2.1. 사용재료 및 배합

실험에서 적용한 고연성 시멘트 복합체의 배합은 Table 1과 같다. 물시멘트비는 0.35로 하였으며, 시멘트는 1종 보통포틀랜 드시멘트를 사용하였다. 굵은골재는 사용하지 않았으며, 잔골재 로 규사 및 일반모래를 사용하였다. 규사는 밀도 2.62 g/cm², 평 균입경 약 290 μm의 7호사를 사용하였으며, 일반모래는 밀도 2.63 g/cm³, 조립률 2.55, 흡수율 1.65를 나타내는 강모래를 사용 하였다. 규사 및 일반모래의 입도분포는 Fig. 1과 같다. 섬유는 폴리에틸렌(Polyethelene, PE) 섬유를 사용하였으며, 물리적 성 질은 직경 12 μm, 길이 18 mm, 인장강도 2,700 MPa, 밀도 0.97 g/cm³, 탄성계수 88 GPa이다. PE 섬유의 혼입량은 전체 부피의 1.5%로 하였다. 고성능감수제는 폴리칼폰산계로 시멘트 중량의 0.07%를 사용하였다. 균일한 섬유 분산성 확보를 위한 매트릭스 점성 조절을 목적으로 소량의 증점제를 사용하였으며, 또한 기 포 발생에 따른 영향을 줄이기 위해 소포제도 소량 첨가하였다.

Fig. 1.

Particle size distributions of (a) micro-silica sand and (b) normal sand

일반적으로 잔골재로 사용하고 있는 규사 대신에 일반모래를 일부 또는 전부 사용했을 때 고연성 시멘트 복합체의 인장거동 변화를 살펴보기 위하여 잔골재 중 일반모래의 비율을 25%, 50%, 75%, 100%로 다르게 하여 실험배합을 구성하였다.

2.2. 실험체 제작 및 실험방법

시멘트 복합체의 혼합은 먼저 분말 형태의 시멘트와 규사를 건비빔한 후, 배합수와 고성능감수제를 섞어서 넣고, 균질한 매 트릭스가 확보되도록 충분한 시간 동안 혼합을 한 후에 저속상 태에서 PE섬유를 투입하고 섬유가 고르게 분산될 때까지 다시 혼합 과정으로 실시하였다.

혼합 후 굳지 않은 상태에서의 유동성 평가를 KS L 5105 에 따른 플로우 시험으로 먼저 실시하고, 압축 및 인장실험을 위한 실험체를 제작하였다. 압축강도 평가를 위한 압축공시체는 KS L 5105에 따라 50 mm × 50 mm × 50 mm 크기의 정육면체로 제 작하였으며, 직접인장 실험체는 Fig. 2(a)와 같은 형상으로 제작 하였다.

Fig. 2.

(a) Geometry of specimen and (b) Test setup

모든 실험체는 재령 28일까지 20°C ± 3°C 양생수조에서 수중 양생을 실시하였으며, 재령 28일에서 실험을 실시하였다. 압축 강도는 1,000 kN 용량의 만능재료시험기를 사용하여 측정하였 고, 일축인장시험은 재하용량 100 kN의 만능재료시험기를 사용 하여 실험을 실시하였다. 재하속도 0.003 mm/sec이고, 변형률 계산을 위한 변형 측정 구간은 30 mm × 30 mm 정사각형 면적을 갖는 길이 80 mm이다. 하중을 가하는 동안 변형은 Fig. 2(b)와 같이 길이 변화량을 측정할 수 있는 센서를 지그에 설치하여 계 측하였으며, 동시에 로드셀로 하중을 측정하였다.

3.1. 유동성

Fig. 3은 규사에 대한 강모래 치환율 변화에 따른 플로우 측정 값의 변화를 나타낸 것으로, 강모래 치환율이 증가함에 따라 유 동성이 증가하는 것으로 나타났다. 이와 같은 결과는 입도분포 에 따른 영향으로 판단된다. 약 100 μm에서 500 μm 입경 크기 의 좁은 범위에서 입도분포를 가지는 규사에 비해 강모래는 100 μm 내외에서 4,750 μm까지 상대적으로 넓은 입경범위를 가 지고 있기 때문에, 다양한 크기의 입자들의 적절한 구성으로 골 재입자들의 충전밀도가 상대적으로 크게 나타났을 것으로 추측 할 수 있다. 강모래를 규사의 일부로 치환하여 사용한 경우에도 강모래의 상대적으로 양호한 입도분포가 규사와 혼합되면서 충 전밀도가 점진적으로 증가하게 되고, 동일한 배합수량에 대해 향상된 충전밀도가 Fig. 3과 같은 유동성 향상으로 나타난 것으 로 판단된다. 충전밀도에 대한 정량적 근거를 도출하기 위하여, 고체 입자들로 구성된 배합에 대한 선형충전밀도 모델(^{de Larrard and Sedran, 1994})을 이용하여 충전밀도를 계산해 보았다. 이 연 구에서 고려한 시멘트, 규사 및 강모래로 구성된 배합에 대해 충 전밀도를 계산해 본 결과, 규사만을 사용한 경우에는 충전밀도 가 0.708인 반면 강모래 치환율이 25%에서 100%까지 증가함에 따라 충전밀도가 0.711에서 0.719까지 증가하는 것으로 나타났 다. 이와 같은 결과는 플로우 값의 변화와 밀접한 연관성을 보이 고 있다.

Fig. 3.

