1. 서론

최근 세계적으로 터널 및 지하구조물에 대형화재가 발생하고 있으며 이로 인해 경제 ･ 사회적으로 심각한 손실이 발생하고 있는 실정이다.

다음 그림 1과 같이 오스트리아 Gotthard  및 이탈리아의 Mont-Blanc 터널의 대형화재는 수많은 인명피해와 구조체의 손상으로 인한 막대한 보수비용이 사용되었다. 이러한 터널 화재로 심각성을 인식한 독일, 네덜란드 등 유럽에서는 이미 수년전부터 이에 대한 연구가 진행되고 있으며 일본에서도 터널 콘크리트의 화재 안전성에 관한 보고서를 발간하는 등 전 세계적으로 터널화재에 대한 안전성 확보에 관심이 고조되고 있는 실정이다. 또한 국내에서도 홍지문 터널화재나 대구 지하철 화재 등의 잇단 터널화재 사고로 인해 인명피해는 물론 사회적인 손실 또한 무시할 수 없을 만큼 방대해 지고 있으며 화재시 터널의 안전에 대한 인식도 높아졌다고 할 수 있다.

콘크리트는 내화성이 우수한 재료로 널리 사용되어 왔으며 일반강도의 보통 콘크리트는 화재시 폭열에 대한심각한 우려가 발생하지 않아 이에 대한 검토가 거의

이루어지지 않았으나 콘크리트의 고강도화가 진행되어져 가면서 일반강도의 보통 콘크리트와는 달리 내외부 조직이 치밀해져 화재시 갑작스러운 고열을 받게 되면 부재표면이 심한 폭음과 함께 박리 및 탈락하는 폭열현상이 발생하여 균열 및 피복두께의 결손과 함께 철근의 온도상승으로 철근콘크리트 구조체의 내력저하를 초래하게 된다.

본 연구에서는 터널 내에 화재 발생시 콘크리트의 폭열 방지에 효과적인 것으로 알려져 있는 폴리프로필렌 섬유를 혼입한 폴리프로필렌 섬유보강 콘크리트를 이용하여 화재시 콘크리트의 폭열현상과 방지방법을 파악하고자 하였으며 내화시험의 규정이 되는 세계 각국의 화재실험 규정을 고찰하였다. 조사된 자료를 바탕으로 콘크리트 폭열실험을 실시하고 실험 결과를 바탕으로 터널내 화재에 대한 콘크리트의 폭열방지 방안을 도출하였다.

2. 고온에 노출된 콘크리트의 폭열

2.1 콘크리트의 화재피해

콘크리트의 화재피해는 구조적인 피해와 화학적 피해로 구분할 수 있다. 화학적인 피해로는 100℃ 이상에서 콘크리트 내부의 자유공극수가 방출되어 100～200℃에서는 물리적 흡착수가 방출되어 이들이 분리되고 소실됨에 따라 콘크리트 중의 시멘트수화물이 수축하기 시작하고 300℃이상에서는 화학적이로 변질되며 450～550℃에서는 콘크리트의 주성분인 수산화칼슘이 열에 의해 분해되어 중성화 현상이 발생하게 된다. 이 후 탈수진행이 빨라지며 약 600～700℃이상에서는 탄산칼슘의 분해와 함께 900℃이상에서 시멘트 페이스트의 완전한 탈수가 일어나는 것으로 알려져 있다. 이 때 콘크리트는 압축강도, 탄성계수 등의 역학적인 성질이 저하하게 되고 그 정도는 콘크리트의 온도가 높을수록 저하되는 정도가 심하게 되어 콘크리트의 내구성이 현저히 감소하게 된다. 이 중 450～550℃ 영역에서의 수산화칼슘이 중성화된 깊이를 열열화 깊이라고 하며 그림 2와 같다. 열열화 깊이는 화재 피해의 척도로서 사용되며 화재경과시간 및 규모와 밀접한 관련을 지니므로 역으로 열화한 깊이를 판단하여 화재당시의 콘크리트 구조물의 수열상태를 유추할 수 있다. 폭열에 의한 단면결손이 생기는 경우 열열화 깊이는 다르며 폭열의 발생시기 및 정도에 따라 각각 상이하다.

