2.1. 실험 계획

Table 1에 시험체의 수준을 나타내었다. 본 연구에서는 장섬 유와 단섬유의 하이브리드 보강에 의한 HP-HFRCC의 인장거 동에 미치는 변형속도의 영향을 평가하기 위하여 HSF와 PVA 를 각각 1.5+0.5, 1.0+1.0, 0.5+1.5vol.%의 비율로 보강하여 HPHFRCC를 제작하였으며, HSF를 2.0vol.% 단일 보강한 섬유보강 시멘트복합체(High Performance-Mono Fiber Reinforced Cement Composite, 이하 HP-MFRCC)를 추가로 제작하였다.

2.2. 사용재료 및 배합

Table 2에 사용재료의 물리적 성질을 나타내었다. 시멘트는1 종 보통 포틀랜드 시멘트를 사용하였으며, 섬유의 분산성 향상 효과 및 매트릭스의 유동성을 고려하여 플라이 애쉬를 사용하였 다. 잔골재의 경우 매트릭스의 균질성과 섬유의 분산성을 확보 하기 위하여 밀도 2.64 g/cm³, 흡수율 0.38%의 7호 규사를 사용 하였다. 또한, 섬유보강에 의한 유동성 저하를 고려하여 폴리카 르본산계 고성능 감수제를 사용하였다. 사용섬유는 길이 30 mm, 직경 0.5 mm, 밀도 7.85 g/cm³, 인장강도 1140 MPa의 HSF와 길 이 12 mm, 직경 0.0426 mm, 밀도 1.30 g/cm³, 인장강도 1300 MPa 의 PVA를 사용하였으며, 섬유의 형상은 Fig. 1에 나타내었다.

Fig. 1.

Picture of used fiber

Table 3에 HPFRCC의 배합을 나타내었다. W/B는 40%로 설 정하였으며, 섬유는 체적의 외할로 혼입하였다. HPFRCC의 비 빔은 바인더와 규사를 건비빔한 후 물과 감수제를 투입하여 모 르타르를 제작하였다. 그 후 섬유가 고르게 분산되도록 일정량 의 섬유를 간격을 두고 투입하였으며, 소정의 유동성을 만족하 기 위해 충분한 비빔을 실시하였다. 비빔 된 HPFRCC는 몰드에 타설하였으며, HPFRCC로 채워진 몰드는 타설 면을 양생시트 로 덮은 후, 항온·항습실에서 1일 간 양생되었으며, 1일 후 모든 시험체는 탈형되어 재령 28일까지 표준수중양생을 실시하였다.

2.3. 실험 방법

Fig. 2(a)에 본 연구에서 평가된 인장 시험체의 형상을 나타내 었다. 시험체는 길이 400 mm, 너비 100 mm, 두께 25 mm이고, 중앙 단면이 25×50 mm로 좁아지는 도그-본 형태로 제작하였으 며, 변형측정범위(gauge length) 외에서 시험체가 파괴되는 것 을 방지하기 위하여 시험체의 양 끝에 각각 2개의 와이어 메쉬를 보강하였다. 또한 시험체 크기의 영향을 받지 않게 하기 위하여 정적인장시험과 고속인장시험 모두 동일한 크기의 시험체를 사 용하였으며, 각 수준당 3~5개의 시험체에 대하여 평가하였다.

Fig. 2.

Geometry of tensile specimen and test set up for static test(strain rate : 10^-6/s)

정적인장시험은 Fig. 2(b)에 나타낸 250 kN급 직접인장 시험 장치를 이용하여 실시하였으며, 시험체의 변위는 시험체 좌우에 LVDT 변위계를 설치하여 측정하였다. 재하속도는 1 mm/min 로 설정하였고, 평균 변형속도는 10^-6/s로 측정되었다.

