(주)성진건축사사무소

두산산업개발 (주)

2005. 4

방지 및 내화성능 향상 공법

이용한 철근콘크리트 기둥의 폭열

폴리프로필렌섬유와 메탈라스를

분야건축시공

지정

신기술지정 제 454 호

0.1% 이상 혼입하여 폭열 방지 및 내화성능을 향상시키는 기술

후 폴리프로필렌 섬유 ( 직경 0.05 ˜ 0.10mm, 길이 15 ˜ 50mm) 를 콘크리트 체적의

목 15 ˜ 60mm, 두께 1.2 ˜ 5.0mm) 를 단목방향으로 절곡하여 주철근 외부에 설치한

고성능콘크리트를 사용하는 철근콘크리 트 기둥에서 메탈라스 (단목 6˜ 30mm, 장

ㅇ 신기술의 범위

능콘크리트를 타설하여 화재 시 잔존내력을 향상시키는 기술이다.

2. 철근콘크리트기둥 주철근 외부에 메탈라스를 설치 ( 횡구속 ) 한 후 1 항의 고성

콘크리 트의 폭열을 방지하고 ,

타설 함으로써, 화재 시 섬유가 녹은자리로 내부 수증기압을 방출시켜 고성능

1. 고성능콘크리트에 폴리프로필렌 섬유를 콘크리트 체적의 0.1% 이상 혼입하여

내화성능 향상을 위한 신공법으로서,

본 신기술은 초고층 건물 등에 사용되는 고성능콘크리트의 화재시 폭열방지 및

ㅇ 신기술의 내용 요약

- i -

( 다 ) 공사기간 .........................152

( 나 ) 공사비 ..........................149

( 가 ) 품 질 ..........................148

(2) 진보성 ...........................148

( 나 ) 특 허 ...........................147

( 가 ) 유사 및 선행기술과의 비교 .................145

(1) 신규성 ...........................145

나 . 지정요건 설명서 .......................145

가. 신청기술의 요지 .......................144

2. 신청기술의 요지 및 지정요건 설명서 ...........144

(2) 신기술의 범위 ........................143

(1) 신기술의 명칭 ........................143

다. 신기술 범위 ..........................143

(4) 기존기술과의 비교 ......................137

(3) 과학적 , 공학적 원리 및 이론적 배경 .............129

(2) 핵심기술의 내용 .......................125

(1) 신기술의 내용 ........................11

나 . 신기술 내용 ..........................11

(5) 기술개발 참여 역할 및 내용 ..................10

(4) 신청기술 개발 연혁 ......................9

(3) 최적대안의 선정 및 현장적용 ..................8

(2) 목표설정 및 대안의 검토 ....................3

(1) 기술개발 환경 .........................1

가. 기술개발 배경 .........................1

1. 신기술의 내용 및 범위 ...................1

목 차

- ii -

다 . 연구보고서 및 발표논문 ....................173

나 . 특허 등록 및 출원내용 ....................173

가. 현장적용 시방서 .......................168

5. 기타 현장적용 시방서 및 유지관리지침서 등 ........168

4. 심사에 필요한 전문기관의 시험결과 등 ..........168

다 . 경제적 파급효과 .......................167

나 . 기술적 파급효과 .......................167

가. 활용분야 ...........................166

3. 국내외 건설공사 활용전망 ................166

( 바 ) 현장 적용 .........................158

( 마 ) 유지관리 편리성 .....................157

( 라 ) 환경친화성 ........................156

( 다 ) 경제성 ..........................155

( 나 ) 안전성 ..........................154

( 가 ) 시공성 ..........................152

(3) 현장 적용성 .........................152

- i -

표 1.25 실 험 계 획 ........................77

표 1.24 시험체 크기별 공시체의 폭열여부 ..............65

표 1.23 RC 기둥부재의 배합사항 ...................65

표 1.22 RC 기둥부재의 실험계획 ...................64

표 1.21 혼화재 치환별 공시체의 폭열 여부 ..............51

표 1.20 골재종류별 공시체의 폭열 여부 ...............50

표 1.19 PP섬유 혼입률별 공시체의 폭열 여부 .............49

표 1.18 W/C별 공시체의 폭열 여부 ..................48

표 1.17 고성능 콘크리트의 내화시험 후 실험결과 ...........47

표 1.16 고성능 콘크리트의 배합사항 ( 시리즈 Ⅳ ) ...........46

표 1.15 고성능 콘크리트의 배합사항 ( 시리즈 Ⅲ ) ...........45

표 1.14 고성능 콘크리트의 배합사항 ( 시리즈 Ⅱ ) ...........45

표 1.13 고성능 콘크리트의 배합사항 ( 시리즈 Ⅰ ) ...........44

표 1.12 고성능 콘크리트의 실험계획 .................43

표 1.11 모르터 공시체의 폭열 여부 .................32

표 1.10 경화 모르터의 가열 전후 실험결과 ..............31

표 1.9 모르터의 질량변화 실험결과 .................26

표 1.8 모르터의 길이변화 실험결과 .................26

표 1.7 경화 모르터의 실험결과 ...................25

표 1.6 굳지않은 모르터의 실험결과 .................22

표 1.5 고성능 모르터의 배합사항 ..................22

표 1.4 고성능 모르터의 실험요인 및 수준 ..............21

표 1.3 개발 연혁 ..........................9

표 1.2 대안설정 ...........................7

표 1.1 건축구조 부위별 요구 내화시간 ................5

표 목 차

- ii -

표 2.1 기존 기술과의 차이 .....................146

표 1.50 기존기술과의 비교 .....................138

표 1.49 일본에서 사용한 PP섬유의 물리적 성질 ...........137

표 1.48 본 신기술에 적용한 PP섬유의 물리적 성질 ..........137

표 1.47 배합사항 .........................120

표 1.46 가력 모의부재 내화시험 실험계획 ..............119

표 1.45 횡구속 조건 변화에 따른 RC 기둥 시험체의 폭열여부 ....102

표 1.44 섬유 종류 및 혼입량 변화에 따른 RC 기둥 시험체의 폭열여부 . 100

표 1.43 마감재 종류 변화에 따른 RC 기둥 시험체의 폭열여부 .....98

표 1.42 플레인 및 PP섬유 0.1%+메탈라스의 압축강도 .........97

표 1.41 섬유의 물리적 성질 .....................96

표 1.40 내화PC판용 모르터의 역학적 성질 ..............96

표 1.39 내화PC판의 배합사항 ....................96

표 1.38 석고보드의 물리적 성질 ...................95

표 1.37 내화피복재의 물리적 성질 ..................95

표 1.36 내화도료의 물리적 성질 ...................95

표 1.35 콘크리트의 배합사항 ....................94

표 1.34 횡구속 변화에 따른 콘크리트의 내화성능 Mock-Up실험계획 ..94

실험계획 ..........................94

표 1.33 섬유의 종류 및 혼입률 변화에 따른 콘크리트의 내화성능 Mock-Up

표 1.32 마감재 변화에 따른 콘크리트의 내화성능 Mock-Up실험계획 ..93

표 1.31 W/B별 PP섬유 혼입 및 횡구속재 변화에 따른 공시체의 폭열여부 88

표 1.30 배합사항 ..........................88

표 1.29 실험계획 ..........................87

표 1.28 콘크리트의 배합사항 ....................78

표 1.27 실험계획 .........................78

표 1.26 콘크리트의 배합사항 ....................77

- iii -

표 2.10 굳지않은 콘크리트 및 경화 콘크리트의 실험결과 .......164

표 2.9 메탈라스의 KS 설명 .....................160

표 2.8 메탈라스 소요량 ......................160

표 2.7 사용 메탈라스 .......................159

표 2.6 신기술과 기존 내화도료 방법과의 공사비 비교 ........156

표 2.5 PP섬유 0.1%+메탈라스 적용시와 내화도료 적용시 공사비 비교 .151

표 2.4 내화도료 적용시 증가되는 공사비 ..............151

표 2.3 신기술 적용시 증가되는 공사비 ...............150

표 2.2 적용대상 기둥 Size.....................149

- i -

그림 1.23 가열후의 잔존 동탄성계수율 ................41

그림 1.22 가열 전후의 동탄성계수 ..................40

그림 1.21 가열후와 가열후 28일 수중양생한 후 잔존 휨강도율 .....40

그림 1.20 가열 전, 후 및 가열후 28일 수중양생 후의 휨강도 ......39

그림 1.19 가열후와 가열후 28일 수중양생 후 잔존 압축강도율 .....38

그림 1.18 가열 전후의 압축강도 비교 ................37

40%) ..........................37

그림 1.17 가열 전후 및 가열후 28일간 수중양생한 후의 압축강도 (W/C

30%) ..........................36

그림 1.16 가열 전후 및 가열후 28일간 수중양생한 후의 압축강도 (W/C :

