콘크리트 시공기술 2
숙지황
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시멘트 콘크리트의 고온도에 대한 저항성 Ⅰ. 머리말 콘크리트구조물이 고온도에 시달되게 될 때와 일시적으로 가열된 화재와 같은 경우는 내화성이 필요하고 연돌, 爐體, 원자로 등에서는 지속적으로 고온에 시달리고 더욱이 고열과 냉각이 되풀이 되는 때가 많아 내열성을 필요로 한다. 또 구조물에 따라서는 地熱井과 같이 고온, 고압의 환경하에서 특수한 시공성능과 내산성등을 동시에 요구되는 때도 있고 해수 담수화를 위한 증발악체 콘크리트와 같이 열해수의 침수를 받는 때도 있어 콘크리트에 요구되는 성능도 콘크리트의 이용과 개발이 진보됨에 따라 다면화되고 있다. 국제적인 콘크리트표준시방서에서는 특히 내화를 필요로 하는 구조물의 철근피복두께는 화열의 고온, 계속시간, 사용되는 골재의 성질 등을 고려하여 정하여야 한다고 규정하고 있어 보통때는 2cm정도의 피복두께를 증가하는 것을 표준으로 하고 있다. 또한 내열적 요구는 부분적으로 온도가 다른 구조물에서는 그 영향을 고려하여야 하고 온도의 부분적 변화에 의한 내부응력을 고려하여야 철근의 降狀點 이 1/2로 되는 것은 대략 600℃이며 철근콘크리트 부재에서의 화재중의 내구저하를 고려할 때는 일반적인 화재에 대하여는 철근이 고온으로 되는 것을 방지하기 위하여 구조부분의 종별에 따라서 피복두께의 최소치를 정하고 있다. 특히 PC강재는 철근에 비하여 온도의 영향을 받기 쉬워 내화성의 점에서 피복의 두께를 두껍게 할 필요가 있다. 경량 콘크리트나 프리스트레스 콘크리트의 경우에는 폭역에 대하여 주의할 것을 지적하고 있다. 또한 조골재의 내화도의 판정시험방법도 제안한 시방서 해설도 있다. 내화물을 포함하면 내화성의 구분은 기폭이 넓고 러시아에서는 GOST 4385-48에 고온저항성콘크리트의 내열온도는 1770℃이상, 내화콘크리트는 1580-1770℃ 열저항성 콘크리트는 1580℃이하로 규정하고 있다. petzeld 氏等은 내화성을 사용온도에 따라 구분하며 200-1100℃의 것을 내화콘크리트, 1300℃이상의 것을 고온저항콘크리트로 하고 있다. 각국마다 방화재료의 시험방법이 정하여 있으며 요는 구조재료를 고온시에 일정의 강도를 保持하는 콘크리트로 정의하고 있다. 장기간 고온에 시달리는 환경을 고려할 때 시멘트 수화물의 성질에서 보면 100℃이하에서는 비교적 안전하나 100℃이상이 되면 성상에 변화가 생기며 100℃이하의 경우를 내열성, 100℃이상의 경우를 내화성이라 하고 있다. 고온환경에 있어서의 성상에 관한 연구는 국제적으로 많이 있으나 여기서는 포틀랜트시멘트계의 구조물콘크리트에 관하여 설명하기로 한다. Ⅱ. 시멘트 硬化體의 加熱性狀 시멘트 경화체를 가열하면 약 105℃에서 유리수 겔水를 잃고 250~350℃에서 알미늄(Al2O3)나 산화제이철(Fe2O3)를 포함한 수화물이 탈수하여 칼슘실리케이트 수화물의 보유수분의 대부분을 잃게 된다. 이때에 Ca (OH)2대신에 CaO를 포함한 경화체가 생성된다. 825℃에서는 탄산칼슘이 분해되어 CaO와 CO2를 생성한다. 이 CaO는 물과 소화할 때에 용적을 증대하기 때문에 붕괴현상이 일어난다. Al2O3나 Fe2O3의 화합물 및 칼슘실리케이트 수화물에서의 탈수는 약 2%의 수축을 나타내고 미크로적인 구열이 생기는 원인이 된다. 더 가열하여 1450℃가 되면 CINDER(타다 남은 찌꺼기)되고 다시 치밀한 고형물이 되고 이때에 큰 수축이 일어난다. 실제로 시멘트페이스트를 가열하면 <그림1>의 실선으로 표시하는 바와 같이 1회때의 가열에서는 수축을 나타낸다. 이것을 냉각할 때도 수축이 일어난다. 그리하여 2회째로 가열과 냉각을 하면 파선으로 표시하는 바와 같이 팽창과 수축을 보통 가역적인 변화를 나타낸다.
