2.1 결합재

본 연구에 사용된 시멘트는 KS 품질기준을 만족하는 국내 A사에서 생산된 밀도 3.15 g/cm³ 인 보통포틀랜드 시멘트를 사용하였고, 그 특성은 Table 3에 나타내었다. 시멘트의 압축 강도 시험의 경우 KS L ISO 679 방법에 따라 수행하였다. 시 멘트 결합재로 사용한 플라이애시(fly ash)와 고로슬래그 미 분말(Blast furnace slag)의 밀도는 각각 2.16 g/cm³, 2.90 g/cm³ 이며, 각 재료의 특성은 Table 4에 표기하였다.

Table 3

Properties of OPC

Table 4

Properties of fly ash and blast furnace slag

2.2 규사

본 연구에서는 고인성 섬유복합체의 다중미세균열(multiplemicro cracks)을 유도하기 위하여 일반적으로 사용되는 밀도 2.60 g/cm³, 평균입경 130 ㎛의 규사(silica sand)를 사용하였다. 고인 성 섬유복합체에 굵은골재를 사용하지 않은 이유는 매트릭스의 파괴인성 증가로 인한 응력 집중의 영향을 줄이기 위함이다.

2.3 PVA 섬유 및 혼화제

본 연구에서는 2 %이상의 인장변형성능을 확보하기 위하 여 고인성 섬유복합체의 재료로 일본 C사에서 생산한 PVA 섬유를 사용하였다. Table 5에 나타낸 바와 같이 밀도 1.30 g/cm³, 직경 40 ㎛의 표면 처리된 PVA를 사용하였고, Table 6 에 물리, 역학적 특성을 표기하였다. 또한, SHCC 제작에는 고 성능감수제(SP), 증점제(VMA), 소포제(Defoamer)를 혼입하 였고, 사용재료의 밀도는 각각 0.37 g/cm³, 0.60 g/cm³ , 0.26 g/cm³이다.

Table 5

Properties of PVA fiber

Table 6

Properties of PDMS

2.4 PDMS 흡수방지재

본 연구에 사용된 PDMS 흡수방지재는 실란(Silane) 계열 과 폴리실록산(Polysiloxane) 계열의 표면보호재가 갖는 단점 을 보완하기 위하여 표면개질을 통해 사이즈를 제어한 합성 물질이다. 실란 계열의 표면 보호재는 낮은 분자량으로 인하 여 콘크리트 내부로의 침투성이 우수하지만 낮은 내수성을 가지고 있다. 반면 폴리실록산 계열의 표면 보호재는 높은 분 자량으로 인하여 내수성은 우수하지만 침투성이 떨어진다. 이를 위하여 개발된 흡수방지재는 폴리우레탄 원료를 합성하 여 약 120nm의 사이즈와 구형으로 제조되었다. 흡수방지재 의 물성은 Table 6에 표시하였다.

3.1 SHCC 침투깊이

콘크리트 표면에 흡수된 흡수방지재의 침투 깊이에 따라 성능이 좌우되고 이는 매우 중요한 평가 요소가 된다. 본 연구 에서는 현장에서 일반적으로 사용되는 브러쉬 방법과 스프레 이 방법, 콘크리트 2차 제품의 적용성을 고려한 침지 방법을 Photo 1에 도시한 바와 같이 KS F 4930 _『콘크리트 표면 도포 용 액상형 흡수방지재_』에 준하여 수행하였다. 브러쉬 방법의 경우 흡수방지재 0.5 L/m²의 용량을 기준으로 도포하였고, 스 프레이 방법의 경우, 브러쉬 방법과 동일한 용량을 스프레이 건을 사용하여 도포하였다. 침지방법의 경우, 시편이 침지될 수 있도록 흡수방지재를 용기에 충분히 담아 24시간 침지시 켰다. 흡수 방지재가 적용된 시편은 배합강도 50 MPa의 M1 을 사용하였으며 높이 30 mm로 절단된 시편을 세 가지 적용 방법에 따라 도포하였다. 이후 14일간 온도 20±1℃, 습도 60%의 항온항습실에서 양생하였다. 이후, 시편을 쪼갠 후 절 단면에 물을 분무하여 흡수방지재의 침투 깊이를 Photo 2와 같이 측정하였다.

