3.1.1 사용 재료

본 연구에 사용한 시멘트는 KS L 5110을 만족하는 국내산 1종 보통 포틀랜드 시멘트(OPC), 잔골재는 KS L ISO 679를 만족하는 ISO 표준사를 사용하였다. Fig. 1, 2

Fig. 1

CIELAB(L^*a^*b) color space

Fig. 2

CIELAB(L^*a^*b) color space

3.1.2 배합 및 양생

Table 1과 같이 물-시멘트비(W/C)를 0.5 및 0.3으로 구분하 여 일반강도 및 고강도 모르타르 시험체를 제작하였다. KS L ISO 679에 따라서 W/C=0.5, 결합재-잔골재비(W/S)를 1:3으 로 해서 일반강도 시험체를 제작하였으며, 시멘트량을 조절 하여 W/C=0.3의 고강도 시험체를 제작하였다. 여기서 KS L ISO 679에 준하여 W/C=0.5를 일반강도를 설정하였으며, 혼 화제를 첨가하지 않고 배합할 수 있는 범주를 고려하여 W/C=0.3을 고강도로 설정하였다. 페이스트는 Table 1 배합에 서 잔골재를 제외하여 제작하였다. 모르타르는 KS L ISO 679 에 따라서 400 mm × 400 mm × 1 600 mm, 페이스트는 20 mm × 20 mm × 20 mm 크기의 큐빅 몰드에 타설하였다. 온도 20 ℃, 상대습도 90 % R.H.의 습기함에서 24시간 초기양생을 실 시한 후, 재령 28일까지 온도 (20 ± 1) ℃, 상대습도 (60 ± 10) % R.H.의 항온항습실에서 양생하였다.

Table 1

Mix properties

3.3.1 압축강도

압축강도 측정은 KS L ISO 679에 준하여 UTM(INSTRON 1 200 kN)을 사용하여 하중 속도 2 400 ± 200 N/s로 시험하였 다. 압축강도 변화율은 식(1)과 같이 산출하였다. 압축강도는 온도별로 400 mm × 400 mm × 1 600 mm 공시체 3개를 측정하 여 평균값을 도출하였다.

여기서, S_ch는 압축강도 변화율(%), f_f는 화재피해 모사 후 의 압축강도(MPa) 및 f_s는 재령 28일 압축강도(MPa)이다.

3.3.2 질량변화율

400 mm × 400 mm × 1 600 mm 시험체를 대상으로 전기로 가열 전후의 질량을 측정하였다. 질량변화율은 식(2)와 같이 산출하였다. 질량변화율은 온도별로 400 mm × 400 mm × 1 600 mm 공시체 3개를 측정하여 평균값을 도출하였다.

여기서, W_ch는 질량변화율(%), W_f는 화재모사 후의 시험 체 질량(g) 및 W_s는 재령 28일 시험체 질량(g)이다.

3.4.1 L^*a^*b 색도 측정

화재 피해 모사 후의 페이스트를 대상으로 표면에서 중심 까지의 중간부 깊이인 10 mm 부근에서 시료를 채취하였다. 여기서, 표면 색도의 불규칙성을 해소하기 위하여 분말 형태 로 시료를 제조하고 no.200(75 ㎛) 표준망체 통과분으로 색도 측정을 실시하였다. 사용 기기는 ㈜포산인더스트리사의 분광 색차계(Spectrophotometer, Color i5)를 사용하였다. 가로 × 세 로 × 깊이 20 mm × 20 mm × 0.2 mm의 시편 글라스에 분말 시 료를 넣고, 분광색차계를 사용하여 L^*a^*b를 5회 측정하여 평 균치를 도출하였다. 여기서 CIE에서 정한 측정용 광원인 D₆₅ (상관색온도 6 500 K)를 표준 광원으로 적용하였다.

3.4.2 RGB 색도 측정

분말 시료를 넣은 가로 × 세로 × 깊이 20 mm × 20 mm × 0.2 mm의 시편 글라스를 iPhone XS 카메라를 사용하여 동일조건 에서 촬영하였다. 3차원 레이저 스캐닝 및 이미지 프로세싱 시스템의 사전 연구로서, 본 논문에서는 스마트폰 내장 카메 라를 활용하였다. 단 촬영 기기 및 조건에 따른 결과값 편차에 대해서는 추가적으로 확인할 필요가 있다. 촬영 파일은 이미 지 처리 소프트웨어를 사용하여 시편 부분을 800 px × 800 px 크기로 잘라내기 한 후, Fig. 3과 같이 image color intensity analyzer 소프트웨어를 활용하여 빨간색(Red), 녹색(Green) 및 파란색(Blue)의 히스토그램을 추출하고 색상 강도(Color intensity)를 도출하였다.

