2.1 용재료 및 배합

시멘트는 1종 보통포틀랜드시멘트를 사용하였으며, 잔골재로는 규사 또는 강모래를 사용하였다. 규사(Silica Sand, SS)는 밀도 2.62 g/cm³, 대부분의 입경이 0.6 mm 이하로 평균입경이 0.46 mm인 것을 사용하였다. 강모래(River Sand, RS)는 밀도 2.63 g/cm³, 조립률 2.55, 흡수율 1.65%의 물리적 성질을 나타내었다. 굵은 골재로는 강자갈을 사용하였으며, 밀도 2.64 g/cm³, 조립률 6.89, 흡수율 1.41%를 나타내었다. 규사, 강모래 및 굵은 골재의 함수상태는 동일하게 절건상태로 사용하였으며, 강모래와 자갈은 크기와 입도분포의 영향을 평가하기 위하여 체가름을 통해 보다 세분화된 크기 범위로 분류하여 사용하였다. 규사, 강모래 및 강자갈의 입도분포곡선은 Fig. 1과 같다. 강모래는 1.18 mm, 2.36 mm, 4.75 mm 체를 기준으로 나누어 사용하였으며, 강자갈은 5.6 mm이하와 6.7 mm 이하로 세분화하여 사용하였다. 인장성능 향상을 목적으로 사용된 보강섬유는 직경 12 ㎛, 길이 18 mm의 폴리에틸렌(Polyethelene, PE) 섬유이며, 인장강도 2 700 MPa, 밀도 0.97 g/cm³, 탄성계수 88 GPa 의 물리적 특성값을 가진다. PE 섬유의 혼입량은 전체 부피 대비 1.5%로 하였다. 섬유혼입 상태에서의 충분한 유동성을 확보하기 위하여 고성능감수제를 사용하였으며, 폴리칼폰산계로 시멘트 중량의 0.07%를 사용하였다. 또한 균일한 섬유 분산성을 확보하기 위해서는 적절한 점성을 확보하는 것이 중요하기 때문에 소량의 증점제를 이용하였으며, 기포발생에 따른 영향를 줄이기 위하여 소포제도 소량 첨가하였다.

골재의 크기와 입도분포 변화에 따른 고연성 시멘트 복합체의 인장거동을 살펴보기 위한 Table 1에 나타난 바와 같이 6가지 배합을 설계하였다. 모든 배합에 대해 물-시멘트비는 0.35를 적용하였다. Mix 1은 규사를 사용한 일반적인 고연성 시멘트 복합체의 배합이고, Mix 2는 규사 대신 4.75 mm 이하의 강모래를 사용한 경우의 배합이다. Mix 3은 강모래를 1.18 mm 이하와 1.18~2.36 mm 입경의 강모래로 체가름으로 나누어 3:1의 비율로 혼합하여 사용한 배합이고, Mix 4는 1.18 mm 이하와 1.18 mm~4.75 mm 입경의 강모래로 나누어 0.55:0.45의 비율로 혼합하여 사용한 배합이다. Mix 5는 굵은 골재까지 포함하는 배합으로 1.18 mm 이하와 1.18 mm~4.75 mm 입경의 강모래, 그리고 5.6 mm 이하의 굵은 골재를 0.5:0.4:0.1의 비율로 혼합하여 사용한 배합이며, Mix. 6은 1.18 mm 이하와 1.18 mm~4.75 mm 입경의 강모래, 그리고 6.7 mm 이하의 굵은 골재를 0.47:0.38:0.15의 비율로 혼합한 배합이다. Mix 3~6의 배합에서의 골재 입경별 비율은 혼합되는 모든 골재들의 최대입경 및 최소입경을 이용한 최적 입도분포모델 곡선에 가능한 근사한 입도분포 곡선이 되도록 결정하였다. 최적입도분포 모델은 Andreasen and Anderson(1930)⁽¹⁾의 모델을 토대로 Funk and Dinger(1994)⁽⁵⁾가 제안한 수정 A&A 모델(Modified Andreasen and Andrersen model)을 사용하였으며, 다음 식과 같이 표현된다.

