1. 서 론

일반적으로 콘크리트 벽돌(brick)에는 그 강도를 증가시키기 위해 일정 비율로, 일정 길이의 유리(glass) 또는 탄소 섬유(carbon fiber), 또는 철선(steel wire) 등을 첨가시킨다(Condit 1968)⁽¹⁾. 이들 섬유나 철선의 존재는 이들 벽돌의 강도를 증가시키지만, 그 양이 일정량을 넘어서면, 오히려 양의 증가에 따라 강도가 감소하게 된다(Han et. al. 2016)⁽²⁾. 실제, 탄소 섬유의 체적 비율을 0 %, 1 %, 1,5 % 그리고 2 %로 하여 제작한 40 mm×40 mm×160 mm의 모르타르 벽돌을 이용한 휨강도(flexible strength) 실험에서, 1 %의 벽돌이 가장 큰 강도를 보였고, 그다음이 1,5 %, 2.0 % 그리고 0 %의 순으로 그 강도가 저하되었다(Park 2020)⁽⁷⁾.

물리적으로 모르타르 벽돌은 시멘트에 둘러쌓인 모래가 시멘트의 접착력에 의해 서로 접착되어 그 형태를 유지하고 있다. 만약 모래와 물리적 특성이 전혀 다른 탄소 섬유를 시멘트와 섞여 있는 모래에 혼합하게 되면, 탄소 섬유도 시멘트에 의해 모래와 접착을 하게 된다. 그러나 탄소 섬유는 수 나노(10-9 m)의 직경을 가진 가는 섬유를 만 가닥 이상을 꼬아 수 마이크론의 직경으로 만들고 일정 길이로 자른 것으로, 그 직경은 모래의 평균 직경보다 적다. 또한 탄소 섬유는 일정 길이를 가지므로, 벽돌 내에서 어느 한 방향으로만 존재하지 않고, 그 길이 중 일부분이 접히(fold)거나 구부려져 있기도 하고, 그 양이 많아지는 경우에는 한 두 가닥으로 존재는 물론, 서로 뭉치거나, 겹쳐져 존재하는 탄소 섬유의 비율이 증가될 것으로 예상된다. 이들 뭉쳐진 탄소 섬유(fiber ball)의 경우에는, 이들 개개 섬유가 아주 가늘기 때문에 그 뭉쳐진 내부로 시멘트나 모래의 침투는 거의 되지 않을 것이므로, 개개 섬유 사이에는 공기(air)가 차 있는 미세 공동의 형태로 존재할 것이다. 또한 뭉쳐진 탄소 섬유의 표면에서도, 탄소 섬유 가닥 사이에는 시멘트 모래의 침투가 용이치 않아 뭉쳐진 탄소 섬유 표면적에 비하여 시멘트 접촉 부위 면적이 적을 것이다. 또한 뭉쳐진 부분이 일부는 서로 겹쳐져 있는 경우, 이들 부위의 길이는 실제 탄소 섬유 길이보다 길어지며, 길어진 탄소 섬유의 양쪽 끝이 서로 반대 방향으로 잡아 당겨지는 경우 서로 쉽게 분리될 가능성도 있다. 이들 분리 가능성은 뭉침의 양단이 좌우 균열 단면에 나눠져 있게 되면 더 커진다. 또한 벽돌내 이들 탄소 섬유의 뭉침이 증가하게 되면, 결과적으로 탄소 섬유의 부분적 부재 부위의 수를 증가시키게 된다. 이 부분적 부재 부위는 탄소 섬유를 섞지 않은 보통 벽돌과 같은 특성을 가질 것으로 예상되므로, 탄소 섬유 첨가 벽돌에서 저항력이 가장 약한 부분이라 할 수 있다. 그러므로 균열은 이 부분적 부재 부위를 따라 진행될 것이어서, 이 부분적 부재 부위의 수에 있어 증가는 궁극적으로 균열 단면에서 부재 부위의 면적 증가를 야기시켜, 벽돌의 저항력을 약화가 초래될 것으로 예상된다.