그림 1.15 가열 전후의 투수시험 ...................34

그림 1.14 PP섬유 혼입률 변화에 따른 질량변화율 ...........30

그림 1.13 PP섬유 혼입률 변화에 따른 길이변화율 ...........30

그림 1.12 PP섬유 혼입률 변화에 따른 모르터의 인장강도 .......29

그림 1.11 PP섬유 혼입률 변화에 따른 모르터의 휨강도 ........28

그림 1.10 PP섬유 혼입률 변화에 따른 모르터의 압축강도 .......27

그림 1.9 PP섬유 혼입률 변화에 따른 공기량 및 단위용적질량 .....24

그림 1.8 PP섬유 혼입률 변화에 따른 슬럼프 및 슬럼프플로우 .....23

그림 1.7 화재시 RC 기둥 내부의 철근온도 ..............14

그림 1.6 모르터 및 콘크리트의 열전도율과 비열 ...........13

그림 1.5 신기술의 활용 예정 ....................10

그림 1.4 기술개발 참여 역할 ....................10

그림 1.3 연구진행 흐름도 ......................8

그림 1.2 구조체의 내화 요구 시간 ..................5

그림 1.1 KBS 9시뉴스 보도내용 ....................3

그림 목차

- ii -

그림 1.48 W/B 및 횡구속재별 PP섬유 혼입률 변화에 따른 질량감소율 ..91

.............................90

그림 1.47 W/B 및 횡구속재별 PP섬유 혼입률 변화에 따른 잔존 압축강도율

그림 1.46 횡구속재별 재령경과에 따른 길이변화율 ..........86

그림 1.45 횡구속재 변화에 따른 휨강도 ...............85

그림 1.44 횡구속재 변화에 따른 응력 -변형도 곡선 ..........84

그림 1.43 단목탄성계수에 따른 장목탄성계수 .............83

그림 1.42 메탈라스 종류 변화에 따른 응력 -변형도 곡선 ( 장목 ) ....82

그림 1.41 메탈라스 종류 변화에 따른 응력 -변형도 곡선 ( 단목 ) ....81

그림 1.40 보강철근비에 따른 압축강도비율 ..............80

그림 1.39 단목압축강도에 따른 장목압축강도 .............80

그림 1.38 메탈라스 종류 변화에 따른 압축강도 ............79

그림 1.37 메탈라스 보강방향 ....................77

그림 1.36 RC 기둥부재의 중성화깊이 .................74

그림 1.35 시험체 크기 변화에 따른 잔존 압축강도율 .........74

그림 1.34 PP섬유 혼입률 변화에 따른 잔존 강도 ( Ø10×20cm) .....73

그림 1.33 RC 기둥부재의 폭열면적 및 깊이 ..............72

그림 1.32 RC 기둥부재의 내부온도이력 ................71

탄성계수 비교 ......................63

그림 1.31 가열전과 가열후 및 가열후와 가열후 28일 수중양생한 후의 동

그림 1.30 골재종류 및 혼화재 치환에 따른 가열후 및 가열후 28일 ..62

그림 1.29 W/C 및 PP섬유 혼입률 변화에 따른 가열후 및 가열후 28일 .61

축강도 비교 .......................60

그림 1.28 가열전과 가열후 및 가열후와 가열후 28일 수중양생한 후의 압

그림 1.27 골재종류 및 혼화재 치환에 따른 가열후 및 가열후 28일 ..59

그림 1.26 W/C 및 PP섬유 혼입률 변화에 따른 가열후 및 가열후 ....58

그림 1.25 내부 온도 이력 ......................57

그림 1.24 가열 전후의 동탄성계수 비교 ...............41

- iii -

100kN UTM 잔존압축강도 .................115

그림 1.68 섬유혼입 및 횡구속한 RC기둥 부재의 내화시험 후 변위에 따른

압축강도율 .......................114

그림 1.67 횡구속에 따른 RC기둥부재의 내화시험 후 코어압축강도 및 잔존

113

그림 1.66 2차 섬유 종류별 혼입량 변화에 따른 RC 기둥부재의 내화 후

도율 ..........................113

그림 1.65 1차 섬유 종류별 혼입량 변화에 따른 RC 기둥부재의 잔존압축강

도 ...........................112

그림 1.64 1차 섬유 종류별 혼입량 변화에 따른 RC 기둥부재의 코어압축강

잔존압축강도율 .....................112

그림 1.63 2차 마감재 변화에 따른 RC 기둥부재의 100kN UTM 압축강도 및

축강도율 ........................111

그림 1.62 1차 마감재 변화에 따른 RC 기둥부재의 코어압축강도 및 잔존압

그림 1.61 횡구속에 따른 RC 기둥부재의 중성화 깊이 .........110

그림 1.60 섬유 종류별 혼입량 변화에 따른 RC 기둥부재의 중성화 깊이 110

그림 1.59 마감재 변화에 따른 RC 기둥부재의 중성화 깊이 ......109

그림 1.58 횡구속에 따른 RC 기둥부재의 내화시험 후 중량감소율 ...109

그림 1.57 섬유 종류별 혼입량 변화에 따른 RC 기둥부재의 폭열깊이 ..108

............................107

그림 1.56 섬유 종류별 혼입량 변화에 따른 RC 기둥부재의 폭열발생면적율

그림 1.55 섬유 종류별 혼입량 변화에 따른 RC 기둥부재의 중량감소율 . 107

그림 1.54 2차 마감재 변화에 따른 RC 기둥부재의 폭열발생면적율 ...106

그림 1.53 1차 마감재 변화에 따른 RC 기둥부재의 폭열발생면적율 ...106

그림 1.52 2차 마감재 변화에 따른 RC 기둥부재의 중량감소율 .....105

그림 1.51 1차 마감재 변화에 따른 RC 기둥부재의 중량감소율 .....105

그림 1.50 마감재 변화에 따른 RC 기둥부재의 폭열깊이 ........104

그림 1.49 플레인 및 PP섬유 0.1%+메탈라스의 응력 -변형 관계 .....97

- iv -

그림 1.82 석재의 강도와 내화성 ..................136

그림 1.81 고온에서의 강의 기계적 성질 ...............136

그림 1.80 횡구속 콘크리트의 내화성능 향상 .............135

그림 1.79 횡구속재 변화에 따른 압축강도비율 ............134

그림 1.78 횡구속재의 횡구속 원리 .................133

그림 1.77 PP 섬유 및 메탈라스를 횡구속한 콘크리트의 모식도 ....132

그림 1.76 압축강도에 미치는 PP섬유의 영향 .............131

도이력 .........................123

그림 1.75 플레인 및 PP섬유를 0.1%혼입 RC기둥부재의 재하가열시 내부온

그림 1.74 표준가열 곡선에 따른 PP섬유 혼입과 메탈라스로 횡구속을 . 118

그림 1.73 표준가열 곡선에 따른 PP 섬유 0.1%를 혼입한 .......118

그림 1.72 마감재 변화에 따른 중심부와 단부의 시간별 온도변화 ...117

도기록 .........................116

그림 1.71 표준가열 곡선에 따른 내화도료 RC 기둥의 중앙부와 단부의 온

도기록 .........................116

그림 1.70 표준가열 곡선에 따른 내화뿜칠 RC 기둥의 중앙부와 단부의 온

기록 ..........................116

그림 1.69 표준가열 곡선에 따른 플레인 RC 기둥의 중앙부와 단부의 온도

- 1 -

콘크리트 표면이 고열로 폭열된 모습사진 1.1 화재로 인한 우암상가 붕괴 모습

사진 1.2 대구지하철 철로직상부 천장

조되고 있다.

괴」 , 2003년 2월「 대구 지하철 방화사건」 등의 대형 참사로 내화구조에 대한 우려가 고

일 예로, 아래 사진 1.1 및 1.2 와 같이 1993년 1월 「 청주 우암상가 화재에 의한 붕

제가 중요시되고 있다.1)2)3)

고강도 및 고내구성의 고성능화로 변화면서 화재시 폭열 및 내화성 부족에 대한 안전문

건축 구조물인 경우는 고층화.대형화와 함께 장수명화를 꾀하면서 콘크리트도 고유동,

따라 화재시 폭열 등 내화성에 대한 심각한 우려가 발생하지 않았으나 , 최근 및 미래의

및 현재의 일반적인 콘크리트 구조물에는 대부분 보통강도의 콘크리트가 사용 되어짐에

그런데 , 그동안 콘크리트는 건축구조재료 중 내화성능이 우수한 재료로 알려져 과거

시 안전대책의 마련은 더욱 중요하다.

내화구조로 시공하도록 규정하고 있는데 , 특히 최근과 같이 건축물이 고층화할수록 화재

요가 있다. 따라서 , 우리나라 건축법에서는 공공시설물 및 공동주택 등의 주요 구조부를

건축물은 화재시 인명안전 , 재산보호의 관점에서 일정 시간동안 내화성능을 확보할 필

(1) 기술개발 환경

가. 기술개발 배경

1. 신기술의 내용 및 범위

- 2 -

사진 1.3 스페인 마드리드 윈저빌딩 화재로 인해 붕괴되는 모습

있는 대책이 시급히 요청되고 있는 실정이다.

는 보도를 통해 고강도 콘크리트일수록 화재에 취약함이 보고됨에 따라 이를 보완할 수

1.1 과 같이 2004년 4월 4일 「 KBS 9시 뉴스」 에서는 「 고강도 콘크리트 화재 취약」 이라

의한 붕괴」 사건으로 인해 전 세계적으로 내화에 대한 관심이 높아져 가고 있으며 , 그림

특히 , 사진 1.3 과 같이 최근인 2005년 2월 13일 「 스페인 마드리드의 윈저빌딩 화재에

- 3 -

의 강도저하로 구조부재는 치명적인 내력저하를 초래하여 경우에 따라서는 건축물의 붕

손되므로써 구조체 내부까지 고온이 전달되고 , 철근이 노출되어 고온을 받게 되면 철근

한 폭음과 함께 박리 및 탈락하는 현상을 말한다. 이러한 폭열현상은 피복콘크리트가 결

콘크리트의 폭열이란 화재시 갑작스런 고온에 의해 콘크리트 구조물의 부재 표면이 심

(2) 목표설정 및 대안의 검토

골재에 대한 내화성의 부족도 더욱 크게 우려되는 실정이다.5)6)7)

리트 자체에는 내화적인 요소를 함유하고 있으나 국내의 경우는 불에 약한 화강암으로써

특히 일본의 경우는 콘크리트의 주재료인 골재가 내화성이 양호한 안산암으로써 콘크

있는 실정이다 .6)7)8)

하고 있으나 국내의 경우에는 이에 대한 대책마련 등 관련연구가 거의 이루이지지 않고

로필렌섬유 ( 이하 PP섬유라 함) 를 콘크리트에 혼입시켜 주므로서 폭열방지 대책을 마련

이러한 고강도 콘크리트의 화재에 대한 안전대책으로 일본의 경우는 불에약한 폴리프

그림 1.1 KBS 9시뉴스 보도내용

- 4 -

의해 실시되어지는데 , 내화시험방법은 부재가 표준적인 화재 가열을 받았을 때에 정해진

내화구조의 내화성능 평가는 일반적으로 KS F 2257의 건축구조부분의 내화시험 방법에

에서 15층 이상은 3시간 내화를 요구하는 층으로 구분하고 있다.

은 1시간 내화를 요구하는 층 , 최상층에서 5~14층은 2시간 내화를 요구하는 층, 최상층

있다. 또한 층별높이에 따라서는 그림 1.2 에 있는 것처럼 최상층에서 2~4층 및 옥상부분

부재의 역학적 중요성에 의해 표 1.1 에 나타낸 시간 이상으로 견디는 성능을 규정하고

우리나라 건축물의 내화기준에서는 주요 구조부에 요구되어지는 내화성능을 화재시

( 가) 국내 건축구조물의 내화시간 규정

을 개발하고자 한다.

고성능콘크리트의 폭열방지 특성에 대하여 검토하여 폭열방지 및 내화성능 향상 신기술

즉, 대안의 검토는 아래와 같이 현재 국내 건축법상 내화대책을 조사한 후 효과적인

하고 대안을 검토하고자 한다.

를, 최근 이슈화 되고있는 고성능콘크리트의 폭열 및 내력 저하를 검토하여 대책을 마련

리트에서는 크게 문제시되지 않았던 화재시 콘크리트의 폭열에 의한 건축물의 안전문제

따라서 , 본 신기술개발의 목표는 과거 및 현재 주로 사용되어져 왔던 일반강도 콘크

사진 1.4 화재시 구조체의 폭열 및 내력저하에 의한 붕괴

다. 4)5)

강도가 크고 , 내부 조직이 치밀하게 될수록 폭열 발생이 용이한 것으로 알려지고 있

은 폭열현상은 고강도 및 고성능 콘크리트와 같이 낮은 물 .시멘트비 ( 이하 W/C라 함) 로

괴를 일으킬 수 있는 대형사고의 원인이 되기도 한다.( 사진 1.4 참조) 그런데 , 이와 같

- 5 -

그림 1.2 구조체의 내화 요구 시간

최상층에서 15 층이상G.L.

3시간내화 층

15

14

13

12

11

10 최상층에서 5 ˜ 14층

2시간내화 층9

8

7

6

5

4

3 및옥상부분

2 최상층및최상층에서 2 ˜ 4층

1시간내화 층최상층

지 붕 30분 30 분 30분

보 1 시간 2시간 3시간

바 닥 1 시간 2시간 2시간

기 둥 1 시간 2시간 3시간

연소 염려가 없는 부분 30분 30 분 30분력벽

비내외벽 연소 염려가 있는 부분 1 시간 1시간 1시간벽

내력벽 1 시간 2시간 2시간

칸막이벽 1 시간 2시간 2시간

내화 층 내화 층 내화 층건축물의 부위

1 시간 2시간 3시간

표 1.1 건축구조 부위별 요구 내화시간

법이다.4)

한계에 도달하는 것이 아니라 요구하는 내화시간 이상으로 견디는지 여부를 판정하는 방

- 6 -

내화시간 규정 미달 내화시간 규정 준수 및 잔존내력 증대

현 행 개 선 목 표

◀ 본 신기술의 목표설정 ▶

능 향상 신공법의 개발 목표는 아래와 같다.

본 신기술로 개발 예정인 고성능 콘크리트를 사용한 RC기둥부재의 폭열방지 및 내화성

용 건축물인 경우에는 폭열방지 및 내력향상 등 내화대책이 절실히 요청된다.

트에서는 폭열현상이 격심하게 나타나 , 현재 및 향후 건축되어지는 고성능 콘크리트 사

상기의 결과와 같이 일반강도에서는 폭열이 거의 문제시되지 않았으나 , 고강도 콘크리

사진 1.5 1 시간 내화실험 후 콘크리트 공시체의 모습

W/C 55% W/C 35%

다.

콘크리트인 경우는 콘크리트 표면부의 박리 , 탈락 등 폭열을 일으키는 것으로 나타났

실험결과 아래 사진 1.5 와 같이 일반강도인 경우는 폭열이 일어나지 않았으나 , 고강도

결과이다.

