Current Issue

본 실험에서는 두께 3 mm의 SS275 강판에서 70 mm × 150 mm로 절단한 소형 강판 시편을 블라스트 표면처리(Sa 2 1/2)^[14]한 후 표준시방서(KCS 14 31 40: 2016 도장)에 준하여 강교용 일반 중방식 계열인 우레탄마감, 세라믹계우레탄마감, 실록산계마감 및 불소수지계마감의 4종류 도장계로 도포하였다. 이하, 각각 우레탄계, 세라믹계, 실록산계, 불소수지계라 칭하며, U, C, S, F로 표기한다.

SS275 강재의 밀시트상의 재료 특성 및 화학성분을 각각 Table 1 및 Table 2, 도장 사양은 Table 3에 나타내었으며, 최종 제작된 도장시편의 외관상태는 Fig. 1에 나타내었다.

Fig. 1. 
Painted test specimens

4종류의 일반 중방식 도장계 시편의 전기로에 의한 가열온도 및 가열 지속시간의 범위는 Table 4에 나타낸 것과 같이 가열온도 100 ℃에서 300 ℃까지 50 ℃ 간격으로 하였으며, 가열온도의 지속시간은 30분과 60분으로 하였다. 그리고 가열온도 400 ℃에서 600 ℃까지는 100 ℃ 간격으로 지속시간은 30분으로 하였다.

일반 중방식 도장계별 시편수는 가열온도 100 ℃에서 300 ℃까지의 지속시간 30분의 경우에는 각각 6개씩, 지속시간 60분의 경우에는 각각 7개씩이다. 그리고 가열온도 400 ℃에서 600 ℃까지는 도장계별 각각 시편 1개씩을 가열 시험하였다.

본 실험에서는 화재 발생시의 다양한 화재 온도와 지속시간의 화재강도를 모사하기 위하여 전기로를 이용하여 가열시험을 실시하였다.

전기로를 이용한 가열실험은 먼저 목표 온도까지 전기로 체임버 내의 온도를 상승시키고, 목표 온도에 도달하면, 체임버 도어를 개폐하여 시편을 설치하고 30분 또는 60분간 가열하였다.

체임버 내에 시편을 설치하기 위하여 체임버 도어를 개폐할 경우, 체임버 내 온도가 일시적으로 저하하게 된다. 본 실험에 사용 전기로는 체임버 내의 온도가 설정 목표 온도로 회복되는 시간은 약 10분으로 측정되어, 가열온도의 지속시간 30분과 60분의 시험은 설정 온도 회복시간을 고려하여 시편 투입 후 각각 40분과 70분간 가열하였다.

국토교통부의 시설물의 안전 및 유지관리 실시 세부지침(성능평가편)에 따르면, 도장과 관련된 강재의 성능은 상태안전성능과 내구성능으로 분류하여 평가할 수 있다^[15].

상태안전성능은 부식발생 면적율과 부식에 의한 단면손상 면적율에 근거하여 평가하며, 강재 내구성능은 발청과 도장의 박리, 균열, 부풂, 변색/백아화의 4가지 도장열화 및 도장두께에 근거하여 평가된다.

본 실험에서는 화재강도에 따른 도장의 내구성능을 평가하기 위하여 4가지의 도장열화, 도장두께, 그리고 세부지침에는 규정되어 있지 않지만, 도장의 열화 평가에 널리 사용되고 있는 도막의 부착력 및 광택도를 측정하여 강구조물용 일반 중방식 도장계의 내구성능을 평가하였다. 즉 가열시험 전·후의 시편 표면의 육안조사에 근거하여 도장열화를 평가하고, 색차, 광택도 및 부착력을 측정하여 도장 내구성능을 정량적으로 평가하였다.

색차, 광택도 및 부착력은 시편을 상부, 중간부, 하부로 분류하여, 각 부위별로 3회씩 측정하고 이를 평균하여 각 시편의 색차, 광택도 및 부착력을 산출하였다.

Fig. 2. 
Test setup

가열온도와 지속시간에 따른 시편의 표면상태 변화를 Fig. 3과 Table 5에 정리하였다. 먼저 우레탄계(U)의 경우, 가열온도가 증가함에 따라 200 ℃에서 변색되기 시작하여, 250 ℃에서 뚜렷하게 변색되었다. 그리고 250 ℃에서는 표면 전체에 걸쳐 도막 부풂이 발생하였으며, 300 ℃에서 도막의 부풂, 균열 및 박리가 현저하게 발생하였다.

Fig. 3. 
Surface condition according to temperature and duration time

한편 각 가열온도의 지속시간 30분, 60분에 따른 변색 또는 도막 박리의 현저한 차이는 확인되지 않았다.

세라믹계(C), 실록산계(S) 및 불소수지계(F) 도장의 경우에는 250 ℃에서 미미하게 변색되었으며, 300 ℃에서 뚜렷하게 변색되었다. 그리고 300 ℃에서는 부분적으로 도막 박리가 발생하였으며, 400 ℃에서는 도막 박리가 표면전체에 걸쳐 현저하게 발생하였다. 그리고 각 가열온도의 지속시간 30분, 60분에 따른 변색 또는 도막 박리의 현저한 차이는 확인되지 않았다.