어느 물질이든 외부에서 힘이 가해지면 손상이 생기는데 이 손상이 생기는 부위나 방향은 그 힘이 전해지는 방향에서 그 힘에 대한 물질의 저항력이 가장 적은 부분이다. 그러므로 휨강도 측정에서 벽돌에 균열이 일어나는 부위는 힘이 가해지는 체적에서 저항력이 가장 낮은 부분임이 자명하다. 이들 부위는 아마도 탄소 섬유가 부재한 부위, 탄소 섬유의 어느 끝단을 포함한 곳, 탄소 섬유가 겹쳐진 곳 또는 뭉쳐져 있는 곳 등으로 예상된다. 그리고 벽돌 내에 존재하는 탄소 섬유의 상호 겹침 및 뭉침 정도와 배열 방향은 아주 다양하다. 그러므로 이들 탄소 섬유의 균열에 대한 저항에 의해, 균열은 일차적으로 탄소 섬유가 부재한 부위로 진행될 것이다. 이 부재 부위는, 탄소 섬유의 무작위적 배열에 의해, 무작위적으로 나타나게 되어, 탄소 섬유의 뭉침이 증가할수록 부재 부위의 수가 증가될 것이므로 탄소 섬유의 함량이 많을수록 균열 단면의 높낮이 변화가 커지게 된다. 그러므로 균열 단면에서 탄소 섬유의 배열 특이성은 탄소 섬유의 첨가량 증가에 따른 벽돌의 휨강도 저하에 대한 이유를 설명할 수 있는 단서를 제공할 것이다. 그러나 지금까지의 많은 논문은 탄소 섬유 첨가에 의한 콘크리트 구조물의 강도 증가(Toutanji et al. 1994; Kizikanat 2016; Kromoser et al. 2019; Liu et al. 2019)^(4-6,8)에 대한 것만 있고, 함량의 증가에 따라 강도가 저하되는 이유는 대한 것은 아직 부재하다.

본 논문은 벽돌내 첨가 탄소 섬유의 양이 어느 정도 이상이 되면 휨강도가 감소되는 이유를 규명하기 위해, 균열은 벽돌의 저항이 가장 낮은 부위에서 일어난다는 가정을 기반으로, 벽돌의 균열 단면에서 탄소 섬유 배열의 특이성을 분석하고 이 특이성을 이용하여 감소 이유를 규명했다.

2. 시편 및 실험 준비

본 논문에 사용한 벽돌은 40 mm×40 mm×160 mm의 사이즈를 가진 직 육면체의 것으로 2016년에 공표된 KS L ISO690 (KATS 2016)⁽³⁾의 시험규정에 따라 제작했다. 물과 결합재의 중량 비율은 0.5이며, 시멘트:표준사:배합수의 중량 비율은 1.0:3.0:0.5로 고정하였다. 표준사는 직경이 2 mm 이하이다. 모르타르를 제작하기 위해, 먼저 시멘트 및 표준사를 투입하고 건비빔으로 60초 동안 비빔을 실시한 후 탄소섬유를 넣고 90초 동안 추가 혼합하였다. 이후 물과 혼화제를 투입하고 즉시 150초 동안 다시 혼합하였다. 탄소 섬유는 직경이 7±2 µm이며, 인장 강도가 4,900 MPa인 것을 6 mm로 잘라 사용했다. 혼화제는 탄소 섬유의 모르타르 내 분산 촉진을 위한 것으로 폴리카르복실계의 액상⁽⁹⁾으로 시멘트 질량의 1.0 %만큼 첨가했다. 탄소 섬유의 양은 모르타르(mortar) 전체 체적의 0 %, 0.5 %, 1.0 %, 1.5 % 그리고 2.0 %로 하여 KS L ISO679 시험규정에 따라 압축 및 휨강도 시험을 위한 공시체를 제작하였다. 이 공시체 내에 모르타르를 넣고 24시간 유지 후에 탈형된 탄소 섬유 첨가 비율이 다른 다섯 종류의 벽돌 샘플 3장씩을 20±2 °C로 유지된 항온수조 안에 침수시켜 28일 동안 수중양생을 시켰다. 그리고 난 후, 휨강도를 측정했다. 제작된 벽돌은 100 kN 용량의 힘을 가할 수 있는 만능 시험기(MTDI사의 Minos-100E)를 이용, 삼 축 방식으로 50 N/s의 조건에서 힘을 가하면서 휨강도를 측정했다. 휨강도 측정에서 균열 및 균열 단면의 관측은 화소 사이즈가 4.88×4.88 µm2이고, 해상도가 7,360×4,912인 Nikon D810, 해상도가 12,000× 9,000이며 화소 사이즈가 0.8×0.8 µm2 Samsung Galaxy s20 Ultra 그리고 10X 배율의 USB 현미경에 부착된 640×480의 해상도의 카메라 등 3대의 카메라를 이용해 촬영했다. Nikon 카메라는 시야각(field of view angle)이 Galaxy s20보다 좁고, 근거리 촬영 시 깊이 표시 범위(depth of field)는 더 커서, 균열 단면의 깊이 표시를 위해 사용했고, Samsung Galaxy s20 Ultra는 근접 균열 단면 촬영 그리고 현미경은 확대 상 촬영에 사용했다. 촬영 시 카메라는 고정시키고 샘플 벽돌의 좌우로 쪼개진 덩어리의 균열 단면을 카메라로부터 정해진 동일 위치에 두고 초점 조절을 통해 사진을 찍었다. 그러나 쪼개진 덩어리의 높낮이가 다소 달라 촬영된 영상의 크기가 다소 다를 수 있어, 분석 시, 사이즈가 작은 영상은 디지털적 확대를 통해 좌우 균열 단면 영상의 사이즈를 동일하게 한 후, 상대 면의 탄소 섬유 배열 대칭을 찾아 내였다. 그러나 휨강도 측정에서 촬영 카메라와 연동 및 작동 실수 등에 의해, 일부 샘플에서 벽돌 하나가 유실되어, 유실 안 된 샘플의 경우도 유사한 휨강도를 주는 2장의 결과만을 선택 사용했다. Fig. 1에 상기에 기술한 휨강도 및 영상 촬영 셋업이 주어져 있다.

