2.1 사용재료

2.1.1 시멘트

이 연구에서는 1종 보통포틀랜드시멘트를 사용하였으며, 물리적‧화학적 특성은 Table 1과 같다.

2.1.2 실리카 퓸

충전용 슬러리의 고강도 발현을 위하여 혼화재로서 실리카 퓸을 사용하였으며, 사용한 실리카 퓸의 물리적‧화학적 특성은 Table 2와 같다.

2.1.3 골재

이 연구에서는 슬러리의 충전성능을 개선하고 재료분리 저감을 위하여 0.5 mm 이하의 직경을 갖는 잔골재를 사용하였다. 또한 결합재 대비 잔골재량은 1:0.5로 설정하였으며, 강섬유 사이사이의 충전을 위하여 굵은골재는 사용하지 않았다. Fig. 1은 사용 잔골재의 입도분포를 나타내고 있다.

2.1.4 고성능감수제

슬러리의 유동성을 향상시키고, 충전성능을 확보하기 위하여 폴리카르본산계 고성능감수제를 사용하였다. Table 3은 사용한 고성능감수제의 성질을 나타내고 있다.

2.1.5 강섬유

강섬유는 벨기에 B사에서 생산하는 직경 0.9 mm, 길이 60 mm, 형상비 65를 갖는 콘크리트 보강용 강섬유(5D)를 사용하였다. 사용한 강섬유의 특징은 일반 콘크리트용 강섬유(3D)와 동일하게 후크 타입이나, Fig. 2와 같이 후크의 형태가 일반 콘크리트용 강섬유보다 두 번 더 꺾여 시멘트 매트릭스와의 부착 증가 및 앵커링 효과로 인하여 보다 우수한 인성을 확보할 수 있다. 섬유 후크 타입에 따른 연구결과 3D 강섬유보다 5D 강섬유가 1.8배 이상 우수한 인발 저항성능을 발휘하며(RACEK and VACLAC 2015⁽⁹⁾), 이 연구에서 목표하는 인성 증진 효과에 기여할 수 있을 것으로 판단되어 5D 강섬유를 사용 강섬유로 결정하였다. 또한 사용 강섬유의 인장강도는 2,400 MPa이다.

2.2 SIFRCC

이 연구에서 개발한 SIFRCC는 충격 또는 폭발과 같은 극한하중에 대한 저항성능을 증대시키기 위하여 강섬유의 고혼입이 가능한 SIFCON 형태의 HPFRCC로서 강섬유를 미리 포설하고 고성능의 슬러리를 충전하는 형태로 SIFRCC를 제작하였다. Fig. 3은 SIFRCC 제작 과정을 나타내고 있다.

2.3 배합

미리 포설한 강섬유 내부공간을 충전하기 위한 고성능 슬러리는 충전성능을 위하여 물-결합재비를 0.4로 고정하였으며, 고성능감수제 사용량을 결합재 중량대비 2.5%로 설정하였다. 또한 재료분리 저감 및 소요 강도 확보를 위하여 잔골재량은 결합재 중량의 50%, 실리카 퓸은 시멘트 중량의 15%를 치환하여 배합을 진행하였다. Table 4는 사용 고성능 슬러리의 배합 특성을 나타내고 있다. 강섬유 혼입률은 8%로 고정하여 SIFRCC를 제작하였다.

2.4 실험방법

이 연구에서는 고온노출 온도 변화에 따른 특성을 평가하기 위하여 노출온도 200 °C 및 400 °C에서 2시간 노출 후 SIFRCC의 휨거동 특성을 분석하였다. Fig. 4는 200 °C 및 400 °C의 온도가열곡선을 나타내고 있으며, Fig. 5는 고온노출 실험전경을 나타내고 있다.

또한 고온노출 온도 변화에 따른 SIFRCC의 휨성능 평가를 위하여 ASTM C 1609 Standard Test Method for Flexural Performance of Fiber-Reinforced Concrete(Using Beam With Third-Point Loading)에 의거하여 100 × 100 × 350 mm의 각주형 시험체를 제작하여 휨실험을 수행하였다(Kim et al. 2015⁽⁶⁾; Kim 2017⁽⁵⁾). Fig. 6과 같이 200톤급 만능재료시험기(UTM)로 4점 가력을 하였으며, 시험체 중앙부 변위계(LVDT) 2개를 장착한 거치대(Japanese Yoke)를 활용하여 중앙부의 처짐 변위를 측정하였다. 하중 가력은 1 mm/min의 속도로 변위제어 방식으로 휨실험을 수행하였다(Kim et al. 2015⁽⁶⁾; Kim 2017⁽⁵⁾). 휨성능 평가를 위하여 ASTM C 1609의 식(1)과 같이 휨강도를 산정하였다.

