2.1 사용재료

실험에 사용된 실험체는 모두 보통 포틀랜드 시멘트(OPC)와 강사(江沙)를 사용하여 제작하였다. 사용한 재료의 주요 물성치는 Table 1과 같으며, 배합비는 Table 2에 나타내었다. 자기치유 재료는 캡슐 형태를 사용하였으며 팽창재(CSA계)와 탄산나트륨($Na_{2}CO_{3}$)을 각각의 캡슐로 제작하여 사이즈에 따라 5:5의 비율로 사용하였다. 전단철근과 주인장철근으로는 D6, D13 철근이 사용되었으며, 각각의 항복강도는 350MPa, 442MPa로 나타났다.

2.2 실험체 상세

자기치유 재료를 사용한 모르타르 보의 치유성능을 평가하기 위하여 자기치유 재료의 사용 유무, 균열 발생 및 최종 파괴 재령일을 주요 변수로 하는 12개의 실험체를 제작하였다. 실험체는 Fig. 1과 같이 폭이 130 mm, 높이가 150mm이며 경간은 550 mm가 되도록 제작하였다. 12개의 실험체는 모두 전단경간비(a/d)가 1.8이 되도록 제작하였으며 주인장철근비는 0.015, 전단철근비는 0.005로 하였다.

Fig. 1. Overall dimensions of specimens

Table 3. Test program

실험체는 자기치유 재료의 사용 유무에 따라 일반 모르타르 실험체(BN)와 자기치유 재료를 사용한 모르타르 실험체(BSH)로 나누었다. 그리고 균열 발생 및 최종 파괴 재령일에 따라 3개의 그룹(28-28, 28-118, 118-118)으로 구분하였다. 첫 번째 그룹(28-28)은 재령 28일에 균열 발생 및 최종 파괴까지 실험을 진행하였다. 두 번째 그룹(28-118)의 경우 재령 28일에 균열을 발생시킨 뒤 90일 간의 치유기간을 거쳐 재령 118일에 최종 파괴하였다. 세 번째 그룹(118-118)은 재령 118일 에 균열 발생 및 최종 파괴까지 실험을 진행하였다. Table 3은 각 그룹의 균열 발생 및 최종 파괴 재령일을 나타낸다.

2.3 파괴모드 및 균열 발생 시점

실험에 사용된 실험체는 전단철근비에 비해 주인장철근비를 높게 하여 부재가 전단파괴하도록 설계하였다. 휨파괴하는 실험체의 경우 다수의 균열이 부재의 인장연단에서 발생하게 된다. 그러나 하중을 제거한 후에는 대다수의 균열은 닫히면서 균열폭이 매우 작게 나타난다. 따라서 본 실험에서는 하중을 제거하더라도 실험체에 일정 크기 이상의 균열을 관측할 수 있도록 전단파괴를 유도하였다.

Fig. 2. Crack width depending on the load

전단파괴의 경우 균열이 발생한 후에 매우 취성적으로 파괴되기 때문에 예비 실험을 통해 적절한 균열 발생 시점을 선정하였다. Fig. 2는 하중 제거 후 측정한 잔류 균열폭을 나타내고 있다. 설계전단하중의 60%를 가력한 후 하중을 제거한 실험체는 균열이 거의 닫히는 결과가 나타났다. 반면, 설계전단하중의 70%를 가력한 후 하중을 제거한 실험체의 균열폭은 약 0.025 mm로 하중이 증가할수록 잔류 균열폭이 증가하는 경향을 보였다. 이를 바탕으로 본 실험에서는 균열 발생 시점을 설계전단하중의 80%로 하여 예비 실험보다 큰 잔류 균열폭에 대해 자기치유 성능을 평가하고자 하였다.

2.4 실험 및 측정방법

실험은 2,000kN 용량의 UTM(Universal Testing Machine)으로 변위제어를 사용하여 일축으로 가력하였으며, 가력된 하중 및 변위는 데이터로거(UCAM-500A)에 기록되었다. 모든 실험체는 최대 하중에 도달한 이후에 하중이 최대하중의 80%까지 감소하였을 때 실험을 종료하였다. 실험체의 중앙부 처짐을 측정하기 위해서 중앙 하단에 변위측정기(LVDT)를 설치하였다. 균열은 약 40배율의 디지털현미경을 사용하여 측정하였으며, 실험 및 측정방법은 Fig. 3에 나타내었다.

3.1 압축강도

실험에 사용된 모르타르의 재령일에 따른 압축강도 실험 결과를 Table 4에 나타냈다. 일반 모르타르의 경우 재령 28일과 118일의 평균 압축강도는 각각 54 MPa, 61 MPa로 측정되었다. 자기치유 모르타르의 경우 일반 모르타르의 압축강도의 53%까지 감소하여 재령 28일과 118일의 평균 압축강도는 각각 29 MPa, 33 MPa로 나타났다.

