2.1 실험개요

본 연구는 보강재인 탄소섬유와 시멘트 메트리스 내에서의 계면접착력을 향상하기 위해 탄소섬유의 실리카 코팅을 하였으며, 실리카와 수산화칼슘의 반응성 여부를 판단하기 위해서 SEM 촬영 및 FT-IR 실험을 수행하였다. 또한, 실리카로 코팅된 CFRM 복합재와 코팅하지 않은 CFRM 복합재의 역학적 특성을 파악하기 위하여 실리카퓸의 치환 여부와 및 섬유혼입률을 변수로 실험을 계획하였다. 본 연구에 사용된 PAN계 탄소단섬유의 길이가 6 mm이고, 섬유혼입률 투입 이전의 용적률(volume, %)을 기준으로 섬유혼입률은 각각 0.5, 1.0, 1.5 및 2.0 %의 4수준과 실리카퓸의 사용은 중량비율(weight, %)을 기준으로 실리카퓸은 시멘트 중량의 5 %를 치환하였다. 기본 물성실험으로 굳지 않은 상태에서는 실리카로 코팅된 CFRM 복합재의 배합과 코팅되지 않은 CFRM 복합재 배합의 흐름 값을 측정하였으며, 굳은 상태에서는 압축강도와 휨강도를 측정하였다.

2.2 재료

2.2.1 탄소섬유의 표면개질

본 연구에 사용된 시약 및 물질은 10 nm 크기의 나노입자가 분산되어 있는 콜로이드 실리카 졸(ss-sol 30a, 30 wt%, S-Chemtech. Co., Ltd.)이며, 촉매로써 질산(HNO3, 60 wt%, Samchun Chemical)을 사용하였다. 또한, 실란 커플링제로 glycidoxypropyl trimethoxysilane(GPTMS, 99.9 %, Sigma-Aldrich), 경화제로서 ethylene diamine(EDA, 99.9 %, Sigma-Aldrich)과 용매로서 에탄올(EtOH, 99.0 %, Samchun Chemical)을 사용하였다. 시약은 정제 및 약품처리 과정 없이 그대로 사용하였다. Fig. 1은 실리카 코팅용액의 제조공정도를 나타낸 것이다. 3.6 g의 GPTMS를 150 ml 에탄올과 150 ml 증류수에 균일하게 혼합한 뒤 질산을 첨가하여 용의 pH가 2가 되도록 조절하였다. 이후 pH가 조절된 용액을 70 °C에서 12시간 동안 교반하였으며, 이 용액에 445.5 g의 콜로이드 실리카 졸을 첨가하여 70 °C에서 24시간 동안 반응하였다. 마지막으로 GPTMS의 에폭시기의 개환을 목적으로 경화제인 ethylene diamine(EDA) 0.54 g을 적가하여 40 °C에서 2시간 동안 더 교반하여 최종의 실리카 코팅용액을 제조하였다. 한편, Fig. 2는 탄소섬유의 표면개질 과정을 나타낸 것이다. 먼저 아세톤을 사용하여 탄소섬유에 부착된 불순물을 모두 제거한 후 표면 활성도를 증가시키기 위해 질산 용액에 탄소섬유를 24시간 동안 담지하여 산화시키고, 산화된 탄소섬유를 증류수로 세정 처리 한 후 110 °C로 유지된 오븐에서 건조시켰다. 그리고 건조된 탄소섬유를 위 절의 과정을 통해 합성된 친수성 실리카 코팅 용액에 12시간 동안 담지하여 실리카 나노입자를 탄소섬유의 표면에 부착시켜 탄소섬유를 친수성으로 표면개질 시켰다. 이후에 오븐에서 80 °C에서 1시간 동안 경화시키고, 다시 증류수로 세정한 뒤 120 °C에서 2시간 동안 건조해 최종의 탄소섬유를 제조하였다.

