최정일
(Jeong-Il Choi)
1iD
박세언
(Se-Eon Park)
1iD
이방연
(Bang Yeon Lee)
2iD
김윤용
(Yun Yong Kim)
3iD
ⓒ2018 by Korea Concrete Institute
Key words (Korean)
복합재료, 균열 패턴, 연성, 폴리에틸렌 섬유, 인장거동
Key words
composite, crack pattern, ductility, polyethylene fiber, tensile behavior
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1. 서 론
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2. 실험 재료 및 방법
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2.1 실험 재료 및 배합
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2.2 실험 재료 및 배합
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3. 실험결과 및 분석
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3.1 밀도
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3.2 압축강도
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3.3 일축인장
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4. 결 론
1. 서 론
최근 일반 콘크리트의 단점을 개선하거나, 장점을 극대화하여 우수한 성능을 나타내는 고성능 건설재료를 개발하기 위한 연구가 진행되고 있다. 역학적으로
강도를 높이거나 연성을 향상시키는 방향으로 연구가 진행되었는데 이는 강도와 연성은 상반되는 성질이기 때문이다.
초고성능 콘크리트는 압축강도 150 MPa 이상, 인장강도 5 MPa 이상을 나타내는 강도적 측면에서 매우 우수한 건설재료이다(Russel and
Graybeal 2013). 초고성능 콘크리트를 제조하기 위해서는 충전 밀도 이론을 바탕으로 재료 및 배합을 최적화하고, 낮은 항복 응력과 높은 점성을
나타내 섬유의 균일한 분산성을 확보하여야 한다(Ferrara and Meda 2006; Kang et al. 2011; Kim et al. 2008;
Lim and Hong 2016). 고성능 감수제, 증점제, 소포제 등의 혼화제들은 매트릭스를 이루는 재료의 유동 특성 및 공극 구조에 영향을 미치는
중요한 재료이며, 섬유의 분포 특성은 매트릭스의 유동 특성에 따라 결정된다. Wang et al.(2017)은 고성능 감수제의 혼입량을 달리하여 초고성능
콘크리트의 유동 특성이 강섬유의 섬유 분산성에 미치는 영향을 평가하였으며, Kang et al.(2016a)은 인공결함이 초고성능 콘크리트의 인장특성에
미치는 영향에 대하여 평가하였다. Lee et al.(2017)은 소포제의 혼입이 알칼리활성 슬래그 기반 섬유보강 복합재료에 미치는 영향을 평가하였고,
소포제를 혼입하여 강도와 인장변형성능을 모두 향상시킬 수 있다고 보고하였다.
초고성능 콘크리트는 우수한 압축강도와 균질한 섬유 분포 특성을 나타내지만, 강섬유의 부식 가능성 및 인장변형성능이 1 % 수준으로 낮다는 단점이 있다(Kang
et al. 2016b). Kamal et al.(2008)은 폴리에틸렌 섬유를 혼입하여 압축강도 96 MPa, 인장강도 10 MPa, 인장변형률
2.8 %를 갖는 콘크리트를 개발하였고, Ranade et al.(2013)은 폴리에틸렌 섬유를 혼입하여 인장변형률 3.4 %, 압축강도 160 MPa급의
콘크리트 제조가 가능하다고 보고하였다. 강섬유를 합성섬유로 대체하여 고강도 콘크리트의 연성을 향상시킬 수 있다는 사실은 증명되었지만 화학혼화제의 혼입과
물-결합재비의 변화가 고강도-고연성 복합재료의 특성에 미치는 영향에 대한 연구는 미흡한 실정이다. 이에 이 연구에서는 소포제와 물-결합재비가 100
MPa급 압축강도를 나타내면서 고연성을 나타내는 고강도-고연성 복합재료의 역학특성과 균열 패턴을 실험적으로 분석하고자 한다.