콘크리트 공시체를 1시간 내화 규정으로 「 청주대학교 한천구 교수 연구팀」 에서 실시한

사진 1.5 는 일반적으로 사용되는 보통강도 영역인 W/C 55%와 고강도 영역인 W/C 35%인

( 나 ) 보통강도 및 고강도 콘크리트의 내화시험 결과

- 7 -

기타

(22 × 50 × 2.3 ㎜ )아라미드섬유메탈라스 Size

유리섬유

탄소섬유

메탈라스메탈라스 메탈라스

와이어 메쉬

철근 이용 (Hoop, 나선철근 ) 잔 존 내 력 향 상잔 존 내 력 향 상C.F. T (강관충전 공법 )

내화성능 향상내화성능 향상폭 열 방 지폭 열 방 지 폭열방지 및폭열방지 및횡 구 속횡 구 속

고성능콘크리트의고성능콘크리트

PP 섬유 혼입 방법 PP 섬유PP 섬유

원심 성형 방법

콘크리트의 강제건조 방법( ℓ× 0.1 %)

PP 섬유 혼입율

폭열방지

→ 시방서상 Flow 개념 → 시방서상 Slump일본의 고강도콘크리트 국내의 고강도콘크리트시방서상 Flow 개념 시방서상 Slump 1 5cm 이하

고강도콘크리트 고 성 능 콘 크 리 트고 성 능 콘 크 리 트

기 존 공 법 ( 일본 ) 신 기 술 공 법 ( 국내 )

( 라 ) 본 신기술의 공법 개요

→ 불에약한 화강암 잔존내력 향상우리나라

▶ 특별한 대책 없음 → 비내화성 골재 ( 화강암 ) 를 횡구속하므로서

ㅇ 메탈라스 횡구속→ 불에강한 안산암

( 기존공법 ) → 화재시 폭열방지방지

일본 ㅇ PP섬유 혼입▶ PP 섬유 혼입에 의한 폭열

현 행 대 안

표 1.2 대안설정

개발하고자 한다.

여 폭열을 방지하고 , 메탈라스로 횡구속하여 잔존내력을 향상시키는 공법을 아래와 같이

본 신기술에서는 향후 고성능 콘크리트의 내화대책에 대한 대안으로써 PP 섬유를 혼입하

다. 단, 내화구조의 선진국인 일본에서는 PP 섬유를 혼입하여 폭열을 방지하고 있는데,

현재 국내에서는 폭열방지 및 내화성능 향상에 대한 특별한 대책이 없는 것이 현실이

( 다 ) 대안의 검토

- 8 -

그림 1.3 연구진행 흐름도

ENDEND

대상부재 : 1층~15층 중요기둥 4개층 수 : 지하 5층, 지상 45층공사명 : 부산 해운대 두산 위브 포세이돈 I

실구조체 적용

PP섬유+메탈라스PP섬유+메탈라스PP섬유 혼입PP섬유 혼입플레인플레인

가력조건비가력조건

실구조체 적용을 위한 Mock-up 실험

중량 감소율 중량 감소율 중량 감소율잔존 압축강도 잔존 압축강도 잔존 압축강도W/C 변화 W/C 변화 W/C 변화

유리섬유 보강 탄소섬유 보강 메탈라스 보강

내화성능 향상 방안 실험

횡구속재 변화에 따른

혼화재치환 투입 잔존내력 검토잔존내력 검토 골재 종류 변화 PP섬유 혼입율변화PP 섬유 혼입율 변화 PP섬유 혼입율변화 시험체 변화W/C 변화 W/C 변화 W/C 변화

고성능모르터 실험 고성능 콘크리트 시험 RC기둥부재 실험

관한 연구고성능콘크리트의 폭열방지에

YES

계획 수립

내화성능 향상공법에 대한 실험 연구NO고성능콘크리트의 폭열방지 및

이론적 고찰 향상방법에 대한 문헌검토품질규정에 대한 조사

콘크리트의 내화성에 관한 내화시험 방법 및 폭열방지 및 내화성

이론적 고찰

START

1.3 과 같다.

신기술 개발을 위한 최적대안의 선정 및 현장적용 목표를 플로우차트로 나타내면 그림

(3) 최적대안의 선정 및 현장적용

- 9 -

2004.10 신기술 지정 신청

2004.10 부산 해운대 두산 위브 포세이돈 I 현장 적용

시킨 RC기둥부재의 제조방법 및 이 방법을 사용하여 제조되는 RC기둥부재」2004.10

특허출원 ( 출원번호 : 2004-81032) 「 화재시 폭열을 방지하고 내화성능을 향상

2004. 9 PP섬유 및 메탈라스를 이용한 고성능콘크리트의 가력 Mock-up 실험

2004. 8 PP섬유 및 메탈라스를 이용한 고성능콘크리트의 비가력 Mock-up 실험

개발 착수

2004. 7 「 화재시 고성능콘크리트의 폭열방지 및 내화성능 향상 공법 개발」 의 기술

「 청주대학교 산업과학연구소」 와 「 두산산업개발 ( 주 ) 」 간의 공동연구로

2003. 5 PP섬유 및 횡구속재 보강에 의한 폭열방지 및 내화성능 향상 방안에 대한 고찰

2002. 5 PP섬유 및 횡구속재의 변화에 따른 내화성능 향상 방안 실험

2001. 7 PP섬유 및 횡구속에의한 내화성능 향상에 관한 이론적 고찰

및 이 방법에 의하여 제조되는 콘크리트」2001. 5

특허출원 ( 출원번호 : 2001-77447) 「 폭열방지용 고성능콘크리트의 제조방법

2001. 1 PP섬유를 이용한 RC 기둥부재 적용실험

2000.10 PP섬유를 이용한 고성능 콘크리트의 폭열방지 특성 실험

1999.12 PP섬유를 이용한 고성능 모르터의 폭열방지 특성 실험

1997.10 폭열방지 및 내화성 향상방법에 대한 문헌 검토

1997. 9 내화시험 방법 및 품질규정에 대한 조사

1997. 8 폭열방지 및 내화성에 관한 이론적 고찰

「 화재시 고성능 콘크리트의 폭열방지에 관한 연구」 착수1997. 7

「 청주대학교 산업과학연구소」 와 「 ( 주 ) 성진건축사사무소」 간의 공동연구로

일 정 연 구 내 용 비고

표 1.3 개발 연혁

본 신기술 신청과 관련한 개발 연혁은 다음 표 1.3 과 같다.

(4) 신청기술 개발 연혁

- 1 0 -

그림 1.5 신기술의 활용 예정

두산산업개발 ( 주 )시공분야

( 주 ) 성진건축사사무소설계분야

두산산업개발 ( 주) 의 고성능콘크리트 사용 현장에 그림 1.5 와 같이 활용할 예정이다.

명시하여 ( 주) 성진건축사사무소에서 주로 활용하게 되고 , 실구조체 적용은 고층건물 등

유용하게 사용될 수 있을것이다. 본 신기술의 구체적인 활용은 설계도면상의 공법으로

지 및 내화성능 향상에 대한 공법으로써 초고층 건물 등 화재시 안전을 위한 신공법으로

본 신기술은 향후 초고층 건축물에 주로 사용되어질 고성능콘크리트의 화재시 폭열방

( 나 ) 신기술 활용

그림 1.4 기술개발 참여 역할

구조체 적용

두산산업개발 ( 주 )실무 응용

신기술개발을 위한 실험

( 주 ) 성진건축사사무소기본개념 확립

최초 연구 출발

있고, 전체적인 흐름은 아래 그림 1.4 와 같다.

신기술 개발 과정의 자세한 내용은 신청기술개발 연혁을 참조하면 자세한 내용을 알수

( 가 ) 신기술 개발 과정

산업개발 ( 주) 의 현장에 적용하였다 .

사무소와 두산산업개발 ( 주) 의 공동으로 진행하였으며 , 실무응용 및 구조체 적용은 두산

기본개념 확립은 ( 주) 성진건축사사무소에서 , 신기술개발을 위한 실험은 ( 주 ) 성진건축사

1997년 7월 처음으로 연구를 시작하여 2건의 특허를 출원하였으며 , 주로 이론적 고찰 및

본 신기술개발은 ( 주) 성진건축사사무소와 두산산업개발 ( 주 ) 가 공동으로 개발하였다.

(5) 기술개발 참여 역할 및 내용

- 1 1 -

게 떨어지며 , 탄성계수도 더욱 크게 저하하는 경향이다. 그리고 , 이러한 경향은 냉각후

와 시멘트의 부착이 끊어져 , 500℃ 이상에서의 압축강도는 상온의 50 ~ 60% 정도로 크

먼저, 물리적 변화로 골재는 고온을 받으면 팽창하고 , 시멘트 페이스트는 수축하여 골재

콘크리트가 고온으로 노출되어 있는 경우에는 물리 . 화학적으로 변화를 일으킨다.

② 물리 . 화학적 특성

으로 되며 , 950℃를 초과하면 담황색을 띠고 ,1,200 ℃에서는 용해한다 .

의 색으로 있지만 , 300 ~ 600℃에서는 분홍색으로 변색하고 , 600 ~ 950℃에서는 회백색

300℃ 이하에서 표면에 그을음이 부착하고 , 그을음 아래의 콘크리트면은 보통 콘크리트

화재를 받는 콘크리트 부재의 외관을 관찰하여 보면 , 고온을 받은 콘크리트 표면은

① 화재시 콘크리트의 표면 변화

적 특성에 대한 충분한 검토가 필요하다.

나, 적당한 내화 공법을 도입하여 시공하는 등의 대책과 함께 사용하는 각종 재료의 열

따라서 , 콘크리트를 내화구조로 만들기 위해서는 내화성이 우수한 재료를 사용하거

를 입을 수도 있게 된다.

로써 인식되어 왔으나 , 화재 발생시 재료의 성질에 따른 비정상 열응력 등에 의해 피해

그런데 , 이와같이 콘크리트를 주 구성재료로 한 RC 구조는 대표적 내화.내열적인 구조

하고, 내화구조는 RC조, 벽돌조 등의 구조로 법령에 정한 내화성능을 갖는 것을 말한다.

내화건축물은 기둥 , 보 , 슬라브 , 벽 등의 주요 구조부를 내화구조로 한 건축물을 말

연재료 , 난연재료로 등급을 나누어 사용하도록 의무화하고 있다.

규정하고 있으며 , 또한 , 불특정 다수인이 거주하는 건축물의 내장재료는 불연재료 , 준불

축물에는 건설교통부령이 정하는 기준에 따라 그 주요 구조부를 내화구조로 해야 한다고

다. 즉, 건축법에서는 문화 및 집회시설 , 의료시설 , 공동주택 등 대통령령이 정하는 건

건축물은 화재시 인명안전 , 재산보호의 관점에서 일정 내화성능을 확보할 필요가 있

가) 콘크리트의 고온시 성상

1) 콘크리트의 내화성에 관한 이론적 고찰

( 가 ) 이론적 고찰

(1) 신기술의 내용

나. 신기술 내용

- 1 2 -

균열이 내부조직까지 미치기 때문에 강도회복은 어렵게 된다.

강도는 냉각 후 수분이 보급되어도 시멘트 페이스트와 골재의 열팽창계수 차이에 의한

해 다르지만 , 보통 500℃이상에서 상온시의 50˜ 60%까지 저하하며 , 고온에 의해 저하한

크리트는 고온으로 됨에 따라 강도가 저하하는데 , 이것도 골재의 종류나 응력조건에 의

서 600˜ 800℃까지 팽창하고 , 열팽창계수는 약 1.0 ×10 / ℃˜ 1.5 ×10 / ℃이다. 또한 , 콘-5 -5

콘크리트에 열응력 등을 발생시키는 열변형은 골재의 종류에 영향을 받지만 , 상온에

과, 열전도율은 상온에서 고온으로 됨에 따라 크게 저하한다.

