1. 머리말

화재 시 건축물의 구조적 거동을 평가하기 위해서는 건축물을 구성하고 있는 구조재료의 온도에 따른 물리적 특성(열팽창율, 비열, 온도별 열전도율)과 역학적 특성(강도, 강도저감계수)이 필요하며, 해외에서는 이러한 특성을 다년간의 실험결과를 바탕으로 설계자료 또는 Code에서 제시하고 있다. 그러나, 국내에서 생산되고 있는 구조재료 특히 콘크리트에 관한 실험결과는 제한적 수준이므로, 본 연구에서는 국내에서 생산된 35 MPa급 콘크리트를 대상으로 하여 상온에서 1 000 ℃까지 100 ℃ 단위로 온도가 상승됨에 따른 물리적 특성과 역학적 특성에 대하여 실험을 통하여 확인함으로써 기존 연구결과와 함께 국내에서 생산되는 콘크리트의 열적 특성 데이터베이스 구축에 기여하고자 하였다.

2. 실험방법

고온시 콘크리트의 성질을 확인하기 위하여 물리적 특성과 역학적 특성 실험을 실시하였으며, 실험방법은 다음과 같다.

가. 물리적 특성 실험방법

열전도율 및 비열은 Netzsch TCT426 장비를 이용하며 ISO 8894-2 (Refractory materials - Determination of thermal conductivity - Part 2: Hot-wire method (parallel)), ASTM C 1113 (Standard Test Method for Thermal Conductivity of Refractories by Hot Wire (Platinum Resistance Thermometer Technique))에 따라 실험하였다.

열팽창율은 DIL402C 장비를 이용하며 ASTM E 228 (Standard Test Method for Linear Thermal Expansion of Solid Materials with a Push Rod Dilatometer), ISO 17562 [Fine ceramics(advanced ceramics, advanced technical ceramics)-Test method for linear thermal expansion of monolithic ceramics by push-rod technique]에 따라 실험하였다.

(1) 서울 아파트 화재사례

실험체의 크기는 열팽창율은 (5×5×50) ㎜, 열전도율 및 비열은 (100×200×70) ㎜를 사용하였다.

나. 역학적 특성 실험방법

화재에 노출되는 동안 콘크리트는 내부온도의 상승에 따라 수분의 이동, 공극압의 증가, 골재와 모르터 경계면의 분리 등 콘크리트 내부조직이 변화하게 되며, 이러한 변화는 변형을 발생시켜 콘크리트의 성능을 저하시키게 된다. 따라서 실제 화재조건과 같이 열에 노출되는 동안 콘크리트의 열적 특성 변화를 파악하기 위해서는 콘크리트를 가열하면서 목표온도에 도달시 재료물성을 평가할 수 있는 가열장비가 요구된다. 그러나 기존의 콘크리트 가열로는 고정형 가열로로써 가열로의 이동 및 운반이 어렵기 때문에 콘크리트 열적 특성에 관한 실험이 열을 가한 후 상온까지 냉각시킨 콘크리트를 대상으로 한 잔존성능 평가에만 국한되고, 화재에 노출되는 동안의 콘크리트 열적 특성 분석에 적합하지 않았다.

따라서 본 연구에서는 가열 중 콘크리트의 온도 변화 및 열적 특성 변화를 파악하기 위하여 콘크리트 압축강도 실험장비에 탈부착이 가능한 소형 이동식 가열로를 제작하여 실험을 실시하였다.

실험은 콘크리트가 인장측에 사용되는 것을 가정한 사전비재하 실험과 압축측에 사용되는 것을 가정한 사전재하 실험으로 구분하여 실시하였다. 실험체의 크기는 직경 100 ㎜, 높이 200 ㎜의 공시체를 사용하였다.

(1) 사전비재하 실험방법

사전비재하 실험은 콘크리트 공시체에 하중을 가하지 않고 가열하여 목표온도에 도달시 역학실험을 실시하는 방법으로 가열조건은 분당 5 ℃의 온도로 상승시켜 목표온도에 도달한 후 목표온도로 계속 가열하여 실험체 전체가 목표온도로 열평형이 되도록 하였다.

실험체가 목표온도로 열평형이 되면 하중을 가하여 압축강도를 측정하였고, 강도측정은 ASTM C 39(Standard Test Method for Compressive Strength of Cylindrical Concrete Specimens)에 따라 실시하였다.

(2) 사전재하 실험방법

사전재하실험은 예상되는 콘크리트의 강도의 20∼40%를 콘크리트 공시체에 사전재하한 상태에서 공시체를 가열하여 목표온도에 도달시 역학실험을 실시하는 실험으로 가열조건은 그림 6과 같이 분당 5 ℃의 온도로 상승시켜 목표온도에 도달한 후 목표온도로 계속 가열하여 실험체가 목표온도로 열평형이 되도록 하여 앞서와 같이 ASTM C 39에 따라 압축강도를 측정하였다.

