2.1 사용 재료

본 연구에서는 중공 유리 마이크로스피어를 활용하여 경량 및 고강도를 달성하고자 하였다. 중공 유리 마이크로스피어는 3M사에서 제작되어 판매되고 있는 제품을 선택하였으며, 예비 실험과 경제성을 고려하여 4가지 종류(K42HS, S60HS, iM30K, iM16K)를 사용하였으며 실험을 진행하였다. 3M사에서 발표한 중공 유리 마이크로스피어의 물리적 성능은 Table 1에 나타내었다.

중공 유리 마이크로스피어의 화학적 구성 성분을 알아보기 위하여 X-선 형광분석을 수행하였으며 해당 실험에 관한 결과는 Table 2와 같다. 성분 분석 결과 입자 내에 포함된 붕소의 경우 파장이 길어 X-선 형광분석 결과 안에는 포함되지 않았다.

중공 유리 마이크로스피어를 포함하는 경량 고강도 시멘트 복합체 제작을 위해 사용된 원재료는 U사의 백시멘트, E사의 실리카퓸, S사의 석영, D사의 고성능 감수제로 제작되었다. 시편 제작을 위한 배합비는 기존 선행연구를 바탕으로 결정하였으며 Table 3에 나타내었다^{(Kang et al., 2018)}. 중공 유리 마이크로스피어의 밀도에 따라 배합비를 설정하였으며 S60HS와 iM30K의 경우 상대적으로 높은 밀도를 지닌 중공 유리 마이크로스피어이기에 비슷한 시멘트 복합체의 밀도를 유지하고자 30 % 질량비로 첨가량을 결정하였다. 원재료 파우더들은 약 11분의 건배합을 거친 후 고성능 감수제와 배합수를 혼합하여 추가하였으며 슬러리 형태가 된 후 2분 동안 고속으로 섞어 제작되었으며 압축강도 시험을 위해 ASTM C 109의 기준에 따라 50×50×50 ㎣의 정육면체의 큐브 시편으로 제작되었다.

2.2 실험 상세

압축강도 실험은 만능재료시험기로 측정하였으며 가력 속도는 ASTM C 109를 따라 1 mm/min으로 진행하였다. 또한 작업성 확인을 위한 플로우 테스트 실험은 ASTM C 230 기준에 따라 진행하였다^{(ASTM, 2008a; ASTM, 2008b)}. 제작된 시편의 양생은 고온 양생과 상온 양생을 수행하였으며 고온 양생은 탈형 후 90°C에서 밀봉하여 이틀간 양생하였고 이후에는 상온 양생 시편들과 동일한 조건인 20°C RH 60 %의 환경에서 28일 차까지 양생하였다. 작업성을 위한 플로우 테이블 실험 결과는 Table 3의 배합표와 같이 명시하였으며 중공 유리 마이크로스피어의 혼입량이 증가할수록 플로우 테이블 실험값이 더 작아지는 것을 확인하였으며, 이는 포함된 중공 유리 마이크로스피어의 양이 많아 표면에 직접적으로 흡수되는 물이 양이 많이 때문으로 추정된다. 밀도측정은 양생이 끝난 이후 90 ℃에서 7일간 건조하여 측정하였다. 또한, 마이크로 CT 촬영을 위하여 Φ25×25 ㎣의 실린더 시편을 1×1×5 ㎣의 정사각기둥으로 절단하여 CT 측정을 수행하였다.

마이크로 CT 실험은 전압 60 kV, 전류 166 μm의 조건으로 촬영되었으며 필터는 알루미늄 0.5 mm 필터를 사용하였다. 마이크로 치수의 중공 유리 마이크로스피어의 촬영을 위하여 픽셀 사이즈는 0.7 μm로 설정하였으며 촬영 시간은 4시간으로 설정하였다. 중공 유리 마이크로스피어와 시멘트 매트릭스의 구분을 위하여 Otsu 이진화 방법을 사용하여 이진화를 진행하였으며 가우시안 필터를 사용하여 보정하였고 중공 유리 마이크로스피어의 입도를 참고하여 중공 유리 마이크로스피어 입경의 임계값은 40 μm로 설정하였다^{(Deng and Cahill, 1993}; ^{Otsu, 1979)}. 3D 모델링은 총 1,800장의 이미지를 적층하여 도시하였다. 전자주사 현미경 촬영은 FESEM-AURIGA 장비를 사용하여 측정하였으며 모든 시편을 10,000배 확대하여 촬영하였다. 촬영한 이미지의 밝기는 48.5 %로 설정하였으며 대비는 31.0 %로 통일하여 설정하였다.

3.1 압축강도 실험 및 밀도 측정

압축강도 측정 결과는 Fig. 1에 나타내었다. 모든 시편의 28일 압축강도는 60 MPa 이상의 고강도를 발현하였으며 고온 양생 수행 시 80 MPa 이상의 압축강도를 발현하였다. 고온 양생 수행 시 수화반응으로 생성된 포틀랜다이트와 실리카퓸의 포졸란 반응으로 2차 수화물이 더 많이 생성되어 나타나기에 상온 양생에서보다 높은 압축강도를 발현한 것으로 확인된다^{(Lee et al., 2020)}. K42HS를 제외한 경량 시멘트 복합체들은 서로 유사한 값의 압축강도를 발현하는 것을 확인할 수 있었다. K42HS의 경우 상대적으로 낮은 비중과 함께 비교적 낮은 파괴강도(Table 1)를 지니고 있기에 시멘트 복합체의 강도도 낮아진 것으로 추정된다.

