방음터널 투명방음판 재질과 화재위험에 관한 고찰

국가화재평가원

문상규 위원(공정안전 전문위원)

 

2022년 12월 29일 발생한 제2경인고속도로 과천 갈현고가교 방음터널 화재사고는 도로 주행 시 방음터널도 터널과 같은 밀폐공간의 화재와 같이 심각한 영향을 받을 수 있다는 것을 보여 주었습니다. 그 후 연달아 2023년 1월 3일 중부내륙고속도로 지선 방음벽 화재가 발생하였고, 이에 국토교통부는 방음터널·방음벽 화재 안전대책을 마련하도록 각 도로관리청에 지시하였습니다.

 

지난 2020년 2월 청주 개신오거리 고가차도 방음터널과 2020년 8월 용인/수원 하동IC 고가차도 방음터널 화재는, 방음재질에 따른 이번 방음터널의 화재특성을 인지하는데 도움이 될 것이라고 보여집니다.

 

소방청 2021년 화재통계연감에 따르면 2012~2021년까지의 차량화재는 49,500여건(전체 12%, 연평균 4,950건)으로, 54,300여건이 발생하는 산업시설 다음 4번째로 화재가 많이 발생하는 장소입니다. 언제든지 방음터널 내부나 방음벽 주변에서 유사한 사고가 현재 재발할 가능성이 있어, 차량 화재의 연소확대 가능성을 줄이기 위하여 방음벽 재질에 대한 연소 특성을 고려할 필요가 있다는 것을 여러 사고를 통해 보여주었습니다.

 

아래의 표1은 방음터널,벽의 화재사례에서 확인된 방음재료에 대한 자료입니다.

 

[ 표 1. 화재사고 방음터널, 벽의 방음재료 ]

 

[ 그림 1. 방음터널,벽 화재사례 ]

             갈현고가                          용인/수원하동 IC고가               청주 개신고가                      중부내륙고속

 

본 내용은 한국도로공사 도로교통 연구원의 연구보고서에서 실험한 열특성자료를 참고하였습니다.

2009년~2010년에 발간된 투명방음벽 보고서의 대부분은, 주로 기계적인 특성과 내후성에 대하여 진행되었습니다. 이후 고속도로 차량화재로 방음벽이 소실되는 사고가 자주 발생하자, 2012년에 “고속도로 방음자재의 연소특성 및 방염성능기준에 관한 연구 보고서"(한국도로공사, 도로교통연구원 연구보고서)를 통해 특정 재료의 대한 가연성과 난연성을 분석하였으나, 이후 투명 방음벽 설치기준에 반영되지 않은 것으로 보입니다. 

 

상기의 연구 및 분석 보고서 자료를 근거로, 투명 방음벽의 재료로 사용되는 아크릴(PMMA, Polymethylmethacrylate, 이하 PMMA) 및 폴리카보네이트(PC, polycarbonate,이하 PC)의 연소 특성을 알아보았습니다.

표2. 방음재료에 따른 연소특성

방음터널 및 방음벽의 투명 방음판으로 PMMA 또는 PC를 주로 사용합니다.

 

PMMA는 가연물이 일정시간 연소를 지속하지 위한 대기중의 최소산소분률를 나타내는 한계산소지수(LOI, Limit Oxygen Index)가 19~20%로, 대기중(산소 21%)에서 지속적으로 연소할 수 있는 물질입니다. PMMA 자체에 산소를 갖고 있어 연소에 도움을 줄 수 있으며, 열분해시 인화성 액체인 MMA(메틸 메타아크릴레이트)로 해중합되고, 연소열은 PE/PP(폴리에틸렌/프로필렌) 수지의 중간정도이며 90~105도씨에서 용융됩니다.

 

PC의 경우 산소지수는 24~33%로 준난연 플라스틱으로 알려져 있으며, 연소열은 PMMA로보다 높은 215~230도씨에서 용융됩니다.

 

일정기준의 복사열에 일정시간 노출되는 경우, 탄화/착화 등으로 발생하는 총방출열량(THR, Total Heat Release)은 높을수록 가연성이 높은 물질을 나타냅니다.

 

결과를 제공하는 연구기관에서 사용한 PMMA 시료에 따라 다소 차이를 보여주기는 하지만, PMMA의 총 방출열량(107~158 MJ/m2)은 폴리에틸렌/프로필렌 수지보다 높게 나타내고 있어 큰 가연성을 가졌다고 할 수 있습니다.

 

PC의 총 방출열량(45~54 MJ/m2)은 PMMA의 50~70%(참고로 다른 연구기관의 실험치의 경우가 있어 높게 책정됨)정도이며, 폴리프로필렌과 유사한 정도입니다.

 

연소과정에서 열분해로 해중합(단량체로 분해)되어 PMMA는 모노머인 인화성 액체인 MMA로 분해되므로 유동성을 갖게 되며, PC는 개방된 장소에서 열을 받으면 겔(gel)화 되어 유동성을 갖을 수 있다고 보여주었습니다. 상기 플라스틱의 열특성자료를 이해하는데 도움이 될 수 있는 국내 기술기준은 다음과 같습니다.