또한 탈수에 의한 수분이 미수화시멘트의 수화를 촉진시켜 수화입자내의 조직을 치밀화하기 때문에 압축강도는 300℃까지 증가하고 500℃이상이 되면 소석회의 탈수로 저하된다. 고로시멘트의 경우는 시멘트가 수화 할 때에 생성되는 소석회의 양이 적기 때문에 고온도에 의하여 생성되고 붕괴의 원인이 되는 CaO의 량도 적게 되고 또 고온에 시달리고 있는 기간에 소석회와 고로스라그가 화합하기 때문에 내열성이 크다. III. 모르터 및 콘크리트의 가열성상 콘크리트의 강도는 가열에 의하여 저하되고 300℃~500℃ 이상이 되면 더욱 급격히 저하된다. 이것을 시멘트경화체의 성질외에 골재나 진행공기드으이 영향 때문이다. 모르터 및 콘크리트의 열에 의한 용적 변화는 골재의 암질에 의한 영향도 크다. 골재의 열팽창은 암석을 조성하는 광물에 따라 다를뿐만 아니라 결정축의 방향에 따라 차이가 있다. 또한 가열 냉각에 의한 체적변화는 암석에서는 불가피한 경우가 많이 알려져 있고 가열과 냉각의 되풀이로 성장하는 것도 있다. 같은 종류의 암석이라도 일반적으로 실카 함유량이 많은 것이 팽창계수가 작은 경향이다. 또 석영은 575℃에서 α석영에서 β석영으로 전이하고 이대 용적변화를 동반한다. 모르터나 콘크리트의 열팽창은 110~140℃를 경계로 하여 저온팽창과 고온팽창으로 구분하여 고려한다. 저온팽창은 골재나 시멘트경화체나 다같이 팽창할 때가 있다. 시멘트경화제는 80~90℃까지 팽창하고 110~140℃이상이 되면 수축한다. 약 110℃이상이 되면 골재는 팽창을 계속하나 시멘경화체는 온도의 상승과 더불어 수축을 나타낸다. 모르터 및 콘크리트의 고온열팽창은 이들의 열팽창특성과 구성비율로서 결정된다. 구강의 골재가 시멘트경화체중에 있을 때 각기의 열팽창계수의 차에 의하여 계면 접선방향에 생기는 인장응력 St는 St = ET△C/(1+μ)로 구한다. E는 탄성계수, T는 온도범위, △C는 팽창계수의 차, μ는 뽀아손 tt이다. Callan L't에 의하면 St는 56㎏/㎠ 달한다고 보고되고 있으며 콘크리트에 구열이 발생할 수 있는 충분한 힘이 되고 또 △C는 5.4x10-6/c를 넘으면 손상이 일어난다고 한다. 이와 같이 열팽창계수의 차나 이방향성이 클때는 큰 내부응력을 발생하여 이것이 Creep등으로 완화되지 않을 때는 계면에 파괴가 일어난다. 그리고 성분입자가 클수록 이 경향은 증대된다. 콘크리트 중의 온도변화의 속도는 열확산율로 변한다. 시멘트경화체보다 열확산율이 큰 골재는 온도변화가 크고 골재와 시멘트경화체의 계면에서 불연속적으로 변하기 때문에 응력이 생긴다. 가열중에는 골재의 열팽창변화가 심하게 되어 시멘트의 파괴가 일어나기 쉽게 된다. 모르터 및 콘크리트의 내열성을 크게하기 위하여 가열상태에서 일어나는 탈수와 동반되는 시멘트경화체의 수축을 작게 하는 방법이 있다. 즉, 샤못트분말등을 혼입하여 가열시에 생기는 골재의 팽창과 시멘트경화체의 수축에 의하여 일어나는 응력을 감소시킨다. 샤못트분말을 가하였을 때의 시멘트경화체의 수축량은 <그림1>의 점선으로 나타난 것과 같다. 샤못트는 Al2O3와 DiO2를 함유한 점토를 연성하여 분쇄한 것이고 이중의 석영이 가열에 의하여 팽창하는 것을 이용하고 있다. 이와 동시에 가열중에 생성하는 CaO와 SiO가 결합하는 충분한 SiO2가 있으면 모노칼슘실리케이트가 되어 내열성이 있는 시멘트경화물이 될 수 있다. 또 조골재로서 샤못트를 사용하면 이 포틀랜드시멘트콘크리트는 120℃까지도 견딜 수 있다. AE콘크리트는 96℃가 되면 강도와 탄성계수는 20℃의 보통보다 25% 감소하고 Creep는 공기량이 많을수록 증가하는 경향이다. 