2. 실험 재료 및 방법
2.1 실험 재료 및 배합
Table 1은 이 연구에서 조사한 재료의 사용재료와 배합을 나타낸다. 1종 보통포틀랜드시멘트와 지르코니아 실리카퓸이 결합재로 사용되었다. 지르코니아
실리카퓸은 실리카 성분이 96 % 이상으로 되어 있으며, BET 방법으로 측정한 비표면적은 7.05 m2/g이다. 시멘트와 지르코니아 실리카퓸의 비율은 모든 배합에 대해 8대 2로 고정하였다. 물-결합재비는 20 %와 30 % 두 종류이다. 충전재는
평균 입경이 시멘트와 지르코니아 실리카퓸의 중간인 2.2 µm를 갖는 순수 실리카로서 충전밀도를 향상시켜 유동성을 향상시키고 강도를 증가시키기 위해
사용되었으며, 모든 배합에서 결합재 대비 24 %로 고정하였다. 굵은골재는 사용하지 않았는데 이는 천이대를 최소화하고 매트릭스의 파괴인성 및 섬유의
균질한 분산을 위해서이다. 평균 입경이 0.5 mm인 규사 7호를 잔골재로 사용하였으며, 이는 수축저감과 강성확보를 위해 사용하였다.
혼화제로는 수축량을 저감시키기 위하여 팽창제 및 수축저감제를 사용하였으며, 섬유 분산을 최적화할 수 있는 유동상태를 만들기 위하여 고성능감수제를 사용하였다.
수축저감제와 고성능감수제는 모든 배합에 대해 동일한 양을 사용하였다. 소포제는 비실리콘 계열의 액상형 소포제가 사용되었으며, 소포제 혼입을 통한 기포제거가
이 연구에서 조사한 배합으로 제조한 복합재료의 인장 특성에 미치는 영향을 알아보기 위하여 혼입 여부를 달리하였다.
보강섬유로 사용된 폴리에틸렌 섬유는 길이 18 mm, 직경 12 µm로 형상비가 1500으로 높으며, 인장강도와 탄성계수는 각각 2,700 MPa과
88 GPa이다. 밀도는 0.97 g/cm3이다. 보강섬유를 제외한 모든 재료는 결합재의 질량비로 혼입하였으며, 보강섬유는 각 배합의 부피비로 혼입하였다. 배합설계 과정에서 모르타르가 최대
채움 밀도를 갖기 위하여 입자 채움 이론이 적용되었으며, Fig. 1은 이 연구에서 사용한 분말형 재료의 입자 크기 분포를 나타낸다(Funk and
Dinger, 2013). Fig. 1에서 PSD는 이 연구에서 사용한 모든 재료의 입도분포를 나타낸다.
Table 1. Materials and mixture proportions (weight ratio to binder except fiber)
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Mixture
|
Binder
|
Water
|
Filler
|
Silica sand
|
SRAb |
HRWRAc |
Defoamer
|
Fiber
[vol.%]
|
|
Cement
|
Zra |
|
M1
|
0.8
|
0.2
|
0.3
|
0.24
|
0.88
|
0.008
|
0.0187
|
0.0006
|
1.75
|
|
M2
|
0.8
|
0.2
|
0.3
|
0.24
|
0.88
|
0.008
|
0.0187
|
-
|
1.75
|
|
M3
|
0.8
|
0.2
|
0.2
|
0.24
|
0.88
|
0.008
|
0.0187
|
0.0006
|
1.75
|
aZirconia silica fume bShrinkage reduction admixture cHigh range water reduction agent
Fig. 1
Particle size distribution
2.2 실험 재료 및 배합
각 배합재료를 혼합하기 위하여 2축 회전이 가능한 혼합기를 사용하였으며, 먼저 분말형 재료인 결합재, 충전재, 규사 및 수축저감제를 혼입한 후 약
10분 동안 건비빔을 하였다. 건비빔이 완료된 후 액상형 재료인 물, 고성능감수제와 소포제를 넣고 재료가 액상으로 바뀔 때까지 약 5분 동안 혼합하였고,
추가로 혼합기의 회전속도를 증가시켜 3분 동안 혼합하였다. 이 후 섬유를 혼입한 후 매트릭스 내에서 섬유 분포의 균질성을 확인하면서 3분에서 5분
동안 혼합하였다. 혼합이 완료된 후 밀도 및 압축강도와 일축 인장 실험을 위한 시편을 제작하여 (23 ± 3) °C와 상대습도 (60 ± 10) %의
항온․항습실에서 48시간 양생하였고, 탈형 후 재령 28일까지 양생온도 (23 ± 3) °C의 양생 수조에서 수중양생을 실시하였다.
