콘크리트가 화재를 입었을 때 화재 온도의 육안 추정방법과 콘크리트 구조물의 화재피해 시 중성화 조사를 하는 이유가 있습니다. 그리고 중성화 측정방법과 온도에 따른 콘크리트의 물리적, 화학적 특성에 대하여 알아보도록 하겠습니다.
콘크리트의 중성화[KDS 14 20 40]
화재 온도 육안 추정방법
고온에 노출된 콘크리트 수열 온도에 따라 색상이 변합니다.
300℃ 이하 : 색의 변화 거의 없음. 그을음 발생
300~600℃ : 핑크나 빨간색(온도가 높을수록 빨간색에 가깝습니다.)
600~900℃ : 연회색(Whitish Grey)
900~1,000℃ : 담황색(Buff)
콘크리트는 화재를 경험하게 되면 강도 저하, 중성화 등의 열화가 발생하게 되므로 구조물의 안정성 평가와 시설물 유지 보수를 위해 비파괴검사와 코어 테스트 등을 실시하여 콘크리트 강도 저감, 중성화 등 열화 정도를 정량적으로 평가하는 것이 매우 중요합니다.
화재 시 콘크리트의 중성화 조사를 하는 이유
화재 시 콘크리트에 발생하는 대표적 피해로는 강도의 감소와 중성화가 있습니다.
콘크리트는 수화 생성물인 수산화칼슘[Ca(OH)2]에 의해 강한 알칼리성(pH 12.5)을 나타냅니다. 수산화칼슘이 대기 중의 이산화탄소(CO2) 등 산성물질과 화학반응을 일으켜 알칼리성을 서서히 잃고 pH 8.5~10의 중성으로 변하는 것을 중성화라고 하는데, 화재 발생 시에는 탄화수소계의 완전, 불완전연소로 인해 이산화탄소 및 일산화탄소의 농도가 높아지고 이로 인해 중성화는 가속화됩니다.
Ca(OH)2 + CO2 = CaCO3 + H2O
Ca(OH)2 + 산 = 중화로 알칼리성 소실
중성화가 철근 위치까지 진행되면 콘크리트가 철근 부식을 막아줄 수 없게 되고 철근이 부식하게 됩니다. 철근은 부식하면 체적이 약 2.5배가량 증가하므로 이로 인해 콘크리트에 인장력을 주게 되고 콘크리트는 균열 또는 탈락하게 됩니다. 균열 또는 탈락 부위의 철근의 부식은 가속화되고 종국에는 내력 저하로 인한 구조적 안정성을 확보할 수 없게 됩니다. 그러므로 중성화 부위 콘크리트를 절취하여 신선한 콘크리트나 에폭시 모르타르 등으로 교체하는 등의 중성화에 적절한 대책을 마련하여야 합니다.
중성화 측정방법
측정위치에 코어를 뚫고 청소를 깨끗이 합니다.
1%의 페놀프탈레인 용액을 분사합니다.
알칼리성 부분(pH 10 이상)은 분홍색으로 변하며 색상의 변화 상태에 의해 중성화 정도를 파악합니다.
온도에 따른 콘크리트의 물리적, 화학적 특성
100℃ 이상 : 자유공극수 방출
300℃ 이상 : 시멘트 수화물 화학적 변질
400℃ 이상 : 화학적 결합수 방출
500℃ 이상 : 수산화 칼슘-열분해
600~800℃ : 시멘트 페이스트 수축 및 골재 파열
1,000~1,200℃ : 콘크리트 폭열
폭렬현상
- 고강도 철근콘크리트 부재의 경우 고강도를 발휘하기 위해 미세립의 혼화재를 사용하고, 콘크리트 내부의 미세공극을 매워 조직을 조밀하게 합니다. 화재 발생 시 콘크리트 내부 수증기의 배출이 어려워 고온에서 갑자기 부재의 표면이 심한 폭음과 함께 박리 및 탈락하는 현상.
- 구조부재의 가열 속도가 20~30℃/분인 화재와 같은 고온 조건이나 빠르게 증가하는 온도조건에 노출되었을 때 부재 표면에서부터 일정 층이나 조각이 파괴되는 현상.
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