서동주
(Dong-Ju Seo)
1
박종건
(Jong-Gun Park)
2†iD
권호찬
( Ho-Chan Kwon)
3
송기창
(Ki-Chang Song)
4
허광희
(Gwang-Hee Heo)
5
-
건양대학교 재난안전공학과 대학원생
(Graduate Student, Department of Disaster & Safety Engineering, Konyang University,
Nonsan 32992, Rep. of Korea)
-
건양대학교 공공안전연구소 연구교수
(Research Professor, Public Safety Research Center, Konyang University, Nonsan 32992,
Rep. of Korea)
-
건양대학교 의료신소재학과 대학원생
(Graduate Student, Department of Biomedical Materials, Konyang University, Daejeon
35365, Rep. of Korea)
-
건양대학교 의료신소재학과 교수
(Professor, Department of Biomedical Materials, Konyang University, Daejeon 35365,
Rep. of Korea)
-
건양대학교 해외건설플랜트학과 교수
(Professor, Department of International Civil & Plant Engineering, Konyang University,
Nonsan 32992, Rep. of Korea)
Copyright © Korea Concrete Institute(KCI)
키워드
현무암 섬유, 나노실리카, 표면개질, 부착강도, 현무암 섬유 시멘트 모르타르(BFCM)
Key words
basalt fiber, nano-silica, surface modification, bond strength, basalt fiber cement mortar (BFCM)
1. 서 론
섬유보강 시멘트계 복합체는 휨성능(휨강도와 인성)과 균열에 대한 저항성을 획기적으로 향상시킬 목적으로 시멘트계 복합체에 다양한 섬유를 사용하여 만든
구조용 복합체이다. 압축강도가 매우 크며 내구성이 우수한 시멘트계 복합체는 건설 구조용 재료로 널리 사용하고 있으나 휨성능 및 균열에 대한 저항성이
낮아 외부 하중을 받을 때 쉽게 취성적으로 파괴되는 단점을 갖고 있다. 이러한 단점을 보완하기 위해 섬유보강 시멘트계 복합체에 대한 연구개발이 국내외적으로
활발히 진행되고 상용화되고 있다(Won and Park 2000; ACI Committee 544 2018).
일반적으로 콘크리트 구조물의 보수 및 보강재 섬유는 탄소섬유(carbon fiber), 강섬유(steel fiber) 및 유리섬유(glass fiber)와
같은 무기계 섬유와 폴리비닐알코올(polyvinyl alcohol), 폴리프로필렌(polypropylene) 및 폴리에스터(polyethylene)와
같은 유기계 섬유로 나눌 수 있다. 시멘트계 복합체에 섬유를 추가하는 것은 휨성능 및 균열을 효과적으로 제어함으로써 복합체의 내구성을 향상시키는 중요한
방법이다. 따라서 콘크리트 구조물의 보수 및 보강재 분야에서 이를 상용화하기 위한 연구개발이 광범위하게 이루어져 왔다(Han et al. 2010).
현무암 섬유(basalt fiber)는 녹색의 환경친화적 소재이며, 화산활동으로 생성된 현무암을 1,500 °C에서 녹여 제조한 직경 9~20 µm
크기의 모노 필라멘트 즉, 가는 실로 만든 무기섬유이다. 현무암 섬유는 다른 무기섬유보다 열에 대한 안정성이 우수하며, 난연성, 내화학성 및 내부식성
특성이 있다(Militký et al. 2007; Fiore et al. 2015). 구성 성분이 현무암 그대로이기 때문에 폐기 시에도 환경 저해 요인이 없는 친환경성 섬유로 적용성이 매우 높다. 아울러, 현무암 섬유는 시멘트 수화
시 알카리성 환경조건에서 내구성이 뛰어나고 기계적 물성도 우수하며, 다른 천연섬유에 비해 경제성을 향상시킬 수 있는 섬유보강 시멘트 복합재료로서 대체할
수 있는 소재로 주목받고 있다.
한편, 양질의 현무암이 풍부한 우크라이나와 러시아에서 많이 생산되고 있으며, 국내에서도 강원도 철원, 경북 포항 및 제주 등지에 충분한 현무암 매장량이
있다. 원료의 수입 없이 100 % 국내 자원을 이용하여 생산할 수 있다. 현무암 섬유 제품은 자동차와 항공산업, 스포츠 장비, 토목 및 건축자재
등의 소재로서 적합하고, 많은 분야에서 연구개발이 적극적으로 추진되고 있다(Dhand et al. 2015; High et al. 2015; Monaldo et al. 2019). 최근, 나노실리카를 이용한 섬유와 시멘트 매트릭스 사이의 계면 부착특성을 향상시키려는 노력이 계속해서 진행되어 왔다(Lu et al. 2018; Pi et al. 2019; Heo et al. 2020). 시멘트 모르타르에서 섬유와 매트릭스 사이의 우수한 계면 부착특성을 형성하는 것은 섬유 보강재 역할을 하기 위한 가장 기본적인 전제 조건이다. 섬유와
매트릭스 사이의 계면 부착특성은 시멘트 모르타르의 역학적 부착특성을 확보하는 데 있어 매우 중요한 역할을 한다. 섬유와 매트릭스 사이의 부착강도가
충분하다면, 균열 발생 시 섬유가 시멘트 모르타르에서 인발되거나 파단되는 것을 막는 데 아주 유리하다.