2.3 실험 방법
2.3.1 밀도
밀도 실험은 소포제를 혼입함에 따라 혼합과정에서 발생하는 기포가 억제 및 제거되어 공극 발생이 저감되었는지 확인하기 위하여 실시하였다. 밀도는 섬유가
포함된 실험체로 측정하였으며, 각 배합별로 3개씩 제작한 한 변의 길이가 50 mm인 정육면체 형상의 실험체를 이용하였다. 각 실험체의 공기 중 무게와
수중 무게를 측정하였으며, 식 (1)과 같이 계산하였다.
|
$$\rho=\frac{W_{air}}{W_{air}-W_{water}}\times\rho_w$$
|
(1)
|
여기서, ρw는 물의 밀도이고, Wair와 Wwater는 각각 입방 실험체의 공기 중과 수중에서의 무게를 나타낸다.
2.3.2 압축강도 및 일축인장 실험
압축강도는 KS L 5105에 따라 50 mm 입방 시험체를 배합별로 3개씩 제작하여 실험을 실시하였다.
일축인장 실험은 일본 토목학회에서 제안한 방법(JSCE 2008)에 따라 Fig. 2(a)와 같은 형태의 실험체를 제작한 후, 재령 28일에 실시하였다.
하중은 최대용량 2톤의 인장강도 실험기에서 0.1 mm/min. 속도의 변위 제어 방식으로 가하였다. 변형률을 측정하기 위하여 Fig. 2(b)와
같이 실험체의 좌우 측면에 용량 20 mm의 변위계를 설치하였으며, 단면적이 일정한 길이 80 mm내에서 변위량을 측정하였다. 일축인장 실험에는 각
배합별로 4개의 실험체에 대해 실시하였다.
Fig. 2
(a) Specimen geometry and (b) test setup
3. 실험결과 및 분석
3.1 밀도
Fig. 3은 각 배합별 실험체들의 측정한 밀도와 이론적으로 계산한 밀도를 나타낸다. 이론적으로 계산한 밀도 값은 사용된 각 재료의 중량과 밀도를
이용하여 계산하였다. 소포제를 혼입한 M1 배합은 이론 밀도에 비하여 1.4 % 크게 측정된 반면, 소포제를 혼입하지 않은 M2 배합은 이론 밀도에
비하여 1.4 % 낮게 측정되었다. 물/결합비재가 0.1 작은 M3 배합은 M1 배합에 비하여 4 % 크게 측정되었으며, 이론값과는 차이가 나타나지
않았다. 이는 물-결합재비 감소에 따른 동일한 부피내의 시멘트량 증가에 따른 영향이다. 실험결과를 통해 소포제의 혼입이 실험체의 공극 제거에 효과가
있으며, 폴리에틸렌 섬유를 혼입한 고연성-고강도 복합재료를 제조할 때 소포제를 혼입하면 의도치 않은 기포가 생성되지 않는다는 것을 확인하였다.
3.2 압축강도
Fig. 4는 이 연구에서 조사한 배합별 압축강도를 나타낸다. 물-결합재비 0.3에 소포제를 혼입한 M1 배합의 압축강도는 102.1 MPa로 측정되었으며,
변동계수는 3.7 %로 나타났다. 소포제를 혼입하지 않은 M2 배합의 압축강도는 M1 배합에 비하여 12 % 낮은 압축강도를 나타내었으며, 이는 M2
배합에서는 소포제를 혼입하지 않아 복합재료 내부에 형성된 기포의 영향으로 판단되며, 밀도 측정 결과가 이를 뒷받침한다. M2 배합의 변동계수는 4.5
%로 M1에 비하여 0.7 % 높은 것으로 나타났다. 이는 소포제를 혼입하지 않은 경우 기포가 불규칙적으로 형성되기 때문인 것으로 판단된다. 물-결합재비가
0.1 낮아진 M3 배합의 압축강도는 110.4 MPa로 나타났으며, 이는 M1 배합에 비하여 8.0 % 높다. M3 배합의 변동계수는 6.4 %로
M1 배합과 M2 배합에 비하여 크게 나타났으며, 이는 콘크리트의 강도가 증가할수록 변동계수가 증가하는 일반적인 현상과 일치한다. 전체적으로 제한된
실험결과이긴 하지만 고강도 섬유보강 복합재료에서는 소포제의 영향이 물-결합재비의 영향만큼 크게 나타나는 것으로 확인되었다.
