1. 서론
미국의 원전구조물 화재방호기준은 1975년 Browns Ferry 원자력발전소에서 발생한 화재사고를 기점으로 원자력발전소만을 대상으로 하는 화재방호 규정의 필요성을 절감하게 되어 미국방화협회(NFPA: National Fire Protection Association)에서는 1978년 경수로 원자력발전소의 화재예방규정 NFPA803(1978)을 최초로 발행하였다. 그 후 1995년에 기존 원자력발전소에 대한 확률론적 안전성 분석결과, 화재사고가 발전소손상 가능성에 미치는 가장 큰 단일기여 인자로 작용하는 것으로 나타나 주요 구조물의 경우 화재 및 폭발 가능성과 그 영향을 최소화하도록 규정하고 있다. 따라서 원전구조물의 주요 시설에는 최소 3시간 이상의 내화등급을 가진 내화벽 또는 내화방벽을 사용해야 한다(NFPA 804(1995)).
본 연구는 원전수출 예상 국가별로 수급되는 혼화재료의 종류가 상이함을 고려하여 동일 설계기준 강도를 목표로 혼화재의 종류 및 치환율을 달리 배합설계한 원전구조물용 고강도 콘크리트의 기초적인 내화성능을 평가하고자 하였다.
2. 실험계획 및 방법
2.1 내화시험 방법
ASTM E119-14(2014)에서는 벽과 슬래브, 보, 기둥의 내화시험 방법을 제시하고 있으며, 벽의 경우 내화성능 평가기준은 시험체 가열이면의 측정온도가 평균 139°C(250°F), 최고181°C(325°F)를 초과하지 않도록 규정하고 있다. 또한 시험하는 동안 가연물질이 점화될 만큼의 화염이나 가스의 통과가 없어야 하며, 시험 종료 직후 호스스트림 테스트(Hose stream test)를 실시해야 한다.
한편, 국내 고강도 콘크리트 기둥·보의 내화성능 관리기준인「국토해양부 고시 제2008-334호」에서는 50 MPa 이상 고강도 콘크리트의 주철근 온도가 평균 538°C, 최고 649°C 이하로 확보하도록 규정하고 있다. 본 연구에서는 벽을 기둥으로 가정한 경우로 상정하여 Fig. 1과 같이 ASTM E119에 따른 3시간 내화시험을 실시하였으며, 내화시험시 주철근의 온도를 함께 측정하여 국내 내화성능 관리기준과도 함께 비교 검토하였다.
2.2 시험체 제작
ASTM E119에서는 내력벽 부재의 가열면적을 최소 9.0 m2(100ft2) 이상으로 명시하고 있으며, 본 연구에서도 시험체의 크기를 3000×3000×300 mm로 하였다. 시험체의 피복두께는 실제 원자력 발전소의 격납건물과 보조건물에서 사용하고 있는 내·외부 피복두께에 기초하여 50 mm(≒2in, SD-D43) 및38 mm(≒1.5in, SD-D32)로 계획하였다. Fig. 2에 시험체의 철근배근도를 나타내었으며, 사용한 철근은 KS D3504 SD400-D43, D32, D19(≒ASTM A615 Grade 60 No.14 bar, No.10bar, No.6 bar)를 사용하였다.
2.3 가열이면 및 콘크리트 깊이별 온도측정
Fig. 3과 같이 시험체 가열이면의 온도측정에 사용된 K타입열전대의 설치위치는 총 9개소(시험체 중앙부 1개소, 시험체를 4분할한 면중심 4개소, 인접분할면 중심간 중앙점 4개소)이다. 또한 ASTM E119에 제시된 이면온도 측정위치 이외에 콘크리트의 깊이별 온도분포를 측정하기 위하여 Fig. 4와 같이 50 mm(≒2in) 간격으로 열전대를 매립하였다. 열전대는 철근에 의한 열전도의 영향을 최소화하기 위하여 철근으로부터 최대한 이격시켜 중앙부에 매립하였으며, 매립시 열전대고정은 시멘트 페이스트바를 제작하여 사용하였다(Fig. 5).
