1. 서 론
2. 3D 프린팅 벽체
2.1 사용 재료 및 성분 조성
2.2 배합설계
2.3 3D 프린팅 벽체 제조 방법
3. 3D 프린팅 벽체 간이 내화시험
4. 실험결과 및 고찰
4.1 차염성
4.2 차열성
4.3 X-ray CT 분석
5. 결 론
1. 서 론
경제의 발전과 함께 건축은 비약적으로 발전을 이루며 대형화, 고층화와 복합적 용도의 건축물들이 증가하게 되었고, 건설기술의 급속한 발전과 다양한 형태의 기능성이 가능한 복합 구조물이 증대되고 있는 실정이다(Seo, 2003). 최근 3D 프린팅 기술이 발전함에 따라 건축분야에도 이 기술을 도입하여 생산성을 혁신적으로 개선하고자 다수의 연구들이 진행되고 있다. 하지만 주로 재료 관련된 기술개발과 연구에 집중되고 있고 시공된 3D 프린팅 건축물에 대한 성능검증은 거의 이루어지지 않고 있는 실정이다. 특히 3D 프린팅으로 출력된 벽체의 구조적 성능을 위한 내화성능의 확보가 중요하다(Wu et al., 2016).
건축부재의 내화성능은 건축물의 대형화, 고층화됨에 따라 건축물 내에서의 화재 확산으로 인한 인명과 재산피해의 최소화를 위하여 반드시 확보되어야 할 성능이다(Jung et al., 2023).
구조물의 화재저항성이 필요한 이유는 화재확산의 제어와 구조물의 붕괴방지에 있다. 건물과 같은 단독공간구조물의 화재에서는 구조부재(Structural elements)인 철근콘크리트로 이루어진 슬래브, 기둥, 벽으로 화재 발생 위치가 구분되므로 구조부재의 화재저항성이 화재확산의 제어에 영향을 준다. 구조물에서는 구조적인 화재저항성을 통해 화재 시 붕괴 방지를 구현할 필요가 있다(Buswell et al., 2018).
건설분야에서 콘크리트는 오랜 기간 사용되어 왔고, 불연소성(Incombustible)과 낮은 열확산성(Low thermal diffusivity)으로 인해 화재저항성을 가진 재료로서 인식되어 왔다. 그러나 최근 콘크리트의 강도가 증가되면서 콘크리트 경화체 내부의 공극이 줄어들고 조직을 치밀하게 만들어 화재저항성을 저하시켰으며, 늘어나는 물동량으로 인해 고강도 화재를 발생시킬 수 있는 연소물의 운반이 증가하고, 취약성이 증가됨에 따라 화재로부터 구조물을 보호해야 할 필요성이 증가하고 있다(Feng et al., 2023).
화재 시 인명과 구조물 안전에 대한 관심이 높아짐에 따라, 붕괴방지 개념을 구현하기 위한 기초연구로서 구조물의 재료로 사용되는 콘크리트와 철근의 온도에 따른 역학적 특성 변화에 대한 연구가 다양한 연구자들에 의해 지속적으로 수행되었다. 온도 증가에 따라 구조재료의 강도 및 탄성계수가 저하되는 특성은 구조물의 안전과 직결된다. 특히 고강도 콘크리트에서 주로 나타나는 폭열에 의한 단면손실은 화재에 대한 구조 안전성에 큰 영향을 주는 요인이다. 이러한 구조물의 화재손상의 원인으로 열에 의한 물리화학적 변화, 열응력(Thermal stress), 공극압(Pore pressure) 등을 들 수 있다.
건물의 경계 벽체 재료는 화재 확산을 제한하고 지연시킴으로써 피난 인원에 더 많은 대피 시간을 제공할 수 있다. 화재 및 열전달은 경계 벽체 재료에 따라 제어되거나 가속될 수 있다(Hertz et al., 2003).
건축물의 내화성능 요구시간을 결정하는 요소는 연소의 성상, 종류 등에 관한 화재하중과 규모와 형상에 관한 공간의 특성, 건축물의 규모에 의해 결정된다. 이러한 내화구조의 목적은 앞서 언급한 것과 같이 화재 시 건축물의 구조적 안전성 확보와 화재의 확산 방지, 피난 시간 동안 재실자의 대피로를 보호하는 것이며, 평가항목은 구조안정성, 차염성, 차열성이 있다(Jun et al., 2023).
