고온에 노출된 섬유 혼입 콘크리트의 특성
Properties of Fiber-Mixed Concrete at Elevated Temperatures
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Abstract
본 연구에서는 Polypropylene (PP) 섬유, steel (ST) 섬유를 혼입한 콘크리트의 고온 역학적 특성을 혼입된 섬유의 종류마다 분류하여 고온 역학적 특성을 비교분석 하였다. 고온에서 혼입된 섬유의 종류별로 콘크리트에 미치는 영향을 분석하기 위해 각 혼입된 섬유 콘크리트 별 PP, ST, PP + ST 섬유 세 종류로 구분 지었으며, 압축강도는 40~60 MPa, 60~80 MPa, 80~100 MPa로 목표 강도별로 나누어 설정하였다. 분석항목은 TGA, DSC, 압축강도, 탄성계수, 인장강도, 휨강도로 설정하였으며 분석 결과 목표 강도 별로 분류한 섬유 혼입 콘크리트는 600 ℃에서 80~100 MPa인 콘크리트가 다른 목표 강도를 가진 콘크리트보다 약 8% 더 높은 잔존 압축강도를 보였다. 잔존 압축강도 분석 결과에서는 콘크리트 대부분이 약 600 ℃ 이상의 범위에서 CEB code보다 약 10~31% 높은 잔존강도가 나타났다.
Trans Abstract
The high-temperature mechanical properties of concrete mixed with polypropylene (PP) and steel (ST) fibers were compared and analyzed based on the type of fiber used. To examine the effects of different fibers on concrete at high temperatures, fiber-reinforced concrete was categorized into three types, namely PP, ST, and PP + ST, and the compressive strength targets were set at 40~60, 60~80, and 80~100 MPa. We conducted thermogravimetric analysis, differential scanning calorimetry, compressive strength, elastic modulus, tensile strength, and flexural strength. The results indicated that at 600 ℃, the concrete with a target compressive strength of 80~100 MPa exhibited a residual compressive strength approximately 8% higher than that of concrete with the other target strengths. Moreover, residual compressive strength analysis revealed that concrete exhibited residual strengths 10~31% higher than those prescribed by the CEB Code for temperatures around 600 ℃ and above in most cases.
1. 서 론
콘크리트는 건설 및 플랜트 산업 등 다양한 분야에서 널리 사용되고 있으며, 대도시로의 인구 밀집으로 생긴 많은 인구의 수용을 위해 고층 및 대형 건축물의 수 증가에 따라 콘크리트의 사용 수요가 증가하고 있다. 대형 및 고층건축물은 높은 하중을 견디기 위하여 또는 콘크리트의 기둥의 두께를 줄여 미관을 향상하기 위한 목적으로 낮은 W/C의 비율을 사용하는 고강도콘크리트의 사용이 요구되며, 이에 따라 기존 연구자들은 고강도콘크리트에 관한 연구를 지속해 진행해왔다. 하지만 고강도콘크리트는 보통 콘크리트에 비해 내부구조가 치밀하여 고온에 노출되면 내부 수증기 압력으로 인해 폭발음과 함께 폭렬 현상이 발생한다. 고강도콘크리트의 폭렬 현상을 방지하기 위해 폴리프로필렌 섬유, 강섬유 등을 콘크리트에 혼입하는 섬유 혼입 공법을 이용하여 폭렬 현상을 저감시키는 연구가 이루어지고 있다. Naveen 등(1)은 PP섬유와 유리섬유를 혼합한 콘크리트가 고온 노출된 후 압축강도 및 휨강도를 평가하여 섬유혼입콘크리트가 고온에서 일반 콘크리트보다 더 높은 잔존 강도를 보임을 제시하였다.
Ahmed 등(2) 연구진은 약 300 ℃에서 미수화 시멘트 입자에 대한 재수화 반응의 영향으로 콘크리트의 압축강도가 상승하는 실험 결과를 보고하였다. 폭렬 현상은 W/C, 가열속도, 수분량 등에 영향을 받으며, 콘크리트 내부의 수증기의 압력의 증가와 연관이 있다.