또한 콘크리트의 구조적인 피해로는 철근을 직접적인 고온에 노출시키며 유효단면의 결손을 야기시켜 화재시 구조물의 붕괴의 원인이 되기도 하는 폭열현상이 있다. 고온에 노출된 콘크리트는 표면이 박리되거나 비산해서 단면결손이 발생하게 되는데 이러한 현상을 폭열현상이라 한다. 이 폭열현상은 콘크리트 내부의 수분이 고열에 의해 수증기가 되어 팽창함에 따라 그에 따른 수증기압이 주원인으로 발생된다. 콘크리트의 폭열은 콘크리트 강도, 수분함유량, 콘크리트 밀도, 불의 가열속도, 비대칭적인 온도분포, 시험체의 치수와 형상, 하중 재하 조건, 골재 종류에 따라 그 경향이 달라진다고 NRC (National Research Council of Canada)의 IRC (Institute for Research in Construction)에서 제시하였고 콘크리트의 내화성 및 폭열방지에 대한 가이드라인을 제시하고자 계속 연구 중에 있다.

2.2 콘크리트의 폭열

콘크리트 부재의 폭열을 유발하는 매커니즘은 수증기압설과 열응력설 등의 관점에서 검토되었으며 개개의 작용으로는 설명하기 어려운 점이 많아 현재는 수증기압설과 열응력설의 복합작용에 의한 결과에 기인된다는 설이 설득력을 얻고 있다. 하지만 수증기압 및 열응력의 복합작용은 양방이 균등하게 작용하는 것이 아니라 주어진 상황이나 조건에 의해 수증기압 또한 열응력이 우선적으로 작용하여 폭열에 영향을 미친다. 폭발성 폭열이 발견되는 가열초기는 수증기압에 의한 가능성이 우선적으로 고려된다.

수증기압에 의한 폭열의 가능성은 Harmathy에 의해 제시되었고 moisture clog라는 과포수 상태에 의한 공극압의 생성과정을 설명하였다.

또한 Bazant는 공극압과 열응력의 변화를 시뮬레이션 하였으며 수증기압과 열응력에 의한 폭열의 가능성을 제시하였다. 이 후 많은 연구자들이 실험과 시뮬레이션을 통해 검증하고 있으며 화재초기의 수증기압 및 열응력의 생성과정 및 응력변화를 개략적으로 표시하면 그림 3과 같다.

수증기압 및 열응력은 급격한 온도상승이 발생하는 가열초기에 콘크리트 표층부에 한정하여 동시에 변화를 보인다. 이러한 변화는 5～30분간 표층부에 응력이 집중되거나 변화하므로 이 기간에 폭열이 발생할 가능성이 높다. 열응력은 수증기압보다 장시간에 걸쳐 콘크리트 부재에 영향을 미치게 된다.

2.3 폴리프로필렌 섬유혼입 콘크리트의 내화특성

일반적으로 화재시 콘크리트 중의 수분이동을 용이하게 하여 수증기압의 생성을 저감하는 방법으로는 폴리프로필렌 섬유를 혼입하는 방법이 널리 쓰이고 있다.

높은 수증기압 및 열응력에 의한 파괴 등의 성능저하를 보강하기 위해 폴리프로필렌 섬유를 혼입함으로써 수증기나 수분, 가스 등이 빠져나갈 수 있도록 미세경로를 만들어 주는 방법이다. 폴리프로필렌 섬유가 열에 의해 녹을 때 콘크리트의 투기성을 증대시키기 위해서는 시멘트 매트릭스 전반에 걸쳐 폴리프로필렌 섬유가 고르게 분포되어 있어야 한다. 또한 이렇게 고르게 분포된 섬유는 시멘트 매트릭스 내에서 투기성이 좋은 유기적으로 연결된 미세한 네트워크를 형성하여야 한다.

