2.1.1 시멘트

시멘트는 H사 제품의 보통포틀랜드시멘트(ordinary portland cement, OPC)를 사용하였으며, 비중은 3.13이고 분말도는 3,860 ㎠/g이다. 시멘트의 물리적 특성은 Table 1과 같다.

2.1.2 표준사

잔골재는 균질한 시멘트 모르타르를 만들기 위해 강원도 강릉시 주문진읍 향호리산 표준사를 사용하였다. 표면건조포화상태 잔골재의 비중과 흡수율은 각각 2.65와 0.1 %이었으며, 표준사의 물리적 특성은 Table 2와 같다.

2.1.3 혼화제

혼화제는 국내 D사 제품의 폴리카르복실산계로써, 액상이고 비중이 1.04, pH 5.0±1.5인 연황색의 고성능 감수제(super plasticizer, SP)를 사용하였다. 혼화제의 물리적 특성은 Table 3과 같다.

2.1.4 탄소섬유와 강섬유

본 연구에서 사용한 탄소 단섬유는 일본 T사의 제품으로 길이 6 mm에 직경이 7 µm이고, 인장강도와 탄성계수는 각각 4,900 MPa와 230 GPa이다. 탄소함량이 92 % 이상이고, 전기저항이 1.6×10$^{-3}$ $\omega$･cm인 아크릴계나이트(polyacrylonnitrile, PAN)기반 탄소섬유를 사용하였다. 강섬유는 길이 30 mm에 직경이 0.5 mm이고, 인장강도는 1,100 MPa이다. 강섬유는 국내 K사의 제품으로 양단이 갈고리 형태인 양단 후크형을 사용하였고, 재료투입이 용이하도록 여러 가닥을 서로 부착하여 만든 번들 타입(bundle type)을 사용하였다. 탄소섬유의 경우 강섬유에 비해 인장강도가 상당히 높고, 섬유 길이는 짧지만 형상비($l_{f}/d$)는 큰 특징이 있다. 본 연구에 사용된 전도성 재료인 탄소섬유와 강섬유의 물리적 특성은 Table 4와 같다. Fig. 1(a)는 SEM을 통해 탄소섬유의 표면형태를 10,000배 확대하여 촬영한 사진을 나타낸 것이며, Fig. 1(a)에서 것처럼 탄소섬유의 직경이 약 7.07 µm로 표면이 상당히 부착이 상당히 매끄럽게 나타내, 시멘트 매트릭스와의 접착이 매우 불량한 표면조직임을 알 수 있다. 반면 Fig. 1(b)는 SEM을 통해 강섬유의 표면형태를 150배 확대하여 촬영한 사진을 나타낸 것이며, Fig. 1(b)에서 보는 것처럼 강섬유의 직경이 약 512.37 µm로 표면이 어느 정도 거칠어 시멘트 매트릭스에 부착이 유리한 표면조직을 형성하고 있다. 탄소섬유의 경우 섬유표면에 친수성이 없어 섬유와 매트릭스 사이의 계면부착력이 상대적으로 약하기 때문에 시멘트 매트릭스와의 부착성능이 매우 낮은 단점을 갖고 있다.

Fig. 1 SEM images of conductivity fibers

2.3.1 휨 시험

휨강도는 시멘트의 강도 시험방법(KS L ISO 679^{KATS 2016})에 의거 몰드를 제작하여 모두 재령 28일에서의 강도를 측정하였다. 양생이 완료된 40×40×160 ㎣ 크기의 프리즘 시편은 100 kN 용량의 만능시험기(제조사: MTDI Co., Ltd., Korea, 모델명: UT-100F)를 이용하여 하중제어 방식으로 50 N/s의 조건에서 중앙점 재하법으로 강도를 측정하였다. 중앙점 재하법에 의한 휨강도는 식 (1)로 부터 구하였다.

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

2.3.2 압축 시험

동일한 UTM을 이용하여 휨강도를 먼저 측정한 후 그 절편으로 압축강도 시험을 실시하였다. 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.

