1. 서 론
2. 실험 계획
2.1 실험 개요
2.2 사용재료 및 배합
2.3 실험방법
3. 실험결과
3.1 MSNs 및 PVA섬유를 혼입한 모르타르의 가열 전 물성평가
3.2 MSNs 및 PVA섬유를 혼입한 모르타르의 내화성능 평가
4. 결 론
1. 서 론
화재는 인명과 재산에 큰 피해를 일으킨다. 최근 5년(2017-2021)간 국내에서 35,000건 이상의 화재가 매년 발생하고 있으며, 그중 건축, 건설물에서의 화재는 전체의 60% 이상을 차지하고 있다(Statistics Korea, 2022). 이는 Fig. 1에서 2017~2021년에 발생한 국내 화재 발생 건수를 화재 발생 장소에 따라 시각화하여 나타낸 것을 보면 알 수 있다.
현재까지 모르타르의 내화성능에 관한 많은 연구가 수행되어왔다(Song, 2015; Yang et al., 2015; Park et al., 2021). 또한, 나노실리카 분말이나 섬유를 혼입한 콘크리트에 관한 많은 연구가 이루어지고 있다(Vaz-Ramos et al., 2019; Jeon et al., 2023). 국내에서는 나노실리카 분말을 혼입한 콘크리트의 조기 강도에 관한 연구(Cha et al., 2022)는 이루어졌지만, 내화성능을 개선하기 위한 연구는 아직 부족한 실정이다. 또한, 다양한 섬유를 혼입한 콘크리트의 내화성능에 관한 연구(Bilodeau et al., 2004; Han et al., 2006; Won et al., 2008)에 대해서도 이루어졌지만, 대부분 폴리프로필렌(PP) 섬유를 혼입한 콘크리트의 내화성능에 관한 연구(Kim et al., 2004; Jeon et al., 2023)가 주를 이루고 있다.
이에 본 연구에서는 건축물에서의 화재 시 구조물의 내화성능을 향상시키기 위하여 다공성 나노실리카(Mesoporous Silica Nanoparticles) 분말과 PVA(Polyvinyl Alcohol) 섬유를 시멘트 모르타르에 혼입하여 20-1100°C의 저온-고온 영역에서 내화성능을 확보한 재료로써 구조물의 안전성을 확보할 수 있을지에 관한 연구를 진행하였다.
2. 실험 계획
2.1 실험 개요
본 연구는 건축물에서의 화재 시 구조물의 내화성능을 향상시키기 위하여 다공성 나노실리카(MSNs)에 ZnO 입자가 결합된 형태의 분말과 PVA 섬유를 혼입하여 20- 1100°C의 저온-고온 영역의 잔존압축강도 및 중량변화율을 통하여 모르타르의 내화성능을 확보할 수 있을지에 대한 연구이다.
그래서 고온 노출 후의 모르타르의 물성치를 평가하고자 하였다. 사용된 배합의 변수는 재령 28일 조건의 50×50×50의 큐브형 모르타르 시험체를 제작하여 실리카 분말을 중량대비 0%, 0.5%, 1% 혼입하고, PVA 섬유를 0%, 0.1vol%, 0.2vol% 혼입하여 사용하였다. 고온 노출 조건은 실온(20°C), 200°C, 500°C, 800°C, 1100°C의 온도에 30분 노출 조건으로 가열 시험을 진행하였다.
모르타르의 기본 물성치를 평가하는 실험으로는 압축강도 시험, 휨 강도 시험, 인장강도 시험을 시행하였고, 고온 노출 후에는 중량변화율 측정, 잔존 압축강도 측정을 실시하였다,
2.2 사용재료 및 배합
2.2.1 시멘트 및 골재
KS L 5201을 만족하는 국내 S사의 제 1종 보통 포틀랜드 시멘트를 사용하였으며, 사용 시멘트의 물리적 및 화학적 특징은 Table 1 및 Table 2와 같다. 잔골재는 경상남도 합천군에서 채취한 강모래 세척사를 사용하였다. 굵은 골재는 사용하지 않았다.
Table 1.
Physical properties of cement
| Gravity |
Fineness () | Setting Time (hr) | Compressive strength (MPa) | |||
| Initial | Final | 3day | 7day | 28day | ||
| 3.15 | 3475 | 3.92 | 4.54 | 29.5 | 44.4 | 59.3 |
Table 2.
