1.1 연구배경

시멘트계 재료는 압축강도 및 내구성이 우수하기 때문에 건축물의 주재료로 사용된다. 그러나 휨･인장강도가 낮아 취성적으로 파괴되는 특성을 가지고 있으며, 이를 보완하기 위해 시멘트 복합체에 섬유를 보강하는 섬유 보강 시멘트 복합체(fiber reinforced cementitious composites, 이하 FRCC)에 대한 연구가 진행되고 있다(Kanda and Li 1998; Kim et al. 2015)^(5,8).

섬유 보강 시멘트 복합체는 매트릭스에 단섬유를 혼입하여 제조함으로써 매트릭스 내부에 불연속적으로 배열된 섬유의 가교작용을 통해 균열을 억제하고 이에 따라 휨･인장강도, 변형 능력, 파괴저항성능 및 하중유지능력이 크게 향상된 재료이다(Choi et al 2018; Jeong et al. 2018; Lee et al. 2018; Kim et al. 2019a)^(2,4,10,12).

이러한 섬유 보강 시멘트 복합체에 파괴가 발생하면, 보강되는 섬유의 형태 및 종류에 따라 섬유의 인발거동이 달라진다. 먼저, 섬유는 매트릭스에 균열이 발생하기 전에 섬유와 매트릭스 간의 부착으로 균열을 억제한다. 시멘트 매트릭스에 균열이 발생한 후에는, 섬유와 매트릭스의 부착에 의한 가교작용으로 더 많은 균열의 발생을 억제하고 이 과정에서 변형경화 현상이 나타난다. 그 후, 파괴가 더 진행되면 변형연화가 발생하고 이때, 여러 요인에 따라 섬유가 인발되거나 파단되는데, 이러한 거동은 시멘트 복합체의 인장성능에 영향을 미치며, 이와 같은, 인발거동과 관련된 연구가 진행되고 있다(Jamshidi and Karimi 2010; Yoo et al. 2017; Yoo et al. 2019; Lee et al 2021)^(3,13,18).

위와 같은 섬유의 인발거동은 섬유의 종류, 형상, 물성, 배향각 등 여러요인에 따라 달라진다. Won et al.(2013)⁽¹⁶⁾은 후크형 강섬유와 비정질 강섬유의 인발시험을 실시하였으며, 비정질 강섬유는 파단거동을 보이고, 후크형 강섬유는 섬유 끝단의 고리모양이 곧게 펴지며 인발되는 경향을 확인하였다. 또한, Cao et al.(2018)⁽¹⁾은 다양한 길이 및 형상의 후크형 강섬유를 매립각도를 다르게 하여 인발시험을 실시하였다. 그 결과, 여러 조건의 상황에서 앞서 언급한 연구와 같이 후크형 강섬유의 끝단이 곧게 펴지면서 인발되기도 하였으며, 섬유가 파단되기도 하고, 섬유와 함께 매트릭스가 탈락되는 경우와 같이 다양한 거동을 보인다고 보고하였다.

또한, 섬유의 물성 및 형상에 따라 달라지는 다양한 인발거동은 역학적 특성과 응력 거동에도 영향을 미친다. Li et al.(2018)⁽¹⁴⁾은 PVA와 PP를 매트릭스에 혼입하여 휨 실험을 실시하였다. 그 결과, PVA 섬유가 PP 섬유보다 매트릭스와 높은 결합능력을 보였는데, 이로 인해 휨 시험 중에 파단되는 PVA 섬유를 관찰할 수 있었으며, 이는 PVA 섬유 자체의 인장강도가 복합체의 휨 성능에 기여했음을 나타낸다고 보고하였다. Kim et al.(2014)은 형상 및 물성이 다른 후크형 강섬유, 비정질 강섬유, 다발형 폴리아미드 섬유의 단일 인발 시험과 섬유 보강 콘크리트의 휨 특성을 평가하였다. 그 결과, 섬유의 형태 및 물성에 따라 섬유의 인발거동이 다르게 나타나며, 이러한 인발거동은 콘크리트의 역학적 성능에 영향을 미친다고 보고하였다. 또한, Won et al.(2012)⁽¹⁵⁾은 동일한 혼입률의 후크형 강섬유와 비정질 강섬유를 보강한 시멘트 복합체의 휨 특성을 평가하였으며, 그 결과, 동일 혼입률 상에서 비정질 강섬유가 후크형 강섬유에 비해 더 높은 휨강도를 보이나, 비정질 강섬유의 파단거동으로 인해 최대 강도 후에 응력이 급격히 감소하는 경향을 보인다고 보고하였다.

