제7장

난연 목재(1)

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□ 건축재료로서의 목재(목질재료)의 최대 과제 → 안전성 확보

☞ 안전성

① 최대하중에 대한 장기 내구성 → 적절한 허용응력도로 설계

② 자연재해에 대한 안전성 → 적절한 허용응력도로 설계

③ 화재에 대한 안전성 → 不燃化, 難燃化

숭례문 화제(2008. 2. 10)

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7.1 착화(着火, ignition, firing)

◊ 가연물 → 가열 → 축열 → 내부 일정 온도 도달 → 불이 붙는 현상

◊ 발염(發炎)착화, 무염(無炎)착화

☞ 목재의 연소(燃燒, combustion)

◊ 연소 : 산화(화학반응) + 열의 흐름 → 복잡한 현상

정의 - 발열과 발광을 동반한 격렬한 산화 반응

7.1.1 목재의 착화

◊ 목재의 화학 조성

cellulose 약 50 %, hemicellulose 약 20 %, lignin 약 30 %

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◊ 목재 가열

1) 함유수분 증발 → 약 100℃(전건 상태)

2) 전건상태 목재 가열

3) 목재의 열분해 과정

◦ 3대 화학성분이 독립적으로 진행 → 매우 복잡

(분해속도, 분해 생성물의 종류와 양, 탄소 殘渣의 양)

구분 온도(℃) 반응

탄화 과정

65 이상 서서히 열분해 진행

150 부근 재 표면 착색(갈색 ~ 흑갈색)

200 도달

급속한 열분해 발생 → 불연성 및 가연성 기체 발생

(불연성: H2O, CO2, 가연성 : CO, CH4, C2H4,

H2, 알데히드, 케톤, 유기산 등)

200 이상 재 표면 → 흑색(숯 상태)

250 이상 급격한 열분해 진행 → 가연성 기체 발생 증대

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◊ 목재의 착화

◦ 인화(引火, pilot ignition), 발화(發火, ignition),

무염발화(無炎발화, glow), 자연발화(저온 착화), 분진(粉塵)폭발

(dust explosion)

◊ 목재의 착화 조건

1) 연소조성 조건 충족

◦ 열분해 생성 가연성 기체 + 공기 → 가연성 혼합기체 형성

→ 착화에 필요한 일정 농도에 도달

2) 연소 에너지 조건 충족

◦ 가연성 혼합 기체에 착화에 필요한 에너지 공급

◦ 에너지

① 외부로 부터 공급되는 불씨 - 인화

② 연소조성조건 충족 후 계속적인 가열로 온도 상승 - 발화

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7.1.2 목재의 인화

가. 목재의 표면 부근

◦ 열분해 가연성 기체 + 공기 → 가연성 혼합기체 형성 → 고유의 연소

한계 농도에 도달 → 發火 源(불꽃 등) 공급 → 발염 연소 개시

연소 조성 조건 충족 연소 에너지 조건 충족

나. 목재의 인화

1) 열분해 가연성 기체의 급속한 확산이 없을 경우

◦ 일반적으로 350℃ 전후부터 발생

◦ 온도 상승 → 인화 개시 시간 단축

2) 연소조성 조건 충족

◦ 200℃ 이하에서도 발생

온도(℃) 시간(분)

150 인화 없음

180 14.3~40.0

200 11.8~40.0

225 7.2~17.0

250 4.0~9.5

300 1.6~3.5

350 0.8~1.5

430 0.3~0.5 열기류 중에서 기류온도와 인화시간의 관계

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다. 목재의 표면 착화

◦ 목재 표면 + 화염 → 인화

◦ 표면 착화에 필요한 에너지 < 통상의 인화에 필요한 에너지

라. 목재 인화의 영향 인자

① 목재 비중이 大 → 인화 곤란

② 목재 함수율 高 → 착화에 요하는 시간 長

③ 목재의 두께 厚 → (전면 가열일 경우) 인화에 요하는 시간 長

(단면 가열 : 두께 영향 없음)

④ 목재의 접선단면은 횡단면에 비해 착화가 빠름

⑤ 목재 표면의 거칠기 정도 : 착화에 영향 없음

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7.1.3 목재의 발화

가. 목재의 표면 부근

◦ 열분해 가연성 기체 + 공기 → 가연성 혼합기체 형성 → 고유의 연소

한계 농도에 도달 → 가열 지속, 온도 상승, 에너지 공급 → 연소 개시

연소 조성 조건 충족(①) 연소 에너지 조건 충족(②)

나. 加熱 源(가열방법)에 의한 발화 지배 인자

1) 대류, 열전도, 복사(弱)

◦ ① 조건 성립 → ② 조건 성립

◦ 발화 지배인자 : ② 조건(목재 자체의 온도 분포와 변화)

2) 강한 복사

◦ ② 조건 성립 → ① 조건 성립

◦ 발화 지배인자 : ① 조건

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다. 목재의 발화 온도

◦ 목재의 표면 온도 : 450 ~ 550℃ 범위(일반적)

◦ 수종에 무관 : 평균 약 490℃

재료 밀도 최저 복사 강도(cal/cm2/sec)