이하로 있지만 , 상온상승과 함께 증가하고 , 800℃에서는 0.3 Kcal/mh ℃로 된다. 그 결

지 1.0 ˜ 0.7Kcal/mh ℃의 범위에 있다. 보통콘크리트의 비열은 상온에서 0.2 Kcal/mh ℃

다. 경량콘크리트의 열전도율은 보통콘크리트에 비하여 작고, 상온에서 고온에 이르기까

h℃를 초과하나 온도상승과 함께 저하하고 , 600℃이상에서는 대략 1.0 Kcal/mh ℃로 된

보통 콘크리트의 열전도율은 골재의 종류나 배합에 의존하지만 , 상온에서 2.0 Kcal/m

과 같다.33)

이들 측정결과를 경량콘크리트 , ALC, 모르터와 함께 2차곡선으로 회귀한 예는 그림 1.6

또한 , 보통 콘크리트의 내화성능을 규정하는 열적특성으로 열전도율과 비열이 있는데,

흡열 또는 발열이 일어난다.

1,150 ˜ 1,200 ℃에서는 용해가 일어난다고 알려지고 있는데 , 이들 반응 또는 변태에 따라

골재를 사용한 콘크리트에서는 600℃ 부근에서 탄산캄슘의 분해가 일어난다. 또한,

이 방출한다. 또한, 고온으로 되면 골재에 함유되어 있는 석영의 분해가 생기고 , 석회암

극내의 물이나 화학흡착수가 해방되어 450˜ 550℃에서는 수산화캄슘이 분해하고 , 수분

우선 , 콘크리트를 가열하면 100℃ 부근에서 수분의 증발이 일어난다. 그 후, 가는 공

보면 다음과 같다.

콘크리트는 주요 내화재료로써 널리 활용되어지고 있는데 , 그 열적특성의 개요를 살펴

③ 열적 특성

행된 것으로 내구성에 문제가 생긴다.

탈레인 시약으로 적색반응을 보이지 않는 부분은 500℃ 이상의 가열에 의해 중성화가 진

것으로 알려지고 있어, 콘크리트의 수열온도 추정에 이용되어지는데 , 예를들면 , 페놀프

산화칼슘과 물로 분해되고 , 825 ℃에서는 탄산캄슘이 산화캄슘과 이산화탄소로 분해되는

에도 원위치 되지 않는다. 시멘트의 화학적 성질로써 , 500 ~ 580℃에서는 수산화칼슘이

- 1 3 -

밝혀지지 않고 있다.

치밀하여 발생하기 쉬운 것으로 알려지고 있지만 , 아직까지 명확한 폭열의 메카니즘은

콘크리트의 폭열은 고강도 .고유동 .고내구적인 고성능 콘크리트일수록 내부 조직이

치명적인 내력저하를 초래하여 결국에는 붕괴를 일으킬 수 있는 원인이 되기도 한다.

또한 철근이 노출되어 그림 1.7 과 같이 고온을 받게 되면 철근의 강도저하로 구조부재는

이러한 폭열현상은 피복 콘크리트가 결손되므로써 구조체 내부까지 고온이 전달되고 ,

께 박리.탈락하는 현상을 말한다.

폭열이란 화재시 갑작스런 고온에 의해 콘크리트 구조체의 부재표면이 심한 폭음과 함

① 폭열의 정의 및 구분

나 ) 콘크리트의 폭열에 미치는 요인

그림 1.6 모르터 및 콘크리트의 열전도율과 비열

온 도 ( ℃ )

온 도 ( ℃ )

- 1 4 -

경우로 반심성암 및 분출암계의 안산암 , 현무암 , 경석 등은 내화성이 우수하고 , 심성암

고성능 콘크리트는 사용하는 골재의 암질에 따라 내화성과 관련이 있는데 , 화성암의

b) 골재 종류

다.

때문에 배합은 폭열에 큰 영향을 미치며 , 기공직경이 작게되면 폭열의 위험성은 높게 된

있다. 또한 , 배합에 따라 골재의 종류 및 양 등이 변하고 , 기공의 분포상태가 변화하기

량과 관련하여 일반적으로 단위수량이 적은 쪽이 폭열을 일으키기 쉬운 것으로 알려지고

배합과 관련하여 W/C가 낮은 경우 강도가 높은 만큼 폭열이 발생하기 쉬우며 , 단위수

a) W/C 및 단위수량

같다.

재, 시멘트 및 혼화재 종류 등이 있는데 , 이들이 폭열에 미치는 영향을 살펴보면 다음과

화재시 고성능 콘크리트의 폭열에 미치는 재료 및 배합의 요인으로 W/C, 단위수량 , 골

② 폭열에 미치는 재료 및 배합요인

d) 박리폭열 : 부재 표면 부분이 중력에 의해 박리하는 폭열

c) 단면방향의 점진폭열 : 폭열에 의해 단면이 단계적으로 파괴하는 폭열

b) 국부폭열 : 부재 모서리 등에서 콘크리트의 작은 파편이 비산하는 폭열

a) 파괴폭열 : 부재표면으로부터 여러개의 큰 파편이 비산하는 폭열

특성을 나타내고 있는데 , 이러한 폭열을 세분하여 나누면 다음과 같이 구분할 수 있다.

폭열은 일반적으로 구조부재의 압축영역에서 발생하고 , 콘크리트의 내화성과는 다른

그림 1.7 화재시 RC 기둥 내부의 철근온도

가열시간 ( 분)

기둥철근의 온도비폭열

철근의 허 용온도 규정치 500 ℃

기둥철근의 온도폭열을 일으킨

표준가열 곡선

- 1 5 -

크리트 자체의 내폭열성을 높이는 방안이다.

따라서 , 가장 효율적인 폭열방지 방안은 콘크리트 내부의 수분을 빠르게 이동시켜 콘

의 사용은 시공성의 확보와 경제성의 문제가 있다.

적용은 부재단면을 크게 하고, 경제적으로도 현실적이지 못하며 , 강판피복이나 메탈라스

는 것이 아니라 외부조건에 의한 폭열 방지 방안이다 . 또한 , 내화피복이나 내화도료의

라스에 의한 비산방지 등을 들수 있다. 단 , 이들 방법은 콘크리트 자체가 폭열을 방지하

수분을 이동시키는 방법 ③ 콘크리트의 비산을 억제하는 방법으로써 강판피복이나 메탈

온도상승을 억제하는 방법으로써 내화피복이나 내화도료를 적용하는 것 ② 빠르게 내부

특성을 나타내고 있다. 화재시 고성능 콘크리트의 폭열 방지 방안으로는 ① 콘크리트의

수록 내부조직이 치밀하여 폭열이 발생하기 쉬운 것으로 알려지고 있어 내화성과는 다른

그러나 , 콘크리트의 폭열은 내부 수증기압이 주원인으로 , 고강도 .고성능 콘크리트일

라스 등을 사용하는 것이 있다.

회반죽 등의 단열재로 보호하는 것 ④ 피복부재가 박리되는 것을 방지하기 위하여 메탈

하여 피복두께를 충분히 하는것 ② 내화성이 높은 골재를 사용하는 것 ③ 부재 표면을

화성을 확보하기 위한 기존에 알려진 방안으로는 ① 내화성이 작은 철근을 보호하기 위

낮은 온도에서 점진적으로 가열되어 고온에 이르는 콘크리트의 내화성과 관련하여 , 내

다 ) 폭열방지 대책

지고 있다.

조가 어렵고 , 수증기압의 배출도 어렵기 때문에 화재시 폭열 발생이 용이한 것으로 알려

낮은 물결합재비로 강도가 크고 , 조직이 치밀하기 때문에 보통 콘크리트와 비교하여 건

혼화재 ( 플라이애쉬 , 고로슬래그 , 실리카흄 등) 를 사용한 분체계의 고성능 콘크리트는

d) 혼화재

저항성이 크다.

나, 폭열에 미치는 영향은 내열성이 큰 고로슬래그 시멘트가 보통 포틀랜드 시멘트보다

저하한다. 또한 , 고온시 콘크리트에 미치는 시멘트 종류의 영향은 크게 나타나지 않으

하면 보통 포틀랜드 시멘트는 내열성이 큰 고로슬래그 시멘트와 비교하여 강도가 급격히

시멘트 종류는 강도-온도 특성에 대하여 대부분 영향을 미치지 않으나 , 500℃를 초과

c) 시멘트 종류

폭열을 일으키기 쉽다.

골재를 사용하는 경우는 폭열 피해가 적으며 , 내화성에 불리한 골재를 사용하는 경우는

계의 화강암 및 수성암계의 석회암은 내화성이 매우 떨어진다. 따라서 , 내화성이 우수한

- 1 6 -

되고 있어 PP섬유를 혼입한 콘크리트의 실용상 문제는 없는 것으로 사료된다.

도 특성 이외에 길이변화 등의 내구 특성도 무혼입의 경우와 큰 차이가 없는 것이 보고

또한 , 콘크리트의 압축강도에 미치는 PP섬유의 영향은 거의 없는 것을 알 수 있고, 강

그대로 유지하고 있는 것이 보고 되고 있다.

형상을 알 수 없었으나 , PP섬유를 혼입한 공시체는 폭열이 발생하지 않고 공시체 형상을

한 후의 폭열 모습을 보면 PP섬유를 혼입하지 않은 공시체는 3개 모두 폭열하여 공시체

를 혼입하지 않은 공시체를 대상으로 화재를 상정하여 가열시험 ( 가열온도 750℃ ) 을 실시

PP섬유를 콘크리트의 체적에 대하여 0.15% 혼입한 Ø10×20cm 원주형 공시체와 PP섬유

③ PP 섬유의 혼입

동다짐과 비교하여 우수하게 나타남을 알 수 있다.

에 의한 폭열이 억제된 것으로 사료된다. 따라서 , 원심성형에 의한 폭열 방지 효과는 진

이는 PCF 성형시 원심력에 의해 콘크리트 중의 잉여수가 방출되었기 때문에 수증기압

트의 RC 기둥과 같은 폭열을 일으켰다.

발생이 대부분 발견되지 않았으나 , 진동다짐으로 성형한 PCF에서는 일반 고강도 콘크리

를 제작하고 , PCF를 사용한 RC 기둥에 표준가열곡선으로 실시한 내화시험결과에서 폭열

압축강도 70 MPa의 고강도 콘크리트에 원심력을 작용시키므로써 , 원심성형에 의한 PCF

와 같은 고강도 콘크리트를 사용할 필요가 있다.

콘크리트의 일부로써 적용할 수 있기 때문에 , PCF에 사용하는 콘크리트는 충전콘크리트

원심성형 프리캐스트 콘크리트 형틀 ( 이하 PCF라 함) 은 형틀로써 뿐만 아니라 , 구조체

② 원심성형 방법

영향을 준 것으로 사료된다.

수를 완전히 제거하는 것이 곤란한 점과 콘크리트 중의 수분 이외의 요인이 폭열 발생에

의한 폭열방지를 확인할 수 없었는데 , 이는 실제 모의부재가 고강도 콘크리트 중의 잉여

율을 3.1%로 조정한 RC기둥에서도 자연건조한 경우와 같은 폭열이 발생하여 강제건조에

그러나 , 실제모의부재 실험결과에서는 60℃ , 30% R.H. 조건하에서 강제건조하여 함수

을 방지할 수 있다 라고 하는 연구가 보고되고 있다.34)

Ø10×20cm 공시체를 60℃ 건조로에서 강제 건조하여 함수율을 3.5% 이하로 하면 폭열

① 콘크리트의 강제 건조 방법

- 1 7 -

수하다.