2.3.3 전기 전도도 측정

일반적으로 시멘트 모르타르의 전기 전도도 측정방법은 2-probe(two probe method)와 4-probe(four probe method) 방법이 사용되고 있다. 비록 2-probe 방법의 회로가 더 간단 하지만 시편과 전극사이의 접촉저항을 완화하기 때문에 4-probe 방법이 선호되고 있다. 시멘트 모르타르에 대한 4-probe 방법은 기본적으로 바깥쪽에 한쌍의 전극(extrode)과 안쪽에 한쌍의 전극, 즉 두 쌍의 전극이 있다. 바깥쪽 한쌍의 전극을 통해 일정한 전류를 흘러주고 안쪽 한쌍의 전극에서 전류공급으로 인해 발생한 전압의 차이를 측정한다. 전기도입은 직류(direct current, DC)와 교류(alternating, AC)방법으로 구분되며, 직류방법의 사용은 두 방법 모두 전기 전도도 시험을 수행하는 가장 간단한 방법이다. 본 연구에서는 4-probe 방법을 사용하여 시멘트 모르타르의 전기 전도도 시험을 수행하였다. 전기 전도도를 측정하기 위해 디지털 Keithley 6220(precision current source) 멀티미터는 2개의 바깥쪽 전극에 DC($I$)를 공급하고, Keithley 2182A(nanovoltmeter)는 2개의 안쪽 전극은 전압($V$) 측정에 사용되었다. 인가 전류는 ±100 fA에서 ±100 mA 범위까지 가능하고, 전기저항값의 측정 범위는 10 n$\omega$에서 200 M$\omega$ 범위까지 가능하다. Fig. 4는 시멘트 모르타르의 전기저항 측정을 위한 실험 모습을 나타낸 것이다. 모든 시편의 전기저항값은 재령 28일에서 측정되었다. 전기비저항(electrical resistivity)이란 특정 재료의 고유한 전기저항값으로 재료의 치수에 따라 변하지 않는 고유한 값을 의미하며, 단위는 $\omega$･m이며 $\rho$(rho)로 표기한다. 전기저항은 단면적과 내부 전극 사이의 길이에 영향을 받게 되므로, 전기저항을 측정하여 전기비저항으로 환산하게 된다. 전기 전도도(electrical conductivity)는 전기비저항의 역수인 $\sigma$로 표기하며, 단위는 S/cm이다. 전기 전도도 단위의 지멘스(siemens, S)는 국제단위로써 저항($\omega$)의 역수로 취할 때 물리량의 단위이다. 본 연구에서의 전기저항은 4-probe 방법을 적용하여 측정하였다. 그런 다음, 시멘트 모르타르의 전기 전도도($\sigma$)는 식 (3)을 사용하여 전기비저항의 역수로부터 구하였다^{(Dehghani and Aslani 2020a, 2020b)}.

여기서, $\rho$는 전기비저항($\omega$･cm), $L$은 전극과 전극 사이의 간격(40 mm), $A$는 재료와 전극이 접촉한 부분의 면적(1,600 ㎟), $R$은 옴의 법칙(즉, $R=V/I$)에 따라 측정된 전기저항($\omega$)이다.

Fig. 4 Measurement of electrical resistance of cement mortar specimen

2.3.4 SEM 관찰

본 연구에서는 전도성 CFRCM과 SFRCM 파단면의 표면형상을 분석하기 위해 SEM 이미지 촬영을 계획하였다. 분석장비는 TESCAN 사의 MIRA3-LMH 고분해능 FE-SEM 모델명을 사용하였다. 휨 시험 후 경화된 시편을 분쇄하여 획득한 섬유를 건조하여 진공상태에서 백금으로 코팅한 후 SEM을 이용하여 이미지 분석을 실시하였다.