국내의 내화 성능 평가 기준은 법령에서 정해진 내화시간과 표준화재시험에 의한 성능평가로 시행되고 있다. 이와 같은 내화성능기준은 건축물의 용도를 일반시설, 주거시설, 산업시설로 분류하여 대상건물의 층수와 최고높이를 기준으로 건축물의 규모와 주요 구성부재를 변수로 사용하고 있다(Kim et al., 2012).
내화성능을 평가하기 위한 시험방법은 시험체를 제작하여 KS F 2257-1의 시험방법에 준하여 비재하 가열시험인 경우 수평부재용 가열로를 이용하여 내화시험을 실시하도록 하고 있다. 그러나 수평부재용 가열로를 이용하여 내화시험을 하기 위하여서는 부재 크기가 증대하고 시험비용이 증가하여 다양한 요인에 대한 내화성능 검토에 어려움이 있다(Jung et al., 2016).
따라서 본 논문은 3D 프린팅 벽체의 내화성능을 평가하기 위하여 비재하 가열시험인 수평부재용 가열로 시험으로서 화재 시 벽체에 표준 시간-가열곡선에 적합한 간이 내화시험장치를 이용하여 벽체 내부 온도상승을 상대적으로 비교 평가하였다.
2. 3D 프린팅 벽체
2.1 사용 재료 및 성분 조성
결합재는 1종 보통포틀랜드시멘트(OPC: Odinary Portland Cement), 플라이애시 2종(FA: Fly Ash), 실리카흄(SF: Silica Fume)을 사용하였다. 잔골재는 국내산 규사 7호사를 사용하였으며, 혼화제는 국내 D사에서 생산한 3D 프린팅용 특수혼화제를 사용했다.
이 연구에서는 주 결합재로 사용한 1종 보통 시멘트는 비중 3.13g/cm3이며, 초결 및 종결 시간은 Vicat test를 통해 측정하였으며, 그 값은 263분과 360분으로 측정되었다. FA는 비중 2.25g/cm3, 강열감량은 2.5%로 측정되었다. SF는 SiO92 함량이 91.3%인 Undensified SF를 사용했으며, 45-μm(325번) SF의 잔류율은 4.4%로 측정되었다. 잔골재는 펌프의 최대 입도 용량을 고려하여 0.16 ~ 0.2mm 크기의 비중 2.59g/cm3 규사를 사용했다. 혼화제로는 유동화제로 폴리카복실산 고성능 감수제와 점도조절제로 셀룰로오스계 증점제를 사용했다.
2.2 배합설계
적층 배합을 위해 결합재는 OPC, FA, SF 세 종류를 적용하였으며, 결합재는 중량비로 OPC:FA:SF = 70:20:10%의 비율로 혼합하여 3성분계로 적용하였다. 적용한 배합표는 Table 1에 표현하였으며, 유동성과 적층성을 확보하기 위해 D사에서 개발한 3D 프린팅용 특수혼화제를 적용하였다.
Table 1.
Mix proportion
| Mix | W/B | Unit weight (kg/m3) | |||||
| (%) | Water | OPC | FA | SF | Sand | Admixture | |
| Printing | 28 | 215 | 533 | 153 | 77 | 1,055 | 15.27 |
2.3 3D 프린팅 벽체 제조 방법
3D 프린팅 장비를 활용한 벽체를 출력하기 위해 초당 40cm가 출력 가능한 장비(13m(W) × 14m(D) × 8m(H))를 Fig. 1과 같이 Gantry 형식으로 개발하였으며, 장비의 구성은 믹서, 급수장치, 액상형 혼화제 공급 장치, 몰탈 이송장치, 노즐 및 장비 제어기기로 구분되어 있다. 해당 장비를 활용하여 현장에서 직접 출력하는 방식으로 Fig. 2와 같이 100m2 비정형 수직 벽체를 출력하였으며, 재료 배합 및 휴식시간을 제외한 순수 출력시간은 52시간이 소요되었다. 재료의 압축강도는 60MPa, 1회 적층고 10mm로 시공되었다. 개구부는 개구부 해당 지점을 연속 출력하고 강도 발효 전 개구부 규모에 맞게 철편을 삽입하여 경화 후 개구부 부분의 몰탈을 제거하는 방식으로 시공되었다.
