A Study on the Effect of Fire Heat on the Durability of Concrete Structures Repaired and Reinforced with Epoxy Resin

화열(火熱)이 에폭시수지로 보수·보강된 콘크리트 구조체의 내구성에 미치는 영향에 관한 연구

Abstract

Purpose: In accordance with the increase in the number of buildings repaired and reinforced following deterioration from when a fire occurs in a previously reinforced building, the impact on the structure after the fire is analyzed to establish standards for repair and reinforcement measures. Method: After curing for 28 days, the process was to measure the compressive strength and induce destruction through a compressor, repair and reinforce it with epoxy, and conduct a re-compressive strength test on some specimens after curing for 3 days to understand the degree of strength restoration. The rest of the repaired and reinforced specimens as well as the unrepaired and unreinforced specimens were then put into an oven and heated according to the temporal and temperate conditions listed below, and then the compressive strength was tested to estimate the impact of fire. Result: After reinforcing the yielded specimen with epoxy, the process was to then put it in an oven and heat it at different temperatures over time. It was found that there was a decrease in the strength of the reinforcement more than that of the actual specimen. Conclusion: Based on this, it was found that a building repaired and reinforced with epoxy resin is actually more dangerous than a general unrepaired building when it is damaged by fire, and thus, that it must be prepared for fire vulnerabilities.

연구목적: 건축물의 노후화에 따른 보수, 보강 건축물의 증가에 따라 기 보강된 건축물에 화재가 발생시 화재 후 구조물에 미치는 영향성을 분석하여 보수, 보강대책의 기준을 마련하고자 한다. 연구방법: 콘크리트 배합설계에 의한 공시체를 제작하여 28일 양생 후 압축기를 통해 압축강도 측정 및 파괴를 유도후 에폭시로 보수, 보강하여 3일 양생 후 일부공시체를 재 압축강도시험을 실시하여 강도 복원 정도를 파악하고 보수, 보강한 나머지와 보수, 보강하지 않은 공시체를 실험용 전기로에 넣고 시간, 온도별로 가열한 후 압축강도를 실험하여 화재의 영향성을 추정함. 연구결과: 항복된 공시체를 에폭시로 보강한 후 실험용전기로에 넣어 가열을 시간별로 온도의 차이를 주어 실험한 결과 높은 온도에서 열 영향을 받는 시간이 길면 길수록 강도의 저하가 발생함을 알 수 있었고 보수, 보강되지 않은 공시체보다 더 강도 저하가 있음을 알 수 있었다. 결론: 이를 토대로 볼 때 에폭시 수지로 보수, 보강된 건축물이 화해를 입을 때는 일반 보수되지 않은 건축물보다 더 위험함을 알 수 있었으므로 화재에 대한 안정성을 고려하였을 때 보수보강 표면에 내화피복재 등을 도포하는 등 화재 취약에 대비하여야하겠다.

서론

1970년대 이후 대한민국의 경제발전에 따라 대규모 건축물이 출현하였고 1980년대의 주택 200만호 건설 등으로 대단지 아파트가 양산되었고 1990년대의 분당 및 일산 등 제1기 신도시 건축물의 구조부로 사용된 콘크리트가 초창기 재료 배합 기술의 부족에 따라 많은 건축물이 균열 및 박리 등으로 노후화가 상당히 진행되어 안전 문제가 사회 중요이슈로 대두됨에 따라 많은수의 건축물이 안전 점검을 실시하여 주요구조부에 보수, 보강이 이루어졌고 주된 보수, 보강 방법으로는 균열부에 에폭시수지를 주입하거나 보강재를 덧붙이고 그 틈을 에폭시 수지로 채우는 방식이어서 현재 여러 가지 이유로 신축이 제약된 상황에서 이렇게 보수, 보강된 건축물이 많이 존재하고 있다. 또, 그 보수, 보강된 건축물을 계속적으로 리모델링하며 가연성 마감재를 주로 사용하고 있다.

만약 에폭시로 보수, 보강된 건축물에 화재가 발생할 경우 주요구조부에 어떠한 영향을 미치는지를 실험을 통해 확인하고 화재 이후 건축물의 상태를 예측하고 건축물의 안전을 고려하여 반드시 보다 체계적인 안전점검을 실시하여 안전한 상태의 건축물이 되도록 보강하여야 한다는 필요성을 인식시키고 최초 보수, 보강시 만일의 화재에 대비하여 보강부위에 내화피복등을 고려해야 한다는 당위성을 정착 시키도록 실질적인 데이터를 마련하는 연구의 목적으로, 학술적 가치가 있는 논문입니다.