3. 균열 단면 상태

Fig. 2는 탄소 섬유의 비율별 균열에 의해 깨어진 벽돌 표면의 균열을 표시하는 균열선(crack line)의 행태를 나타낸다. 벽돌 균열선의 형태가 가장 많은 변화를 보이는 면, 밑면 그리고 균열선의 시작과 끝점 사이의 간격이 최대가 되는 최대 간격 균열선이 나타나는 면의 사진이다.

각 사진은 CF ΟΟ-Ο로 구분되며, CF는 Carbon Fiber(탄소 섬유)의 약자이며, ΟΟ는 탄소 섬유 비율, 예로 0.0과 2.0은 각기 0 %와 2.0 %를 나타내며, -Ο은 벽돌 샘플의 번호를 나타낸다. 그리고 탄소 섬유가 0 %인 경우는 보통 벽돌을 의미한다. 최대 간격으로 쪼개지는 균열선은 보통 벽돌인 CF 0.0-2로 주어지며, 균열선의 형태 변화는 함량이 많을수록 증가됨을 알 수 있고 다섯 샘플에서 균열이 시작되는 밑면의 균열선과 일치한다. 보통 벽돌의 경우는 표면에 기포가 보이는데 CF 0.0-1의 경우는 상단에 다 수의 기포가 보이는데 반해 CF 0.0-2는 전 표면에서 보인다. 그러나 탄소섬유를 포함한 벽돌의 경우는 검은색으로 주어지는 점들이 대부분 탄소 섬유로 주어져, 기포의 존재를 확인하기 곤란하다.

일반적으로 벽돌에는 온도에 따른 벽돌의 수축을 완충시켜주는 기포(air pocket)의 존재로 벽돌의 내구성(durability)이 증가되나 이들 기포의 존재는 벽돌의 강도를 저하시키는 역할도 한다. Fig. 3은 각 샘플의 균열 단면을 비교한 것이다. 균열 단면은 탄소 섬유의 양이 증가할수록 표면의 주름이 증가하여 마루와 계곡의 수가 증가하고 있다. 벽돌 내에 존재하는 탄소 섬유는 뭉침 정도와 그 위치가 무작위로 주어져 있으므로, 저항이 가장 적은 단면으로 균열이 생기기 위해서는 이들 무작위로 위치하는 탄소 섬유를 비켜, 탄소 섬유가 없는 콘크리트 부분이나, 콘크리트 부분과 접착이 가장 적은 탄소 섬유 부분, 탄소 섬유가 길게 뭉쳐져 탄소 섬유의 한쪽 끝단이 뭉친 탄소 섬유 내에 존재하여 아무 저항을 하지 않는 부분 등을 통과해야 하므로, 균열 단면의 표면에 마루와 계곡이 생겨나는 것으로 판단된다. 대칭되는 계곡과 마루의 부분은 다음 단에서 보이는 것과 같이 탄소 섬유가 부재한 것으로 드러났다. 그러나 보통 벽돌의 경우는 그 내에 크기가 다른 기포가 무작위로 배열되어 있으므로, 저항이 가장 적은 단면은 단면의 단위 면적당 스트레스의 밀도가 가장 큰 곳으로 예상되므로 단면 면적이 적으면서 기포를 가장 많이 포함하고 있어야 한다. 그러나 Fig. 3의 CF 0.0-2에서 보이는 것과 같이 단면이 경사를 가져, 균열 단면의 면적이 수직 단면에 비해 훨씬 넓다. 그러므로 CF 0.0-2의 경우는 단위 면적당 스트레스의 밀도는 낮으나, 기포의 량이 많아 균열이 된 것으로 추측된다.

