2.1. 실험 재료 및 배합

이 연구에서 사용한 초고성능 콘크리트는 한국에서 개발된 K-UHPC로 알려진 초고성능 콘크리트(S-UHPC 배합)로서 사용 재료 및 배합은 Table 1과 같다 (^{Koh et al. 2013}). 결합재 는 1종 보통포틀랜드시멘트와 지르코니움 실리카이며, 시멘 트와 지르코니움 실리카의 비율은 중량비로 1대 0.2이다. 이 연구에서 사용한 지르코니움 실리카는 산화규소가 96% 이상 이며 실리카퓸과 화학성분은 유사하지만 분말도 80,000 cm²/g 정도이다. 지르코니움 실리카는 공극 충전 효과와 포졸 란 반응을 통하여 재료의 밀도를 향상시켜 강도를 증진시키 고, 입자 충전밀도를 증가시키면서 유동성을 향상시키기 위 해 사용되었다. 충전재는 산화규소 성분이 99% 이상인 재료 로서 밀도는 2.60 g/cm³이며, 크기는 시멘트와 지르코니움 실 리카의 중간 정도인 평균 입경이 2.2 ㎛의 크기를 갖고 있다. 충전재는 시멘트와 지르코니움 실리카 사이를 채우는 역할을 통해 충전밀도를 증가시켜 유동성을 향상시키고, 경화 후에 는 초고성능 콘크리트를 밀실하게 함으로써 강도 증진 및 내 구성을 향상시키기 위해 사용되었다. 규사는 밀도 2.62 g/cm³ 이고 평균 입경이 0.5 mm인 것을 사용하였다. 혼화제로는 팽 창제, 수축저감제, 고성능감수제, 소포제가 사용되었다.

이 연구에서 고연성 섬유보강 복합재료(PE-AAS 배합)를 제조하기 위해 사용한 결합재는 알칼리 활성 고로슬래그로서 고로슬래그는 3종 분말도(4,030 cm²/g)이며, 비중은 2.91이다. 활성화제로는 분말형의 수산화칼슘과 황산나트륨이 사용되 었고, 고로슬래그, 수산화칼슘, 황산나트륨의 비율은 1 : 0.084 : 0.034이다. 폴리에틸렌 섬유의 보강 효과를 확인하기 위해 비교 배합으로 사용한 AAS 배합은 PE-AAS와 섬유를 제외하 고 동일한 배합을 사용하였다.

초고성능 콘크리트에는 강섬유가 사용되었고, 알칼리 활성 슬래그 기반 고연성 섬유보강 복합재료에는 폴리에틸렌(PE) 섬유가 사용되었다. 강섬유와 폴리에틸렌 섬유의 치수 및 성 질은 Table 2와 같다.

2.2. 혼합 방법 및 양생

초고성능 콘크리트를 제조하기 위해서 먼저, 분말형인 시 멘트, 지르코니움 실리카, 충전재, 골재, 팽창제, 수축저감제 를 투입한 후 분말들이 고루 섞일 수 있도록 약 90 rpm의 속도 로 10분 동안 건비빔을 하였다. 다음으로 혼합기의 회전속도 를 동일하게 유지한 상태에서 배합수, 고성능 감수제, 소포제 를 투입한 후 재료들의 반응에 의해 유동이 시작될 때까지 3 분에서 5분 동안 추가로 혼합하였다. 유동이 시작되면 혼합기 의 회전속도를 270 rpm으로 증가하여 2분에서 3분 동안 혼합 한 후, 섬유를 혼입하기 위하여 회전속도를 다시 90 rpm으로 줄이고 섬유를 신속하게 투입하였다. 이 후 충분한 섬유 분산 성이 확보될 수 있도록 회전속도를 다시 270 rpm으로 증가시 켜 2분에서 5분 동안 혼합한 후 균일한 섬유 분산성이 확보되 었다고 판단되면 마지막으로 기포를 제거하기 위해 회전속도 를 90 rpm으로 줄여 1분간 혼합하였다 (KICT, 2014).