이고 전기절연성이 우수하며 , 불연속이고 , 무연 , 무가스성이며 , 내열성이고 내화성이 우

며 가볍다. 또한 , 적정 보강량에 대하여 적층수의 조절로 대응할 수 있으며 , 저알칼리성

자중에 비해 높은 인장강도를 가지고 있고 , 타종의 섬유시트에 비하여 가격이 저렴하

ㄱ) 재료적 특성

b) 유리섬유 시트

신장률은 1.3% 이상이어야 한다.

즉, 인장강도는 3,500 MPa 이상이어야 하고, 탄성계수는 0.23 MPa 이상이어야 하며,

구조보강용 탄소섬유시트의 물성은 다음과 같다.

ㄴ ) 탄소섬유시트의 물성

우수하며 , 내피로성이 우수하다.

또한 , 내구성과 내식성이 우수하므로 녹 발생 등 부식의 염려가 없고 , 진동 감쇠성이

가지고 있으며 , 직접 보강량에 대하여 적층수의 조절에 의하여 대응할 수 있다.

성이 최대한으로 발휘되어 높은 보강효과를 얻을 수 있고, 고탄성이면서 고인장강도를

구조 보강용 탄소섬유시트는 1방향으로 배열되어 있기 때문에 탄소섬유가 갖는 강도특

ㄱ) 재료적 특성

a) 탄소섬유 시트

② 섬유시트

어서 타설할 수 있다. 또한, 콘크리트 누설이 없고 동일한 강도를 보장한다.

기존의 콘크리트 타설용 합판 거푸집이 필요없고 , 철근작업이 된 중간 지점에서도 끊

b) 브라인드 메탈라스

레스 강판 , 동판 등 )

영구적이며 , 각종 재질을 사용하여 제작할 수 있다.( 일반 철판, 아연도금 강판, 스테인

편하고 공기단축이 가능하며 , 내구성이 좋고 충격에 변형되지 않으며 , 경제성이 크고 반

강도가 좋고 탄력율이 양호하며 , 가볍고 견고하며 , 취급 , 시공이 용이하여 공사가 간

a) Metal Lath Expanded Metal

① 메탈라스

가) 횡구속재의 종류 및 특성

2) 콘크리트의 횡구속에 대한 이론적 고찰

- 1 8 -

구성이 뛰어나고 , 부식되지 않으며 , 자외선에도 강하다.

간편한 수작업으로 진행할 수 있고 , 철의 10배에 달하는 강도 및 고탄성을 지니며 , 내

c) 장 점

과 좌굴저항과 같은 구조물내력을 증강시킨다 .

균열발생의 억제 및 파괴강도가 크게 증가하고 , 휨강도를 증강하며 , 구조물의 비틀림

b) 탄소 섬유시트 적용효과

특징이 있다.

콘크리트의 내구성 등이 향상( 특히 , 해안지역 등의 가혹환경 하에서의 보강에 최적 ) 되는

가 크고 보강효율이 높다. 또한 , 콘크리트 표면을 탄소섬유로 피복하기 때문에 보강 후

하여 시공의 신뢰성이 높으며 , 고강도 .고탄성의 탄소섬유를 사용하기 때문에 구속효과

탄소섬유가 갖는 부드러움으로 시공이 용이하고 , 콘크리트 표면에 밀착하는 것이 가능

a) 탄소 섬유시트 보강 콘크리트의 특징

하중 및 반복하중이 작은 지역의 보강방법으로 그 전망이 매우 밝다.

경제성 , 시공성 , 내후성 , 유지관리면에서 우수하고 , 우리 나라와 같이 지진력에 의한 횡

이러한 탄소섬유시트 보강공법은 기존의 강판보강공법 및 RC단면 증대공법에 비하여

증대, 인성향상 등을 목적으로 한다.

(Caborn Fiber Sheet : CFS) 를 에폭시수지 (Epoxy Resin) 로 붙여 휨내력 및 전단내력의

탄소섬유시트로 보강한 콘크리트는 RC조 구조부재의 콘크리트 표면에 탄소섬유시트

① 탄소 섬유시트 보강 콘크리트

나 ) 각종 횡구속 콘크리트의 특성

고, 피복두께의 탈락을 방지하는 역할을 한다.

또한 , 횡방향 보강철근은 장주와 같은 세장한 압축재의 축방향 철근의 좌굴을 억제하

써, 콘크리트의 변형능력을 증대시키는 역할도 한다.

키는 역할을 하고 , 심부 콘크리트의 압축팽창에 따른 횡방향 벌어짐을 구속하여 줌으로

횡방향 보강철근은 주철근 배근 시 및 콘크리트 타설 중의 주근 위치와 형태를 유지시

③ 횡방향 보강철근

2.0% 이상이어야 한다.

강도는 1,800 MPa 이상이어야 하고, 탄성계수는 0.70 MPa 이상이어야 하며 , 신장률은

구조 보강용 1방향 유리섬유시트의 물성은 다음의 사항을 만족하여야 한다. 즉 , 인장

ㄴ ) 유리섬유시트의 물성

- 1 9 -

분명하며 , 전단에 대한 보강이 의문이다.

방청 , 방화 시의 문제가 충분히 검토되어 있지 않고 , 접착제의 내구성 , 내피로성이 불

b) 단 점

수 있어 응용범위가 넓다.

쉬워 현장작업이 복잡하지 않고 , 현장타설 콘크리트 , 프리캐스트 부재 등에 모두 적용할

를 똑같이 할 수 있어서 균열특성도 좋다. 또한, 시공이 간단하고 강판의 제작, 조립이

강판을 사용하고 있으므로 모든 방향의 인장력에 대응할 수 있고 , 강판의 분포 , 배치

a) 장 점

강의 장.단점은 아래와 같다.

보강방법은 강판을 접착하는 방법에 의해 압착공법과 주입공법으로 나누어지고 , 강판보

일반적으로 4.5~6mm 두께의 강판이 쓰이고 , 접착제로는 에폭시수지가 사용된다 . 강판

화, 철근의 부식방지효과를 기대할 수 있다.

콘크리트와 강판을 일체화시킴으로써 , 강판에 의한 단면보강효과는 물론 , 콘크리트의 열

강판보강 콘크리트는 인장측 외면에 강판을 에폭시계통의 접착제로 접착하여 기존의

② 강판보강 콘크리트

많은 곳에서는 시공이 불가능하다.

떨어진다. 또한, 밀폐된 공간에서의 시공성과 사용하는 건물의 보수 .보강 시 지장물이

크리트 자체의 통기성에 문제가 있으며 , 적층수가 증가하면 공기가 길어지며 , 시공성이

시공면적이 넓으므로 시공성에 대한 확고한 믿음이 부족하고 , 접착면적이 넓으므로 콘

d) 문제점

- 20 -

측정하고 , 투수시험은 가열시험 전후로 실시한다 .

함수율 시험은 공시체별 각 1본을 105℃의 건조로에서 절건시킨 후 중량측정법에 의해

28일 재령의 인장강도를 실시하며 , 길이변화는 실험계획된 재령에 따라 실시한다 .

을 측정하고 , 경화 모르터에서는 3, 7, 28일 재령의 압축강도 , 휨강도 및 동탄성계수와

실험사항으로 굳지않은 모르터에서는 슬럼프 , 슬럼프플로우 및 공기량 , 단위용적중량

하고, 섬유 혼입률을 체적비로 0, 0.05, 0.10, 0.15, 0.20%의 5개 수준으로 하였다.

먼저, 배합요인은 W/C 30%와 40%에서 목표 슬럼프플로우를 고유동 범위인 65±5cm로

구로, 실험계획은 표 1.4 의 실험요인 및 수준과 같다.

본 연구는 PP섬유의 혼입률 변화에 따른 고성능 모르터의 특성과 폭열 방지에 관한 연

나 ) 고성능 모르터의 실험계획 및 방법

혼입한 시멘트 모르터의 기초적인 특성과 폭열 방지의 유효성을 검토하고자 한다.

폭열 방지에 효과가 있다고 알려진 PP섬유의 혼입률을 변화시켜 실험하므로써 , PP섬유를

의 폭열방지 및 내화특성을 알아보기 위한 기초적인 연구로 고성능 모르터를 대상으로

본 실험에서는 화재시 고성능 콘크리트의 폭열방지를 목적으로 , 우선 고성능 콘크리트

가) 서 언

2) 고성능 모르터의 폭열방지에 관한 실험

지에 대하여 검토하고자 한다.

과가 있다고 알려진 PP섬유를 사용하여 모르터 , 콘크리트 및 RC기둥을 대상으로 폭열방

따라서 본 연구에서는 화재시 고성능 콘크리트의 폭열방지를 목적으로 폭열방지에 효

화구조상 해결해야할 문제점으로 지적되고 있다.

고온에 의해 발생하는 폭열현상은 조직 치밀화에 의해 더욱 용이하게 발생될 수 있어 내

리트는 보통 콘크리트보다 유동성 및 강도 등에서 양호한 품질을 발휘하는 반면 화재시

트의 경우도 고강도화 및 고성능화가 꾸준히 진행되어져 왔는데 , 이와 같은 고성능 콘크

특히 , 최근 건축구조물은 초고층화, 대규모화가 진행되면서 시멘트 모르터 및 콘크리

는 것으로 알려지고 있어 내화구조상 문제시되고 있다.

으나, 화재시 급격한 고온을 받게 되면 부재표면이 박리 및 탈락하는 폭열현상이 발생하

시멘트 모르터 및 콘크리트는 건축구조재료 중 내화성이 우수한 재료로 인식되어져 왔

1) 개 요

( 나 ) 고성능 콘크리트의 폭열방지에 관한 연구

- 21 -

- 28 일 수중양생 후 압축강도

- 투수시험

- 동탄성계수

- 압축강도

가열시험 후

폭열 여부 조사 (4 × 4× 16 ㎝, Φ 10× 20㎝ )

항 - 투수시험

- 함수율사 경화 모르터 11

(1,3,7,14,21,28,35,42,49,56,91 일 재령 )

- 길이변화험

- 동탄성계수실

- 인장강도 (28 일 재령 )

- 휨 강 도 (28 일 재령 )

- 압축강도 (3, 7, 28 일 재령 )

가열시험 전

내화시험 (1 시간 가열 )

굳지않은 모르터 4 슬럼프 , 슬럼프플로우 , 공기량 , 단위용적질량

Ø15×4cm 공시체 - 투수시험

Ø10×20cm 공시체 - 가열시험공시체 제작

- 압축 .휨강도 , 동탄성계수 , 길이변화 , 가열시험

4 ×4×16cm 공시체

PP 섬유 혼입률 (vol.%) 5 0, 0.05, 0.10, 0.15, 0.20

인목표 공기량 (%) 1 4.5 ±1.5요

합목표 슬럼프플로우 (cm) 1 65 ±5

배

W/C (%) 2 30, 40

실 험 요 인 수 준

표 1.4 고성능 모르터의 실험요인 및 수준

이때의 배합사항은 표 1.5 와 같다.

휨강도를 측정하며 , 다시 28일간 수중양생한 후의 압축강도와 휨강도 시험을 실시한다.

화재를 상정한 가열시험 후 공시체의 폭열여부를 조사하고 , 압축강도 , 동탄성계수 및

- 22 -

로 나타났는데 , W/C 30%가 40%보다 슬럼프 및 슬럼프플로우의 저하 정도가 작게 나타났

전반적으로 PP섬유의 혼입률이 증가할수록 슬럼프 및 슬럼프플로우는 저하하는 것으

다.

그림 1.8 은 PP섬유 혼입률 변화에 따른 W/C별 슬럼프와 슬럼프플로우를 나타낸 것이

(1) 유동성

0.20 25.6 57.0 6.8 2,062

0.15 26.2 57.1 6.7 2,084

40 0.10 26.3 57.3 6.2 2,092

0.05 26.8 60.6 6.0 2,077

0.00 27.5 67.0 4.2 2,141

0.20 26.6 57.7 5.2 2,155

0.15 27.0 57.2 4.9 2,180

30 0.10 26.7 60.7 5.0 2,169

0.05 27.7 63.6 4.8 2,191

0.00 27.5 64.8 5.0 2,168

(%) (vol.%) (cm) (cm) (%) (kg/m)3

W/C PP 섬유 혼입률 슬럼프 슬럼프플로우 공기량 단위용적질량

표 1.6 굳지않은 모르터의 실험결과

결과는 표 1.6 과 같다.