콘크리트가 가열되면 콘크리트 온도가 상승함에 따라 부분적인 물은 표면을 통해 증발하고 남은 물은 내부로 이동하게 된다. 가열되며 생긴 증기 중 일부는 가열된 표면으로 배출되지 않은 증기는 콘크리트 내부로 이동하게 되며, 증발 구역, 습윤 구역, 포화 구역(수분 막힘 구역)이 형성된다. 포화 구역에서는 콘크리트 내부 압력이 높아지며 압력이 콘크리트의 인장강도를 초과하면 콘크리트의 파열이 발생하고 폭렬이 발생하게 된다. 이러한 폭렬 현상은 Euro code 2 와 이전 수행되었던 연구에 따르면 PP 섬유를 콘크리트에 혼입함에 따라서 방지될 수 있다고 보고하였다(3,4).
콘크리트는 목표 강도가 높아질수록 구조가 치밀하여 콘크리트의 강도에 의한 영향을 고려될 필요가 있다. 다양한 고강도 범위 및 혼입량, 섬유종류에 다른 실험은 많은 연구자에 의해 수행되었으나, 콘크리트의 강도범위에 따른 고강도 콘크리트의 강도저하에 대한 정량적인 분석은 부족하다. Kim 등(5) 연구진들은 목표강도가 높아질수록 고온 이력을 받은 콘크리트의 강도 감소율이 높아지는 것을 확인하였다. 따라서, 목표 강도에 따른 고온에서의 섬유 혼입 콘크리트의 잔존역학적 특성을 분석하는 것이 필요하다.
본 연구에서는 각각의 poly propylene (PP) 섬유 및 steel (ST) 섬유가 혼입된 콘크리트와 PP 섬유와 ST 섬유를 같이 혼입한 콘크리트의 연구 사례에 대한 비교분석을 통하여 섬유 혼입 콘크리트가 고온에서 보이는 고온 역학적 특성을 분석하고자 한다.
2. 분석 계획 및 방법
2.1 분석 계획
Table 1에 본 연구에서 고온 이력을 받은 섬유 혼입 콘크리트를 대상으로 혼입된 섬유별 고강도콘크리트의 고온 잔존 역학적 특성에 대한 연구내용을 분석하기 위하여 혼입 섬유 종류, 섬유 길이, 섬유 직경, 혼입률, 가열속도 등으로 정리했다(1-16).
Research Summary
분석에 사용한 섬유의 종류는 국내에서 일반적으로 고강도콘크리트에 활용되는 폴리프로필렌 섬유(PP), 강섬유(ST)로 설정하였으며, 기타 혼입된 섬유는 표본이 적어 본 연구 범위에서는 제외하였다.
온도는 상온(20 ℃)에서 900 ℃ 사이로 설정하였으며 본 연구에서는 섬유가 다양한 목표 강도의 콘크리트에 미치는 영향을 분석하기 위하여 압축강도를 40~60 MPa, 60~80 MPa, 80~100 MPa로 분류하였다.
섬유는 PP 섬유, ST 섬유, PP + ST 섬유로 분류하였으며, 분석항목은 가열온도에 따른 압축강도, 휨강도, 인장강도, 탄성계수로 설정하였다. 콘크리트의 잔존강도를 상온에서의 강도의 비로 나누어 CEB code와 비교하여 분석 결과를 나타냈다.
2.2 섬유의 특성 분석
Figures 1(17)과 2(18)에는 각각 PP 섬유와 ST 섬유의 thermo gravimetric analysis (TGA) 및 differential scanning calorimetry (DSC) 분석 결과를 나타냈다. PP는 170 ℃에서 용융하며, 341 ℃에서 기화 및 447 ℃에서 연소되는 것을 보였으며 ST는 약 700 ℃에서 용융 피크를 보였다. 이는 강철의 탈탄소화 및 탄산화의 영향으로서, 탈탄소화 및 탄산화는 가교 효과(bridging effect)를 더 이상 제공하지 못하며, 오히려 균열을 형성하여 콘크리트에 악영향을 줄 수 있다. 콘크리트에 혼입된 섬유는 폭렬 현상을 저감시킨다.