이와 같이, 섬유의 인발거동은 섬유의 형태 및 물성에 따라 다르게 나타나며, 시멘트 복합체의 휨･인장강도와 같은 역학적 특성에 영향을 미치는 것으로 보고되고 있다.

그러나 기존의 연구는 휨 특성에 초점을 맞추어 진행되어 왔으며, 직접인장 특성과 섬유 종류에 따른 섬유인발거동과의 상호작용에 대한 보고는 부족하다. 이에 따라, 섬유인발거동에 보다 직접적으로 영향을 받을 수 있는 직접인장특성에 대한 추가적인 분석이 필요하다.

따라서 본 연구에서는 형상 및 물성이 다른 후크형 강섬유, 다발형 폴리아미드 섬유, 비정질 강섬유의 인발시험과 섬유 보강 시멘트 복합체의 직접인장시험을 실시하여, 섬유인발거동이 시멘트 복합체의 인장성능에 미치는 영향 분석하였으며, 영향을 미치는 요인의 상관관계에 대해 분석하였다.

2.1 실험 계획

Table 1에 시험체 개요에 대해 나타냈다. 섬유는 후크형 강섬유, 다발형 폴리아미드 섬유, 비정질 강섬유를 사용하였으며, 각각 1.0 및 2.0 vol.%의 섬유 혼입률로 시험체에 보강하였다.

2.2 사용재료 및 배합

Table 2 및 Fig. 1에 섬유의 역학적 성질 및 섬유의 형상을 나타냈다. 후크형 강섬유는 원통형이며 직경은 0.5 mm, 비표면적은 1.0 m$^{2}$/kg, 인장강도는 1,140 MPa이며 섬유의 양 끝단이 갈고리 형상으로 구부러져 있다. 다발형 폴리아미드 섬유는 직경 19.5 µm의 미세 단섬유 544개를 공기 분사하여 성형한 섬유로 미세섬유다발의 직경은 0.5 mm, 비표면적은 15.6~329.9 m$^{2}$/kg, 인장강도는 594 MPa이다. 비정질 강섬유는 박판형태이며 너비 1.6 mm, 두께 29 µm, 비표면적은 9.6 m$^{2}$/kg, 인장강도 1,400 MPa이다.

Fig. 1. Fibers used

사용된 섬유의 길이는 30 mm로 동일하나, 후크형 강섬유와 다발형 폴리아미드 섬유의 지름은 0.5 mm, 종횡비는 60이고, 비정질 강섬유의 등가지름은 0.25 mm, 등가지름에 의한 종횡비는 120로서, 앞의 두 섬유의 지름 및 종횡비와 차이를 보인다. 본래, 사용재료의 역학적 성질은 동일하게 비교하는 것이 합당하지만, 비정질 강섬유가 박판형의 독특한 형상을 가지고 있기 때문에, 종횡비가 달라도 길이가 동일한 섬유들과의 성능을 비교할 필요성이 있었다.

Table 3에 시멘트 복합체 배합을 나타냈다. 설계압축강도를 만족하기 위해서 W/B는 0.4로 설정하였다. 또한 섬유의 분산성 및 시공연도를 확보하기 위해 플라이 애시 및 7호 규사를 사용하였다.

2.3 시험방법

2.3.1 섬유인발 시험

Fig. 2에 섬유인발 시험체의 형상 및 섬유인발 시험기기(Kang et al. 2013)⁽⁶⁾에 대해 나타냈다. 시험체 형상과 같이, 단면 25 mm×25 mm 시험체의 중앙에 섬유의 절반인 15 mm 매립하여 인발시험을 실시하였으며, 인발된 후크형 강섬유는 식 (1)과 같이 인발강도을 계산하였고, 파단된 다발형 폴리아미드 섬유와 비정질 강섬유는 식 (2)와 같이 단일 섬유의 파단강도를 계산하였다.

(1)

$\tau_{\max}=\dfrac{P_{\max}}{\pi DL}$

(2)

$\sigma_{\max}=\dfrac{P_{\max}}{A}$

Fig. 2. Pull-out test set-up

Fig. 3 Tensile test set-up

여기서, $\tau_{\max}$ : The fiber pull-out strength (MPa)

$\sigma_{\max}$ : The fiber fracture strength (MPa)

$P_{\max}$ : The maximum pull-out load (N)

$D$ : The diameter of the fiber (mm)

$L$ : The embedded length of the fiber (mm)

$A$ : The cross section of the fiber (mm$^{2}$)

2.3.2 직접인장 시험

Fig. 3에 인장강도 시험체의 형상 및 직접인장 시험기기에 대해 나타냈다. 인장강도 시험체는 도그본의 형태이며, 크기는 400 mm×100 mm×25 mm(길이×너비×두께)이고 중앙부분의 단면은 25 mm×50 mm(가로×세로)이다. 시험체 단면의 변화가 있는 목부분에서 균열을 방지하기 위해 와이어 매쉬를 보강하여 표점거리 내에서 균열을 유도하였다. 250 kN급의 직접인장 시험기기를 이용하여 시험을 진행하였고, 하중재하속도는 약 1 mm/min이며, 시험체의 변형은 LVDT가 부착된 지그를 시험체에 설치하여 측정하였다.