Chemical properties of cement
(%) | (%) | (%) | (%) | (%) | (%) | Loss On Ignition |
| 20.5 | 3.4 | 62.3 | 5.0 | 3.6 | 2.1 | 2.4 |
2.2.2 다공성 나노실리카(MSNs)
MSNs는 다공성 나노실리카로 일반적인 나노 실리카 입자와 달리 표면에 공극이 존재하여 공극 내에 아연, 은, 철 등 여러 입자를 결합하여 사용할 수 있다. 이러한 장점 때문에 다공성 나노 실리카 입자는 촉매, 센서, 연료 전지, 의학 등 여러 분야에서 적용되어 왔다. 하지만, 생산단가가 높은 고가의 분말로 토목이나 건축 분야에서의 적용에 대한 연구는 아직 부족한 실정이다. 본 연구에서 사용한 MSNs는 와 가 95 : 5 비로 결합된 분말을 사용하였다. 아연은 공기 중에서 단단하고 얇은 산화 피막을 형성하여 더 이상 산화하지 않아 건설재료의 내부식성에 도움을 줄 수 있을 것이라는 점에 착안하여 사용하게 되었다. Table 3과 Fig. 2는 본 연구에서 사용된 MSNs의 물성을 나타낸 것이다.
Table 3.
Properties of Mesoporous Silica Nanoparticles
| Pore Diameter/ㅑ (average, nm) |
Bet Surface Area (average, ) |
Pore Volume () |
Tap Density () |
| ~2.54 | 1,235 | 0.81 | ~0.15 |
다공성 나노 실리카의 입자 크기를 확인하기 위하여 SEM 촬영을 진행하였다. 입자 크기는 일정하지 않고 70~550nm 등 다양한 크기가 존재함을 확인할 수 있었고, 또한 표면에 공극이 존재하여 매끄럽지 않은 표면을 가지고 있음을 확인할 수 있었다. 이는 Fig. 3에 나타내었다.
또한, MSNs의 녹는점은 실리카의 녹는점과 같이 1743°C이며, 1200°C의 고온에 30분 노출하였을 때에도 분말 형태를 띠는 것을 확인할 수 있었다. 이는 Fig. 4에 나타내었다.
2.2.3 PVA 섬유
PVA(Polyvinyl Alcohol) 섬유는 친수성 물질로서 섬유 자체에 OH기를 가지고 있고, 표면에 요철이 있어 시멘트 입자와 화학적·물리적으로 높은 부착성능을 가지고 있다. 콘크리트 및 모르타르의 균열 제어와 탈락방지, 석면 대체 소재 등으로 건축, 토목 분야에서 널리 쓰이고 있으며, 연소 시 질소계(암모니아, 시안 등)나 유황계(아황산가스, 유화 수소 등) 등의 유해 가스를 배출하지 않아 인체에도 매우 안전한 제품이다. PVA 섬유는 국내 N사에서 제조한 제품을 사용하였으며, 사용 섬유의 25 or less 물성은 Table 4에 나타냈다. Fig. 5는 사용한 섬유의 모습 및 화학 구조식이다.
Table 4.
Properties of PVA fiber
| Type |
Length (mm) |
Diameter | Gravity |
Melting Point (°C) |
Tensile Strength (MPa) |
Modulus of Elasticity (GPa) |
| Dry Type | 6 | Less or 26 | 1.3± | 240± | More or 1200 | More or 24.5 |
2.2.4 배합비
Table 5와 Fig. 6은 배합설계 상세 및 배합 표기법을 나타내었다. 주요 배합 변수는 다공성 나노 실리카 입자와 PVA 섬유 혼입율이다. MSNs는 시멘트 양 대비 0%, 0.5%, 1%이다. PVA 섬유는 일반적인 현장 적용성을 고려하여 단위 체적(1)에 대하여 0%, 0.1%, 0.2%로 변화시켰다.
Table 5.