현재의 현무암 섬유는 표면이 매끄럽고 비표면적이 비교적 작으므로 시멘트 모르타르와의 계면 결합력이 충분치 못하여 현무암 섬유 시멘트 모르타르(basalt
fiber cement mortar, BFCM)의 역학적 부착특성에 대한 개선 효과가 제한적이다. 시멘트 모르타르에서 현무암 섬유의 계면 부착특성에
대한 다양한 연구결과의 정보 축척이 매우 제한적이며(Zheng et al. 2022), 구체적으로 검토된 연구 데이터는 여전히 부족한 실정이다. 이러한 현무암 섬유와 시멘트 매트릭스 사이의 계면 결합력을 향상시키기 위해서는 표면을
화학적 또는 물리적으로 개질하여 섬유 계면의 거칠기를 증가시켜 섬유와 매트릭스 사이에 더 밀접하게 결합되도록 하는 것이 매우 중요하다. 이에 나노실리카를
이용한 표면개질 방법에 관한 연구가 필요하다.
따라서 본 연구에서는 졸-겔법(sol-gel method)을 이용하여 나노실리카를 제조하고, 현무암 섬유에 대한 표면개질을 수행하였다. 이를 위해
TEOS(tetraethyl orthosilicate)를 Stober 방법으로 실리카 졸을 형성하고, 실란커플링제인 GPTMS를 사용하여 시멘트 모르타르에서
섬유와 매트릭스 사이를 계면 결합력을 증가시킬 수 있는 새로운 표면개질 방법을 제안하고자 한다. 이 과정 중 현무암 섬유의 표면에 나노실리카가 효과적으로
결합하였는지 확인하기 위해 주사전자현미경(scanning electron microscope, SEM), 에너지분산형 X선 분광기(energy-dispersive
X-ray spectroscopy, EDS) 및 푸리에 변환적외선 분광기(fourier transform infrared spectroscopy,
FT-IR)를 이용하여 조성과 미세구조를 분석하였다. 아울러, 시멘트 모르타르 내에 매입된 현무암 섬유의 계면 부착강도에 대한 새로운 표면개질 방법의
효과를 검증하기 위해 각각 재령 3일, 7일 및 28일에서 단일섬유의 인발시험을 수행하였다. 게다가, 단일섬유의 인발시험 후 SEM 촬영을 통해 BFCM의
파단면을 관찰하였다.
2. 실험계획 및 방법
2.1 재료
2.1.1 시멘트
본 연구에 사용한 시멘트는 KS L 5201(KATS 2016)에 규정된 국내 S사의 1종 보통포틀랜드시멘트(ordinary portland cement, OPC)를 사용하였으며, 밀도는 3.13이고 분말도는
3,860 cm2/g이다. 시멘트의 물리적 특성과 화학성분은 Table 1과 같다.
Table 1 Physical properties and chemical composition of cement
|
Density
(g/cm3)
|
Surface area
(cm2/g)
|
SiO2
(%)
|
Al2O3
(%)
|
Fe2O3
(%)
|
CaO
(%)
|
MgO
(%)
|
Na2O
(%)
|
K2O
(%)
|
SO3
(%)
|
F-CaO
(%)
|
LOI
(%)
|
|
3.13
|
3,860
|
21.47
|
6.21
|
3.70
|
59.24
|
2.08
|
0.13
|
1.08
|
2.48
|
0.57
|
2.87
|
2.1.2 잔골재
잔골재는 균질한 시멘트 모르타르를 만들기 위해 강원도 강릉시 주문진읍에서 생산된 향호리산 표준사를 사용하였다. 표면건조포화상태 잔골재의 밀도와 흡수율은
각각 2.65와 0.1 %이었다. 표준사의 물리적 특성은 Table 2와 같다.
Table 2 Physical properties of standard sand
|
Size (mm)
|
Unit weight (kgf/m3)
|
Density (g/cm3)
|
Percentage water absorption (%)
|
Fineness modulus (FM)
|
|
2≤
|
1,490
|
2.65
|
0.1
|
2.4
|
2.1.3 현무암 섬유
본 연구에 사용된 현무암 섬유는 러시아의 Kamenny Vek (KV-13)사에서 제조･생산한 것이다. 제조사에서 제공하고 있는 현무암 섬유의 화학성분
및 물리적 특성은 각각 Table 3과 Table 4와 같다. Table 3에서 현무암 섬유는 주로 SiO2가 풍부하고 그다음으로 Al2O3가 풍부하다는 것을 알 수 있다. Table 4에서와 같이 현무암 섬유는 인장강도가 3,900 MPa이고, 탄성계수가 95 GPa이며, 밀도는 2.7 g/m3이다. Fig. 1(a)는 본 연구에서 사용된 현무암 장섬유의 원사 롤 사진이며, Fig. 1(b)는 SEM 이미지이다. 이때 섬유의 평균 직경은 약 13 µm이다. 특히 현무암 섬유가 FeO와 Fe2O3를 함유하고 있어서 섬유가 황금빛 갈색임을 볼 수 있다.