2.2.2 시멘트와 실리카퓸

본 연구에 사용한 시멘트는 S사 제품의 보통포틀랜드시멘트(ordinary portland cement, OPC)를 사용하였으며, 비중은 3.13이고 분말도는 3,860 $cm^2$/g이다. 또한, 혼화재인 실리카 함량이 높으며 고반응성 포졸란인 실리카퓸(silica fume)은 노르웨이산 마이크로실리카로써 평균입경이 0.15 µm(45 µm를 초과하는 입자는 0.1 % 이하)이고, 비표면적은 평균 200,000 $cm^2$/g인 초미분말의 실리카 제품이다. 시멘트와 실리카퓸 사용재료의 물리적 특성과 화학성분은 Table 1과 같다.

2.2.3 잔골재

본 연구에 사용한 잔골재는 KS L ISO679(KATS 2016)에 준하는 강원도 주문진읍 향호리산 표준사를 사용하였다. 표면건조포화상태 잔골재의 비중은 2.65이었으며, 본 실험에 사용된 잔골재의 물리적 특성은 Table 2와 같다.

2.2.4 탄소섬유

본 연구에 사용된 PAN(polyacrylonni-trile)계 고강도 탄소섬유는 일본의 T사에서 제조한 것으로 인장강도가 4,900 MPa, 탄성계수는 230 GPa이다. 균일한 섬유길이를 확보하기 위해 섬유업체에서 섬유의 평균길이 6 mm로 장섬유를 절단, 분쇄하여 사용하였다. 탄소섬유의 물리적 특성은 Table 3과 같다. Fig. 3은 본 연구에 사용한 실리카로 코팅된 탄소섬유와 코팅되지 않은 탄소섬유의 모습을 나타낸 것이다.

2.2.5 고성능감수제

본 연구에 사용된 혼화제는 탄소섬유의 유동성을 원활히 하기 위해 국내 D사 제품의 폴리카르복실산계로서, 액상이고 비중이 1.04, pH 5.0±1.5인 연황색의 고성능 AE감수제를 사용하였다.

2.3 배합 및 시편 제작

본 연구에서 모르타르의 배합은 KS L ISO679(KATS 2016) 시험규정에 따라 물-결합재비(W/B)는 0.5이며, 시멘트:표준사:배합수=1:3:0.5의 비율로 고정하였다. 이때, 굵은 골재는 사용하지 않았다. 즉, 배합비에서 각 1회분 재료의 양은 시멘트 450±2 g, 모래 1,350±5 g과 물 225±1 g에 해당된다. CFRM 복합재 배합에서 혼화제의 첨가량은 시멘트 질량의 1.0 %로 조절하였으며, 보통 모르타르 배합의 경우 별도의 혼화제를 사용하지 않았다. 이때 목표 플로우 값을 190 mm 이상이 되도록 배합하였다. 각 재료는 중량비로 계량한 후 먼저 시멘트, 실리카퓸 및 잔골재를 투입하고 건비빔으로 30초 동안 비빔을 실시한 후 탄소섬유를 넣고 90초 동안 추가 믹싱하였다. 이후 배합수와 혼화제를 투입하고 즉시 150초 동안 혼합하였다. 믹싱하는 총 시간은 5분 정도 소요되었다. KS L ISO679 시험규정에 따라 압축 및 휨시험을 위한 공시체를 제작하여 24시간 이후 탈형하여 20±2 °C로 유지된 항온수조 안에 침수시켜 28일 동안 수중양생을 실시하였다. 실리카로 코팅된 CFRM 복합재와 코팅되지 않은 CFRM 복합재, 보통 모르타르의 시편 제작은 Table 4와 같다. 동일한 배합조건에서 섬유혼입률에 따라 탄소섬유를 혼입하였으며, 실리카퓸의 사용량은 시멘트 중량의 5 wt% 비율로 치환하였다.

2.4 실험방법

2.4.1 흐름성능 시험

본 연구는 모르타르의 흐름성능을 평가하기 위해 플로우 시험은 KS L 5111(KATS 2017)에 규정된 플로 테이블 및 플로우 콘을 이용하였다. 모르타르 배출된 직후 하부 직경 100±0.5 mm, 상부직경 70±0.5 mm, 높이 50±0.5 mm의 원뿔형 몰드에 2층으로 부어 넣고 20회씩 다짐하였다. 원뿔형 몰드를 들어 올린 후 즉시 15초 동안 25회 12.7 mm의 높이를 낙하시킨 다음 흐름 값을 측정하였으며, 낙하 후 퍼짐이 멈추었을 때 중심을 지나는 대각선 3방향의 지름을 측정하여 그 평균값을 흐름 값으로 정하였다.

