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Fire Sci. Eng. > Volume 36(2); 2022 > Article
휴대용 XRF를 이용한 수열온도에 따른 강판의 성분변화 연구

요 약

본 논문은 휴대용 XRF를 이용하여 수열온도에 따른 강판의 성분변화에 관한 연구이다. 조립식 건축물, 실내 디자인에 많이 사용되는 컬러강판(CCGI), 용융아연도금강판(GI), 갈바륨강판(GL), 전기아연도금강판(EGI)을 실험시료로 선정하였다. 1800 s 동안 샌드버너를 이용하여 강판을 가열한 후 주수 소화여부, 산화기간에 따라 강판의 성분변화를 측정하여 분석하였다. 실험결과 비주수 후 1일간 산화한 시료의 경우 강판의 수열온도에 따라 Zn, Al과 같이 용융점이 낮은 성분들에 경우 감소하였고, 이에 따라 용융점이 상대적으로 높은 Fe의 성분이 높게 증가하였다. 주수 후 7일간 산화한 시료의 경우 수열온도로 손상된 강판이 물과 반응하여 산화가 가속됨에 따라 Fe의 성분이 더 높게 측정되었지만 비주수한 시료와 주수한 시료의 수열온도에 따른 성분변화는 유사하게 나타났다. 화재조사 시 휴대용 XRF를 이용할 경우 구성 원소의 성분비 변화를 통해 강판의 수열온도를 예측할 수 있는 가능성을 확인하였다.

ABSTRACT

This paper is a study on the compositional change of steel sheet according to the heating temperature using portable XRF. Color coating galvanized iron (CCGI), galvanized iron (GI), galvalume steel (GL), and electrolytic galvanized iron (EGI) often used in prefabricated buildings and interior design are selected as test samples, and the steel sheet is heated using a sand burner for 1800 s. According to the method, the compositional change of the steel sheet was measured and analyzed. As a result of the experiment, in the case of samples oxidized for 1 day after non-watering, the components with low melting points such as Zn and Al decreased according to the heating temperature of the steel sheet, and therefore the components of Fe with relatively high melting points increased high. In the case of the sample oxidized for 7 days after watering, the steel sheet damaged by the heating temperature reacted with water and the Fe component was measured to be higher. The possibility of predicting the heating temperature of the steel sheet through the change of the composition ratio of constituent elements was confirmed when portable XRF was used for fire investigation.