2.3.1 폴리프로필렌 섬유의 기본물성

폴리프로필렌 섬유는 망사형과 단사형의 두 가지 형태가 있으며 그 특성은 표  1에 나타나 있다. 단사형의 경우 배합중 섬유의 뭉침현상이 잦아 거의 사용되지 못하고 있으며 현재는 거의 대부분 망사형이 사용되고 있다. 일반적으로 이들 섬유의 표준사용량은 0.9kg/m3으로 체적비로는 섬유의 혼입율이 0.1%에 해당되는 량이다.

망사형 폴리프로필렌 섬유는 인장탄성계수가 콘크리트의 탄성계수인 30,000MPa에 비하여 상대적으로 매우 낮은 편이기 때문에 굳은 콘크리트의 경우에는 보강의 기능을 거의 못하는 것으로 알려져 있다. 그러나 양생 초기에는 콘크리트의 탄성계수가 낮기 때문에 소성균열이나 건조수축균열의 발생을 억제하는 기능을 기대할 수 있다. 일반적으로 폴리프로필렌 섬유가 콘크리트 보강재로서 갖는 장점은 다음과 같이 요약할 수 있다.

① 고도의 결정성과 탄소고리의 입체규칙적 배열을 하고 있어 인장강도가 크다.

② 여러 화학약품에 대해 불활성을 나타내어 산 및 알칼리에 대한 저항성이 크다.

③ 낮은 융해점 (162℃)으로 화재시 콘크리트 내부에서 융해되어 증기압이 바깥으로 배출될 수 있도록 투기성이 좋도록 네트워크를 형성할 수 있다.

2.3.2 폭열억제 효과

일반적으로 폴리프로필렌 섬유의 융해점은 약 170℃ 정도로 콘크리트 내의 온도가 170℃를 초과하면 융해한다. 폴리프로필렌 섬유 및 분말을 혼입한 콘크리트는 혼입하지 않은 경우보다 더 많은 미세경로가 관찰되며 대체적으로 약 1㎛ 이하로 상당히 크기가 작고 잔골재나 굵은골재 사이에서 매우 조밀하게 형성되는 반면에 섬유를 혼입하지 않은 콘크리트는 균열의 크기가 약 10㎛ 이상으로 상당히 크며 먼 거리까지 골재와 연결되어 있다. 섬유를 혼입한 콘크리트에서 균열이 더 많이 발생되는 원인으로는 열에 의한 골재의 팽창과 시멘트 매트릭스의 결합수와 잉여수의 탈수로 인한 수축현상에 의해 생기는 팽창-수축의 전이단계시 fiber bed가 국부적으로 균열의 미세거동을 집중시키기 때문이며 또한 섬유가 열에 의해 융해될 때 다소 팽창하여 매트릭스 내에 인장응력을 발생시켜 균열을 집중시키기 때문이다. 그림 4는 Hydro-cabon fire curve 화재실험 시 1㎏/m3의 폴리프로필렌 섬유를 혼입한 콘크리트와 섬유를 혼입하지 않은 콘크리트를 비교하여 보여줌으로써 폴리프로필렌 섬유를 혼입한 경우 폭열 방지에 효과적임을 보여주고 있다.

3. 폭열방지을 위한 폴리프로필렌 혼입율에 따른 성능 평가

폭열을 방지할 수 있는 최적의 방법을 도출하고자 기존 연구자료 등을 통한 결과들의 분석과 섬유 혼입율에 따른 작업성을 고려하여 폴리프로필렌 섬유 혼입률의 범위를 표 2와 같이 선정하였으며 표 3과 같은 배합을 선정하였다.

