2.2.1 시멘트

시멘트는 S사 제품의 보통 포틀랜드 시멘트(TypeⅠ)를 사 용하였으며, 비중은 3.15이고 분말도는 3,620㎠/g 이다.

2.2.2 잔골재

잔골재는 비중이 2.60인 충남 공주지역에서 채취하여 생산 된 세척사를 사용하였다.

2.2.3 PVA 섬유

본 연구에 사용된 PVA 섬유는 일본 Kuraray사 제품으로 섬 유표면이 수산기를 가지고 있는 친수성 재료로써 시멘트 페 이스트와 높은 부착성능을 가지고 있으며, 인장강도가 900∼ 1,600MPa이다. 본 연구에 사용된 PVA 섬유는 직경 0.04mm, 길이 12.0mm 정도로써 형상비 300 (=12/0.04)을 가지고 있다. PVA 섬유의 물리적 특성은 Table 1과 같다.

Table 1

Physical properties of PVA fiber

2.2.4 VAE 분말 폴리머

본 연구에 사용한 VAE 분말 폴리머는 독일에서 생산되는 VAE계 재유화형 분말 폴리머를 사용하였으며, VAE 분말은 미세분말로 배합 시 배합수와 혼합하여 사용하였다. VAE 분 말 폴리머의 물리적 특성 및 형상은 Table 2와 같다. 또한 Fig. 1은 PVA 섬유와 VAE 분말 폴리머의 형상을 나타낸 것이다.

Table 2

Physical properties of VAE powder polymer

Fig. 1

Shapes of VAE powder polymer and PVA fiber: (a) PVA fiber (b) VAE powder polymer

2.2.5 배합설계

본 연구에 사용한 PVA 섬유보강 시멘트복합체는 배합설 계 시 중량에 포함하지 않는 재료로서 Vf=1.0%를 적용하였 으며, 모르타르 1㎥에 PVA 섬유 13kg에 해당한다. VAE 분말 폴리머 시멘트복합체의 경우 혼입률은 시멘트 중량의 10% 를 대체 적용하였으며, 모르타르 1㎥에 VAE 분말 폴리머 61.0kg을 사용하였다. 시멘트와 잔골재의 비율(C:S)은 1:2의 비율로 정하였으며, 폴리머 시멘트비(P/C)를 10%로 하였다. 압축·휨강도 및 충격시험을 위한 모르타르의 배합설계는 Table 3과 같다.

Table 3

Mix proportions of mortar

2.3.1 압축강도 및 휨강도 시험

압축강도 및 휨강도 시험은 KS L ISO 679(시멘트의 강도시 험 방법)에 준하여 시험을 실시하였다. 압축강도 시험은 50×50mm 정육면체 몰드를 이용하여 각각 3개씩 제작하여 시 험을 실시하였다. 휨강도 시험은 50mm×50mm×2 00mm의 각 주형 공시체를 제작하여 3점 재하를 기반으로 실시하였으며, 지간은 150mm, 높이 50mm의 시편에 하중을 가력하였다. 공시 체는 모두 재령 28일에서의 압축강도 및 휨강도를 측정하였다.

2.3.2 낙하 충격 시험

시편의 충격하중에 의한 파괴거동을 측정하기 위한 낙하 충격시험기(drop impact testing machine)는 미국 Instron사의 Ceast model 9350인 낙하 충격시험기를 사용하여 측정하였으 며, 장비규격은 Table 4와 같다. 시편을 장착하고 모든 시편 중 앙에 충격하중을 가하였으며, 21.3kN 무게의 반구형 추를 높 이 144mm에서 낙하시켰다. 충돌시점의 낙하속도는 자유 낙 하의 속도로써 약 1.67m/s 이었으며, 이때 가해준 충격에너지 는 약 3.0J이었다. 충격하중은 낙하되는 추의 끝에 달려 있는 텁(tub) 안의 설치된 로드 셀(load cell)를 이용하여 시편에 충 격이 가해질 때 하중을 자동으로 측정되며, 시편의 변위는 낙 하 시험기 자체에서 측정되었다. 또한 측정된 하중을 통해서 충격에너지로 환산된다. 충격시험을 통해 발생하는 테이터는 충격시험기에 연결된 충격데이터 측정 소프트웨어를 이용하 여 수집하였으며, 각각의 선정된 온도조건에서 시편별로 3회 씩 충격시험을 실시하였다. 충격시험의 온도조건은 각각의 선정된 온도까지 온도를 상승시킨 후 최대 온도에서 1시간 동 안 온도를 유지하였다. 충격시험을 위해 온도조절기를 통하 여 환경 챔버 내부의 온도를 –35℃∼35℃까지 조절하였다. 저 온의 경우 액체질소를 사용하였으며, 고온의 경우 가열기를 사용하였다. 각각의 –35℃와 0℃의 온도에서 1시간 냉각 후 시험을 실시하였으며, 이후 35℃ 온도까지 오븐에서 1시간 동 안 온열 후 시험을 실시하였다. Fig. 2는 충격시험을 위한 낙하 충격시험기의 설치모습을 나타낸 것이다.