Mixing ratio
|
MSNs (%) |
PVA (%) |
W/B (%) | Mixing () | ||||
| W | C | S | MSNs | PVA | |||
| 0 | 0 | 50 | 50 | 100 | 300 | 0 | 0 |
| 0.1 | 0.1 | ||||||
| 0.2 | 0.2 | ||||||
| 0.5 | 0 | 99.5 | 0.5 | 0 | |||
| 0.1 | 0.1 | ||||||
| 0.2 | 0.2 | ||||||
| 1 | 0 | 99 | 1 | 0 | |||
| 0.1 | 0.1 | ||||||
| 0.2 | 0.2 | ||||||
2.3 실험방법
가열 전 모르타르의 물성치를 평가하는 실험으로는 압축강도 시험(KS L 5105, KS L ISO 679), 휨 강도 시험(KS L ISO 679), 인장강도 시험(KS L 5104)을 진행하였다.
가열 후의 내화 성능을 평가하기 위한 실험으로는 가열 전 압축강도 측정에 사용한 것과 같은 큐브형 공시체를 가열로에서 실온(20°C), 200°C, 500°C, 800°C, 1100°C의 온도에 30분 노출시킨 후 실온에서 충분히 식힌 후의 압축강도 값을 측정하였다.
내화성능 평가는 표준가열곡선(KS F 2257-1)에 따라 진행하지만, 본 연구에서 사용한 가열한 시험체의 크기는 소형이며, 선행연구(Ashesh et al., 2017)를 참고하여 30분 내화실험을 진행하였다. 표준가열곡선 및 본 연구에서 사용한 30분 내화 곡선은 Fig. 7과 같다.
2.3.1 잔존압축강도 및 강도 잔존율 측정
잔존압축강도는 가열 전과 후 압축강도를 비교하여 식 (1)을 이용하여 강도 잔존율을 도출하였다.
여기서, : Compressive strength before heating
: Compressive strength after heating
2.3.2 중량손실률 측정
내부에 수분을 포함한 공극을 가진 콘크리트는 열을 받게 되면 공극내의 수분은 팽창하여 콘크리트 내부응력을 급격하게 상승시키거나 증발되며, 증발되지 않은 수분은 내부 공극으로부터 이탈되는 등 역학적 관점에서 불안정 상태를 발생시키게 된다. 따라서 가열된 콘크리트의 중량손실률은 고온에서의 콘크리트 열적 특성 변화에 영향을 미치는 중요 인자이다(Jo et al., 2005).
가열 전의 중량과 각 온도에서 30분간 가열한 후 실온에서 충분히 식힌 후의 중량을 측정하여 중량손실률(식 (2))를 측정하였다.
여기서, : Weight before heating
: Weight after heating
3. 실험결과
3.1 MSNs 및 PVA섬유를 혼입한 모르타르의 가열 전 물성평가
다공성 나노 실리카(MSNs) 혼입률(0, 0.5%, 1%) 및 PVA 섬유 혼입률(0, 0.1%, 0.2%)에 따른 모르타르의 기초물성을 평가하기 위하여 압축강도시험, 휨강도시험, 인장시험을 수행하였다.
3.1.1 압축강도
가열하기 전 모르타르의 압축강도를 비교하기 위해 재령 28일 시험체의 압축강도 시험결과를 비교하였다. Fig. 8은 (a) 압축강도 시험 전, (b) 압축강도 시험 후의 모습을 나타내고, Fig. 9는 압축강도 시험결과이다.
시험체의 압축강도 결과 전체 평균은 29.16MPa이었고, 나노실리카를 중량대비 1%, PVA 섬유를 부피 대비 0.1% 혼입한 시험체(M1P1)에서 47.12MPa로 가장 높은 압축강도 값을 보인다. M1P1을 제외한 나머지 시험체의 압축강도 평균 값은 26.92MPa이었고 평균치에서 크게 벗어나지 않음을 알 수 있다.
대체로 나노실리카를 1% 혼입한 시험체(M1P0, M1P1, M1P2)에서 가장 높은 압축강도 값을 나타내었고, Plain 시험체(M0P0), 나노실리카를 0.5%혼입한 시험체(M0.5P0), 나노실리카를 1% 혼입한 시험체(M1P1)를 비교하였을 때의 압축강도는 M1P0 - M0P0 - M0.5P0 순으로 나타남을 알 수 있다.
PVA 섬유를 혼입한 모르타르에서는 나노실리카를 혼입하지 않은 시험체를 제외하고는 섬유를 0.1% 혼입 - 0.2% 혼입 - 0% 순으로 압축강도 결과가 나타났다. 나노실리카를 혼입하지 않은 시험체에서는 섬유를 0.2% 혼입 - 0% - 0.1% 혼입한 시험체 순으로 나타났다.
