강충현
(Choonghyun Kang)
1iD
허정원
(Jungwon Huh)
1†iD
곽기석
(Kiseok Kwak)
2iD
이방연
(Bang Yeon Lee)
3iD
ⓒ2018 by Korea Concrete Institute
Key words (Korean)
자기치유, 3점휨실험, PE섬유, PVA섬유, 강성 회복 효과
Key words
self-healing, 3-point bending test, PE fiber, PVA fiber, stiffness healing effect
1. 서 론
콘크리트의 자기치유는 최근 들어 콘크리트 구조물의 유지관리 비용 저감뿐만 아니라 환경문제의 해결 방안으로 주목 받고 있다. 종래까지의 콘크리트 연구는
주로 콘크리트의 강도나 내구성을 높이는 데 주력해 왔다. 최근에는 150 MPa이상급 초고성능 콘크리트도 개발되었으며(Koh et al. 2013),
30 MPa급 콘크리트는 현장에서도 적용되고 있다(Sohn et al. 2006; Kim et al. 2011; Ko et al. 2012). 한편,
콘크리트의 내구성 증대를 목적으로 플라이 애시와 같은 첨가재의 사용도 적용되는 추세이다(Bilodeau et al. 1994; Bilodeau and
Malhotra 2000; Cho et al. 2002; Ryu et al. 2013). 이러한 콘크리트 재료 개발의 골자는 부재 단면을 감소하여
건설비용을 줄이는 것이다. 그러나 기존 연구에서 30년 이상 사용되는 콘크리트 구조물의 유지관리 총비용이 건설비용과 유사하다고 보고하였다(Frangopol
et al. 1997; Koo et al. 2004; Frangopol and Liu 2007; Kim and Yun 2010; Park and Sun
2012). 콘크리트 균열 자기치유 기술은 이러한 유지관리 비용의 감소 측면에서 최근 주목 받고 있다. 콘크리트 구조물의 손상을 스스로 감지하고 이를
외부의 도움 없이 스스로 회복할 수 있다면 인적, 물적 비용 절감뿐만 아니라 더 큰 손상이 발생하기 전에 미리 적절한 대응이 이루어질 수 있기 때문에
결과적으로 안전 비용도 절감할 수 있다(Kim and Kim 2002; Kim et al 2011; Park et al. 2015). 더불어 콘크리트
구조물의 전반적인 사용기간 증대는 시멘트 생산에 따른 이산화탄소의 발생을 줄여 장기적으로 환경문제에도 긍정적인 영향을 주게 된다(Choi et al.
2011; Park and Ghim 2012).
콘크리트의 자기치유는 최근 10여 년 동안 다양한 측면에서 연구되어 왔다. 가장 많이 알려져 있는 연구는 콘크리트에 균열 치유물질을 내포하는 캡슐을
함께 타설하여, 균열 발생 시 균열부에 위치한 캡슐의 파손과 함께 흘러나온 치유물질이 균열 부위를 치유하는 방법이다(White et al. 2001;
Brown et al. 2004). 또한 무기재료인 콘크리트에 유기체인 박테리아를 접목시켜 균열 발생시 균열치유에 유리한 물질의 생성을 돕거나 극대화하고자
하는 연구도 수행되었다(Kim et al. 2009; Qian et al. 2009). 이와 같은 방식은 설계 및 시공시에 균열발생을 적극적으로 대비하는
것이기 때문에 능동적(Active) 방법으로 분류될 수 있으며, JCI 자기치유 위원회에서는 이와 같은 방식을 Activated repairing으로
정의하고 있다. 반면 수동적(Passive) 자기 치유는 콘크리트 그 자체가 갖고 있는 회복능력에 의한 성능 회복인 Natural Healing과
콘크리트 성능 개선을 위해 사용되는 부가 재료에 의하여 자기치유 성능이 개선되는 Autonomic Healing으로 구분되며 이 둘을 합쳐 Autogenous
Healing으로 구분한다. 하지만 부가 재료라는 면에서 Autonomic Healing을 능동적 방법으로 분류하기도 하며, Autonomic Healing과
Activated repairing을 묶어 Engineered Healing/Repairing으로 구분하기도 하며 큰 범주에서 이 모두를 Self
Healing/ Repairing(자기치유)으로 명시한다(Igarashi et al. 2009).
