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콘크리트 화재에 의한 열화현상 및 보수, 보강 방법
화재는 콘크리트 구조물 공간내에 있는 가연성 물질의 연소에 의해 단시간(30분~3시간 정도)에 고온(1,000℃정도)의 영향을 구조물에 미치게 됩니다.
콘크리트 구조물이 화재의 영향을 받으면 발생하는 고온으로 인해 콘크리트를 구성하는 재료가 열화되면서 역학적 특성이나 물리적 성능이 변화하게 됩니다. 여기서 콘크리트를 구성하는 재료가 화재가 의한 영향으로 어떻게 변화되는 지 말씀드리겠습니다.
콘크리트를 구성하는 시멘트 경화체
- 시멘트 수화물
- 흡착수와 수화물로 구성된느 모세관공극내에 존재하는 모세관수
- 모세관보다 큰 공극에 존재하는 자유수로 구성되는 다공체
화재의 영향을 받은 콘크리트는 이러한 공극상에 있는 물의 탈수와 이것을 동반하는 미세구조의 변화에 의해 열화하게 됩니다.
화재에 의한 콘크리트 열화의 원인 / Mechanism
① 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.
② 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.
③ 콘크리트 구성재료의 열팽창
아래 그림에서 보는 바와 같이 고온에 의해 콘크리트를 구성하는 시멘트페이스트(수축)와 골재(팽창)의 열팽창 차이로 인한 마이크로 크랙의 발생됩니다. 특히 시멘트 페이스트는 건조조건에 있어서 100℃를 넘으면 수축을 시작하여 800℃에서 수축률이 약 2%에 달하게 됩니다.
화재에 의한 콘크리트 및 강재 열화 현상(피해)
1. 콘크리트 성질 변화
① 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
② 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
③ 중성화 촉진
- 고열에 의해 콘크리트 중의 수산화칼슘이 탈수하기 때문에 알칼리성이 감소하여 중성화 촉진
- 각종 수화물의 탈수에 의해 총세공량이 증대됨에 따라 콘크리트 내구성 저하
④ 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
2. 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
건축물 화재 발생 시 구조물의 피해조사 방법과 보강/복구 방법
화재를 받은 콘크리트 구조물의 보수 및 보강은 구조물의 구조안전성, 내화성, 내구성 및 사용성을 화재 전의 상태로 복구하기 위해 피해조사를 해야 합니다. 화재 규모에 따라서 보수, 보강의 기본적인 방법은 아래와 같습니다.
1. 마감재 등의 피해없이 냄새 등이 잔유하고 있는 경우
가연물이 연소할 때 발생하는 냄새를 완전히 탈취하는 것이 어려우나 타고 남은 것을 제거하는 등 원인을 제거하는 것이 가장 중요하며 공기순환이나 오존 소취제를 이용하는 경우도 있습니다.
2. 구조체는 피해가 없고 마감재의 피해가 있는 경우
열이 남은 마감재는 냄새 원인이 되기 때문에 철거하고 구조체 표면에 부착되어 있는 그을음, 기름띠 등의 오염을 샌드블라스터, 워터젯, 드라이블라스터 등으로 가능한 제거한 후 새로운 마감재 시공
3. 철근 등 콘크리트 내부까지 화재가 도달하지 않고, 부재 표면까지만 피해가 도달한 경우
화재로 인한 피해가 콘크리트 부재 표면에 멈췄으나 균열이 발생하거나 중성화의 진행 등 내구성이 저하하고 있는 경우에는 표면피복 공법에 의해 이후 내구성능을 확보하는 것이 일반적입니다. 그리고 국부적인 균열이 현저한 경우나 중성화가 진행되고 있는 경우에는 중성화부위의 피복두께만큼 콘크리트를 깎아내고 현장타설 콘크리트 또는 모르타르 등으로 피복합니다.
4. 철근 등 콘큰리트 내부 강재까지 피해가 미치고, 콘크리트와 철근의 부착에 지장이 있는 경우
부재내력의 저하가 있기 때문에 피복두께만큼 콘크리트를 깎아내고, 주근 등 내부강재를 완전히 노출시켜 현장콘크리트로 재타설하여 복구합니다.
5. 주근의 좌굴 등 콘크리트 부재의 구조적 손상이 있는 경우
명확하게 부재의 구조적 손상이 인정되는 경우에는 그 손상 상태에 따라서 부재의 보강, 부재의 교체, 부재의 증설을 실시합니다.
글, 그림 출처 : 한국레미콘공업협회 기술자료실 "화재에 의한 열화 및 예방책"
건축물 화재 발생 시 건축물을 구성하는 콘크리트 및 강재(철근)의 열화 발생 mechanism과 열화 현상 그리고 건축물 피해조사 방법과 보수, 보강방법에 대해 해당 자료의 내용을 요약하여 말씀드렸습니다. 기타 소방관련 내용 링크 참고하시기 바랍니다.
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