Photo 1

Application method

Photo 2

Penetration depth test

3.2 압축강도

본 압축강도 시험은 KS F 2405 기준에 따라 수행하였다. 강 도시험을 위한 공시체는 각 배합별로 9개씩 제작하였고, 흡수 방지재 적용유무와 적용시기(7일, 14일)에 따른 강도 측정은 1,000 kN 용량의 만능재료시험기를 이용하여 측정하였다.

3.3 염소이온 침투 저항성능

염소이온 침투 저항성능을 평가하기 위한 시험은 KS F 2711 _『전기 전도도에 의한 콘크리트의 염소 침투 저항성 시험 방법_』및 ASTM C 1202 방법에 준하여 Photo 3과 같이 수행하 였다. 총 4가지 배합으로 만들어진 원주형 시편을 높이 50mm 로 절단한 뒤 1시간동안 표면을 건조시켰다. 건조된 시편은 옆면을 급속 도막제로 측면 공극을 모두 밀봉한 후 진공 데시 케이터에 넣어 압력 133 Pa(1mm Hg) 이하로 감소시키고 진 공상태에서 3시간, 증류수에서 18±2시간 침지시켜 전처리 과 정을 진행하였다. 이후 스프레이 방법으로 흡수방지재를 시 편의 상하부면에 분무하고 온도 20±1℃, 습도 60%의 항온 항 습실에서 14일간 양생과정을 거쳤다. 양생과정을 마친 시편 을 Photo 3에 도시한 바와 같이, 시험 셀에 거치하고 0.3N 농도 수산화나트륨(NaOH) 수용액을 전원 공급 장치의 양(+) 극에 3 % 농도 염화나트륨(NaCl) 수용액을 음(-)극에 연결하 여 60 V의 일정한 전압을 공급하였다. 시험 진행은 30분 간격 으로 6시간동안 전류를 측정하였고 통과 전하량(Coulomb)을 측정하였다. 통과전하량은 식 (1)을 사용하여 계산하였다.

Q : 통과전하량(coulombs)

I ₀ : 전압을 가한 직후의 전류

I_t : 전압을 가한 후 t분 경과 후의 전류

Photo 3

Chloride ion penetration resistance test (KS F 2711)

4.1 도포방법에 따른 침투깊이

적용방법에 따른 흡수방지재의 SHCC 침투깊이 결과는 Fig. 2와 Table 7에 표기하였다. 배합강도 50 MPa 의 M1 배합 시험체에 PDMS 흡수방지재를 도포한 결과, 모든 시편에서 KS F 4930 기준의 요구 침투깊이인 2 mm를 만족하였다. 브러 쉬 방법의 평균 침투깊이는 3.1 mm로 가장 작게 측정되었다. 스프레이 방법과 침지 방법의 침투깊이는 각각 3.7 mm, 4.4 mm로 측정되었고, 침지 방법이 가장 큰 침투깊이를 보였다. 침지방법의 경우 현장타설 콘크리트 구조물에는 적용이 불 가능하기 때문에 프리캐스트와 같은 콘크리트 2차 제품에 한 정적으로 적용할 수 있을 것으로 판단된다. 브러쉬방법은 KS 기준은 만족하였지만, 스프레이 방법과 비교하여 0.6 mm 작 은 침투깊이로 측정되었다. 현장 시공성 측면에서 스프레이 방법은 침투깊이 확보, 작업시간 확보를 통하여 브러쉬 방법 보다 효율적일 것으로 판단된다. 따라서, 본 연구에서는 현장 적용성을 고려하여 스프레이방법을 SHCC에 적용하여 시험 을 진행하였다.