알칼리 활성 슬래그 기반 고연성 섬유보강 복합재료를 제 조하기 위해서 분말형 재료인 결합재를 넣고 1분 동안 건비빔 을 실시하고, 배합수를 혼입한 후 1분 동안 혼합하면서 고성 능 감수제를 첨가하였다. 섬유가 혼입되지 않는 AAS 배합은 이후 실험체를 제조하였고, 섬유가 혼입되는 PE-AAS 배합은 매트릭스가 균일하게 혼합된 후 폴리에틸렌섬유를 1분에 걸 쳐 조금씩 넣고 4분 동안 혼합하였다.

혼합이 완료된 후 밀도 및 압축강도와 일축 인장 실험을 위 한 시편을 제작하여 (23 ± 3)°C와 상대습도 (60 ± 10)% 조건에 서 양생하고, 타설 2일 후 탈형하여 재령 28일까지 양생온도 (23 ± 3)°C의 양생 수조에서 수중양생을 실시하였다.

2.3. 실험 방법

밀도는 혼합과정에서 의도하지 않은 과도한 기포가 생성되 는가를 확인하기 위하여 각 배합별로 3개씩 제작한 50 mm 입 방 실험체를 이용하여 공기 중 무게와 수중 무게를 측정하여 다음 식 (3)과 같이 계산하였다.(1)

여기서, ρ_w는 물의 밀도이고, W_air와 W_water는 각각 입방 실 험체의 공기 중과 수중에서의 무게를 나타낸다.

압축강도는 밀도를 측정한 시험체를 이용하여 KS L 5105 에 규정된 방법에 따라 측정하였으며 각 배합당 시험체의 개 수는 3개이다.

일축 인장 실험을 통해 섬유 보강 복합재료의 인장성능을 평가하였다. 일본토목학회에서 제안한 방법에 따라 Fig. 1(a) 와 같은 형태의 실험체를 제작한 후, 28일 재령에서 인장성능 을 평가하였다 (JSCE, 2008). 인장 실험 결과는 밀도나 압축강 도에 비해 클 가능성이 있기 때문에 실험체를 각 배합별로 총 6개씩 제작하였다. 직접인장 실험은 최대용량 2톤의 인장강 도 시험기에서 0.1 mm/min. 속도의 변위 제어 방식으로 수행 하였다. 변위 측정 방법은 실험체의 좌우 측면에 20 mm 용량 의 변위계를 부착하여 측정하였으며, 변형률 환산을 위한 측 정길이는 80 mm이다. 측정구간 내의 단면은 S-UHPC 배합의 경 우 30 mm × 30 mm이고, PE-AAS 배합과 AAS 배합은 30 mm × 13 mm로 일정하다. Fig. 1(b)는 직접인장 실험 모습을 나타낸다.

Fig. 1

Dimension of specimen and test setup

3.1. 밀도

Fig. 2는 각 배합의 측정된 밀도를 나타낸다. 예상된 바와 같이 S-UHPC 배합의 밀도가 가장 크게 측정이 되었으며 밀 도가 낮은 폴리에틸렌섬유를 혼입한 PE-AAS 배합의 밀도가 가장 낮게 측정되었다. 이론적 밀도는 각 재료의 밀도와 배합 으로부터 계산하였는데 모든 배합의 측정된 밀도와 이론적 밀도의 차이는 0.6% 이하로 나타났다. 이러한 실험 결과로부 터 이 연구에서 제조한 실험체들이 실험체를 제조하는 동안 의도하지 않은 기포들이 생성되지 않고 밀실하게 만들어진 것을 확인할 수 있다.