PP섬유의 혼입률 변화에 따른 고성능 모르터의 특성중 먼저, 굳지않은 모르터의 실험

다) 굳지않은 모르터의 특성

1 : 1.5 40 303 241 446 758 1137 0.5

1 : 1 30 294 311 385 981 981 1.1

SP/C(%)시멘트 잔골재 시멘트 잔골재(%) (kg/m)

3배합비 감수제물시멘트비 단위수량

용적배합 ( ℓ /m) 질량배합 (kg/m) 고성능3 3

표 1.5 고성능 모르터의 배합사항

- 23 -

그림 1.8 PP 섬유 혼입률 변화에 따른 슬럼프 및 슬럼프플로우

PP섬 유 혼입 률(%)

■ 40

● 30

W/C (%)

PP섬 유 혼입 률(%)

■ 40

● 30

W/C (%)

어느정도 고려해야 할 것으로 사료된다.

크게 나타나고 있어 , 콘크리트 배합설계에 있어서 PP섬유 혼입에 의한 유동성의 저하를

이가 없는 것으로 나타났으나 , W/C 40%의 경우는 PP섬유 혼입에 의한 유동성의 저하가

또한, W/C 30%의 경우 PP섬유 0.05%까지는 PP섬유 무혼입과 비교하여 유동성에 큰 차

저하를 억제하였기 때문으로 사료된다.

다. 이는 낮은 W/C일수록 부배합이기 때문에 점성이 커서 PP섬유 혼입에 의한 유동성의

- 24 -

그림 1.9 PP 섬유 혼입률 변화에 따른 공기량 및 단위용적질량

PP섬 유 혼입 률(%)

■ 40

● 30

W/C (%)

PP섬 유 혼입 률(%)

■ 40

● 30

W/C (%)

고, 공기량이 감소하면 증가하는 경향으로 , 공기량과는 반대경향으로 나타났다.

중에 갖힘에 의한 영향으로 판단된다 . 또한, 단위용적질량은 공기량이 증가하면 감소하

으로 나타났는데 , 이는 PP섬유의 혼입에 따른 유동성저하 및 점성증가로 공기가 모르터

이 나타났으나 , W/C 40%의 경우는 PP섬유 혼입률이 증가함에 따라 공기량이 증가하는 것

W/C 30%의 경우 PP섬유의 혼입률 증가에 따른 공기량은 PP섬유 무혼입과 큰 차이 없

다.

그림 1.9 는 PP섬유 혼입률 변화에 따른 W/C별 공기량 및 단위용적질량을 나타낸 것이

(2) 공기량 및 단위용적질량

- 25 -

0.20 27.8 33.0 39.3 4.9 5.0 6.2 5.0 2.64 15.15

0.15 28.0 32.3 40.5 4.8 4.9 6.0 4.7 2.63 14.40

40 0.10 29.2 32.2 40.6 5.1 5.3 6.6 4.9 2.53 13.80

0.05 27.4 32.7 42.4 5.7 5.8 7.2 5.7 2.66 11.50

0.00 28.8 39.1 46.4 6.2 6.6 7.0 5.3 2.62 9.40

0.20 33.5 47.3 64.3 6.9 7.7 9.5 7.6 2.91 10.05

0.15 34.4 47.5 64.9 6.4 7.0 9.2 7.4 2.91 6.45

30 0.10 35.5 47.6 63.8 6.8 7.1 8.5 7.5 2.88 5.00

0.05 39.1 47.7 61.0 6.4 7.0 8.2 7.8 2.90 8.30

0.00 43.7 51.8 59.0 6.3 6.8 8.3 7.9 2.86 6.55

3 일 7 일 28 일 3일 7일 28 일 28 일 28 일(vol.%)(%) (g)

혼입률(MPa) ( ×10MPa)W/C 투수량4

압축강도 (MPa) 휨강도 (MPa)PP 섬유인장강도 동탄성계수

표 1.7 경화 모르터의 실험결과

강도도 약간 증가하는 경향으로 나타났다.

저하하는 것으로 나타났으나 , 재령 28일의 표준재령에서는 PP섬유가 증가함에 따라 압축

W/C 30%에서는 PP섬유가 증가함에 따라 초기 재령인 3일과 7일에서 압축강도가 약간

그림 1.10 은 PP섬유 혼입률 변화에 따른 재령별 압축강도를 나타낸 것이다.

(1) 압축강도

표 1.8 및 표 1.9 와 같다.

계수 및 투수시험의 실험결과는 표 1.7 과 같고, 길이변화율 및 질량변화율의 실험결과는

가열시험 전 경화 모르터의 실험결과로 재령별 압축강도 , 휨강도 , 인장강도 , 동탄성

라) 경화 모르터의 특성

- 26 -

0.20 0 -1.39-2.03-2.39-2.37-2.46-2.60-2.67-2.79 -2.87 -2.89 -2.90

0.15 0 -1.38-2.01 -2.41 -2.40-2.50-2.64-2.70-2.83 -2.92 -2.95 -2.95

40 0.10 0 -1.50-2.18-2.53-2.50-2.59-2.73-2.79-2.92 -2.98 -2.99 -2.31

0.05 0 -1.35-2.03-2.36-2.33-2.42-2.57-2.63-2.77 -2.85 -2.86 -2.87

0.00 0 -1.50-2.14-2.50-2.48-2.57-2.73-2.80-2.92 -3.00 -3.03 -2.04

0.20 0 -1.35-1.40-1.48-1.71 -1.78-1.90-1.99-2.02 -2.11 -2.13 -2.14

0.15 0 -1.19-1.47-1.50-1.68-1.78-1.91 -2.08-2.13 -2.25 -2.27 -2.28

30 0.10 0 -1.14-1.42-1.52-1.58-1.69-1.86-1.96-1.97 -2.09 -2.11 -2.11

0.05 0 -1.34-1.14-1.58-1.72-1.79-1.91 -2.01 -2.04-2.13 -2.14 -2.15

0.00 0 -1.05-1.34-1.52-1.62-1.66-1.73-1.90-1.93 -2.05 -2.06 -2.07

(vol.%) 1일 3일 7 일 14일 21일 28일 35일 42일 49 일 56 일 91 일 180 일(%)

혼입률W/C

질량변화율 (%)PP 섬유

표 1.9 모르터의 질량변화 실험결과

0.20 0 -1.9 -5.2 -8.9 -11.9-16.7-20.0-21.9-23.1 -24.5 -24.5-24.6

0.15 0 -2.1 -6.0 -9.6 -12.7-17.0-20.5-22.2-24.1 -24.8 -24.9-24.9

40 0.10 0 -2.3 -6.6 -10.1 -13.0-17.5-21.0-22.8-24.5 -25.4 -25.5-25.6

0.05 0 -2.3 -6.5 -9.7 -12.4-17.0-20.3-22.3-24.0 -24.8 -25.1 -25.2

0.00 0 -2.6 -6.3 -9.9 -12.7-17.4-20.9-22.5-24.4-25.2 -25.3-25.4

0.20 0 -5.9 -9.2 -11.6-15.1 -18.3-22.5-23.8-24.8 -26.1 -26.3-26.3

0.15 0 -5.2 -8.7 -11.2-14.9-18.1 -22.4-24.1 -24.9 -26.2 -26.3-26.4

30 0.10 0 -5.5 -8.7 -11.3-15.0-18.5-23.0-24.2-25.0 -25.9 -26.2-26.3

0.05 0 -5.6 -8.9 -11.3-15.1 -18.5-22.9-24.2-25.1 -26.3 -26.4-26.5

0.00 0 -5.8 -9.4 -12.2-15.0-19.5-23.7-25.1 -25.9 -27.0 -27.1 -27.2

(vol.%) 1일 3일 7 일 14 일 21일 28일 35일 42일 49일 56 일 91 일 180 일(%)

혼입률W/C

길이변화율 ( ×10 )PP 섬유 -4

표 1.8 모르터의 길이변화 실험결과

- 27 -

구에 차이가 없어, 결국 압축강도에는 크게 영향을 미치지 못하는 것으로 분석된다.

하게 되면 큰 차이는 없는 것으로 분석된다. 따라서 PP섬유는 시멘트 모르터와의 부착기

하여 약간 저하하는 것으로 나타났으나 , 이는 결국 공기량 증가의 영향일 뿐, 이를 제거

또한, W/C 40%에서는 PP섬유의 증가에 따른 재령별 압축강도는 PP섬유 무혼입과 비교

그림 1 .1 0 PP 섬유 혼입률 변화에 따른 모르터의 압축강도

PP섬 유 혼입 률(%)

▲ 28 일

■ 7 일

● 3 일

재 령

PP섬 유 혼입 률(%)

▲ 28 일

■ 7일

● 3 일

재 령

- 28 -

의 분석과 같이 공기량 증가에 기인하여 휨강도가 감소한 것으로 분석된다 .

부착강도가 증가하여 휨강도가 증가한 것으로 분석되고 , W/C 40%의 경우는 전 압축강도

감소하는 경향으로 나타났다 . 이중 먼저 , W/C 30%의 경우는 PP섬유와 시멘트 모르터와의

W/C 30%의 경우 재령별 휨강도는 증가하는 경향으로 나타나고 있으나, 40%의 경우는

그림 1 .1 1 PP 섬유 혼입률 변화에 따른 모르터의 휨강도

PP섬 유 혼입 률(%)

▲ 28 일

■ 7 일

● 3일

재 령( 일 )

PP섬 유 혼입 률(%)

▲ 28 일

■ 7 일

● 3 일

재 령( 일 )

그래프이다 .

그림 1.11 은 PP섬유 혼입률 변화에 따른 휨강도를 3일, 7일 , 28일 재령별로 나타낸

(2) 휨강도

- 29 -

령에서의 빠른 수분 증발에 기인하여 급속한 질량변화율을 보인 것으로 분석되어진다 .

고 있으며 , 그 이후 감소 경향이 완만하게 나타나고 있음을 알 수 있는데 , 이는 초기 재

또한, 질량변화율도 길이변화율과 마찬가지로 초기재령에서는 급속한 감소율을 보이

고 있음을 알 수 있다.

수축에 의한 길이변화가 급속하게 진행되고 있으나 , 재령 56일 이후는 완만하게 진행되

단, 건조수축에 의한 길이변화율은 초기 재령에서 수분의 유출과 발산작용으로 건조

인 할 수 있었다.

입률에 의한 길이변화 및 질량변화는 PP섬유 무혼입과 비교하여 큰 영향이 없는 것을 확

전반적으로 W/C 변화에 따른 길이변화 및 질량변화는 다소 차이가 있으나 , PP섬유 혼

고, 그림 1.14 는 질량변화율을 나타낸 그래프이다 .

그림 1.13 은 PP섬유 혼입률 변화에 따른 재령별 건조수축 길이변화율을 나타낸 것이

(4) 길이변화 및 질량변화율

그림 1 .1 2 PP 섬유 혼입률 변화에 따른 모르터의 인장강도

PP섬 유 혼입 률(%)

■ 40

● 30

W/C (%)

기 때문에 인장강도에는 크게 영향을 미치지 못하는 것으로 사료된다.

유와 시멘트 모르터와의 부착기구가 섬유 혼입률 0.20% 이하의 미소한 양에서는 매우 적

무혼입과 비교하여 큰 차이는 없는 것으로 나타났다. 이는 압축강도와 마찬가지로 PP섬

PP섬유 혼입률 증가에 따른 W/C별 인장강도는 다소 증가 혹은 감소의 경향은 있으나,

그림 1.12 는 PP섬유 혼입률 변화에 따른 W/C별 인장강도를 나타낸 것이다.