Fig. 4는 보통 벽돌 CF 0.0-1의 좌우 균열 단면 확대 영상으로, 많은 수의 원형의 기포(검은 점 또는 면적)를 포함하고 있음을 보여준다. 그리고 좌우 단면에 각기 기포를 포함하고 있으나, 하나의 기포가 좌우로 쪼개진 대칭되는 기포는 양 화살선으로 표시한 것 외에는 찾기가 어렵다. 이것은 기포의 대다수는 비대칭적으로 쪼개졌다는 것, 즉 그 중앙이 아닌 위나 아래 부분에서 쪼개어 졌다는 것을 암시하고 있다. 탄소 섬유를 포함하는 벽돌의 균열 단면에서는 기포는 거의 보이지 않고, 검게 보이는 부분으로 나타나 있는 탄소섬유만 보이고 있다. 이 것은 기포는 대부분이 탄소 섬유의 뭉침 덩어리 내에 존재하고 있다는 것을 의미한다. 그러므로 탄소 섬유는 온도에 따른 벽돌의 수축과 팽창에 완충 작용을 하고 있어 벽돌의 내구성과도 관련되어 있음을 알 수 있다. 그러나 탄소섬유는 벽돌을 구성하는 콘크리트 내 이물질(heterogeneous material)이어서 뭉침이 심한 경우에는 벽돌 강도의 저하를 야기시킨다. 상기에 언급한 것과 같이 균열 단면에 존재하는 탄소 섬유는 균열에 저항을 하지 않거나 미미한 저항을 하는 형태로 존재해야 한다. 다음 단에 그 형태가 주어져 있다.

Fig. 5에 탄소 섬유의 함량별 휨강도가 주어져 있다. 휨강도는 Nikon D810에 의해 만능시험기의 시작과 연동시켜 촬영한 각 벽돌 샘플의 표면 영상을 이용 한 화소(pixel)의 정밀도(~40 µm)로 세 화소에 대응하는 균열 폭을 발생시키는 만능시험기에 의해 인가된 힘을 보여준다. 각 샘플의 휨강도는 같은 함량의 두 샘플 강도를 평균한 값이다. 그림에서 보는 것과 같이 CF 1.0이 가장 높은 휨강도를 보이며 그 다음은 차이는 미소하지만 CF 1.5가 CF 2.0 높은 값을 보인다. 이어서 CF 0.5, CF 0.0 순으로 휨강도의 값이 줄어든다. 그리고 균열폭이 증가할수록 휨강도 조금씩 줄어드는 것도 보이고 있다.

4. 균열 단면에서 탄소 섬유의 배열

벽돌의 균열 시 분리되는 두 균열 단면이 보여주는 탄소 섬유의 배열은 특이하고 다양하며, 여러 특징이 동시에 나타나거나 서로 중첩되어 있어 정확한 구분을 짓기 어렵지만 대략 1) 탄소 섬유의 한 끝단이 어느 균열 단면에 위치하여 균열에 의해 콘크리트 부분에서 뽑혀 나오는 뽑힘(uprootedness), 2) 탄소 섬유의 일부분이 균열 단면에 나란히 누워있다가 균열에 의해 모르타르 부분과 완전히 분리되는 뜯김(avulsion). 이것의 특징은 분리되는 탄소 섬유에 시멘트 자국이 보이며, 탄소 섬유가 분리된 부분은 탄소 섬유의 흔적이 남는 것이다. 그리고 3) 탄소 섬유의 뭉침이 양 균열 단면으로 갈라지는 분리(separation I)와 4) 탄소 섬유 뭉침의 양 끝단이 각기 다른 균열 단면에 존재하여 뭉친 탄소 섬유가 서로 분리(separation II)되는 분리로 구분할 수 있고, 또한 5) 일부 뽑힘을 수반하지만 대부분이 탄소 섬유가 부재인 모르타르 부분이 양쪽으로 갈라지는 모르타르 분할(분할 I) 그리고 6) 모르타르와 잘 섞여진 탄소 섬유를 포함하는 모르타르 면과 탄소 섬유를 부분적으로 포함하는 모르타르 면이 서로 갈라져 분할되는 것이 있다. 분리 I의 경우는 대부분이 두 단면의 양쪽에 있는 탄소 섬유의 뭉침이 시멘트에 의해 서로 접착되어 있는 경우를 나타낸다. 분할의 경우는 탄소 섬유가 없는 보통 벽돌에서의 표면과 같은 쪼개짐이 일반적이나, 일부 마루와 계곡의 형태로도 나타난다. 그 외에 벽돌의 표면에 존재하며 균열 단면을 가로지르는 탄소 섬유의 경우는 양쪽으로 분리되거나 한쪽이 뜯겨 나가는 두 가지의 경우가 있으며, 균열 단면과 평행하게 존재하는 뭉침이 적은 탄소 섬유의 경우는 양쪽 균열 단면에 흔적만 있고 탄소 섬유 자체는 보이지 않는, 양쪽 단면으로부터 뜯겨 나가는 경우도 존재할 것으로 예상된다. 또한 탄소 섬유의 뭉침이 길게 이어져, 즉 탄소 섬유의 뭉침 길이가 탄소 섬유의 실제 길이인 6 mm보다 긴 경우는 일부분은 뜯기어져 나가고 일부는 분리되는 경우와, 각각 단면의 탄소 섬유가 서로 다른 방향으로 일부 중첩되어 있어 서로 분리가 되는 경우 그리고 뭉치지 않고 아주 가깝게 배열되어 다른 쪽 탄소 섬유를 덮고 있는 것과 같은 중첩(overlay)배열도 보인다. Fig. 6에 이들 배열의 예를 그림으로 도시해 놓았다. Fig. 7에는 Fig. 6에 주어진 뽑힘 배열에 대응하는 실제 균열 단면의 확대 영상이 주어져 있다.