3.1.1 휨강도 특성

Fig. 5는 섬유혼입률 변화에 따른 전도성 CFRCM과 SFRCM의 재령 28일에서 휨강도 측정결과를 플레인 모르타르와 비교하여 나타낸 것이다. Fig. 5에서 보는 것처럼 플레인 모르타르의 평균 휨강도는 3.76 MPa로 측정되었으며, 탄소섬유의 혼입량이 증가함에 따라 휨강도가 다소 감소하는 경향을 보였다. 특히 1.25 %를 혼입한 CFRCM의 경우 휨강도가 급격히 감소하였다. 반면 강섬유의 혼입량이 증가함에 따라 휨강도가 상당히 높게 나타났다. 본 실험결과로부터 얻은 0.5 %를 혼입한 CFRCM의 경우 플레인 모르타르에 비해 휨강도가 1.62 MPa 정도 증가하는 것으로 나타났으며, 0.75 %를 혼입한 CFRCM는 1.45 MPa 정도 증가하는 것으로 나타났다. 또한, 1.0 %를 혼입한 CFRCM의 경우 플레인 모르타르에 비해 휨강도가 1.06 MPa 정도 증가하는 것으로 나타났으며, 1.25 %를 혼입한 CFRCM는 0.01 MPa 정도로 거의 유사하게 나타났다. 따라서 0.5, 0.75, 1.0 및 1.25 %를 혼입한 CFRCM의 경우 휨강도가 플레인 모르타르에 대비해 각각 약 43.1, 38.6, 28.2 및 0.3 %가 향상되었다. 탄소섬유의 혼입률이 1.0 %까지 휨강도가 다소 향상되었지만 1.25 %를 혼입 시에는 증가 효과가 그리 크지 않았다. 이는 높은 탄소섬유의 혼입률로 인해 분산성 및 작업성 측면에서 양호하지 못하기 때문에 낮은 휨강도를 갖고 있음을 알 수 있다. 탄소섬유 표면의 비친수성 물질로 인해 경화 후 시멘트 매트릭스 내에서 섬유와 매트릭스 사이의 계면결합력이 약하기 때문에 휨강도가 감소된 것으로 판단된다. 이러한 연구결과는 선행 연구에서도 보고되었다^{(Sanchez and Sobolev 2010; Heo et al. 2020)}. 한편 0.5 %를 혼입한 SFRCM의 경우 플레인 모르타르에 비해 휨강도가 1.51 MPa 정도 증가하는 것으로 나타났으며, 0.75 %를 혼입한 SFRCM는 2.26 MPa 정도 증가하는 것으로 나타났다. 또한, 1.0 %를 혼입한 SFRCM의 경우 플레인 모르타르에 비해 휨강도가 3.61 MPa 정도 증가하는 것으로 나타났으며, 1.25 %를 혼입한 SFRCM는 3.41 MPa 정도 증가하는 것으로 나타났다. 따라서 0.5, 0.75, 1.0 및 1.25 %를 혼입한 SFRCM의 경우 휨강도가 플레인 모르타르에 대비해 각각 약 40.1, 60.1, 96.0 및 90.7 %가 향상되었다. 이는 혼입된 강섬유가 가교역할을 함으로써 균열의 진전을 막아주고 응력의 재분배를 통해 휨강도를 향상시켰기 때문이라고 판단된다. 강섬유의 혼입률이 증가할수록 휨강도가 상당히 향상되었지만, 1.25 %를 혼입 시에는 섬유의 뭉침현상으로 인해 섬유의 분산성이 떨어져 약간 저하되는 경향을 보였다.

Fig. 5 Effect of fiber content on the flexural strength of conductive CFRCM, SFRCM and PM specimens