1. 서 론

조립식 건축물의 건축 자재로 사용되는 샌드위치 패널은 지난 2019년 경북 구미 국가 1공단, 2021년 덕평 물류센터, 2022년 아산 귀뚜라미 보일러 화재 사고 등을 통해 조립식 건축물의 화재 발생에 대한 심각성을 부각시켰다. 조립식 건축방식은 크게 구조적 부분인 골조 시스템과 재료적 부분인 건물 구성재 시스템으로 나뉘어 발전해나가는 중이며, 특히 90년대 이후 단일 부재보다는 둘 이상의 구조 부재를 결합한 복합 기술에 대한 개발이 활발하게 진행되고 있다(1). 현재 조립식 주택은 기존에 습식 공법인 콘크리트나 조적조 주택과는 달리 목재 패널, 컬러강판 패널 등을 이용하여 건축물을 짓는 건식 공법과 최근에 등장한 경량기포콘크리트(autoclaved lightweight concrete, ALC)를 이용한 건축법 등이 있다(2). 조립식 건축물은 도입 초기 공장, 창고 등의 용도로 지어졌으나, 간편한 시공 및 인건비 절약, 뛰어난 단열 성능 등의 이점을 바탕으로 주택용 및 소형 창고, 숙소용의 건물까지 그 용도가 증가하는 추세에 놓여있다. 하지만 조립식 건축물로 지어진 대부분의 공장 및 물류창고 등은 가연물이 상대적으로 많이 집하되어 있고, 조립식 패널의 내부는 스티로폼 및 경질우레탄폼(polyurethane foam, PUR) 등 가연성 내장재를 사용하고 있어, 화재 시 강판 패널의 붕괴와 함께 내부의 가연성 내장재의 연소로 인해 발생된 가연성 가스가 순식간에 다량 방출되면서 연기폭발과 같이 건물 전체로 화염이 확산되고, 다량의 유독 가스를 발생시켜 커다란 인명 및 재산 피해를 가져온다. 또한, 일반 건축물 화재에 비해 조립식 건축물은 재산 피해가 약 36% 정도 높고, 화재 진압 시간 또한 5 min 59 s 더 소요된다는 문제가 지적되고 있다(3). 이에 따라 2021년 3월 16일 개정된 「건축법」 제52조에 따르면 건축물 내부 마감 재료의 성능을 강화하고, ‘건축물 마감재료 난연성능 및 화재 확산 방지구조 기준’을 통해 마감재료의 난연성능 시험방법 및 성능기준, 화재 확산 방지구조 기준을 개정하였으나, 개정 전 지어진 오랜 건축물들에는 적용이 불가능 하다는 단점 또한 피할 수 없다. 소방청 국가화재정보시스템 화재통계(4)에 따르면 조립식 건축물 중 샌드위치 패널 구조의 화재 발생 건수와 재산 피해 액수를 살펴보면 2017년 3,782건, 2018년 3,650건, 2019년 3,307건, 2020년 3,303건 2021년 3,112건으로, 년 평균 약 3,500건의 화재가 발생하였으나, 재산 피해액은 2017년 1,954억원, 2018년 1,883억원, 2019년 2,214억원, 2020년 2,473억원, 2021년 2,408억원으로 나타나고 있다. 2021년 건물구조별 화재 건수와 피해액을 비교해보면 슬라브 건물구조의 화재건수는 14,341건, 재산피해액은 6,578억원으로 가장 높은 피해액으로 보여주고 있지만, 건당 피해액은 4,587만원, 샌드위치패널 화재건수는 3,112건, 재산피해액은 2,408억원으로 건당 피해액이 7,739만원으로 화재건수 당 피해액이 전체 화재 중 가장 높은 비중을 차지하는 것을 알 수 있다. 약 500억 원의 재산피해가 발생한 경북 구미 국가 1공단 화재, 약 1,380억 원의 재산피해가 발생한 안성 냉장창고 화재가 대표적인 사례이다. 또한, 조립식 건축물의 화재 특성상 화재 확대가 빠르고 소화가 어렵기 때문에 건물 구조물이 붕괴되거나 전소하였을 경우, 강판 패널과 같이 현장에 있는 잔존물의 화재패턴을 육안에 의존한 감식만으로는 강한 수열부위를 예측하거나 찾기 어려운 경우가 대부분이다. 이에 따라 화재 시 수열을 받은 강판의 화재패턴만을 보고 발화지점을 추정하는 것이 아닌 강판의 수열온도를 현장에서 과학적으로 측정하여 화재 시 구획공간 등 화재실의 온도상승 및 가장 수열을 많이 받은 부위를 예측함으로써 발화지점을 한정해 가며, 화재조사의 기법을 향상시킬 수 있는 방법이 필요하다.
현재 「소방기본법」 시행규칙 및 소방청 훈령에 있는 화재조사에 관한 주요 사항을 「소방의 화재조사에 관한 법률(2022년 6월 9일 시행)」로 정함으로써 소방관서장의 화재조사 권한을 명확히 하고, 화재조사의 방법 및 절차, 결과를 화재 예방 대책에 환류하는 조치 등을 담아 독자적인 법률로 제정하여 과학적이고 전문적인 화재조사 체계를 구축하고 있다(5). 이에 따라 화재감식 현장에서 이전의 육안과 경험에만 의존한 화재조사 기법이 아닌 새로운 화재조사 기법이나 첨단 장비를 이용한 과학적 분석을 통한 접근방법에 대한 연구가 필요한 실정이다.
휴대용 XRF 장비는 X-선 형광 분석기법(X-ray fluorescence analysis, XRF)을 이용한 것으로 시료에 X-선을 조사한 후 방출되는 X-선을 검출기가 빠르게 에너지 스펙트럼을 측정하여 신속하게 다양한 물질의 원소 조성을 확인할 수 있는 분석장비로 이동 및 휴대가 간편하여 화재조사 현장에서 화재감식의 정밀성을 향상 시킬 수 있는 장비로 활용될 수 있다(6). 이러한 XRF를 이용한 화재관련 연구들을 보게 되면 Shim 등(7,8)은 X-선 분석을 이용한 난연 expanded polystyrene (EPS) 샌드위치 패널의 화재성능평가 방법 및 X-선 분석법을 이용한 내화도료의 화재안전성 평가 방법, Kim과 Lee(9)는 X-선 형광분석기를 이용한 현장 방염검사방법에 관한 연구를 진행하였지만, 화재조사와 관련된 연구는 아니었다. 화재조사와 관련된 XRF의 연구를 분석해보면 Park은 XRF 금속분석기를 활용한 철재구조물 발화지점 추정에 관한 연구를 진행하여 샌드위치 패널 화재의 연소패턴을 XRF를 활용해 발화지점을 찾는 연구를 진행하였지만, 단일 패널 소재에 국한되어 있고, 강판의 수열온도에 따른 세부적인 분석 등이 진행되지 않았다. Kim 등(6)은 energy dispersive X-ray fluorescence (ED-XRF)를 이용한 저온창고의 방화화재 조사기법에 대한 연구를 진행하여, 방화에 사용되는 인화성 액체의 종류에 따른 강판의 성분변화 분석을 진행하였지만, 인화성 액체의 종류보다는 물질별 발열량에 의해 나온 결과로 다양한 강판의 종류 및 수열온도에 따른 세부적인 분석 등이 진행되지 않았다.
따라서 본 논문은 휴대용 XRF를 이용하여 건축에 가장 많이 사용되는 4종류의 강판을 시료로 선정하여 화염인가 후 비주수와 주수 후로 구분하여 수열온도에 따른 탄화패턴 분석 및 금속 원소의 성분변화를 측정하여 정량⋅정성적 분석을 통해 수열온도를 예측할 수 있는 과학적인 화재조사기법을 도출하고자 한다.