이것은 콘크리트중의 기포가 페이스트와 골재간의 결합력을 줄여 강도와 탄성계수를 감하고 변형과 Creep를 증함에 따른 페이스트자체의 응력집중을 오게한 것이라고 생각된다. 즉, 주위의 온도상승은 기포중의 압력을 높여 이것이 결합력을 감하게 되면 毛管中의 물은 영향을 받는다. 기포와 모관수와의 조합의 영향을 받아 온도가 상승하면 Creep를 증가하게 되는 것은 보통콘크리트의 경우의 거동과 동일하다. 경량콘크리트는 보통콘크리트에 비하여 고온시에 있어서 강도저하는 대차가 없으나 열전율이 작기 때문에 내화피복효과가 커서 내화상에는 유리하다고 생각되나 경량콘크리트는 폭열을 일으키기 쉬운 성질이 있기 때문에 꼭 그렇다고만 할 수 없다. 그러나 단위 시멘트량이나 함수량을 조정하여 폭열을 일으키는 한계가 있다는 것이 최근 명백하여지고 있다. 다음에 철근의 고온에 있어서의 팽창계수는 200~300℃ 이상이 되면 보통콘크리트보다도 20~30% 크게 된다. 따라서 철근의 부착력은 가열온도가 높게되면 저하하나 약 300℃를 넘으면 급격히 저하된다. 또 가열과 냉각이 되풀이 되면 더욱 저하된다고 생각된다. IV. 구조물의 내열적 성능 이상 설명한 바와 같이 내열성을 기대한 포틀랜드 시멘트콘크리트를 다양한 목적으로 사용하고 있으나 원래 포틀랜그 시멘트와 골재응 사용하여서는 알미나시멘트 사용할 때보다 높은 내화성을 얻을 수 없는 것은 당연하다. 보통콘크리트로서는 장기에 걸쳐 가열한 냉각이 되풀이 되는 부재는 약 100℃를 한계로 생각된다. 그러나 무근콘크리트는 250℃까지도 이용된다. 이하에 몇가지 사용예를 들기로 한다. 1. 프리스트레스콘크리트부재 철근콘크리트부재의 경우에 비하여 PC부재에는 강재의 고온특성이 다른 점, 및 프리스트레스가 도입된 점이 다르다. PC 강재는 보통강재에 비하여 고온의 영향을 받기 쉽다. 화재실험의 결과에 의하면 PC강재의 파단에 의한 붕괴는 PC강재의 온도가 400℃에 달하였을 때에 발생한다. PC강선의 인장강도는 200℃를 넘으면 급격히 저하되기 시작하여 400℃가 되면 50%가 된다. 탄성계수는 200℃에서 6%, 300℃에서 20% 저하된다. 그러나 PC강재의 강도의 회복은 300℃까지는 완전하고 400℃까지도 상당히 회복된다. 또 PC부재때는 철근콘크리트의 衁둁우보다고 저온에서 Creep현상이 생기고 도입된 프리스트레스를 잃게 되고 부재의 Bending변형이 급증한다. PC부재의 내수성은 골재의 종류에 따른 영향을 작다고 한다. PC부재의 콘크리트는 고강도이고 밀실하기 때문에 화재시에 폭열을 일으킬 위험이 있다. 실제에 의하면 100~350℃일때에 일어난다. 또 PC부재의 내화피복, post tENSIONING용의 정착구등의 검토도 진행되고 있다. 2. 열충격을 받는 부재 급격한 온도변화를 받은 콘크리트는 열팽창에 의하여 Spoil를 일으킨다. 원폭의 피격에서는 지상 온도 2000℃(폭심지 부근에서는 3000~4000℃)라고 하며 이에다가 충격파에 의한 폭풍압(폭심지에서 35t/㎡, 1.3㎞ 지점에서 7t/㎡)이 가하여 피해를 크게 하고 있다. 가열온도가 매우 높다 하여도 폭로시간이 짧을 때는 표면은 용융하여도 콘크리트 구조물로서의 외관은 그대로 있다. 콘크리트에서는 이들의 성질이 온도에 따라 일정하지 않는 것이 많고 정확한 해석은 곤란하다. 급격한 온도구배에 의하여 일어나는 Spoiling의 d=E/σ2(1-μ)로 구할 수 있다. 여기에서 E는 탄성계수, σ는 인장강도 μ는 뽀아손비이다. 그러나 실제에는 상술한 물성외에 구조물의 乾溫의 상황 가열냉각의 되풀이 회수등으로 파괴의 정도는 아주 다르다. 모르터나 콘크리트가 받는 충격력에 의한 전형적인 구열은 스라브중심부근에서 거의 동심원상으로 발달한다. 