연구방법

연구방법 개요

본 논문에서 연구방법은 콘크리트 배합설계에 의한 21N/mm², 24N/mm², 27N/mm²등 3종류의 압축강도 를 가진 콘크리트 공시체를 각각 30개씩 제작하여 28일 수중양생과 최장 2주일의 상온 건조 양생후 각 강도별 20개씩을 콘크리트 압축강도 측정기를 통해 압축강도 측정한 후 파괴된 공시체의 균열부 표면을 에폭시 퍼티로 메우고 에폭시를 주입하는 방법으로 콘크리트 공시체를 보수, 보강하여 3일 양생 후 그 중 10개씩의 공시체를 재 압축강도시험을 실시하여 콘크리트 압축강도 복원 정도를 파악하고 에폭시 주입으로 보수, 보강하고 재 압축강도 시험하지 않은 10개의 공시체들과 압축강도 시험을 하지 않은 원공시체들 10개를 실험용 전기로에 같이 넣고 100℃(도달시간30분), 500℃(도달시간 1.5시간)로 각각 30분간 동안 그 온도를 유지하게 가열한 후 압축강도를 실험하여 보강하지 않은 공시체와 에폭시로 보강한 공시체를 비교하여 화재에 노출된 상황에서의 각 콘크리트의 화재 영향성을 추정하려함.

콘크리트 압축강도시험

KS F 2405 한국산업표준에 의거 하여 실시하였고 본 실험에 사용한 공시체는 KS F 2403에 의거 제작 되었다.

현장에서 공시체 몰드에 상기 현장 배합표에 의거 만든 레미콘을 3층으로 나누어 각층을 25회 다짐하여 공시체를 제작 후 다음날 응결이 완전히 이루어진 후 수온 20℃를 유지하는 실험실 수조로 옮겨 28일 동안 양생한 후 꺼내 7일간 상온(약20℃)에서 추가 건조 양생(실험기간을 고려하면 35일~42일 양생)하여 실제 건축물과 비슷한 습도를 가진 공시체 상태를 만든 후 압축강도시험(KS F 2405)을 진행하였다.

35일간 수조(28일)와 상온(20℃,7일-최장14일)에서 양생된 시험용 공시체를 규격별로 구분하여 일련번호를 지정함. 21N/mm² 강도의 공시체 일련번호 2101~2130, 24N/mm² 강도의 공시체 일련번호 2401~2430, 27N/mm² 강도의 공시체 일련번호 2701~2730으로 강도별로 각각 30개씩 지정하였다.

실험결과 및 고찰

Table 1은 각 배합강도별 30개의 공시체중 20개에 대하여 압축강도 시험을 실시한 결과이다.

Table 1. Compressive strength analysis 단위 : Mpa (N/mm²)

35일(최대42일) 재령의 공시체 압축강도는 21N/mm²(2101~2120)인 경우 배합강도 보다 19.9N/mm²(94.9%)만큼 강도가 더 발현된 것으로 시험되었다.

24N/mm²(2401~2420)인 경우에는 배합강도 보다 20.9 N/mm²(87.1%)만큼 강도가 더 발현 된 것으로 시험되었다.

27N/mm²(NO 2701~2721, 2707-시험실패)인 경우 에는 배합강도 보다 17.3N/mm²(64.1%)만큼 강도가 더 발현 된 것으로 시험되었다.

일반적인 28일 압축강도보다 다소 높게 측정되었지만 실험의 주안점이 아니라 무시하였다.

Table 1의 실험한 공시체를 자동저압주입공법으로 에폭시난연수지(25℃에서 점도 500~700 cps)와 일반 초저점도에폭시수지(25℃에서 점도 70~100 cps 이하)로 균열에 실링작업 후 그라우팅 보수, 보강하여 양생 후 콘크리트의 압축강도의 변화를 보수, 보강하지 않았을 때와 비교하여 얼마나 강도가 복원되는지를 검토하여 보았고 이 실험에서 사용한 에폭시수지는 시중에 유통되는 D사제품으로 초점도일반(D-2001M)과 저점도 난연수지(DYN-1100)를 사용하였다. 그 결과는 Table 2와 같다.

Table 2. Compressive strength analysis (Reinforced specimens) 단위 : Mpa (N/mm²)

보강한 배합 설계강도 21N/mm²의 공시체는 시험압축강도에 비해 평균 7.4%적게 측정되었지만 배합 설계강도에 비해 181.5% 더 압축강도가 발현되었고 일반과 난연의 차이나 초점도와 저점도에 의한 균열부의 침투 차이도 발견되지 않았다.

