2.1 실험 계획, 사용재료 및 배합

본 연구에서는 장섬유를 단일 보강한 고성능 섬유보강 시멘트복합체(High performance Mono Fiber Reinforced Cement Composite, 이하 M-FRCC)에 단섬유가 함께 혼입될 경우, HPFRCC의 인장거동에 미치는 영향을 평가하고자 하였다.

Table 1에 시험체의 수준을 나타내었다. M-FRCC로써 HSF를 2.0vol.% 혼입한 HSF2.0과 HSF와 SSF를 각각 1.5+0.5, 1.0+1.0, 0.5 +1.5vol.%의 비율로 혼합하여 보강한 H-FRCC를 제작하였다.

Table 2에 사용재료의 물리적 성질을 나타내었다. 시멘트는1종 보통 포틀랜드 시멘트를 사용하였고, 섬유의 분산성 향상 및 매트릭스의 유동성을 고려하여 플라이애쉬를 혼화재로써 사용하였다. 잔골재의 경우, 매트릭스의 균질성과 섬유의 분산성을 고려하여 밀도 2.64 g/cm, 흡수율 0.38%의 7호 규사를 사용하였다. 또한, 섬유 혼입에 의한 매트릭스의 유동성 저하를 고려하여 폴리카르본산계 고성능 감수제를 사용하였다. 사용섬유의 물리적 특성 및 형상은 Table 3, Fig. 1에 각각 나타내었다. 섬유는 길이 30 mm, 직 경 0.5 mm, 밀도 7.85 g/cm, 인장강도 1140 MPa의 HSF와 길이 13 mm, 직경 0.2 mm, 밀도 7.85 g/cm, 인장강도 2700 MPa의 SSF를 사용하였다.

Table 4에 HPFRCC의 배합을 나타내었다. 설계압축강도(f) 60MPa을 만족하기 위하여 W/B는 0.4로 설정하였으며, 섬유는 체적의 외할로 혼입하였다. HPFRCC의 비빔은 먼저 바인더와 규사를 건비빔한 후 배합수와 감수제를 투입하여 모르타르를 제작하였다. 그 후 섬유가 충분히 분산될 수 있도록 일정량의 섬유를 간격을 두고 투입하였으며, 소정의 유동성을 만족하기 위하여 충분한 비빔을 실시하였다. 비빔 된 HPFRCC는 몰드에 타설하였으며, HPFRCC로 채워진 몰드는 타설 면을 양생시트로 덮은 후, 항온·항습실에서 1일 간 양생하였으며, 1일 후 탈형하여 재령 28일까지 표준수중양생을 실시하였다.

2.2 실험 방법

Fig. 2(a)에 본 연구에서 평가된 인장 시험체의 형상을 나타내었다. 시험체는 길이 400 mm, 너비 100 mm, 두께 25 mm이고, 중앙 단면이 25×50 mm로 좁아지는 아령 형태로 제작하였으며, 변형측정범위(gauge length) 외에서 시험체가 파괴되는 것을 방지하기 위하여 시험체의 양 끝에 각각 2개의 와이어 메쉬를 보강하였다. 또한 시험체 크기의 영향(size effect)을 받지 않게 하기 위하여 정적인장시험과 고속인장시험 모두 동일한 크기의 시험체를 사용하였으며, 정적인장시험은 각 수준당 3개, 고속인장시험은 각 수준당 5개의 시험체에 대하여 평가하였다.