Properties of PP fiber.
Properties of ST fiber.
Zeiml 등(19) 연구진은 소수성인 폴리프로필렌 섬유가 추가적인 interfacial transition zone (ITZ)을 제공하여 폴리프로필렌 혼입 콘크리트의 투과성을 높이는 것으로 보고하였다.
Khoury와 Willoughby(20) 연구진은 PP 섬유가 소수성이며 시멘트 매트릭스와 화학적 결합이 약하기 때문에 높은 증기압은 섬유로 인하여 생겨난 pressure induced tangential space (PITS)를 통하여 이동한다고 보고했다.
PP 섬유가 혼입된 콘크리트는 PP 섬유가 혼입되지 않은 콘크리트보다 투과성이 높아, 콘크리트의 폭렬 현상을 저감시킨다.
ST 섬유는 콘크리트의 인장강도 및 휨강도 등의 향상에 영향을 준다. 혼합과정에서 발생한 불연소 기포가 불연속 저장소 역할을 하거나 ST 섬유는 콘크리트의 인장강도 및 휨강도 등의 향상에 영향을 준다. 혼합 과정에서 발생한 불연속 기포가 불연속 저장소 역할을 하거나 ST 섬유 계면을 통하여 압력 완화를 할 수 있다. 또한 ST 섬유와 같은 고탄성 섬유는 급격한 온도 변화로 인한 콘크리트 내부의 미세 균열의 시작 또는 팽창을 완화할 수 있다.
3. 분석 결과 및 고찰
3.1 압축강도
Figures 3~5(1-16)에는 콘크리트의 잔존 압축강도 분석 결과를 나타냈다. 40~60 MPa 범위의 콘크리트를 CEB code와 분석한 결과에서 콘크리트의 잔존 압축강도는 각 400 및 600 ℃의 온도에서 PP 섬유는 약 10% 24%, ST 섬유의 경우 약 7%, 19%, PP + ST의 경우 0.05%, 12%의 더 높은 PP 섬유가 혼입된 콘크리트는 PP 섬유의 용융에 의해 마이크로 채널이 형성되어 내부 수증기압 배출로 인해 구조가 유지되고 고온에 대한 내력이 향상되었기 때문이다. 또한 강섬유를 콘크리트에 혼입하는 경우에는 강섬유의 높은 열전도율로 인해 콘크리트의 열이 균일하게 전달되어 콘크리트의 열 구배로 인한 균열을 감소시켜 잔류 압축강도를 향상 시킬 수 있다(2).
Residual compressive strength of 40~60 MPa concrete with PP, ST, hybrid fibers, plain concrete, and CEB code.
Residual compressive strength of 60~80 MPa concrete with PP, ST, hybrid fibers, plain concrete, and CEB code.
80~100 MPa residual compressive strength.
60~80 MPa 범위의 콘크리트는 CEB code와 비교하였을 때, 각 400 및 600 ℃ 에서 PP 섬유가 혼입된 콘크리트는 약 7%, 23%, ST 섬유는 약 3%, 13% 높은 잔존강도를 나타냈으며 PP 섬유와 ST섬유가 혼입된 콘크리트의 400 ℃에서 5% 낮은 잔존강도를 보였다 800 ℃에서는 1% 높은 잔존강도가 나타냈다. 80~100 MPa 범위의 콘크리트는 약 400 ℃ 이후 PP 섬유를 혼입한 경우 약 10% 이상, PP + ST를 혼입한 콘크리트는 약 5% 이상 높은 잔존 압축강도를 보였다. 기존 연구에서 단일 PP 또는 ST 섬유를 혼입한 콘크리트보다 PP + ST를 혼입한 콘크리트가 더 좋은 성능을 보인다는 보고가 일부 존재하였으나, 본 연구결과에서는 600 ℃에서 PP + ST를 혼입한 콘크리트가 단일 섬유(PP, ST)를 혼입한 콘크리트보다 평균적으로 11.9% 더 낮은 잔존강도를 보였다.