보강한 배합설계강도 24N/mm²의 공시체는 시험압축강도에 비해 평균 12.7%적게 측정되었지만 이 그룹 역시 배합설계강도에 비해 162.7% 더 압축강도가 발현되었고 일반, 난연, 초점도와 저점도에 의한 균열부의 침투 차이도 발견되지 않았으나 배합설계강도 21N/mm²의 공시체에 비해 5.32% 적게 압축강도가 복원됨을 알 수 있었다.

보강한 배합설계강도 27N/mm²의 공시체는 시험압축강도에 비해 평균 15.4%적게 측정되었지만 이 그룹 역시 배합설계강도에 비해 136.6% 더 압축강도가 발현되었고 일반, 난연, 초점도와 저점도에 의한 균열부의 침투 차이를 보였으나 이는 실험체의 에폭시 주입차이 정도 판단되었으나 배합설계강도 21N/mm²의 공시체에 비해 8.0%, 24N/mm²의 공시체에 비해 2.67%적게 압축강도가 복원되었다, 그러므로 배합설계강도가 클수록 에폭시 수지로 인한 손상된 공시체의 압축강도 복원은 적어짐을 알 수 있었다.

기 실험한 공시체를 자동저압주입공법으로 에폭시 난연수지와 일반 초저점도에폭시수지로 균열에 실링작업후 그라우팅보수, 보강(Lee, 2000; Park, 1992; Cho, 1997)하여 양생후 100℃와 500℃에서 각각 30분 동안 가열 상태를 지속시켜 실제 화해 입었을 때와 유사한 상황에서 콘크리트의 압축강도의 변화를 보수, 보강하지 않은 원공시체를 동일한 가열 상태로 두었을 때와 비교하여 보았다.

우선 보수, 보강하지 않은 원공시체를 100℃로 30분간 지속 가열한 상태는 Table 3과 같다.

Table 3. Compressive strength (100℃) 단위 : Mpa (N/mm²)​​​​​​

100℃로 30분간 가열상태로 두어 초기화재시와 조건을 같이하는 실험에도 다소 차이는 있어도 평균압축강도에 대비해 21N/mm² 5%감소, 24N/mm²는 12.9%감소, 27N/mm²는 16.6%감소하는 현상을 보였다, 100℃에서는 물성의 변화가 나타나지 않은 것으로 판단되었다.

보강한 공시체를 100℃로 30분간 가열상태 두고 압축강도 시험한 결과는 Fig. 1과 같다.

Fig. 1. Compressive strength (Reinforced specimens -100℃)

시험압축강도에 대비해 21N/mm² 10.5%감소, 24N/mm²는 16.4%감소, 27N/mm²는 18.6%감소하는 현상을 보였다, 원공시체에 비교 시 2~5%의 강도 저하가 발생하였으나 Table 2에서 보여지 듯 보수, 보강한 공시체에서 강도 저하가 일어나는 것과 같이 에폭시로 보강한 공시체를 100℃로 30분 가열하였을 때도 비슷한 정도의 물성 변화(각 배합강도별 차이)가 나타나는 것으로 판단되었다.

보수, 보강하지 않은 원공시체를 500℃로 30분간 가열하여 화재 발생 후 활화기의 콘크리트 구조물 피해와 동일 상황일때와 비슷한 조건에서는 Fig. 2와 같이 21N/mm²의 배합설계강도의 공시체에서는 16%,24N/mm²의 배합설계강도의 공시체에서는 21%, 27N/mm²의 배합설계강도의 공시체에서는 24.1%의 강도 저하가 발생하는 등 콘크리트의 물성에 변화가 크게 일어나는 것으로 판단되었다.

Fig. 2. Compressive strength (-500℃)

일반 초점도 에폭시와 저점도 난연에폭시로 보강한 콘크리트 공시체를 500℃까지 1.5시간동안 지속적으로 가열하여 500℃에 도달한 후 30분동안 500℃로 유지시켜 화재의 상태와 가장 유사하게 만들어 압축강도를 시험한 결과는 Fig. 3 과 같다.