Table 3 Chemical composition ranges of basalt fiber
|
SiO2 (%)
|
Al2O3 (%)
|
Fe2O3 (%)
|
MgO (%)
|
CaO (%)
|
Na2O (%)
|
K2O (%)
|
TiO2 (%)
|
|
42~58
|
11~18
|
4~12
|
1~11
|
5~12
|
2~6
|
0.8~5
|
0.1~3
|
Table 4 Physical properties of basalt fiber
|
Density
(g/cm3)
|
Diameter
(µm)
|
Tensile strength
(MPa)
|
Modulus of elasticity
(GPa)
|
Elongation at break
(%)
|
Color
|
|
2.7
|
13
|
3,900
|
95
|
1.5~3.2
|
Golden brown
|
Fig. 1 Chemical composition ranges of basalt fiber
2.2 현무암 섬유의 표면개질
표면개질 실험에 사용된 시약 및 물질은 나노실라카의 전구체인 Tetraethyl orthosilicate(TEOS, 99.0 %, Sigma-Aldrich)와
실란커플링제로 3-glycidyloxypropyl trimethoxy silane(GP TMS, 98.0 %, Sigma-Aldrich)을 사용하였다.
전 처리제로 과산화수소(H2O2, 30 %, Daejung Chemical)를 사용하였다. 촉매제로서 질산(HNO3, 60 %, Samchun Chemical), 암모니아 용액(NH4OH, 28~30 %, Samchun Chemical)와 에탄올(EtOH, 99.5 %, Samchun Chemical)을 사용하였다. 사용된 시약들은
정제나 화학적 약품처리 없이 그대로 사용하였다. Fig. 2는 나노실리카 개질 용액을 제조하기 위한 실험 절차를 나타낸 것이다. 나노실리카 졸을 제조하기 위해 Stober 방법을 이용하였다. TEOS:EtOH:H2O:NH4OH의 몰비는 1:9.47:27.85:0.75이었다. 먼저, NH4OH와 EtOH, H2O를 10분간 교반한 후 TEOS를 첨가하여 45 °C에서 3시간 동안 교반하여 나노실리카 졸을 생성시켰다. 그다음 표면과 생성된 나노실리카 입자와의
가교를 위해 촉매제인 HNO3를 이용하여 pH 5가 되도록 조절한 후 GPTMS(TEOS:GPTMS=1:2 몰비)를 첨가하고, 마지막으로 75 °C에서 12시간 동안 교반하여
합성된 나노실리카 용액을 제조하였다. 아울러, 건조된 개질되지 않은 현무암 섬유는 표면개질 전에 일련의 전처리 단계를 거쳤다. 먼저, 현무암 섬유는
EtOH와 증류수에 각각 30분씩 침지하여 불순물을 우선적으로 제거하였다. 그런 다음 60 °C의 오븐에서 건조하였다. 이후 현무암 섬유는 125
°C의 H2O2 용액에 1시간 동안 담가 활성 실란놀 그룹(Si-OH)을 생성한 다음 오븐(80 °C)에서 건조하였다. 전 처리된 현무암 섬유를 합성된 나노실리카
졸에 1시간(45 °C) 동안 침지시켜 표면을 친수성 유기층으로 개질하였다. 나노실리카 입자로 개질된 현무암 섬유를 오븐(80 °C)에서 건조 후
사용하였다. Fig. 3은 나노실리카로 개질된 현무암 섬유의 표면개질 과정을 개략적으로 나타낸 것이다. 위의 방법에 의해 개질된 현무암 섬유 시료를 각각 다음과 같이 표시하였다.
개질되지 않은 현무암 섬유 시료를 UBF(unmodified basalt fiber)로, 전 처리된 현무암 섬유 시료를 PBF(pre-treated
basalt fiber) 및 나노실리카로 개질된 현무암 섬유 시료를 MBF(modified baslat fiber)로 각각 표시하였다.
Fig. 2 Experimental procedure for preparation of the nano-silica modified solutions
Fig. 3 Surface modification process of basalt fiber
2.3 배합 및 시편 준비
시멘트 모르타르의 배합 설계는 Table 5와 같다. 물시멘트비(W/C)는 0.44로 설정하였고, 배합 비율은 시멘트:표준사:배합수=1:2:0.44이다. 이때, 굵은골재는 사용하지 않았다.