Fig. 3

Main menu of image color intensity analyzer

4.1.1 압축강도

Fig. 4 및 5에 가열 온도에 따른 W/C=0.5 및 0.3의 모르타르 압축강도 및 압축강도 잔존율을 나타내었다. X축은 시료 표 기로서 ‘W/C_가열온도’로 표기하였다. 가열 온도 400 ℃ 까 지는 압축강도 잔존율이 W/C=0.5는 87.2 %, W/C=0.3은 86.7 % 수준으로 화재피해 모르타르의 손상 정도는 미비한 수준에 그쳤다. 그러나 가열 온도 500 ℃ 이상에서 급격한 강도 저하 가 나타났으며, W/C=0.5는 55.2 %, W/C=0.3은 51.9 %의 압 축강도 잔존율이 나타났다. Khoury (^{Khoury, 1992}) 및 Piasta (^{Piasta, 1989})에 따르면 일반적으로 콘크리트 및 모르타르는 100 ℃에서 자유공극수가 방출, 100 ℃ ~ 200 ℃에서 물리적 흡착수가 방출되어 콘크리트가 수축, 300 ℃ 이상에서 콘크리 트 중의 시멘트 수화물이 화학적으로 변질, 400 ℃ 이상에서 는 화학적 결합수가 방출되는 수준으로 내구성의 영향은 미 비한 수준으로 알려져 있다. 그러나 가열 온도 500 ℃ 이상의 고온에 노출되면 수화물의 화학적 결합수 상실, 수산화칼슘 (Ca(OH)₂) 열분해에 따른 알칼리성 소실로 내구성이 현저히 저감되어 약 50 %의 강도 저하가 나타나며, 600 ℃ ~ 800 ℃ 에서는 시멘트 페이스트 수축 및 골재 파열에 따라 약 80 %의 강도 저하가 나타난다고 보고되고 있다. 최종적으로 본 연구 결과와 일치하고 있다.

Fig. 4

Compressive strength and mass loss ratio as a function of fire

4.1.2 질량변화율

Fig. 4 및 5에 가열 온도에 따른 W/C=0.5 및 0.3의 모르타르 질량변화율을 나타내었다. 가열 온도 200 ℃ 까지는 질량변화 율이 W/C=0.5는 -3.47 %, W/C=0.3은 -4.02 % 수준으로 급격 한 질량감소가 나타났다. 이것은 100 ℃ ~ 200 ℃에서 물리적 흡착수가 방출되어 모르타르가 수축하는 것에 기인하고 있다 고 판단된다. 가열 온도 300 ℃부터는 선형적인 감소 경향이 나타났다. Fig. 6 및 7에 화재 피해 후의 압축강도 및 질량변화 율의 상관관계를 나타내었다. W/C=0.5 및 0.3 모두 2차수 다 항식의 상관관계를 나타내며, 결정계수(R²)는 W/C=0.5 및 0.3 에서 각각 0.8282 및 0.8132로 높은 상관관계가 나타났다. 2차 수 다항식 추세선은 식(3) 및 식(4)와 같다. Fig. 5, 7

Fig. 5

Compressive strength and mass loss ratio as a function of fire exposure (W/C=0.3)

Fig. 6

Relationship of compressive strength and mass loss ratio as a function of fire exposure (W/C=0.5)

Fig. 7

Relationship of compressive strength and mass loss ratio as a function of fire exposure (W/C=0.3)

여기서, W_ch는 질량변화율(%), f_f는 화재피해 모사 후의 압 축강도(MPa)이다.

4.2.1 L^*a^*b 색도 분석

Fig. 8에 가열 온도에 따른 페이스트의 색상 변화를 나타내 었다. 색상 변화 정도를 정량적으로 파악하기 위하여 L^*a^*b 색도 측정을 실시하였고 Table 2 및 Fig. 9에 측정 결과를 나타 내었다. Table 2에는 측정한 L^*a^*b 결과값 및 sRGB 색공간을 적용한 RGB 변환값, HEX color code 및 Color description를 표기하였다. HEX color code는 16진수 표기법으로 광원인 R, G, B를 조합하여 표기하는 것으로 값의 최소치는 0이며 최대 치는 255(FF)이다(^{color-hex.com, 2019}).

Fig. 8

Color change of heated paste powder

Fig. 9

Relationship between temperature and L^*, a^* and b^* components

Table 2

Color Information of heated paste powder

L값은 밝기를 나타내는 값으로 시멘트량이 적은 W/C=0.5 가 W/C=0.3보다 높은 값을 나타내고 있다. W/C=0.5 및 0.3 모 두 상온(20 ℃)보다 가열 온도 100 ℃에서 L값이 높아지는 결 과로써 W/C=0.5는 76.9에서 80.8로 높아졌고, W/C=0.3은 71.5에서 74.9로 높아지는 결과였다. 그 이후 가열 온도가 상 승함에 따라 L값이 낮아지는 결과가 나타났으며, W/C=0.5는 700 ℃까지 L값이 낮아져서 700 ℃에서 68.1로써 최저값이 확 인되었다. W/C=0.3는 800 ℃까지 L값이 낮아져서 800 ℃에 서 67.7로써 최저값이 나타났다. W/C=0.5는 700 ℃이후부터 L값이 상승하여 900 ℃에서 70.9으로 높아지고 1 000 ℃에서 68.8로 낮아지는 결과가 확인되었다. W/C=0.3은 800 ℃이후 부터 L값이 상승하여 900 ℃에서 68.9로 높아지고 1 000 ℃에 서 67.9로 낮아지는 결과가 확인되었다.

