1. 서 론
터널 내 슬래브(Slab)의 설치는 현장타설 시공과 프리캐스트 시공으로 구분된다. 현장타설의 경우 터널 라이닝이 완료된 이후 동바리로 지지된 거푸집에 철근을 배근하고 콘크리트를 타설하여 슬래브를 시공하는 방식으로 공사기간이 길다. 반면 공장에서 제작된 프리캐스트 슬래브는 미리 터널 라이닝에 브라켓을 설치하고 크레인 등으로 연속적으로 시공하므로 공사기간이 짧다(Lee et al., 2019, Hwang, 2021).
프리캐스트 콘크리트(PC)공법은 공장에서 미리 제작하여 현장에서 설치하기 때문에, 제작 시 공정을 관리하기 유리하고 시공성이 좋아서 널리 사용되고 있다. 프리캐스트 제작 시, 제작 속도는 비용과 연계된 중요 요인이기 때문에 콘크리트의 조기강도 발현을 위해 증기양생 등의 기술을 사용하고 있다. 그러나 콘크리트의 조기탈형을 위한 증기양생은 비용 증가가 발생하므로 상온양생을 위해 조강시멘트, 조강형 혼화재 및 혼화제에 대한 연구가 수행되었다(Min et al., 2015).
콘크리트의 경우, 응결과 경화를 촉진하여 초기 강도를 빠르게 발현하기 위해 사용되는 촉진제는 시멘트의 수화반응을 조절하는 혼화제로서, 지연제와는 다르게 응결시간이나 초기수화속도를 촉진시키기 위해 사용되며, 일반적으로 감수제나 AE감수제 등과 같이 사용된다. 대표적인 콘크리트의 촉진제는 염화칼슘(CaCl2)이 있으며 첨가량에 비례하지만, 철근부식을 촉진할 수 있으므로 사용량의 규제가 있다(KRRI, 2011).
Choi et al.(2020)은 내화재가 슬래브와 일체형으로 제작된 내화풍도슬래브에 대한 화재성능을 평가한 바 있다. 이 연구에서 사용된 내화재는 석고와 시멘트에 강도 및 내구성 증진을 위한 포졸란재와 폭렬방지와 관련된 셀룰로오스(Cellulose) 등을 넣어 압축강도 25 MPa이상으로 제작되었다. 일반적으로 내화재는 콘크리트와 달리 골재를 사용하지 않는 모르타르로 만들어진다. 내화성능 발현을 위해 비열과 열전도율을 낮게 할 필요가 있으며, 이에 따라 재료의 조직이 치밀하게 되어 양생시간이 긴 특징을 가진다. 이 연구에서 사용된 내화재 역시 양생시간이 길기 때문에, 조기탈형을 통한 몰드의 전용횟수를 늘릴 필요가 있다.
패시브 방식(Passive fire protection system)의 대표적인 내화재인 내화 패널과 뿜칠 내화재는 터널 라이닝 또는 중간 슬래브와 같은 터널 내부의 슬래브 시공이 완료된 이후에 설치한다. 반면 내화재 일체형 프리캐스트 콘크리트는 공장에서 제작하여 현장 시공하기 때문에 기존 구조물과 내화재 시공에 비해 속도 면에서 우월하다. 그러나 내화재 일체형으로 제작하기 위해서는 하부의 내화재를 시공하고 그 상부에 콘크리트를 타설하여 일체화시키기 때문에 내화재와 콘크리트의 양생속도 및 초기강도 발현 속도 촉진은 생산성 향상을 위한 중요한 요인이다(Choi et al., 2020, Choi et al., 2021, Yu and Kim, 1995)
콘크리트에서 경화촉진제는 철근 부식, 슬럼프 저하 등의 문제가 발생할 수 있지만, 내화모르타르의 경우 철근부식의 문제가 없고 또한 콘크리트와 마찬가지로 고성능감수제의 사용으로 유동성을 확보할 수 있다. 본 연구에서는 내화 모르타르의 초기강도 발현을 위해 경화촉진제(Hardening accelerator)를 사용하였고 경화촉진제 사용에 따른 내화재의 화재저항성능을 살펴보았다.