인화 발화

Fiber insulation board 0.24 0.15 0.57

Western red cedar 0.36 0.35 0.64

African mahogany 0.56 0.30 0.57

Oak 0.61 0.36 0.66

목재의 인화 및 발화에 필요한 최저 복사 강도

https://www.google.co.kr/url?q=http://www.woodworkingtalk.com/f2/working-african-mahogany-6377/&sa=U&ei=4U1hVfPMCoHWmAWOhoCIDg&ved=0CC0Q9QEwDA&usg=AFQjCNE1owO8dorZLJPsWNkY08DYhurS8ghttps://www.google.co.kr/url?q=http://ce.construction.com/article_print.php?L=202&C=652&sa=U&ei=cE5hVceLMuOzmAWGjIOIBA&ved=0CDsQ9QEwEw&usg=AFQjCNGJzI_0ubnWVkCfL9sUIJ7bbE2r5Qhttps://www.google.co.kr/url?q=http://www.jetsongreen.com/2012/12/agepan-wood-fiber-sheathing-insulation-washington.html&sa=U&ei=yE5hVbKcBOHfmgW55YDAAQ&ved=0CCMQ9QEwBg&usg=AFQjCNF1WrD7OHC0sdjnsDKTBk7WN-MH7w

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7.1.4 목재의 무염(無炎)발화(glow)

◊ 무염발화 = 무염착화

◊ 다공질의 탄소 : 기체 흡착능이 매우 큼

◊ 열분해에 의해 생성된 목재 표면의 탄소잔사(생성 직후)

◦ 활성이 매우 높음(활성 탄소)

◦ 공기와 접촉 → 산소 흡착 → 표면에서 산화 발생

◊ 무염 발화

◦ 가연성 가스의 축적과 가연성 혼합기체의 형성이 없는 조건 하에서도

화염 형성 없이 활성탄소의 산화에 의해 발화하는 현상

◦ 화염을 동반하는 발화에 비하여 발화온도 영역의 하한 치가 낮음

→ 200℃ 전후에서 발생할 가능성도 있음

◊ 비교적 저온 가열에서의 목재의 발화

◦ 무염 발화(1차) → 발염 연소(2차)

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7.1.5 자연 발화

◊ 자연발화 과정

◦ 분말상 물질 대량 퇴적 → 내부 발열 발생 → 내부 열 축적 → 내부

온도 상승(자연 발열) → 발화

◦ 내부 발열의 원인 : 미생물에 의한 발효, 완만하게 진행되는 산화 등

◦ 자연 발열 : cellulose의 경우, 148~167℃에서 가열

ᆞ3시간 - 3℃, 500시간 - 10℃ 온도 상승 → 자연발화 유인

◊ 저온에서의 자연 발화

◦ 발화에 요하는 시간 : 장기간(수시간 ~ 수주간)

◊ 목재에서의 자연발화

◦ 목분, 톱밥, 목섬유 등의 대량 퇴적

◦ 퇴적물 중심부에서 발생

ᆞ공기의 공급 불충분 → 무염발화(초기) → 발염연소로 발전

◦ 실제 화재에서 종종 발생

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7.1.6 분진(粉塵) 폭발

◦ PB, 건식섬유판, 제재 공장에서 발생하는 중대한 재해

1) 분진

◊ 분산 상태로 있는 고체 물질의 집합물

◦ 고체 물질 : 자유낙하 속도를 갖는 크기 1~150㎛ 범위의 입자

◊ 분진의 종류

① 부유 분진 : 공기 중에 떠 다니는 분진 – 雲狀 粉塵, 粉塵 雲

② 퇴적 분진 : 부유 분진이 공기 유동의 정지, 시간의 경과에 의해 퇴적

2) 분진 폭발 과정

◊ 부유 미립자 → 표면 가열(발화원 : 화염, 방전 불꽃 등) → 가연성 기체

발생(열분해, 증발 등) → 주위의 공기와 폭발성 혼합물 형성 →

점화 원(화염, 불꽃 등) 공급 → 격렬한 연소반응(폭발) 발생 → 반응열

에 의한 급격한 화염 전파 진행(전파속도 : 수 m~수십 m/sec)

◊ 가스 폭발과 유사

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3) 분진폭발의 점화 원

◊ 부유 분진, 퇴적 분진 : 외부로부터 점화 원 또는 착화 원이 없으면

폭발하는 경우는 없음

◊ 점화 원

◦ 화염, 가열표면, 불씨, 열 복사, 단열 압축, 충격파 등

◦ 부유 분진의 전하 → 기기의 벽체, 퇴적 분체에 집적 → 전기 불씨

→ 분진폭발 유인

4) 분진 폭발의 종류

① 퇴적 분진 폭발

◦ 외부의 착화 원 또는 자연발화 발생 – 연소속도 완만

◦ 퇴적 분진의 붕괴 → 급격한 분진 폭발로 발전

② 부유 분진 폭발 : 전항의 분진 폭발 과정 참조

◦ 부유 분진이 있는 곳은 퇴적 분진 존재

◦ 부유 분진 폭발 → 퇴적 분진에 의한 2차 폭발 수반

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5) 폭발을 일으키는 분진의 농도

① 상한 농도 : 측정 곤란

② 하한 농도 : 10~500g/㎥(일반적)

◦ 소맥분, 수지 분 : 15g/㎥

◦ 목분, 전분, 곡물 분 : 16~25g/㎥

◦ 제재공장(톱밥) : 65g/㎥