2.4 콘크리트 배합
본 연구에서는 2010년 UAE 원전수출 이후 수출형 원전의수요 증가를 대비하여 원전수출 예상 국가별로 수급되는 혼화재료의 종류가 상이함을 고려하여 Table 1과 같이 원전용 고강도 콘크리트 배함설계를 진행하였으며, 목표배합강도를 기존의 6000 psi(≒42 MPa급) 보다 상향조정하여 8000(≒56 MPa급), 10000psi(≒70 MPa급) 2종류로 하였다. 콘크리트배합에 사용된 시멘트는 보통 보틀랜드 시멘트(1종)을 사용하였으며, 혼화재료는 범용적으로 많이 사용되고 있는 고로슬래그(3종)과 플라이애쉬(2종), 실리카퓸을 사용하였다. 고강도 콘크리트 내화시험체는 콘크리트 타설 직후 91일 동안 기중양생을 실시하였다.
Table 1
Mixture Proportions of High Strength Concrete
3. 실험결과 및 고찰
3.1 폭렬특성
Fig. 6은 내화시험 종료 후 배합별 고강도 콘크리트의 폭렬특성이다. 8-S50을 제외한 모든 시험체에서 시험개시 약 10분 경과 후 폭렬이 시작하였으며, 약 30~40분 경과시점에서 폭렬현상이 종료하였다. 실리카퓸을 단독 치환한 8-SF5의 경우는 폭렬발생 시간이 가장 길게 나타났으며, 8-S50에서는 폭렬현상이 전혀 발생하지 않았다. 이에 반해 10-S65SF5는 폭렬현상과 균열이 과다하게 발생하여 시험개시 후 89분만에 안전상의 문제로 시험을 중단하였다. 육안관찰 결과, 56MPa급 시험체의 경우의 폭렬 정도는 SF5>F25>S65SF5 순으로 많았으며, 70 MPa급 시험체의 경우는 F25SF5>SF5>S45SF5순으로 많이 나타났다.
Fig. 6에서도 알 수 있듯이 고로슬래그 미분말의 치환율이 증가할수록 고강도 콘크리트의 화재저항성은 향상되는 것으로 나타났다. 이는 Poon et al.(2001)과 Mendes et al.(2009)의 연구결과에서도 순수 OPC 콘크리트보다 고로슬래그 미분말을 혼입한 고강도 콘크리트의 경우가 탁월한 내화성능을 보이는 것으로 나타났다. 특히, Mendes et al.(2012)는 고로슬래그 미분말을 혼입하게 되면 생성되는 Ca(OH)2의 양이 감소하고 이마저도 수화과정에서 소비되어 콘크리트가 고온에 노출되었을때 Ca(OH)2의 열분해와 이후 CaO의 재수화에 의한 체적팽창 등의 부정적인 영향을 제거하거나 감소시킨다고 보고하고 있다. 그러나 실리카퓸을 치환한 경우에는 8-S50와 8-S65SF5의 폭렬성상에서 극명하게 비교되듯이 고로슬래그 미분말의 치환율이 65%로 더 많았음에도 불구하고 많은 양의폭렬이 발생하였다. 이는 분말도가 현저히 높은 실리커퓸의 미세공극 충전효과로 인하여 콘크리트의 공극이 밀실하게 채워지게 되고 이로 인한 수증기의 배출이 제한되어 폭렬의 양이 증가하는 것으로 판단된다.
이러한 경향은 70 MPa급 시험체에서도 비슷한 경향이 나타났으며, 고강도 콘크리트에의 실리카퓸 사용에 있어서는 내화성능을 확보하기 위한 별도의 내화공법의 검토가 필요한 것으로 판단된다.
한편, Fig. 7과 같이 대부분의 시험체에서 가열면으로부터의 수증기압 구배로 인한 시험체 내부의 액상수 배면 유출이 내화시험 개시 후 약 20~30분이 경과시점부터 발생하기 시작하여 시험종료시까지 지속하는 것을 확인하였다.