3.1.2 휨 강도
가열하기 전 모르타르의 휨 강도를 비교하기 위해 재령 28일 시험체의 휨 강도 시험결과를 비교하였다. Fig. 10은 (a) 휨 강도 시험 전, (b) 휨 강도 시험 후의 모습이고, Fig. 11은 휨 강도 시험결과이다.
시험체의 휨 강도 결과 전체 평균은 8.54MPa이었고, 압축강도 결과에서와 마찬가지로, 나노실리카를 중량대비 1%, PVA 섬유를 부피 대비 0.1% 혼입한 시험체(M1P1)에서 9.05MPa로 가장 높은 휨 강도 값을 나타내었다. 모든 시험체의 결과 값이 평균치에서 크게 벗어나지 않음을 알 수 있다.
대체로 나노실리카를 0.5% 혼입한 시험체(M0.5P0, M0.5P1, M0.5P2)에서 가장 높은 휨 강도 값을 나타내었고, Plain 시험체(M0P0). 나노실리카를 0.5%혼입한 시험체(M0.5P0), 나노실리카를 1% 혼입한 시험체(M1P0)를 비교하였을 때의 휨 강도는 M0.5P0 - M1P0 - M0P0 순으로 나노실리카를 혼입한 경우 혼입하지 않은 경우보다 높은 휨 강도 값을 보임을 알 수 있다.
PVA 섬유를 혼입한 모르타르에서는 나노실리카를 혼입하지 않은 시험체를 제외하고는 섬유를 0.1% 혼입 - 0% - 0.2% 혼입 순으로 휨 강도 결과가 나타났다. 나노실리카를 혼입하지 않은 시험체에서는 섬유를 0.2% 혼입 – 0%- 0.1% 혼입한 시험체 순으로 나타났다.
3.1.3 인장강도
가열하기 전 모르타르의 인장강도를 비교하기 위해 재령 28일 시험체의 인장강도 시험결과를 비교하였다. Fig. 12는 (a) 인장강도 시험 전, (b) 인장강도 시험 후의 모습이다. Fig. 13은 휨 강도 시험결과이다.
시험체의 인장강도 결과 전체 평균은 3.48MPa이었고, 모든 시험체의 인장강도 값이 평균치에서 크게 벗어나지 않음을 알 수 있었다. 나노실리카를 중량대비 0.5%, PVA 섬유를 혼입하지 않은 시험체(M0.5P0)에서 3.85MPa로 가장 높은 인장강도 값을 나타내었다.
섬유를 혼입하면 인장강도가 증가할 것이라는 예상과는 달리, 나노실리카를 1% 혼입한 시험체를 제외하고는 PVA 섬유를 혼입하였을 때 인장강도가 증가하는 결과는 얻지 못하였다.
대체로 나노실리카를 0.5% 혼입한 시험체(M0.5P0, M0.5P1, M0.5P2)에서 가장 높은 인장강도 값을 나타내었고, Plain 시험체(M0P0). 나노실리카를 0.5%혼입한 시험체(M0.5P0), 나노실리카를 1% 혼입한 시험체(M1P0)를 비교하였을 때의 인장강도는 M0.5P0 - M1P0 - M0P0 순으로 나노실리카를 혼입한 경우 혼입하지 않은 경우보다 높은 인장강도 값을 보임을 알 수 있다.
3.2 MSNs 및 PVA섬유를 혼입한 모르타르의 내화성능 평가
3.2.1 잔존 압축강도 및 잔존 강도율 측정
고온에 노출된 후 시험체의 잔존 압축강도 및 잔존 강도율을 비교하기 위해 28일 동안 재령한 시험체를 각 온도에서 가열한 후 압축강도 시험결과를 비교하였다. Table 6 및 Fig. 14는 잔존 압축강도 결과에 대하여 나타내었고, Table 7 및 Fig. 15는 압축강도 시험결과를 이용하여 도출한 잔존 강도율이다.
Table 6.
Residual compressive strength of test results
Table 7.