2.4.2 강도 시험

압축강도 및 휨강도 시험은 KS L ISO679(KATS 2016) 시험방법에 준하여 몰드를 제작하여 모두 재령 28일에서의 강도를 측정하였다. 양생이 완료된 40×40×160 mm의 육면체 시편은 100 kN 용량의 만능시험기(MTDI Co., Ltd., Korea, UT-100F)를 이용하여 원형 단면의 강재 롤러 위에 시편을 설치하여 하중제어 방식으로 50 N/s의 조건에서 중앙점 재하법으로 휨강도를 측정하였다. Fig. 4는 압축강도 및 휨강도를 측정하는 모습을 나타낸 것이다. 중앙점 재하법에 의한 휨강도는 식 (1)로 부터 구하였다.

여기서, $f_{r}$은 휨강도(MPa), $P$는 실험에서 얻은 최대하중(N), $L$은 지간 거리(120 mm), $b$는 시편의 폭(40 mm), $h$는 시편의 높이(40 mm)이다.

동일한 UTM을 이용하여 휨강도를 먼저 측정한 후 파단된 시편을 압축강도 측정용 가압몰드에 장착하여 압축강도를 측정하였다. 압축강도의 재하속도는 2,400 N/s의 조건에서 일정한 속도로 가력하였다. 압축강도는 식 (2)로 부터 구하였다.

여기서, $f_{cu}$는 압축강도(MPa), $P$는 실험에서 얻은 최대하중(N), $b$는 시편의 폭(40 mm), $h$는 시편의 높이(40 mm)이다.

2.4.3 SEM 관찰

본 연구는 탄소섬유의 표면에 실리카 미립자가 균일하게 분산되어 있는지 코팅 여부를 확인하기 위해 고분해능 SEM 모델명(MIRA LMH, TESCAN)를 사용하여 교류전압(ACC voltage) 10 kv에서 분석을 실시하였으며, 아르곤(Ar) 가스 하에서 시료를 백금으로 코팅한 뒤, 5,000배율에서 탄소섬유의 표면을 관찰하여 탄소섬유에 실리카 나노입자가 부착되어 있는 지를 관찰하였다.

2.4.4 FT-IR 분석

본 연구는 실리카로 코팅된 탄소섬유의 표면에 수화시멘트 입자가 존재하는 C-S-H의 생성 여부를 확인하기 위해 400~4,000 cm-1 범위의 파장 영역을 측정할 수 있는 FT-IR인 제품명(Cary 630, Agilent Technologies)을 사용하여 탄소섬유의 표면에 실리카 나노입자가 화학적으로 결합하였는지를 파악하였다.

2.4.5 휨파괴 관찰

Fig. 5는 휨시험에 따른 각 하중 단계별 시편의 균열 발생 및 진전, 파괴의 과정을 관찰하기 위해 초고속 카메라의 측정모습을 나타낸 것이다. 본 시험에 사용한 초고속 카메라는 일본 Phantom사의 모델명(v7.3)인 비접촉 센싱 촬영 장비를 사용하였으며, Full frame 4:3 aspect ratio CMOS sensor, 해상도 800×600, FPS 6,688(full resolution)의 주요 성능을 가지고 있다.