고성능 감수제(superplasticzer, SP)는 폴리카르복실산계를 사용하였으며, SP제의 첨가량은 현무암 섬유의 혼합과 작업성을 고려하여 시멘트
질량의 0.5~1.0 wt%를 사용하였다. 단일섬유의 인발시험을 위한 각 실험변수 및 시료 수는 Table 6과 같다. 본 연구에서는 현무암 섬유의 계면 부착강도를 알아보기 위해 총 30개의 시편(20×20×20 mm3)을 준비하였고, 시멘트 모르타르 단면의 중앙에 단일섬유를 매입하였다. Fig. 4는 시멘트 모르타르 내에 매입된 현무암 섬유의 인발시험을 위한 단계별 제작과정을 나타낸 것이다. Fig. 4에서 보는 바와 같이 현무암 섬유를 고정하기 위해 특수 형태의 목재 형틀을 제작하였다. 시편의 성형하기에 앞서 몰드 안쪽 면에 광물성 기름이나 그리스
등으로 발라서 몰드 탈형 시 현무암 섬유가 훼손되지 않고 쉽게 떼어낼 수 있도록 형틀을 제작하였다. 시멘트 혼합물을 부을 때 섬유가 흐트러짐 없이
맞물릴 수 있도록 양면테이프를 부착하고, 움직이지 않게 견고하게 고정하였다. 먼저, 혼합된 시멘트 모르타르는 2층으로 형틀에 붓고 현무암 섬유 사이의
공간에 조심스럽게 붓는다. 그런 다음 현무암 섬유가 덮일 때까지 시멘트 모르타르를 혼입하고 일정 시간(약 15초) 동안 고루게 분포되도록 다진다.
마지막으로 시멘트 모르타르를 완전히 채우고 충분히 다질 때까지 계속 진동시켰다, 다지기 위해 진동시킬 때 현무암 섬유가 움직이거나 방향이 바뀌는 일이
없도록 각별히 주의해야 한다. 시멘트 모르타르는 20×20×20 mm3의 크기 목재 형틀에 넣은 후 1일 동안 경화시킨 후 탈형하여 시험일 직전까지 환경 챔버(온도 23.2±0.4 °C, 상대습도 51±4 %)에 보관하였다.
Table 5 Mix proportions of cement mortar
|
W/C
ratio
|
C:FA
ratio
|
Unit mass (kg/m3)
|
Content of SP
(cement×wt%)
|
|
Water
|
Cement
|
Fine aggregate
|
|
0.44
|
1:2
|
198
|
450
|
900
|
0.5~1.0
|
Notes: W/C: water-to-cement ratio; C:FA: cement vs fine aggregate
Table 6 Test parameters and number of specimens for the pull-out test
|
Specimens designation
|
W/C
ratio
|
C:S
|
Embedded length
(mm)
|
Age (d)
|
Total
|
|
3d
|
7d
|
28d
|
|
Unmodified basalt fiber
(UBF-1,2,3,4,5)
|
0.44
|
1:2
|
20
|
5
|
5
|
5
|
15
|
|
Modified basalt fiber
(MBF-1,2,3,4,5)
|
0.44
|
1:2
|
20
|
5
|
5
|
5
|
15
|
Fig. 4 Fabrication process of the pull-out specimens (mm)
2.4 현무암 섬유의 특성화
2.4.1 표면 형태 관찰을 위한 SEM
본 연구에서는 현무암 섬유 시료의 표면에 나노실리카 입자가 균일하게 분산되어 있는지를 확인하기 위해 약 50 cm의 샘플을 채취하여 SEM을 이용하여
현무암 섬유의 직경과 표면 형상을 관찰하였다. 아울러, 인발시험 후 재령 28일에서 경화된 BFCM의 시편을 10 mm 미만으로 작은 조각으로 부수고
SEM 이미지 분석을 수행하였다. 분석 장비는 TESCAN사의 MIRA LMH 고분해능 SEM 모델명을 사용하였다. 시험 전압(ACC voltage)은
10 kV에서 분석을 실시하였고, 아르곤(Ar) 가스 하에서 시료를 백금으로 코팅한 뒤 현무암 섬유 시료의 표면에 입자가 부착되어 있는지를 관찰하였다.
2.4.2 원소 분석을 위한 EDS
본 연구에서는 현무암 섬유 시료 표면의 정량적인 화학 분석을 위해 SEM을 통해 Bruker사의 EDS 디텍터로 원소 조성성분을 실시하였다. EDS의
포인트(spot-analysis) 분석 방법을 이용하여 섬유 주변의 C, O, Si 및 Ca 등 상대적인 양을 측정하였다.
2.4.3 결정 구조 분석을 위한 FT-IR
FT-IR은 특정 화학적 결합이 있는지 또는 작용기가 있는지를 감지하여 특정 물질이 존재하는지를 결정한다. 본 연구에서는 나노실리카 입자로 개질된
현무암 섬유 시료의 표면에 결정 구조의 변화를 확인하기 위해 스펙트럼 650~4,000 cm-1의 범위를 갖는 FT-IR(Cary 630, Agilent Technologies)을 이용하여 분석하였다.
2.5 섬유 계면 부착강도의 측정
현무암 섬유와 시멘트 매트리스 사이의 계면 부착강도는 ASTM D4018 (2017)의 시험방법에 준하여 단일섬유의 인발시험을 수행하였다. Fig. 5는 단일섬유의 인발시험을 위한 시편의 개요도 및 설치 모습을 나타낸 것이다. 100 cN 용량의 로드셀에 지그를 부착하여 섬유인장시험기(모델명: C41.103,
MTS, USA)을 이용하여 단일섬유의 인발하중과 변위를 측정하였다. 인발시험 시 인발속도는 1.0 mm/min의 정도로 일정하게 변위 제어하였다.