 3.1 사용재료

3.1.1 폴리프로필렌 섬유(Polypropylene fiber)

본 연구에서는 망사형 폴리프로필렌 섬유를 사용하였으며 일반적인 물성은 표 4와 같다.

3.1.2 시멘트 및 골재

시멘트는 KS L 5201을 만족하는 H사의 1종 보통 포틀랜드 시멘트 사용하였으며 물리적 특성은 표 5와 같다.

잔골재는 비중 2.6, 흡수율 0.67의 강모래를 사용하였으며 잔골재의 입도는 그림 5와 같이 KS 입도표준 범위를 만족하였다. 또한 잔골재의 조립률은 2.86으로 KS F 2526의 잔골재의 조립률 허용범위인 2.3～3.1만족하였다.

3.2 실험방법

 3.2.1 압축강도시험

폴리프로필렌 섬유 혼입률에 따른 압축강도 특성을 알아보기 위하여 KS L 5105 (수경성 시멘트 모르타르의 압축강도 시험방법)에 의하여 모르타르의 압축강도 실험을 실시하였다. 50×50×50mm의 입방체 공시체를 9개 제작하여 재령 7일, 14일, 28일에서 재령 당 3개씩의 압축강도를 측정하였으며 실험은 2회 반복 실시하였다. 공시체는 24시간의 초기양생 후에 23±2℃의 항온조건으로 수중양생을 실시하였으며 그림 6.은 압축강도 시험을 실시하는 모습이다.

 3.2.2 내화시험

내화 실험은 그림 7과 같은 내화 (전기)로에서 그림 8과 같은 RABT 시간가열온도곡선에 의해 폭열상태 여부를 확인하기 위해 실시하였다. 이 RABT 곡선은 경우에 따라 최고온도가 30분에서 55분까지 유지되나 본 연구에서는 국외에서 가장 많이 적용하고 있는 55분간 최고온도를 유지하게 하는 RABT 시간가열온도곡선을 적용하여 실험을 실시하였고 시편은 일방향으로 열이 가해지도록 하였다.

 3.2.3 내화시험 후 중량변화 및 잔류압축강도

내화시험 전․후의 물리 및 역학적 변화를 평가하기 위하여 중량변화 및 잔류압축강도를 측정하였다. 압축강도 시편 (50×50×50mm)을 제작하여 재령 28일에 내화시험을 실시한 후 상온 (23℃±2)의 양생실에 1일간 방치하여 중량변화 및 잔류압축강도를 측정하였다. 그림 9는 내화시험을 하기 위해 내화로에 시편을 배치한 모습이다.

4. 실험 결과

 4.1 압축강도

폭열 방지를 위한 폴리프로필렌 섬유 혼입률별 모르타르의 압축강도 결과는 그림 10과 같다. 시험결과 섬유가 혼입되지 않은 공시체의 압축강도보다 섬유가 혼입된 공시체의 압축강도가 증가하는 경향을 보여주었다. 그러나 섬유 혼입량의 증가와 압축강도 증진 사이의 비례관계는 성립되지 않았다. 이는 일반적으로 섬유보강 콘크리트는 섬유의 혼입률이 증가할수록 휨성능 및 균열제어 성능은 어느 정도 비례적으로 증가하지만 압축강도의 경우에는 큰 영향을 미치지 않고 섬유의 혼입에 따라 약간 증가하거나 감소한다는 기존 연구결과와 일치하는 결과라 할 수 있다. 즉, 본 연구에서는 섬유의 혼입에 따라 압축강도가 약간 증가하는 것으로 나타났으나 섬유 혼입률의 변화에 대해서는 영향을 받지 않았다.