Fig. 4
Compressive strength
3.3 일축인장
Fig. 5는 각 배합의 인장응력과 인장변형률의 관계를 나타낸다. 모든 실험체에서 하중 초기에 높은 강성과 선형 거동을 나타내다가 첫 번째 균열 발생
이후 응력의 감소와 증가가 반복되는 현상이 나타났다. 응력이 감소하는 이유는 변위제어방식으로 하중을 가하였기 때문이며, 새로운 균열이 발생하면 균열부에서
변위가 집중되어 균열이 발생하지 않은 부분의 변형이 감소하여 응력이 감소하기 때문이다. 따라서 응력이 감소하는 부분은 새로운 균열이 발생한 것을 의미하여
응력이 감소하는 개수가 균열의 개수와 일치한다. 이를 통해 이 연구에서 조사한 모든 배합에서 다중균열이 발생하였다는 것으로 알 수 있다. 또한 모든
배합에서 변형률이 증가하면서 응력이 증가하는 변형경화현상이 발생한 것을 확인할 수 있다. M2 배합과 동일 물-결합재비를 갖지만 소포제를 넣은 M1
배합은 M2 배합에 비하여 인장강도 뿐만 아니라 연성도 증가하는 것으로 나타났다. 섬유보강 복합재료의 인장거동은 매트릭스, 섬유, 매트릭스와 섬유의
계면 특성에 따라 결정되며, 특히 계면 특성은 복합재료의 연성에 미치는 영향이 크다(Li et al. 2001; Yang et al. 2007).
압축강도가 감소하면 균열강도가 감소하기 때문에 M2 배합의 연성이 더 크게 나올 것으로 예상되지만 M1 배합의 연성이 더 크게 나온 이유는 소포제
혼입에 따라 M1 배합의 균열강도가 M2 배합의 균열강도보다 크지만 매트릭스와 섬유의 계면 마찰부착력이 더 증가하여 섬유가교 능력이 더 증가했기 때문인
것으로 판단된다. M3 배합은 M1 배합에 비하여 인장강도는 증가하였지만 연성은 작은 것으로 나타났다. 이는 M3 배합의 경우 낮은 물-결합재비로
인하여 강도가 높아 M2 배합에 비하여 계면 마찰부착력이 증가하여 섬유가교 능력이 증가하였지만 균열강도도 증가하였기 때문인 것으로 판단된다.
Fig. 5
Tensile stress-strain curves
Fig. 6은 인장거동을 나타내는 대표적인 값인 균열강도, 인장강도, 연성에 대한 각 배합의 값을 나타낸다. Fig. 6(a)는 각 배합의 첫 번째
균열강도를 나타내며, M1 배합의 균열강도는 6.1 MPa로서, 소포제를 혼입하지 않은 M2 배합보다 20 % 증가한 것으로 나타났다. 물-결합재비가
감소한 M3 배합의 균열강도는 M1 배합보다 23 % 증가한 것으로 나타났다. M1, M2, M3 배합의 균열강도 대비 압축강도는 각각 6.0 %,
5.6 %, 6.8 %로 나타났으며, 이는 보통강도 콘크리트의 균열강도 대비 압축강도의 비(10 %)에 비하여 낮은 것으로 나타났다. 종합적으로 각
배합의 균열강도는 소포제의 혼입에 따라 증가하고, 물-결합재비가 감소함에 따라 증가하는 것으로 확인되었으며, 압축강도의 영향보다 더 크게 나타났다.