2. 시험체 제작 및 시험방법
2.1 시험체 제작
본 연구에서 사용한 시험체는 내화재와 콘크리트 구조체가 일체형으로 만들어진 합성부재로서, 내화재는 구조체로서의 기능은 없으며 슬래브로 사용되는 콘크리트 구조체의 하부, 즉 터널 내측에 설치되어 화재 시 콘크리트 구조체를 보호하는 역할을 한다.
일반적으로 콘크리트는 온도증가에 따라 압축강도 및 탄성계수와 같은 역학적 특성의 저하가 발생하며, 특히 급격한 온도가 발생하는 상황에서 폭렬(Explosive spalling)이 발생할 수 있기 때문에 콘크리트에 막(membrane) 또는 보호층(protective layer) 형태의 내화재를 사용하여 화재에 대비한다(Phan, 1996, Khoury, 2002, Hertz, 2003, Chang et al., 2007, Kodur and Dwaikat, 2008, Kwon et al., 2016). 고온 및 고열에 견디는 내화재는 일반적으로 알루미나와 실리카 계열의 물질들이 많으며, 점토질, 탄화규소질 물질들이 제조에 사용된다.
슬래브와 내화재를 일체형 프리캐스트로 제작하기 위해서, 화재면으로 설정되는 내화재 30 mm를 하단에 먼저 제작하고 일정강도까지 양생한 후, 그 상부에 철근 조립과 거푸집을 사용하여 콘크리트 구조체를 시공하였다(Fig. 1). 시험체는 내화 모르타르의 초기강도 발현을 위해 사용되는 경화촉진제의 효과를 파악하기 위해 내화재 두께는 같지만, 경화촉진제가 포함된 시험체(FM-1)와 포함되지 않은 시험체(FM-2)로 구분하여 제작하였다. FM-1시험체는 경화촉진제를 0.3% 포함시켜 재령 3일에서의 강도를 재령 1일에 발현시켰고 고성능감수제로 30분 정도의 유동성을 확보한 배합으로 제작되었다. 시험체의 크기는 화재시험을 위한 가열로 면적인 1,400 × 1,000 mm(가열면 1,100 × 700 mm, 높이 250 mm)이다.
내화재의 성능을 파악하기 위해 시험체의 내부에 Fig. 1(d)와 같이 열전대를 설치하였다. 열전대는 직경 3.2 mm인 시스형 열전대(Sheathed thermocouples)를 사용하였고 콘크리트의 온도손상 기준 위치인 내화재와 콘크리트의 접합면(TC-1, TC-2)과 접합면(d=0 mm)으로부터 20 mm(TC-3), 40 mm(TC-4, TC-5) 깊이에 열전대를 설치하였다(Table 1).
내화재는 물과 반응하는 석고 및 시멘트, 그리고 골재에 포졸란재 중에서 고로슬래그 또는 플라이애쉬를 혼합하였다. 더불어 온도상승에 따른 폭렬을 방지하기 위해 혼화제로서 셀룰로오스(Cellulose)를 포함시켰다. 압축강도는 25 MPa이상이고 휨강도는 5~7 MPa, 부착강도는 1.2 MPa이상이다. 내화재 위에 시공된 콘크리트 블록의 배합설계는 Table 2와 같다.
Table 1.
Position of thermocouples in the test specimens
| Thermocouple No. | Position of thermocouples | |
|
FM-11) (without hardening accelerator) |
FM-21) (with hardening accelerator) | |
| TC-1 | 0 mm | 0 mm |
| TC-2 | 0 mm | 0 mm |
| TC-3 | 20 mm | 20 mm |
| TC-4 | 40 mm | 40 mm |
| TC-5 | 40 mm | 40 mm |
Table 2.