2. 실 험

2.1 실험시료

Figure 1은 실험시료를 나타낸 것으로 조립식 패널 및 내부 인테리어 디자인 등 건축물에 가장 많이 사용되는 강판 종류인 컬러강판(color coating galvanized iron, CCGI), 용융아연도금강판(galvanized iron, GI), 갈바륨(알루미늄 + 아연), 강판(galvalume steel, GL), 전기아연도금강판(electrolytic galvanized iron, EGI)을 실험시료로 선정하였다. 시료의 크기는 가로 900 mm, 세로 900 mm의 동일한 규격으로 제작하였다.
Figure 1
Experimental samples.
kifse-36-2-10-g001.jpg

2.2 실험방법

실험은 20 ± 5 °C, 습도 50 ± 5% 환경조건에서 진행하였고, 수열온도에 따른 강판 시료의 성분을 분석하기 위해 Figure 2(a)와 같이 실험을 구성하였다. 연소실은 가로 1,500 mm, 세로 1,500 mm, 높이 1,700 mm 크기로 제작하였고, 강판 시료를 지름 220 mm의 원형으로 말아 고정 시킨 후 샌드버너 위에 강판 시료를 올린 후, 화재 현장처럼 고열에 의한 손상을 주기 위해 프로판 가스를 초기 600 s 동안 20 lpm 이후 1200 s 동안 30 lpm으로 총 1800 s 동안 가스 유량 컨트롤러를 조절하여 샌드버너 화염으로 강판을 가열시켰다. 이와 같이 강판 시료를 원형으로 말아 실험을 진행한 것은 사전 실험에서 수직 및 수평으로 인가하였을 경우 온도가 900 °C 이상 도달하지 못하고, 강판 전체에 수열인가의 한계가 있어, 강판 전체의 수열온도에 따른 성분변화를 분석하기 위해 본 실험의 조건으로 진행하였다. Figure 2(b)와 같이 강판 시료를 40개의 섹터(A1-H5)로 구분하여 K-타입 열전대를 각 포인트마다 표면용접으로 부착하고, 데이터로거(GP20, YOKOGAWA electric corporation., Japan)와 열화상카메라(Testo 890, Testo Co., Germany)로 온도를 병행 측정하여 강판의 섹터별 최대온도의 값을 평균온도로 하여 수열온도를 색분포도(temperature color distribution, TCD)로 나타내었다. 실험 종료 후 강판 시료를 비주수상태와 주수상태로 구분하여 비주수상태의 시료의 경우 1일간 산화 후, 주수상태의 시료의 경우 주수 후 물의 성분을 완전히 제거시키기 위해 7일간 산화시켜 휴대용 XRF (VANTA series, Olympus Co., USA)을 이용하여 시료의 성분을 측정하였다. 이와 같이 비주수상태와 주수상태로 구분하여 실험을 진행한 이유는 비주수후 수열온도에 따른 성분분석에 최초 초점을 두어 진행하였으나, 실제 화재 현장에서는 주수소화를 통해 화재 진압 후 화재조사가 이루어지기 때문에 본 실험의 조건을 추가로 진행하였다. 모든 실험은 5회 실시 후 각 섹터별 최대온도의 평균값(성분이 낮은 금속 원소 분석제외)으로 나타내었고, 휴대용 XRF를 이용한 성분변화의 분석에 앞서 수열온도별 탄화패턴을 분석하고, 그후 수열온도별 강판의 성분변화를 분석하였다. 휴대용 XRF의 측정 시간은 무거운 원소(Fe, Ni 등)는 30 s, 가벼운 원소(P, Al 등)는 10 s로 설정하였고, 측정된 데이터 결과를 통해 시료의 성분을 정성⋅정량적으로 분석하였다.
Figure 2
Experimental schematic diagram and measurement method.
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3. 실험결과 및 고찰