뽑힘의 경우는 탄소 섬유 다발이 확대경을 통해서만 볼 수 있는 크기가 대부분이며, 상대면에 그 흔적이 보이는 경우와 보이지 않는 경우가 있다. 그러나 대부분의 경우는 흔적이 보이지 않거나 확실하지 않다. 확실이 보이지 않는 경우는 탄소 섬유 끝단의 단면적이 적어 상대면과 접착이 거의 되어 있지 않았다는 것을 암시한다.

Fig. 7에서 탄소 섬유의 경우 다소 면적을 가지고 있는 것 같이 보여주고 있으나, 실제 10배 정도의 확대경을 사용해야 보여지는 아주 적은 한쪽 방향으로 더 퍼져 있는 뭉침으로, 드러난 길이는 아주 짧은 부분이나, 여전히 높낮이를 가지며 폭도 가지고 있어 실제 섬유가 퍼져 있는 것 같이 보인다. 그러므로 뽑힘의 경우는 탄소 섬유 뭉침의 소량 부위나, 뭉침의 양이 아주 소량인 경우에만 일어난다. Fig. 8에는 뜯김의 예(CF1.0-1)가 주어져 있다.

Fig. 8의 경우는 탄소 섬유가 경사면에 있어 뜯겨 나간 탄소 섬유의 형태와 뜯긴 흔적이 다소 상이하게 보인다. 뜯김의 경우는 뽑힘과 달리 탄소 섬유 뭉침의 끝단이 아닌 일부분이 굽어져 균열 단면과 펴져서 평행하게 누여져 있다가 균열에 의해 한쪽 단면으로부터 뜯기어져 나와 분리되는 현상이다. 그러므로 탄소 섬유의 뭉침이 뽑힘보다는 더 크다. 또한 대부분의 경우는, 그 뜯긴 자국이 탄소 섬유 가닥 형태로 분리되는 단면에 남아 있고, 또한 분리되는 탄소 섬유의 한 면에 희색의 시멘트 흔적이 드러난다. 만약 굽어저 있는 탄소 섬유의 뭉침 폭이 얇은 경우는, 탄소 섬유가 묻혀 있는 단면에서도 분리가 되어, 균열 단면에 큰 면적으로 누여진 상태에서 흩트려져 있는 것 같이 보인다. 또한 뭉침 폭이 얇지 않은 경우에는, 일부 내부 탄소 섬유가 뭉침으로부터 분리되어, 흩어지므로, 탄소 섬유가 차지하는 면적이 아주 크게 나타난다. 그러나 실제 이 뜯겨진 섬유의 뿌리는 뭉침의 양이 뽑힘의 경우와 유사하거나 다소 큰 경우가 대부분이다. 그러나 탄소 섬유에 남아 있는 시멘트의 흔적은, 이 시멘트의 탄소 섬유와 접착력이 크지 않아 쉽게 탄소 섬유로부터 떨어져 나가, 많은 경우, 흔적이 사라진다. Fig. 9에 분리의 예(CF 1.0-2)를 포함한 다양한 배열 형태가 보여진다. 이 그림에는 중앙에 그림을 좌우로 2등분하는 수직 점선을 기준으로 하여, 좌측 단면에 4다발 그리고 우측 단면에 3다발, 총 일곱 탄소 섬유 다발이 보이는데 다발 2와 5는 분리 I의 예이며, 1과 6은 분리 II의 예, 3과 7은 중첩의 예이고, 4는 8에서 뽑혀 나온 탄소 섬유 다발이다. 다발 2와 5의 경우는 ‘c’로 표시된 양 화살선의 촉 부위에 있는 점선으로 된 우측 타원이 표시하는 다발 5의 뿌리에서부터 일부분이 좌측 타원이 표시하는 탄소 섬유의 가닥 흔적이 보여지는 모르타르 부위로부터 뜯겨 나왔다. 