Fig. 3(a)에 급속재하 시험장치를 나타내었다. 급속 재하 시험 장치는 고압의 유압유를 사용하여 상단에 위치한 질소튜브를 압 축시킨 후 유압으로 인해 압축되어 있던 질소튜브가 순식간에 팽창함으로써 발생하는 압력을 급속으로 재하하는 방식이다. 급 속으로 재하된 하중은 Fig. 3(b)에 나타낸 인장지그를 통하여 시 험체에 인장 하중으로 전달된다. 재하속도는 5 m/s로 설정하였 고, 평균 변형속도는 10¹/s로 측정되었다. 인장응력은 인장지그 의 상부에 설치되어 있는 로드셀로 측정하였으며, 인장변형(%) 은 시험체에 부착되어 있는 LVDT에서 측정된 변위(ΔL)와 변 형측정범위(L)를 이용하여 산출하였다. 변형속도는 각각의 시험 체에서 얻어진 시간(t)과 변형(ε)곡선의 기울기로 산정하였다.

Fig. 3.

The rapid loading test equipment(Strain rate : 10¹/s)

Fig. 4에 인장특성의 개요를 나타내었다. 인장특성은 시험에 의해 얻어진 인장응력-변형 곡선의 최대응력 점을 인장강도 (σ_ts), 최대 인장응력(=인장강도)에서의 변형을 변형능력(δ_ts), 그리고 시험체가 파괴될 때까지의 인장응력-변형곡선의 아래 면 적을 파괴인성(T_f)으로 설정하였다.

Fig. 4.

Summary of tensile properties

또한, 본 연구에서는 HSF와 PVA의 하이브리드에 의한 인장 특성을 분석하기 위하여 시너지 효과(synergistic response)를 도 출하였다. 시너지 효과는 HP-MFRCC의 인장특성에 대한 HPHFRCC의 인장특성의 향상 또는 감소 효과를 정량적으로 나타 내는 지표이며, 시너지 효과의 값이 양(+)일 경우, 하이브리드에 의해 인장특성이 향상되었다고 판단할 수 있다. 다음 식(1)에 시 너지 효과의 산출 식을 나타내었다(^{Tran and Kim, 2017}).

여기서, R_{hybird, a+b}는 a와 b 섬유를 혼합하여 보강한 HPHFRCC의 인장특성, R_{mono, a}는 a 섬유를 보강한 HP-MFRCC의 인장특성, R_{mono, b}는 b 섬유를 보강한 HP-MFRCC의 인장특성 이며, R_{hybird, a+b}, R_{mono, a}, R_{mono, b}는 모두 동일한 혼입률(V_f)를 기준으로 한다. 본 연구에서 HP-MFRCC는 HSF를 2.0vol.%로 단일 보강한 시험체만 평가하였기 때문에, R_{mono, a}에 대해서만 고려하였다.

한편, 섬유 혼합비에 따른 HPFRCC의 인장특성에 미치는 변 형속도의 효과를 평가하기 위하여 각각의 인장특성에 대하여 동 적증가계수(Dynamic increase factor, 이하 DIF)를 산출하였다. DIF는 변형속도 10¹/s에서 측정된 인장특성의 값을 변형속도 10^-6/s에서 측정된 인장특성 값으로 나누어 산출하였다.

3.1. 인장응력-변형 곡선 및 파괴성상

Fig. 5에 변형속도(10^-6/s, 10¹/s)에 따른 HPFRCC의 인장응력 -변형 곡선, Fig. 6에 인장 시험에 의한 시험체의 다중 균열 거동, Table 4에 변형속도에 따른 인장특성을 나타내었다.

Fig. 5.

Tensile stress versus strain curve by strain rate

Fig. 6.

Multiple micro-cracking behavior of HPFRCC

HSF2.0은 변형속도 10^-6/s에서 초기균열이 발생한 후 HSF와 매트릭스의 가교작용(bridging effect)으로 인하여 다중균열을 동반한 변형경화거동이 나타났으며, 인장강도 점 이후 변형연화 구간에서 섬유가 매트릭스로부터 직선형으로 인발되는 파괴거 동이 관찰되었다.

변형속도 10¹/s에서는 변형속도가 증가함에 따라 섬유와 매트 릭스 사이의 부착력이 향상되어 인장강도 및 변형능력이 모두 증가하였으나, 다중균열의 개수가 증가하는 경향은 나타나지 않 았다. 한편, 변형속도가 증가함에 따라 HSF 주변의 매트릭스에 서 발생하는 마이크로 균열이 증가하여 직선형으로 인발되는 섬 유의 수가 감소하기 때문에, 인장강도 이후의 응력저하가 급격 하게 발생하는 것으로 판단된다.