3.2 이면온도
이면온도, 주철근 및 콘크리트 깊이별 온도분포 등 내화시험 결과를 Table 2에 나타내었다. ASTM E119에 의한 벽의 이면온도 시험결과는 콘크리트의 폭렬에 의한 단면결손의 영향을 받아 육안관찰에 의한 폭렬의 양과 정비례하는 것으로 나타났다. 또한, 본 연구에서 사용한 RC구조 벽부재(t=300mm)의 경우는 내화성능 평가기준인 이면온도만을 고려한다면 대다수의 시험체에서 평균 139°C(250°F), 최고 181°C(325°F)기준보다 현저하게 낮은 100°C 이하의 온도분포를 보여 추가적인 벽두께의 감소가 가능한 것으로 나타났다.
Table 2
Result of Fire Resistance Test
3.3 주철근 온도분포
50 MPa 이상 고강도 콘크리트의 기둥과 보에 대한 국내 내화성능 관리기준은 주철근 온도가 평균 538°C, 최고 649°C이하를 확보하도록 규정하고 있다. Table 2에 나타낸 바와 같이 본 연구에서는 별도의 내화공법을 적용하지 않았기 때문에 폭렬이 발생하지 않은 8-S50을 제외한 모든 시험체에서 국내 관리기준을 만족하지 않았다. 8-S50의 경우, 피복두께 깊이에 따른 온도상승지연 효과는 평균 87.3°C, 최고 104.7°C인 것으로 나타났다.
3.4 콘크리트의 깊이별 온도분포
Fig. 8에 콘크리트 깊이별 온도분포를 나타내었다. 콘크리트의 깊이별 온도분포에서도 고로슬래그를 혼입한 시험체가 상대적으로 온도상승이 낮은 경향을 나타냈다. 콘크리트 깊이 50 mm에서는 내화시험 초기에 고강도 콘크리트의 폭렬현상에 의한 단면결손으로 인하여 내부온도가 급격히 상승하였으며, 콘크리트의 강도가 높을수록 이러한 경향은 뚜렷이 나타났다. 반면, 콘크리트 깊이 100 mm에서는 단면결손의 상이함에 따라 정도의 차이는 있었으나, 비교적 완만히 온도가 증가하는 경향을 나타내었다. 56 MPa급 시험체에서는 S50과 S65SF5, SF5와 F25가 거의 유사한 온도이력을 나타내었으며, SF5>F25>S65SF5>S50 순으로 온도상승이 높았다. 70 MPa급 시험체는 F25SF5>SF5> S45SF5순으로 온도상승이 높았다.
따라서 고강도 콘크리트의 경우 폭렬현상으로 인한 단면결손의 방지가 중요하며, 원전구조물의 격납건물인 경우 방사선물질의 유출을 고려한다면 섬유혼입공법보다는 내화피복 공법의 적용이 바람직한 것으로 판단된다.
5. 결론
본 연구에서는 원전구조물 적용을 위하여 혼화재의 종류 및 치환율을 달리 배합설계한 고강도 콘크리트의 기초적인 내화성능을 평가하고자 ASTM E119에 따른 내화시험을 실시하였으며, 그 결과는 다음과 같다.
1) 육안관찰결과 폭렬현상은 56 MPa급 시험체의 경우 폭렬의 정도는 SF5>F25>S65SF5 순으로 많았으며, 70 MPa급 시험체의 경우에 있어서도 F25SF5>SF5>S45SF5 순으로 많았다.
2) ASTM E119에 의한 벽부재의 이면온도 시험결과, 대다수의 시험체에서 평균 139°C(250°F), 최고 181°C(325°F)의 평가기준보다 현저하게 낮은 100°C 이하의 온도분포를 나타냈다.
3) 벽을 기둥으로 가정한 주철근의 온도분포는 별도의 내화공법을 적용하지 않았기 때문에 폭렬이 발생하지 않은 8-S50을 제외한 모든 시험체에서 국내 내화성능 관리기준을 만족하지 않았다.
4) 콘크리트의 깊이별 온도분포는 콘크리트 표면일수록 콘크리트 강도가 높을수록 폭렬현상에 의한 단면결손으로 인하여 내부온도가 급격히 상승하였으나, 중심부로 갈수록 완만한 온도증가를 보였다.
5) 혼화재의 종류 및 치환율에 따른 고강도 콘크리트의 내화특성은 고로슬래그 미분말을 치환할수록 폭렬현상이 현저히 감소된 반면, 실리카퓸을 치환하는 경우 미세공극 충진효과로 인하여 폭렬발생이 증가하는 경향을 보였다.
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