이 연구의 목적은 자기치유 성능 개선을 목적으로 플라이 애시와 섬유를 혼입한 콘크리트의 자기치유 성능(Autogenous Healing)을 실험적으로
조사하는 것이다. 자기치유 성능은 노치를 준 휨 실험체에 중앙점에서 하중을 가한 후 휨하중 및 휨강성을 비교하여 평가하였으며, 보강 섬유 및 균열
발생 시점에 따른 영향을 조사하였다
2. 실험 재료 및 방법
2.1 실험 재료 및 배합
Table 1은 이 연구에서 조사한 배합을 나타낸다. 섬유 종류에 따라 두 가지 배합을 결정하였으며, 나머지 재료의 종류 및 양은 모두 동일하다.
두 실험체 모두 일반 포틀랜드 시멘트를 사용하였으며, 강자갈과 표준사를 사용하였다. 사용한 재료의 주요 물성치는 Table 2와 같다. 첨가재로 사용한
플라이 애시는 콘크리트 내구성 향상에 도움을 준다고 알려져 있으며, 이와 더불어 탄산칼슘(CaCO3)의 석출과 포졸란 반응을 통해 자기치유의 성능 향상에 도움을 준다고 보고된 바 있다(Termkhajornkit et al. 2006). 이 연구에
사용한 플라이 애시는 이산화규소(SiO2) 함유량이 50 % 이상인 것을 사용하였으며, 상세 물성치는 Table 3과 같다. 플라이 애시는 시멘트 부피의 50 %를 첨가하였다. 물-시멘트비는
45 %로 고정하였으며, 플라이 애시를 포함하는 경우 물-결합재비는 33.3 %이다. 유동성을 향상시켜 타설을 용이하게 하기 위하여 AE감수제를 첨가하였다.
콘크리트에 첨가된 폴리프로필렌 섬유가 치유 과정 중 균열부위에서의 가교 역할을 하여 치유물질의 석출에 효과가 있다고 보고되었으며(Haddad and
Bsoul 1999), 이 연구에서는 Fig. 1과 같이 폴리에틸렌 섬유(PE)와 폴리비닐알코올 섬유(PVA) 두 가지를 사용하였다. 사용된 섬유의
주요 물성은 Table 4와 같다.
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Table 1 Mix proportion of fiber concrete
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SP†: Superplasticizer
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Table 2 Properties of cement and aggregates
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Table 3 Properties of fly ash
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Fig. 1
Sample of fibers, (a) Polyethylene (PE), (b) Poly-vinylalcohol (PVA)
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Table 4 Properties of fibers
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자기치유 평가를 위한 실험체는 노치가 있는 400 mm × 100 mm × 100 mm 각주형 실험체를 사용하였다(Fig. 2). 노치를 둔 이유는
잘 알려진바와 같이 콘크리트는 취성 재료로 균열이 발생하면 진전이 급격하게 일어나며, 비균질한 재료이기 때문에 균열발생 위치를 특정하기가 어렵기 때문이다.