해당 골조 설계 시, 3D 프린팅 시공의 장점을 최대한 살리기 위해 비정형으로 시공하였다.
3. 3D 프린팅 벽체 간이 내화시험
간이 내화시험을 하기 위한 3D 프린팅 벽체의 설계기준강도는 60.0MPa로 설정하였으며, 제조된 벽체의 28일 일축 압축 강도는 62.3MPa로서 목표로 한 설계기준강도를 만족하는 것으로 나타났다. 3D 프린팅 건축물의 내벽으로 적용되기 위해서는 건축물의 용도 및 규모에 따라 내화시간을 확보하여야 한다. 본 연구에서는 간이시험을 통해 내화성능의 확보를 위한 시험을 실시하였다.
3D 프린팅용 모르타르 벽체는 외벽과 내벽으로 구성되어 외벽을 100mm 습식 샘플러로 Fig. 3과 같이 천공하여 내벽에 가열 토치를 사용할 수 있게 구성하였다.
내벽의 가열면 이면의 표면을 다이아몬드가 부착된 그라인더를 이용하여 표면을 Fig. 4와 같이 정리한 후 온도 계측을 위한 Fig. 6에서처럼 써머커플(Thermocouple)을 깊이별로 삽입하였다.
실물 가열 시험의 경우 국내의 한정된 시설로 인하여 다수의 내화 실험 평가를 수행하기에는 어려운 실정이다. 따라서 상대적으로 간편한 간이 내화실험을 통하여 내화성능을 파악하기 위하여 내화실험은 KS F 2257-1 “건축부재의 내화시험방법-일반요구사항”에 의거하여 수행하였다.
대부분의 국가에서는 건축재료나 구조부재의 화재저항성을 평가하기 위해 실물 화재저항시험을 수행한다. 일반적으로 실물 크기의 시험은 재하상태에서 열팽창과 변형을 포함한 평가가 가능하여 소규모 시험에 비해 선호된다. 화재저항시험을 위해서는 화재를 모사하기 위한 시간이력곡선이 필요하며, 기존에 가장 많이 사용하는 시간이력곡선이다. 시간이력곡선은 화재의 특징을 온도증가율(Heating rate), 최대온도(Maximum temperature), 최고온도 유지시간(Duration of maximum temperature), 소화(Cooling regime)로 나타낸다(Jung et al., 2016).
시험체 가열은 KS F2 57의 선에 적합하도록 3시간 동안 가열하였다. 가열온도는 T=345log10(8t+1)+20, 여기서 T는 가열 평균 온도(℃), t는 시간(min)이다.
온도측정은 -200℃ ~ +1,300℃의 계측이 가능한 써머커플(Thermocouple) K-Type을 통하여 데이터로거에 5분 간격으로 시편의 온도를 저장하였다.
또한 간이 내화시험이 완료된 후 가열면 중앙부를 직경 10cm의 습식 수평 천공기로 이용하여 샘플을 채취한 후 X-ray CT분석을 통하여 3D 프린팅 벽체의 가열 전·후 재료의 특성을 분석하였다.
실험은 기본적으로 벽체 자체의 내화성능확인을 위하여 단판에 대한 실험과 일반적으로 내벽체 시스템에서 중공부를 설치하는 것을 고려하려 벽체의 중앙부를 대상으로 수행하였다.
가열면의 이면온도를 실시간으로 계측하기 위하여 열화상 카메라를 이용하여 Fig. 7과 같이 5분 간격으로 촬영을 진행하였다.
4. 실험결과 및 고찰
4.1 차염성
콘크리트는 화재에 노출될 경우, 물리/화학/열/기계적 특성이 변화하게 된다. 터널 설계 및 유지관리 분야에서 주로 활용되는 특성은 기계적 특성인 역학적 특성이다. 강도와 강성과 같은 역학적 특성은 화재에 의해 콘크리트가 물리적, 화학적, 열적 변화를 거치면서 나타나는 특성으로 볼 수 있다. 여기서는 열에 의한 콘크리트의 재료적인 특성의 저하에 대한 주요 사항을 살펴보았다.
