2.1 사용재료 및 배합설계

강섬유 보강 모르타르 시편제작을 위한 결합재 구성은 국내 S사 제품인 보통 포틀랜드 시멘트와 혼화재로서 국내 K 제철회사의 고로슬래그, B 발전소의 산업부산물인 플라이애쉬를 시멘트 첨가제로 사용하였으며, 이들 재료의 물리·화학적 구성성분은 Table 1과 같다. 강섬유는 국내 K사의 형상비(공칭길이/직경) 64인 제품을 사용하였으며, 제품성능은 KS F 2564(KATS 2014⁽¹²⁾)를 만족한다.

결합재 특성별 강섬유 보강 모르타르의 내구성 평가를 위해 모든 시편에 대해 물-결합재 비를 40 %로 고정시키고, OPC에 GGBS와 PFA의 비율을 조정하여 이성분계와 삼성분계 모르타르 배합을 다음 Table 2와 같이 설계하였다.

기존 강섬유 보강 콘크리트의 염분침투 저항성에 관한 연구결과(Berrocal et al. 2016⁽²⁾), 일반적으로 부피 대비 0.3∼1.5 %의 혼입율를 사용하며 섬유 첨가량이 증가할수록 콘크리트의 이온 투과율이 증가하는 것으로 보도되었다. 본 연구에서는 일반적으로 콘크리트에 사용되는 강섬유 혼입율의 하안 범위에 속하는 0.5 %를 모든 모르타르 배합에 적용하였다.

2.2 시편제작

Table 2의 12가지 모르타르 배합에 대해 압축강도 측정용 큐빅 몰드(5 × 5 × 5 cm)와 염소이온 침투시험용 원주형 몰드(∅10 × 20 cm)를 준비시고, 특정 비율에 해당하는 원재료들을 모르타르 믹서로 혼입 후 타설하였다. 24시간 타설 이후 모든 시편은 28일간 20 ± 2 °C 온도조건에서 수중양생 시켰다.

2.3 압축강도

강섬유 보강 모르타르의 압축강도 측정을 위해 큐빅 시편과 압축강도 가압판의 경사 각도를 ± 2° 이내로 유지하고 압축면에 가압판이 닫기 직전까지 수준을 맞춘 후 매초 0.6 ± 0.4 MPa의 응력재하속도 상태에서 최대 하중상태 도달 시 값을 측정하였다. 모든 배합에 대해 3개의 시편에서 얻은 값을 평균화하여 압축강도를 산정하였다.

2.4 수은압입법

본 연구에서는 강섬유 보강 모르타르의 이온투과 공극구조 특성을 분석하고자 배합 당 6-10개의 모르타르 시편 조각들을 대상으로 MIP 시험을 실시하였다. 시험장비로는 마이크로메릭티스사 제품인 AUTOPORE II 9220를 이용하였다. 공극분석용 샘플들은 압축강도 시험 이후 주로 시편 내부로부터 채취하였으며, 60 °C 조건에서 약 6시간 건조 시킨 후 드라이 상태에서의 무게를 측정하고 장비의 셀 안에 거치시켰다. 최대 413 MPa까지 압력을 단계별로 가함으로써 각 압력평형상태에서의 수은 압입 량을 측정하였다. 이를 통해 샘플에 가해지는 수은 압력과 이를 통과할 수 있는 최소 공극 직경의 관계식인 Wash burn 방정식(Aligizaki 2005⁽¹⁾)을 사용하여, 공극 직경에 따른 수은압입 곡선과 전체 공극률를 결정하였다.

2.5 염분확산

본 연구에서는 강섬유 보강 모르타르 내 염소이온 확산에 따른 깊이별 염화물 침투 해석을 위해 NT BUILD 443을 참조하여, 다음과 같은 시험을 수행하였다.

28일 수중 양생시킨 원주형 시편(∅10 × 20 cm)을 바깥부분을 제외하고 중앙에 해당하는 부분을 콘크리트 커터날로 절단하여, 두 개의 테스트용 샘플(∅10 × 5 cm)을 얻었다. 일방향 침투를 위해 한 면을 제외한 나머지 부분에 약 1-2 mm 두께로 에폭시를 도포하였다. 염화물 농도는 평균 바닷물 농도 대비 약 2배인 1.0 M NaCl로 설정하였다. 시편들을 100일 동안 염수에 침지시킨 후 직경 5 cm 그라인더를 장착한 콘크리트 프로파일러를 이용하여, 염분침투 방향에서부터의 약 5 mm 간격으로 깊이별 3 g 이상 분말을 채취하였다. 시편 내부 염분침투 깊이별 시멘트 수화물에 흡착된 고정화 염소이온과 공극수 내 자유염소이온을 포함한 총 염소이온 농도를 측정하기 위해 채취한 분말 샘플을 질산 용액에 침식하고, 약 3시간 동안 스터러를 이용하여 혼입 후 필터 페이퍼를 통해 분말을 제외한 용액을 걸러냈다. 용액의 온도 범위가 안정된 상태에서 Ion selective electrode를 이용해 용액의 염소이온 농도를 측정하였다.