Fig. 2

Density

3.2. 압축강도

Fig. 3은 각 배합별 압축강도 측정 결과를 나타낸다. S-UHPC 배합의 압축강도는 155 MPa로 나타나, 150 MPa 이상을 요구 하는 UHPC의 성능을 만족하였다. 고온 양생을 하면 이보다 더 높은 압축강도가 나타날 것으로 예상된다. PE-AAS 배합 은 32.9 MPa의 압축강도가 나타났으며, S-UHPC 배합에 비하 여 21.2% 수준으로 나타나 두 배합의 압축강도에는 큰 차이가 있는 것을 알 수 있다. 섬유를 혼입하지 않은 AAS 배합의 경 우 PE-AAS 배합과 비교하여 약 3% 정도 차이가 발생하여 폴 리에틸렌섬유의 혼입에 의한 영향이 거의 없는 것으로 나타 났다.

Fig. 3

Compressive strength

3.3. 인장거동

Fig. 4는 각 배합별 인장응력과 변형률 그래프를 나타낸다. 섬유가 들어간 S-UHPC 배합과 PE-AAS 배합의 경우 첫 번째 균열발생 이후 변형률 경화거동이 나타났다. S-UHPC 배합과 PE-AAS 배합 모두 변형률 경화거동이 나타났지만 전체적인 거동에는 큰 차이가 발생하였다. S-UHPC 배합은 PE-AAS 배 합에 비하여 높은 균열강도와 높은 인장강도가 나타난 반면 인장변형성능은 낮게 나타났다. 섬유가 혼입되지 않은 AAS 배합의 경우 일반적인 콘크리트와 같이 첫 번째 균열발생 이 후 급격한 응력저하가 발생하면서 파괴되었다.

Fig. 4

Tensile stress and strain curves: (a) S-UHPC, (b) PE-AAS, and (c) AAS

Fig. 5는 각 배합별 첫 번째 균열강도, 인장강도, 그리고 인 장변형성능을 도표로 나타낸 것이다. S-UHPC 배합의 첫 번 째 균열강도는 10.7 MPa로 나타났다. PE-AAS 배합의 첫 번 째 균열강도는 3.4 MPa였으며, S-UHPC 배합의 31.4% 수준 이다. 균열강도는 압축강도와 비례하기 때문에 이와 같은 차 이가 발생하였다. 섬유가 혼입되지 않은 AAS 배합의 첫 번째 균열강도는 PE-AAS 배합의 첫 번째 균열강도와 1.9% 차이만 발생하여 균열강도는 섬유의 영향이 거의 없는 것으로 나타 났다.

Fig. 5

Tensile behavior: (a) first cracking strength, (b) tensile strength, and (c) tensile strain capacity

S-UHPC 배합의 인장강도는 20.4 MPa로 나타났다. PEAAS 배합의 인장강도는 8.3 MPa로 나타났으며, 이는 S-UHPC 배합의 40.4% 수준으로 첫 번째 균열강도의 차이에 비하여 9.1% 감소된 것으로 나타났다. 섬유를 보강하는 경우 인장강 도는 매트릭스의 성질이 아니라 균열면에서 매트릭스와 섬유 사이의 섬유가교거동에 의해 결정되며, 인장강도는 최대 섬 유가교응력과 같다. 이러한 사실로부터 S-UHPC 배합과 PE-AAS 배합 모두 최대 섬유가교응력이 매트릭스 균열강도 보다 큰 것을 간접적으로 알 수 있다. AAS 배합의 인장강도는 첫 번째 균열강도와 동일하였으며, PE-AAS 배합과 비교하면 58.6% 감소된 것이다. 즉, 폴리에틸렌섬유 혼입을 통하여 인 장강도를 2.4배 증가시킬 수 있는 것으로 나타났다.

S-UHPC 배합의 인장변형성능은 1.04%로 나타났으며, 이 는 일반적인 초고성능 콘크리트의 인장변형성능과 유사한 값 이다. PE-AAS 배합의 인장변형성능은 7.89%로 나타났으며, 이는 S-UHPC 배합에 비하여7.62배 높은 값이다. 종합적으로 PE-AAS 배합이 S-UHPC 배합에 비하여 강도는 낮지만 낮은 강도에 비하여 훨씬 큰 인장변형성능이 나타났다. AAS 배합 (0.02%)과 비교하면 PE-AAS 배합은 394배 높은 인장변형성 능을 나타내었다.