HSF1.5PVA0.5는 변형속도 10^-6/s에서 초기균열발생 이후 변 형경화거동이 발생하였으며, PVA가 HSF의 주변 매트릭스에 분포되어 있어, HSF와 매트릭스의 부착력이 향상되기 때문에 HSF2.0에 비해 인장강도가 향상되었다. 그러나 HSF의 혼입률 이 감소하고, PVA의 섬유 혼입률이 0.5vol.%로 낮기 때문에 다 중균열의 개수가 감소하는 거동이 나타났으며, 이로 인해 변형 능력이 감소한 것으로 판단된다. 한편, 인장파괴단면에서 PVA 는 매트릭스로부터 인발되지 않고 파단되는 거동이 관찰되었다.

변형속도 10¹/s에서는 섬유와 매트릭스의 부착력이 향상되어 인장강도, 변형능력 및 균열개수가 증가하였다. 또한 매트릭스 에 분포되어 있는 PVA가 HSF의 주변 매트릭스에 발생하는 마 이크로 균열을 억제하기 때문에 직선형으로 인발되는 HSF의 수 가 HSF2.0에 비해 증가하였기 때문에 인장강도 이후의 응력 저 하가 감소한 것으로 판단된다.

HSF1.0PVA1.0 및 HSF0.5PVA1.5의 경우, 변형속도 10^-6/s 에서 HSF2.0에 비해 HSF의 혼입률이 감소하기 때문에 인장강 도는 감소하였으나, PVA의 섬유 혼입률이 1.0vol.% 이상으로 증가함에 따라 매트릭스 내부에 분포하고 있는 섬유의 혼입개체 수가 증가하였으며, 이로 인한 응력의 분산에 의해 다중균열의 개수와 변형능력이 증가하는 경향이 나타났다.

변형속도 10¹/s에서는 섬유와 매트릭스의 부착력이 향상되어 인장강도는 증가하였으나, 변형속도 10^-6/s에 비해 다중균열 개 수 및 변형능력이 감소한 것으로 확인되었다. 이는 변형속도가 증가함에 따라 PVA가 파단되지 않고, 매트릭스로부터 인발되 는 파괴거동을 나타내어 다중균열의 개수가 감소하기 때문인 것 으로 판단된다.

3.2. 섬유 혼합비에 따른 인장특성 시너지 효과

Fig. 7에 섬유 혼합비에 따른 HP-HFRCC의 인장강도, 변형능 력 및 파괴인성의 시너지 효과를 나타내었다. 변형속도 10^-6/s에서 HSF1.5PVA0.5는 초기균열발생 이후 경화초기단계에서 PVA가 HSF와 함께 가교작용을 하고, HSF의 주변 매트릭스에 발생하 는 마이크로 균열을 억제하여 HSF의 인발저항성능이 향상되었 기 때문에 인장강도의 시너지는 양의 값을 나타내었다. 한편, HSF1.0PVA1.0과 HSF0.5PVA1.5의 인장강도 시너지는 음의 값을 나타내었으며, HSF의 혼입률이 감소할수록 시너지가 감소 하는 경향을 나타내었다.

Fig. 7.

Synergistic response of tensile properties by fiber blending ratio

변형속도 10¹/s에서 HSF1.5PVA0.5의 인장강도 시너지는 양 의 값을, HSF1.0PVA1.0과 HSF0.5PVA1.5는 음의 값을 나타내 었으며, 섬유의 혼합비에 따른 인장강도 시너지의 경향은 변형 속도 10^-6/s와 유사한 것으로 확인되었다.

변형능력 시너지 효과의 경우, 변형속도 10^-6/s에서 HSF1.5 PVA0.5는 음의 값을 나타내었으며, 이는 HSF의 혼입률 감소와 PVA의 낮은 혼입률에 의해 시멘트 복합체의 다중균열 개수가 감소하였기 때문인 것으로 사료된다. 한편, HSF1.0PVA1.0과 HSF0.5PVA1.5의 변형능력 시너지는 양의 값을 나타내었으며, PVA의 혼입률이 증가할수록 매트릭스 내부의 섬유 혼입개체수 가 증가하여 다중균열유도 성능이 향상되기 때문에 변형능력 시 너지가 증가하였다. 그러나 변형속도 10¹/s에서 HP- HFRCC의 변형능력 시너지는 모두 음의 값을 나타내었으며, HSF의 혼입 률이 감소하고, PVA의 혼입률이 증가할수록 변형능력 시너지 가 감소하는 경향을 나타내었다.