인발물성 데이터는 복합재 미세물성시험기 내부에 장착된 하중계(load cell)에 의하여 자동 측정되었다. 시편을 고정하기 위해 인발시험 장치인 상부의
이동단과 하부의 고정단을 지그 그립에 연결하고 양면테이프를 부착하여 단일섬유를 고정하였다. 이때 그립 면과 시편의 미끄러짐(slip)을 방지하기 위해
0.3 mm 정도 두께의 종이테이프로 보강하였다. 섬유계면 부착강도는 섬유에 최대 하중에 도달하였을 때 최대 인발하중을 섬유의 매입길이로부터 산정하였다.
단일섬유의 계면 부착강도는 다음의 식 (1)로 계산한다.
Fig. 5 Measurement setup in the pull-out test
여기서, $\tau_{\max}$는 계면 부착강도(MPa), $P_{\max}$는 최대 인발하중(N), $d$는 단일섬유의 직경(mm)이며, $L$은
시멘트 매트릭스에 매입된 섬유의 길이(mm)이다.
2.6 BFCM의 미세구조 관찰
2.4.1에 기술한 바와 같이 SEM 이미지 분석을 통해 단일섬유의 인발시험 후 파단된 개질되지 않은 BFCM 시편과 나노실리카 입자로 개질된 BFCM
시편의 미세구조 형태를 관찰하였다.
3. 실험결과 및 분석
3.1 현무암 섬유의 표면과 탄면 형태
Fig. 6은 본 연구에서 사용된 현무암 섬유의 표면과 단면 형태를 촬영한 SEM 이미지를 나타낸 것이다. Fig. 6(a)는 천연 현무암을 용융･방사하여 얻어진 현무암 섬유의 표면은 매끄러운 원주형이며, 매우 평활한 표면을 갖고 있다. 하지만 Fig. 6(b)의 경우 현무암 섬유의 절단된 단면은 부서진 형태로 다량 존재함을 알 수 있다.
Fig. 6 Surface and cross-section of the basalt fibers
3.2 개질된 현무암 섬유의 특성화 분석
3.2.1 SEM 관찰
Fig. 7은 나노실리카 입자의 개질 과정을 SEM으로 관찰한 현무암 섬유 표면의 미세한 형태를 나타낸 것이다. Fig. 7(a)는 개질되지 않은 현무암 섬유(unmodified basalt fiber, UBF)이고, Fig. 7(b)의 경우 과산화수소(H2O2)에 전 처리된 현무암 섬유(pre-treated basalt fiber, PBF) 및 Fig. 7(c)와 (d)는 나노실리카 입자로 개질된 현무암 섬유(modified basalt fiber, MBF)를 각각 나타낸 SEM 촬영사진이다. Fig. 7(a)에서 볼 수 있듯이, UBF 시료는 원주형이며, 현무암 섬유의 표면이 매우 매끄럽고 불순물이 거의 없다는 것을 보여준다. Fig. 7(b)의 경우 과산화수소(H2O2)에 PBF 시료는 축 방향으로 줄이 생성되어 현무암 섬유 표면의 거칠기가 증가되었음을 알 수 있다. Fig. 7(c)와 (d)는 PBF 시료의 표면에 실란기와 나노실리카 용액으로 에칭한 후 MBF 시료의 거친 표면이다. 이는 개질된 현무암 섬유의 표면에는 약 10~20
nm 크기의 나노실리카가 다량 함유되어 접촉면적이 증가했기 때문에 현무암 섬유의 개질이 성공한 것으로 유추할 수 있다. 한편, Manikandan et al. (2012) 등은 현무암 섬유 표면의 계면결합력을 향상시키기 위해 나노실리카 입자로 개질하여 폴리머 복합재의 기계적 특성에 대한 표면개질의 효과를 연구하였다.
시험 결과 현무암 섬유 보강 복합재의 기계적 특성이 유리섬유 보강 복합재보다 우수한 것으로 나타났다. 이 연구 결과를 통해 현무암 섬유가 보강재로서의
적용 가능성이 확인되었으며, 매우 효과적인 것으로 보고되고 있다.
Fig. 7 Microscopic morphology on the surface of unmodified basalt fiber (UBF) and modified basalt fiber (MBF)
3.2.2 EDS 분석
Fig. 8은 UBF 시료와 MBF 시료의 원소 조성분석을 나타낸 것이다. Fig. 8(a)에서 볼 수 있듯이, UBF 시료는 일정한 규모의 직경을 가진 매끄러운 표면을 가졌다. 하지만 Fig. 8(b)의 경우 MBF 시료는 과산화수소(H2O2) 에칭 및 개질 축적 후 거친 표면을 보이나 UBF 시료와 비교하여 다소의 직경 변화가 있음을 알 수 있다. EDS 분석 결과, Fig. 8(a)에서 볼 수 있듯이 UBF 시료의 경우 Si, Mg, Al, Ca, Na, K, Ti, Fe 및 O 원소로 구성되었음을 보여주었다. 하지만 Fig. 8(b)에서와 같이 MBF 시료는 개질층의 도입으로 인해 UBF 시료에서 관찰된 원소 외에 C 원소도 다량 포함되었으며, Si 원소가 증가한 것을 알 수
있다. 따라서 UBF 시료와 달리 MBF 시료의 표면에서는 뚜렷한 두께의 증가가 있음을 알 수 있다.