Flow test results with different replacement ratio of river sand for micro-silica sand

3.2. 압축강도

규사 대신 일부 강모래를 사용함에 따른 고연성 시멘트 복합 체의 압축강도 변화는 크지 않은 것으로 나타났다. Fig. 4는 강모 래 치환율에 따른 압축강도 변화를 나타낸 것이다. 강모래 치환 율이 50%인 경우 압축강도가 다소 떨어지는 결과를 나타내었지 만, 25%, 75% 및 100%에서는 거의 유사한 압축강도 결과를 나 타내었다. 한편 Fig. 4에서 강모래 치환율 변화에 따른 압축강도 결과값의 편차를 살펴보면, 표준편차로 나타낸 오차막대의 크기 가 강모래 치환율이 증가할수록 증가하는 경향을 볼 수 있다. 작 은 입자크기와 상대적으로 좁은 입경 범위를 가지는 규사를 사 용하면 재료의 균질성을 향상시킬 수 있기 때문에 최근 다양한 고성능 시멘트 복합체에서 많이 사용하고 있는데, 입경이 크고 입도분포 범위가 넓은 강모래를 많이 사용할수록 재료의 비균질 성이 증가하여 압축강도의 편차가 커지는 결과로 나타난 것으로 판단된다.

Fig. 4.

Compressive strengths with different replacement ratio of river sand for micro-silica sand

3.3. 일축인장거동

Fig. 5는 일축인장실험을 통해 얻은 일축인장 응력-변형률 관 계를 강모래 치환율별로 나타낸 것이다. 모든 실험체에서 첫 번 째 균열발생 이후 변형률 증가와 함께 인장응력이 계속적으로 증가하는 고연성 시멘트 복합체의 전형적인 변형률경화 거동이 나타났다. 강모래의 치환율이 증가함에 따라 최대응력에 도달하 는 시점에서의 인장변형률이 대체적으로 증가하는 것으로 나타 났다. 인장변형률 성능 관점에서 볼 때, SR25에 비해 SR50은 인 장거동이 크게 향상된 것으로 보이며, SR50, SR75, SR100 사이 에서는 직관적으로 관찰했을 때 인장거동에 큰 차이는 없지만 전체적으로 인장거동이 유사하거나 약간 향상되는 것으로 나타 났다.

Fig. 5.

Uniaxial tensile behaviors with different replacement ratio of river sand for micro-silica sand: (a) RS25, (b) RS50, (c) RS75, and (d) RS100

Fig. 6은 강모래 치환율에 따른 일축인장강도를 비교하여 나 타낸 것이다. 압축강도와 마찬가지로 일축인장강도에서도 강모 래 치환율 변화에 따른 강도 변화는 크지 않은 것으로 나타났으 며, 강모래 치환율에 따른 일정한 변화 경향을 보이지 않았다.

Fig. 6.

Uniaxial tensile strength with different replacement ratio of river sand for micro-silica sand

Fig. 7은 강모래 치환율에 따른 일축인장변형률 성능을 비교 하여 나타낸 것으로, 인장변형률 성능은 인장응력의 최고점에 도달한 이후에 인장강도의 90% 응력에 도달할 때까지 발생한 인장변형률로 정의하였다. 인장강도의 변화와는 달리 인장변형 률 성능에서는 강모래 치환율이 증가함에 따라 인장변형률 성능 이 크게 향상되는 경향을 확인할 수 있었다. 반면, 인장변형률 성 능의 편차를 살펴보면, 강모래 치환율이 증가할수록 편차도 크 게 증가하는 결과를 나타내었는데, 이와 같은 결과는 압축강도 결과에서와 동일한 경향을 보이는 것이다. 강모래 사용량이 증 가함에 따라 압축강도와 인장강도에는 의미있는 차이가 나타나 지 않았지만 인장변형률 성능에 차이가 나타나는 주 이유는 발 생한 균열 개수의 차이에 의한 것으로 판단된다. Fig. 8은 SR25 및 SR100 실험체에서 일축인장실험 종료 후 비재하상태에서 실 험체에 형성된 균열발생 양상을 비교하여 나타낸 것이다. 두 실 험체에서 변형률 측정 범위 내에서 관찰된 균열 개수를 비교했 을 때 SR25에 비해 SR100에서 더 많은 균열이 전단면에 걸쳐 더 고르게 관찰되었으며, 형성된 균열 분포밀도의 차이가 인장변형 률 성능의 큰 차이로 나타난 것으로 판단된다. 다만, 인장변형률 성능에서 편차로 나타낸 오차막대의 최저점을 기준으로 비교할 경우에는 강모래 치환율별 인장변형률 성능의 차이가 상대적으 로 크지 않은 것으로 나타났다.

Fig. 7.

Tensile strain capacity with different replacement ratio of river sand for micro-silica sand

Fig. 8.

Comparison of crack distribution of (a) RS25 and (b) RS100

종합적으로 고연성 섬유보강 복합체에서 강모래 사용량이 압 축강도와 인장강도보다는 인장변형률 성능에 크게 영향을 미치 는 것으로 나타났으며, 강모래 사용량이 증가함에 따라 압축강 도 및 인장변형률 성능의 편차를 증가시키는 것으로 나타났다. 이 연구에서 실험적으로 검토한 강모래 사용에 따른 고연성 섬 유보강 복합체의 인장성능 원리를 규명하기 위해서는 섬유인발 실험, 매트릭스 파괴인성 실험, 섬유 분산성 평가 실험 등 추가적 인 연구가 필요하지만, 기존에 사용되지 않았던 강모래를 고연 성 섬유보강 복합체에 적용하여 5.6% 이상의 높은 인장변형률 성능을 확보할 수 있다는 것을 이 연구를 통해 확인하였다.