노치의 크기는 3점 휨실험의 최대 휨 하중과 물리적인 관련이 있다. 얕은 노치 깊이는 최대 휨 하중을 크게하며, 일반적으로 RILEM에서는 실험체
두께의 20 %에서 25 %의 노치를 권장하고 있다. 그러나 예비 실험을 통하여 확인해 본 결과 얕은 노치에 따른 최대 휨 하중 증가로 말미암아 균열의
진전 속도가 지나치게 빨라서 균열의 진전을 제어하는 것이 힘들다는 것을 확인하였다. 또한 너무 깊은 노치의 경우 자기치유가 이루어지는 균열 발생 영역이
협소하여 평가에 충분하지 않는 것으로 판단되었다. 이에 이 연구에서는 실험체 높이의 1/3인 33 mm를 적용하여 적절한 균열 제어와 치유영역 확보를
도모하고자 하였다. 노치 도입은 타설시 아크릴 등을 설치하여 경화후 재거하는 선도입 방법과 커터를 이용한 후도입 방식이 주로 사용된다. 후자는 절삭
시 실험체에 일부 손상을 가져 올 수 있으나 전자에 비하여 노치 도입이 용이하다는 장점이 있다. 예비 실험을 통한 상호 비교에서 치유 이후의 거동
면에서는 큰 차이가 확인할 수 없었으며, 이는 치유 대상이 되는 균열 깊이가 개구부 변위 제어를 통해 거의 일정하게 형성됨에 따른 결과라고 판단하였다.
노치 도입은 Case 중 가장 빠른 균열 발생이 이루어진 양생 7일째에 모든 시험체에 다이아몬드 습식커터를 이용하여 절삭하는 방식을 이용하였다.
Fig. 2
Specimen and bending test
각 실험체는 혼합기를 사용하여 각주형 몰드에 타설된 각각의 실험체는 타설 후 24시간이 지난 후 탈형하여 (20 ± 3) °C의 수조에서 수중양생을
하였다. 균열 발생 시점은 각각 7일, 28일 49일, 91일로 하였으며, 균열 발생(1차 재하) 및 2차 재하 이후의 자기치유 기간은 21일로 모든
경우에 똑같이 적용하였다. 자기치유 환경은 수중(W)과 기중(A) 두 가지로 하였다. 수중 조건은 초기 양생조건과 같은 (20 ± 3) °C의 물속이며,
기중 조건은 온도 (20 ± 3) °C, 상대습도 60 %로 유지되는 양생실 공기 중이다. Table 5는 각 경우별 하중 발생 시기 및 치유기간을
나타낸다. 실험 변수 이름은 각각 첨가된 섬유종류, 균열 발생(1차 재하) 및 2차 재하 시기, 3차 재하 시기 및 치유 환경으로 구분하였다. 예를
들어, PE-7-28-W는 PE섬유를 사용한 실험체이며 7일째 균열 발생 및 2차 재하를 수행하였고 치유 환경은 수중이며 28일째 3차 재하가 이루어졌음을
나타낸다. 각 변수별로 4개의 실험체를 제작하였다.
2.2 휨 실험
콘크리트의 자기치유 평가에 있어서 가장 중요한 과정이 적절한 균열을 발생하는 것이다. Van Breugel(2003)은 균열 폭이 0.2 mm 이하인
경우 자기치유 현상이 발생한다고 보고하였다. 이 연구에서는 노치부분에 변위계(Clip gauge)를 설치하여 균열 개구 변위(CMOD: Crack
Mouth Opening Displacement)를 측정하여 균열폭을 제어하기 위하였으며, Fig. 2와 같이 중앙점에 하중을 가하여 균열을 발생시켰다.
자기 치유 성능을 평가하기 위하여 총 3번에 걸쳐 하중을 가하였다. 균열 발생 단계(1차 재하)는 모든 실험체가 일정한 균열이 진전되도록 하중을 재하하는
단계이다. 본 연구에서는 균열 발생 단계에서 노치 하단부에 설치한 CMOD가 일정한 값에 이를 때까지 하중을 재하하고 하중을 제거하는 것으로 균열
폭을 제어하였다. 일반적으로 CMOD와 균열 진전은 선형 비례한다고 알려져 있다(Petersson 1981). CMOD는 최대 휨 하중점을 지난 후
0.05 mm로 설정하였으며, 이 점에 다다르면 하중을 제거하였다. 균열이 발생한 후 콘크리트의 휨거동을 평가하기 위하여 2차 재하를 실시하였다.