각 배합의 인장강도는 Fig. 6(b)와 같다. M1 배합의 인장강도는 M2 배합보다 21 % 높은 것으로 나타났다. 물-결합재비가 감소한 M3 배합의
인장강도는 M1 배합보다 7.2 % 높은 것으로 나타났다. 각 배합의 압축강도 대비 인장강도는 평균 9.5 %로서, 압축강도 대비 균열강도보다 55
% 높은 것으로 나타났고, 이러한 결과는 인장강도가 매트릭스의 특성이 아닌 섬유가교응력에 따라 결정된다는 것을 의미한다.
Kanda et al.(2006)은 섬유보강 복합재료의 연성 능력 가능성을 나타내는 기준으로 강도기준과 에너지기준을 제안하였다. 강도기준은 균열강도
대비 인장강도의 비율로 표현될 수 있으며, 이 값이 클수록 다중균열이 발생할 확률이 증가한다. M1, M2, M3 배합의 균열강도 대비 인장강도 비는
각각 1.7, 1.6, 1.4로 나타났다. 강도기준만을 고려하였을 때 발생한 균열의 개수와 인장변형성능은 M1, M2, M3 배합 순으로 높을 것으로
예상할 수 있다.
각 배합의 인장변형성능은 Fig. 6(c)와 같다. M1 배합의 인장변형률은 3.92 %로 M2 배합과 비교하여 70 % 높은 것으로 나타났다. 전술한
강도기준인 균열강도 대비 인장강도 비가 증가할수록 인장변형률이 증가하는 것으로 나타났으며, 이는 기존 이론에 부합함을 알 수 있다. 100 MPa
압축강도를 갖으면서 다른 조건이 동일한 상태에서 소량의 소포제를 혼입함에 따라 강도와 인장변형성능을 향상시킬 수 있는 것으로 나타났다. 이는 소포제
혼입으로 인한 공극 제거와 천이대의 강화 때문인 것으로 판단된다. 소포제는 혼합과정에서 혼합수의 표면장력을 감소시킬 수 있다(Garrett 1992,
Denkov. 1999). 따라서 폴리에틸렌 섬유 표면의 수막은 소포제의 작용으로 얇아질 수 있으며, 천이대 부분이 얇아지고 밀실화 되기 때문에 섬유와
매트릭스 사이의 계면 특성을 향상시킬 수 있다. M3 배합의 인장변형성능은 M2 배합에 비하여 60 % 낮은 것으로 나타났다. 이러한 결과는 이 연구에서
사용한 섬유와 매트릭스의 계면 특성이 물-결합재비가 0.2일 때보다 0.3일 때 보다 최적화된다는 의미이다. 이에 대한 상세한 분석을 위해서는 섬유
인발 실험 및 파괴인성 실험을 실시하여 미시역학 해석을 수행할 필요가 있다.
Fig. 7은 각 배합별 균열패턴을 나타낸다. 모든 배합에서 다중 균열 발생과 균열 폭 제어 및 균열의 일정한 진전을 통하여 고연성을 확보하는 섬유보강
콘크리트의 균열패턴이 발생하였다. 균열개수는 각 실험체별로 실험체의 좌우측면에서 측정 구간 내에 발생한 균열을 육안 및 현미경을 이용하여 측정하였다.
소포제를 혼입한 M1 배합의 균열개수는 평균 72.1개로서 소포제를 혼입하지 않은 M2 배합(54.7개)보다 32 % 많은 것으로 나타났으며, M3
배합(31.8개)에 비해서는 127 % 많은 것으로 나타났다. 균열개수 역시 인장변형성능, 균열강도 대비 인장강도의 값과 비례하는 것으로 나타났으며,
인장변형성능의 증가는 균열개수의 증가 때문인 것으로 판단된다.
Fig. 7
Cracking pattern (units: cm)
균열간격은 변형측정길이를 균열개수로 나누어 계산하였으며, M1 배합의 평균 균열간격은 1.1 mm로 나타났으며, M2와 M3 배합의 평균균열간격은
각각 1.68 mm와 2.81 mm로 나타났다. 다만, Fig. 7에서 확인할 수 있듯이 모든 배합에서 균열간격이 일정하지 않게 나타났으며, 균열이
밀집되어 발생하였고 균열이 발생하지 않은 영역의 크기는 인장변형성능이 작을수록 크게 나타났다. 이는 모든 배합에서 균열이 부분적으로 포화된(saturation)
형태로 나타났다는 것을 의미하며 재료 및 배합을 최적화하여 균열이 발생하지 않은 부분에도 균열이 발생하도록 한다면 인장변형성능을 더 향상시킬 수 있다는
것을 의미한다.