여기서, $P(D)$는 임의의 입경 $D$를 통과하는 고체입자들의 부피비를 나타내며, $D_{\min}$과 $D_{\max}$는 최소입경과 최대입경을 의미한다. 지수 $q$는 입도분포특성에 따라 $P(D)$로 나타내어지는 입도분포곡선의 형상을 나타내는 분포계수로 일반적으로 0~0.5 사이의 값을 가지며 미세 입자가 많은 배합에서는 0.25 이하의 값을 가진다. 자기충전 콘크리트(Self- Compacting Concrete, SCC)의 최적배합의 경우 0.22~0.30 사이의 분포계수 값을 가지는 것으로 알려져 있으며(Brouwers, 2005; Hunger, 2010), 0.5 mm 이하의 입자들로 구성된 초고성능 콘크리트(Ultra-High Performance Concrete, UHPC)의 경우에는 일반적으로 0.25보다 작은 값을 가진다(Yu et al., 2014). 기존 연구결과를 토대로 이 연구에서는 $q$의 값으로 0.25를 적용하였다.

De Larrard and Tondat(1993)⁽³⁾는 충전밀도와 콘크리트 압축강도 사이의 관계를 시멘트 페이스트의 두께의 개념을 이용하여 설명하였다. 시멘트 페이스트의 두께는 골재의 최대입경이 클수록, 골재의 충전밀도가 높을수록 증가한다. 동일한 양의 시멘트 페이스트로 골재 사이를 채운다고 할 때, 골재가 잘 충전되면 골재 사이 공간을 채우고 남은 시멘트 페이스트가 골재 사이를 이격시키게 된다는 것이다. 이 연구에서는 골재를 최적입도분포에 가깝게 조정함으로써 시멘트 페이스트의 두께를 증가시켜 섬유의 인발성능을 향상시키고자 하였다. 큰 입경의 골재를 사용함에 따른 파괴인성 증가의 불리함을 섬유의 인발저항성능 향상으로 상쇄시킬 수 있으며, 전체 단면에서의 균질한 최대 섬유가교응력과 인발저항성능 확보가 가능하기 때문에 지속적인 정상상태 균열 형성을 유도하여 높은 인장변형률 성능을 얻을 수 있을 것으로 판단하였다.

Fig. 2는 각 배합에 사용된 혼합골재의 입도분포를 수정 A&A 모델에 의한 최적입도분포곡선과 비교하여 나타낸 것이다. Mix 1과 Mix 2의 비교에서 규사를 사용한 경우에 비해 일반적인 입도분포의 강모래를 사용하는 경우 최적입도분포곡선에서 많이 이격되는 것을 볼 수 있다. 한편 골재의 입경별 혼합비율을 조정한 Mix 3~6의 경우 별도의 입도 조정을 하지 않은 Mix 1과 2와 비교했을 때, 입도조정을 통해 수정 A&A 모델 곡선에 더 가까워졌음을 확인할 수 있다.

2.2 실험체 제작 및 실험방법

PE 섬유보강 고연성 시멘트 복합체의 제조과정은 다음과 같다. 먼저 시멘트와 골재를 교반기에 투입하여 건비빔을 실시한 다음, 배합수와 고성능감수제를 미리 혼합한 용액을 건비빔한 재료에 넣고 균질한 매트릭스 상태가 될 때까지 충분한 시간 동안 혼합을 한다. 이후 PE 섬유를 천천히 나누어 투입하고 섬유가 고르게 분산될 때까지 다시 추가적인 혼합을 한다. PE 섬유를 투입한 후 혼합 중에 순차적으로 증점제와 소포제를 투입한다.

제조된 고연성 PE 섬유보강 시멘트 복합체에 대해서 먼저 굳지 않은 상태에서 유동성 평가를 KS L 5105에 따른 플로 시험 방법에 따라 실시하였으며, 실험체를 제작하고 표준양생을 실시한 후에 압축강도 및 인장거동 평가 실험을 실시하였다. 압축강도 실험을 위한 실험체는 50 mm 크기의 정육면체로 제작하였으며, 인장거동 평가를 위해서는 Fig. 3과 같은 형상과 치수의 일축 인장 실험체를 제작하였다. 배합별로 압축강도 실험체 3개, 일축 인장 실험체 6개를 각각 제작하였다. 압축 및 인장 실험을 위하여 제작된 실험체는 재령 28일까지 20 °C ± 3 °C의 양생수조에서 수중양생을 실시한 후에 실험을 실시하였다.

