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고강도 콘크리트 폭렬현상
1. 들어가며
초고층 건물의 주요 수직부재에 사용하게 되는 고강도 콘크리트는 화재에 취약하며, 고온 화재에 노출되어 20~30분 동안 계속 가열되면 콘크리트가 표면에서부터 떨어져 나가기 시작하고 철근을 노출시키게 된다. 노출된 철근은 화염에 닿으면 쉽게 강도를 잃어서 구조체에 치명적인 결과를 초래하게 된다. 실재 화재를 견디지 못해 건물이 붕괴된 사례는 여러 건이 있다.
내화성을 보강하지 않은 고강도 콘크리트는 내화구조가 될 수 없으며, 철골조에서 실시하는 내화피복과 유사한 방법으로 콘크리트 구조체를 감싸는 내화피복을 설치해야 한다. 이는 단지 화재로부터 건물 붕괴를 방지할 목적뿐 아니라, 부분적인 화재가 발생한 경우라도 전체적인 건물의 구조적 수명에는 문제가 없도록 하는데 목적이 있다. 특히 초고층 건물은 200~300년 이상 장기적으로 사용하는 것을 목표로 건축하기 때문에 건물의 장수명화를 위해서도 내화보강 조치는 꼭 필요한 것이다. 고강도 강재나 고강도 콘크리트 뿐 아니라 대부분의 고강도 재료는 화재에 노출되면 강도저하가 급격하게 일어나기 쉬우므로 고강도 구조부분은 내화피복이나 특별한 내화구조로 시공하여 구조물 안전에 주의해야 한다.
2. 콘크리트 폭렬현상?
고강도 콘크리트는 밀실하여 열전도성이 낮고 비열이 높아, 열을 받았을 때 열에너지 분산이 어렵다. 화재시 콘크리트에 열이 집중되면 콘크리트 내에 잔류해 있는 자유공극수가 콘크리트 내에서 끓게 되어 높은 압력의 수증기가 발생한다. 내부에 공극이 거의 없고 표면이 밀실한 콘크리트는 이 수증기를 밖으로 발산하기 어려우며, 이 수증기압이 점차 증가하여 콘크리트의 인장강도보다 커질 경우에 갑자기 폭발적인 파괴현상 발생하게 된다. 일반 강도 콘크리트는 화재시에 내부에서 발생하는 수증기가 밀실하지 못한 미세 틈새로 분산 배출되기 때문에 화재에는 더 안전할 수 있다.
3. 폭렬현상 방지 대책
고강도 콘크리트의 폭렬을 방지하기 위하여 콘크리트 자체에 수증기 배출통로를 마련해주어 성질을 개선시키는 방법과 콘크리트가 화재에 노출되지 않도록 내화피복을 하는 방법이 있다. 콘크리트 자체의 성질을 개선하는 방법은 특정부위에 관계없이 일정한 내열성능을 갖게 되지만, 내열판으로 콘크리트 피복을 하는 경우에는 앙카물 설치 등으로 인해 내열판이 훼손되었을 경우 세심히 보강하지 않으면 일부 특정 부위가 폭렬현상에 노출될 수도 있다.
특히 내화피복을 하는 경우에는 수직부재가 원래 계산에서 산출된 부재 치수보다 커지게 되므로 공법에 따라 피복으로 증가되는 구조체 치수를 상세설계에 감안해야 한다. 특히, 주거용 단위세대의 경우에는 기둥크기에 따라 연결되는 평면 벽체 치수가 달라지므로 전용면적 등에 영향을 주게 된다.
3.1. 무기질(규산칼슘)판 부착법
콘크리트 구조물 자체는 그대로 두고 콘크리트면 외부에 내화성 무기질 단열판을 설치하여 구조체 안으로 전달되는 열을 차단하는 방법이다.
접착공법 : 특수 접착제로 내화판을 구조체에 직접 부착하여 20mm 두께 시공
고정철물공법 : 내화판과 구조체 사이에 20mm 공극을 형성하며 50mm 두께로 시공
3.2. PP 섬유 콘크리트 혼입법
PP(Poly-propyline) 섬유는 화재시 200℃ 이하에서 녹아 콘크리트 내부에 수증기가 통할 수 있는 통로를 만들게 된다. 고강도 콘크리트가 가열되어 내부에서 수증기가 발생하면 PP섬유가 녹아서 생긴 통로를 통해 배출되어 폭렬현상이 발생하지 않도록 콘크리트를 개선시킨다. 콘크리트에 혼합하는 보강용 PP섬유직경은 0.2mm 이하로 길이는 5~20mm 정도의 것을 콘크리트 중량 비율의 0.1~0.35%를 교반 혼합하여 타설한다.
3.3. PP 분말 콘크리트 혼입법
PP 섬유를 혼합할 때 섬유의 뭉침 등의 불균질한 혼합이 발생하지 않도록 하면서 고강도 콘크리트 내에 미세통로를 만들어 수증기압을 배출시킬 수 있도록 보강재인 PP 분말을 넣어 콘크리트 자체의 성능을 개선시킨다. 혼입량은 콘크리트에 대하여 1~3kg/m3 정도 넣는다.
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