3.1 실리카로 코팅된 탄소섬유의 표면형상

Fig. 6은 실리카로 코팅된 탄소섬유의 표면형상을 SEM으로 관찰한 사진을 나타낸 것이다. Fig. 6(a)는 코팅되지 않은 탄소섬유, Fig. 6(b)는 질산으로 전 처리된 탄소섬유, Fig. 6(c)는 실리카 나노입자가 코팅된 탄소섬유를 각각 나타내는 SEM 관찰 사진이다. Fig. 6(a)의 코팅되지 않은 탄소섬유와 비교할 때 Fig. 6(b)의 질산으로 전 처리된 탄소섬유는 축 방향으로 줄이 생성되어, 탄소섬유의 표면 거칠기가 증가하였음을 알 수 있다. Fig. 6(b)의 질산 전 처리의 목적은 탄소섬유의 표면 거칠기를 증가시키고, 산화반응을 통해 탄소섬유의 표면에 COOH나 OH 작용기 수를 증가시켜 탄소섬유의 표면에 실리카 나노입자를 쉽게 부착시키기 위함이다. Fig. 6(c)는 탄소섬유에 실리카 나노입자가 코팅된 사진으로 탄소섬유의 표면에 실리카 나노입자가 균일하게 분산되어 있음을 확인할 수 있다.

3.2 화학적 시료 분석

Fig. 7(a)는 코팅되지 않은 탄소섬유, Fig. 7(b)는 실리카로 코팅된 탄소섬유이며, Fig. 7(c)는 실리카로 코팅된 탄소섬유를 시멘트 모르타르와 반응시켜 얻어진 CRFM 내의 탄소섬유의 화학적 조성을 FT-IR 결과로 나타낸 것이다. Fig. 7(a)의 코팅되지 않은 탄소섬유에 비해 Fig. 7(b)의 실리카로 코팅된 탄소섬유는 1,040 cm-1에서 Si-O-Si 신축진동(streching vibration)에 기인한 강한 흡수피크가 확인됨으로써 탄소섬유에 실리카 나노입자가 부착된 것을 알 수 있다. 한편 Fig. 7(c)는 CFRM 내의

탄소섬유로서 1,437 cm-1에서의 C-O 신축진동의 흡수피크(Papadakis et al. 1989)가 생성되었음을 확인할 수 있다. 이것은 C-S-H가 대기 중에 이산화탄소(CO2)와 반응으로 생성된 탄산칼슘에 C-O로 확인되며 C-S-H의 생성 여부를 확인할 수 있는 근거가 된다. 또한, 탄소섬유의 표면에 접착된 실리카 입자들이 잘 형성되어 친수성이 증가한 것으로 판단된다. 하지만 코팅되지 않은 탄소섬유의 경우 1,040 cm-1와 1,437 cm-1에서 신축진동이 형성되지 못함을 알 수 있었다.

3.3 흐름성능 평가

Fig. 8은 실리카로 코팅된 CFRM 복합재 배합과 코팅되지 않은 CFRM 복합재 배합, 보통 모르타르 배합의 실리카퓸의 치환 여부 및 섬유혼입률 변화에 따른 흐름성능 시험 결과를 나타낸 것이다. 흐름 값은 4방향의 측정값의 평균으로 산정하였으며, 보통 모르타르 배합의 흐름 값은 192 mm로써 목표 흐름 값 190 mm 이상을 만족하여 흐름성능이 양호한 것으로 나타내었다. 하지만 실리카퓸이 치환되지 않고 실리카로 코팅된 CFRM 복합재 배합의 경우 흐름 값은 114~160 mm이고, 코팅되지 않은 CFRM 복합재 배합은 110~146 mm로 측정되었다. Fig. 8에서 보는 바와 같이 섬유혼입률이 증가할수록 흐름 값은 전반적으로 감소하는 경향을 보이며, 특히 실리카로 코팅된 CFRM 복합재 배합은 코팅되지 않은 CFRM 복합재 배합보다 흐름 값이 약간 증가하였다. 실리카퓸이 5 wt% 치환된 배합의 경우 실리카퓸을 치환되지 않은 배합에 비해 흐름 값이 감소하는 경향을 보였으나, 그 차이는 미소하였다. 이러한 경향은 실리카퓸의 평균 입경이 0.15 µm인 초미립자이기 때문에 잔골재가 차지하는 비표면적이 증가하고 배합과정 중 혼합수 일부 흡수로 인해 낮은 흐름 값을 보여준 것으로 판단된다.