위 염소이온 측정 장비를 통해 얻은 염분 농도에 대해서는 50 ml 기준 ppm단위로써, 처음 도입한 깊이별 파우더 중량 대비 단위 시멘트 무게를 고려하여, 염소이온 대 시멘트의 중량 퍼센트로 염분농도를 결정하였다. 한 배합 당 2개의 원주형 시편에서 얻은 깊이 별 염분 농도는 평균화하여 데이터분석에 적용하였다. 침투 깊이별 염화물 농도를 이용하여 다음 식(1)과 같은 오차함수 형태의 확산 해석 해와 식(2)의 염화물 노출 경계조건을 회귀분석에 적용하여 배합별 겉보기 염분확산계수를 계산하였다.

여기서, C(x,t)는 침투깊이 $x$(m)와 염화물 노출시간 t(sec)에 해당하는 염화물 농도(% by binder mass), Cs는 표면 염화물 농도(% by binder mass), D는 확산계수(m²/s)이다.

3.1 압축강도 특성

28일 동안 수중양생 시킨 강섬유 보강 모르타르 시편들의 평균 압축강도 값을 Fig. 1에 나타내었다. OPC의 경우 40.6 MPa의 강도를 나타냈으며, 이는 같은 재령을 갖는 비슷한 배합조건의 고강도 모르타르(Eskandari-Naddaf et al. 2018⁽⁵⁾)와 비교하여도 높은 수치에 해당한다. PFA를 OPC에 일부 치환한 이성분계 및 삼성분계 배합의 경우 혼화재 치환율이 높을수록 대체적으로 강도는 줄어드나, 모든 경우 30 MPa 이상의 값을 나타내었다. GGBS를 50% 치환한 시편은 GGBS를 30 %와 70 % 치환한 시편과 비교 시 각각 0.9, 5.7 MPa의 강도증진을 보였으며, 이는 일반적인 슬래그 콘크리트 강도(Oner and Akyuz, 20017⁽¹⁶⁾)와 유사한 경향을 가진다. 그러나 삼성분계 배합을 적용한 시편들은 오히려 GGBS 치환량이 높아질수록 강도는 감소하는 경향을 나타내었다. 이는 OPC 함량이 상대적으로 낮아지면서 수산화칼슘의 발생량이 줄어들어, 혼화재 내 실리카성분의 잠재수경성반응이 제한되는 결과로 사료된다.

Fig. 1. Compressive strength of fiber reinforced mortar specimens at 28 days

3.2 공극구조

강섬유 보강 모르타르 샘플들에 대한 공극 분포도를 Fig. 2에 나타내었다. 또한 강섬유 첨가로 인한 계면공극 의 분포도를 확인하기 위해 OPC와 같은 배합 및 양생조건을 갖는 Plain 샘플에 대한 공극분포도를 Fig. 2(d)에 추가하였다.

Fig. 2. Pore size distribution of fiber reinforced mortar samples obtained from MIP

모든 공극들은 0.003-350 µm 범위에서 관측되었으며, 대부분 모세관 영역 이상에서 수은압입의 첫 번째 피크 현상을 나타내었다. 이는 Fig. 2(d)의 강섬유를 첨가하지 않은 OPC 샘플과 비교해보면 10 µm 이상의 범위는 강섬유의 계면으로 인한 공극분포도임을 유추할 수 있다. Hwang et al. (2015⁽¹⁰⁾)에 의하면, OPC 모르타르 시편 내 강섬유와 시멘트 페이스트 간 계면부위를 이차원 BSE 이미지로 영상 분석한 결과, 섬유표면에서 직선거리 270 µm까지 모세관 이상의 범위에 해당하는 공극이 약 5-11 % 발생하였으며, 이는 최대 150 µm 크기를 나타내었다. Fig. 2를 보면, OPC를 사용한 모르타르 샘플의 경우 90 µm 공극사이즈에서 전체 공극률의 약 52 %에 해당하는 수은압입 량을 나타내었으며, 이는 혼화재를 적용한 시편에 비해 약 2∼8배 높은 값에 해당한다.