Fig. 6은 압축강도(f_cu) 대비 첫 번째 균열강도(f_1st)의 비를 타 낸다. 일반적으로 무근 콘크리트의 인장강도가 압축강도의 10% 수준인데 반하여 S-UHPC 배합은 이보다 작게 나타났으 며, PE-AAS 배합과 AAS 배합은 각각 10.2%와 10.1%로 나타 났다.

Fig. 6

Ratio of the first cracking strength to the compressive strength

Fig. 7은 각 배합별 압축강도 대비 인장강도(f_t)의 비를 나타 낸다. S-UHPC 배합의 경우 압축강도 대비 인장강도의 비가 13.2%로 나타난 반면 PE-AAS 배합은 압축강도 대비 인장강 도의 비가 25.1%로 나타났다. PE-AAS 배합이 S-UHPC 배합 에 비하여 압축강도, 첫 번째 균열강도, 인장강도 모두 낮지만 압축강도 대비 인장강도는 12.0% 높게 나타났다. 이를 통해 S-UHPC 배합에 비하여 PE-AAS 배합이 섬유 혼입을 통하여 인장성능을 향상시키는데 상대적으로 효과적임을 알 수 있 다. AAS 배합의 압축강도 대비 인장강도의 비는 압축강도 대 비 균열강도의 비와 같은 10.1%였다. 이는 섬유보강 효과가 없었기 때문이다.

Fig. 7

Ratio of the tensile strength to the compressive strength

Fig. 8은 각 배합별 첫 번째 균열강도 대비 인장강도의 비를 나타낸다. S-UHPC 배합의 경우 첫 번째 균열강도 대비 인장 강도의 비는 1.9로 나타났으며, PE-AAS 배합은 2.5로 나타났 다. AAS 배합은 1로 나타났다. ^{Kanda and Li (2006)}는 다중 균 열에 의한 변형률 경화거동이 나타나기 위한 지표로서 강도 지표와 에너지 지표를 제시하였다. 강도 지표는 매트릭스 균 열강도 대비 최대 섬유가교응력의 비로 표현되며 이 값이 클 수록 다중 균열에 의한 변형률 경화거동이 나타날 확률이 커 지게 되며, 최소 1보다 커야한다. 즉, Fig. 8은 강도 지표를 나 타내며, 이 값은 인장변형성능과 강한 상관관계를 갖고 있다. 이 연구에서도 강도 지표가 가장 큰 PE-AAS 배합이 가장 큰 인장변형성능을 나타내었다.

Fig. 8

Ratio of the tensile strength to the first cracking strength

Fig. 9는 인장응력과 변형률의 면적을 나타내는 인성을 나 타내며 재료가 파괴되면서 흡수할 수 있는 에너지를 의미한 다. 인성을 계산할 때 기준 변형률은 최대 응력에 해당하는 변 형률로 하였다. PE-AAS 배합이 S-UHPC 배합에 비하여 첫 번째 균열강도와 인장강도는 낮았지만, 인성은 2.8배 높은 것 으로 나타났다. AAS 배합의 인성은 0.0007 MPa m/m로 PE-AAS 배합과 S-UHPC 배합에 비하여 매우 낮았다. 콘크리트 구조 물을 설계할 때 콘크리트의 인성이 매우 낮기 때문에 인성을 설계에 반영하지 않지만, 이 연구에서 조사한 재료와 같이 강 도는 일반적인 콘크리트와 유사하면서 인장변형성능 및 인성 이 큰 재료가 사용된다면 지진과 같이 큰 변형이 발생할 수 있 는 하중이 작용할 때 구조물의 성능을 향상시키는데 기여할 수 있을 것으로 생각된다.

Fig. 9

Toughness