3.1 비주수 후 산화된 강판의 수열온도에 따른 탄화패턴

Figure 3은 수열온도에 따른 강판 표면의 탄화패턴 변화를 측정하기 위하여 강판 하단부에 1800 s 동안 화염으로 가열하여 강판에 인가된 최대 평균 수열온도를 측정하였고, 실험 종료 후 주수하지 않고 1일간 산화되었을 때 강판의 탄화패턴을 분석한 결과이다. Figure 3(a)는 컬러강판(CCGI)의 결과를 나타낸 것으로 수열온도 600 °C 이하의 강판 표면에서는 매끈한 면이 관찰되는 반면, 수열온도 700 °C 이상의 부분부터 모래알이 분산된 형태로 도금이 벗겨져 거칠어진 것과 변색이 일어남을 확인할 수 있었다. Figure 3(b)는 용융아연도금강판(GI)의 결과를 나타낸 것으로 수열온도 500 °C 이하의 강판 표면에서는 변화가 발생하지 않았고, 수열온도 500 °C 이상의 강판 표면에서는 수열 부위에 따라 그을음과 변색, 물결 모양의 특징이 발생하였다. 수열온도 600 °C 부분의 강판 표면에서는 거북등껍질 모양의 균열이 관찰되었고, 화염에 방향에 따라 물결무늬가 발생하는 것을 확인할 수 있었다. Figure 3(c)는 갈바륨강판(GL)의 결과를 나타낸 것으로 수열온도 600 °C 이하의 강판 표면에서는 그을음으로 인한 색깔 변화만 발견될 뿐 육안으로 보이는 변화가 발생하지 않았고, 수열온도 600 °C 이상의 부분부터 알루미늄이 용융되어 물결모양의 흔적이 나타났으며, 수열온도 800 °C 이상의 강판 표면에서는 도금이 벗겨지며 거칠어지는 것을 알 수 있었다. Figure 3(d)는 전기아연도금강판(EGI)의 결과를 나타낸 것으로 수열온도 500 °C 이하의 강판 표면에서는 변화가 발생하지 않았고, 수열온도 700 °C 이상의 강판 표면에서는 그을음과 함께 강판 표면에 도금이 벗겨져 거칠어진 것을 확인할 수 있었다
Figure 3
Carbonized pattern and TCD (after non-water sprinkle).
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3.2 주수 후 산화된 강판의 수열온도에 따른 탄화패턴

Figure 4는 수열온도에 따른 강판 표면에 변화를 측정하기 위하여 강판 하단부에 1800 s 동안 화염으로 가열하여 강판에 인가된 최대 평균 수열온도를 측정하였고, 실험 종료 후 주수하여 7일간 산화되었을 때 강판의 탄화패턴을 분석한 결과이다.
Figure 4
Carbonized pattern and TCD (after water sprinkle).
kifse-36-2-10-g004.jpg
Figure 4(a)는 컬러강판(CCGI)의 결과를 나타낸 것으로 수열온도 300 °C 이하에서는 도색층이 벗겨지지 않고 그을음 및 변색이 생겼음을 볼 수 있으며, 400 °C 부분에서 물결모양의 경계선이 관찰되었다. 600 °C 부분의 강판 표면에서는 균열이 일어났고, 700 °C 이상에서는 도색층이 탈락됨과 동시에 녹이 슨 것으로 보아 도색은 400 °C 이상에서 녹지만, 700 °C 이상을 수열 받아야 강판부분에 손상이 일어난다는 것을 알 수 있었다. Figure 4(b)는 용융아연도금강판(GI)의 결과를 나타낸 것으로 수열온도 500 °C 이하의 강판의 표면을 보면 육안으로 보이는 변화가 전혀 없으나, 500 °C 이상에서는 그을음이 남아있는 것을 볼 수 있으며, 수열부위에 따라 도금되어있던 아연이 용융되어 흘러내린 나이테모양의 모습을 볼 수 있었지만, 녹이 슬지 않아 도금이 벗겨지지 않았다는 것을 확인할 수 있다. 따라서 600 °C 이상의 부분의 아연이 용융되어 경계선을 형성했다는 것을 알 수 있고, 그에 따라 강판의 표면이 손상되어 모래알이 뭉쳐진 것처럼 녹이 슨 것을 관찰할 수 있었다. Figure 4(c)는 갈바륨강판(GL)의 결과를 나타낸 것으로 수열온도 500 °C 이하의 강판 표면에서는 그을음으로 인한 색깔의 변화만 발견될 뿐 육안으로 보이는 변화는 발생하지 않았다. 수열온도 600 °C 이상의 강판 표면에서는 뚜렷한 경계선이 나타나며 수열부위에 따라 물결모양의 특징이 발생하였고, 수열온도 800 °C 이상의 강판 표면은 녹이 관찰되었으며 표면이 거칠어 탄 자국이 짙게 남은 것을 확인 할 수 있었다. Figure 4(d)는 전기아연도금강판(EGI)의 결과를 나타낸 것으로 수열온도 400 °C 이하의 강판 표면에서는 약간의 색깔 변화만 있을 뿐 육안으로 보이는 변화는 확인할 수 없었다. 소화하지 않았을 때는 육안으로 관찰되는 변화가 제일 적었으나, 500 °C 부분에서는 그을음과 동시에 녹이 진행된 현상이 나타났다. 700 °C 이상에서의 부분, 특히 800 °C 이상의 부분은 녹이 슨 부분이 많이 관찰된 것을 통해 수열 받은 부분의 도금이 벗겨져 산화된 것을 알 수 있었다.