2차 재하는 더 이상의 균열 진전을 방지하기 위하여 균열 발생 단계와 같은 CMOD가 0.05 mm까지 수행하였다. 2차 재하 후 각 실험체는 자기치유
기간을 거치고, 마지막으로 3차 재하를 하였다. 3차 재하는 자기치유에 따른 성능 회복을 측정하는 단계이며, 실험체가 완전히 파괴될 때까지 수행하였다.
Fig. 3은 이 연구에서의 3점 휨 실험의 일반적인 하중-CMOD 곡선의 형태를 나타낸다. 균열을 발생시킨 1차 재하시 최대 휨 강도는 CMOD가
0.02 mm에서 0.03 mm 사이에 나타났으며, 하중제거 기준점인 CMOD 0.05 mm는 최대 휨 하중 이후 하중이 감소하는 영역에 위치한다.
하중제거 시 하중 감소와 동시에 CMOD가 감소하며 감소율이 증가하여 우하향 방향으로 볼록한 곡선을 나타낸다. 2차 재하 시의 하중-CMOD 곡선은
균열 발생시의 곡선과 유사하게 좌상향으로 볼록한 곡선을 나타내며 최대 하중은 하중 제거점의 하중보다 낮은 값을 보인다. 2차 하중 제거 완료 점은
균열 발생 시의 하중 제거 완료점과 거의 일치한다. 자기치유 이후의 3차 재하 시는 변수별로 각기 다른 곡선을 보이며, 치유 정도에 따라서 2차 재하
시의 곡선을 중심으로 상향 혹은 하양으로 나타나며 최대 하중 역시 CMOD 0.05 mm가 아닌 다른 점에서 형성되었다.
Fig. 3
Typical Load-CMOD curve
2.3 자기치유 평가
2.3.1 휨 강도(Flexural strength)
자기치유 평가를 위하여 먼저 휨 강도를 비교하였다. Granger et al. (2005)은 치유에 따른 휨 강도 회복을 평가하기 위하여, 치유 이후의
실험체의 최대 휨 강도를 치유하지 않은 실험체의 최대 휨 강도 평균값과 비교하였다. 이 방법은 간접적으로 휨 강도 회복을 비교할 수는 있으나 비교
대상이 동일한 실험체로부터 얻은 값이 아니기 때문에 치유 효과의 직접적인 측정은 아니다. 본 연구에서는 동일한 실험체의 치유 전후 성능을 직접 비교하고자
하였다. 기준점은 균열 발생 단계(1차 재하)의 균열 진전 제어 지점인 CMOD 값이 0.05 mm에서의 하중 값이다. 비교 대상은 자기치유 이후인
3차 재하의 최대 하중 값으로 하였다. 일반적으로 손상 이후의 휨거동은 손상 이전 대비 낮아진다. 2차 재하가 균열 발생 직후임에도 불구하고 CMOD
값이 0.05 mm에 해당되는 하중이 1차 하중 제거점보다 낮은 것도 동일한 이유이다. 만약 3차 재하에 따른 최대하중이 1차 하중 제거점보다 크거나
3차 재하에서 CMOD 값이 0.05 mm에 해당되는 하중이 2차 재하에 해당되는 하중에 비하여 크다면 추가 양생기간동안 균열 부위에서 자기치유 현상이
발생한 것이다. 이 연구에서는 하중 제거점 대비 3차 재하의 최대하중 비를 강도 회복 효과(Strength recovery effect)로 고려하였다.
만약 강도 치유 효과가 1.0보다 높다면 치유에 의해 강도 회복이 이루어 졌음을 의미한다.
2.3.2 휨 강성(Flexural stiffness)
휨 강도에 의한 자기치유 평가는 균열이 발생하지 않은 비손상 부위의 재령 효과를 내포한다. 콘크리트는 타설 이후 지속적인 수화반응이 일어나며, 이는
이 연구에서와 같이 균열이 발생한 이후에도 마찬가지이다. 앞서 휨 강도에 의한 비교는 3차 재하시의 최대 하중을 비교 대상으로 하며, 이는 자기치유에
의한 치유 영역뿐만 아니라, 균열 발생 시 균열이 발생되지 않은 비손상 영역, 특히 압축 영역도 상관된다. 즉, 비손상 영역의 재령에 따른 효과가
내포될 수밖에 없다. 치유효과를 정확하게 평가하기 위해서는 치유에 의한 회복과 재령에 의한 강도 증진을 구분하여야 하나, 치유 전후의 휨 강도 비교만을
통해서 치유 효과만을 분류하는 것은 쉽지 않다.
