START 서브노트 문제:
콘크리트의 화재온도 육안추정방법에 대해 설명하시오. 중성화(이유, 해결방안, 측정방법)에 대해 설명하시오. 온도에 따른 콘크리트의 물리적,화학적 특성을 설명하시오.
정답:
콘크리트의 내화성
정의
내화성이란 불에 타지 않고 잘 견디는 성질을 뜻한다.
콘크리트의 화재온도 육안추정방법
- 300도 이하 : 색변화 거의 없음, 표면 그을림 발생
- 300~600 : 핑크나 빨간색(온도가 높을수록 빨간생)
- 600~900 : 연회색
- 900~1000 : 담황색
- 콘크리트는 화재를 경험하게 되면 강도저하, 중성화 등의 열화가 발생하게 되므로 구조물의 안정성 평가와 시설물 유지보수를 위해 비파괴 검사와 코어 테스트 등을 실시하여 콘크리트 강도 저감, 중성화 등 열화정도를 정량적으로 평가하는 것이 매우 중요하다.
화재 시 콘크리트의 중성화 조사를 하는 이유
- 화재 시 콘크리트에 발생하는 대표적 피해로는 강도의 감소와 중성화가 있다. 콘크리트는 수화 생성물인 수산화칼슘으로 인해 강한 알칼리성을 나타낸다. 수산화칼슘이 대기 중의 이산화탄소 등 산성물질과 화학반응을 일으켜 알칼리성을 서서히 잃고 중성으로 변하는 것을 중성화라고 하는데 화재 발생 시에는 탄화수소계의 완전, 불완전연소로 인해 이산화탄소 및 일산화탄소의 농도가 높아지고 이로인해 중성화는 가속된다.
- Ca(OH)2 + CO2 = CaCO3 + H2O
- Ca(OH)2 + 산 = 중화로 알칼리성 소실
- 중성화가 철근 위치가지 진행되면 콘크리트가 철근부식을 막아줄 수 없게 되고 철근이 부식하게 된다. 철근은 부식하면 체적이 약 2.5배 증가하므로 이로인해 콘크리트는 균열 또는 탈락하게 된다. 균열 또는 탈락 부위의 철근의 부식은 가속화 되고 결국 내력저하로 인한 구조적 안정성을 확보할 수 없게 된다.
해결방안
- 중성화 부위 콘크리트를 절취하여 신선한 콘크리트나 에폭시모르타르 등으로 교체
중성화 측정방법
- 측정위치에 코어를 뚫고 청소를 깨끗이 한다.
- 1%의 페놀프탈레인 용액을 분사한다.
- 알칼리성(PH10이상) 부분은 분홍색으로 변하며 색상의 변화상태에 의해 중성화 정도를 파악한다.
온도에 따른 콘크리트의 물리적, 화학적 특성
- 100도 이상 : 자유공극수 방출
- 300도 이상 : 시멘트 수화물 화학적 변질
- 400도 이상 : 화학적 결합수 방출
- 500도 이상 : 수산화 칼슘 열분해
- 600~800 : 시멘트 페이스트 수축 및 골재 파열
- 1000~1200도 : 콘크리트 폭열
철근콘크리트의 화재 시 화학적 및 물리적 변화
- 시멘트 경화체의 탈수
- 시멘트 경화체의 주요 생성물인 수산화칼슘(CaOH2)은 500℃ 정도에서 탈수되어 CaO와 H20로 분리되며, CaO는 상온에서 수분과 반응하여 Ca(OH)2가 생성되며, 이로 인해 콘크리트에 팽창성 균열을 발생시켜 콘크리트의 역학적 성질을 저하시킵니다. 또한, 수산화칼슘의 탈수는 콘크리트 중성화를 촉진시켜 콘크리트의 내구성에 영향을 미칩니다.
- 골재의 상태변화
- 고온에 의한 골재의 상태변화는 골재의 암질 또는 생성과정에 의해 다르고, 규암질 골재에 다량 함유되어 있는 석영은 570℃에서 결정이 변화하며, 석회암은 600~900℃에서 탈탄산 반응이 발생하여 붕괴합니다.
- 콘크리트 구성재료의 열팽창
- 아래 그림에서 보는 바와 같이 고온에 의해 콘크리트를 구성하는 시멘트페이스트(수축)와 골재(팽창)의 열팽창 차이로 인한 균열이 발생됩니다. 특히 시멘트 페이스트는 건조조건에 있어서 100℃를 넘으면 수축을 시작하여 800℃에서 수축률이 약 2%에 달하게 됩니다.
- 기계적 성질 변화
- 화재로 인한 고온에 의한 콘크리트의 압축강도는 수열온도가 높을수록 낮아짐(수산화 칼슘이 탈수하는 500℃를 초과하는 온도를 받으면 콘크리트 온도가 상온으로 돌아가도 강도회복이 안되는 것으로 보고됨)
- 고온의 열로 인한 콘크리트 탄성계수 저하, 수열온도가 500℃를 초과하면 탄성계수 10% 저하하는 경향 있음
- 물리적 성질 변화
- 화재에 의해 고온을 받은 콘크리트의 단위용적질량, 열전도율, 열확산율 등은 탈수나 마이크로 크랙의 발생에 의해 공극량이 증대함에 따라 작아짐.
- 열응력 발생 : 콘크리트는 수열온도의 상승과 동반하여 팽창하지만, 100~200℃의 온도범위에서는 정체경향을 보이고, 600℃정도 까지는 온도의 상승과 동반하여 팽창하여 열응력 발생시킴
- 중성화 촉진
- 고열에 의해 콘크리트 중의 수산화칼슘이 탈수하기 때문에 알칼리성이 감소하여 중성화 촉진
- 각종 수화물의 탈수에 의해 총세공량이 증대됨에 따라 콘크리트 내구성 저하
- 폭렬 현상
- 급격한 온도 변화와 열로 인하여 콘크리트 내부에 갇혀 있던 수분이 외부로 빠져나가지 못하고 팽창 한계점에 도달 이후 폭발하여 부재 표면의 콘크리트가 탈락되는 현상을 폭렬현상이라고 함.
- 화재 시 폭렬에 의해 피복 감소되어 내구성을 저하시키고, 부재 내부의 철근 등의 강재 온도 상승 시킴
- 강재의 성질변화
- 인장강도 저하
- 항복강도는 가열온도의 상승과 동반하여 저하
- 철근의 부착강도 저하 : 철근은 콘크리트에 비해 100℃ 이상의 고온영역에서 열팽창율이 크기 때문에 콘크리트 부재의 고온수열에 의해 철근의 부착강도 저하
-첨부파일-🗑️/Pasted-image-20230622204053.png)
END