3.3 비주수 후 산화된 강판의 수열온도에 따른 성분변화

Figure 5는 비주수 후 산화된 강판 시료의 수열온도에 따른 구성 원소들의 비율을 나타낸 전체적인 결과 그래프이며, Table 1은 주요 구성 원소인 Fe, Zn, Al을 대상으로 수열온도에 따른 원소 비율을 나타낸 것이다. Figure 6은 주요 구성 원소인 Fe, Zn, Al을 대상으로 수열온도 100 °C 구간을 기준으로 수열온도 상승에 따른 증감비를 나타낸 것이다. 컬러강판(CCGI)의 경우 수열온도 100 °C 구간에서 Fe 72.50%, Zn 6.86%로 나타났지만, 최대 수열온도 900 °C 구간에서는 Fe 81.41%, Zn 3.7%로 측정되었다. 수열온도 100 °C 구간을 기준으로 최대 수열온도인 900 °C 구간까지 상승하였을 때, Fe는 12.29% 증가하고, Zn은 46.06% 감소하는 것으로 나타났다. 용융아연도금강판(GI)의 경우 수열온도 100 °C 구간에서 Fe 36.40%, Zn 57.90%로 나타났지만, 최대 수열온도 900 °C 구간에서는 Fe 47.09%, Zn 50.69%로 측정되었다. 수열온도 100 °C 구간을 기준으로 최대 수열온도인 900 °C 구간까지 상승하였을 때, Fe는 29.37% 증가하고, Zn은 12.45% 감소하는 것으로 나타났다. 갈바륨강판(GL)의 경우 수열온도 100 °C 구간에서 Fe 28.08%, Zn 30.04%, Al 41.66%로 나타났지만, 최대 수열온도 900 °C 구간에서는 Fe 47.71%, Zn 26.35%, Al 23.78%로 측정되었다. 수열온도 100 °C 구간을 기준으로 최대 수열온도인 900 °C 구간까지 상승하였을 때, Fe는 69.91% 증가하고, Zn 및 Al은 각각 12.28%, 42.92% 감소하는 것으로 나타났다. 전기아연도금강판(EGI)의 경우 수열온도 100 °C 구간에서 Fe 64.10%, Zn 33.41%로 나타났지만, 최대 수열온도 900 °C 구간에서는 Fe 66.11%, Zn 30.03%로 측정되었다. 수열온도 100 °C 구간을 기준으로 최대 수열온도인 900 °C 구간까지 상승하였을 때, Fe는 3.14% 증가하고, Zn은 10.12% 감소하는 것으로 나타났다.
Figure 5
Ratio of total constituent elements (after non-water sprinkle).
kifse-36-2-10-g005.jpg
Table 1
Ratio of Major Constituent Elements (After Non-water Sprinkle) (Unit: %)
Item CCGI GI GL EGI
Temp. Range Fe Zn Fe Zn Fe Zn Al Fe Zn
100 °C 72.5 6.86 36.4 57.9 28.08 30.04 41.66 64.1 33.41
200 °C 72.55 6.85 37.67 56.36 28.3 29.65 41.61 64.15 33.03
300 °C 72.6 6.68 38.42 56.03 28.68 29.1 41.06 64.28 32.78
400 °C 73.98 6.36 39.25 55.5 31.98 27.47 39.99 64.84 32.52
500 °C 76.32 4.63 40.08 55.1 33 27.13 39.29 64.91 32.38
600 °C 78.83 4.61 40.84 54.47 44.55 27.03 27.98 64.95 32.11
700 °C 80.86 4.52 41.04 54.09 45.72 26.61 27.08 65.01 31.66
800 °C 81.02 4.47 45.08 51.39 46.29 26.55 24.8 65.86 31.51
900 °C 81.41 3.7 47.09 50.69 47.71 26.35 23.78 66.11 30.03
Figure 6
Variance ratio according to the increase of heating temperature (after non-water sprinkle).
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비주수 후 산화된 강판의 수열온도에 따른 성분변화 분석결과 수열온도 100 °C에서 900 °C 구간까지 상승함에 따라 강판의 종류에 상관없이 Fe의 비율은 증가하고, Zn 및 Al의 비율은 감소하는 것으로 나타났으며, 수열온도별 구성 원소의 성분비 변화를 통해 강판의 수열온도를 예측할 수 있는 가능성을 확인하였다. 강판의 주성분 중 녹는점이 419.5 °C인 Zn의 경우 수열온도 400 °C 구간까지 성분비가 서서히 감소하기 시작하다 500 °C 이상의 수열온도부터 성분비의 감소 비율이 크게 나타났다. 녹는점이 660.3 °C인 Al의 경우 수열온도 500 °C 구간까지 성분비가 서서히 감소하기 시작하다 600 °C 이상의 수열온도부터 성분비의 감소 비율이 크게 나타났다. 이로 인해 1,583 °C의 상대적으로 높은 녹는점을 가지는 Fe의 성분비가 Zn과 Al의 감소비율에 따라 증가하여 수열온도에 따른 강판의 성분변화 차이가 발생한 것으로 생각된다. 또한, 컬러강판의 경우 화염에 의해 도색이 벗겨지고 도금부분의 탈락으로 인한 표면에 거칠기 및 성분의 변화가 많이 발생하였고, 용융아연도금강판(GI)과 갈바륨강판(GL)의 경우 철판을 용융된 Zn, Al에 담궈 입히는 제작 방식으로 열에 의해 Zn, Al이 용융되고 화염 모양에 따라 퍼져나가면서 성분의 변화가 발생하였고, 전기아연도금강판(EGI)의 경우 Zn이 함유된 도금액에 전기분해를 통해 도금하는 방법으로 화염에 의해 Zn이 용융되거나 무늬가 발생하지 않아 성분의 변화량도 가장 적게 측정되었다. 이에 따라 수열온도가 상승함에 따라 컬러강판(CCGI) 및 용융아연도금강판(GI)의 경우 Zn의 용융으로 인한 성분비 감소로 Fe의 비율이 상승하였으며 특히, 컬러강판(CCGI)에 Zn의 변화량이 -46.06%로 가장 크게 나타났다. 갈바륨강판(GL)의 경우 주성분이 Zn, Fe, Al 3가지 성분으로 구성되어 있어 Fe 및 Al의 변화량이 각각 +69.91%, -42.92%로 가장 크게 나타났고, 전기아연도금강판(EGI)의 경우 Fe, Zn의 성분변화량이 탄화패턴과 비슷하게 각각 +3.14%, -10.12%로 가장 적게 나타났다.