이 연구에서는 2차 재하 및 3차 재하의 하중-CMOD 곡선의 초기 접선 기울기가 달라지는 것에 주목하였다. 3점 휨 실험에서의 하중-CMOD 기울기는
실험체의 탄성계수에 비례한다고 알려져 있다(Jenq and Shah 1985). 하중-CMOD 곡선의 처음 부분은 닫혔던 균열이 다시 열리는 과정으로,
균열 부위의 변화를 가장 예민하게 나타낼 것이다. Fig. 4는 PE-7-28-W의 2차 재하와 3차 재하의 초기 하중-CMOD 곡선을 나타내며,
초반부분의 접선 기울기가 달라지는 것을 확인할 수 있다. 이 연구에서는 초기 일부 영역(CMOD 값: 0.003 mm ~ 0.005 mm)의 기울기를
산정하여 비교하는 것으로 강성 회복 효과(Stiffness recovery effect)로 고려하였다. 2차 재하 시의 접선 기울기 대비 3차 재하
시의 접선 기울기가 높다면, 강성 치유 효과는 1.0보다 커지며, 치유에 의해 강성 회복이 이루어졌음을 의미한다.
Fig. 4
Example of the initial flexural stiffness of the 2
nd and the 3
rd loading (PE-7-28-W)
3. 휨 실험 결과 및 분석
3.1 하중-CMOD 곡선
균열 발생 시와 2차 재하 시의 하중-CMOD 곡선은 변수에 관계없이 비슷한 형상을 보였다. Figs. 5와 6은 각각 PE섬유와 PVA섬유를 첨가한
콘크리트의 균열 발생 시기에 따른 전형적인 하중-CMOD 곡선을 나타낸다. 최대 휨 하중은 CMOD 값이 0.02 mm에서 0.03 mm 사이에서
나타났으며, 재령에 의한 효과로 Fig. 7과 같이 균열 발생 시기에 따라서 점차적으로 증가하는 것을 확인할 수 있다. 평균 최대하중(Peak Load)은
PVA섬유가 PE섬유보다 높게 측정되었으나(Case 49일 제외), 편차를 고려한다면 그 차이가 크지 않았다. 균열 진전면에 위치한 섬유량의 차이와
방향에 기인한 것으로 생각되며, 균열면에 위치한 섬유의 양이 비슷한 수준일 것으로 추측할 수 있다. 하중 제거점인 CMOD 0.05 mm에서의 하중은
최대 휨 하중의 증가와 함께 증가하는 양상을 보였으며 약 86 %에서 88 %의 하중 값을 보였다. 하중 제거 완료 후의 잔여 CMOD 값 역시 0.016
mm ± 0.002 mm로 일정한 양상을 보였으며, 섬유 종류와 균열 발생 시기에 상관관계는 없는 것으로 확인되었다. 이는 균열 발생 시기와 섬유
종류에 상관없이 발생된 균열의 진전 정도가 일정하다는 것을 반증하는 것이다. 2차 재하 시의 초기 휨 강성은 균열 발생(1차 재하)보다 완만한 곡선을
보였으며, 같은 변수 내에서도 실험체에 따라 각기 다른 양상을 보여 일정한 패턴을 찾을 수는 없었다. 2차 재하의 최대 하중은 균열 발생의 하중 제거점
하중보다 항상 작은 값이었으며, 변수에 상관없이 95 % ± 3 %의 범위를 나타내었다. 2차 하중 제거 완료 시의 잔여 CMOD는 균열 발생 시의
잔여 CMOD와 거의 일치하였다.