(3) 인장강도

- 30 -

그림 1.1 4 PP 섬유 혼입률 변화에 따른 질량변화율

재 령 ( 일 )

PP 섬유혼입률 (%)

PP 섬유혼입률 (% )

그림 1.1 3 PP 섬유 혼입률 변화에 따른 길이변화율

재 령 ( 일 )

PP 섬유혼입률 (%)

PP 섬유혼입률 (% )

- 31 -

열을 일으켰고 , PP섬유 0.05% 혼입한 경우는 W/C 30%와 40%에서 각각 2개의 폭열을 일으

10×20cm 공시체는 PP섬유 무혼입인 경우 W/C 30%에서 2개의 폭열, 40%에서 3개 모두 폭

실험결과로 부재 크기가 작은 4×4×16cm 공시체는 모두 폭열을 보이지 않았으나 , Ø

10×20cm 원주형 공시체의 폭열 모습을 나타낸 것이다 .

원주형 공시체의 폭열여부를 조사하여 나타낸 것이고 , 사진 1.6 ˜ 1.10 은 가열시험 후 Ø

표 1.11 은 화재조건을 상정하여 가열시험을 실시한 후 4×4×16cm 공시체와 Ø10×20cm

① 폭열 성상

0.20 39.3 26.4 49.5 6.2 0.8 5.5 0.26 0.09 15.15 655.6

0.15 40.5 26.1 47.4 6.0 1.5 4.8 0.26 0.09 14.40 429.6

40 0.10 40.6 22.3 50.5 6.6 1.5 5.0 0.25 0.08 13.80 373.0

0.05 42.4 20.5 53.8 7.2 2.1 4.0 0.26 0.09 11.50 214.8

0.00 46.4 21.7 46.2 7.0 2.0 1.7 0.26 0.10 9.40 147.0

0.20 64.3 43.6 69.8 9.5 3.2 6.5 0.29 0.10 10.05 418.2

0.15 64.9 41.5 72.0 9.2 2.3 6.9 0.29 0.09 6.45 282.6

30 0.10 63.8 43.8 65.9 8.5 3.2 6.0 0.28 0.11 5.00 260.0

0.05 61.0 39.0 57.6 8.2 2.7 6.2 0.29 0.11 8.30 180.9

0.00 59.0 22.7 43.3 8.3 2.2 4.7 0.28 0.11 6.55 79.1

수중양생 수중양생

(%) 가열전 가열후 28일 가열전 가열후 28 일 가열전 가열후 가열전 가열후(%)

가열후 가열후혼입률W/C

(MPa) (MPa) ( ×10 MPa) (g)PP 섬유 5압축강도 휨강도 동탄성계수 투수시험

표 1.10 경화 모르터의 가열 전후 실험결과

후의 실험결과는 표 1.10 과 같다.

생략한다. 단, 폭열 특성으로 화재조건을 상정한 가열시험에서 경화 모르터의 가열전과

고성능 모르터의 굳지않은 상태 및 경화상태의 기초적 특성 실험결과는 지면 관계상

(1) 고성능 모르터의 폭열성상

마) 경화 모르터의 폭열 특성

- 32 -

후가 현저하게 증가하는 것을 나타내고 있다.

나타낸 것으로 , PP섬유 무혼입과 혼입한 것의 투수량 차이는 가열 전과 비교하여 가열

방지되어지는 것을 입증하기 위하여 투수 시험체를 제작한 후 가열 전후의 투수시험을

그림 1.15 는 화재시 녹은 PP섬유가 내부 수증기압을 외부로 빠져나가게 하여 폭열이

발생하지 않은 것으로 분석된다.

열시 고온으로 녹은 PP섬유가 내부 수증기압을 외부로 유출시키는 역할을 하여 폭열이

발생한 내부 수증기압에 의한 것으로 사료된다 . 단 , PP섬유 0.10% 이상 혼입한 것은 가

20cm 공시체는 PP섬유 무혼입과 0.05% 혼입한 것에서 폭열현상을 보였는데 , 이는 가열시

발되어 수증기압이 발생하지 않음으로 폭열이 발생하지 않은 것으로 사료되며 , Ø10×

폭열에 관한 실험결과의 분석으로 , 4×4×16cm 공시체는 가열시 내부 수증기가 쉽게 증

O : 비폭열 , X : 폭열

0.20 O O O 8.14

0.15 O O O 8.53

40 0.10 O O O 8.12

0.05 O X X 8.87

0.00 X X X 8.64하지 않음

모두 폭열0.20 O O O 5.73

0.15 O O O 5.46

30 0.10 O O O 3.60

0.05 O X X 4.63

0.00 X O X 4.20

(vol.%) A B C(%) (cm) (%)

혼입률W/C 4×4×16 함수율Ø10 ×20 (cm)

PP 섬유

표 1.11 모르터 공시체의 폭열 여부

지하고 있었다 .

켰으며 , PP섬유 0.10% 이상 혼입한 경우는 모두 폭열하지 않고 공시체 형상을 그대로 유

- 33 -

사진 1.8 가열후 모르터 공시체의 폭열 모습 (PP 섬유 0.10% 혼입 )

W/C 30% W/C 40%

사진 1.7 가열후 모르터 공시체의 폭열 모습 (PP 섬유 0.05% 혼입 )

W/C 30% W/C 40%

사진 1.6 가열후 모르터 공시체의 폭열 모습 (PP 섬유 무혼입 )

W/C 30% W/C 40%

- 34 -

그림 1.15 가열 전후의 투수시험

PP 섬 유 혼입률 (%)

가 열 전 가 열 후

사진 1.10 가열후 모르터 공시체의 폭열 모습 (PP 섬유 0.20% 혼입 )

W/C 30% W/C 40%

사진 1.9 가열후 모르터 공시체의 폭열 모습 (PP 섬유 0.15% 혼입 )

W/C 30% W/C 40%

- 35 -

먼저 , 가열전의 압축강도는 W/C 30%의 경우 60 MPa 전후, 40%의 경우 40 MPa 전후의

축강도 및 가열후 28일 수중양생한 공시체의 압축강도를 나타낸 것이다.

그림 1.16 및 1.17 은 W/C 30 및 40%에서 PP섬유 혼입률 변화에 따른 가열전과 후의 압

① 잔존 압축강도

(2) 고성능 모르터의 잔존내력

사진 1.12 가열후 공시체 내부의 PP섬유가 녹은 모습

사진 1.11 가열전 공시체 내부의 PP 섬유 모습

므로써 폭열이 방지되는 것을 알 수 있다.

따라서 , 고온에서 녹은 PP섬유가 내부 수증기압을 외부로 방출시키는 통로 역할을 하

가열후 고온으로 녹은 모습을 나타낸 사진이다.

또한 , 사진 1.11 은 가열전 공시체 내부의 PP섬유 모습을 찍은 사진이며 , 사진 1.12 는

된다.

로가 됨을 입증하는 것으로 투수압에 의한 물의 투과량이 현저하게 증가된 것으로 분석

이는 가열시 고온에서 녹은 PP섬유가 고압으로 작용하는 수증기를 외부로 방출하는 통

- 36 -

그림 1.16 가열 전후 및 가열후 28 일간 수중양생한 후의 압축강도 (W/C : 30%)

PP섬 유 혼입 률(%)

가열후양생

가 열 후

가 열 전

후의 강도와 가열후 28일간 수중양생 하였을 때의 잔존 압축강도율을 나타낸 것이다.

그림 1.19 는 가열전 PP섬유 혼입률 변화에 따른 압축강도를 기준으로 (100%)하여 가열

는데, 이때 상관계수는 0.86 이상으로 양호한 상관성을 보여주고 있다.

가열후 압축강도의 저하는 강도가 클수록 더 크게 저하함을 회귀식을 통하여 알 수 있

그림 1.18 은 가열전과 후의 압축강도를 비교하여 회귀식으로 나타낸 것이다.

하는 것으로 나타났다.

에서 PP섬유 0.10% 이상 혼입한 경우와 W/C 40%의 전 혼입률에서 가열전의 강도를 상회

또한 , 가열시 고온을 받은 시험체를 재차 28일간 수중양생한 후의 압축강도는 W/C 30%

사료된다.

통로 역할을 하여 상대적으로 미세균열의 발생이 적어 강도 저하가 작게 나타난 것으로

는 것으로 나타났는데 , 이는 가열시 발생하는 수증기압을 PP섬유가 외부로 빠져나가는

그러나 , PP섬유의 혼입률 증가에 따른 가열후의 압축강도는 무혼입과 비교하여 증가하

하한 것으로 사료된다.

증발하여 공극이 증가하고 , 열팽창 및 수증기압에 의한 미세균열이 발생하여 강도가 저

경우 40 MPa 전후 , 40%의 경우 25 MPa 전후로 나타났다. 이는 가열에 따른 내부 수분이

고강도로 나타났으나 , 가열후의 압축강도는 가열전과 비교하여 크게 저하하여 W/C 30%의

- 37 -

그림 1.18 가열 전후의 압축강도 비교

가열전 압축강도 (Mpa)

그림 1.17 가열 전후 및 가열후 28 일간 수중양생한 후의 압축강도 (W/C 40%)

PP 섬 유 혼입률 (%)

가열후양생

가 열 후

가 열 전

- 38 -

났다.

다. 가열후의 휨강도는 가열전 8 MPa와 비교하여 2 MPa 전후로 크게 저하한 것으로 나타

하는 것으로 나타났으나 , W/C 40%의 경우는 무혼입과 비교하여 저하하는 것으로 나타났

먼저 , 가열전의 휨강도로서 , W/C 30%의 경우는 PP섬유 혼입률 증가에 따라 다소 증가

휨강도를 나타낸 것이다.

그림 1.20 은 PP섬유 혼입률 변화에 따른 가열전 .후 및 가열후 28일 수중양생한 후의

② 잔존 휨강도

로 나타났다.

로 나타났으며 , 특히 PP섬유 혼입이 증가할수록 잔존 압축강도율은 크게 향상되는 것으

W/C 30%인 경우에만 70% 전후로 나타났고 , 대부분 가열전의 강도를 100% 회복하는 것으

또한 , 가열후 28일간 재차 수중양생한 후의 잔존 압축강도율은 PP섬유 무혼입인 경우

게 발생함에 따른 것으로 사료된다.

효과적인 외부 유출로 화재에 따른 미세균열의 발생이 무혼입과 비교하여 상대적으로 적

에서 60% 전후로 약간 증가함을 알 수 있는데 , 이는 PP섬유가 혼입된 것은 수증기압의

가열후 잔존 압축강도율은 PP섬유 무혼입일때 40% 정도이나 PP섬유가 혼입된 것은 50%

그림 1.19 가열후와 가열후 28 일 수중양생 후 잔존 압축강도율

PP섬 유 혼입 률(%)

가 열 후 가열후 양생

- 39 -

전후로 크게 회복되어 나타났는데 , 특히 PP섬유의 혼입률 증가에 따라 강도 회복률은 크

일간 수중양생한 후의 잔존 휨강도율은 W/C 30%의 경우 60% 전후 , W/C 40%의 경우 80%

20% 전후로 PP섬유 무혼입과 비교하여 큰 차이가 없는 것으로 나타났다. 단 , 가열후 28

가열후 잔존 휨강도율은 W/C 30%의 경우 30% 전후로 나타났으며 , W/C 40%의 경우는

수중양생한 공시체의 잔존 휨강도율을 나타낸 것이다.

그림 1.21 은 PP섬유의 혼입률 변화에 따른 가열전 강도에 대한 가열후와 가열후 28일

것으로 나타났는데 , W/C 30%보다 40%에서 증가 경향이 크게 나타나고 있다.