 

연소방지설비의 화재안전기준(NFSC 506) 제7조(연소방지도료의 도포) 3. 연소방지도료 및 난연테이프의 성능기준 및 시험방법은 다음 각 목의 기준에 따를 것. (3) 중략- 산소지수는 평균 30 이상이어야 할 것. 다만, 난연테이프의 산소지수는 평균 28 이상이어야 한다.   건축자재등 품질인정 및 관리기준 제6장 건축물 마감재료의 성능기준 및 화재 확산 방지구조 제25조(난연재료의 성능기준) 규칙 제5조에 따른 난연재료는 다음 각 호의 성능시험 결과를 만족하여야 한다.   1. 한국산업표준 KS F ISO 5660-1[연소성능시험-열 방출, 연기 발생, 질량 감소율-제1부 : 열 방출률(콘칼로리미터법)]에 따른 가열시험 결과, 제28조제2항제1호에 따른 모든 시험에 있어 다음 각 목을 모두 만족하여야 한다.  가. 가열 개시 후 5분간 총 방출열량이 8MJ/㎡ 이하일 것  나. 5분간 최대 열방출률이 10초 이상 연속으로 200kW/㎡ 를 초과하지 않을 것

 

두 가지 기술기준에 대하여 PC는 총 방출열량을 만족하지 못하며, PMMA은 난연재료 기준을 충족하는 것은 없습니다. 또한 앞에 언급한 3건의 방음터널 화재중 2건(과천, 수원)은 PMMA 투명 패널으로 시공된 화재로 넓은 범위의 피해가 발생한 반면, PC로 시공된 개신고가(청주) 방음터널은 아주 좁은 구간에서만 연소확대가 이루어진 것으로 보아, PMMA(ABS 포함)와 PC는 연소확대에 상당한 차이를 보인다고 판단됩니다.

 

다른 한편으로 “방음터널의 화재안전성에 관한 국내 연구동향 분석”(2019년 발표)이라는 학계 논문에 따르면, PC가 건축자재등 품질인정 및 관리기준 제25조(난연재료의 성능기준)의 총 방출열량(THR, Total Heat Release) 기준을 초과하여 범용 플라스틱(폴리에틸렌/프로필렌 등)만큼 열량을 갖고 있고, 개신고가 화재사고 자료에서 나타난 바와 같이 연소 시 낙하용융하는 사례를 들어 화재확산 가능성이 있으며, 화재 차량 및 적재물의 화재하중 등의 복합적인 요인을 들어 방음터널의 주요 철골의 강성과 강도에 영향을 줄 수 있다고 기술하고 있습니다.

 

PC는 높은 산소지수를 갖고 있어 준난연 플라스틱으로 알려져 있으나, 방음터널은 터널과 유사한 형태로 화재 특성상이 나타날 수 있어, 터널 내 화재하중이 높은 대형 차량, 특히 가연성물질 적재 화물차량이나 버스 화재 발생시 준난연 플라스틱의 이점을 얻지 못할 수 있을 뿐만 아니라, 방음터널을 구성하는 철골 강재의 내구성 약화로 인한 직접적 붕괴 또는 급속한 부식으로 인한 잠재 사고위험이 증가할 수 있다고 판단하였습니다.

 

이는 준난연 플라스틱의 재료로서의 자기소화성 특성이외에, 시공 장소의 구조에 따른 화재 특성도 감안해야 할 필요성이 있다는 것을 시사한 것으로 볼 수 있습니다.

 

그럼에도 불구하고 여러 방음터널 화재사례를 볼 때 가연재료인 PMMA보다는 자기소화성을 갖는 준난연재료인 PC를 사용하는 것이, 연소확대를 감소시키는데 이점이 있다는 것을 보여주었습니다.

 

방음터널과 같은 화재의 경우 적극적인 방재(active Fire protection, 화재 감지와 진압)의 상당한 제한성을 갖게 되어, 특히 방음재료의 경우 수동적,구조적 방재(Passive Fire Protection) 측면에서 접근해야 하므로, 우선적으로 연소확산 위험이 낮은 불연/(준)난연 재료를 선택하는 것이 바람직합니다.

 

가연성 재료를 배제하고 난연 또는 준난연 재료를 사용하는 경우, 방음재료간 이격거리 확보를 위한 철구조물의 구조적 설계 또는 내화를 반영하고, 일반터널과 같이 천장부에 화재 열기류 흐름이 형성될 수 있지만, 방음터널은 방음재료 손상을 통해 연기 및 열기류를 외부로 배출할 수 있어 일정 구간으로 천정 내부에 제연 패널을 설치하여 연기 및 열기류의 이동을 차단한다면, 보다 빨리 방음재료를 손상시켜 외부로 열기를 배출할 수 있습니다. 또한 제연패널 전후 구간에 방음재료와 함께 화염방지패널을 설치한다면 열기류를 보다 쉽게 감소시킬 수 있을 것입니다. 그리고 외부에 일정 높이의 방화벽(fire Barrier) 적응성을 검토해 본다면 방음터널내 방음재료 또는 차량화재 대응(진압과 승객피난) 및 피해 구간을 축소하는데도 도움이 될 수 있을 것으로 봅니다.

 

그림2. 전통시장 천장(투명플라스틱 사용)

 

다른 한편으로 방음터널과 같은 투명 방음재료가 시공된 전통시장의 통로 캐노피 채광용, 반도체/디스플레이 제조 클린룸내 시야 확보용 칸막이(Vision Panel)로도 많이 사용하고 있어, 화재하중 증가 및 화재시 연소확대 요인이 될 수 있습니다. 더구나 최근 코로나19로 다양한 장소(사업장식당 등)에서 개별 비말 차단막으로 투명 패널(PMMA 등)을 많이 사용하고 있어 화재안전측면에서 점검할 필요가 있다고 판단됩니다.

 

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참고 문헌

 

 

-본 칼럼은 국가화재안전저널 제 25호에 기고된 글입니다.