Fig. 5
Typical Load-CMOD curves of PE fiber concrete
Fig. 6
Typical Load-CMOD curves of PVA fiber concrete
Fig. 7
Peak load according to crack inducement time
치유 이후의 3차 재하 곡선은 균열 발생 시기와 치유 환경에 따라 각기 다른 양상을 보였다. 크게 치유 효과가 있어 보이는 실험체의 경우, 휨 강성을
나타내는 초기 접선 기울기가 2차 재하 대비 3차 재하에서 기울기가 커지는 것을 확인할 수 있었다. 이와 더불어 3차 재하의 최대 하중 역시 균열
발생 시의 하중 제거점 하중보다 커지는 것을 확인할 수 있었다. 최대 하중이 나타나는 CMOD는 하중 제거점(CMOD 값이 0.05 mm)보다 주로
컸다. 반면 치유에 따른 회복이 나타나지 않은 것으로 보이는 경우 3차 재하의 하중-CMOD 곡선이 2차 재하의 곡선 아래로 그려지는 것을 확인하였다.
초기 접선 기울기는 보다 완만해 졌으며, 균열 발생 시기가 상대적으로 빠른 7-28, 28-49 경우를 제외하고 최대하중도 하중 제거점 하중보다 낮게
형성되었다.
3.2 최대 휨 강도 비교
Fig. 8은 각각 PE섬유와 PVA섬유를 혼합한 콘크리트의 균열 발생 시기에 따른 강도 회복 효과의 변화를 나타낸다. 먼저, 두 섬유 모두 7일째
균열이 발생한 경우 치유 환경에 상관없이 1.0 이상의 강도 회복 효과를 보인다. 이는 치유 이후의 3차 재하 최대 휨 하중이 균열 발생시의 하중
제거점 하중 보다 높게 나타났다는 것을 의미한다. 즉, 자기치유에 의해서 균열 부위 단면의 강도가 회복되었음을 의미한다. 그러나 균열 발생 시기가
지연됨에 따라 강도 회복 효과는 떨어지기 시작하며, 특히 기중 조건의 PE섬유 실험체의 경우 하중 제거점 하중 대비 50 % 이하의 최대 휨 하중
값을 보였다. 이는 실험체가 전혀 회복하지 못하고 오히려 2차 재하 시 최대 하중이 하중 제거점에 미치지 못하는 것과 마찬가지로 균열부위가 거듭 열리는
과정에서 단면 부의 피로 하중에 의한 강도 저하 효과만 나타난 것으로 판단된다. 수중 치유의 경우 49일까지 점진적으로 감소 경향을 보이나 91일에는
두 섬유 모두 큰 감소 경향이 나타나지 않고 유지되는 양상을 나타냈다.
Fig. 8
Strength recovery effect
수중 치유한 실험체에서의 강도 회복 효과 비교에서는 두 섬유가 유사한 양상을 나타내었으나, 기중 치유에서 PE섬유 실험체는 28일 균열 발생 경우에서부터
급격한 강도 저하 효과를 나타냈다. 반면 PVA섬유 실험체는 28일 균열 발생까지는 수중 치유와 비슷한 회복 효과를 나타내며, 49일 균열 발생부터
수중 치유와 차이를 보였다. 이는 PVA섬유가 친수성 재료로 상대적으로 균열 부위의 습도 유지에 도움이 되었을 것으로 추측된다. 이는 재령효과가 거의
사라지는 49일 균열 발생의 경우에서 편차가 큰 것으로 부터도 확인된다. 타설시 섬유의 분포가 단면 전체에 걸쳐 고르게 분포되기 어렵고 균열 부위에
위치한 PVA섬유 분포가 달라서 공기중의 수분 흡수 정도가 달라진 것이 큰 편차를 나타낸 원인으로 분석된다.