Concrete mix design
|
Design strength (MPa) |
Gmax (mm) |
W/B (%) |
S/a (%) |
Slump (mm) | Unit weight(kg/m3) | |||||
|
Water (W) |
Cement (C) |
Sand (S) |
Aggre-gate (G) |
AD1 (%) |
AD2 (%) | |||||
| 50 | 25 | 27.3 | 46 | 180 | 88 | 582 | 836 | 869 | 1.16 | 6.98 |
2.2 시험방법
경화촉진제 사용에 따른 내화재의 성능을 파악하기 위해 터널 내 화재시나리오를 모사할 수 있는 고온가열로를 사용하였다. 가열로는 시험체를 수평으로 설치하고 하부에서 시험체를 가열하는 수평가열로 방식이다. 수평가열로와 시험체 사이의 이격을 막기 위해 Fig. 2과 같이 시험체와 가열로 사이에 세라믹 섬유(Ceramic fibres)를 설치하였다. 시험체는 28일간 양생한 후 화재저항성능시험에 사용되었다.
지하공간에서의 화재에 대한 화재시나리오는 급격하게 증가하는 온도 모사를 특징으로 한다. 본 연구에서는 지하공간 화재모사에서 가장 많이 활용하는 RABT (Richtlinien für die Ausstattung und den Betrieb von Straßentunneln), HC (Hydrocarbon), HCinc (Modified Hydrocarbon), RWS (Rijkswaterstaat) 중에서 가장 강력한 화재시나리오인 RWS (Rijkswaterstaat) 화재시나리오를 사용하였다(Fig. 3). 시험동안 시험체 내부의 모든 열전대 온도는 1초 간격으로 측정하였다.
3. 화재저항성능시험결과
RWS 화재시나리오 하에서 내화모르타르 두께가 30 mm이고 경화촉진제를 사용하지 않은 시험체(FM-1)와 사용한 시험체(FM-2)에 대하여 Fig. 4와 같이 화재저항성능시험을 수행하였다.
경화촉진제를 사용하지 않은 일반 시험체(FM-1)의 경우, 내화모르타르와 콘크리트의 접합부인 내화모르타르의 계면에 설치된 열전대(TC-1, TC-2)에서는 시험을 시작하고 60분까지의 평균 온도증가율이 1.84°C/min로 나타났으며, 60분 이후의 평균 온도증가율은 2.93°C/min 이었다. 콘크리트 부에 설치된 나머지 열전대(TC-3~TC-5)에서는 눈에 띄는 온도변화가 나타나지 않았다.
시험 종료까지 각 열전대들에서 측정된 온도결과의 최대치는 다음과 같다. 내화모르타르의 계면을 기준으로 d=0 mm, d=20 mm, d=40 mm 위치에서의 최대온도는 각각 367.8°C(TC-1), 149.4°C(TC-3), 109.5°C(TC-4)로 측정되었다(Fig. 5와 Table 3 참조).
Table 3.
Peak temperature of test specimens
| Thermocouples | Peak temperature (°C) | |
| FM-1 | FM-2 | |
| TC-1 | 367.8 | 449.3* |
| TC-2 | 334.1 | 638.8* |
| TC-3 | 149.4 | 303.8 |
| TC-4 | 109.5 | 193.5 |
| TC-5 | 104.9 | 222.9 |
Fig. 6은 내화재 두께가 30 mm이고 경화촉진제를 사용하지 않은 시험체의 화재저항시험 전과 후 내화재의 모습 예이다. 시험체 하부의 가열면(내화재)에서 망상균열을 확인할 수 있었지만, 단면손실은 나타나지 않았다. 가열면은 시험 전의 회색 콘크리트 빛깔에서 부분별로 밝은 갈색(베이지색)과 짙은 갈색으로 변색이 되었다.