시편의 밀도를 측정한 결과를 확인하여보면 모든 시편이 1.7 g/㎤ 이하의 밀도를 지니는 것을 확인하였다. 압축강도와 밀도의 관계를 Fig. 1(c)에 도시하였으며 이를 확인하여본 결과 모든 시편이 60 MPa 이상의 압축강도를 지니며 동시에 1.7 g/㎤ 이하의 밀도를 지니는 것으로 나타났다. 따라서 압축강도 실험과 밀도 측정을 통해 중공 유리 마이크로스피어를 활용하여 제작한 시편 모두에서 경량과 고강도를 동시에 만족시키는 것으로 확인하였다. 개발된 시멘트 복합체의 구조적 사용 가능성 유무를 판단하기 위해 ACI 213R 기준과 Eurocode 1992 1-1 ^{(Eurocode, 1992)}의 경량 콘크리트 기준, ACI 363R의 고강도 콘크리트 기준과 비교하여 Fig. 2에 도시하였다^{(ACI Committee, 2003}; ^{ACI Committee, 2005}; ^{Standard, 2004)}. ACI 기준의 경우 고강도 콘크리트의 기준과 경량 콘크리트의 기준 두 가지가 모두 존재함에 반하여 Eurocode 1992 1-1의 기준은 경량 콘크리트의 기준만 기재되어있어 본 연구에서는 경량 콘크리트의 기준만을 도입하였다. 개발된 시멘트 복합체는 고온 양생과 상온 양생 모두에서 ACI 213R, ACI 363R과 Eurocode 1992 1-1의 고강도와 경량의 기준을 동시에 만족시킬 뿐만 아니라, 기존의 경량 콘크리트 관련 선행연구보다 월등히 높은 압축강도를 가짐을 확인할 수 있다^{(ACI Committee, 2003}; ^{ACI Committee, 2005}; ^{Standard, 2004)}. 따라서 개발된 시멘트 복합체가 경량 콘크리트와 고강도 콘크리트의 구조기준을 동시에 만족시킨다는 측면에서 혁신적인 구조재료로 사용될 수 있는 가능성이 있다고 사료된다.

Fig. 1. Mechanical Properties of Specimens: (a) Compressive Strength Under Ambient Curing, (b) Compressive Strength Under High-Temperature Curing, and (c) Compressive Strength-Density Relationships of All Specimens

Fig. 2. Compressive Strength-Density Data of Developed Specimens with Previous Studies with Design Codes(Blanco et al., 2000;Brooks et al., 2018;Dixit et al., 2019;Gao et al., 2013;Huang et al., 2013;Kim et al., 2012;Mounanga et al., 2008;Mohammad et al., 2020;Sengul et al., 2011;Tandiroglu, 2010;Wu et al., 2015;Yun et al., 2013;Zhou and Brooks, 2019)

3.2 전자 주사현미경 및 마이크로 CT 촬영

중공 유리 마이크로스피어의 경화된 시멘트 매트릭스 내에서의 분포 형태를 파악하기 위하여 28일 양생한 시편의 마이크로 CT 촬영과 전자 주사현미경 촬영을 진행하였다. 마이크로 CT 촬영은 가장 비중이 작은 K42HS에 대하여 진행하였다. 마이크로 CT 촬영 결과 Fig. 3과 같이 일반 시멘트 복합체와 비교하였을 때 중공 유리 마이크로스피어가 포함된 시멘트 복합체에서 중공 유리 마이크로스피어 입자들이 공극 형태로 촬영에 나타나는 것을 확인할 수 있다. 이는 중공 형태의 마이크로스피어 특성상 빈 공간이 드러나게 되어 나타나는 것으로 확인된다. 3D 적층 이미지를 통하여 시편 내에서 중공 유리 마이크로스피어가 눈에 띄는 분리 현상이 나타나지 않은 것을 육안으로 확인할 수 있었다. 이는 낮은 물-시멘트비를 사용하여 점성이 높은 시멘트 매트릭스를 사용함으로써 비중이 낮은 중공 유리 마이크로스피어임에도 심각한 재료 분리 현상이 나타나지 않은 것으로 확인된다. 또한 작은 입경을 지닌 중공 유리 마이크로스피어는 상대적으로 큰 입경을 지닌 기존의 인공경량골재 등 경량 소재를 혼입하여 제작된 경량 콘크리트보다 작은 부력의 영향을 받게 되어 심각한 재료 분리 현상이 점성이 큰 매트릭스에서 나타나지 않는 것으로 확인되었다.

Fig. 3. Micro Computed Tomography (CT) Images of Specimens: (a) Normal Cementitious Composites, (b) Cementitious Composite Developed in This Study, and (c) 3D Stacked Image of the Cementitious Composite Developed in This Study

시멘트 매트릭스와 중공 유리 마이크로스피어의 파단 형태와 압축강도와의 연관성을 확인하기 위하여 전자 주사현미경 촬영을 진행하였다. 전자 주사현미경 촬영 결과는 Fig. 4와 같이 나타났다. 모든 시편에서 대부분의 중공 유리 마이크로스피어가 매립되어있거나 인발된 흔적이 있는 것을 확인하였다. 이러한 결과를 바탕으로 구조 복합체의 파괴는 물-시멘트비가 낮은 매트릭스 파단이 지배적으로 작용한 것을 확인하였고, 높은 파괴강도를 지닌 중공 유리 마이크로스피어는 종류와 관계없이 파괴가 일어나지 않는 것을 확인할 수 있었다.

Fig. 4. Scanned Electron Microscope (SEM) Images of Specimens