Fig. 4에 나타낸 것과 같이 도막의 표면상태에 대한 육안조사에 추가하여 20배율 확대경을 이용하여 가열온도 150 ℃ - 300 ℃의 4종류 도장계의 표면상태를 확인하였다. 그 결과, 우레탄계(U)는 200 ℃까지는 특이점이 확인되지 않았으며 250 ℃에서는 표면 전체에 걸친 부풂 발생이 확인되었다. 실록산계(S)의 경우, 250 ℃에서 도막 균열이 확인되었고 300 ℃에서는 표면 전체에 걸쳐 망상균열이 발생하였다. 그리고 불소수지계(F)의 경우, 250 ℃까지는 특이점이 확인되지 않았으며, 300 ℃에서 표면전체에 걸쳐 도막 박리가 발생하였고, 세라믹계(C)의 경우 250 ℃까지는 특이점이 없으며, 300 ℃에서 도막 균열 발생 징후가 확인되었다.

Fig. 4. 
Magnified surface condition (×20)

4종류의 도장계에 대한 가열온도 및 지속시간에 따른 변색 및 도장박리를 Table 6과 같이 간략하게 정리할 수 있으며, 강교용 일반 중방식 도장계는 가열온도 250 ℃에서 변색이 현저하게 발생하며, 300 ℃에 탄화(탄소 함유물이 가열 분해되면서 탄소만 남는 상태에서 흑색으로 변화된 현상)가 발생하였다. 그리고 가열온도 250 ℃ - 300 ℃에서는 도막의 균열, 부풂 및 박리가 현저하게 발생함을 확인하였다.

가열온도와 지속시간에 대한 도장 표면상태변화 및 열화정도를 정량적으로 평가하기 위하여 가열시험 전·후의 도장 표면의 광택도, 색차 및 부착력을 측정하였다. 단, 전술한 바와 같이 가열온도가 증가함에 따라 도막의 박리가 발생하여 측정이 불가능한 우레탄계(U)와 불소수지계(F) 시편에 대해서는 각각 200 ℃, 250 ℃까지, 실록산계(S) 및 세라믹계(C) 시편은 300 ℃까지만 측정하였다.

가열온도에 따른 초기시편의 광택도에 대한 가열후 시편의 광택도의 비를 광택보유율(%)로 하여, 이를 가열온도에 대한 변화로 Fig. 5에 나타내었다. 단 각 가열온도의 지속시간 30분과 60분에 따른 광택보유율의 차이는 뚜렷하지 않아, 이를 평균하여, 각 가열온도에 대한 각 도장계의 광택보유율로 나타내었다.

Fig. 5. 
Residual glossiness

Fig. 5에 나타낸 것과 같이 광택보유율은 가열온도의 증가에 따라 감소하는 경향을 나타내며, 우레탄계(U)는 150 ℃에서, 불소수지계(F), 실록산계(S)와 세라믹계(C)는 200 ℃에서 급격하게 감소함을 확인할 수 있다. 가열온도에 따른 도장계의 광택보유율을 비교하면 각 가열온도에 대해 실록산계가 가장 높고, 그 다음으로 세라믹계, 불소수지계, 우레탄계의 순으로 확인되었다.

색차계를 이용하여 가열시험 전·후 시편 표면의 동일 위치에서의 L*, a*, b*을 측정하고 이를 식 (1)에 대입하여 색차(ΔE*)를 계산하였다^[16]. 그리고 식 (2)를 이용하여 National Bureau of Standards (NBS) units을 계산하였다.

여기서 L*값은 밝기를 나타내는 것으로 흰색과 검정의 관계를 나타내고, a*값은 빨강(+)과 초록(-)과의 관계, b*값은 노랑(+)과 파랑(-)과의 관계를 나타낸다. 그리고 Δ는 가열 실험 전과 후의 변화량을 나타낸다.

각 도장계의 가열온도에 따른 색차(ΔE*)를 Fig. 6, ΔE* 및 NBS 등급을 Table 7에 나타내었다.

Fig. 6. 
Color difference

Fig. 6에 나타낸 것과 같이 색차는 온도가 150 ℃까지 증가함에 따라 서서히 증가하고, 200 ℃부터 급하게 증가하는 것을 확인할 수 있다. 도장계의 종류에 따른 색차를 비교하면, 200 ℃에서 불소수지계, 세라믹계, 실록산계, 우레탄계 순으로 크게 발생하였다.

각 도장계의 색차를 가열온도와 지속시간에 대해 NBS rating을 초기에 비해 거의 변화가 없음(○), 초기에 비해 변색되어 있음(△), 초기의 색이 거의 남아 있지 않음(×)의 3등급으로 분류하여 Table 8에 나타내었다. 200 ℃에서 변색 정도가 크고, 250 ℃부터는 초기의 색이 거의 남아 있지 않고 다른 색으로 변색한 것을 확인할 수 있다.