이는 ST 섬유와 콘크리트 간의 상이한 열팽창 계수, 고온에서 산화된 ST 섬유의 계면 거동, 그리고 PP 섬유가 증발하며 형성한 공극 등이 복합적으로 작용하여 잔존 압축강도의 저하를 유발한 것으로 판단된다(13).
Caetano 등(10)은 0.22%의 PP 섬유를 기준으로, ST 섬유의 형상(3D, 5D) 및 혼입비(0.1%, 0.57%)에 따라 고온 후 잔존 성능에 차이가 발생함을 확인하였다. 또한 Poon 등(20)은 메타카올린(MK), 실리카흄(SF)을 바인더로 사용하여 PP, ST, PP + ST 섬유를 혼입한 경우를 비교하였으며, 동일한 섬유 종류와 혼합비라도 바인더의 조성에 따라 잔존 압축강도 경향이 달라짐을 보고하였다.
이러한 선행연구에 기반할 때, 본 연구에서 관찰된 성능 차이는 바인더 비율, 가열 속도, 섬유 혼입량, 종횡비, 섬유 형상 등 실험 조건의 차이에 기인한 복합적인 영향으로 해석될 수 있다(10,16,20).
3.2 인장강도, 휨강도, 탄성계수
Figure 6(1-16)에는 섬유 종류에 따른 잔존 인장강도 분석 결과를 나타냈다. 탄성계수와 같이 PP 섬유를 혼입한 콘크리트는 PP 섬유를 혼입한 콘크리트 대비 약 400 및 600 ℃에서 약 18% 및 26% 더 높은 잔존강도를 보였다. 고온에서는 낮은 융점으로 인해 기화에 따른 공극의 영향으로 콘크리트의 인장강도에 악영향을 끼친 것으로 보인다.
Residual tensile strength of concrete with PP, ST, hybrid fibers, and plain concrete.
Figure 7(1-16)은 섬유 종류에 따른 고온에서의 잔존 휨강도를 나타냈다. 휨강도는 400, 600 ℃에서 ST섬유를 혼입한 콘크리트가 PP 섬유를 혼입한 콘크리트보다 약 7%, 2% 높은 잔존 휨강도를 나타냈다. 800 ℃에서 ST 섬유를 혼입한 콘크리트와 PP 섬유를 혼입한 콘크리트가 약 1% 차이를 나타내 온도가 상승할수록 섬유가 강도에 영향을 미치는 정도가 낮아지는 것으로 판단된다.
Residual flexural strength of concrete with PP, ST, hybrid fibers, and plain concrete.
PP + ST섬유와 같은 복합섬유 콘크리트는 고온에서 PP섬유의 공극, ST섬유의 균열이 악영향을 준 것으로 보이나 추가적인 실험을 통한 연구가 필요하다.
Figure 8(1-16)에는 섬유 종류에 따른 잔존 탄성계수의 분석 결과를 나타냈다. 400 및 600 ℃에서 PP 섬유를 혼입한 콘크리트 대비 ST 섬유를 혼입한 콘크리트는 약 14% 및 18% 더 높은 탄성계수를 나타냈으며, PP + ST 섬유가 혼입된 콘크리트는 약 9% 높은 탄성계수를 보였다. 이는 약 700 ℃ 이전의 범위에서 ST섬유가 콘크리트의 강도 보존에 영향을 주는 것 때문으로 판단된다(18).
Residual modulus of elasticity of concrete with PP, ST, hybrid fibers, and plain concrete.