Fig. 4에 인장성능을 요약한 인장응력-변형 곡선을 나타냈다. 본 시험에서 인장성능을 평가하기 위해, 인장강도(최대 응력점), 변형능력(최대 응력에서의 변형), 피크인성(최대응력점까지의 인장응력-변형 곡선의 면적), 전체인성(시험체의 최종파괴시점까지 인장응력-변형 곡선의 면적)으로 도출하였다.

Fig. 4 Summary of tensile properties

3.1 섬유인발거동

Fig. 5에 섬유인발 하중-변위 곡선, Fig. 6에 섬유인발 시험을 시행한 후 섬유의 형상을 나타냈다.

후크형 강섬유는 최대 하중 후에 인발거동을 보였으며, 인발되는 과정에서 섬유 끝단의 고리모양이 서서히 펴지면서 인발됨으로 인해 최고점 이후에 인발하중이 단계적으로 완만하게 감소하는 경향을 보였다.

한편, 다발형 폴리아미드 섬유는 높은 연신율로 인해, 최대하중까지 섬유가 2.5 mm 정도 늘어났다가 최대 하중 후에 파단되는 거동을 보였다. 이는, 섬유 자체의 인장강도에 비해 섬유와 매트릭스 사이의 부착력이 높아 파단된 것으로 판단된다.

비정질 강섬유는 섬유의 표면이 거칠고, 섬유와 매트릭스의 부착면적이 넓어 부착강도가 높으나, 박판형으로 인해 섬유가 전단력에 취약해 파단되는 현상을 보였다. 이로 인해, 비정질 강섬유는 인장강도보다 섬유와 매트릭스의 부착력에 의한 영향이 높다고 판단하였다(Kim et al. 2020)⁽⁹⁾.

Table 4에 세부 시험 데이터를 나타냈다. 인발거동을 보인 후크형 강섬유의 인발하중 및 인발강도가 가장 높게 측정되었다. 최대 하중에서의 변형 값은 섬유의 연신율이 높은 폴리아미드 섬유가 가장 높게 측정되었다. 섬유를 인발하는데 필요한 에너지를 나타내는 인발인성의 경우 인발하중이 높으며, 응력이 최대하중 후에 완만하게 감소한 후크형 강섬유가 가장 높게 측정되었다.

섬유인발 시험을 통해, 섬유의 형상 및 물성에 따라 인발거동, 인발강도, 파단강도가 크게 차이가 나는 것을 확인할 수 있었으며, 이에 따라 직접인장시험 시 섬유의 인발거동과 연계하여 비교할 필요가 있다고 판단되었다.

Fig. 5. Pull-out load-displacement curves

Fig. 6. Fiber pull-out shapes

3.2 직접인장응력-변형 곡선

Fig. 7에 섬유인발 하중-변위 곡선과 시멘트 복합체의 인장응력-변형곡선을 나타냈으며, Fig. 8에 섬유 종류에 따른 직접인장시험 후의 섬유인발 및 파괴 사진에 대해 나타냈다. 시멘트 복합체의 인장응력-변형 곡선은 시험체별로 5개 시편의 값에 따른 평균값을 나타냈다.

모든 섬유 보강 시멘트 복합체에서 섬유 혼입률이 높아질수록 인장강도가 증가했으며 변형경화 거동이 뚜렷하게 관찰되었다.

HSFRCC의 경우 초기 균열 후에 섬유의 가교작용에 의한변형경화 거동을 보였다. 또한, 직접인장 시험 시, 후크형 강섬유가 시멘트 매트릭스로부터 인발되는 것을 확인하였으며, 인발 시 섬유 끝의 고리모양이 곧게 펴지면서 천천히 인발되었다. 이로 인해, 응력-변형 곡선에서 응력이 최고점 후에 완만하게 감소한 것으로 판단된다.