여기서, $P$는 실험에서 측정된 최대 하중, $L$은 지간거리(300 mm), $b$는 시험체의 너비(100 mm), $d$는 시험체의 높이(100 mm)이다. 고온노출 온도 변화에 따른 에너지 흡수능력을 평가하기 위하여 ASTM C 1609에서 제시하는 시험체 인성(specimen toughness)을 계산하였으나, 이 연구에서 고려한 SIFRCC의 휨거동 특성상 ASTM C 1609에서 제시하는 하중-처짐 곡선에서의 지간거리 L의 1/150까지의 면적으로 정의되는 것에 적합하지 않으므로 고온노출 온도 변화에 따른 에너지 흡수능력을 상대적으로 비교하기 위하여 하중-처짐 곡선에서 처짐 15 mm까지의 면적으로 대체하여 시험체 인성 특성을 비교‧분석하였다(Kim et al. 2015⁽⁶⁾; Kim 2017⁽⁵⁾).

또한 첫 번째 피크점에서의 하중을 선형탄성거동으로 가정할 경우, 식(2)를 통해 첫 번째 하중 피크점에서의 처짐을 구할 수 있으며, 이를 초기균열로 간주할 수 있다(Ghosni et. al. 2014). ASTM C 1609에서는 100 × 100 × 350 mm 크기의 시험체의 첫 번째 하중 피크점에서의 처짐을 약 0.04 mm로 나타내고 있다.

여기서, $\delta_{1}$은 첫 번째 하중 피크점에서의 처짐, $P_{1}$은 첫 번째 피크점에서의 하중, $L$은 지간거리, $E$는 시험체의 탄성계수, $I$는 단면 2차 모멘트, $d$는 파괴 시 평균 깊이, $\mu$는 시험체의 포아송 비이다.

3.1 고성능 슬러리 고온노출 특성

Fig. 7은 고성능 슬러리의 고온노출 온도 변화에 따른 압축강도 및 중량손실률을 나타내고 있다. 고온노출을 하지 않은 고성능 슬러리의 압축강도는 64 MPa 수준으로 분석되었다. 200 °C 및 400 °C 2시간 노출 후 압축강도는 200 °C의 경우, 약 13.3% 감소한 55.5 MPa의 압축강도 값을 나타내었다. 또한 400 °C 노출한 고성능 슬러리의 압축강도는 고온노출하지 않은 고성능 슬러리보다 약 20.5% 감소한 50.9 MPa로 분석되었다. 고성능 슬러리와 같은 시멘트 페이스트는 100 °C 이하에서는 수분감소에 의한 건조수축은 낮은 수분량에서 열팽창계수의 증가에 의해 상쇄되며, 부피가 전체적으로 증가한다(Sidney Mindess et. al. 2003⁽¹¹⁾). 또한 시멘트 페이스트와 골재는 80~90 °C의 온도에서는 모두 팽창하게 되고, 약 110 °C 이상이 되면 골재는 계속해서 팽창하지만, 시멘트 페이스트는 수축한다고 보고되고 있다(Aldea et al. 1997⁽¹⁾; Bang 2017⁽³⁾). 하지만 이 연구에서 고려한 200 °C 및 400 °C에서는 모든 수분이 페이스트로부터 빠져나갈 때까지 건조수축이 발생하며, 높은 온도에서 내부적으로 수화물 구성의 파괴가 발생하기 때문에 압축강도가 감소하는 경향을 나타낸 것으로 판단된다.

또한 압축강도 저하 원인으로 고온노출에 따른 고성능 슬러리의 중량손실이 그 원인이 될 수 있다. 200 °C 및 400 °C 2시간 노출 후 중량손실률은 각각 14.6%, 17.9% 감소한 값을 나타내었다. 시멘트 경화체가 고온에 노출되면 약 105 °C에서 수분이 증발하며, 180 °C에서 화학적으로 결합하고 있던 수분의 일부가 증발하기 시작한다. 또한 약 250~350 °C에서는 칼슘실리케이트 수화생성물은 그 함유수분의 약 20% 손실을 일으킨다고 보고되고 있다(Menzel 1943⁽⁸⁾; Sanjayan and Stocks 1993⁽¹⁰⁾; Bang 2017⁽³⁾). 이러한 원인들로 인하여 고성능 슬러리의 고온노출 온도 변화에 따른 압축강도 감소는 고온노출 온도 변화와 비례적으로 나타났으며, 이는 강섬유가 혼입된 SIFRCC의 휨성능에도 다소 영향을 미칠 것으로 판단된다.