제철에 사용하는 코크스를 만드는 코-크스爐에 부착된 소화탑의 콘크리트는 건류된 약 1000℃의 코-크스가 소화차에 실려올 때 열복사에 의하여 표면부터 급격히 건조된다. 코-크스는 바로 80~50℃의 물을 70~80초간 散水하여 소화한다. 散水를 중지하면 콘크리트 표면은 급속히 건조된다. 이와같은 조작을 하루에 150회 되풀이 한다. 소화탑의 궤도내에 설치한 고로시멘트콘크리트공시체의 압축 및 Bending강도의 저하는 볼 수 없으며 탄성계수는 장기에 걸쳐 증가하는 경향을 볼 수 있다. 3. 장기간 고온에 시달리는 구조부재 공업로기초, 해수담수화장치, 원자로압력용기 동격납용기 등은 장기가열이나 싸이클 가열을 받는다. 이들 콘크리트구조물이 받는 온도는 그리 높다고는 할 수 없으나 장기간 가열되는 영향은 많은 실험에서 콘크리트의 내력저하를 일으키고 있다. 예를들면 콘크리트의 압축강도가 가열온도 50℃에서도 20℃때보다 특이한 저하를 나타낸다. 석회석은 사용한 보통콘크리트를 90~100℃에 18개월간 시달리게 하였을 때의 강도는 약 40% 감소하였다. 그러나 내유산염시멘트와 후린트를 다량 함유한 골재를 사용한 콘크리트는 강도저하가 거의 없었다. 80~250℃에서 3개월간 가열하였을 때는 압축강도는 10% 저하하였고 인장강도는 30% 저하, 탄성계수는 60% 저하하였다. 또 모르터를 110℃에 2년간 보존하였더니 강도가 10% 저하하였다. 따라서 콘크리트는 상당히 낮은 온도에서도 장기간 온도에 시달리면 강도나 탄성계수에 있어서 영향을 받는 것을 알 수 있다. 70~232℃, 20~90℃의 온도에 보존된 콘크리트는 온도가 올라가면 Creep의 회복은 Creep에 비하여 작도 또 온도에 관계되지 않고 Creep의 기구는 상온때와 변함이 없다. 이와 같이 응력수화는 고온 Creep가 유리하게 작용할 때도 있으나 고온 Creep가 생긴 후에 장치가 휴지하여 온도가 내려갔을때에 수화응력이 잔류하여 장치의 내표면 부근에 과대한 인장응력이 생길 위험성도 고려된다. 원자로를 비롯한 장기간 고온하에 있는 장치는 사회적으로도 높은 안전성이 요구되는 것이 많고 또 연구가 진행중이다. V. 기타 콘크리트가 갖는 내열성의 한도를 넘는 에너지를 가하였을 때는 콘크리트는 파괴된다. 다음에는 콘크리트를 내부에서 가열하는 방식은 철근에 저전압 ·대전류를 통하여 가열하거나 전자 유도를 이용하여 철근을 가열하였을 때는 콘크리트에 인장력이 생기어 구열이 발생한다. 철근을 400~500℃로 가열하면 철근은 0.4~0.5 신장하고 냉각하면 수축을 나타내어 이때 부착력은 1% 저하가 된다. 콘크리트나 암석은 큰 誘電體損失이 있기 때문에 일대의 전극을 설치하여 고주파에너지를 가하면 온도가 높아져서 열 STRAIN압력을 발생하여 콘크리트 온도가 100℃ 정도에서도 구열이 발생한다. 또 콘크리트에 전자파 에너지를 조사시켜 내부 가열을 일으키며 파괴하거나 균열을 생기게 할 때는 콘크리트의 파괴는 내부온도가 150℃ 이상일 때 일어나고 있다. 이외에 아-크열용단방법이나 FP-사에 의한 파괴도 연구되고 있다. VI. 結語 이상과 같이 시멘트콘크리트는 수화물을 생성하여 경화되는 것이 많기 때문에 본질적으로는 물의 성질의 영향을 받을 때가 크다. 콘크리트의 고온에 대한 저항성은 콘크리트가 여러 가지의 고온의 환경을 경과하였을 때 단기적으로는 비교적 내구성이 기대되지만 장기적 또는 내부로부터의 가열에 대하여는 상당히 낮은 온도일 때도 열의 영향을 받기 쉽다. 따라서 콘크리트의 이와 같은 성질을 이해한 후에 구조물로서의 내화 ·내열의 목적을 달성할 수 있도록 설계와 시공면에서 연구하여 콘크리트 자체에는 열적부하를 최소한으로 하여야 한다. |
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