3.4 주수 후 산화된 강판의 수열온도에 따른 성분변화

Figure 7은 주수 후 산화된 강판 시료의 수열온도에 따른 구성 원소들의 비율을 나타낸 전체적인 결과 그래프이며, Table 2는 주요 구성 원소인 Fe, Zn, Al을 대상으로 수열온도에 따른 원소 비율을 나타낸 것이다. Figure 8은 주요 구성 원소인 Fe, Zn, Al을 대상으로 수열온도 100 °C 구간을 기준으로 수열온도 상승에 따른 증감비를 나타낸 것이다. 컬러강판(CCGI)의 경우 수열온도 100 °C 구간에서 Fe 81.72%, Zn 14.23%로 나타났지만, 최대 수열온도 900 °C 구간에서는 Fe 89.78%, Zn 1.75%로 측정되었다. 수열온도 100 °C 구간을 기준으로 최대 수열온도인 900 °C 구간까지 상승하였을 때, Fe는 9.86% 증가하고, Zn은 87.70% 감소하는 것으로 나타났다. 용융아연도금강판(GI)의 경우 수열온도 100 °C 구간에서 Fe 28.11%, Zn 63.08%로 나타났지만, 최대 수열온도 900 °C 구간에서는 Fe 52.99%, Zn 41.95%로 측정되었다. 수열온도 100 °C 구간을 기준으로 최대 수열온도인 900 °C 구간까지 상승하였을 때, Fe는 88.51% 증가하고, Zn은 33.50% 감소하는 것으로 나타났다. 갈바륨강판(GL)의 경우 수열온도 100 °C 구간에서 Fe 34.26%, Zn 30.30%, Al 33.82%로 나타났지만, 최대 수열온도 900 °C 구간에서는 Fe 69.90%, Zn 20.76%, Al 9.32%로 측정되었다. 수열온도 100 °C 구간을 기준으로 최대 수열온도인 900 °C 구간까지 상승하였을 때, Fe는 104.03% 증가하고, Zn 및 Al은 각각 31.49%, 73.57% 감소하는 것으로 나타났다. 전기아연도금강판(EGI)의 경우 수열온도 100 °C 구간에서 Fe 78.68%, Zn 18.12%로 나타났지만, 최대 수열온도 900 °C 구간에서는 Fe 97.36%, Zn 1.81%로 측정되었다. 수열온도 100 °C 구간을 기준으로 최대 수열온도인 900 °C 구간까지 상승하였을 때, Fe는 23.74% 증가하고, Zn은 90.01% 감소하는 것으로 나타났다.
Figure 7
Ratio of total constituent elements (after non-water sprinkle).
kifse-36-2-10-g007.jpg
Table 2
Ratio of Major Constituent Elements (After Water Sprinkle) (Unit: %)
Item CCGI GI GL EGI
Temp. Range Fe Zn Fe Zn Fe Zn Al Fe Zn
100 °C 81.72 14.23 28.11 63.08 34.26 30.3 33.82 78.68 18.12
200 °C 82.23 12.48 30.09 62.46 35.2 29.91 33.62 80.64 16.29
300 °C 82.96 11.43 34.17 58.11 35.91 29.35 33.45 82.03 14.52
400 °C 83.39 9.3 35.31 56.55 38.28 28.72 31.3 84.83 12.76
500 °C 86.03 6.62 37.95 54.43 44.09 26.36 29.07 86.58 10.51
600 °C 86.93 3.14 39.54 53.46 65.27 22.19 10.52 89.6 8.96
700 °C 88.07 2.56 43.69 49.06 66.98 21.83 10.18 92.79 6.87
800 °C 89.35 2.4 50.73 42.53 67.82 20.93 9.32 95.52 3.04
900 °C 89.78 1.75 52.99 41.95 69.9 20.76 8.94 97.36 1.81
Figure 8
Variance ratio according to the increase of heating temperature (after water sprinkle).
kifse-36-2-10-g008.jpg