4.2 내화시험

폴리프로필렌 섬유 혼입률에 따른 내화 시험 후 표면관찰 결과는 그림 11과 같다. 시험결과 모든 종류의 배합에서 직접적인 폭열은 발생되지 않았다. 모르타르의 폭열이 직접적으로 발생되지 않은 원인은 물-시멘트 비가 50%로 비교적 커 콘크리트 내의 수분함량이 많고, 내화시험용 모르타르 공시체의 크기가 작아 내부 공극압이 비교적 적게 발생되었기 때문인 것으로 판단된다. 그러나 내부 공극압이 외부로 팽창하고자 하는 힘에 의해 발생된 것으로 판단되는 심각한 균열이 육안으로 모르타르 표면에서 관찰되었다. 폴리프로필렌 섬유를 혼입하지 않은 P00 배합 및 폴리프로필렌섬유를 혼입한 P05, P10에서는 크기가 큰 균열이 발생하였으며 특히, 폴리프로필렌 섬유가 혼입되지 않은 P00배합에서는 다른 배합과 비교하여 가장 큰 균열 폭이 관찰되었다. 모르타르 표면에 발생한 균열의 폭은 섬유의 혼입률이 증가할수록 감소되는 현상을 보여 주었으며 섬유의 혼입률이 0.15%인 P15 배합부터는 폭이 큰 균열은 관찰되지 않고 미세 균열이 다량 발생되었는데 섬유의 혼입량이 증가할수록 미세균열의 수가 감소하는 경향을 보였다. 내화시험 시 폴리프로필렌 섬유가 융해되어 내부의 공극압을 외부로 배출하도록 네트워크를 형성함으로써 어느 정도 균열을 발생시킨다. 그러나 화재 발생시 콘크리트의 균열은 공극압을 배출시키는 네트워크에 의한 것보다는 내부 공극압에 의해서 더욱 많은 양이 발생하기 때문에 폴리프로필렌 섬유 혼입률이 증가하면 내부 공극압에 의한 균열을 방지하기 때문에 혼입률이 증가할수록 모르타르 표면의 미세균열의 수는 감소하는 경향을 보였다.

4.3 중량변화 및 잔류압축강도

내화시험 전․후의 중량변화 결과는 그림 12와 같다. 폴리프로필렌 섬유 혼입률별 모르타르의 중량변화는 약 13.0～13.7% 정도 감소하는 경향을 나타내었다. 이는 내화시험 기간에 폴리프로필렌 섬유의 융해와 시멘트 페이스트에 포함되어 있는 Ca(OH)2의 분해로 인하여 중량 손실이 발생하였기 때문이라 판단된다. 또한 폴리프로필렌 섬유가 혼입되지 않은 모르타르의 중량변화 역시 섬유가 혼입된 모르타르와 큰 차이를 보이지 않았다. 이는 폴리프로필렌 섬유의 중량이 모르타르 공시체의 중량에서 차지하는 부분이 미소하고 폴리프로필렌 섬유를 혼입하지 않은 P00 배합의 중량손실이 다른 공시체에 비하여 큰 것으로 보아 폴리프로필렌 섬유가 형성하는 미세통로가 형성되지 않아 Ca(OH)2의 분해가 좀 더 크게 일어남으로써 폴리프로필렌 섬유의 융해에 따른 손실과 Ca(OH)2의 분해에 의해서 발생하는 손실이 서로 비슷하게 발생하기 때문에 섬유를 혼입한 것과 혼입하지 않은 공시체의 중량 차이는 거의 발생하지 않은 것으로 사료된다.

폴리프로필렌 섬유 혼입별 잔류압축강도 시험결과는 그림 13과 같다. 섬유의 혼입률에 상관없이 비슷한 결과를 보였는데 이는 폴리프로필렌 섬유의 혼입은 콘크리트의 폭열 방지에 효과적인 작용을 할뿐 강도저하를 방지하는데에는 영향이 없는 것으로 판단된다. 이처럼 강도가 감소하는 것은 1200℃에 노출시 골재의 변형과 시멘트 페이스트의 Ca(OH)2의 분해로 인한 시멘트 페이스트와 골재 사이의 결합력 저하와 열에 의한 미세균열 발생 및 폴리프로필렌 섬유가 융해된 공간이 콘크리트의 공극으로 남아있기 때문에 강도가 저하된 것으로 판단된다.