Fig. 2

Penetration depth with different application methods

Table 7

Penetration depth with different application methods

4.2 SHCC 배합에 따른 침투깊이

SHCC 배합 조건에 따른 PDMS 흡수방지재의 침투깊이를 측정한 결과를 Fig. 3, Table 8에 표기하였다. 침투깊이를 측정 한 결과, M1 시험체의 평균 침투깊이는 3.7 mm로 가장 작은 침투깊이가 측정되었고, M2, M3, M4 시험체의 침투깊이는 각 각 4.4 mm, 5.5 mm, 6.3 mm로 측정되었다. M2, M3, M4 시험 체의 침투깊이는 M1과 비교할 경우 각각 19.0%, 48.6 %, 70.3 % 증가하였으며, 배합강도가 감소할수록 침투깊이는 증가하 는 경향을 확인할 수 있다. 시멘트량이 가장 큰 M1 SHCC 배 합은 M2, M3, M4 배합 시험체보다 시멘트 수화반응으로 인 한 시멘트 매트릭스 조직이 치밀해져 PDMS 흡수방지재가 원 활히 침투되지 않은 것으로 판단된다. 배합강도가 가장 작은 M4 시험체의 경우 흡수방지재의 침투깊이가 6.3 mm로 가장 많이 침투되었다. 이는 결합재치환율이 높아짐에 따라 플라 이애시와 슬래그, Ca(OH)₂에 의한 포졸란 반응이 공극구조 형 성의 주요 지배적인 역할을 하여 초기재령에서 강도발현이 저 조하였기 때문으로 판단된다(^{Kuder et al., 2012}).향후 삼성분 계 콘크리트의 강도발현 매커니즘을 정확히 파악하기 위하여 결합재간의 수화반응에 의한 강도발현과 수밀성의 상관관계 에 관한 심도 있는 연구가 필요할 것으로 사료된다.

Fig. 3

Measured penetration depth fo PDMS

Table 8

Penetration depth of SHCC applied with PDMS

또한, PDMS 흡수방지재를 적용한 시멘트 매트릭스의 미 세조직을 관찰하기 위하여 장방출 주사전자현미경(Scanning- Electron Microscope, 이하 SEM)을 활용하여 관찰하였다. SEM 분석결과, 흡수방지재가 침투된 면과 침투되지 않은 면 을 비교하였을 때 강도에 가장 큰 영향을 미치는 수화생성물 인 에트링자이트(Ettringite)가 다수 발견되었다[Photo 4(a)]. 또한 재령이 경과함에 따라 더 많은 Ca(OH)₂, C-S-H(gel)가 발견되면서 시멘트, 슬래그, 플라이애시로 인한 복합적인 수 화반응이 더 많이 발생되는 것을 확인하였다[Photo 4(b)]. 이 때 흡수방지재가 침투된 면에서 수화생성물을 뒤덮으면서 미 세공극을 채우는 것을 확인하였다. SHCC에 흡수방지재를 적 용할 경우, 소수성으로 인하여 외부 상대습도와의 수분공급 을 차단하여 수화반응에 영향을 미치게 되며, 결과적으로 강 도 발현에도 영향을 줄 것으로 판단된다.

Photo 4

SEM photo of SHCC micro-structure

4.3 압축강도 시험 결과

단기 재령에서 PDMS 흡수방지재 적용에 따른 콘크리트 강도의 영향을 확인하기 위하여 재령 7일과 재령 14일에 PDMS를 적용하였고, 재령 28일의 압축강도를 측정한 결과 를 Fig. 4와 Table 9에 나타내었다. 흡수방지재를 적용하지 않 은 SHCC의 압축강도시험 결과, 결합재 치환율이 높아질수록 동일재령에서의 압축강도가 감소하는 것으로 나타났다. M1, M2, M3 및 M4의 재령 28일 압축강도의 경우 각각 50.6 MPa, 39.0 MPa, 33.6 MPa, 24.9 MPa로 측정되어 M4의 경우 M1과 비교할 경우, 최대 50.8 % 압축강도가 감소하는 것으로 측정 되었다.