본 실험에서는 설계기준강도의 30%인 10.5 MPa를 사전재하 하여 실험을 하였다.

3. 실험결과

가. 물리적 특성 실험결과

화재시 콘크리트의 물리적 특성 실험결과는 <표 1>과 같다.

(1) 질량감소율

내부에 수분을 포함한 공극을 지니고 있는 콘크리트는 열을 받게 되면 공극내의 수분이 팽창하여 콘크리트 내부응력을 급격하게 상승시키거나 증발되며, 증발되지 않은 수분은 내부 공극으로부터 이탈되는 등 역학적 관점에서 치수 불안정을 발생시키게 된다. 따라서 가열된 콘크리트 내부의 수분 이동과 흐름에 따른 질량감소율은 고온에서 콘크리트 열적 특성 변화에 영향을 미치는 중요한 인자이다.

본 실험에서는 공시체 제작 후 28일간 수중양생 후 실험직전까지 20℃, 60%R.H.의 항온항습실에서 기건양생을 실시하여 기존의 실험전 수중양생을 실시한 경우에 비하여 함수율이 작은 상태에서 실험을 실시하여 질량감소율의 절대값은 작게 나타났으나, [그림 8]과 같이 온도의 상승에 따라 질량감소율이 증가되는 현상을 나타냈다.

[그림 8]에서와 같이 내부온도 100 ℃에서 질량감소율은 0.53%를 나타내고 있지만 200 ℃에서는 2.95%로 급격한 질량감소율을 보이고 있음. 이후 질량감소율은 완만히 증가하여 900 ℃ 도달시는 상온과 비교하여 7.58%의 질량감소율을 나타냈다.

(2) 열팽창율

콘크리트가 가열되면 콘크리트의 내부에 존재하는 시멘트페이스트와 경계면 및 골재 자체의 공극압력 상승에 따라 콘크리트는 팽창하게 되며, 열적 성능저하가 발생하게 된다.

목표온도별 열팽창율은 [그림 9]와 같이 100∼500 ℃까지 6.85×10-4 ㎜/㎜에서 41.07×10-4 ㎜/㎜로 100 ℃ 당 8×10-4∼10×10-4 ㎜/㎜의 범위에서 꾸준히 증가하고 있으며, 500∼600 ℃에서는 18.43×10-4 ㎜/㎜의 높은 증가 폭을 나타내고 있다.

그러나, 600 ℃ 이후부터는 다시 열팽창율 증가가 둔화되어 100 ℃ 당 4×10-4∼8×10-4 ㎜/㎜의 증가를 보이고 있다.

(3) 열전도율

온도상승에 따른 열전도율은 [그림 10]과 같이 전반적으로 감소하는 것으로 나타났다.

열전도율은 100 ℃에서 상온에 비하여 증가하는 것으로 나타났으나, 200 ℃에는 급격히 감소하는 것으로 나타났으며, 이후 500 ℃에서 상승 후 다시 감소하는 경향을 나타냈으며, 800 ℃ 부터는 급격한 감소현상을 보였다.

이 결과는 기존연구에서 열전도율은 온도증가에 따라 감소한다는 전체적인 경향과는 일치하는 것으로 나타났다.

(4) 비열

비열은 콘크리트의 가열시 열용량을 평가하는 인자로서 고온시 비열 측정결과는 다음의 [그림 11]과 같다.

비열은 100 ℃에서 상온에 비해 약간 증가하다가 200 ℃에서 감소한 후 300 ℃, 400 ℃에서 소폭 증가한 후, 꾸준히 증가하며 800 ℃부터는 급격히 증가하는 현상을 나타냈다.

이와 같은 양상은 콘크리트는 400 ℃ 이전에는 콘크리트 내부의 결정질의 물은 증기 등 기타 전이에 의해 손상되지 않기 때문에 비열은 일정하고, 400 ℃ 이후에서는 결정질 물은 화학적 성상의 변화와 물의 이동 및 수증기의 증발로 인해 비열은 증가하며, 온도상승에 따라 증가한다는 기존 연구 결과와 유사한 경향을 나타냈다.

나. 역학적 특성 실험결과

화재 시 콘크리트의 역학적 특성 실험결과는 <표 2>와 같다.

(1) 사전비재하 실험

재하를 하지 않은 상태에서 목표온도까지 가열 후 압축강도 실험을 실시한 결과 내부온도와 압축강도의 관계는 [그림 12]와 같다.

사전비재하 실험결과 압축강도는 100 ℃에서는 25.9 MPa로 상온압축강도의 73%수준으로 하락하였으며, 200 ℃부터 점차 회복하는 경향을 나타내어 300 ℃, 400 ℃ 에서는 34.7 MPa와 33.2 MPa로 상온강도의 90%이상으로 회복되는 경향을 보였다.