압축강도 실험은 1 000 kN 용량의 만능재료시험기를 이용하여 수행하였으며, 일축 인장 실험은 재하용량 100 kN의 만능재료시험기를 이용하여 실시하였다. 이 때 재하속도는 0.003 mm/s를 적용하였으며, 응력에 따른 인장변형률 측정을 위하여 폭 30 mm를 가지는 중앙부에 80 mm의 표점거리 구간에 대해 두 개의 LVDT를 설치하여 변위를 측정하였다. Fig. 4는 일축 인장 실험 모습을 나타낸 것이다.

3.1 유동성

Fig. 5는 플로 시험을 통해 측정한 유동성 결과를 비교하여 나타낸 것이다. 배합별 플로 값은 155 mm에서 165 mm 사이로 값의 변화가 크게 나타나지는 않았지만, 규사를 사용한 배합에 비해 강모래를 사용한 배합이 플로 값이 약간 증가하는 것으로 나타났으며, 굵은 골재를 사용한 Mix 5와 6에서는 플로 값이 더 크게 나타났다. 잔골재의 입경이 작고 입도분포 범위가 좁은 Mix 1에 비해 잔골재의 최대입경이 크고 분포 범위가 넓은 Mix 2~4에서 골재의 충전밀도가 증가함에 따라 단위수량의 유동성 향상에 대한 기여가 높아져서 플로 값이 증가한 것임을 쉽게 알 수 있다. 또한 최적 입도분포곡선에 최대한 근접하면서 골재의 최대입경을 5.6 mm, 6.7 mm로 증가시키면, 일반 콘크리트의 배합에서 굵은 골재 최대치수가 증가함에 따라 동일한 슬럼프 값을 얻기 위한 단위수량이 감소하는 것과 같이 동일한 단위수량에 대해 플로 값이 증가하는 결과로 나타났다.

3.2 압축강도

골재의 크기와 입도분포 변화에 따른 PE 섬유보강 고연성 시멘트 복합체의 압축강도 결과는 Fig. 6에 제시된 바와 같다. 규사를 사용한 Mix 1의 압축강도는 73 MPa를 나타내었으며, 4.75 mm 이하의 강모래를 입도비율 조정 없이 사용한 Mix 2의 경우는 69 MPa로 강도가 조금 낮게 나타났으며, 강모래를 최대입경과 분포를 달리하여 사용한 Mix 3과 4의 압축강도는 각각 73 MPa과 72 MPa의 값으로 규사를 사용한 시멘트 복합체와 유사한 강도를 나타내었다. 한편, 최대입경 5.6 mm와 6.7 mm의 굵은 골재를 포함하고 최적 입도분포곡선에 근사하게 골재 입경별 비율을 조절하여 사용한 Mix 5와 6은 압축강도가 각각 80, 86 MPa로 다른 배합에 비해 높은 압축강도를 나타내는 것을 확인할 수 있다.

