2.1.1 시멘트

본 연구에서 사용된 시멘트는 국내 S사에서 제조한 1종 보통포틀랜드 시멘트이며 Table 1 및 Table 2에 물리적 성질 및 화학성분을 나타내었다.

2.1.2 팽창제

시멘트 수화 시 수축보상을 위해 국내 S사에서 제조한 CSA (Calcium Sulfur Aluminate)계 팽창제를 혼입하였다.

2.1.3 혼화재료

혼화재료는 실리카흄을 사용하였고 다음 Table 3에 주요 특성을 나타내었다.

2.1.4 잔골재

본 연구에서 내화 모르타르 제조 시 사용된 규사는 6호사를 사용하였고 물리적 성질을 다음 Table 4에 나타내었다.

2.1.5 내화재

내화재로 사용된 펄라이트의 단위부피질량은 0.14 kg/L이고 소성시험 부피팽창은 0.10 %인 제품이고 바텀애시의 경우 밀도는 1.86 g/cm³이고 입경을 1~3 mm로 체가름한 후 사용하였다.

펄라이트 및 바텀애시의 입도 및 자세한 물리화학적 성질을 Figs. 1~2 및 Tables 5~6에 나타내었다.

2.3.1 내화 모르타르의 성능

1) 압축강도 및 휨강도

내화 모르타르 압축강도를 측정하기 위하여 40 mm×40 mm× 160 mm 공시체를 제조한 후 온도 20±2 °C, 상대습도 90 % 이상의 실험실 조건에서 48시간 경과 후 탈형하고 온도 20±2 °C에서 수중 양생하였다. 이후 재령 3일, 7일, 28일에 KS L 4042 (2017b) ｢콘크리트 구조물 보수용 폴리머 시멘트 모르타르｣의 방법에 준하여 압축강도 및 휨강도를 측정하였다.

2) 부착강도

내화 모르타르의 부착강도 측정을 위하여 압축강도가 약 50 MPa인 600 mm×600 mm×100 mm 크기의 바탕체를 제작하고 5 mm 두께로 미장하여 40 mm×40 mm 크기 지그(Jig)를 부착하였다. 이후 재령 7일, 14일, 28일에 KS F 4715^{(KATS 2023)} ｢엷은 마무리용 벽 바름재｣, JIS A 6909^{(JSA 2014)} ｢박층마감도재｣ 시험 규격에 준하여 부착강도를 측정하였다.

3) 화재 모사 후 수열온도

내화 모르타르를 적용한 콘크리트 구조물의 화재 모사를 위하여 Fig. 3과 같은 시험 설비를 제작하였다. 화염구 주위에 내화벽돌을 설치하고 LPG 가스통과 연결된 화염구를 내화벽돌 내부에 거치하였으며 내화 모르타르를 적용한 콘크리트 시편을 화염구 위에 놓아 화재를 모사하였다. 데이터 로거를 이용하여 내화 모르타르로 보호된 콘크리트의 온도 변화를 측정하였으며 RABT 화재 시나리오 조건에 근접하도록 화재 초기부터 화염의 크기를 최대로 하고 60분간 유지하였다.

RABT 화재 시나리오는 Eureka 499(1990~1992) 프로젝트 테스트 프로그램의 결과로 화재 개시 5분 경과 시 1,200 °C까지 온도 상승이 매우 빠르고 60분 동안 온도가 유지된 후 120분 동안 점차 온도를 내리는 환경으로 조절하는 것으로 Fig. 4에 시간별 온도이력을 나타내었다. 본 연구에서 화재 모사 시험 시 최고 온도 약 1,150 °C의 화력으로 60분간 유지되었다.

2.3.2 고온 노출 콘크리트의 성능

일반적으로 화재가 발생할 경우 콘크리트가 고온에 노출되는 정도는 내화피복재의 유무에 따라 다르다. 내화 모르타르를 적용하게 되면 콘크리트에 전달되는 열을 차단하게 되어 일정시간동안 구조물을 보호할 수 있다.

본 논문에서는 화재 모사 시험을 통해 콘크리트에 전달되는 최고온도를 확인하였다. 이때 일반적으로 많이 사용되는 설계기준강도 27 MPa, 40 MPa 콘크리트와 고강도 영역을 검토하기 위하여 55 MPa 콘크리트에 대해 검토하였다. 자세한 시방배합은 Table 8과 같다.

이후 화재 모사 시험에서 확인된 콘크리트 수열온도를 전기로 온도로 설정하고 콘크리트를 폭로하여 콘크리트 성능변화를 검토하였다.

화재 모사시험에서 내화 모르타르를 10 mm 피복한 경우는 화재 지속시간이 30분으로 짧아지더라도 RABT에서 제시한 한계온도 300 °C, 국토교통부 터널내화지침에서 제시한 380 °C를 모두 넘게 되므로 검토 대상에서 제외하였다.