그러나 500 ℃에 25.1 MPa로 감소하기 시작하여 온도상승에 따라 직선적으로 압축강도가 감소하였으며, 700 ℃에는 상온강도의 50%이하로 압축강도가 저하되었으며, 900 ℃에서는 상온압축강도의 17% 수준인 6.1 MPa를 나타냈다.

이에 따라 기준강도의 20∼40%를 재하하여 실험하는 사전재하 실험시 900 ℃ 이상에서의 실험이 불가능한 것을 확인하였으며, 설계기준강도의 30%를 사전재하한 본 실험에서 목표온도 800 ℃에서도 3개의 실험체중 2개는 가열 중 파괴되어 그 이상의 온도에서는 실험이 불가능하였다.

일반적으로 복합재료인 콘크리트는 가열되면 콘크리트를 구성하는 골재가 팽창하고 동시에 시멘트 수화물은 100 ℃ 근방에서 수축하여 자기변형 응력이 발생하며, 이 자기변형응력에 의해 콘크리트 내부에 미세 균열이 증가해서 강도를 저하시킨다. 반면, 200∼400 ℃에서는 콘크리트 구성인자의 열팽창이 오히려 콘크리트 매트릭스의 공극을 채워주기 때문에 콘크리트의 강도에 유리하게 작용하는 것으로 기존연구(김흥열, 2002)에서 분석하고 있다.

400 ℃ 이후의 고온 영역에 있어서 콘크리트의 압축강도 감소에 영향을 미치는 시멘트 수화물의 화학적 결합수 상실, 수산화칼슘의 분해, 골재 및 시멘트페이스트의 팽창에 의한 내부공극 압력 상승 등에 의해 압축강도는 저하되는 것으로 보고되고 있다.

(2) 사전재하 실험

압축하중을 받고 있는 구조물을 가정하여 가열 전 실험체에 설계기준강도의 약 30%인 10.5 MPa에 해당하는 하중을 사전재하한 후 목표온도까지 가열하여 압축강도 실험을 실시한 결과 목표온도별 압축강도의 결과는 [그림 14]와 같다.

사전재하 실험결과 100 ℃, 200 ℃에서는 25.2 MPa, 27.7 MPa로 상온도강도의 70%대 중반의 압축강도를 나타내어 사전비재하 실험결과와 유사하게 나타났으며, 300 ℃, 400 ℃에서도 32.6 MPa, 35.0 MPa로 상온강도의 92%, 99%를 나타내어 사전비재하 실험보다 만회폭은 차이가 있으나 압축강도가 회복되는 유사한 경향을 나타냈다.

500 ℃ 부터는 다시 압축강도가 저하되기 시작하여 이후 직선적으로 감소하는 유사한 경향을 나타내고 있으나, 사전재하에 의한 구속 및 압밀효과에 의해 고온에서의 압축강도가 사전비재하 실험에 비하여 약 10∼20% 정도 더 발현되는 현상을 보였다.

따라서, 400 ℃까지의 강도변화 추이는 유사하며, 500 ℃ 이상의 고온영역에서는 사전재하의 경우 상대적으로 높은 강도유지율을 확인할 수 있었다.

4. 맺음말

원전구조물에 사용되는 콘크리트의 온도상승에 따른 특성을 파악하기 위하여 물리적 실험과 역학적 실험을 실시한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.

1. (1) 온도가 상승됨에 따라 콘크리트의 질량은 감소하는 경향을 나타냈으며, 이로 인해 공극이 증가하여 열전도율은 온도가 상승함에 따라 작아지는 경향을 보였다.
2. (2) 열팽창율은 시멘트페이스트와 경계면 및 골재 자체의 팽창으로 인해 온도가 상승함에 따라 증가하는 것으로 나타났으며, 비열은 온도상승에 따라 완만한 증가를 보이다가 900 ℃ 이후 급격한 상승을 나타냈다.
3. (3) 사전비재하 실험결과 100 ℃에서 강도저하 현상이 나타난 이후 400 ℃까지 압축강도가 회복되었으며, 500 ℃ 이후에서는 압축강도가 급격히 저하되었다.
4. (4) 사전재하 실험결과 사전비재하 실험결과와 경향은 유사하였으나, 사전재하에 따른 압밀현상 등으로 인해 측정된 압축강도는 상대적으로 높은 값을 나타냈다.

본 연구에서는 35 MPa급 콘크리트의 화재시 특성을 확인할 수 있었으며, 향후 콘크리트 구조부재의 화재시 거동 해석에 활용할 다양한 강도의 국내생산 콘크리트에 대한 실험이 이루어져야 할 것이다.

참고문헌

• 1. 김흥열, 고온 영역에서 고강도 콘크리트의 역학적 특성에 관한 실험적 연구, 건국대학교 박사학위논문, 2002.
• 2. ASTM C39, Standard Test Method for Compressive Strength of Cylindrical Concrete Specimens, American Society for Testing and Materials.