Table 4

Specifications of drop impact testing machine

Fig. 2

View of impact test setups: (a) Drop impact testing machine (b) Data acquisition system (c) Specimen restraint state in chamber

2.3.3 시편제작 및 양생

각 배합에 따른 충격시험을 위한 시편의 크기는 60×60mm 의 정사각형이고 두께는 10mm로 일정하게 하여 각각의 시편 별로 3개씩 온도조건에 따라 총 27개의 시편을 제작하였다. 격자모양 형틀에 넣은 후 탈형하여 시험일까지 기건상태에서 양생하였다. 선정된 온도조건에 따른 충격시험을 위한 시편 제작은 Table 5와 같다.

Table 5

Specimens for impact test under ultimate temperature condition

2.3.4 SEM 관찰

본 연구는 강도시험 완료 후 PVA 섬유와 VAE 분말 폴리머 를 이용한 시멘트복합체와 일반 모르타르의 파단된 표면 형 상을 관찰하기 위해 파괴된 공시체 내의 조각을 진공상태에 서 건조하여 백금 코팅 후 주사 전자현미경(scanning electron microscope, SEM) 모델명(MIRA LMH, Tescan Ltd)을 촬영 하여 관찰하였다.

3.3.1 시편 충돌 후 파괴 특성

본 연구는 충격시험 방법에 대해 아직은 명확한 표준 규정 이 제시되고 있지 않아 기존 연구자들의 연구결과를 참고하 였다(^{Kim et al., 2015; Han et al., 2015}). 외부 충격하중에 의한 충격특성은 재료특성, 충격속도, 시편의 형상 및 보강재료 등 다양한 실험조건에 따라 영향을 미친다. Fig. 3은 모르타르에 대한 일반적인 충격에 의한 시편의 파괴유형을 나타낸 것이 다. 시편에 충돌 후 육안으로 관찰한 시편의 파괴유형에 따라 크게 4종류의 등급으로 분류할 수 있다. 1) 전면관입 (penetration): 2) 배면균열(crack of rear): 3) 배면파괴 (scabbing): 4) 관통파괴(perforation)의 등급으로 분류하였다.

Fig. 3

Failure pattern and grade by impact: (a) Penetration (b) Crack of rear (c) Scabbing (d) Perforation

첫째, 전면관입의 경우 충돌에 의한 표면관입과 충돌한 주 변에 휨변형 영역이 생기거나, 배면에 미세균열(micro crack) 이 나타난 정도로 하였다. 둘째, 배면균열은 배면의 박리가 발 생하지 않고 탈락량이 미미하거나, 충돌에 의한 전면의 주변 을 따라 균열이 진전된 정도로써 배면균열(crack of rear)로 하 였다. 셋째, 배면파괴의 경우 충돌에 의한 전면균열과 함께 배 면박리가 일어나거나, 배면에 뚜렷한 큰 균열(macro crack)이 발생한 경우로 하였다. 넷째, 관통파괴는 충돌에 의한 충격파 의 발생으로 균열이 진전되어 시편을 완전히 관통하는 경우 로 분류하였다.

본 실험결과로부터 얻은 –35℃, 0℃ 및 35℃의 선정된 온도 조건에서 충격하중을 받는 시편의 전면과 배면에 대한 전반 적인 파괴유형을 정리하면 Table 8과 같다. 완전 관통파괴된 시편을 살펴보면 전체 시편 27개 중 18개 이었다. PVA 섬유보 강 시멘트복합체 시편의 경우 –35℃ 온도에서 No3 시편을 제 외하고는 모두 관통파괴가 발생하지 않았으며, 배면파괴가 억제되어 내충격성의 차이를 육안으로 관찰할 수 있었다. 전 면은 –35℃ 온도에서 No1과 No3 시편의 중심부에서 수직 또 는 사선 방향으로 균열이 발생하였으며, 나머지 0℃와 35℃ 온도에서는 큰 올록볼록한 모양은 보이지 않고 비교적 평탄 한 면을 나타내어 깊은 자국이나 소성변형의 흔적이 관찰되 었다. 배면은 선정된 온도조건에 관계없이 시편의 중심부에 서 수직 또는 사선 방향으로 균열이 넓어지는 패턴을 나타내 었다. 이것은 PVA 섬유를 혼입함으로써 파괴 시에 균열의 진 전이 보강섬유에 의해 지연된 때문이라고 판단된다. 반면 VAE 분말 폴리머 시멘트복합체 시편의 경우 0℃ 온도에서 No2 시편의 전면을 제외하고는 모든 시편의 중심부에서 수직 또는 사선 방향으로 뚜렷한 큰 균열 발생과 함께 거의 비슷하 게 관통파괴 되었다. 하지만 일반 모르타르의 시편은 온도조 건에 관계없이 모든 시편의 중심부에서 수직 또는 사선 방향 으로 큰 균열 발생과 함께 취성파괴로 비교적 많은 수의 파편 들로 쬬개지면서 관통파괴 현상이 나타나 내충격 성능 향상 정도가 가장 떨어지는 것으로 나타내었다. 또한 0℃ 온도에서 No3 시편의 경우 전면과 배면탈락으로 파편들이 쬬개지면서 일부 박리가 발생하였다. 따라서 PVA 섬유보강 시멘트 복합 재료는 지진과 충격하중을 받는 시설물 에서 높은 안전성능 을 확보할 수 있을 것으로 판단된다.