경화촉진제를 사용한 시험체(FM-2)의 경우, 내화모르타르와 콘크리트의 접합부인 내화모르타르의 계면에 설치된 열전대(TC-1, TC-2)에서는 시험을 시작하고 16분 이후부터 온도가 급격하게 상승하였다. TC-1과 TC-2의 열전대가 동일 높이, 40 mm 간격임에도 불구하고 온도와 온도증가율이 크게 차이가 나는 이유는 Fig. 8(b)에서와 같이 TC-2 위치의 내화재 피복에서 단면손실이 나타났기 때문이다. TC-2에서는 시험 시작 후 34분에 ITA(2004)의 콘크리트 온도손상기준인 380°C에 도달하였으며, TC-1에서는 81.7분에 380°C이상의 온도가 측정되었다. 콘크리트 부에 설치된 나머지 열전대(TC-3~TC-5)에서는 내화재의 단면손실에 따라 온도상승이 FM-1 시험체의 같은 위치에서의 온도상승에 비해 1.8~2배 정도 높게 나타났다.
시험 종료까지 각 열전대들에서 측정된 온도결과의 최대치는 다음과 같다. 내화모르타르의 계면을 기준으로 d=0 mm, d=20 mm, d=40 mm 위치에서의 최대온도는 각각 638.8°C(TC-2), 303.8°C(TC-3), 222.9°C(TC-5)로 측정되었다(Fig. 7와 Table 3 참조).
Fig. 8은 내화재 두께가 30 mm이고 경화촉진제를 사용한 시험체의 화재저항시험 전과 후 내화재의 모습 예이다. 경화촉진제 사용여부에 관계없이 시험체 하부의 가열면(내화재)에서 망상균열을 확인할 수 있었으며, RWS시나리오 하에서 경화촉진제를 사용할 경우 내화재는 부분적으로 단면손실이 나타남을 확인할 수 있었다. 가열면의 색은 FM-1과 마찬가지로 최초의 회색 콘크리트 빛깔에서 부분별로 밝은 갈색(베이지색)과 짙은 갈색으로 변색이 되었다.
4. 결 론
터널의 풍도슬래브를 프리캐스트로 제작하는 것은 시공품질과 속도 면에서 효과적인 방법이다. 공장에서 제작되는 프리캐스트 콘크리트는 양생조건을 최적화하고 동일하게 함으로써 높은 품질의 균질한 제품을 제공한다. 본 연구에서는 콘크리트와 내화재를 프리캐스트로 제작할 때, 양생기간이 길어지는 점을 단축하고자 내화재에 경화촉진제를 사용할 경우 내화재 일체형 프리캐스트 슬래브의 화재저항성능을 살펴보고자 하였다.
콘크리트에서 경화촉진제는 수화반응 속도인 응결시간을 단축시켜 조기압축강도를 증가시키는 반면, 장기압축강도는 감소시키는 것으로 알려져 있다. 수화반응재를 사용하는 내화재에서 수화반응 속도 증가, 즉 경화촉진제 사용에 따라 화재저항성능이 유지되는지를 확인하고자 RWS화재시나리오 하에서 화재저항성능시험을 수행하였다. 그 결과, 경화촉진제를 사용하지 않은 경우에 비해 경화촉진제를 사용한 경우가 시험체 내부의 온도증가, 특히 내화재와 콘크리트의 접합부에서의 온도가 크게 증가하였다. 가열로 내부의 고온에 의해 가열면에서 내화재의 박리·박락이 나타났으며, 이 단면손실은 가열면 전체에서 나타나지 않고 국부적으로 발생하였다. 국부적으로 나타난 단면손실로 인하여 동일 높이, 유사 위치에서의 열전대 측정온도가 큰 차이를 보였다.
경화촉진제를 사용한 시험체에서는 내화재와 콘크리트의 접합부 온도가 콘크리트 손상기준온도를 초과하였으며, 단면손실이 발생한 위치의 열전대에서는 시험 시작 후 34분만에 380°C이상의 온도가 측정되었다. 결론적으로 본 연구에서 사용한 조건과 같이 경화촉진제를 사용하여 재령 3일 강도를 재령 1일에 발현시킨 경우에서는 RWS화재시나리오 하에서 충분한 화재저항성능을 보장하지 못하는 것으로 판단된다.
