2.1 사용재료 및 배합

2.1.2 합성 폴리머 혼화제

본 연구에서는 소성수축 균열 감소를 목적으로 합성 폴리머는 Fig. 1(a)와 같이 메틸셀룰로스(methyl cellulose, MC)를 사용하였다. MC는 셀룰로스에 메틸기를 첨가하여 화학적으로 수정된 대표적인 합성 폴리머 혼화제이다. 친수성이 강하며 수분흡수가 높아 시멘트 배합 내 급격한 수분 증발을 방지할 수 있으며 굳지 않은 상태에서의 일정한 점도 유지 및 응결 지연제 역할을 할 수 있을 것으로 판단된다^{(Chen et al. 2020)}. MC의 특성은 Table 2와 같다.

Fig. 1 Polymer admixtures

Table 2 Properties of MC

Type	Density (g/cm2)	pH
White powder	0.6	6.8

2.2 실험방법

2.2.2 소성수축 시험

본 연구에서는 소성수축 균열을 효과적으로 유도하기 위하여 Fig. 2와 같이 ^{Kraai (1985)}가 제안한 시험방법의 판형 몰드를 활용하였다. 시험체의 크기는 세로 900 mm, 가로 600 mm의 얇은 판 모양으로 몰드를 제작하고 양방향으로 응력을 유도할 수 있도록 구속용 못을 설치하였다. 모르타르 믹싱 후 높이 20 mm로 타설한 다음 시험체를 온도 26±2 °C, 상대습도 60±5 %, 풍속 6~7 m/sec의 환경조건에 거치하였다. 12시간의 양생 기간 동안 균열진전 상황을 관찰하기 위하여 라즈베리파이 초소형 컴퓨터와 카메라를 테이블 하부에 설치하여 실시간으로 촬영을 진행하였다. 배합조건별로 3개의 시험체를 제작하여 시험을 실시하였다. 결과 분석을 위해 각 배합요인에 따른 균열진전 상황과 균열길이, 균열폭을 측정하였다. 균열 면적은 종료된 시험체에서 평균 균열폭을 3 mm, 1 mm, 0.5 mm의 3단계로 구분하고 각 균열 길이를 곱하여 산출하였다.

Fig. 2 Experimental setup for plastic shrinkage test

3.1 응결시간

응결시험 결과는 Fig. 3과 같다. 시험 결과 폴리머 혼화제와 섬유를 혼입하지 않은 Plain 배합의 경우 초결 60분, 종결 180분으로 나타났다. MC만을 사용한 CS0 배합의 경우 초결 60분, 종결 240분으로 나타나 경화 지연제로써 응결 지연효과가 있는 것으로 나타났다. CS를 일부 치환한 CS10 배합의 경우 초결 65분, 종결 240분, CS20 배합의 경우 초결 75분, 종결 245분으로 나타났다. CS의 치환량이 증가할수록 초결 지연효과가 있는 것으로 나타났지만 종결은 같은 결과를 나타내었다. CS를 MC 혼입량의 10~20 % 범위로 치환하여 사용하였기 때문에 셀룰로스 구조가 증가함에 따라 시멘트와의 흡착량이 증대되어 응결이 지연된 것으로 판단된다. 셀룰로스는 하이드록시기(-OH)를 가지므로 시멘트 입자 표면이나 극초기 수화반응물에 흡착하여 물과의 접촉을 일시적으로 차단하는 성질을 가진다^{(Han et al. 2002)}.

NY과 PP 섬유 배합의 경우 초결 60분, 종결 180분으로 Plain과 동일하게 나타나 섬유의 혼입은 응결지연효과가 없는 것으로 나타났다. 폴리머 혼화제와 섬유를 모두 혼입한 CS10+NY와 CS10+PP 배합의 경우 초결 60분, 종결 240분으로 나타나 응결시간은 섬유보다는 폴리머 혼화제 효과에 기인한 것으로 판단된다.

Fig. 3 Setting time obtained from vicat test

3.2 소성수축 시험

Fig. 4는 소성수축실험 직후(12시간) 측정된 균열폭과 균열길이를 갖고서 계산된 총 균열 면적을 나타낸 것이다. Fig. 4(a)는 이 연구에서 적용한 균열폭 측정용 확대경을 보여주고 있으며 Fig. 4(b)는 계산 결과 얻어진 총 균열 면적을 배합별로 비교해 놓은 막대그래프이다. Fig. 5는 소성수축실험 직후 균열 상태의 사진 위에 시각적으로 두드러지게 하기 위하여 균열을 빨간 선으로 표시한 것이다.

시험 결과 Plain 배합의 경우 타설시간 3시간 이후부터 균열 발생이 시작되었으며 총 균열 개수 8개, 최대 균열폭 1.5 mm, 총 길이 3,880 mm, 총 균열 면적 3,865.5 mm2 발생하였다. CS0 배합의 경우 타설시간 4시간 이후부터 균열 발생이 시작되었으며 총 균열 개수 4개, 최대 균열폭 1 mm, 총 길이 2,730 mm, 총 균열 면적 2,730 mm2 발생하였다. Plain 배합의 총 균열 면적을 기준으로 상대비교 하였을 경우 Plain 배합의 경우보다 29.38 % 균열이 감소 되는 것으로 나타났다. MC 경우 시멘트 페이스트와 골재 입자 사이에 폴리머 필름의 네트워크망이 다수 형성되어 강한 점성과 보습력이 상승된 것으로 사료된다. 따라서 이러한 고흡수성 특성이 시멘트 복합체 내 급격한 수분 증발 손실을 방지할 수 있고 소성수축 변형을 효과적으로 제어한 것으로 판단된다. 또한, MC를 혼입하지 않은 배합의 경우보다 균열 발생 시작이 1시간 늦게 나타나 이는 응결시험 결과 상관관계가 높은 것으로 판단된다.