Residual compressive strength ratio
잔존 압축강도 및 압축강도 잔존율을 비교한 결과, 대체로 200°C에 노출된 후 잔존 압축강도는 감소하는 추세를 보였으나, 500°C에 노출된 후 대부분의 시험체에서 잔존압축강도가 증가하는 추세를 보이다가 그 이후의 상온 온도 노출된 시험체에서는 전체적으로 감소하는 경향을 보였다. 그리고 잔존 압축강도와 압축강도 잔존율에 기여하는 나노실리카 혼입률과 PVA섬유 혼입률 사이의 상관관계는 없는 것으로 나타났다. 즉 나노실리카와 PVA 섬유를 같이 혼입한 경우 내화성능 향상을 기대하였는데 효과가 없는 것으로 나타났다. 온도별로 성능변화를 살펴보면 다음과 같다.
200°C에 노출된 이후, M0P0에서 압축강도 잔존율 측면에서는 가장 낮은 잔존율을 보였다. 또한 M0P0를 제외하고 70 후반 ~ 90% 정도의 압축강도 잔존율을 유지하였다. 나노실리카의 혼입량에 대해 비교하였을 때 평균적으로 나노실리카 혼입률 1% - 0.5% - 0% 순으로 압축강도 잔존율을 유지하였고, PVA 섬유 혼입량에 대해 비교하였을 때 PVA 섬유 혼입률 0.2% - 0.1% - 0% 순으로 압축강도 잔존율을 유지하였다.
500°C에 노출한 시험체에서는 앞에서 언급한 것과 같이 나노실리카를 1%, PVA 섬유를 0.1% 혼입한 시험체(M1P1)에서 가열하기 전 강도보다 높은 강도 값을 보이는 것으로 나타났다. 또한 M1P1을 제외하고 70 후반 ~ 90% 정도의 압축강도 잔존율을 유지하였다. 나노실리카 혼입량에 대해 비교하였을 때 200°C에 노출하였을 때와 마찬가지로 나노실리카 혼입률 1% - 0.5% - 0% 순으로 압축강도 잔존율을 유지하였고, PVA 섬유 혼입량에 대해 비교하였을 때 PVA 섬유 혼입률 0% - 0.2% - 0.1% 순으로 압축강도 잔존율을 유지하였다.
800°C에 노출한 시험체에서는 M0.5P0가 77.96%의 압축강도 잔존율을 유지하여 가장 높은 값으로 나타났으며, 대체로 압축강도 값이 매우 가파르게 감소하는 추세를 보였다. M1P2를 제외한 나머지 시험체들의 압축강도 잔존율은 50~70% 정도의 압축강도 잔존율을 유지하였다. 나노실리카 혼입량에 대해 비교하였을 때 200°C나 500°C에 노출된 경우와는 달리 나노실리카 혼입률 0% - 0.5% – 1% 순으로 압축강도 잔존율을 유지하였다. PVA 섬유 혼입량에 대해 비교하였을 때에는 0% - 0.1% - 0.2% 순으로 압축강도 잔존율을 유지하는 것으로 나타났다.
1100°C에 노출한 시험체에서는 M0P2 시험체에서 56.33%의 압축강도 잔존율을 유지하여 가장 높은 값으로 나타났으며, M0P1, M0.5P0 시험체에서는 50%대의 압축강도 잔존율을 유지하였지만 이를 제외한 나머지 시험체는 40%의 압축강도 잔존율을 유지하였다. 나노실리카 혼입량에 대해 비교하였을 때 800°C에 노출된 경우와 마찬가지로 나노실리카 혼입률 0% - 0.5% – 1% 순으로 압축강도 잔존율을 유지하였다. PVA 섬유 혼입량에 대해 비교하였을 때에는 0% - 0.2% - 0.1% 순으로 압축강도 잔존율을 유지하는 것으로 나타났다. 800°C 이후의 고온에 노출된 이후, M0P1, M0P2, M0.5P0 시험체에서 Plain 시험체(M0P0) 보다 높은 압축강도 잔존율을 유지하는 것으로 나타났다.
3.2.2 중량손실률 측정
고온에 노출된 후 시험체의 중량손실률을 비교하기 위해 28일 동안 재령한 시험체를 각 온도에서 가열하기 전과 후 중량측정을 통해 중량손실률을 비교하였다. Table 8 및 Fig. 16은 중량손실률 결과에 대하여 나타내었다.