기존 연구결과에 따르면 캡슐의 혼합율이 증가할수록 압축강도는 감소하는 경향을 나타낸다(Choi et al., 2019)⁽¹³⁾. 캡슐형 자기치유 재료를 사용할 경우 모르타르 내부에 캡슐이 분포하게 되는데 캡슐은 큰 하중에 저항할 수 없기 때문에 캡슐 혼합율이 증가할수록 압축강도가 감소하는 것으로 판단된다. 실험에서 일반 모르타르와 자기치유 모르타르의 28일 압축강도에 대한 118일 압축강도 비율은 약 1.13으로 유사하게 나타났다. 이를 통해 자기치유 모르타르의 배합비를 조절하거나 결합재의 추가를 통하여 충분한 압축강도를 확보할 경우 일반 모르타르와 같이 적용이 가능할 것으로 판단된다.

Fig. 3. Experimental setup and crack measurement method

3.2 내력평가

Fig. 4는 모든 실험체의 하중-변위 곡선을 나타낸다. 균열 발생 하중은 실험체에 따라 70.2 kN에서 85.7 kN의 범위 내에 위치했다. 보통 모르타르 실험체 중 재령 28일에 균열을 발생 및 최종 파괴시킨 실험체(BN 28-28)의 최대 하중 평균값은 113.4 kN이며. 자기치유 모르타르 실험체(BSH 28-28)의 경우에는 91.6 kN으로 나타났다. 재령 118일에 균열 발생 및 최종 파괴시킨 실험체(BN 118-118, BSH 118-118)의 경우 최대 하중 평균값은 각각 121.4 kN, 116.1 kN으로 재령일이 증가함에 따라 최대 하중이 증가하는 경향을 보였다. 재령 28일에 균열을 발생시킨 후 90일 간의 치유한 뒤 재령 118일에 파괴한 실험체(BN 28-118, BSH 28-118)의 경우 최대 하중 평균값은 112.8 kN, 94.4 kN으로 나타났다. 균열 발생 하중에 대한 최대 하중의 비율은 일반 모르타르 실험체가 자기치유 모르타르 실험체보다 큰 것을 알 수 있는데 이는 압축강도의 영향으로 판단된다.

재령일과 치유기간에 따른 하중의 변화를 관찰하기 위해 Fig. 5와 Table 5에 각 그룹별 하중 경향과 수치를 나타냈다. 일반 모르타르 실험체와 자기치유 실험체 모두 재령일이 증가함에 따라 모르타르의 압축강도가 증가하여 최대 하중이 커지는 것을 확인할 수 있었다. 28일 압축강도에 대한 118일 압축강도의 비율은 일반 모르타르와 자기치유 모르타르가 동일하였지만 28일 최대 강도에 대한 118일 최대 강도의 비율(P$_{n,mean(118-118)}$/P$_{n,mean (28-28)}$)은 일반 모르타르 실험체가 1.07, 자기치유 실험체가 1.27로 자기치유 실험체의 증가율이 높게 나타났다.

Fig. 4. Load-displacement curves

Fig. 5. Load tendency of the specimen

일반 모르타르 실험체 중 균열 발생 후 치유기간을 거쳐 최종 파괴시킨 실험체(BN 28-118)의 경우 이미 발생한 균열로 인해 재령일이 증가하여도 하중이 더 이상 증가하지 않는 경향을 보였다. 반면, 자기치유 실험체(BSH 28-118)는 28일 최대 강도에 대한 118일 최대 강도의 비율($P_{n,mean(28-118)}$/P$_{n,mean (28-28)}$)이 1.03으로 일반 모르타르 실험체와 비교하였을 때 최대 강도비가 증가하였다. 자기치유 실험체는 균열이 발생할 경우 균열면에 반응 생성물이 충전되면서 균열을 채우게 된다. 이에 따라 실험체 내부에서 철근의 부착력이 향상되며 균열 사이의 마찰이 증가하면서 실험체의 강도가 다소 증가한 것으로 판단된다.

3.3 균열폭

Fig. 6에서는 일반 모르타르 실험체와 자기치유 실험체의 균열을 나타내었다. 설계전단하중의 80%를 가력했을 때 균열의 크기는 0.2 mm보다 크게 나타났지만 하중을 제거한 뒤에는 균열이 닫히면서 균열폭이 0.05~0.14 mm로 작아지는 것을 확인할 수 있었다. 이후 90일 동안 치유기간을 거쳐 하중가력 이전에 균열을 확인한 결과 일반 모르타르 실험체의 균열폭은 감소하였으나 미세한 균열이 남아있었다. 반면, 자기치유 모르타르 실험체의 경우 반응 생성물을 관찰할 수 있었으며, 균열면이 반응 생성물로 충전되어 완전히 치유된 것으로 나타났다.

일반 모르타르 실험체의 경우 반응 생성물이 관찰되지 않았지만 균열폭이 감소한 것을 알 수 있다. 이는 재령 28일에 전단설계하중의 80%를 가력하여 균열을 생성하였지만 철근이 항복하지 않았기 때문에 하중을 제거한 뒤 원래대로 돌아가려는 성질로 인해 균열폭이 감소한 것으로 판단된다. 자기치유 모르타르 실험체는 철근의 영향뿐만 아니라 표면에서 관찰된 반응 생성물을 통해 자기치유 효과가 나타난 것으로 판단된다.