Fig. 7. Pull-out load-displacement curve and tensile stress-strain curve

Fig. 8. Fracture shapes according to fiber

PAFRCC의 경우, 인발 시험에서와 같이 다발형 폴리아미드 섬유가 매트릭스와 부착되어 늘어나면서 파단되는 거동을 보였으며, 이 과정에서 응력의 저하와 상승이 반복적으로 발생했다. 또한, 다른 시험체보다 인장강도는 작지만, 섬유의 연신율이 높고, 단위 부피당 섬유 수가 많아 인장응력이 원활하게 분산되어 우수한 변형능력을 보인 것으로 판단된다(Kim et al. 2019b)⁽¹¹⁾.

AFRCC의 경우, 초기 균열 후에 섬유의 가교작용으로 인해 변형경화 거동이 뚜렷하게 관찰된 것을 확인하였다. 또한, 섬유의 부착면적이 넓어 매트릭스와의 부착성능이 우수하고, 단위 부피당 섬유 개체수가 많아 다른 시험체에 비해 인장강도가 높게 측정되었다. 그러나 전단력에 취약하며, 취성적으로 파괴되는 비정질 강섬유의 특성으로 인해 최대 응력 후에 섬유가 파단되는 현상이 관찰되었으며, 이로 인해 다른 시험체에 비해 응력이 급격하게 감소하는 경향을 보였다.

3.3 파괴성상

Table 5에 섬유 종류 및 혼입률에 따른 섬유 개체수에 대한 값을 나타냈다. 본 연구에서는 1.0 vol.%와 2.0 vol.%의 혼입률로 섬유를 보강하였으며, 이를 기준으로 단위 부피당 섬유 개체수를 비교하였다. 후크형 강섬유와 비정질 강섬유는 각각 7.85 g/cm$^{3}$와 7.2 g/cm$^{3}$의 밀도를 가지고 있어 혼입률 2.0 vol.%를 기준으로 혼입중량은 157.0 kg과 144.0 kg으로 차이가 크지 않다. 그러나 비정질 강섬유는 박판이며, 단일 섬유의 무게가 경량이기 때문에 후크형 강섬유보다 4.17배 많은 섬유 개체수가 혼입되었다. 다발형 폴리아미드 섬유의 경우 1.14 g/cm$^{3}$의 밀도를 가지고 있어 2.0 vol.%를 기준으로 혼입중량은 22.8 kg이다. 이는 다른 강섬유에 비해 현저히 적은 중량이지만, kg당 혼입개체수가 많기 때문에 혼입개체수가 후크형 강섬유 보다 많았으며, 비정질 강섬유에 비해서는 1.91배 정도 적었다.

Fig. 9에 직접인장 시험에 따른 시험체 표면의 균열에 대한 사진을 나타냈다. 모든 시험체에서, 매트릭스의 초기균열 후에 변형경화 거동과 함께 다수의 균열이 발생했으며, 섬유 혼입률이 증가할수록 균열의 수가 증가하였다.

Fig. 9. The crack pattern

Fig. 10. Relationship between fibers and crack numbers

Fig. 10에 섬유수와 균열수에 관계에 대한 값을 그래프로 나타냈다. 각 시험체의 2.0 vol.%의 균열수와 섬유수를 비교하면, AFRCC의 균열 수가 가장 많았고, PAFRCC와 HSFRCC 순으로 균열 수가 감소했는데, 이는 앞에서 언급한 섬유 혼입 개체수에 기인한 것으로 판단된다. 다수의 섬유가 시멘트 복합체 내부에서 응력을 분산함으로써 무수히 많은 균열을 유발하게 되는데, 이로 인해, 그림과 같은 결과가 나온 것으로 판단된다.

3.4 직접인장특성

Table 6에 시험체의 인장강도, 변형능력 및 인성에 대한 세부 데이터를 나타냈으며, Fig. 11에 데이터 값을 그래프로 나타냈다. AFRCC의 경우, 비정질 강섬유의 부착강도가 높고 섬유 혼입 개체수가 많아 인장강도가 우수하게 평가되었다. PAFRCC는 섬유의 파단거동으로 인해 섬유 자체의 인장성능에 영향을 많이 받으며, 그 결과 다발형 폴리아미드 섬유 자체의 인장강도가 낮아 인장강도가 다른 시험체에 비해 낮게 평가된 것으로 판단된다.

변형능력의 경우, 다발형 폴리아미드 섬유의 연신율이 높고 단위 부피당 많은 수의 섬유가 보강되기 때문에 높은 응력분산 능력에 의해 PAFRCC가 가장 우수한 변형능력을 보였다. AFRCC와 HSFRCC를 비교하면, 후크형 강섬유보다 비정질 강섬유의 섬유 수가 많아 다수의 균열 유발에 의한 응력분산과 함께 섬유 부착강도에 의한 구속력이 크기 때문에 AFRCC의 변형능력이 더 높게 측정된 것으로 판단된다.