또한, 가열후 28일 수중양생한 후의 휨강도는 PP섬유 혼입률 증가에 따라 증가하는

그림 1.20 가열 전, 후 및 가열후 28 일 수중양생 후의 휨강도

PP 섬유 혼입 률 (%)

가열후 양생

가 열 후

가 열 전

PP 섬유 혼입 률 (%)

가열후 양생

가 열 후

가 열 전

- 40 -

그림 1.22 가열 전후의 동탄성계수

PP 섬 유 혼입률 (%)

0.

0.

0.

0.■ W/C 40% □ W/C 40%

● W/C 30% ○ W/C 30%

가 열 전 가 열 후

0.

탄성계수율을 나타낸 것이다.

그림 1.22 는 가열 전후의 동탄성계수를 나타낸 것이고 , 그림 1.23 은 가열후의 잔존 동

③ 잔존 동탄성계수

그림 1.21 가열후와 가열후 28 일 수중양생한 후 잔존 휨강도율

PP섬 유 혼입 률(%)

가 열 후 가열후 양생

압축강도율과는 달리 가열전 강도를 100% 회복하지는 못한 것으로 사료된다.

게 향상되게 나타남을 알 수 있었다. 다만, 잔존 휨강도율은 균열 등의 영향으로 잔존

- 41 -

그림 1.24 가열 전후의 동탄성계수 비교

가열전 동탄성계수 ( × 10^5 MPa)

0. 0. 0. 0. 0.

0.

0.

0.

0.

0.

그림 1.23 가열후의 잔존 동탄성계수율

PP섬 유 혼입 률(%)

■ 40

● 30

W/C (%)

섬유 무혼입과 비교하여 큰 차이가 없는 것으로 나타났다.

이때 , 잔존 동탄성계수율은 W/C 30%의 경우 40% 전후 , W/C 40%의 경우 35% 전후로 PP

영향으로 동탄성계수가 저하한 것으로 사료된다.

하는 것으로 나타났는데 , 압축강도와 마찬가지로 열팽창 및 수증기압에 의한 미세균열의

가열시험전과 비교하여 가열시험후의 동탄성계수는 PP섬유 혼입과 관계없이 크게 저하

- 42 -

음과 같이 실험계획을 실시하였다.

고성능 콘크리트의 폭열 특성을 검토하고자 실험요인별로 시리즈 Ⅰ ˜ Ⅳ로 구분하여 다

즉, 실험요인으로 W/C 변화, PP섬유의 혼입률 변화, 골재 종류 및 혼화재 치환에 의한

기 위한 연구로 실험계획은 표 1.12 와 같다.

본 연구는 고성능 콘크리트의 폭열 및 내화성능에 미치는 재료 및 배합요인을 검토하

① 고성능 콘크리트의 실험계획

나 ) 고성능 콘크리트의 실험계획 및 방법

기여하고자 한다.

크리트의 화재시 폭열방지 및 고성능 콘크리트를 사용한 RC 구조체의 내화성능 향상에

시켜 고성능 콘크리트의 폭열 방지를 위한 적정 섬유 혼입량을 결정하므로써 , 고성능 콘

화에 따른 폭열성상을 검토하고 , 폭열 방지 재료로 효과가 있는 PP섬유의 혼입률을 변화

먼저 , 배합과 관련해서는 W/C 변화, 재료와 관련해서는 골재종류 및 혼화재 치환율 변

치는 재료 및 배합요인의 영향을 검토하고자 한다.

과 폭열방지에 관한 연구를 진행하였다 . 즉, 고성능 콘크리트의 폭열 및 내화성능에 미

방지에 우수한 효과가 있는 것을 확인한 실험결과를 토대로하여 고성능 콘크리트의 특성

본 연구는 고성능 모르터의 폭열방지에 관한 연구에서 PP섬유 0.10% 혼입한 경우 폭열

가) 서 언

3) 고성능 콘크리트의 폭열방지에 관한 실험

적용한다면 폭열방지에 큰 효과가 있을것으로 예상된다 .

이 방지된 것으로 분석된다. 고성능 모르터 실험결과 고성능 콘크리트에서도 PP 섬유를

해 녹음으로써 공시체 내부의 수증기압을 외부로 빠져나가게 하는 통로역할을 하여 폭열

수 있었다. 이는 가열 전후의 투수시험 결과로 미루어볼 때 PP 섬유가 화재시 고온에 의

실험결과에서 , PP 섬유를 0.1% 혼입한 경우 폭열방지에 우수한 효과가 있는 것을 확인할

화재시 고성능콘크리트의 폭열방지 방안을 검토하기위한 실험으로써 고성능 모르터의

바 ) 결 언

수는 0.8 이상으로 양호한 상관성을 보여주고 있다.

열 전후의 동탄성계수는 일정한 상관성을 가지고 있는 것을 알 수 있는데, 이때 상관계

그림 1.24 는 가열시험전과 후의 동탄성계수를 비교하여 회귀식으로 나타낸 것으로 , 가

- 43 -

- 중량감소율

- 중성화깊이(10)

- 동탄성계수실리카흄단위용중량

- 압축강도0.10 (30) 60 ±5㎝공기량

가열시험후Ⅳ 35 0.05 화강암 고로슬래그 플로우슬럼프플로우

동탄성계수0.00 (30) 슬럼프슬럼프

플라이애쉬 (7 일 , 28 일 )

( 플레인 ) 압축강도

내화시험 (1 시간가열 )

- 중량감소율

- 중성화깊이

- 동탄성계수단위용적중량

- 압축강도0.10 현무암 60 ±5㎝공기량

가열시험후Ⅲ 35 0.05 석회암 - 플로우슬럼프플로우

동탄성계수0.00 ( 화강암 ) 슬럼프슬럼프

(7 일 , 28 일 )

압축강도

내화시험 (1 시간가열 )

- 중량감소율

- 중성화깊이

0.10 - 동탄성계수

0.09 - 압축강도단위용적중량0.08

가열시험후60 ±5㎝공기량0.07

동탄성계수Ⅱ 35 화강암 - 플로우0.06 슬럼프플로우

휨 강 도 (28 일 )슬럼프0.05 슬럼프

인장강도 (28 일 )0.04

(7 일 , 28 일 , 91 일 )0.03

압축강도

내화시험 (1 시간가열 )

- 중량감소율

- 중성화깊이65 15 ±1.5 ㎝

- 동탄성계수55 슬럼프 단위용적중량

- 압축강도공기량0.10

가열시험후Ⅰ 화강암 -0.00 슬럼프플로우

동탄성계수

60 ±5㎝ 슬럼프(7 일 , 28 일 )45

플로우압축강도35

슬럼프내화시험 (1 시간가열 )

(%) (vol.%) 종류 (%/C) 콘크리트시리즈 목표치 경화 콘크리트

W/C PP섬유 골재 혼화재치환 굳지않은

실 험 요 인 실 험 사 항

표 1.12 고성능 콘크리트의 실험계획

- 44 -

다.

28일의 인장 및 휨강도를 추가로 실시하여 섬유 혼입률 변화에 따른 강도특성을 검토한

와 같다. 이때 , 시리즈 Ⅱ 에서는 경화 콘크리트의 실험으로 재령 91일 압축강도 및 재령

굳지않은 콘크리트 및 경화 콘크리트의 실험사항은 표 1.12 와 같고, 배합사항은 표 1.14

으로 계획한다. 이때 , 목표 슬럼프플로우값은 고유동 콘크리트 범위인 60± 5cm로 하고,

한 실험으로 , W/C 35%에서 PP섬유 혼입률을 시리즈 Ⅰ 의 0%와 0.03 ~ 0.10%의 8개 수준

시리즈 Ⅱ 는 고성능 콘크리트의 폭열방지를 위한 적정 PP섬유의 혼입량을 결정하기 위

ⓑ 시리즈 Ⅱ 실험계획

0.10 1.0 0.90

65 189 45 - 93 303 370 291 782 967

0.00 0.0 0.00

0.10 1.0 0.90

55 185 42 - 107 278 384 336 718 1004

0.00 0.0 0.00

0.900.10 1.0

45 180 52 2.00 127 337 311 400 869 811

0.000.00 0.0

0.10 1.0 0.90

35 178 50 1.67 161 308 308 509 793 803

0.00 0.0 0.00

골재 섬유 골재 섬유(vol.%) (kg/m) 시멘트 잔골재 시멘트잔골재

3(%) (%) (%) 굵은 PP 굵은 PP혼입률 수량

W/C S/a SP/CPP섬유 단위 절대용적배합 ( ℓ /m) 질량배합 (kg/m)

3 3

표 1.13 고성능 콘크리트의 배합사항 ( 시리즈 Ⅰ )

표 1.13 과 같다.

획한다. 굳지않은 콘크리트 및 경화 콘크리트의 실험사항은 표 1.12 와 같고 , 배합사항은

트 범위인 60±5cm로 하고 , 55%와 65%의 일반강도에서는 목표 슬럼프 값을 15±1.5cm로 계

실시한다. 이때, 35%와 45%의 고강도 영역에서는 목표 슬럼프플로우 값을 고유동 콘크리

폭열방지의 유효성을 확인한 PP섬유 혼입률 0.10%의 2개 수준으로 계획하여 총 8배치를

무에 따른 폭열 방지 특성을 검토하기 위해서 PP섬유 혼입률을 0%와 고성능 모르터에서

45%와 일반강도 영역인 55%, 65%로 나누어 4개 수준으로 하고, W/C별 PP섬유의 혼입 유

시리즈Ⅰ 은 W/C별 콘크리트의 폭열 특성을 검토하기 위하여 W/C를 고강도 영역인 35%,

ⓐ 시리즈Ⅰ 실험계획

- 45 -

0.10 1.0 0.90

현무암 0.05 169 50 1.72 161 308 308 0.5 509 793 827 0.45

0.00 0.0 0.00

35

0.10 1.0 0.90

석회암 0.05 170 50 1.67 161 308 308 0.5 509 793 837 0.45

0.00 0.0 0.00

골재 섬유 골재 섬유(vol.%) (kg/m)시멘트 잔골재 시멘트 잔골재3(%) 종류 (%) (%)

굵은 PP 굵은 PP혼입률 수량

W/C 골재 S/a S.P/CPP 섬유 단위 절대용적배합 ( ℓ /m) 질량배합 (kg/m)

3 3

표 1.15 고성능 콘크리트의 배합사항 ( 시리즈 Ⅲ )

경화 콘크리트의 실험사항은 표 1.12 와 같고 , 배합사항은 표 1.15 와 같다.

목표 슬럼프플로우 값은 고유동 콘크리트 범위인 60±5cm로 하고 , 굳지않은 콘크리트 및

개 수준에 대하여 PP섬유 혼입률을 0, 0.05. 0.10%의 3개 수준으로 실험계획 하였으며 ,

로, W/C 35%의 고강도 영역에서 골재 종류를 시리즈 Ⅱ 의 화강암과 석회암 , 현무암의 2

시리즈 Ⅲ은 고성능 콘크리트의 폭열에 미치는 골재의 영향을 검토하기 위한 실험으

ⓒ 시리즈 Ⅲ 실험계획

0.10 1.0 0.90

0.09 0.9 0.81

0.08 0.8 0.72

0.07 0.7 0.63

35 178 50 1.67 161 308 308 509 793 803

0.06 0.6 0.54

0.05 0.5 0.45

0.04 0.4 0.36

0.03 0.3 0.27

골재 섬유 골재 섬유(vol.%) (kg/m)시멘트 잔골재 시멘트 잔골재3(%) (%) (%)

굵은 PP 굵은 PP혼입률 수량W/C S/a SP/C

PP섬유 단위 절대용적배합 ( ℓ /m) 질량배합 (kg/m)3 3

표 1.14 고성능 콘크리트의 배합사항 ( 시리즈 Ⅱ )

- 46 -

조건을 상정한 내화시험 후의 실험결과는 표 1.17 과 같다.

에서 굳지않은 콘크리트의 특성 및 기초적인 역학적 성질은 지면관계상 생략하고 , 화재

고성능 콘크리트의 폭열 및 내화성능에 미치는 재료 및 배합요인의 