a^*는 색도 다이어그램으로 +a^*는 빨간색(max. 127), -a^*는 초록색(max.-128) 방향을 나타낸다. 본 시험에서는 W/C=0.5 및 0.3 모두 a^*가 –1.10 ~ 0.30 범위에 분포하는 결과로써 가열 온도에 따른 변화의 차이(Δ_max 1.40)는 미비한 수준이었다. 이 는 모든 시료가 빨간색과 초록색의 중간단계인 노란색 범주 에 있는 것이라고 할 수 있다.

b^*는 색도 다이어그램으로 ＋b^*는 노란색(max. 127), -b^* 는 파란색(max.-128) 방향을 나타낸다. 본 시험에서는 W/C=0.5 및 0.3 모두 상온(20 ℃)보다 가열 온도 100 ℃에서 b^*값이 낮아지는 결과로써 W/C=0.5는 5.58에서 5.00으로 낮 아졌고, W/C=0.3은 5.42에서 4.69로 낮아지는 결과였다. 그 이후 가열 온도가 상승함에 따라 ^*b값이 높아지는 결과가 나 타났다. W/C=0.5 및 0.3 모두 700 ℃까지는 완만한 상승을 보 이다가 700 ℃이후는 급격히 상승하는 경향이었다. W/C=0.5 의 경우 700 ℃, 800 ℃, 900 ℃ 및 1 000 ℃에서 8.66, 10.56, 12.64 및 13.73으로 상승하였다. W/C=0.3의 경우 7.69, 9.61, 11.56 및 13.13으로 상승하였다. 결론적으로 700 ℃이후에서 노란색의 강도가 강해지는 것으로 판단된다.

4.4.2 RGB 색도 분석

L^*a^*b 색도 분석 결과에 따르면 가열 온도가 상승함에 따 라서 b^*높아지는 결과가 확인되었다. 따라서 RGB 색도 분석 에서는 Red 및 Green 색상의 히스토그램 분석을 수행하였다. Fig. 10에 Red 및 Green 색상 빈도(Frequency) 최대값을 나타 내었다. 또한, Fig. 11 및 12에 가열 온도에 따른 Red 및 Green 색상의 히스토그램을 나타내었다. 히스토그램에서 X축은 이 미지 파일에서의 색상 강도(pixel intensity)를 나타내며, Y축 은 색상 빈도(pixel frequency)를 나타낸다. Fig. 12

Fig. 10

Relationship between temperature and max. Frequency (R and G)

Fig. 11

Relationship between temperature and Red color histogram

Fig. 12

Relationship between temperature and Green color histogram

b^* 색도 분석과 동일하게 700 ℃이후에서 Red 및 Green 색 상 빈도가 높아지며 900 ℃에서 최대값이 나타났다. 이는 L^*a^*b 결과와 동일하게 700 ℃이후에서 픽셀의 노란색 퍼센 트가 많아지는 것으로 판단된다. W/C=0.5의 Red 색상 빈도는 700 ℃에서 40 177이 900 ℃에서 69 149로 높아졌으며, Green 색상 빈도는 40 051에서 71 159로 높아졌다. W/C=0.3의 Red 색상 빈도는 33 411에서 44 191로 높아졌으며, Green 색상 빈 도는 32 727에서 43 679로 높아졌다.

700 ℃ 및 900 ℃에 해당하는 히스토그램의 형상이 뾰족해 지는 것을 확인하였으며, 형상을 정량적으로 판단하기 위하 여 첨도를 분석하였다. W/C=0.5의 Red 히스토그램 첨도는 700 ℃에서 11.96이 900 ℃에서 22.99로 높아졌으며, Green 히스토그램 첨도는 11.50에서 23.52로 높아졌다. W/C=0.3의 Red 히스토그램 첨도는 8.73에서 13.83으로 높아졌으며, Green 히스토그램 첨도는 8.39에서 13.34로 높아졌다.

결론적으로 온도가 상승함에 따라 Red 및 Green의 픽셀(화 소)이 많아지는 것을 확인할 수 있었다. 또한, Fig. 11 및 12에 따르면 W/C=0.5 및 0.3 모두 Red pixel intensity는 198에서 223, Green pixel intensity 는 215에서 238 사이에 분포되어 있 으며, 가열 온도에 따른 차이는 미비하였다.