강도 회복 효과가 균열 발생 시기에 반비례하여 감소하는 것은 단위시간당 재령에 따른 강도 상승 비율이 감소하는 것과 유사한 경향을 나타낸다. 즉,
7일째 실험체의 경우 비손상 단면의 재령에 의한 강도 상승 가능성이 상대적으로 높기 때문에 강도 회복 효과 역시 높을 수 있었다고 분석된다. 반면
49일과 91일째 균열이 발생된 실험체는 단면 전반에 걸쳐 재령에 의한 강도 상승은 그다지 기대할 수 없는 상태이고, 자기 치유에 의해서 더 이상의
강도 하강만이 방지된 것으로 분석된다. 즉, 기중 치유 실험체의 결과와 수중 치유 실험체의 차이가 자기치유에 의한 순수한 강도 상승분으로 판단된다.
3.3 초기 휨 강성 비교
Fig. 9는 각각 PE섬유와 PVA섬유를 혼합한 콘크리트의 균열 발생이시기에 따른 강성 회복 효과의 변화를 나타낸다. 앞서 강도 회복 효과와 마찬가지로
섬유 종류에 관계없이 균열 발생 시기와 반비례로 강성 회복 효과가 감소하는 것을 확인할 수 있다. 수중 치유의 경우 모든 변수에서 1.0보다 크거나
근처의 회복 효과를 보였다. 즉, 2차 재하 초기 접선 기울기보다 3차 재하 초기 접선 기울기가 큰 결과를 나타내었으며, 이는 균열 끝단 부의 강성이
소폭 회복하였음을 의미한다. 반면, 기중 치유는 두 섬유 실험체 모두 7일째부터 수중 치유와 큰 차이를 나타내며 2차 재하 초기 접선 기울기보다 작은
초기 기울기를 갖는 곡선이 그려진 것을 반증하고 있다.
Fig. 9
Stiffness recovery effect
강도 회복 효과와 마찬가지로 강성 회복 효과에서도 PE섬유 대비 PVA섬유의 회복 효과가 수중 치유에서 평균 13 %, 기중 치유에서 평균 51 %로
모두에서 높은 것을 확인할 수 있다. 특히 7일째 수중 치유에서 PVA섬유 콘크리트의 강성이 크게 회복하는 것을 확인할 수 있었으며, 91일째의 경우에서도
2차 재하 초기 접선 기울기보다 10 % 이상 가파른 기울기를 보였다. 또한 기중 치유에서 전체 변수에서 PE섬유 대비 상대적으로 높은 강성 치유
효과 값을 나타내었으며, 앞서 언급한 바와 같이 친수성 성질에 따른 영향으로 분석된다.
강도 회복과 달리 강성 회복의 경우 하중-CMOD 곡선의 초기 접선 부분만을 비교하였기 때문에 비교적 재령에 의한 효과를 배제할 수 있는 결과로 분석된다.
강도 회복 효과와 달리 7일째 경우부터 수중 치유와 기중 치유의 결과 값이 큰 차이를 보이는 것 또한 치유가 집중적으로 이루어지는 균열 끝단에서의
회복만을 비교한 결과로 볼 수 있다. 초기 강성이 균열 끝단 부분의 강성 회복뿐만 아니라 압축 부위의 재령에 의한 강성 증진 효과도 관여하고 있기
때문에 재령 효과를 완전히 배제한 결과라고 단정 할 수는 없다. 그러나 초기 접선 기울기가 상대적으로 재령 효과보다 균열이 다시 열리는 부분의 강성
회복에 영향을 미치는 것으로 유추할 수 있으므로 치유 효과를 보다 효과적으로 평가할 수 있는 지표라고 판단된다.