Fig. 4

Measured compressive strength

Table 9

Result of SHCC compressive strength test

PDMS 흡수방지재를 재령 7일과 14일에 적용한 시편은 적 용하지 않은 시편보다 낮은 강도발현을 나타내었다. PDMS 흡수방지재를 적용하지 않은 시험체와 재령 7일 적용한 시험 체의 재령 28일 압축강도를 비교할 경우, M1-A는 평균 4 % 감 소하였고 M2-A, M3-A, M4-A의 평균 압축강도는 각각 6.6 %, 7.5 %, 9.6 % 감소하였다. 또한, PDMS를 재령 14일에 적용 한 경우 M1-B, M2-B, M3-B, M4-B의 압축강도는 2.2%, 4.6%, 5.1 %, 8.0 %가 감소하였다. 이 결과를 종합하면, PDMS를 7 일에 적용한 경우 재령 14일에 적용한 경우보다 재령 28일 압 축강도가 평균 1.9 % 감소한 것을 확인하였다. 또한, 흡수방 지재의 침투깊이가 큰 M4-A와 M4-B의 압축강도는 PDMS를 도포하지 않은 M4 시험체와 비교하여 9.6 %, 8.0 % 감소하였 다. 침투깊이가 작은 M1-A와 M1-B 시험체의 압축강도는 M1 과 비교할 경우 4 %, 2.2 % 감소하여 PDMS 침투깊이가 클수 록 더 큰 강도감소율을 나타낸 것을 확인하였다. 이러한 결과 는 수화반응에 필요한 수분공급이 충분하지 않은 것으로 판 단되나 PDMS와 수화반응간의 상관관계에 대한 심도있는 연 구가 추후 필요할 것으로 판단된다.

4.4 염소이온 침투 저항성능 평가

본 시험에서 염소이온에 대한 내구성능 평가를 위해 PDMS 흡수방지재 적용 유무에 따른 SHCC의 염소이온 침투 저항성 능 평가를 수행하였고, 시험결과는 Fig. 5와 Table 10에 나타내 었다. PDMS를 적용하지 않은 M1, M2, M3, M4 시험체의 통과 전하량 각각 3,359 Coulomb, 3,865 Coulomb, 4,124 Coulomb, 4,254 Coulomb으로 측정되어 KS F 2711 및 ASTM C 1202에 서 제시하고 있는 통과 전하량 평가 등급은 보통에서 높음 수 준으로 평가되었다. 반면, PDMS를 재령 14일에 적용한 M1-B, M2-B, M3-B, M4-B 시험체의 통과전하량은 1,425 Coulomb, 1,358 Coulomb, 1,322 Coulomb, 984 Coulomb로 측정되어 매 우 낮음에서 낮음 수준으로 개선된 것을 확인하였다. PDMS 를 적용한 시험체의 통과전하량은 적용하지 않은 시험체에 비 하여 각각 57.6 %, 64.9 %, 67.9 %, 76.9 % 감소하였다. PDMS 침투깊이가 3.7 mm인 M1-B 시험체는 6.3 mm의 침투깊이를 보인 M4-B 시험체 보다 통과전하량 더욱 감소하였다. 이 결과 를 통하여 PDMS 흡수방지재의 침투깊이가 클수록 염소이온 침투 저항성능이 향상되는 것을 확인하였다. 이 결과는 PDMS 가 SHCC 내부에 존재하는 미세공극을 채워 수밀성이 증가하 여 염소이온의 침투를 지연 및 차단 시키는 것으로 판단된다.

Fig. 5

Chloride ion penetration resistance

Table 10

Result of Chloride ion penatration resistance test