5. 결론

도로터널에서 화재시 콘크리트 라이닝의 폭열을 방지하기 위한 대책으로 화재 저항성이 우수하다고 알려진 폴리프로필렌 섬유의 적정 혼입률을 결정하기 위한 시험을 실시하였으며, 시험 결과를 토대로 폭열을 방지할 수 있는 폴리프로필렌 섬유의 혼입률에 따른 물리적, 역학적 성능 및 내화시험을 실시하였다. 시험 결과를 요약하면 다음과 같다.

1.폴리프로필렌 섬유 혼입률별 압축강도는 섬유가 혼입되지 않은 공시체의 압축강도보다 다소 높은 결과를 보여주었으며 모든 배합에서 안정된 강도 발현을 보였다.

2.내화시험 후 모르타르 공시체는 직접적인 폭열을 발생되지 않았으나 폴리프로필렌 섬유가 혼입되지 않은 배합과 섬유가 0.05% 및 0.10% 혼입된 배합에서는 심각한 균열이 발생하였고, 나머지 배합에서는 미세균열이 발생하였다. 폭이 가장 큰 균열은 섬유가 혼입되지 않은 공시체에서 발생하였으며, 섬유의 혼입률이 증가할수록 균열의 폭 및 발생량은 감소하였다. 이는 폴리프로필렌 섬유를 혼입함으로서 모르타르 내에 수증기와 열기를 배출할 수 있는 미세통로를 형성해 줌으로서 공극압의 팽창에 의한 폭열 현상을 억제하였기 때문이다. 따라서 폴리프로필렌 섬유는 화재시 폭열 방지효과가 있는 것으로 판단된다.

3.폴리프로필렌 섬유 혼입률별 모르타르의 압축강도, 폭열현상 관찰 및 잔류 압축강도 시  험결과를 기본으로 터널 콘크리트 라이닝 배합에 적정한 폴리프로필렌 섬유의 혼입률을 결정해 보면 섬유의 혼입률이 0.10%이하에서는 육안으로 관찰되는 폭이 큰 균열이 발생하였으며, 혼입률 0.15%에서는 다량의 미세균열이 발생하는 결과를 보여주었다. 그러나 섬유의 혼입률이 0.2%이상이 되면 내화시험 후 모르타르 공시체의 표면에 미세균열이 현저히 감소하는 결과가 관찰되었다. 따라서 터널내 화재로 인한 콘크리트 라이닝의 폴열현상 방지를 위해서는 폴리프로필렌 섬유의 혼입률 0.20～0.25%가 적정한 것으로 분석되었다.

4.내화시험 전․후 중량변화 및 잔류압축강도를 측정한 결과 폴리프로필렌 섬유 혼입별 중량 및 잔류 압축강도의 변화는 크게 일어나지 않았다. 이는 1200℃ 고온에 노출된 모르타르는 폴리프로필렌 섬유의 융해와 시멘트 페이스트에 Ca(OH)2의 분해로 인하여 중량이 감소한다. 즉 폴리프로필렌 섬유를 혼입할 경우 섬유의 융해로 중량이 감소하지만 다른 한편으로는 폴리프로필렌 섬유를 혼입하지 않은 경우 열기를 배출할 수 있는 네트워크를 생성하지 못해 시멘트 페이스트 내의 Ca(OH)2의 분해를 증가시킴으로써 중량 감소를 발생시키게 된다. 따라서 섬유의 혼입 유무에 따른 중량변화의 영향은 없는 것으로 판단된다. 잔류 압축강도의 경우 1200℃ 고온에 노출되면 Ca(OH)2가 분해되어 시멘트 페이스트와 골재 사이의 결합력이 저하되고 열에 의한 미세균열 발생 및 폴리프로필렌 섬유의 융해로 인한 공극이 발생하기 때문에 강도의 손실이 큰 것으로 판단된다.