이 부위는 좌측의 4점 원으로 표시된 뿌리에서 나온 다발 2와 연속되어 있는 것처럼 보이나 탄소 섬유의 가닥 자국만 보이고 있다. 그리고 ‘a’로 표시된 양 화살선의 촉 부위에 있는 타원이 표시하는 다발 2와 5의 부위는 비록 시멘트 흔적이 많이 떨어져 나갔지만 두 부위가 시멘트에 의해 접착되어 있다가 균열에 의해 분리되었다는 것을 보여준다. 다발 2와 5는 분리 I과 뜯김을 동시에 보여준다. 다발 1과 6의 경우, 다발 1은 좌측 단면의 우측 하단 4점 원으로 표시된 뿌리에서 시작되었고, 다발 6은 우측 단면의 우측 상단에 4점 원으로 표시된 뿌리에서 시작되어 그 뿌리가 서로 다른 단면에 존재한다. 그리고 ‘e’로 표시된 양 화살선의 촉 부위에 있는 타원이 표시하는 것과 같이 서로 시멘트 흔적이 뿌리 부근에만 아주 미세하게 보이며, 이들 타원은 두 뿌리 사이에 존재한다. 그러므로 이 두 다발 1과 6은 서로 뭉쳐 있다가 균열에 의해 분리되어진 분리 II의 특징을 가지고 있다. 그리고 다발 6의 우측 끝 쪽에 보이는 시멘트 자국과 다발 1의 뿌리 쪽에 있는 모르타르 자국이 서로 일치하는 것을 보면, 이 두 다발의 일부는 분리 I과 같은 분리를 보여 다발 1과 6은 분리 I과 II의 배열 모두를 보여주고 있다. 다발 3과 7은 다발의 누여진 길이가 긴 다발 7이 짧은 다발 3을 덮고 있는 형태로 존재했음을 보여준다. 그러나 ‘d’로 표시된 양 화살선의 촉 부위에 있는 타원이 표시하는 것과 같이 다발 3의 폭이 다발 7의 폭보다 넓어 이들 중첩부는 서로 시멘트에 의한 접착을 하고 있었고, 그 외 부분은 다발 7 주위의 모르타르 부위에서 뜯겨 나온 배열을 나타낸다. 그리고 ‘b’로 표시된 양 화살선의 촉 부위에 있는 타원이 표시하는 것과 같이 다발 7의 중첩되지 않은 부분은 왼쪽 촉이 표시하는 타원 부위 내 지역에서 뜯겨 나온 것이다. 그러므로 다발 3과 7은 분리 I, 뜯김 그리고 중첩의 배열 특징을 동시에 보이고 있다. 이들 다발 또한 뽑힘의 경우보다 다발의 크기가 더 크다. 그리고 다발 4와 흔적 8은 뽑힘을 예를 보이고 있다. Fig. 10은 뽑힘을 포함하는 모르타르 면 사이의 쪼개짐, 즉 분할 I을 보여주는 예이다. 양 화살선 ‘a’는 뽑힘을 나타내며 ‘b’와 ‘c’는 분할을 나타낸다. 양 화살선 ‘a’는 왼쪽 화살촉 부위 점선 타원 내의 탄소 섬유가 오른쪽 화살촉 부위 점선 타원 내의 홈이 파인 부분에서 뽑혀 나왔다. 양 화살선 ‘b’의 경우는 왼쪽 화살촉 부위 점선 타원 내는 옆의 확대상에서 보여주는 것과 같이 모르타르와 잘 섞여 있는, 탄소 섬유가 오른쪽 화살 촉 부위 점선 타원에서 뽑혀져 나온 것과 같이 분할되었다. 