Fig. 8 Element distribution on the surface of unmodified basalt fiber (UBF) and modified basalt fiber (MBF) samples
3.2.3 FT-IR 분석
Fig. 9는 UBF 시료와 MBF 시료의 FT-IR 스펙트럼 결과를 나타낸 것이다. Fig. 9(a)는 원래 현무암 섬유의 적외선 스펙트럼이고 905 cm-1 범위에서 흡수 피크는 Si-O의 비대칭 흡수 피크이다. 1,046 cm-1 및 756 cm-1 범위에서 전형적인 대칭 스트레칭 진동 및 비대칭 스트레칭 진동이 MBF에서 관찰되었다. 3,400 cm-1에서 전출된 MBF의 넓은 피크는 -OH 스트레칭에 기인한 것이며 1,270 cm-1 범위에서 피크가 관찰되지 않았으므로 에폭시기가 열린 것으로 추측된다. Fig. 9(b)에서 C 또는 H를 포함하는 작용기가 관찰되지 않았다. 아울러, MBF는 2,923 cm-1, 2,861 cm-1 및 1,194 cm-1 범위에서 집중적인 CH2의 스트레칭 피크를 나타났다. 이는 현무암 섬유 표면이 유기층에 의해 성공적으로 개질되었음을 보여주었다.
Fig. 9 FT-IR spectrum of unmodified basalt fiber (UBF) and modified basalt fiber (MBF) samples
3.3 개질 유무에 따른 BFCM의 계면 부착특성
3.3.1 계면 부착강도
섬유와 시멘트 매트릭스 사이의 계면 부착강도는 현무암 섬유의 성능과 매우 밀접한 관계가 있으며, 섬유의 표면형상, 물성 및 매트릭스 강도 등은 섬유와
매트릭스 사이의 계면 부착특성에 매우 중요한 역할을 한다. 본 연구에서는 BFCM의 계면 부착강도를 알아보기 위해 각각 재령 3일, 7일 및 28일에서
단일섬유의 인발시험을 수행하였다. 본 시험 결과로부터 얻은 단일섬유의 인발시험 결과는 Table 7과 같다. 단일섬유의 인발시험 결과의 효과를 검증하기 위해 각 실험 변수별 5개의 동일한 시편 중 최대/최소 값을 제외하고, 나머지 3개의 시편에
대하여 평균값으로 구하였다. 현무암 섬유의 공칭 직경은 전자현미경으로 5회 측정하여 구하였고, 현무암 단일섬유의 평균 직경은 약 100 µm이었다.
Table 7에서 얻은 데이터로부터 계면 부착강도의 표준편차의 범위는 개질되지 않은 BFCM의 경우 0.05~0.34이고, 나노실리카 입자로 개질된 BFCM은
0.15~0.18 정도이다. 따라서 표준편차의 분산정도는 개질 유무와 상관없이 거의 유사함을 알 수 있다. Fig. 10은 개질되지 않은 BFCM와 나노실리카 입자로 개질된 BFCM의 각 재령별 계면 부착강도의 변화를 나타낸 것이다. 개질되지 않은 BFCM의 경우 각각
재령 3일, 7일 및 28일에서의 평균 계면 부착강도는 0.46 MPa, 1.32 MPa 및 1.78 MPa으로 나타내 재령이 경과함 따라 다소 증가하는
경향을 보였으며, 반면 나노실리카 입자로 개질된 BFCM의 계면 부착강도는 각각 0.7 MPa, 1.90 MPa 및 2.37 MPa로 상당히 증가되었다.
개질되지 않은 BFCM에 비하여, 나노실리카 입자로 개질된 BFCM의 계면 부착강도는 각각 0.24 MPa, 0.58 MPa 및 0.59 MPa의
증가로 약 52.2 %, 43.9 % 및 33.1 %의 계면 부착성능이 향상되었다. 이것은 나노실리카 입자로 개질된 BFCM의 경우 계면 결합력의
증대 효과로 인해 섬유와 시멘트 매트릭스 사이의 계면 결합력이 증가하여 계면 부착강도가 향상된 것을 알 수 있다. 즉, 시멘트 모르타르 내에서 나노실리카
입자의 얇은 층은 Ca(OH)2와 반응하여 C-S-H 겔을 생성함으로서의 개질된 섬유와 매트릭스 사이의 계면결합력을 향상시킨다. 이러한 선행의 연구 결과에서도 효과적이라고 보고된
바 있다(Zheng et al. 2022).