Table 8.
Weight loss ratio after heating
중량손실률을 비교한 결과, 200°C에 노출된 후 0~1%의 중량손실률을 보였으며, 대체로 500°C에 노출된 이후 급격히 증가하는 것으로 나타났다. 이는 200°C에서 500°C 사이에 모르타르 내부의 수분이 대부분 증발되어 500°C 이후에는 중량손실에 큰 영향을 끼치지 않는 것으로 판단된다.
800°C 이상의 고온에 노출된 후 M1P0, M0P1 시험체에서 Plain 시험체보다 낮은 중량손실을 보였고, 1100°C 온도조건에서는 모든 시험체가 Plain 시험체보다 낮은 중량손실률을 보였다. 따라서, 중량손실률에 나노실리카와 PVA 섬유 혼입률이 미치는 상관관계는 없는 것으로 판단된다.
나노실리카 입자의 혼입률에 따른 중량손실률을 비교한 결과, 200°C에 노출한 후 Plain 시험체(M0P0)에서 가장 적은 중량손실률을 보였지만, 고온으로 갈수록 중량 손실량이 커져 1100°C에서는 나노실리카 함량이 증가함에 따라 중량손실률이 낮아짐을 확인할 수 있다.
나노실리카를 혼입하지 않고 PVA섬유 혼입량을 다르게 한 시험체의 경우, 섬유를 0.2% 혼입한 시험체(M0P2)의 중량손실률이 가장 크게 나타나다가 1100°C에서는 Plain 시험체보다 다소 낮은 중량손실이 나타났다. PVA 섬유를 0.1% 혼입한 경우 다른 두 시험체보다 중량손실률이 낮음을 확인할 수 있다.
4. 결 론
본 연구에서는 건축물의 화재 시 구조물의 내화성능을 확보하기 위하여 다공성 나노실리카 입자(MSNs)와 PVA 섬유를 혼입한 시멘트 모르타르의 가열 전 역학적 성질을 분석하고, 저온-고온의 잔존압축강도 및 중량손실률 등을 분석하여 내화성능을 확보한 재료로써 구조물의 안전성을 확보할 수 있을지에 대한 연구를 진행하여, 다음과 같은 결론을 도출하였다.
(1)가열 전 모르타르의 특성을 보면, 대체로 나노실리카를 1% 혼입한 시험체와 PVA 섬유를 0.1vol% 혼입한 시험체에서 압축강도 값이 크게 나타났다. 압축강도 측정 결과와 같이 나노실리카를 혼입한 경우 그렇지 않은 경우보다 높은 휨 강도를 나타내었고, 대체로 나노실리카를 0.5% 혼입한 시험체와 PVA 섬유를 0.1vol% 혼입한 시험체에서 휨 강도 값이 크게 나타났다. 반면 섬유를 혼입하면 인장강도가 증가할 것이라는 예상과는 달리, 나노실리카를 1% 혼입한 시험체를 제외하고는 인장강도가 증가하지 않는 것으로 나타났고, 대체로 나노실리카를 0.5% 혼입한 시험체에서 인장강도 값이 크게 나타났다.
(2)가열 후 잔존 압축강도 및 잔존 강도율 측정 결과, 잔존 압축강도 및 압축강도 잔존율을 비교한 결과, 대체로 200°C에 노출된 후 잔존 압축강도는 감소하는 추세를 보였으나, 500°C에 노출된 후 대부분의 시험체에서 잔존압축강도가 증가하는 추세를 보이다가 그 이후의 상온 온도에 노출된 공시체에서는 전체적으로 감소하는 경향을 보였다. 그리고 잔존 압축강도와 압축강도 잔존율에 기여하는 나노실리카 혼입률과 PVA섬유 혼입률 사이의 상관관계는 없는 것으로 나타났다.
(3)이상을 종합하였을 때, 시멘트 모르타르의 내화성능 향상에 나노실리카와 PVA 섬유를 같이 혼입한 경우 내화성능 향상에 기여는 없는 것으로 나타났다. 반면, 각각 나노실리카를 0.5% 혼입하는 경우와 PVA 섬유를 0.1vol% 혼입하는 경우 가장 양호한 내화성능 향상 실험결과를 나타내어 내화에 유리한 것으로 판단된다.