주수 후 산화된 강판의 수열온도에 따른 성분변화 분석결과 비주수 후와 비교했을 때 주수로 인한 급격한 산화가 진행됨에 따라 구성 원소 비율에 차이는 있었으나, 비주수 후와 마찬가지로 수열온도 100 °C에서 900 °C 구간까지 상승함에 따라 강판의 종류에 상관없이 Fe의 비율은 증가하고, Zn 및 Al의 비율은 감소하는 것으로 나타나 수열온도별 구성 원소의 성분비 변화를 통해 강판의 수열온도를 예측할 수 있는 가능성을 확인하였다. 강판의 주성분 중 Zn의 경우 500 °C 이상의 수열온도부터 성분비의 감소 비율이 크게 나타났고, Al의 경우 600 °C 이상의 수열온도부터 성분비의 감소 비율이 크게 나타면서, 상대적으로 높은 녹는점을 가지는 Fe의 성분비가 Zn과 Al의 감소비율에 따라 증가하여 수열온도에 따른 강판의 성분변화 차이가 발생하였다. 수열온도가 상승함에 따라 컬러강판(CCGI) 및 용융아연도금강판(GI)의 경우 Zn의 용융 및 주수로 인한 산화 가속으로 성분이 감소되어 Fe의 비율이 상승하였고 Zn의 함량이 가장 적은 컬러강판(CCGI)에서 Zn의 성분 변화량이 +9.86%으로 가장 적게 나타났다. 갈바륨강판(GL)의 경우 Zn과 Al의 융융 및 주수로 인한 산화 가속으로 Fe 및 Al의 변화량이 각각 +104.03%, -73.57%로 가장 크게 나타났다. 전기아연도금강판(EGI)의 경우 비주수 후에서는 Fe, Zn의 성분 변화량 가장 적게 나타났으나, Zn의 융용 및 주수로 인한 산화 가속으로 Zn의 변화량이 -90.01%로 가장 크게 나타났다.
Table 3은 주수 후를 기준으로 비주수 후와의 수열온도에 따른 주요 구성 원소의 증감비를 나타낸 것이다. 최대 수열온도인 900 °C 구간을 기준으로 컬러강판(CCGI)의 경우 주수 후가 비주수 후보다 Fe 성분이 10.28% 증가하였고, Zn 성분이 -52.70% 감소하였다. 용융아연도금강판(GI)의 경우 주수 후가 비주수 후보다 Fe 성분이 12.53% 증가하였고, Zn 성분이 -17.24% 감소하였다. 갈바륨강판(GL)의 경우 주수 후가 비주수 후보다 Fe 성분이 46.51% 증가하였고, Zn 및 Al 성분이 각각 -21.21%, -62.41% 감소하였다. 전기아연도금강판(EGI)의 경우 주수 후가 비주수 후보다 Fe 성분이 47.27% 증가하였고, Zn 성분이 -93.97% 감소하였다. 이와 같은 주수 후와 비주수 후에 성분비의 변화가 크게 발생하는 것은 Fe의 부식을 방지하고 방청성을 우수하기 하기 위해 도금피막으로 사용되는 Zn 및 Al은 Fe보다 이온화 경향이 높아 수열인가 후 주수로 인해 산화가 더욱 가속됨에 따라 Zn 및 Al의 성분이 상대적으로 크게 감소됨으로써 성분비의 차이가 나타난 것으로 판단된다. 또한, Al이 함유된 갈바륨강판(GL)의 경우 Al이 Zn보다 이온화 경향이 더욱 크기 때문에 Al의 감소량이 크게 나타남에 따라 상대적으로 함유량 및 이온화 경향이 적은 Zn이 -31.49%로 강판 중 가장 적게 감소된 것으로 생각된다.
Table 3
Variance Ratio of Major Constituent Elements (Unit: %)
Item CCGI GI GL EGI
Temp. Range Fe Zn Fe Zn Fe Zn Al Fe Zn
100 °C 12.72 107.43 -22.77 8.95 22.01 0.87 -18.82 22.75 -45.76
200 °C 13.34 82.19 -20.12 10.82 24.38 0.88 -19.20 25.71 -50.68
300 °C 14.27 71.11 -11.06 3.71 25.21 0.86 -18.53 27.61 -55.70
400 °C 12.72 46.23 -10.04 1.89 19.70 4.55 -21.73 30.83 -60.76
500 °C 12.72 42.98 -5.31 -1.22 33.61 -2.84 -26.01 33.38 -67.54
600 °C 10.28 -31.89 -3.18 -1.85 46.51 -17.91 -62.40 37.95 -72.10
700 °C 8.92 -43.36 6.46 -9.30 46.50 -17.96 -62.41 42.73 -78.30
800 °C 10.28 -46.31 12.53 -17.24 46.51 -21.17 -62.42 45.03 -90.35
900 °C 10.28 -52.70 12.53 -17.24 46.51 -21.21 -62.41 47.27 -93.97