Fig. 10 Relationship between interfacial bond strength of pull-out test at 3, 7, and 28 days
Table 7 Comparisons of interfacial bond strength at 3, 7, and 28 days
|
Specimens
|
No. of
specimens
|
Maximum load
(N)
|
Displacement at max. load
(mm)
|
Interfacial bond strength (SD)
|
|
$\tau_{\max}$
(MPa)
|
Increase rate
(B/A, %)
|
|
UBF-3d
(A)
|
1
2
3
|
2.54
3.16
3.01
|
0.78
0.86
0.46
|
0.40
0.50
0.48
|
152.2
|
|
Average
|
2.90
|
0.70
|
0.46
|
|
MBF-3d
(B)
|
1
2
3
|
3.72
5.52
4.03
|
1.47
1.62
0.97
|
0.59
0.88
0.64
|
|
Average
|
4.42
|
1.35
|
0.70
|
|
UBF-7d
(A)
|
1
2
3
|
7.99
10.6
6.31
|
1.25
1.57
1.26
|
1.27
1.69
1.01
|
143.9
|
|
Average
|
8.30
|
1.36
|
1.32
|
|
MBF-7d
(B)
|
1
2
3
|
12.5
10.6
12.7
|
1.47
1.57
1.15
|
1.99
1.69
2.02
|
|
Average
|
11.9
|
1.40
|
1.90
|
|
UBF-28d
(A)
|
1
2
3
|
11.8
10.6
11.2
|
1.53
1.57
1.45
|
1.88
1.69
1.78
|
133.1
|
|
Average
|
11.2
|
1.52
|
1.78
|
|
MBF-28d
(B)
|
1
2
3
|
14.6
15.5
14.5
|
2.29
2.24
2.04
|
2.33
2.47
2.31
|
|
Average
|
14.9
|
2.19
|
2.37
|
Note: B/A: increase ratio of interfacial bond strength; UBF: unmodified basalt fiber;
MBF: modified basalt fiber
3.3.2 단일섬유의 인발 하중-변위 관계
본 연구에서는 시멘트계 복합체에서 단일섬유의 인발시험 방법에 대해 아직은 명확한 표준 규정이 제시되고 있지 않아 기존 연구자들의 연구 결과를 참고하였다(Katz and Li 1996; Naik et al. 2019). 섬유 인발시험의 하중-변위 곡선은 완전한 섬유의 인발과정을 설명할 수 있다. Fig. 11은 전형적인 섬유 인발 하중-변위 곡선을 나타낸 것이다. 섬유 인발시험 과정에서 얻어지는 하중-변위 곡선으로부터 피크 전과 후의 2가지 부분으로 구분할
수 있다. 첫 번째 과정에서, 인발하중이 작은 범위에서는 거의 직선적으로 변위가 증가하다가, 인발하중이 증가함에 따라 기울기가 완만해지면서 변위가
증가하다가 최대 인발하중에 도달한다. 이 과정을 디본딩 영역이라 한다. 두 번째 과정에서, 최대 인발하중에 도달한 후 변곡점을 지나면 곡선은 아래쪽
방향으로 향하게 되고, 섬유의 파단 또는 분리(debonding)되면 인발하중이 급격히 저하된다. 섬유의 파단 또는 분리 이후에도 하중이 저하되면서
수렴하는 형태를 보여주고 있다. 이 과정을 인발영역이라 한다.
Fig. 11 Schematic diagram of load-displacement curve relationship for pull-out of the matrix
Fig. 12 Load-displacement curves of pull-out test for unmodified basalt fiber (UBF) and modified basalt fiber (MBF)
본 연구에서는 섬유 인발시험을 통해 실험 변수별 인발 하중-변위 관계 곡선의 특성을 비교, 분석하였다. Fig. 12는 실험 변수별 단일섬유의 인발 하중-변위 곡선 관계를 나타낸 것이다. Fig. 12에서 볼 수 있듯이, 개질 유무와 상관없이 BFCM 시편에서 단일섬유의 인발 하중-변위 곡선을 비교하면 초기에 거의 일정하게 선형적으로 변위가 증가하다가
최대 하중에 도달하면 섬유가 시멘트 매트릭스에서 분리되기 시작한다. 개질되지 않은 BFCM 시편의 경우 최대 하중 이후 응력이 급격히 저하하는 인발
거동을 뚜렷하게 보였다. 반면 나노실리카 입자로 개질된 BFCM 시편은 최대 하중 이후 변위가 증가하면서 다소 수렴하는 형태의 인발 거동을 보였다.
개질되지 않은 BFCM 시편에 비해, 섬유와 시멘트 매트릭스 사이의 결합력에 의해 하중유지능력이 더 높은 것으로 나타내어, 연성이 다소 향상되는 것으로
나타났다. 이는 나노실리카 입자로 개질된 BFCM 시편은 계면 결합력의 증가로 인해 인발저항 성능이 상당 향상되었음을 알 수 있다. 현무암 섬유의
개질 유무 및 재령이 증가할수록 인발거동이 변화되는 주요 원인은 경화과정에서 수화반응이 지속적으로 일정한 강도를 발현하고, 개질된 현무암 섬유와 시멘트
매트릭스 사이의 계면결합력을 향상시키기 때문이다. 개질된 BFCM가 동일한 하중 하에서 더 우수한 변위 값을 가짐을 인발 응력-변위 곡선에서 볼 수
있다. 이는 개질된 현무암 섬유(MBF)가 BFCM 내에서 시멘트 입자와의 계면 부착강도가 상당히 개선되어 나타난 결과로 판단된다. 그러나 현무암
섬유의 개질 유무와 상관없이 선형구간과 비선형 구간을 구분하기가 상당히 어려운 인발 거동을 보였다.