Fig. 3. Compressive strength (Reinforced specimens / 500℃)

물성의 변화는 100℃때와 달리 500℃에서는 21N/mm²의 배합설계강도의 공시체에는 30.4%저하(일반일때는 35.3%저하, 난연은 25.3%저하), 24N/mm²의 배합설계강도의 공시체에서는 34.7%(일반일 때는 40.5%저하, 난연은 29.0%저하), 27N/mm²의 배합설계강도의 공시체에서는 29.7%(일반일 때는 36.0%저하, 난연은 23.4%저하)의 압축강도저하가 크게 발생함을 알 수 있었다.

실험 결과 분석

Fig. 4에서 알 수 있듯이 원시험체의 압축강도 평균과 비교하여 보면 원시험체를 100℃가열하였을 때의 압축강도가 2.1N/mm²(배합강도 21N/mm²), 5.8N/mm²(배합강도 24N/mm²),7.3N/mm²(배합강도 27N/mm²)적게 평균되었고 500℃로 가열하였을 때는 6.5N/mm²(배합강도 21N/mm²), 9.4N/mm²(배합강도 24N/mm²),10.7 N/mm²(배합강도 27N/mm²) 적게 평균되었다.

Fig. 4. Compressive strength (By type)​​​​​​​

또, 보강한 시험체를 양생 후 압축강도 시험을 실시하여 원시험체의 압축강도 평균과 비교 하면 2.8N/mm²(배합강도21N/mm²), 5.9N/mm²(배합강도 24N/mm²),7.4N/mm²(배합강도 27N/mm²) 적게 평균되었고 보강한 시험체를 100℃가열하였을 때의 압축강도가 4.0N/mm²(배합강도 21N/mm²), 7.2N/mm²(배합강도 24N/mm²),7.2N/mm²(배합강도 27N/ mm²)적게 평균되었고 500℃로 가열하였을때는 12.7N/mm²(배합강도 21N/mm²), 16.5N/mm²(배합강도 24N/mm²), 12.7N/mm²(배합강도 27N/mm²) 적게 평균되었다.

100℃가열하였을 때 일반에폭시 보강과 난연에폭시 보강을 분석하면 각 배합강도 별로 1~2N/mm² 내외의 편차를 보이므로 차이가 없어 보이나 500℃로 가열하였을 때 일반에폭시 보강보다 난연에폭시 보강이 4~5N/mm² 더 많이 압축강도가 발현한 것으로 보임.

결론

본 논문은 에폭시 수지로 보수, 보강된 콘크리트 구조물에 화재가 발생하여 주요 구조부에 화해를 입었을 시 화재 온도별로 어떠한 피해를 입게 되는지를 살펴보는 실험에 그 주안점이 있다.

실험 결과 초기 화재를 진압한다면 주요 구조부는 대부분 간접 영향권에 있어 100℃이내의 피해를 입을 것으로 판단되며 이는 에폭시의 소실점(200℃이하)이내에 있고 다소 강도 저하가 일어나더라도 최대15%내외 인 것을 알 수 있었다 . 그러나 화재가 1시간 이상 유지되면 화재의 최고 온도가 1000℃까지 치솟게 되고 가연성 물질이 화재로 인해 소실되는 구간에 있는 구조물은 간접 영향을 받더라도 500℃내외로 30분정도 화해를 입는다고 가정해 보았을 때 배합강도 별로는 다소 차이가 있지만 에폭시로 보수, 보강된 구조물이 일반 콘크리트구조물보다 최대16% 더 화재에 취약하다는 사실을 알게 되었다.

에폭시로 보수, 보강된 건축물은 최대 36%까지 압축강도 소실이 일어나므로 에폭시로 보수, 보강된 건축물의 화재 후에는 반드시 정밀안전점검을 실시하여 적절한 보강 조치 후 구조체를 재사용하여야 하겠다. 이 실험에서 UL94 V2인 난연 에폭시도 일반 에폭시에 비해 에폭시 소실점이상 온도에 간접 노출되어도 5N/mm²이상 압축강도가 더 발현된 것으로 볼 때 보수, 보강시 만일에 사태에 대비해 난연에폭시를 사용하거나 콘크리트 구조체라 할지라도 보수, 보강되어진 부분에는 반드시 내화피복재의 도포를 실시하는 등 화재에 대비하여야 할 것으로 판단된다. 또 콘크리트와 같은 무기질재료를 에폭시와 같은 유기질 재료를 더해 단순한 보수, 보강한 공법 (예를 들면 터널 균열보강) 뿐만아니라 에폭시를 사용한 철판보강 ,섬유보강등도 화재에 매우 취약할 수 있다는 것을 인식하여 내화피복하여야 할 것이다. 이 부분 보완을 위해 앞으로도 지속적인 공법 및 재료의 연구가 필요하다.