3.1.2 압축강도 특성

Fig. 6은 섬유혼입률 변화에 따른 전도성 CFRCM과 SFRCM의 재령 28일에서 압축강도 측정결과를 플레인 모르타르와 비교하여 나타낸 것이다. Fig. 6에서 보는 것처럼 플레인 모르타르의 평균 압축강도는 45.9 MPa로 측정되었으며, 섬유혼입량이 증가함에 따라 압축강도가 모두 점차 감소하는 경향을 보였다. 1.25 %를 혼입한 CFRCM의 경우를 제외한 모든 FRCM에서 목표 압축강도는 35 MPa 이상으로 나타났으며, SFRCM의 경우 플레인 모르타르에 비해 거의 유사하거나 약간 높게 나타내, 동등 이상의 압축강도를 발현하였다. 본 실험결과로부터 얻은 0.5 %를 혼입한 CFRCM의 경우 플레인 모르타르에 비해 압축강도가 3.0 MPa 정도 감소하는 것으로 나타났으며, 0.75 %를 혼입한 CFRCM는 4.8 MPa 정도 감소하는 것으로 나타났다. 또한, 1.0 %를 혼입한 CFRCM의 경우 플레인 모르타르에 비해 압축강도가 8.7 MPa 정도 감소하는 것으로 나타났으며, 1.25 %를 혼입한 CFRCM는 20.1 MPa 정도 감소하는 것으로 나타났다. 따라서 0.5, 0.75 및 1.0 %를 혼입한 CFRCM의 압축강도는 플레인 모르타르에 대비해 각각 약 6.5, 10.4 및 18.9 %의 강도가 감소되었으며, 1.25 %를 혼입한 CFRCM는 약 43.8 %의 상당히 감소하는 것으로 나타났다. 특히, 1.25 %를 혼입한 CFRCM는 시멘트 매트릭스 내에서의 섬유가 균일하게 분산시키기가 어렵고 섬유끼리 엉키는 뭉침현상이 발생하며, 충분히 분산되지 아니하고, 부착 표면의 공극량 증가로 이어져 압축강도가 크게 저하하는 것으로 판단된다. 이러한 연구결과는 선행 연구에서도 보고되었다^{(Sanchez and Sobolev 2010; Heo et al. 2020)}. 한편 0.5 %를 혼입한 SFRCM의 경우 플레인 모르타르에 비해 압축강도가 6.4 MPa 정도 증가하는 것으로 나타났으며, 0.75 %를 혼입한 SFRCM는 5.5 MPa 정도 증가하는 것으로 나타났다. 또한, 1.0 %를 혼입한 SFRCM의 경우 플레인 모르타르에 비해 압축강도가 2.2 MPa 정도 증가하는 것으로 나타났으며, 1.25 %를 혼입한 SFRCM는 0.1 MPa 정도로 거의 유사하게 나타났다. 따라서 0.5, 0.75, 1.0 및 1.2 5 %를 혼입한 SFRCM의 경우 압축강도가 플레인 모르타르에 대비해 각각 약 13.9, 11.9, 4.8 및 0.2 %가 향상되었다. 이러한 압축강도 증진은 강섬유의 가교작용으로 인해 시멘트 모르타르의 미세균열 형성을 억제하고 있기 때문인 것으로 판단된다.

Fig. 6 Effect of fiber content on the compressive strength of conductive CFRCM, SFRCM and PM specimens

3.1.3 휨응력과 변위 곡선

Fig. 7은 섬유혼입률 변화에 따른 전도성 CFRCM과 SFRCM 시편의 휨응력과 변위 곡선을 플레인 모르타르 시편과 비교하여 나타낸 것이다. Fig. 7에서 보는 것처럼 플레인 모르타르 시편의 경우 휨응력은 초기에 거의 일정하게 선형거동으로 변위가 증가하다가 최대 휨응력이 도달한 이후 변위 증가 없이 갑작스럽게 파괴되여 취성적인 거동이 뚜렷하게 나타났다. 대조적으로 탄소섬유를 혼입한 CFRCM 시편은 최대 휨응력 이후 일정한 수준까지 저하하다가 파괴 시까지의 변위가 짧아 1~2 mm 정도에서 모두 파괴되었고, 강섬유를 혼입한 SFRCM 시편의 경우 최대응력 이후 변위 곡선은 일정 변위까지 유지하다가 하강 기울기가 완만하게 떨어지면서 변위가 증가하는 연성적인 거동을 보여 주었다. 특히, 1.0~1.25 %를 혼입한 SFRCM 시편의 경우 가장 우수한 휨인성을 보인 반면, 1.25 %를 혼입한 CFRCM 시편은 높은 혼입률로 인해 섬유의 덩어리와 뭉침현상에 의해 오히려 휨응력이 상당히 저하되었다. 전도성 재료인 탄소섬유와 강섬유를 혼입하였을 때 시편 내에서 가교역할을 함으로써 시멘트 모르타르의 인성 향상에 기여하였기 때문에 플레인 모르타르에 비해 휨응력이 크게 향상된 것을 알 수 있다. 이와 같은 결과는 플레인 모르타르 시편의 경우 최대 휨응력에서 균열이 발생한 이후 급격한 응력의 감소로 인하여 취성적인 파괴거동을 보인 반면, 전도성 재료인 CFRCM과 SFRCM 시편은 응력의 감소가 크지 않고 연성적인 파괴거동을 보였다.