고온 이력을 받은 ST 섬유가 혼입된 콘크리트는 가열 이후에도 ST 섬유로 인하여 ST 섬유가 혼입되지 않은 콘크리트 대비 높은 잔존 인장강도를 보존할 수 있다는 보고가 있다(4). 이러한 영향으로 ST 섬유를 혼입한 콘크리트는 PP 섬유 및 PP + ST 섬유를 혼입한 콘크리트 대비 높은 잔존탄성계수 및 인장강도를 보였을 것으로 판단된다. ST + PP 섬유를 혼입한 콘크리트가 ST 섬유 또는 PP 섬유가 혼입된 콘크리트보다 낮은 잔존 휨 강도를 보이는 것은 콘크리트와 ST 섬유의 서로 다른 열팽창 계수와 산화된 ST 섬유, 고온에서 용융되며 남겨진 폴리프로필렌의 공극 등으로 인하여 복합적인 이유로 인해 나타나는 것으로 보인다. 고온에서는 PP 섬유가 혼입된 콘크리트보다 ST 섬유를 혼입한 콘크리트가 더 높은 확률로 폭렬 현상이 발생하여, 콘크리트의 특성유지에는 PP 섬유와 ST 섬유를 혼입하여 PP 섬유의 폭렬 방지와 ST 섬유의 강도 향상 효과가 고온에서의 인장강도, 탄성계수 보존에 단일 섬유만 혼입된 콘크리트보다 더 높은 결과를 보였을 것으로 판단된다.
4. 결 과
본 연구에서는 고온을 받은 섬유 혼입 콘크리트에 대한 기존 문헌을 수집하고, 섬유의 종류에 따라 분류한 뒤, 목표 강도 구간별로 재분류하여 고온 노출 후의 잔존 압축강도를 분석하였다.
분석 결과, 섬유의 종류와 혼입 유무에 따라 고온 후 잔존 성능에 유의미한 차이가 발생하였으며, 이는 고온 환경에서 콘크리트의 구조적 안정성을 확보하기 위한 재료 설계 시 중요한 기초자료로 활용될 수 있다.
PP 섬유는 약 170 ℃에서 용융하며, 약 341 ℃에서 기화 및 약 447 ℃에서 연소하며, ST 섬유는 약 700 ℃에서 탈탄소화 및 탄산화 현상에 의해 콘크리트의 역학적 특성에 악영향을 주는 것으로 나타났다.
복합 섬유(PP + ST)를 혼입한 콘크리트가 600 ℃에서 단일 섬유 혼입 콘크리트에 비해 PP 섬유 약 12%, ST 섬유 7% 낮은 잔존 압축 강도비를 나타냈다. 이는 PP 섬유가 고온에서 용융⋅기화하며 남긴 공극과 ST 섬유와 콘크리트의 다른 열팽창 계수 등으로 인하여 형성되는 균열로 인한 것으로 보인다.
ST 섬유를 혼입한 콘크리트는 고온에서 PP 섬유를 혼입한 콘크리트보다 600 ℃ 약 26% 더 높은 잔존 인장강도와 약 18% 높은 잔존 탄성계수를 보였다.
고온에서의 콘크리트 휨강도는 PP 섬유의 용융 및 기화, ST 섬유의 탈탄소화 및 탄산화의 영향과 연구마다 다른 혼입률, 섬유의 종횡비 등의 환경적 영향으로 인하여 PP 섬유가 혼입된 콘크리트보다 더 낮은 잔존 휨강도를 보였다.
본 연구에서는 섬유의 혼합비, 콘크리트의 혼합비율, 섬유의 형상 등이 고려되지않아 연구에 한계가 있다. 따라서 향후 연구에서는 동일한 배합 조건을 통하여 섬유혼입률에 따른 고강도 콘크리트의 고온에서의 잔존강도 변화를 확인하고자 한다.
Notes
후 기
이 연구는 2025년도 한국연구재단 ICT 초음파 분석기법을 활용한 철근콘크리트 구조물의 화재손상 정량화 평가 모델 개발 연구비 지원으로 수행되었음(과제번호2022R1F1A1073333).
이 연구는 2025년도 다성분계 혼합시멘트 KS 제정 위탁 사업에 연구비 지원으로 수행되었음(과제번호 : 202402320001).