3.3 직접인장거동

골재의 크기와 입도분포 특성에 따른 고연성 시멘트 복합체의 역학적 성질에 대한 평가 항목 중 가장 중요한 것은 다른 재료들과 차별화되는 본연의 성질인 직접 인장 거동에서의 고연성을 나타내는지의 여부이다. Fig. 7은 배합별로 직접인장실험을 통해 얻은 인장 응력-변형률 관계 곡선을 나타낸 것이다. 모든 배합에서 초기 균열이 발생한 이후에 다수의 균열이 발생하면서 변형률 증가와 함께 인장응력이 증가하는 변형률 경화 현상이 나타나는 것을 확인할 수 있다. 규사를 사용한 일반적인 고연성 시멘트 복합체의 배합을 나타내는 Mix 1의 경우 실험체별 인장거동의 편차가 다소 크게 나타났으며, 최대 인장응력에 도달하는 시점의 인장변형률을 인장변형률 성능이라고 정의할 때, 최소 1%에서 최대 5% 정도까지의 인장변형률 성능을 보였으며 평균 3% 이상을 나타내었다. 일반적인 입도분포의 강모래를 규사 대신 사용한 Mix 2의 경우, 하나의 실험체를 제외하고는 2.5% 이하의 인장변형률 성능을 보였으며 인장거동의 편차는 역시 크게 나타났다. 2.36 mm 이하의 강모래를 적절한 입도구성으로 조절하여 사용한 Mix 3의 경우에는 변형률 경화거동이 더욱 뚜렷하게 나타났으며, 인장변형률 성능은 2.5%에서 5% 사이의 값을 나타내었다. 4.75 mm까지의 강모래를 최적입도분포 곡선에 가깝도록 큰 입경과 작은 입경의 골재 비율을 조절하여 사용한 Mix 4는 최대 인장변형률 성능 6%~7%를 나타내는 경우도 있었으며, 인장거동의 편차는 매우 크게 나타났다. 5.6 mm 크기의 굵은 골재까지 사용한 Mix 5의 경우에는 인장변형률 성능이 5% 내외로 큰 편차 없이 나타났다. 6.7 mm 크기의 굵은 골재까지 사용한 Mix 6은 일부 8%에 가까운 인장변형률 성능을 보이는 것도 있었으나 개체별 편차가 크게 나타났으며, 대부분 3% 이상의 인장변형률 성능을 나타내었다. 일반적인 강모래를 사용한 경우나 5.6 mm 또는 6.7 mm 크기의 굵은 골재를 포함하면서도 인장 변형률 경화 거동과 2% 이상의 인장변형률 성능을 보이는 것은 골재의 입도분포 조절을 통해 재료의 균질성저하를 최소화하면서 섬유보강 시멘트 복합체가 고연성을 구현하기 위한 매트릭스와 섬유의 인발거동에 대한 강도 및 에너지 조건을 모두 만족함을 의미한다고 볼 수 있다.

Fig. 8은 직접인장실험에서 측정한 초기균열발생강도와 인장강도를 배합에 따라 비교하여 나타낸 것이다. 초기균열발생강도는 매트릭스의 강도와 직접 관련이 있는 것으로, 1.92 MPa에서 2.03 MPa 사이의 값으로 큰 차이를 보이지 않았다. Mix 1과 비교했을 때 나머지 배합에서의 강도가 조금 증가하기는 했지만 가장 크게 나타난 Mix 4에서도 인장강도 증가가 5.7% 정도밖에 되지 않았으며, 5.6 mm 및 6.7 mm 최대크기의 골재를 포함하는 Mix 5와 6의 배합에서는 Mix 1과 큰 차이가 나지 않는 강도를 보였다. 시멘트 복합체의 인장강도는 Mix 2의 경우 Mix 1과 비교했을 때 저하되는 것으로 나타났으며, 최적입도분포곡선에 근사하도록 골재 입경별 비율을 조절하여 배합한 Mix 3~6에서는 골재 최대입경이 증가할수록 인장강도가 증가하는 것으로 나타났다. 골재의 크기가 고연성 시멘트 복합체의 균열간격을 제한하는 요인으로 작용하는 점을 감안하면 골재 최대입경이 커짐에 따라 인장강도가 향상되는 경향을 일반화할 수는 없지만, 실험에서 고려한 골재입경의 범위 내에서는 그러한 경향을 나타내었다.

Fig. 9는 배합별 인장변형률 성능을 비교하여 나타낸 것이다. 강모래를 인위적인 입도분포 조정없이 사용한 Mix 2만이 규사를 사용한 Mix 1보다 인장변형률 성능이 작게 나왔으며, 사용한 입경범위 내에서 최적입도분포에 가깝도록 입도분포 조정을 실시한 Mix 2~ 6 배합에서 모두 Mix 1보다 높은 인장변형률 성능을 얻을 수 있었다. 또한 골재 최대입경 크기가 증가할수록 인장변형률 성능이 향상되는 결과를 보였다. 최대입경 6.7 mm 골재를 포함하는 경우에는 평균 인장변형률 성능 5.89%를 나타내었다. Fig. 10은 Mix 6 배합으로 제작된 고연성 섬유보강 시멘트 복합체 직접인장 실험에서 실험체에 생성된 균열양상을 보여주는 것으로, 전단면에 걸쳐 다수의 균열들이 촘촘하게 형성된 것을 알 수 있으며, 이러한 과정을 통해 높은 인장변형률 성능을 확보할 수 있었다.