비해 동탄성계수의 회복이 두드러 지게 나타남을 확인할 수 있다.
Fig. 5
Correlated results of dynamic elastic modulus and splitting tensile strength depending
on different post-fire curing regimes: (a) RH10, (b) RH60, (c) RH90, (d) WS
한편, 상대습도 조건에 따른 동탄성계수와 인장강도의 선 형회귀분석 결과를 통합하여 Fig. 6에 나타내었다. 해당 결과 로부터 상대습도가 높은 경우 그래프 상 기울기가 감소하는 경향을 확인할 수 있다. 이는 충분한 수분 공급 시 발생하는 동
탄성계수의 회복이 인장강도에 비해 상대적으로 두드러지게 나타나기 때문이다. 즉, 콘크리트의 초기탄성계수로부터 결 정되는 동탄성계수가 수분 공급에 따른
미세균열 및 공극의 회복에 더 지배적인 영향을 받는다는 결론을 얻을 수 있다. 따 라서 화재 손상 콘크리트의 손상 회복 판단을 위해서는 재양 생 조건,
특히 상대습도를 고려한 판단이 이루어 져야함을 알 수 있다. 또한, 인장강도 측정 결과보다 손상 회복에 더 지배 적인 영향을 받는 동탄성계수의 측정에
기반한 콘크리트 성 능 평가가 수행되어야 할 것으로 보인다.
Fig. 6
Total results of correlation between dynamic elastic modulus and splitting tensile
strength
4. 결 론
본 연구에서는 화재 손상을 입은 콘크리트 구조물의 안전 성 평가를 위해 재양생 조건에 따른 콘크리트의 재료물성의 변화 및 회복 여부를 규명하고자 실험적
연구를 수행하였다. 화재 손상을 입은 콘크리트의 동탄성계수 측정을위해 충격공 진기법을 도입하였으며, 수열온도가 증가함에 따라 발생하는 공극 및 미세균열로
인해 동탄성계수의 감소가 발생함을 확 인하였다. 한편, 충분한 수분 공급 시 발생하는 콘크리트 구성 물질의 재수화 반응은 저감된 동탄성계수 및 인장강도의
회 복을 유발하며, 주어진 재양생 조건 중 RH90(상대습도 90%) 및 WS(습윤양생)에서 재양생 기간이 길수록 두드러지게 나 타났다. 반면, 낮은
상대습도 조건에서는 동탄성계수의 회복 이 거의 발생하지 않았다. 따라서 콘크리트 구조물의 화재 손 상 이후 충분한 기간 동안 높은 상대습도 조건을
유지할 경우 저감된 재료물성의 회복을 기대할 수 있음을 확인하였다. 추 가적으로 화재 손상 콘크리트의 동탄성계수와 인장강도의 직 접적인 관계 분석을
토대로 높은 상대 습도 조건에서 인장강 도에 비해 동탄성계수의 회복이 두드러지게 나타남을 확인하 였다. 따라서 화재 손상 콘크리트 구조물의 보수 및
보강 판단 을 위한 안전성 평가를 진행할 경우 습도조건에 기반한 동탄 성계수의 계측을 적용하여 보다 면밀한 진단이 이루어져야 될 것으로 판단된다.
감사의 글
이 논문은 2014학년도 경북대학교 신임교수정착연구비에 의하여 연구되었음.
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