3.4 BFCM의 SEM 이미지 분석
일반적으로 섬유와 시멘트 매트릭스 계면 사이의 두께가 약 20~100 µm로 형성된다고 알려져 있으며, 이러한 계면의 두께가 강도와 균열로 인한 내구성에
큰 영향을 미친다고 보고되었다(Betterman et al. 1995; Scrivener et at. 2004). Fig. 13은 단일섬유 인발시험 후 파단된 개질되지 않은 BFCM와 나노실리카 입자로 개질된 BFCM의 SEM 이미지이다. Fig. 13(a)에서 볼 수 있듯이, 개질되지 않은 BFCM의 섬유 표면형상은 여전히 아주 깨끗하고 상당히 매끄러운 것을 알 수 있으며, 현무암 섬유 사이에 미세균열이나
공극들이 형성될 가능성이 더 크다는 것을 알 수 있다. Fig. 13(b)에서 현무암 섬유와 매트릭스 사이의 비교적 미세한 균열들이 발생하는 것이 관찰되었다. 이때 충분한 강도를 확보하지 못하고 부착성능 저하로 인해 섬유의
뽐힘(pull-out)이나 디본딩(debonding)으로 섬유와 시멘트 매트릭스 사이의 이탈이 간혹 일어나고 있음을 보여주고 있다. 이것은 시멘트
수화생성물의 결정이 생기기 곤란하여 친화력이 낮기 때문에 섬유와 매트릭스 사이의 계면 결합력이 낮은 특성을 나타내는 것으로 보인다. 하지만 Fig. 13(c)와 (d)에서 볼 수 있듯이, 나노실리카 입자로 개질된 BFCM의 섬유 표면에는 크고 작은 수십 나노미터 크기의 입자가 거친 형상으로 상당히 균일하게
분포되어 있었으며, 현무암 섬유 사이의 미세균열이나 공극들은 다소 감소한 것으로 나타났다. 이것은 나노실리카 입자의 얇은 층은 Ca(OH)2와 반응하여 칼슘실리케이트 수화물(calcium silicate hydrate, C-S-H) 겔을 생성할 수 있다. 즉, 현무암 섬유와 시멘트 매트릭스
사이의 계면 결합력이 향상되는 것을 알 수 있다. 이와 같이 섬유와 매트릭스 사이의 화학적 결합을 증가시켜 시멘트 모르타르의 계면 부착특성을 향상시킬
수 있다는 것을 알 수 있다. 이때 현무암 섬유의 표면은 얇은 층으로 감싸고 있으며, 주변 수화물질과 함께 더욱더 두꺼워졌다. 따라서 SEM 이미지
분석을 통해 나노실리카 입자로 개질된 BFCM는 섬유 표면에 C-S-H 겔의 생성으로 인해 시멘트 수화생성물의 치밀화를 가져오기 때문에 개질되지 않은
BFCM에 비해 계면 결합력이 더 우수하다는 것을 확인하였다. 시멘트 모르타르 내에서 미세균열 발생과 섬유 파단의 원인은 개질된 현무암 섬유와 매트릭스
사이의 높은 계면 결합력 때문으로 판단된다.
Fig. 13 Scanning electron microscope (SEM) images of basalt fiber cement mortar (BFCM) after pull-out for unmodified basalt fiber (UBF) and modified basalt fiber (MBF)
4. 결 론
본 연구에서는 시멘트 모르타르에서 섬유와 매트릭스 사이의 계면 결합력을 증가시키기 위해 현무암 섬유의 표면에 나노실리카 입자를 효과적으로 표면개질하는
새로운 방법을 제안하였으며, BFCM의 미세구조 및 계면 부착강도를 비교, 분석하였다. 본 연구를 통해 얻은 주요 결과는 다음과 같다.
1) SEM, EDS 및 FT-IR을 통한 미세구조 분석 결과, 나노실리카 입자와 현무암 섬유 사이에 안정적인 화학적 결합이 형성되어 현무암 섬유의
표면에 성공적으로 개질되었음을 확인하였다.
2) 개질되지 않은 BFCM에 비해, 나노실리카 입자로 개질된 BFCM의 계면 부착강도는 재령 3일, 7일 및 28일에서 각각 52.2 %, 43.9
% 및 33.1 % 정도 향상되었다. 이는 현무암 섬유의 표면에 개질된 나노실리카 입자가 수화생성물인 Ca(OH)2와 반응하여 화학적 결합력이 향상되었기 때문인 것으로 판단된다.
3) 단일섬유 인발 하중-변위 곡선에서 나노실리카 입자로 개질된 BFCM는 개질되지 않은 BFCM에 비해 동일한 하중 하에서 더 우수한 변위 값을
나타냄을 보여주었다.
4) SEM 이미지 분석을 통해 나노실리카 입자로 개질된 BFCM는 현무암 섬유와 시멘트 매트릭스 사이의 계면에서 C-S-H 겔의 양이 증가하고,
섬유와 매트릭스 사이의 다공성을 감소시키는 것으로 나타났다.
본 연구에서 개발된 새로운 표면개질 방법은 시멘트 모르타르의 계면 부착특성을 개선하고, 현무암 섬유의 적용 범위를 확대하여 건설산업 발전에 기여할
수 있을 것으로 기대된다.