CS10 배합의 경우 MC 배합과 같이 타설시간 4시간 이후부터 균열 발생이 시작되었다. 총 균열 개수 4개, 최대 균열폭 1 mm, 총길이 2,550 mm, 총 균열 면적 2,110 mm2 발생되어 Plain 대비 균열 면적이 감소하는 것으로 나타났다. CS20 배합의 경우에도 타설시간 4시간 이후 균열 발생이 시작되었으며 총 균열 개수 4개, 최대 균열폭 1 mm, 총길이 2,040 mm, 총 균열 면적 2,040 mm2 발생하였다. CS10 배합의 경우보다 약 3 % 정도 균열 제어 효과를 나타내었지만 그 차이는 미소하였으며, 10 % 이상 치환율에 따른 영향은 미미한 것으로 판단된다. CS를 일부 치환할 경우 MC 단독으로 혼입한 경우보다 약 16 % 정도 균열이 면적이 감소되는 것으로 나타났다. 이는 선인장 분말에 단백질뿐만 아니라 MC와 같이 다양한 유형의 다당류가 포함되어 있어 모르타르내 혼합수의 유지에 효과적인 것으로 판단된다. 다당류는 하이드록시기(-OH)를 가지는 단당류의 결합재로써 하이드록시기(-OH)는 친수성이 크며 보습력이 우수한 성질을 가진다. 따라서 다당류의 고유 점성은 작업성을 향상시킬 수 있고 시멘트 배합의 단위수량을 줄일 수 있다^{(Shanmugavel et al. 2020)}는 기존 연구결과와 동일한 경향을 확인하였다.

PP 섬유 배합의 경우 타설시간 5시간 이후 균열 발생이 시작되었으며 총 균열 개수 1개, 최대 균열폭 0.2 mm, 총 길이 420 mm, 총 균열 면적 140.7 mm2 발생하였다. NY 섬유 배합의 경우 균열이 전혀 발생하지 않았다. 섬유를 혼입할 경우 폴리머 혼화제 배합의 경우보다 소성수축 균열 감소에 효과적임을 확인할 수 있었다. 모르타르 내 수분 이동에 의한 체적변화로 인한 발생되는 인장력 및 전단력을 섬유의 부착력으로 보상하였기에 모르타르의 균열을 감소시킬 수 있는 것으로 사료된다. 또한, PP인 경우보다 NY 섬유가 더 효과적인 것으로 나타나 소성수축 균열이 섬유의 형상과 영향이 있는 것으로 판단된다. 섬유의 형상은 시멘트 매트릭스와의 부착성에 영향을 미치며 부착성이 증가할수록 균열이 발생할 때 하중을 저항하면서 지속해서 인장응력을 전달하여 균열의 성장을 억제할 수 있기 때문이다.

CS10+NY, CS10+PP 배합의 경우 균열이 전혀 발생하지 않아 폴리머 혼화제와 섬유를 모두 혼입한 경우가 소성수축 변화에 매우 유리한 것으로 판단된다.

Fig. 4 Total crack area calculated from crack widths measured by magnifying glass

Fig. 5 Typical pattern of plastic shrinkage cracks

3.3 길이 변화

소성수축 시험을 위한 환경조건에서의 길이 변화 시험 결과는 Fig. 6에 나타내었으며 CS10+NY, CS10+PP<CS20<CS 10<CS0<NY<PP<Plain 순으로 수축량이 큰 것으로 나타났다. 폴리머 혼화제와 섬유를 혼입하지 않은 Plain 배합의 경우가 수축변화량이 가장 크게 나타났으며 NY, PP 섬유 배합의 경우 NY 섬유보다 PP 섬유의 경우가 수축변화량이 크게 나타났다. MC만을 사용한 경우보다 CS를 일부 치환한 CS10, CS20 배합이 수축량이 적은 것으로 나타나 수축변화에 유리한 것으로 나타났다. 또한 폴리머 혼화제와 섬유를 모두 혼입한 CS10+NY, CS10+PP 배합은 수축저감에 효과가 있는 것으로 나타났다.

Fig. 6 Length change of mortar over time

3.4 압축강도

압축강도 시험 결과는 Fig. 7과 같다. Plain 배합의 경우 재령 7일 기준 38.76 MPa으로 나타났으며 CS0~CS20 배합의 경우 Plain에 비하여 51.29~52.66 % 강도가 저하되는 것으로 나타났다. 이는 MC와 CS의 셀룰로스 구조가 시멘트와 물의 반응을 방해하여 수화생성물 생성 속도를 지연시킴으로써 강도가 저하된 것으로 판단된다. CS를 일부 치환한 배합의 경우가 MC 단독 배합의 경우보다 강도가 증가하는 것으로 나타났지만 그 차이는 미미하였다. 재령 7일 기준 NY 섬유 혼입 시 34.89 MPa, PP 섬유 혼입시 32.47 MPa으로 나타나 섬유의 종류와 관계없이 Plain 배합과 유사한 강도 경향을 나타내었다.

섬유 및 폴리머 혼화제를 동시에 혼입한 경우, 재령 7일에서 CS10+NY 17.98 MPa, CS10+PP 18.15 MPa의 강도를 나타내 폴리머를 혼입한 CS10 배합과 유사한 강도 발현 경향을 나타내어 섬유의 혼입은 모르타르 강도에 영향을 미치지 않는 것으로 확인되었다.

Fig. 7 Compressive strength