4. 결 론

본 논문은 조립식 건물의 전소 및 붕괴로 인해 훼손된 현장에서 기존 화재조사기법으로는 화재원인을 찿기 어렵기 때문에 휴대용 XRF 비파괴 검사 장비를 이용해 조립식 패널과 같은 철골 구조에서의 강판들의 성분변화를 통해 화재원인 및 발화점을 예측할 수 있는 화재조사기법을 분석하고자 실험을 진행하였고, 다음과 같은 결론을 도출하였다.
  1. 비주수 후 1일간 산화한 강판의 성분분석 결과 수열온도에 따라 성분의 변화가 발생하였다. 컬러강판(CCGI)의 경우 탄화패턴에서는 수열온도 700 °C 이상의 표면에서 도금이 벗겨져 거칠어졌고, 성분분석 결과 수열온도 100 °C 구간을 기준으로 최대 수열온도인 900 °C 구간까지 상승하였을 때 Fe 12.29% 증가, Zn 46.06% 감소, 용융아연도금강판(GI)의 경우 탄화 패턴에서는 수열온도 500 °C 이상의 표면에 물결무늬 및 갈라짐이 발생되었고, 성분분석 결과 수열온도 100 °C 구간을 기준으로 최대 수열온도인 900 °C 구간까지 상승하였을 때 Fe 29.37% 증가, Zn 12.45% 감소, 갈바륨강판(GL)의 경우 탄화패턴에서는 수열온도 600 °C 이상의 표면에 물결무늬 및 거침이 발생되었고, 성분분석 결과 수열온도 100 °C 구간을 기준으로 최대 수열온도인 900 °C 구간까지 상승하였을 때 Fe 69.91% 증가, Zn 12.28% 감소, Al 42.92% 감소, 전기아연도금강판(EGI)의 경우 탄화패턴에서는 수열온도 700 °C 이상의 표면에 그을음과 거침이 발생되었고, 성분분석 결과 수열온도 100 °C 구간을 기준으로 최대 수열온도인 900 °C 구간까지 상승하였을 때 Fe 3.14% 증가, Zn 10.12% 감소하는 것으로 나타났다.

  2. 주수 후 7일간 산화한 강판의 성분분석 결과 수열온도에 따라 성분의 변화가 발생하였다. 컬러강판(CCGI)의 경우 탄화패턴에서는 수열온도 700 °C 이상 표면에서 도색층이 탈락됨과 동시에 녹이 발생하였고, 성분분석 결과 수열온도 100 °C 구간을 기준으로 최대 수열온도인 900 °C 구간까지 상승하였을 때 Fe 9.86% 증가, Zn 87.70% 감소, 용융아연도금강판(GI)의 경우 탄화패턴에서는 수열온도 600 °C 이상 표면이 손상되며 녹이 발생하였고, 성분분석 결과 수열온도 100 °C 구간을 기준으로 최대 수열온도인 900 °C 구간까지 상승하였을 때 Fe 88.51% 증가, Zn 33.50% 감소, 갈바륨강판(GL)의 경우 탄화패턴에서는 수열온도 800 °C 이상의 표면이 거칠어지며 녹이 발생하였고, 수열온도 100 °C 구간을 기준으로 최대 수열온도인 900 °C 구간까지 상승하였을 때 Fe 104.03% 증가, Zn 31.49% 감소, Al 73.57% 감소, 전기아연도금강판(EGI)의 경우 탄화패턴에서는 수열온도 500 °C 이상의 표면에서 녹이 발생하였고, 수열온도 100 °C 구간을 기준으로 최대 수열온도인 900 °C 구간까지 상승하였을 때 Fe 23.74% 증가, Zn 90.01% 감소하는 것으로 나타났다.

주수 후 산화한 강판과 비주수 후 산화한 강판의 시료를 비교 하였을 때 주수로 인한 급격한 산화로 Fe의 성분비율의 차이가 발생하였지만, 수열온도 100 °C에서 900 °C 구간까지 상승함에 따라 강판의 종류에 상관없이 Zn의 경우 수열온도 500 °C 이상부터 성분비의 감소 비율이 크게 나타났고, Al의 경우 수열온도 600 °C 이상부터 성분비의 감소비율이 크게 나타면서, 상대적으로 높은 녹는점을 가지는 Fe의 성분비가 Zn과 Al의 감소비율에 따라 증가하는 것으로 나타나 수열온도별 구성 원소의 성분비 변화를 통해 강판의 수열온도를 예측할 수 있는 가능성을 확인하였다.
이와 같이 동일 강판의 경우라고 해도 주수여부 및 산화기간 등에 따라 강판 성분비의 차이가 발생하기 때문에 화재조사 시 강판의 탄화패턴을 통해서만 조사하는 것이 아닌 주수여부 및 산화기간 등 다양한 강판 소재 및 조건 등에서 수열온도에 따른 성분비 측정을 통해 빅데이터를 지속적으로 확보한다면, 추후 휴대용 XRF를 이용한 화재조사기법은 가장 강한 수열부위의 예측을 통해 발화지점을 한정하고 화재공간 상의 수열온도 예측 등을 통해 화재조사의 정밀도 및 화재원인 규명률 등을 더욱 높일 수 있는 장비로 충분히 활용될 수 있을 것으로 생각된다.

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