각 도장계별로 가열온도 100 ℃, 150 ℃, 200 ℃, 250 ℃, 300 ℃의 지속시간 60분 시편 1개씩을 선정하여 pull-off test로 도막의 부착력을 측정하였다^[17]. 우레탄계(U)와 불소수지계(F)는 각각 250 ℃, 300 ℃에서 상도 도막의 부풂이 발생하여 부착력 측정에서 제외하였으며, 부착력은 시편 1개당 2점에서 측정하고 이를 평균하여 각 도장계별 평균 부착력을 산출하였다.

Table 9에 나타낸 것과 같이 가열 전과 후의 도막의 부착력을 비교하면, 가열에 의해 부착력이 증가하는 경향을 보이며, 이는 열에 의한 추가 경화반응에 의한 것으로 추정된다. 그리고 가열온도에 의해 도막의 부풂 또는 박리가 발생하지 않은 경우에는 열충격에 의한 일반 중방식 도장계의 부착력 감소는 발생하지 않는 것을 확인할 수 있다.

화재 발생시 강재의 역학적 특성은 화재(수열)온도 및 지속시간의 영향을 받게 되며, 이에 관한 다양한 실험적 연구가 수행되어 왔다^{[4]-[11],[18]}.

예를 들어, 일본건축학회 강구조내화설계지침^[18]에 따르면, 일반강구조용 압연강재 SS400과 용접구조용 압연강재 SM490의 인장강도가 상온시의 값을 유지하는 상한온도는 300 ℃로 규정하고 있다. 즉 이들 강재온도가 300 ℃까지 상승한 상태에서도 상온시의 인장강도를 유지하고 400 ℃를 초과하면 급격하게 저하한다. 그리고 고장력볼트 F10T와 S10T의 경우에는 250 ℃까지 상온과 동일한 인장강도를 유지하고 300 ℃를 초과하면 급격하게 저하한다. 따라서 구조용 압연강재와 고장력볼트는 화재발생시 각각 수열온도 300 ℃와 250 ℃까지는 상온과 동일한 인장강도를 유지한다고 할 수 있다.

강교량의 화재발생시, 화재진압 후 신속한 공용재개 여부 판단을 위한 육안조사 단계에서 수열온도는 일반 강재부 400 ℃, 볼트 연결부 300 ℃의 초과 여부로 판단할 수 있을 것이다. 이러한 수열온도는 강교용 일반 중방식 도장계의 표면상태 변화, 즉 변색 및 박리 발생 여부에 따라 추정할 수 있다. 즉 Table 5, Table 6, Table 8에 나타낸 것과 같이 일반 중방식 도장계는 가열온도 300 ℃ - 400 ℃에서 탄화 및 박리가 발생하였다. 따라서 화재 발생 후 도장 표면의 탄화가 발생한 경우에는 강재의 인장강도의 저하가 우려되므로, 통행을 제한하고 정밀안전진단을 실시하여 강교량의 구조 안전성능, 사용성능에 대한 상세 검토가 필요한 것으로 판단된다. 그리고 화재 발생 후 탄화와 박리가 발생하지 않은 경우에는 수열온도를 300 ℃ 미만으로 추정할 수 있어, 통행을 재개한 상태에서 정밀점검 등의 상세 검토를 수행할 수 있을 것이다.

화재 발생 후, 도장의 재사용 여부는 열에 대한 도장의 내구성능에 근거하여 판단할 수 있을 것이다.

앞에서 기술한 바와 같이, 가열온도 300 ℃부터 탄화가 발생하여 이를 제외하고 100 ℃, 150 ℃, 200 ℃, 250 ℃, 300 ℃에 대한 도장의 내구성을 평가하였다. Table 10에 나타낸 것과 같이, 육안 및 색차계에 의한 변색 정도, 부착력, 균열/박리, 광택보유율에 근거하여 각 도장계의 내구성능을 3단계로 평가하였다. 본 실험에서 가열실험 전과 후의 도막 두께도 측정하였으나, 가열온도에 따른 도막두께 변화는 확인되지 않아 내구성능 검토에서 도막두께는 고려하지 않았다.

일반 중방식 도장계의 내구성능을 가열온도에 따른 색차, 부착력, 부풂, 광택도에 근거하여 평가하면 Table 10과 같이 나타낼 수 있다. 일반 중방식 도장계 중에서 우레탄계(U)가 가장 낮으며 화재온도 150 ℃까지는 재사용이 가능한 것으로 판단된다. 그리고 실록산계(S), 세라믹계(C) 및 불소수지계(F)는 화재온도 200 ℃까지는 재사용이 가능할 것으로 판단된다. 따라서 화재 발생 후, Fig. 3와 Table 5를 이용한 육안점검을 통해 화재온도를 추정하고, Table 10을 평가지표로 활용하면 도장의 재사용 여부의 판단이 가능할 것이다.