친환경 고강도 내화 콘크리트의 배합비 도출 및 성능평가 = Mix Proportion and Performance Evaluation of Eco-friendly Fire Proof High Strength Concrete

국문 초록 (Abstract)

최근 콘크리트 구조물은 고층화, 초고층화, 대규모화와 함께 고성능 콘크리트의 사용이 증가하면서 대형화재로 인한 경제·사회적으로 심각한 손실이 발생하고 있는 설정이다. 이처럼 대형화되고 있는 기존 및 신규구조물의 화재는 구조체의 강도저하로 인한 붕괴 및 인명피해 등 큰 문제를 야기하여 이에 대한 대책이 필요하다. 시멘트 1톤 생산 시 이산화탄소가 788kg 정도가 발생하기 때문에 시멘트 사용을 줄임으로써 이산화탄소 발생을 억제 및 저감하는 노력을 시도하고 있다. 따라서 본 연구에서는 기존 및 신규 콘크리트 구조물의 내화성능을 확보하는 동시에 이산화탄소 수지 측면에서 친환경적인 콘크리트를 개발하기 위한 연구를 실시하였다.
첫 번째로 친환경성 고강도 내화 시멘트 콘크리트를 만들기 위하여 Porcelain과 고로슬래그의 혼입량에 따른 굳지 않았을때의 특성과 압축강도, 내화시험 후 잔류압축강도 시험 및 공기량실험을 실시하였다. 또한 내화실험을 통해 콘크리트 내부의 온도변화를 측정하였다. 실험결과 목표성능을 만족한 결과가 도출되었으며 Porcelain과 고로슬래그를 사용한 배합이 가장 우수한 내화성능을 발현하였다.
두 번째로 친환경 고강도 내화 콘크리트의 수축 및 내구성능을 측정하기 위해 소성수축 및 건조수축균열 실험, 동결융해, 염소이온 침투 및 내화학성 실험, 환경 영향성 평가를 실시하였다. 또한 도출된 친환경 고강도 내화 콘크리트 배합의 실험 결과를 수치해석 프로그램을 통해 실제 터널에 적용하여 성능을 확인하였다. 실험결과 보통 포트랜드 시멘트 배합에 비해 P20% S70%를 사용한 배합에서 가장 우수한 성능을 발현하였고 저감율이 38%를 나타내어 개발된 친환경 고강도 내화 콘크리트 배합은 친환경적인 재료로 사료된다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

In recent years concrete structures is going to high rising, ultra-high rising, large along with he increasing use of high-performance concrete. For this reason economically and socially many damages are rising due to catastrophic fire. Thus fire of existing and new structures that are larger fire cause deterioration and loss of life, etc that are big problems. so we need measures for this problems. The concern for the cement production has risen as it produces great amount of carbon dioxide in the process. The amount of carbon dixoxide released in the process of producing 1ton of cement is 788kg, and we need an effort to use and reduce the carbon dioxide emission by reducing the use of cement. In this study, we researched fire performance of new and existing concrete structures and developed environmentally-friendly concrete that has the performance of the chemical balance in terms of carbon dioxide.
First, in order to create Eco-friendly fire proof high strength concrete mixing of Porcelain and blast furnace slag according to the amount of combination, we studied characteristics and compressive strength, residual compressive strength tests and air tests. In addition, we measured the internal temperature of the concrete through fire tests. Experimental results that have been derived by this study is satisfied by the performance. porcelain and blast furnace slag combination were showing excellent performance that related fire test.
Second, we derived the optimal combination of eco-friendly fire proof high strength concrete. In order to measure the durability. We conducted plastic shrinkage and drying shrinkage cracking tests, freezing and thawing, chloride ion penetration, and chemical resistance tests, environmental assessments. In addition, eco-friendly fire proof high strength concrete that was derived from this study applied to the actual tunnel through the numerical program. In this study, concrete combination that use P20% S70% is better excellent than normal portland concrete combination. Also developed eco-friendly fire proof high strength concrete shows the reduction rate of carbon dioxide emissions that is 38%. For this reason, eco-friendly fire proof high strength concrete combination is believed to be eco-friendly materials.

목차 (Table of Contents)