1) 내화 모르타르 적용 후 수열온도

내화 모르타르를 20 mm, 30 mm로 피복한 콘크리트를 전기로에 넣고 승온하여 목표 온도에 노출시키고 30분, 60분간 폭로하였다. 이때 내화 모르타르와 콘크리트 사이 온도는 센서를 매입하여 측정하였다.

2) 잔존 압축강도

전기로를 사용하여 고온 환경에 폭로 시킨 후 상온에서 서서히 식힌다. 이후 콘크리트의 온도가 상온으로 낮아졌을 때 KS F 2405^{(KATS 2022)}에 준하여 측정하였다.

3) 탄산화 저항성

먼저 내화 모르타르 적용한 콘크리트를 고온에 노출 시킨 직후 탄산화 깊이를 측정하고 이후 촉진탄산화 장비를 이용하여 2주 폭로 후 탄산화 깊이를 측정한다. 이 때 KS F 2584^{(KATS 2020)} ｢콘크리트의 촉진 탄산화 시험방법｣에 따라 시험을 실시하였으며 폭로 환경은 온도 20±2 °C(68±3.6 °F), 상대습도는 60±5 %, 이산화탄소 농도 5.0±0.2 %이다.

2.4.1 내화 모르타르의 성능

1) 압축강도 및 휨강도

검토배합으로 선정된 내화 모르타르(FM40, FM70, FM 100)와 단면복구재인 RE의 압축강도를 측정한 결과가 Fig. 5이다. HI의 경우 구조용 재료로 쓰이지 않는 내화 피복재이므로 압축강도를 비교하지 않았다. 압축강도는 재령 28일에서 RE, FM40, FM70, FM100 순으로 낮았으며 휨강도 역시 비슷한 경향을 확인할 수 있었다.

RE의 경우 KS F 4042^{(KATS 2017b)}에서 규정하고 있는 성능 기준 20 MPa을 상회하는 결과를 보이고 있으며, 내화 모르타르로 검토된 FM40, FM70, FM100 역시 압축강도 기준을 만족하는 것으로 나타났다. 하지만 내화재로 사용된 펄라이트 및 바텀애시는 일반 규사에 비해 강도 및 밀실도가 낮은 재료이므로 내화재의 혼입 비율이 증가함에 따라 강도가 낮아지기 때문에 소요 강도 확보를 위한 적정 혼입비율 산정이 필요하다. 휨강도를 나타낸 Fig. 6을 살펴보면, 압축강도와 마찬가지로 모든 검토배합이 KS F 4042 ^{(KATS 2017b)}에서 규정하고 있는 휨강도 성능기준인 6 MPa을 만족하는 것으로 확인되었다.

2) 부착강도

다음 Fig. 7에 내화 모르타르(FM40, FM 70, FM100)와 일반 단면복구재로 사용되는 RE의 부착강도를 나타내었다. 나타난 바와 같이 RE의 경우 재령 28일에서 부착강도 1.5 MPa로 나타났으며, 내화 모르타르로 검토된 세 배합의 경우 내화재의 사용이 많아질수록 부착강도는 다소 감소하는 경향을 보였으나 RE에 비해 높은 부착강도를 확인할 수 있었다. 또한 내화모르타르의 부착강도는 KS F 4042^{(KATS 2017b)}에서 규정하고 있는 부착강도 품질기준을 7일부터 상회하였다.

3) 화재 모사 후 수열온도

본 연구에서 선정된 세 가지 내화 모르타르(FM40, FM70, FM100)와 RE 및 HI를 콘크리트에 10, 20, 30 mm 피복한 후 화재를 모사하였다. 이 때 측정한 수열온도를 Figs. 8~10에 나타내었고 나타난 바와 같이 내화 모르타르 피복 두께가 증가할수록 수열온도는 점차 낮아지는 것을 확인하였다. 이는 기존 연구^{(Kim 2014)}에서 내화피복재를 사용함에 따라 구조체로의 온도 전달 억제와 구조체 단면증가의 최소화 방안을 제시한 경우와 같은 결과이다. 수열온도를 자세히 살펴보면 피복 두께가 10 mm인 경우 수열온도는 약 650 °C가 최대였다. 가장 우수한 열 차단성능을 보인 재료는 HI 이고 검토배합으로 선정된 재료는 FM 100, FM 70, FM 40순으로 수열온도가 낮았으며 RE는 FM40과 유사한 성능을 갖는 것으로 나타났다.