인성은 시험체 변형을 위해 필요한 에너지를 나타내는 값으로 피크인성과 전체인성은 인장응력-변형 곡선의 면적을 통해 산출되며, 이로 인해 인장강도와 변형능력에 밀접한 관계가 있다. AFRCC는 인장강도가 우수해 피크인성 및 전체인성이 다른 시험체에 비해 높게 평가된 것으로 판단된다. HSFRCC는 변형능력이 낮아 피크인성이 낮게 평가되었으나, 섬유의 인발거동으로 인해 하중 유지능력이 우수해, 전체인성이 소폭 증가하였다. PAFRCC의 경우, 변형능력은 높으나 인장강도가 낮아 피크인성과 전체인성이 AFRCC에 비해 낮게 측정되었다.

Fig. 11. Tensile properties

3.5 섬유인발 거동과 FRCC의 직접인장특성과의 관계

Fig. 12에 인장응력-변형 곡선에 따른 섬유인발 거동에 대한 모식도를 나타냈다. 탄성구간, 변형경화 구간, 변형연화 구간과 같이 3구간으로 나누었으며, 각 구간에서 비교적 영향이 큰 것으로 판단되는 섬유의 거동을 표현하였다. 모든 종류의 섬유가 탄성구간에서 매트릭스와 부착된 상태로 균열을 억제하다가, 초기 균열 이후, 인발거동의 변화가 발생한다.

HSF의 경우, 초기균열과 함께 변형경화 구간에서 섬유로부터 일부분 매트릭스의 탈락이 발생하지만, 섬유와 매트릭스의 가교작용으로 균열을 억제하고, 변형연화 구간에서는 섬유 끝단의 고리모양이 곧게 펴지면서 인발되는 것으로 보인다. 이와 같은 섬유의 인발거동으로 인해, 후크형 강섬유와 매트릭스의 부착력 및 섬유 형상에 의한 기계적 결합이 시멘트 복합체의 인장성능에 크게 영향을 미치는 것으로 판단된다.

PA의 경우, 초기 균열 후에 섬유가 늘어나면서 파단되는 거동을 보이는데, 이로 인해 다른 섬유와 달리, 변형경화와 연화가 반복되는 곡선을 보였다. 이와 같은 섬유의 파단거동으로 인해, 섬유 자체의 인장성능이 시멘트 복합체의 인장 성능에 크게 영향을 미치는 것으로 판단된다.

AF의 경우, 초기 균열과 함께 변형경화 구간에서 부분적으로 매트릭스와 섬유가 분리되지만, 균열 사이에서 섬유의 가교작용으로 매트릭스의 균열을 억제하고, 이후 변형연화 구간에서는 섬유가 파단되는 것으로 보인다. 이와 같은 섬유의 파단거동으로 인해, 섬유 자체의 인장성능이 시멘트 복합체의 인장 성능에 크게 영향을 미치는 것으로 판단된다.

Fig. 13에 본 연구의 실험결과를 토대로 각 특성과의 관계도에 대해 나타냈다. 직접 영향을 미치는 것은 실선으로 표현하였고, 간접 영향을 미치는 것은 점선으로 표현하였다.

섬유의 인장강도는 섬유 파단에 따른 파단강도의 크기를 결정하는 중요한 요소이며, 이는 FRCC의 인장강도와 연계할 수 있다. 매트릭스와의 부착면적을 결정하는 섬유의 비표면적은 섬유 인발 시 인발강도 및 인발변형에 큰 영향을 미치며, 이는 각각 FRCC의 인장강도와 변형능력의 주요 요소로 볼 수 있다. 또한, 섬유 비표면적과 함께 연신율에 따라 인발변형에 차이를 보이며, 이러한 인발변형은 변형능력에 영향을 미친다. 섬유의 밀도와 혼입중량에 기인한 섬유 혼입 개체수는 앞에서 언급한 인장강도와 변형능력과 밀접한 관계가 있으며, 시험체 변형을 위해 필요한 에너지를 나타내는 값인 FRCC의 인성은 인장강도와 변형능력의 복합적인 작용에 의해 결정된다.

이러한 관계와 같이 섬유 보강 시멘트 복합체의 인장성능은 섬유 인장강도, 섬유 비표면적, 인발강도, 파단강도, 인발변형 등과 같이 여러 요인에 의해 복합적으로 작용하는 것으로 보인다.

Fig. 13. Relationships between properties