콘크리트의 물리적 특성 변화는 콘크리트 입자 사이 모세관 수분(capillary water)의 증발/응축(Evaporation/ condensation), 물리적으로 결합된 물의 탈착/흡착(Desorption/Sorption), 석영의 α-β 변형이 포함된다. 그리고 콘크리트의 화학적 특성 변화는 수화/탈수/재수화/탈탄화 반응(Hydration/Dehydration/Rehydration/Decarbonation reactions)이 포함된다. 물리적 변화와 화학적 변화는 서로 관련이 있으므로 물리-화학적 변화라고 표현하는 게 더 적합하다.
콘크리트는 골재(Aggregate), 시멘트 입자(Solid skeleton), 입자의 결합영역(Skeleton+chemically bound water), 입자 사이의 공극(Pore)으로 구분할 수 있다. 일반적으로 사용되는 골재는 300℃ 까지 시멘트 페이스트에 비해 상대적으로 안정하기 때문에 300℃ 이하에서는 열에 의한 콘크리트의 물리화학적 변화가 시멘트 페이스트의 변화에 따른다.
콘크리트의 온도가 100℃를 초과하면 모세관 수분이 증발하면서 콘크리트 내부의 압력이 증가한다. 이때 수분의 증발 손실에 의한 콘크리트의 수축(Shrinkage)이 발생하는데, 이 수축은 콘크리트의 역학적 특성에는 영향을 주지 않는다. 그러나 입자가 조밀한 고강도 콘크리트의 경우, 모세관 수분의 이동속도가 느려져서 374℃ 까지 모세관 수분이 존재할 수 있는 것으로 알려져 있으며, 이 기화된 수분의 증기압은 스폴링(Spalling)의 원인이 된다.
화학적 결합수(Chemically bound water)의 결합은 80~100℃에서 느슨해지기(Released) 시작하며, 콘크리트에서 중요한 물질인 규산칼슘수화물(CSH, C = CaO, S = SiO2, H = H2O)의 탈수는 110℃ 이상에서 주요 변화가 발생하기 시작한다. 즉, 화학적 결합수(Chemically bound water)의 탈착은 역학적 특성 저하를 의미한다. 시멘트의 경화와 관련된 수산화칼슘(Calcium Hydroxide, CH)은 500℃에서 탈수되면서 생석회(CaO)와 물(H2O)을 생성한다. 이것은 시멘트 페이스트의 입자의 질량 감소를 의미한다. 마찬가지로 규산칼슘수화물 역시 100~400℃ 에서 탈수가 발생하여 시멘트 페이스트의 질량감소를 유발한다. 그러나 규산칼슘수화물은 시멘트 페이스트의 약 70%를 차지하기 때문에 콘크리트의 강도는 수산화칼슘보다 규산칼슘수화물과 더 관련이 있다. 규산칼슘수화물은 600~700℃ 에서 붕괴가 시작되고 750~800℃ 에서 손실된다.
차염성은 불꽃이나 열기류의 관통을 방지하는 능력으로 건축물의 구성 부재의 내화 성능을 평가하는 항목이다. 차염성능을 만족하기 위한 기준으로는 화염 작용 시 착화가 발생하지 않아야 하며 시험체에 균열이 발생하지 않아야 한다. 화염이 지속되는 시험체 비가열면에서의 화염이 발생되지 않아야 한다.
Fig. 9에서는 실험 전·후의 실험체의 비가열면을 비교한 것이다. 측정결과 실험체에서 KS F 2257-8에서 규정하는 균열, 화염 등이 관찰되지 않아 차염성능 기준을 만족하였다.
4.2 차열성
규정된 수준 이하로 제한하는 성능이다. 건축물의 구획 부재가 한쪽면에서 가열될 때, 그 부재의 비가열면 온도 상승은 Fig. 10에 나타내었다. 가열은 180분 동안 표준 온도가열곡선에 따라 실험체를 가열하였다. 가열초기에는 가스토치의 특성상 온도조절의 어려움이 있어 표준가열곡선보다 보수적인 조건에서 가열이 되었다.
