내가 살고있는 인근 도시에서 아파트 건설 공사 중 화재가 발생하였다. 이와 관련하여 필자는 관할 관청으로부터 진단 및 보수와 관련하여 콘크리트 재료 전문가 입장의 자문을 요청받게 되었다. 그런데, 자문회의 중 화재피해 깊이의 진단 및 보수과정에서는 화재 발생상태 및 시기에 따라 다르게 고려해야 하는 사항이 있음에도 불구하고 그렇지 않음을 발견하였다. 그러므로 본 고에서는 화재 발생 상황에 따른 피해진단 및 보수방법을 결정할 경우의 고려사항에 대하여 기술해 보고자 한다.
화재 발생 상황
OO지역 아파트 현장의 화재는 지하 1층에서 설비 작업자가 배관 용접작업 중 발생한 불티가 천장 단열재에 옮겨붙어 발생한 것이었다. 화재 발생 초기에 작업자는 소화기로 화재진압을 시도하였으나 연소가 크게 확산되어 긴급대피한 다음 소방차가 출동하여 1시간 정도 연소 후 진압되었다. 가장 큰 피해는 그을음이었지만, 화재 발생 부위에서는 기둥 부위에 일부 사진 2와 같이 폭렬현상이 발생하였고, 보, 슬래브 및벽 등에는 균열이 발견되었다.
화재 발생 후 진단 전문업체가 선정되어 전반적인 진단을 진행하였다. 진단결과 구조 내력상 영향이 큰 Ⅳ급도 일부 있었지만, 전반적으로는 구조 내력상 영향이 적은 Ⅲ급 및 구조 내력상 영향이 없는 Ⅱ급 정도의 수준이었다. 따라서 진단전문업체에서는 각급별 보수보강과 관련한 특기 시방서를 작성하여 그대로 작업을 진행하였는데, 일 예로 Ⅲ급 정도 되는 곳의 보수보강 특기 시방서는 그림 1과 같았다.
문제점 및 대책
일반적으로 콘크리트 구조물에 화재가 발생하면 콘크리트에 물리적, 화학적으로 다양한 변화가 발생하여 강도, 탄성계수 및 내구성 등에 많은 영향을 미친다. 그런데, 진단 및 보수와 관련하여 그림 1의 경우 에는 아래와 같은 2가지의 문제점이 발견되었다.
첫 번째는 화재피해를 받은 콘크리트의 피해 깊이를 진단하는 경우로서 물리적 영향에 의한 피해 깊이가 화학적 영향에 의한 피해 깊이보다 커서 물리적 피해를 중요하게 진단하여야 함에도 불구하고, 화재피해를 진단하는 진단자의 대부분은 화학적 변화인 중성화 시험만으로 화재피해 깊이를 조사하고 있는 것이다.
즉, 콘크리트 내부에 존재하는 물로는 시멘트 수화물 중 결합수, 모세관수, 유리수가 있다. 그런데 4℃, 1 cc의 물이 100℃ 수증기로 변한다면 약 1 700 cc로 1 700배의 부피가 팽창한다. 따라서 유리수·모세관수인 경우 화재시 온도상승으로 생성된 수증기가 연결된 모세관 공극 및 블리딩수 상승에 따른 물길 등을 통해 골재 하부 등에 모여, 일부는 모세관 공극으로 빠져나가지만 치밀한 조직으로 말미암아 빠져나가지 못하는 수증기는 내부압력으로 작용한다.
이와 같이 누적된 내부 수증기 압력이 콘크리트 인장강도보다 커지게 되면 콘크리트의 조직이완 혹은 콘크리트 조직을 폭발적으로 떨어져 나가게 하는 사진 2와 같은 폭렬이 발생하게 되는데, 이때의 온도는 250℃±50℃가 된다. 물론 콘크리트 내부에는 온도가 상승할수록 시멘트 페이스트는 수축하는데 비해 골재 및 철근은 팽창하여 열팽창계수 차이에 따른 열응력도 발생하여 균열이 유발되기도 한다.