모세관 영역에서 2번째 피크 지점에 해당하는 임계공극크기(Critical pore size)는 이온침투나 수분이동 계수와 선형적인 관계를 보이는 것으로 보고되었다(El-Dieb and Hooton 1994⁽⁴⁾; Halamickova et al. 1995⁽⁹⁾). 그러나 Fig. 2에서 OPC와 S50을 제외하고 대부분 임계공극은 0.01 µm 이상에서 관측되었다. 이는 계면공극이 크거나 많을수록 상대적으로 수은압입이 가능한 최소 크기의 임계공극이 작아지며 이로부터 계면공극까지 연결된 공극들이 많아진 결과로 사료된다.

MIP의 누적곡선에서 얻은 전체 공극률을 Fig. 3에 나타내었다. 일반적으로 압축강도가 높을수록 전체 공극률이 낮아지는 경향을 나타내었다.

Fig. 3. Total porosity for fiber reinforced mortar samples obtained from MIP

3.3 염분침투 저항성

강섬유 보강 모르타르의 시멘트 배합별 염분확산 시험 결과 측정된 깊이별 염분농도와 이를 식(1)로 회귀 분석한 그래프를 Fig. 4에 나타내었다. 염수침지 시편 표면으로부터 일방향 염분침투깊이는 대부분 25∼30 mm이었으며, 특히 공극크기 10 µm 이상 범위에서 높은 수은압입 피크를 갖는 OPC나 S50의 경우 30 mm 이상에 도달하였다. 이는 섬유와 모르타르 계면에 존재하는 공극이 많을수록 계면공극과 미세공극간의 연결성이 높아지며, 강섬유 보강 모르타르의 전체 이온투과율을 향상시키는 것으로 사료된다.

Fig. 4. Chloride concentration profile in fiber reinforced mortar specimens measured at 100 days of 1.0 M NaCl exposure

염분이동의 공극구조특성과 별개로 염분침투를 억제하는 시멘트 복합체의 흡착성능(Chloride binding capacity)은 시멘트 클링커 성분과 수화물(Luping and Nilsson 1993⁽¹³⁾; Dhir et al. 1996⁽³⁾)의 함량으로 결정되며 공극수 내 이동 중인 염소이온을 일정량 Fridel’s salt 형태로 흡착(반응)시켜, 이온의 이동속도를 늦추게 한다. 또한 염분흡착성능이 높아질수록 표면염화물농도가 증가할 수 있다(Glass and Buenfeld 2000⁽⁸⁾).

Fig. 5를 보면, 실제로 표면염화물농도는 모르타르의 전체 공극률에 비례하기보다는 혼화재 치환율이 높을수록 증가하는 경향을 나타내었다. 특히, GGBS의 치환율이 30 %에서 70 %로 변하면서 공극률은 15.4 %에서 17.9 %로 증가하였지만, 표면염화물농도는 2.2 %에서 3.4 %로 약 1.5배의 증가율을 보였다.

Fig. 5. Surface chloride concentration obtained from concentration profiles

식(1)로부터 강섬유 보강 모르타르의 염소이온 확산계수를 계산하여 Fig. 6에 나타내었다. 확산계수는 전제 공극률에 비례하기보다 계면공극이 클수록 높아지는 경향을 나타내었다. 이는 섬유와 페이스트의 계면공극으로 인해 공극간의 연결성이 높아지면서 염소이온의 확산속도를 증진시키는 것으로 판단된다. 그러나 계면공극분포 특성이 유사한 S30과 S70을 비교하면, S70에 비해 S30의 전체 공극률은 약 15 % 감소하였으나 확산계수의 경우 약 42 % 감소한 결과를 나타내었다. 이는 100일 동안 염수노출 시 모르타르 내부 강섬유의 부식으로 인해 계면공극이 줄어들면서 오히려 염수노출 전보다 치밀한 공극구조를 가질 수 있으며 확산속도가 급격히 감소된 원인으로 사료된다.

Fig. 6. Chloride diffusion coefficient obtained from concentration profiles

또한 전체공극률이 비슷한 배합인 F20과 S70 그리고 S50F10과 S30F10을 보면 표면염화물농도가 높은 후자의 경우(S70, S30F10) 확산계수가 현저히 낮음을 알 수 있다. 혼화재 사용 강섬유 보강 모르타르의 염분침투 저항성은 전체 공극률이 감소에 따라 대체적으로 증가하지만 10 µm 이상에서 관측된 계면공극의 감소로 인해 OPC만을 사용한 배합과 비교 시 약 26 %까지 저감시킬 수 있다.