3.4 균열부 관찰
Fig. 10은 각각 PE섬유와 PVA섬유를 혼합한 콘크리트의 치유 이후(7-28 Cases) 균열부 현미경 관찰 결과를 나타낸다. 먼저 PE섬유
수중치유(PE-W) 시험체 균열부에서는 부스러기처럼 보이는 물질들이 균열면 전반에 석출되어 있는 것을 확인할 수 있었고, 이로 인하여 가시 균열 폭이
상대적으로 작아진 것처럼 보였다. 하지만, 균열 부 사이로 보이는 섬유 주위에는 석출된 물질이 붙어있지 않고 비교적 깨끗한 상태로 관찰되었다. PE섬유
기중치유(PE-A)에서도 석출된 물질의 균열면에서 확인되었으나, 그 양이 상대적으로 적었고, 균열부 사이로 보이는 섬유에서도 석출 물질은 거의 확인되지
않았다. 반면 PVA섬유의 경우 수중치유(PVA-W)로 인하여 균열 단면부분 뿐만 아니라 섬유 주변에도 석출된 물질들이 붙어 있는 것을 확인할 수
있었다. 앞서 언급한 바와 같이 강도 및 강성 회복 효과에서 PVA 실험체들이 상대적으로 높은 값을 보인 이유가 PVA의 친수성 때문이라는 분석의
추가적인 증거라고 판단된다. PVA섬유의 기중치유(PVA-A)에서도 일부 석출 물질의 부착은 확인할 수 있었으나, PE섬유의 기중치유와 마찬가지로
수중치유 대비 균열부가 비교적 깨끗하고 부스러기처럼 보이는 물질의 양이 상대적으로 적었다.
Fig. 10
Microscopic observation of concrete incorporating PE and PVA fiber (200x)
광학 현미경을 사용하는 경우 실험체 겉면만을 관찰할 수 있기 때문에 균열부 전체의 상황을 확인하기는 불가능하다. 하지만, 본 연구에서 실험한 PE,
PVA 실험체 모두에서 거의 유사한 균열부 상황을 확인하였으며, 휨강도와 휨강성에서의 정량적 비교를 보충할 수 있는 정성적 근거로 판단하였다.
4. 결 론
이 연구에서는 PE섬유와 PVA섬유를 혼합한 플라이 애시 콘크리트의 자기치유 성능을 평가하기 위하여 균열 발생 시기를 달리한 실험체의 치유 전과 후의
휨 강도와 휨 강성의 상대비교를 수행하였으며, 그 결과를 요약하면 다음과 같다.
1)섬유의 종류와 관계없이 휨 강도와 휨 강성의 회복 정도는 균열 발생이시기에 반비례하여 감소하는 것으로 나타났다. 또한 기중 치유 대비 수중 치유의
결과가 섬유 종류와 균열 발생이시기에 관계없이 높은 것으로 나타내었으며, 이는 수중환경이 자기치유에 더 적합한 환경임을 나타낸다.
2)회복 효과가 균열 유도시기에 반비례하여 감소하는 것은 재령에 따른 강도상승 비율이 감소하는 것과 유사한 경향을 보인다. 또한 치유 환경 역시 수중치유가
기중치유에 비하여 큰 회복 효과를 나타내었으며 이는 재령 시 적합한 환경조건과도 상응한다. 이와 같이 자기치유 효과는 콘크리트의 재령과 상당히 밀접한
관련이 있으며 치유효과에 상당부분 재령에 의한 효과가 포함되어 있음을 의미한다.
3)치유 전후의 휨강도 비교는 치유 영역이 아닌 비손상 부분에서의 재령효과 배제할 수 없다. 반면 초기 휨강성 비교는 자기치유에 의한 강성회복이 집중되는
균열의 끝단에 지배적인 값으로 재령에 의한 효과가 상대적으로 적다. 자기치유에 의한 보다 정확한 평가에는 휨강도 비교 대비 휨강성 비교가 적합하다고
판단된다.
4)PE섬유에 비하여 친수성이 강한 PVA섬유가 기중 치유와 수중 치유 모두에서 상대적으로 높은 치유 효과를 보이는 것을 확인하였다. 또한 PVA섬유
실험체의 경우 균열 발생 91일 경우에서도 일정부분 치유효과를 나타내는 것을 확인하였다.
5)회복 효과가 균열 발생 시기에 반비례하여 감소하는 것은 단위시간당 재령에 따른 강도 상승 비율이 감소하는 것과 유사한 경향을 나타낸다.