3.4 압축강도 특성

Fig. 9는 실리카로 코팅된 CFRM 복합재와 코팅되지 않은 CFRM 복합재의 실리카퓸의 치환 여부 및 섬유혼입률 변화에 따른 압축강도의 평균과 표준편차 산정결과를 도시하여 나타낸 것이다. 휨강도 측정한 후 파단된 각각 3개의 시편을 2회에 걸쳐 측정한 재령 28일에서의 보통 모르타르의 압축강도는 평균 30.6 MPa 수준으로 측정되었다. 평균 압축강도에 대한 표준편차의 범위는 보통 모르타르의 경우 3.35 MPa이고, CFRM 복합재는 4.8~8.51 MPa 정도로 보통 모르타르에 비해 모두가 크다는 것을 알 수 있다. Fig. 9(a)에서 보는 바와 같이 실리카퓸이 치환되지 않고 0.5 vol%의 섬유를 혼입한 실리카로 코팅된 CFRM 복합재를 제외하고는 보통 모르타르보다 압축강도가 전반적으로 감소하는 경향을 보였다. CFRM 복합재의 압축강도는 섬유의 코팅 여부와 상관없이 섬유혼입률이 증가할수록 전반적으로 강도가 저하되는 양상을 보였다. 탄소섬유는 섬유표면의 비친수성 물질 때문에 경화 후의 모르타르 내에서 섬유와 시멘트 매트릭스 계면의 접착이 약하기 때문에 강도가 저하된 것으로 추정된다. 이러한 연구결과는 선행연구에서도 보고되었으며(Lee and Park 1994; Boulfiza et al. 2000), 섬유혼입률이 일정량 이상부터는 높은 섬유혼입으로 인해 섬유의 분산성이 저하되어 더욱더 뭉침 현상이 발생하여 압축강도 저하에 큰 영향을 주는 것으로 보고하였다. Fig. 9(b)에서 보는 바와 같이 실리카퓸이 5 wt% 치환되고 2.0 vol%의 섬유를 혼입한 CFRM 복합재를 제외하고는 보통 모르타르에 비해 압축강도가 증가하는 경향을 보였다. 이러한 경향은 평균입경이 0.15 µm의 공극에 분포한 넓은 비표면적을 갖는 실리카퓸은 수화생성처 역할을 하고, 이를 통하여 수화반응을 촉진하게 되어 공극을 밀실하게 만들어 미세한 기포가 감소하게 되어 이로 인한 강도개선에 기여한 것으로 판단된다.