가열온도에 따른 실험체의 근입 깊이별 온도 분포를 20, 30, 40mm 및 벽체의 이면(P-60)으로 계측하였다. 근입 깊이에 따른 온도상승 곡선은 상대적으로 근입깊이가 적은 경우 빨랐다.
온도 상승은 20분에서 40분 사이에 가장 큰 온도 상승이 나타났으며, 120분 이후에는 실험체의 온도 상승폭이 미비하였다. 3D 프린팅 벽체의 두께 60mm의 이면 온도는 30분에서 60분 사이에 온도 상승이 큰 폭을 보였으며, 130분 이후에는 온도 상승이 미비하였다. 이와 같은 현상은 온도상승이 큰 구간은 실험체로의 전도 등의 열전달이 활발히 이루어졌으나 이후 열교환이 발생될 수 있는 임계지점에 도달하여 열전달 현상이 감소되어 나타난 것으로 판단된다.
가열시간 180분에서의 벽체의 온도는 두께 20mm 에서 535.6℃, 두께 30mm 에서 464.3℃, 두께 40mm 에서 378.1℃, 가열 이면에서 297.2℃ 으로 측정되었다.
KS F 2258의 기준에 따르면 차열성능은 초기 온도(실험시작 시 비가열면의 평균 온도)보다 140℃를 상승하지 않고 열전대를 포함한 모든 부분에서 초기 온도보다 180℃를 초과하지 않으며 실험체가 구획 기능을 유지하는 시간으로 규정한다. 따라서 본 실험의 경우, 초기 온도가 41℃ 이므로 평균온도 181℃, 최고온도 221℃의 도달시간이 내화시간이 된다. Fig. 11은 열화상 카메라로 촬영한 가열 이면벽체의 최고 온도이다.
실험체 비가열면의 평균온도 181℃ 도달시간은 38분이었고, 최고온도 221℃ 도달시간은 125분으로 확보되었다.
간이 내화시험에 의한 3D 프린팅 벽체의 내화 성능 시험 결과 법정 내화시간 120분 보다 5분 정도 크게 나타났으므로 법정 내화시간인 120분을 충분히 만족할 수 있을 것으로 판단된다.
4.3 X-ray CT 분석
비파괴 검사인 X-ray CT 이미지를 활용하여 국부적 공극률 분포를 통해 간이 내화 실험 전후 시편의 내부 구조를 Fig. 12와 같이 분석하였다. 내화시험 후의 3D 프린팅 벽체 표면성상은 육안으로 보이는 균열이 없지만 벽체의 경우 1,200℃의 고온에 노출되었다가 내화시험 후 상온으로 갑자기 떨어지면서 폭 1㎛ 이상의 균열이 발생하였다. 이는 급격한 온도저하로 인한 열충격으로 수축 균열이 발생한 것으로 판단된다.
5. 결 론
간이 내화시험에 의한 3D 프린팅 벽체의 내화 특성 연구로부터 얻은 결론은 다음과 같다.
(1) 화재 안정성을 목적으로 구조물을 설계할 경우, 화재심각도와 화재저항성을 비교하기 위해 시간, 온도, 강도 영역에서의 활용방법과 적용 개념을 확인하여야 한다.
(2) 내화성능 평가는 한정적인 국내 내화 시험시설을 실정을 고려하여 간이 내화시험을 수행하였다. 실험결과로부터 실험체 비가열면의 평균온도 181℃ 도달시간은 38분이었고, 최고온도 221℃ 도달시간은 125분으로 확보되었다. 내화 성능 시험 결과 법정 내화시간 120분 보다 5분 정도 크게 나타났으므로 법정 내화시간인 120분을 충분히 만족할 수 있을 것으로 판단된다.
(3) 3D 프린팅 벽체의 이면 온도곡선의 구배에 나타난 것과 같이 가열 후 지속된 온도상승이 아닌 일정 온도상승 이후 유지되는 것으로 나타나 내화성능이 발휘되는 것으로 판단된다.
(4) 화재 조건에 노출시킨 3D 프린팅 벽체는 차열성 및 차염성이 우수하여 건축물 시공에 적합하다고 판단된다.