Table 8

Failure pattern of specimens under temperature range selected for the –35℃, 0℃ and 35℃

Table 9

Results of impact loading tests

3.3.2 온도조건에서 충격파괴 에너지 특성

충격파괴에너지 분석결과 –35℃, 0℃ 및 35℃의 선정된 온 도조건에서 PVA 섬유보강 시멘트복합체 시편이 다른 시편에 비해 가장 높은 충격파괴에너지를 갖으며, 상대적으로 일반 모르타르의 시편은 충격파괴에너지가 현저하게 저하되었다. 이것은 PVA 섬유의 가교역할로 인해 가장 높은 충격파괴에 너지를 보여 주여 준 것으로 판단된다. 또한 저온인 –35℃에 서 가장 높고, 고온인 35℃에서 가장 낮게 나타나 저온에 대한 충격파괴에너지의 민감도가 큰 것을 알 수 있었다. 충격파괴 에너지는 PVA 섬유 〉VAE 분말 폴리머 〉일반 모르타르 순 으로 PVA 섬유보강 시멘트복합체의 경우 가장 높게 나타내 었으며, 일반 모르타르 시편에 비해 충격파괴에너지에 대한 흡수저항성이 다소 개선되는 것으로 나타내었다.

3.3.3 충격파괴 에너지와 변위 관계

Fig. 4는 –35℃, 0℃ 및 35℃의 선정된 온도조건에서 충격파 괴에너지와 변위곡선 관계를 나타낸 것이다. 그림에서 보는 바와 같이 PVA 섬유보강 시멘트복합체 시편의 경우 충격파 괴에너지와 변위 곡선으로 부터 초기에는 거의 선형적으로 유지하다가 나중에 다소 비선형적으로 증가함을 보여주었다. PVA 섬유보강 시멘트복합체 시편의 경우 충격파괴에너지는 다른 시편에 비해 더 많은 변위가 증가하였으며, 가장 높은 충 격파괴에너지를 보였다. PVA 섬유의 가교역할로 인해 다른 시편에 비해 충격하중을 받을 시 가장 높은 충격파괴에너지 를 갖으며, 변위의 증가가 크게 증가됨을 확인할 수 있었다. 이것은 완전한 파괴가 이루어지지 않고 충격파괴에너지를 상 당히 흡수하기 때문이라고 판단된다. 그림에서 보는 바와 같 이 저온의 경우 충격파괴에너지의 증가하는 기울기가 완만하 나, 고온으로 갈수록 그 기울기는 급격해짐을 보여주고 있다. 반면 VAE 분말 폴리머 시멘트복합체 시편과 일반 모르타르 시편은 급격한 취성파괴 거동으로 보였으며, 거의 비슷하게 변위가 저하되는 경향을 보였다.

Fig. 4

Comparison of impact energy-displacement curves at temperature variation: (a) -35℃ (b) 0℃ (c) 35℃

3.3.4 충격파괴 에너지와 시간 관계

Fig. 5는 –35℃, 0℃ 및 35℃의 선정된 온도조건에서 충격파 괴에너지와 시간곡선 관계를 나타낸 것이다. 그림에서 보는 바와 같이 충격시험을 통해 시간 변화에 따른 충격파괴에너 지 곡선은 직선구간과 변환구간으로 구성된 것으로 볼 수 있 다. PVA 섬유보강 시멘트복합체 시편의 경우 다른 시편에 비 해 PVA 섬유의 가교역할로 인해 시간이 가장 길고 충격파괴 에너지가 가장 높았다. 이것은 균열간의 응력전달을 도와 PVA 섬유에서의 에너지 요구를 증가시켜 균열의 진전을 억 제하고, 충격을 흡수하기 때문에 취성파괴 현상에서 연성파 괴 현상으로 전이가 이루어졌다고 판단된다. 반면 VAE 분말 폴리머 시멘트복합체 시편과 일반 모르타르 시편은 거의 비 슷하게 취성적인 파괴 경향을 보여주고 있었다. 특히 -35℃ 온 도에서 PVA 섬유보강 시멘트복합체 시편의 경우 오래 동안 시간을 유지하면서 변위가 가장 많이 증가하였으며, 0℃와 3 5℃ 온도의 시편에 비해 연성적으로 변하였다. 따라서 PVA 섬유보강 시멘트복합체 시편은 시간이 상대적으로 가장 길어 지는 경향을 보였다. 이로 인하여 가장 높은 에너지 흡수능력 을 나타내었다.

Fig. 5

Comparison of impact energy-time curves at temperature variation: (a) -35℃ (b) 0℃ (c) 35℃