3.2 휨거동 특성

Fig. 8은 노출온도 온도 변화에 따른 변수별 하중-처짐 곡선을 비교하고 있다.

첫 번째 하중 피크점에서의 처짐은 고온노출 하지 않은 변수의 경우 식(2)에 의해 약 0.5 mm를 나타내었으며, 고온노출 200 °C 및 400 °C 변수에서는 약 0.5 mm, 및 0.4 mm로 분석되었다.

고온노출 온도 변화에 따른 SIFRCC 휨거동 특성은 초기균열 발생(첫 번째 하중 피크점에서의 처짐) 이후 하중이 지속적으로 증가하는 경향을 나타내었다. 이는 고혼입의 강섬유가 초기균열 발생에도 가교역할(bridging effect)을 함으로써 충분한 에너지의 흡수를 통하여 하중이 지속적으로 증가한 것으로 판단된다. 또한 고온노출을 하지 않은 normal condition에서의 변수는 처짐 3 mm 수준에서 최대하중 값을 나타내었으며, 이는 최대하중 이후에도 충분한 에너지를 흡수하여 시멘트 복합체가 충격, 폭발 등과 같은 극한하중에 저항할 수 있도록 역학적 성질이 개선된 것을 의미한다. 또한 고온노출 200 °C 및 400 °C에 노출한 변수의 경우, 고온노출 하지 않은 변수와 동일하게 초기균열 발생 이후에도 고혼입의 강섬유로 인하여 지속적으로 하중이 증가하는 것을 알 수 있었다. 하지만 고온노출 하지 않은 변수에서는 3 mm 전후에서 최대하중 값을 나타내고 이후 하중이 감소한 반면, 고온노출 200 °C 및 400 °C 변수에서는 6~7 mm 수준에서 최대하중 값을 나타내었으며, 이후 하중이 감소하는 것으로 분석되었다. 이는 고온노출 하지 않은 변수에서는 슬러리 매트릭스의 높은 강도와 강섬유의 특징(5D)인 앵커링 효과로 인한 부착성능 증진이 파괴면에서 Fig. 9와 같이 섬유가 파단되는 파괴양상이 나타나 초기에 하중 증가가 급격히 이루어진 것으로 사료된다. 반면 고온노출 200 °C 및 400 °C 변수에서는 고온노출에 따른 슬러리 매트릭스의 강도 감소, 내부 수분의 증발 등과 같은 물리‧화학적 변화로 인하여 강섬유 계면에서의 부착성능이 저하했을 것으로 판단된다. 이는 고온노출 하지 않은 변수에서는 파괴면에서의 섬유가 파단되었으나, 고온노출 200 °C 및 400 °C의 변수에서는 Fig. 10과 같이 파괴면에서의 파괴양상이 섬유파단이 아닌 부착강도 저하로 인한 섬유 뽑힘 현상이 발생한 것을 알 수 있었다. 이러한 이유로 인해 초기균열 발생 이후에도 지속적으로 하중의 증가가 이루어졌으며, 초기의 에너지 흡수능력은 고온노출을 하지 않은 변수보다 작았으나, 최대하중 이후에서의 에너지 흡수능력은 우수한 것을 확인할 수 있었다

Fig. 11에서 Fig. 13은 노출 온도에 따른 변수별 하중-처짐 곡선을 나타내고 있다. 고온노출 하지 않은 변수의 실험결과, 평균 최대하중 152.3 kN(45.7 MPa) 수준의 매우 우수한 휨저항 성능을 갖는 것으로 분석되었다. 또한 최대하중에서의 처짐은 3 mm 수준으로 분석되었으며, 최대강도 도달 이후 잔류강도가 지속되는 특징을 보였고, 이는 잔류강도 확보를 통해 충돌 및 폭발사고 이후에도 구조물의 취성파괴에 대한 붕괴를 방지할 수 있을 것으로 판단된다.

고온노출 200 °C 변수의 실험결과, 평균 최대하중 고온노출 하지 않은 변수의 평균 최대하중보다 5.3% 감소한 144.2 kN(43.3 MPa) 수준으로 우수한 휨저항 성능을 확인할 수 있었다. 또한 Fig. 12와 같이 최대하중에서의 처짐이 약 6~7 mm 수준으로 분석되었다. 이는 고온노출에 따른 슬러리 매트릭스의 강도 감소 및 내부 화학적 변화로 인하여 강섬유와의 계면 부착성능 저하로 인하여 섬유의 뽑힘 현상이 발생하여 SIFRCC 자체의 인성능력에 영향을 미친 것으로 판단된다. 초기 인성능력의 경우, 고온노출 하지 않은 변수가 섬유와 슬러리 매트릭스 사이의 계면 부착성능이 우수하여 높은 에너지 흡수능력을 나타낸 반면, 고온노출 200 °C 변수가 고온노출 하지 않은 변수보다 에너지 흡수능력 측면에서는 우수한 것을 알 수 있었다.