시공 두께가 20 mm인 경우와 30 mm인 경우도 10 mm 피복한 시험과 유사한 경향을 나타내고 있으며 피복 두께 증가에 따라 콘크리트의 수열온도는 서서히 낮아지는 것을 확인하였다. 특히 FM70을 20 mm 피복한 경우 60분에서 399 °C 까지 상승한 것으로 확인되었고, 30분간 노출된 상황에서 300 °C 미만으로 유지함으로써 RABT와 국토교통부 터널내화지침에서 요구하고 있는 한계온도를 만족하는 것으로 확인되었다. 또한 FM70을 30 mm 피복한 경우 수열온도는 시험 종료까지 300 °C를 넘지 않았다. 따라서 내화모르타르의 시공 두께를 조절함으로써 요구되는 내화성능을 확보할 수 있을 것으로 판단된다. 다만 피복두께가 10 mm로 얇게 되면 화재 노출 시간이 30분인 경우로 짧더라도 RABT 및 국토교통부 터널내화지침에서 제시하는 한계온도를 넘는 것으로 확인되었다. 따라서 전기로를 이용한 고온 노출 시험 후 콘크리트 성능 평가는 20 mm 및 30 mm 피복한 콘크리트로 제한하여 시험을 실시하였다.

2.4.2 고온 노출 콘크리트의 성능

1) 내화 모르타르 적용 후 수열온도

내화 모르타르의 수열온도 측정은 전기로를 이용하여 실시하였고 전기로 온도를 상승시킨 후 내화 모르타르와 콘크리트 사이에서 센서를 매입하여 온도를 측정하였다. Fig. 11은 내화 모르타르를 20 mm 피복 한 콘크리트의 수열온도를 나타낸 것이고 Fig. 12는 내화 모르타르를 30 mm 피복 한 콘크리트의 수열 온도를 나타낸 것이다. 나타난 바와 같이 외부에서 최대온도는 1,000 °C 이지만 내화피복을 적용한 경우 콘크리트 표면의 온도는 최대 250 °C를 넘지 않는 것으로 나타났고, Tables 9~Tables 12에서 수열온도를 괄호안에 표기하였다.

2) 잔존압축강도

Tables 9~Tables 12는 내화 모르타르가 피복된 콘크리트를 고온에 노출 시킨 후 잔존 압축강도를 측정한 결과이다. 한편 피복두께를 20 mm로 하고 30분 노출된 경우 141 °C까지 콘크리트에 전달되었고 노출 시간 60분인 경우 236 °C까지 상승하였다. 압축강도가 저하한 경우는 내화 모르타르를 20 mm 적용 후 1,000 °C의 환경조건에서 60분간 노출되었을 경우뿐이며, 이때 압축강도가 저하된 비율은 F27의 경우 약 3.3 %, F40의 경우 약 3.2 %, F55의 경우 3.7 % 정도로 나타났다. 이는 200 °C 정도의 환경에 노출된 경우 골재와 시멘트페이스트의 경계면에서 융해가 시작된다는 기존 보고^{(Kim and Seo 2004)}와 같이 강도 저하가 서서히 시작되었거나 내부 증기압이 높아져 균열이 발생한다는 기존 보고^{(Georgali and Tsakiridis 2005)}와 같은 영향을 받았기 때문으로 판단된다.

내화 모르타르를 적용한 후의 잔존 압축강도는 오히려 상승한 경우도 발생하였는데, 외부온도는 고온이지만 콘크리트가 받는 수열온도는 200 °C 미만이기 때문에 시멘트의 수화반응을 촉진시키는 양생 환경과 유사해짐으로써 콘크리트의 강도가 증진된 것으로 판단된다. 한편 내화 모르타르를 30 mm 적용한 경우 역시 20 mm를 적용한 경우와 유사한 결과를 보였으며 압축강도의 저하가 발견되지 않았다.

3) 탄산화저항성

Tables 13~16은 내화 모르타르로 피복한 콘크리트를 고온에 노출 시킨 후 촉진탄산화 시험을 실시한 결과이다. 탄산화 침투깊이는 고온에 노출한 직후 측정하였고, 이후 탄산화촉진시험을 2주 동안 진행 후 측정하였다. 내화 모르타르를 30 mm 시공한 경우 탄산화 진행이 크지 않은 것으로 나타났고 이는 내화 모르타르를 20 mm 시공한 경우와 유사한 결과이다. 다만 1,000 °C에 노출된 시편은 초기보다 탄산화가 많이 진행되었고 고강도에서 탄산화 진행은 두드러지게 나타났다. 기존 연구^{(Arioz 2007)}에 의하면 콘크리트는 550~580 °C에서 수산화칼슘이 열 분해되어 알칼리를 상실함으로써 탄산화가 진행되지만 본 연구에서는 해당 온도에 도달하지 못했기 때문에 콘크리트 조직의 화학적 분해가 발생하지 않았던 것으로 사료된다. 하지만 F40과 F55를 1,000 °C에 노출할 경우에 탄산화 침투깊이가 다소 커지는 것을 알 수 있었는데 수열온도가 200 °C를 넘어가면서 콘크리트 조직에 미세균열 발생이 시작되면서 이산화탄소 침투가 용이해졌기 때문으로 사료된다.