Fig. 7 Relationship between flexural stress-displacement curves of conductive CFRCM, SFRCM versus PM specimens

3.1.4 휨시험 후 시편의 면밀한 육안 관찰

Fig. 8은 휨 시험 후 개발된 전도성 FRCM 시편과 플레인 모르타르 시편에 대한 대표적인 균열면의 면밀한 육안 관찰 모습을 나타낸 것이다. Fig. 8(a)에서 보는 것처럼 전도성 CFRCM 시편의 경우 탄소섬유가 좁은 간격으로 분포되어 있으며, 탄소섬유를 잡아당김과 깨짐의 혼합물이 관찰되었다. 반면 Fig. 8(b)에서 보는 것처럼 전도성 SFRCM 시편은 균열면을 따라 강섬유가 매우 넓은 간격으로 분포되어 있으며, 강섬유를 잡아 당겨지는 혼합물이 관찰되었다. 이는 파괴 메커니즘이 섬유의 파단이라기 보다는 부착강도 저하로 인한 주로 섬유의 뽐힘(pull out)현상이 일어나고 있음을 보이고 있으며, 균열폭은 눈에 띄게 넓어지면서 매크로 균열을 유지하고 있다. 하지만 Fig. 8(c)에서 보는 것처럼 플레인 모르타르 시편은 균열 발생과 함께 마이크로 균열을 유지하면서 갑작스럽게 파괴되었다. 플레인 모르타르 시편과 달리 모든 전도성 FRCM 시편은 하중을 받으면 매크로 균열 발생과 파괴에 도달하는 것에 반하여 보강섬유는 균열을 구속하고 섬유에 인장력을 전달하여 내력이 증가하고 최대하중에 도달하게 된다.

그 결과 인장영역 근처에서 섬유가 하나씩 뽑혀 나가기 시작하고 인장강도가 점차 저하하게 된다. 크기와 직경이 서로 다른 탄소섬유나 강섬유가 혼입하게 되면 시멘트 모르타르 내에서 발생하는 균열을 효과적으로 억제하여 휨강도의 향상을 도모할 수 있음을 보여 준다. FRCM 내에서 서로 다른 크기의 균열이 발생하기 때문에 길이가 짧은 탄소섬유의 경우 균열의 발생 및 성장을 억제하는 거동을 하며, 균열이 성장하면 길이가 긴 강섬유는 균열의 성장을 억제하기 때문에 더 큰 휨강도 증가 효과를 얻을 수 있다는 것을 알 수 있다. 이는 시멘트 매트릭스 사이에서 발생하는 내부 균열을 섬유가 억제하는 동시에 균열을 가로질러 인장응력을 섬유가 전달하는 가교역할을 함으로써 균열의 성장을 억제하기 때문이라고 판단된다. 따라서 시멘트 모르타르에 혼입된 섬유는 균열발생을 억제하는 효과가 있을 뿐만 아니라 균열 발생 이후에도 균열면에서 브리징 역할을 통해 균열단면이 유효한 인장응력을 가지도록 함으로써 휨강도 향상에 더 큰 효과가 있음을 알 수 있다.

Fig. 8 Close observation of the developed conductive CFRCM, SFRCM and PM specimens after flexural tests