이러한 원인은 변형속도 10^-6/s에서 PVA는 섬유와 매트릭스 의 부착력이 섬유의 인장강도 보다 높기 때문에 마이크로 균열 에 대하여 가교작용을 하며 다중균열거동을 나타낸 후 섬유가 파단되었으나, 변형속도가 10¹/s로 증가함에 따라 섬유의 인장 강도가 섬유와 매트릭스의 부착력보다 더 크게 향상되어 다중균 열거동을 나타내지 못하고 섬유가 인발되었으며, 이로 인해 변 형능력 시너지가 감소한 것으로 판단된다.

변형속도 10^-6/s에서 HP-HFRCC의 파괴인성 시너지는 모두 양 의 값을 나타내었으며, 이는 PVA가 마이크로 균열의 확장을 억제하 고, HSF가 매크로 균열의 확장을 억제하는 가교작용을 하였기 때문 인 것으로 사료된다. 한편, 변형속도 10¹/s에서 HSF1.5PVA0.5는 가장 높은 파괴인성 시너지를 나타내었으며, 이는 PVA의 혼입 으로 인해 HSF 주변 매트릭스의 마이크로 균열이 억제되어 직 선형으로 인발되는 HSF의 수가 증가하는 파괴거동과 변형속도 의 증가에 따른 PVA의 인발거동이 복합적으로 작용하기 때문 인 것으로 판단된다. 한편, HSF1.0 PVA1.0 및 HSF0.5PVA1.5 의 파괴인성 시너지는 HSF의 혼입률이 감소하고 PVA의 혼입 률이 증가할수록 감소하는 경향을 나타내었다.

3.3. 인장특성에 미치는 변형속도의 영향

Fig. 8에 섬유 혼합비에 따른 HPFRCC의 인장특성에 미치는 변형속도의 효과를 나타내었다. 인장강도 DIF의 경우 HSF2.0 에서 가장 높았으며, HSF0.5PVA1.5에서 가장 낮게 산출되었 다. 이는 PVA는 섬유와 매트릭스의 부착력에 의해 인장강도가 향상되지만, HSF는 섬유와 매트릭스의 부착력 및 섬유의 변형 된 단부와 매트릭스의 기계적 결합(mechanical bonding)이 복합 적으로 작용하기 때문에 HSF의 혼입률이 많을수록 인장강도의 변형속도 민감도가 더 높은 것으로 판단된다.

Fig. 8.

Strain rate effect on tensile properties of HPFRCC

변형능력 DIF에서, HSF와 PVA를 혼합하여 보강하는 경우, PVA가 HSF 주변의 매트릭스에서 발생하는 마이크로 균열을 억제 하여 HSF의 인발저항성능을 향상시키기 때문에, HSF1.5PVA0.5 가 HSF2.0보다 변형능력의 변형속도 민감도가 더 높게 나타났 다. 한편, HSF0.5PVA1.5는 가장 낮은 변형능력 DIF을 나타내 었으며, 이는 변형속도 민감도가 높은 HSF의 혼입률이 가장 낮 기 때문인 것으로 판단된다.

파괴인성 DIF은 HSF2.0이 가장 작고, HSF1.5PVA0.5는 가 장 크게 나타났다. HSF1.5PVA0.5의 경우, PVA가 HSF 주변 매 트릭스의 마이크로 균열을 억제하기 때문인 것으로 판단된다. 한편, HSF1.0PVA1.0과 HSF0.5PVA1.5는 HSF1.5PVA0.5보 다 파괴인성의 변형속도 민감도가 크지 않은 것으로 확인되었으 며, 이는 파괴인성 향상에 큰 영향을 미치는 HSF의 혼입률이 감 소했기 때문인 것으로 사료된다.