양 화살선 ‘c’의 경우는 왼쪽 화살촉 부위 점선 타원 내의 구릉 부분이 오른쪽 화살촉 부위 점선 타원 내의 구덩이와 분리되어 분할되는 것을 보여준다. 구릉 부분에 있는 검은색 부분들 중 타원 내의 부분만 탄소 섬유를 포항하고 있고 그 외에는 대부분이 그림자들이며, 구덩이 부분은 전부 그림자들로 탄소 섬유가 전혀 없다. Fig. 11은 마루와 계곡의 형태로 나타나는 분할 II의 예를 보여준다. Fig. 11의 좌측 사진은 우측의 깨어진 선(broken line)들로 둘러쌓인 회색 빛으로 나타난 모르타르와 잘 섞여 있는 탄소 섬유가 있는 ‘A’ 영역에서 분리된, 검은 색으로 표시된 탄소 섬유를 포함하는 모르타르 부분으로 뜯김이나 분리에서 보여지는 탄소 섬유 뭉치와 유사하거나 다소 적으나 뽑힘 보다는 크다. ‘A’ 영역은 전체가 탄소 섬유 뭉치와 모르타르가 잘 섞인 부분이다. 여기서 분리된 부분은 ‘A’ 영역에 비해 부분적으로 존재하는 탄소 섬유가 모르타르와 잘 혼합이 안된 부분으로 튀어나와 있고, ‘A’ 영역은 들어가 있어, 이들의 크기와 방향을 대응시키지 못해, 좌우 사진의 대칭성이 좋지 않으나 좌우의 대응 부분은 점선 타원으로 표시 가능하다. 먼저 양 화살선 ‘a’의 왼쪽 촉 부위에 있는 타원이 표시하는 부분은 가장 왼쪽 사진에서 가장 많이 튀어나온 부분으로, 오른쪽 촉 부위의 점선 타원으로 정의된 ‘A’ 영역의 부분과 대응한다. ‘b’로 표시된 양 화살선 왼쪽 촉 부위의 탄소 섬유는 오른쪽 촉 부위의 점선 타원 부위에서 뜯겨져 나왔으며, ‘c’로 표시된 양 화살선 왼쪽 촉 부위의 점선 타원은 모르타르로 이루어진 원형의 튀어나온 부분으로 왼쪽으로 갈수록 초점이 흐려짐을 알 수 있다. 이 부분은 우른 쪽 촉 부위의 점선 타원 부분에 대응한다. 그리고 ‘d’로 표시된 양 화살선 왼쪽 촉 부위의 점선 타원은 영역 ‘A’ 아래쪽 점선 타원 부분에서 뽑혀진 탄소 섬유로 그 표면 전체에 콘크리트가 발라져 있다. 그리고 ‘e’ 표시된 양 화살선 좌우 화살촉 부위는 모르타르의 쪼개진 영역을 나타낸다. 그러므로 Fig. 11은 모르타르와 잘 혼합된 탄소 섬유로 된 영역을 포함한 모르타르 면에서 탄소 섬유가 부분적으로 섞여 있는 모르타르 부분이 쪼개져 분리되는 분할 II의 예를 나타낸다. Fig. 12는 벽돌 표면에 위치한 탄소 섬유의 행동을 보여준다. 왼쪽 사진은 균열에 의해 균열선을 가로질러 있는 표면 탄소 섬유가 한쪽으로 뽑혀 나오는 경우이며, 오른쪽 사진은 균열 간격의 증가에 의한 분리의 진행 과정을 보여준다. 간격이 좁은 경우는 분리가 되지 않고 탄소 섬유가 균열에 저항하고 있어 눈에 띄지 않으나, 간격이 늘어남에 의해 표면에 접착되어 있어 탄소 섬유가 뜯기어져 분리가 된다.