평균 균열폭은 실험체의 변형이 모두 균열에 의해 발생하였다는 가정 하에 총 변형량을 균열개수로 나누어 추정하였다. 이는 균열폭에 비하여 매트릭스의
변형이 무시할 수 있을 정도로 작기 때문이다. 일반적으로 콘크리트나 복합재료는 인장강도에 도달한 이후 새로운 균열이 발생하지 않기 때문에 이 방법으로
측정한 균열 폭은 인장강도에 도달했을 때의 균열 폭을 의미한다. M1 배합의 평균 균열폭은 41.7 µm로 나타났으며, 이는 M2 배합의 평균 균열폭(30.3
µm)에 비하여 38 % 크며, M3 배합의 평균 균열폭(39.1 µm)보다 6.7 % 큰 것이다. 인장변형성능은 균열개수와 균열폭에 비례하여 증가하는데
M1 배합이 균열개수와 균열폭이 다른 배합에 비하여 크기 때문에 인장변형성능이 가장 우수하게 나타난 이유이다. 기존 연구에 따르면 투수계수는 시멘트
기반 복합재료의 균열 폭이 60 µm 수준이면 균열이 발생하지 않은 일반적인 복합재료와 유사하다(Lepech et al. 2009). 이 연구에서
조사한 모든 배합의 평균 균열폭은 60 µm 이하로 나타나 균열이 발생하더라고 내구성 측면에서 우수할 것으로 판단된다.
종합적으로 소포제를 혼입하게 되면, 강도적 측면과 인장변형성능 측면에서 모두 성능 향상이 가능한 것으로 나타났다. 이 연구에서 사용한 폴리에틸렌 섬유의
경우 물-결합재비가 높을 때 인장변형성능이 향상되었다. 이는 최적화된 섬유와 매트릭스 사이의 계면 특성이 압축강도 100 MPa급을 초과하지 않는다는
의미이며, 추가 실험을 통한 미시역학 해석을 통해 추가적인 성능향상이 가능할 것으로 판단된다.
4. 결 론
이 연구에서는 폴리에틸렌 섬유를 혼입한 100 MPa급 고강도-고연성 복합재료의 소포제 혼입과, 물-결합재비에 따른 압축 및 인장특성을 조사하였다.
이를 위하여 밀도, 압축강도, 일축인장 실험을 실시하였으며, 그에 대한 결론은 다음과 같다.
1) 물-결합재비 0.3, 폴리에틸렌 섬유 1.75 %를 혼입하면 압축강도 102 MPa, 인장강도 10.1 MPa, 인장변형성능 3.92 %를 갖는
고강도-고연성 복합재료를 제조할 수 있는 것으로 나타났다.
2) 소포제를 결합재량 대비 0.06 %정도의 소량 혼입하면 복합재료의 압축강도, 인장강도, 그리고 인장변형성능이 각각 13 %, 21 %, 70
%로 증가하는 것으로 나타나, 적절한 소포제 혼입을 통해 강도와 인장변형성능을 동시에 향상시킬 수 있는 것으로 나타났다. 균열개수와 균열폭을 분석한
결과 소포제 혼입으로 증가한 인장변형성능은 균열개수 증가가 32 %, 균열폭 증가가 38% 기여한 것으로 나타났다.
3) 물-결합재비가 0.3에서 0.2로 증가하면, 압축강도는 8.0 % 증가하지만 인장변형성능은 60 % 감소하는 것으로 나타났으며, 이를 통해 이
연구에서 사용한 재료 및 배합의 경우 압축강도가 100 MPa급 초과하게 되면 강도의 증진에 비하여 인장연성의 저감이 크게 나타나는 것으로 확인되었다.
4) 이 연구에서 조사한 모든 배합의 평균 균열폭은 37.1 µm로 60 µm보다 작게 나타나 복합재료 자체 뿐만 아니라 철근과 함께 사용할 경우에도
내구성이 우수할 것으로 판단된다.