반면, 고열에 따른 화학적 변화로서 페놀프탈레인을 지시약으로 이용하는 중성화 시험은 시멘트 수화 생성물 중 수산화칼슘{Ca(OH)2}의 중성화 변화인데 450℃~550℃에서 일어나는 현상으로 중성화시험은 이것을 진단하는 것이다. 결국, 그림 2와 같이 중성화시험에 의해 측정된 피해 깊이는 물리적 변화인 수증기압 발생에 따른 조직이완 깊이보다 작아 올바른 피해 깊이의 진단에는 문제가 있다. 이때 조직이완의 진단은 코어채취 시험체의 수중 침지 후 건조법이 이용된다.
둘째로는 화재피해 부분에 대한 보수로서, 보수순서 및 방법은 그림 1과 같이 진행된다. 그러나 그림 1중 (d)의 ‘4. 알칼리 회복제 도포’ 는 건설물이 장기간 사용 중 화재가 발생한 경우, 물리적 화재피해 깊이보다 더 깊게 중성화가 진행되어있기 때문에 알칼리 회복제의 도포는 필수이겠지만, 건설 공사 진행 중 화재인 경우는 보수대상 바탕 콘크리트가 알칼리성을 띠고 있으므로 굳이 알칼리 회복제를 도포할 필요는 없다. 물론 안전을 위해 혹은 시방서에 되어있으니까 등으로 알칼리 회복제 도포 목적도 이해하지 않고 무조건 시공하는 경우도 있는데, 이는 시간 허비 및 비용 낭비를 초래하는 결과로써 재고돼야 할 것이다.
화재피해 깊이진단은 위에서 설명한 바와 같이 화학적인 원리의 중성화 시험보다는 물리적 원리인 코어 시험체 침수 건조법이 더욱 바람직하다. 또한, 보수보강 시공에서도 건축물 준공 후 장시간 사용조건에서 화재가 발생한 경우는 중성화의 깊이가 보수해야 하는 물리적 화재피해 깊이보다 깊어서 알칼리 회복제를 반드시 도포하여야 하지만, 공사 중 화재가 발생한 금번과 같은 경우는 알칼리 회복제를 도포할 필요는 없는 것이다.
화재 발생 상황
OO지역 아파트 현장의 화재는 지하 1층에서 설비 작업자가 배관 용접작업 중 발생한 불티가 천장 단열재에 옮겨붙어 발생한 것이었다. 화재 발생 초기에 작업자는 소화기로 화재진압을 시도하였으나 연소가 크게 확산되어 긴급대피한 다음 소방차가 출동하여 1시간 정도 연소 후 진압되었다. 가장 큰 피해는 그을음이었지만, 화재 발생 부위에서는 기둥 부위에 일부 사진 2와 같이 폭렬현상이 발생하였고, 보, 슬래브 및벽 등에는 균열이 발견되었다.
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화재 발생 후 진단 전문업체가 선정되어 전반적인 진단을 진행하였다. 진단결과 구조 내력상 영향이 큰 Ⅳ급도 일부 있었지만, 전반적으로는 구조 내력상 영향이 적은 Ⅲ급 및 구조 내력상 영향이 없는 Ⅱ급 정도의 수준이었다. 따라서 진단전문업체에서는 각급별 보수보강과 관련한 특기 시방서를 작성하여 그대로 작업을 진행하였는데, 일 예로 Ⅲ급 정도 되는 곳의 보수보강 특기 시방서는 그림 1과 같았다.
문제점 및 대책
일반적으로 콘크리트 구조물에 화재가 발생하면 콘크리트에 물리적, 화학적으로 다양한 변화가 발생하여 강도, 탄성계수 및 내구성 등에 많은 영향을 미친다. 그런데, 진단 및 보수와 관련하여 그림 1의 경우 에는 아래와 같은 2가지의 문제점이 발견되었다.