3.5 휨강도 특성

Fig. 10은 실리카로 코팅된 CFRM 복합재와 코팅되지 않은 CFRM 복합재의 실리카퓸의 치환 여부 및 섬유혼입률 변화에 따른 휨강도의 평균과 표준편차 산정결과를 도시하여 나타낸 것이다. 각각 3개의 시편을 2회에 걸쳐 측정한 재령 28일에서의 보통 모르타르의 휨강도는 평균 3.1 MPa 수준으로 측정되었다. 평균 휨강도에 대한 표준편차의 범위는 보통 모르타르의 경우 0.28 MPa이고, CFRM 복합재는 0.58~2.03 MPa 정도로 보통 모르타르에 비해 모두가 크다는 것을 알 수 있다. Fig. 10은 실리카로 코팅된 CFRM 복합재와 코팅되지 않은 CFRM 복합재의 실리카퓸의 치환 여부 및 섬유혼입률 변화에 따른 휨강도를 나타낸 것이다. 각각 3개의 시편을 2회에 걸쳐 측정한 재령 28일에서의 보통 모르타르의 휨강도는 평균 3.1 MPa 수준으로 측정되었다. Fig. 10에서 보는 바와 같이 섬유의 코팅 여부와 상관없이 CFRM 복합재의 휨강도는 보통 모르타르에 비해 큰 값을 보이며, 실리카퓸이 치환되지 않고 2 vol%의 섬유를 혼입한 코팅되지 않은 CFRM 복합재를 제외하고는 섬유혼입률이 증가할수록 휨강도가 증가하는 경향을 보였다. 이와 같은 결과는 혼입된 섬유가 가교역할을 함으로써 균열의 진전을 막아주고 응력의 재분배를 통해 휨강도를 향상시켰기 때문이라고 판단된다. 특히 실리카퓸이 5 wt% 치환되고 2 vol%의 섬유를 동시 혼입한 실리카로 코팅된 CFRM 복합재의 경우 휨강도가 약 6.1 MPa로 가장 높았으며, 코팅되지 않은 CFRM 복합재와 보통 모르타르에 비해 휨강도는 각각 10.9 %와 96.7 % 증가한 것으로 분석되었다. 반면 실리카퓸이 치환되지 않고 0.5 vol%의 섬유를 혼입한 코팅되지 않은 CFRM 복합재의 경우 섬유혼입 시 휨강도가 3.2 MPa로 가장 낮았으며, 1.5 vol% 까지 섬유혼입 시 휨강도가 향상되었지만 2.0 vol% 섬유 혼입 시에는 섬유의 뭉침 현상으로 증가 효과가 그리 크지 않았다. 이것은 높은 혼입률로 인해 분산성과 마감 성능면에서 양호하지 못하기 때문에 낮은 휨강도를 갖고 있음을 알 수 있다. 한편 실리카퓸이 5 wt% 치환되고 1.5~2.0 vol%의 섬유를 혼입한 실리카로 코팅된 CFRM 복합재는 보통 모르타르에 비해 2.8~3.0 MPa의 휨강도 효과를 얻었다. 이것은 적절량의 실리카퓸을 사용한다면 시멘트 매트릭스 내에서 공극 구조를 밀실하게 채우는 효과를 가져옴으로써 높은 휨강도를 향상할 수 있을 뿐만 아니라 실리카퓸의 비표면적이 매우 크고 비정질 상태이기 때문에 1차 수화생성물인 $Ca(OH)_2$와의 포졸란 반응을 통해 2차 수화생성물 C-S-H 겔을 형성함으로 분산성 및 접착성능이 향상된 섬유보강재를 제공할 수 있다고 판단된다.

3.6 휨파괴 모습

Fig. 11은 초고속 카메라를 통해 영상으로 촬영한 휨시험에 따른 각 하중 단계별 시편의 균열 발생 및 진전, 파괴의 과정을 나타낸 것이다. Fig. 11(a)에서 보는 바와 같이 보통 모르타르는 초기균열 발생 후 하중을 받아주다가 어느 순간 곧바로 균열 폭은 눈에 띄게 넓어지면서 동시에 급작스럽게 양쪽으로 분리되면서 취성적으로 파괴되었다. 반면 Fig. 11(b)와 11(c)에서 보는 바와 같이 섬유의 코팅 여부와 상관없이 CFRM 복합재는 중앙부에 초기균열이 발생한 이후에도 지속해서 하중을 지지하다가 균열 후 저항(post cracking resistance)이 주로 균열면에서 섬유 뽐힘(pull out)으로 발생하였다. 이러한 현상은 시편 내에서 섬유의 가교역할로 균열 발생에 대한 저항성이 증가하기 때문으로 판단된다. 특히, 실리카퓸이 5 wt% 치환되고 2 vol%의 섬유를 혼입한 실리카로 코팅된 CFRM 복합재 시편인 CCS5-2.0는 섬유가 시멘트 매트릭스와 우수한 접착력을 가지고 있어 인장응력을 효과적으로 받아주어 시편 중앙부 하단에서 수직균열 진전으로 휨파괴 되었으나, 실리카퓸이 5 wt% 치환되고 코팅되지 않은 CFRM 복합재 시편인 UCS5-2.0는 섬유의 뭉침으로 중앙부 하단에서 경사균열 진전으로 휨파괴 되었다. 그리고 CCS5-2.0 시편의 휨강도가 약 6.1 MPa 수준으로 가장 우수한 휨저항 성능을 갖는 것으로 분석되어, 최대강도에 도달한 이후에도 잔여강도가 지속되는 특징을 보여주었다. 이와 같은 결과는 콘크리트 구조물의 예상하지 못한 충격 또는 폭발 등과 같이 작용시간이 매우 짧은 극한하중을 받는 경우 추가적인 잔여강도 확보를 통하여 효율적인 균열제어 및 구조물의 취성파괴로 인한 붕괴를 방지할 수 있을 것으로 판단된다. 또한, Fig. 12는 3점 재하시험에 의한 휨응력과 변위 곡선을 나타낸 것이다. 각각의 시편에 대해 휨응력과 변위 곡선의 대표적인 값을 나타내었다. 보통 모르타르의 경우 휨응력은 거의 선형적으로 변위가 증가하다가 휨 균열 발생과 동시에 급격한 취성 파괴를 보여 최대응력 이후 변위가 거의 없었다. 반면 섬유의 코팅 여부와 상관없이 CFRM 복합재는 최대응력 이후 응력이 감소하여 일정 변위가 증가하다가 하강기울기가 완만하게 떨어지면서 변위가 증가하는 거동 양상을 보여주고 있다. UCS5-2.0 시편의 경우 변위가 1.7 mm인 상태에서 잔여응력을 받는 것을 볼 수 있으며, CCS5-2.0 시편의 변위는 연성적인 특성으로 인해 2 mm 까지 측정되었다. 따라서 휨응력과 곡선에서 변위 증가량은 실리카로 코팅된 CFRM 〉코팅되지 않은 CFRM 〉보통 모르타르 순으로 비교적 실리카로 코팅된 CFRM 복합재가 가장 큰 값을 보여 휨 인성이 향상된 것으로 판단된다.