• 1 장 서론 = 1
• 1.1 연구배경 = 1
• 1.2 연구내용 = 2
• 1.3 논문의 구성 = 3
• 2 장 연구사 = 4
• 2.1 개요 = 4
• 2.2 고온에 노출된 콘크리트의 특성 = 5
• 2.2.1 화재 성상 = 5
• 2.2.2 콘크리트의 물리․화학적 특성 = 7
• 2.2.3 압축강도 = 10
• 2.2.4 열적 특성 = 12
• 2.2.5 밀도 = 13
• 2.2.6 콘크리트의 폭렬 = 14
• 2.3 콘크리트 구조물의 내화대책 = 16
• 2.3.1 콘크리트의 강제 건조 방법 = 16
• 2.3.2 원심성형 방법 = 17
• 2.3.3 외부 마감에 의한 폭렬 방지 = 17
• 2.3.4 PP 섬유의 혼입 = 18
• 2.4 Alkali Activated 슬래그 시멘트 = 19
• 2.4.1 메카니즘 = 19
• 2.4.2 고로슬래그 = 21
• 2.4.2.1 개요 = 21
• 2.4.2.2 물리적 성질 = 21
• 2.4.2.3 화학적 성질 = 22
• 2.4.2.4 잠재수경성 = 23
• 2.4.3 Alkali Activator = 23
• 2.4.3.1 Alkali Activator pH의 영향 = 23
• 2.4.3.2 Alkali Activator의 화학조성 = 24
• 2.4.3.3 Alkali Activated 슬래그 시멘트의 물리·화학적 특성 = 25
• 2.4.3.4 Alkali Activated 슬래그 시멘트의 미세조직 = 28
• 2.4.3.5 Alkali Activated 슬래그 시멘트의 수화율 = 30
• 2.4.3.6 Alkali Activated 슬래그 시멘트의 강도 특성 = 32
• 2.5 폴리프로필렌 섬유 = 34
• 2.5.1 개요 = 34
• 2.5.2 기본물성 = 35
• 2.6 Porcelain = 37
• 2.7 물유리 = 38
• 3 장 친환경 고강도 내화 콘크리트의 적정 배합비 도출 = 39
• 3.1 개요 = 39
• 3.2 사용재료 = 39
• 3.2.1 폴리프로필렌 섬유 = 39
• 3.2.2 시멘트 = 40
• 3.2.3 고로 슬래그 = 40
• 3.2.4 물유리 = 40
• 3.2.5 Porcelain = 41
• 3.3 배합설계 = 42
• 3.4 실험 방법 = 43
• 3.4.1 배합 = 43
• 3.4.2 슬럼프 실험 = 43
• 3.4.3 압축강도 실험 = 44
• 3.4.4 내화실험 = 44
• 3.4.5 내화 후 잔류압축강도 실험 = 46
• 3.5 실험 결과 = 47
• 3.5.1 슬럼프 실험 = 47
• 3.5.2 압축강도 실험 = 47
• 3.5.3 내화실험 = 49
• 3.5.4 내화실험 후 잔류압축강도 실험 = 55
• 3.6 결론 및 요약 = 57
• 4 장 친환경 고강도 내화 콘크리트의 수축 및 내구특성 평가 = 58
• 4.1 개요 = 58
• 4.2 실험배합 = 58
• 4.3 실험 방법 = 59
• 4.3.1 소성수축균열 = 59
• 4.3.1.1 모르타르 소성수축균열 = 59
• 4.3.1.2 콘크리트 소성수축균열 = 61
• 4.3.2 건조수축균열 = 62
• 4.3.3 마모저항 실험 = 63
• 4.3.4 동결융해 = 64
• 4.3.5 염소이온 침투 실험 = 65
• 4.3.6 내화학성 = 66
• 4.3.6.1 황산염 = 66
• 4.3.6.2 염해 = 67
• 4.3.6.3 탄산화 = 68
• 4.4 실험 결과 = 70
• 4.4.1 소성수축균열 = 70
• 4.4.1.1 모르타르 소성수축균열 = 70
• 4.4.1.2 콘크리트 소성수축균열 = 72
• 4.4.2 건조수축균열 = 73
• 4.4.3 마모저항 실험 = 74
• 4.4.4 동결융해 = 77
• 4.4.5 염소이온 침투 실험 = 78
• 4.4.6 내화학성 = 80
• 4.4.6.1 황산염 = 80
• 4.4.6.2 염해 = 82
• 4.4.6.3 탄산화 = 84
• 4.5 결론 및 요약 = 90
• 5 장 친환경 고강도 내화 콘크리트의 환경 영향성 평가 = 92
• 5.1 개요 = 92
• 5.2 시멘트 제조에서의 CO2배출량 산정 = 93
• 5.3 콘크리트의 CO2배출량 산정 = 95
• 5.4 결론 및 요약 = 97
• 6 장 친환경 고강도 내화 콘크리트 구조물의 수치해석 = 98
• 6.1 개요 = 98
• 6.2 해석방법 = 98
• 6.2.1 열전달에 대한 영향 평가 = 98
• 6.2.1.1 콘크리트의 단열온도 상승량 = 98
• 6.2.1.2 콘크리트의 역학적 특성 = 100
• 6.2.1.3 온도해석 = 101
• 6.2.1.4 열전달해석 = 102
• 6.2.2 화재에 따른 열전달 및 열응력 해석 개요 = 104
• 6.3 구조물 해석 및 분석 = 105
• 6.3.1 화재에 대한 영향 검토 = 105
• 6.3.1.1 검토단면 = 105
• 6.3.1.2 주요 해석 내용 및 해석 조건 = 105
• 6.3.2 화재에 따른 설계 = 108
• 6.3.3 화재에 따른 열전달 해석 = 109
• 6.3.3.1 CFD 해석 = 110
• 6.3.3.2 열전달 해석 = 112
• 6.3.4 열응력 해석 = 115
• 6.4 결론 및 요약 = 118
• 7 장 결론 = 119
• 참고문헌 = 123
• 국문초록 = 130