5. 탄소 섬유 함유량 증가에 따른 강도 저하

4절에서 설명한 균열 단면에서 탄소 섬유의 배열 형태는 탄소 섬유 함유량 증가에 따른 강도 저하에 대한 해답은 주지 않지만 이들 배열의 수와 탄소 섬유의 뭉침 정도는 강도 저하와 직접적인 관련이 있다. Table 1에 각 벽돌 샘플의 균열 단면에서 일어나는 네가지 배열의 빈도와 3 mm와 6 mm 이상의 길이를 가지는 탄소 섬유 다발의 수를 정리해 놓았다.

먼저 뽑힘의 경우는 다른 배열들에 비해 탄소 섬유 다발이 적은 경우로 CF 1.0에서 가장 많이 보이며, 그 다음이 CF 1.5, 2.0 그리고 0.5 순으로 주어진다. 이것의 의미는 탄소 섬유가 CF 1.0에서 가장 잘 퍼져 있다는 것을, CF 0.5의 경우는 그 양이 적어 적게 주어진다는 것이며, CF 1.5와 2.0의 경우는 탄소 섬유의 함량이 많음에도 수가 적어지므로 함량이 클수록 탄소 섬유 다발이 더 퍼지기보다는 더 뭉쳐지게 된다는 것을 의미한다. 뜯김, 분리 그리고 분할의 경우는 뽑힘에 비해 탄소 섬유의 다발이 커서 육안으로 식별이 되는 경우가 대부분이다. 이들 배열의 평균 수는 탄소 섬유의 함량이 증가할수록 증가한다. 특히 탄소 섬유의 뭉침이 3 mm 이상이 되는 길이를 가진 것의 수가 이들의 50 % 이상을 차지하고 있음을 알 수 있다. 이미 언급한 것과 같이 벽돌 내 탄소 섬유의 분포와 뭉침의 정도는 무작위적이므로, 이 무작위성에 의해 탄소 섬유의 함량이 많을수록 분포가 더 균일하게 될 것으로 예상되었으나, 실제적으로는, 뭉침의 정도와 그 수가 더 증가되는 것으로 주어졌다. 특히 뭉침의 정도가 Fig. 11의 ‘A’ 영역과 Fig. 10의 확대상에서 보이는 것과 같이 탄소 섬유 다발이 모르타르와 잘 혼합되어진 뭉치가 함량의 증가에 따라 더 증가되었다. 이들 뭉치의 증가는 탄소 섬유의 부재 부분을 더 늘어나게 하며, 주변의 모르타르 부분과의 결합력을 더 떨어뜨려 뜯김과 분할의 수가 증가되는 것으로 추론된다. Fig. 13에 탄소 섬유를 함유하는 벽돌 샘플 전부의 전면에서 찍은 균열 단면의 한쪽을 보여준다. 표면의 탄소 섬유를 나타내는 검은 부분은 CF 1.0이 가장 많고 그 다음 CF 1.5, 2.0 순으로 주어지나 CF 1.5와 2.0은 큰 차이를 보이지 않고, 이들 중에서 CF 0.5의 표면이 가장 깨끗하게 주어진다. 그림의 사진과 중첩된 격자는 40 mm×40 mm인 단면의 크기를 상하 좌우 6개의 6 mm×6 mm의 정사각형과 한 개의 4 mm×4 mm 정사각형으로 분할 해 놓았다.

이것은 탄소 섬유 뭉치의 크기를 가늠하기 위한 것이다. 실제 크기가 한 방향으로 6 mm 이상이 되는 탄소 섬유가 다소 있음을 알 수 있다. 물체에 힘/에너지가 가해지면, 이들 중 더 많은 부분이 저항이 낮은 쪽으로 진행되는 물리적인 속성에 따라, 저항이 더 큰 탄소 섬유를 우회해 가면서 균열이 되기 위해서는 Fig. 3에서 보는 것과 같이 균열 단면의 주름이 더 심해지는 것은 자명하다. 이 주름은 탄소 섬유가 부재한 부분을 위주로 일어나므로, 즉 저항이 가장 적은 부위라 할 수 있다. 이 주름의 수에 있어 증가는 균열 단면의 표면적 증가는 물론 힘/에너지의 전달 방향의 다양함을 의미하므로, 이 전달 방향과 평행이 놓여 있을 탄소 섬유 뭉침의 수가 증대되므로 분리 및 뜯김의 수가 증가하는 것으로 추론된다. 그러나 뽑힘의 수가 감소하는 것은 뭉침 증가에 의한 탄소 섬유 미소 다발의 수가 감소했다는 것과 또는 이 우회 과정에서 나타나는 분리와 분할 부분의 저항이 뽑힘보다 더 낮아 생기는 현상으로 추론된다. 그러므로 이 균열 단면에서 주름 증가는 벽돌의 균열에 대한 저항 감소로 귀결되며, 여기에 더하여 이 물질인 탄소 섬유의 뭉침과 그 수에 있어 증가는 주변의 콘크리트와 결합력 약화를 초래하며 그리 아무 저항이 없는 기포의 크기와 그 수가 증가하는 것과 같은 효과를 가져오므로 탄소 섬유의 함량 증가는 벽돌의 강도 저하를 유발하게 된다.

6. 결 론

탄소 섬유를 포함한 벽돌 샘플에서 탄소 섬유의 함량을 체적의 0.5 %에서 2.0 %까지 0.5 %의 간격으로 증가시켰을 때, 탄소 섬유의 함량이 1.0 % 이상이 되면 휨강도가 오히려 줄어드는 현상은 탄소 섬유의 함량이 늘어 갈수록 탄소 섬유 뭉침의 크기와 그 수가 증가되는 것과 직접적인 연관이 있다. 균열 단면에서 탄소 섬유의 배열은 뽑힘, 뜯김, 분리 및 분할의 4가지 형태를 가지며, 탄소 섬유 부재 부분의 증가는 균열 단면의 표면을 더 주름지게 하여 뽑힘의 수는 줄어드나 그 외의 3가지 배열의 수는 증가시켜, 균열에 대한 저항을 저하시키고 또한 탄소 섬유의 뭉침은 그 안에 공기를 포함하고 있어 기포의 역할도 겸하게 되므로, 크기와 수에 있어 증가는 기포의 크기와 수가 증가하는 것과 같은 효과를 유발시키므로 휨강도가 저하하게 된다.