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첫 번째는 화재피해를 받은 콘크리트의 피해 깊이를 진단하는 경우로서 물리적 영향에 의한 피해 깊이가 화학적 영향에 의한 피해 깊이보다 커서 물리적 피해를 중요하게 진단하여야 함에도 불구하고, 화재피해를 진단하는 진단자의 대부분은 화학적 변화인 중성화 시험만으로 화재피해 깊이를 조사하고 있는 것이다.
즉, 콘크리트 내부에 존재하는 물로는 시멘트 수화물 중 결합수, 모세관수, 유리수가 있다. 그런데 4℃, 1 cc의 물이 100℃ 수증기로 변한다면 약 1 700 cc로 1 700배의 부피가 팽창한다. 따라서 유리수·모세관수인 경우 화재시 온도상승으로 생성된 수증기가 연결된 모세관 공극 및 블리딩수 상승에 따른 물길 등을 통해 골재 하부 등에 모여, 일부는 모세관 공극으로 빠져나가지만 치밀한 조직으로 말미암아 빠져나가지 못하는 수증기는 내부압력으로 작용한다.
이와 같이 누적된 내부 수증기 압력이 콘크리트 인장강도보다 커지게 되면 콘크리트의 조직이완 혹은 콘크리트 조직을 폭발적으로 떨어져 나가게 하는 사진 2와 같은 폭렬이 발생하게 되는데, 이때의 온도는 250℃±50℃가 된다. 물론 콘크리트 내부에는 온도가 상승할수록 시멘트 페이스트는 수축하는데 비해 골재 및 철근은 팽창하여 열팽창계수 차이에 따른 열응력도 발생하여 균열이 유발되기도 한다.
반면, 고열에 따른 화학적 변화로서 페놀프탈레인을 지시약으로 이용하는 중성화 시험은 시멘트 수화 생성물 중 수산화칼슘{Ca(OH)2}의 중성화 변화인데 450℃~550℃에서 일어나는 현상으로 중성화시험은 이것을 진단하는 것이다. 결국, 그림 2와 같이 중성화시험에 의해 측정된 피해 깊이는 물리적 변화인 수증기압 발생에 따른 조직이완 깊이보다 작아 올바른 피해 깊이의 진단에는 문제가 있다. 이때 조직이완의 진단은 코어채취 시험체의 수중 침지 후 건조법이 이용된다.
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둘째로는 화재피해 부분에 대한 보수로서, 보수순서 및 방법은 그림 1과 같이 진행된다. 그러나 그림 1중 (d)의 ‘4. 알칼리 회복제 도포’ 는 건설물이 장기간 사용 중 화재가 발생한 경우, 물리적 화재피해 깊이보다 더 깊게 중성화가 진행되어있기 때문에 알칼리 회복제의 도포는 필수이겠지만, 건설 공사 진행 중 화재인 경우는 보수대상 바탕 콘크리트가 알칼리성을 띠고 있으므로 굳이 알칼리 회복제를 도포할 필요는 없다. 물론 안전을 위해 혹은 시방서에 되어있으니까 등으로 알칼리 회복제 도포 목적도 이해하지 않고 무조건 시공하는 경우도 있는데, 이는 시간 허비 및 비용 낭비를 초래하는 결과로써 재고돼야 할 것이다.
화재피해 깊이진단은 위에서 설명한 바와 같이 화학적인 원리의 중성화 시험보다는 물리적 원리인 코어 시험체 침수 건조법이 더욱 바람직하다. 또한, 보수보강 시공에서도 건축물 준공 후 장시간 사용조건에서 화재가 발생한 경우는 중성화의 깊이가 보수해야 하는 물리적 화재피해 깊이보다 깊어서 알칼리 회복제를 반드시 도포하여야 하지만, 공사 중 화재가 발생한 금번과 같은 경우는 알칼리 회복제를 도포할 필요는 없는 것이다.
한천구 청주대 건축공학과 석좌교수
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