3.7 SEM 관찰

Fig. 13은 CFRM 시편에 대해 강도시험 후 SEM을 이용한 파단면의 미세구조를 촬영한 사진을 나타낸 것이다. 일반적으로 섬유와 시멘트 매트릭스 계면 사이의 두께가 약 10~50 µm로 보고되고 있으며, 이러한 계면의 두께가 강도 및 내구성에 영향을 미친다고 보고되고 있다(Metha 1986; Scrivener et al. 2004). Fig. 13(a)에서 보는 바와 같이 실리카퓸이 5 wt% 치환되고 실리카로 코팅된 CFRM 복합재의 경우 섬유의 표면에 크고 작은 C-S-H가 거친 형상으로 균일하게 분포된 것을 알 수 있으며, 거의 기공을 관찰할 수 없었다. 이것은 시멘트 수화생성물의 결정이 주변에 많이 형성됨과 함께 친화력이 커서 시멘트 매트릭스 내에서 균일하게 분산된 것을 알 수 있었다. Fig. 13(b)는 실리카퓸이 치환되지 않고 실리카로 코팅된 CFRM 복합재는 섬유의 표면에 C-S-H가 다소 결합하여 있는 것을 알 수 있으며, 섬유와 시멘트 매트릭스 사이의 미세한 균열들이 간혹 일어나고 있음을 보여주었다. 반면 Fig. 13(c)는 실리카퓸이 치환되지 않고 실리카로 코팅된 CFRM 복합재의 경우 섬유의 표면에 C-S-H가 약간 결합되어 있는 것을 알 수 있으며, 충분한 강도를 확보하지 못하고 접착성능 저하로 인해 섬유 파단이 아닌 섬유의 분리(fiber debonding) 또는 뽐힘(pull out) 현상으로 섬유와 시멘트 매트릭스 사이의 이탈이 간혹 일어나고 있음을 보여주었다. Fig. 13(d)는 실리카퓸이 치환되지 않고 코팅되지 않은 CFRM 복합재의 경우 섬유 표면의 형상이 아주 깨끗하고 상당히 매끄러운 것을 알 수 있으며, 미세한 기공이 시멘트 수화물 주변에 형성됨을 알 수 있었다. 이것은 시멘트 수화생성물의 결정이 생기기 곤란하여 친화력이 적어 섬유와 시멘트 매트릭스 사이의 계면결합력이 낮아 섬유의 분산이 원활하지 못하여 뭉침 현상을 확인할 수 있었다. 따라서 실리카로 코팅된 CFRM 복합재는 섬유와 시멘트 매트릭스 사이의 계면접착력 향상으로 코팅되지 않은 CFRM 복합재보다 계면접착력이 더 우수함을 보였다.