고온노출 400 °C 변수의 실험결과, 평균 최대하중 고온노출 하지 않은 변수의 평균 최대하중보다 29.6%, 고온노출 200 °C 변수보다 25.7% 감소한 107.2 kN(32.2 MPa) 수준의 휨저항 성능을 갖는 것으로 분석되었다. Fig. 13과 같이 고온노출에 따른 최대하중에서의 처짐은 고온노출 200 °C 변수의 실험결과와 비슷한 6 mm 전후 수준으로 분석되었다. 또한 하중-처짐 거동 특성은 Fig. 12의 고온노출 200 °C 변수와 비슷한 하중-처짐 거동 특성을 나타내고 있지만, 에너지 흡수능력 측면에서는 고온노출 200 °C 변수에 다소 못 미치는 결과를 나타내었다. 이는 고온노출로 인한 슬러리 매트릭스의 강도 저하 및 화학적 물성변화로 인하여 강섬유와의 계면에서 부착성능 저하가 원인으로 판단된다.

3.3 휨강도 및 인성

Fig. 14는 고온노출에 따른 휨강도 실험결과를 비교하고 있다. 고온노출을 하지 않은 변수의 경우, 최대 휨강도 50 MPa 수준의 우수한 휨강도 값을 나타내었다. 이는 압축강도의 약 60% 이상에 해당하는 강도 수준으로 높은 섬유혼입률로 인하여 일반 섬유보강 콘크리트와 달리 휨에 대한 저항성이 우수한 것을 알 수 있었다. 고온노출 200 °C 변수의 최대 휨강도 실험결과, 46.2 MPa 수준으로 고온노출 하지 않은 변수보다 다소 감소하였으나 이 역시 매우 우수한 휨강도 값을 나타내었다. 반면 고온노출 400 °C 변수의 휨강도 실험결과, 35.9 MPa 수준으로 고온노출 하지 않은 변수 및 고온노출 200 °C 변수보다 약 29% 및 26% 감소한 휨강도 값을 나타내었다. 이는 노출온도의 상승으로 인하여 슬러리 매트릭스의 강도 저하에 기인한 것으로 판단된다. Table 5는 고온노출에 따른 변수별 최대 휨강도 및 시험체 인성 산정결과를 나타내고 있다.

이 연구에서는 2.4절 실험방법에 설명했듯이 ASTM C 1609에서 제시하는 시험체 인성을 계산하였으나, SIFRCC 휨거동 특성상 지간거리 L의 1/150(2 mm)까지의 면적으로 정의되는 것에 적합하지 않으므로 고온노출 온도 변화에 따른 에너지 흡수능력을 상대적으로 비교하기 위하여 하중-처짐 곡선에서 처짐 15 mm까지의 면적으로 대체하여 변수별 인성 특성을 비교하였다.

Fig. 15는 고온노출에 따른 시험체 인성 실험결과를 비교하고 있다. 처짐 15 mm까지의 시험체 인성 실험결과, 고온노출 하지 않은 변수의 인성은 1,342.9 N‧m를 나타낸 반면, 고온노출 200 °C 변수의 인성은 고온노출 하지 않은 인성보다 12% 증가한 1,527.0 N‧m 수준을 나타내었다. 이는 휨강도 실험결과와 반대로 고온노출 200 °C에 따른 인성 값이 고온노출 하지 않은 변수보다 더 우수한 이유는 강섬유와 슬러리 매트릭스 사이의 계면 부착성능으로 인하여 강섬유의 파단 또는 뽑힘현상에 기인한 것으로 판단된다.

또한 고온노출 400 °C 변수의 시험체 인성 실험결과, 고온노출 하지 않은 변수 및 고온노출 200 °C 변수보다 약 12% 및 15% 감소한 1,139.6 N‧m 수준의 인성 값을 나타내었다. 이는 휨강도 실험결과에서의 감소율(26~29%)보다 더 작은 감소율을 나타내었으며, 고온노출 200 °C보다 상대적으로 높은 고온노출 400 °C로 인하여 슬러리 및 강섬유의 성능저하로 인하여 인성이 감소한 것으로 사료된다. 또한 최대하중 이후의 잔류강도 확보가 에너지 흡수능력 향상에 영향을 미친 것으로 판단된다.