정적인장시험은 Fig. 2(b)에 나타낸 250 kN급 직접인장시험장치를 이용하여 실시하였으며, 시험체의 변위는 시험체 전후에 LVDT 변위계를 설치하여 측정하였다. 재하속도는 1mm/min로 설정하였고, 평균 변형속도는 10/s로 측정되었다. Fig. 3(a)에 급속재하 시험장치를 나타내었다. 급속재하 시험장치는 상단에 위치한 질소튜브가 포함되어 있는 유압탱크에 고압의 유압유를 유입시킴으로써 질소튜브를 압축한다. 그 후, 유압을 한순간에 배출시켜 압축되어 있던 질소튜브가 순식간에 팽창함으로써 발생하는 압력을 급속으로 재하하는 방식이다. 급속으로 재하된 하중은 Fig. 3(b)에 나타낸 인장지그를 통하여 시험체에 인장하중으로 전달된다. 재하속도는 5 m/s로 설정하였으며, 평균 변형속도는 10/s로 측정되었다. 인장응력은 인장지그의 상부에 설치되어 있는 로드셀로 측정하였으며, 인장변형(%)은 시험체에 LVDT 변위계를 설치하여 측정하고, 측정된 변위($\triangle L$)와 변형측정범위($L$)를 이용하여 산출하였다. 변형속도는 각각의 시험체에서 얻어진 시간($t$)과 변형($\varepsilon$)곡선의 기울기로 산출하였다.

Fig. 4에 인장특성의 개요를 나타내었다. 인장특성은 시험에 의해 얻어진 인장응력-변형 곡선의 최대응력 점을 인장강도, 인장강도 점에서의 변형을 변형능력, 인장강도 점까지의 인장응력-변형곡선 아래 면적을 피크인성, 그리고 인장강도 점 이후부터 시험체가 파괴될 때까지의 인장응력-변형곡선의 아래 면적을 연화인성으로 설정하였다. 또한, 본 연구에서는 HSF와 SSF의 혼합 비율에 따른 인장특성 시너지 효과를 분석하였다. 시너지 효과는 M-FRCC의 인장특성에 대한 H-FRCC의 인장특성의 향상 또는 감소 효과를 정량적으로 나타내는 지표이며, 산출 방법은 저자들의 기존 연구에서 사용한 식(1)을 사용하여 시너지 효과를 산출하였다(Son et al., 2017)⁽¹⁶⁾.

여기서, $R_{hybrid,\: a+b}$는 a와 b 섬유를 혼합하여 보강한 H- FRCC의 인장특성, $R_{mono,\: a}$는 a 섬유를 보강한 M-FRCC의 인장특성, $R_{mono,\: b}$는 b 섬유를 보강한 M-FRCC의 인장특성이며, $R_{hybrid,\: a+b}$, $R_{mono,\: a}$, $R_{mono,\: b}$는 모두 동일한 혼입률($V_{f}$)를 기준으로 한다. 본 연구에서 M-FRCC는 HSF를 2.0vol.%로 단일 보강한 HSF2.0만 평가하였기 때문에, $R_{mono,\: a}$에 대해서만 고려하였다. 한편, 섬유 혼합 비율에 따른 HPFRCC의 인장특성에 미치는 변형속도 영향을 분석하기 위하여 각각의 인장특성에 대하여 동적증가계수(Dynamic increase factor, 이하 DIF)를 산출하였다. DIF는 고속인장시험을 통하여 측정된 인장특성의 값을 정적인장시험을 통하여 측정된 인장특성 값으로 나누어 산출하였다.

3.1 인장응력-변형 곡선 및 파괴거동

Fig. 5에 변형속도(정적(Static rate): 10/s, 고속(High rate): 10/s)에 따른 HPFRCC의 인장응력-변형 곡선, Table 5에 HPFRCC의 인장특성, Fig. 6에 인장시험에 의한 시험체의 다중 균열 거동을 나타내었다.

HSF2.0은 준정적에서 초기균열이 발생한 이후 HSF의 가교작용에 의하여 매트릭스에 다중균열을 동반한 변형경화거동이 나타났으며, 인장강도 점 이후의 변형연화구간에서 섬유가 매트릭스로부터 직선형으로 인발되는 거동이 나타났다. 고속에서는 변형속도가 증가함에 따라 섬유와 매트릭스의 부착력이 증가하여 다중균열 개수가 증가하는 거동이 확인되었으며, 인장강도 및 변형능력이 크게 증가하였다. 그러나 인장강도 점 이후 변형연화구간에서 응력이 급격하게 감소하였으며, 이는 HSF 주변의 매트릭스에 마이크로 균열이 발생하여 직선형으로 인발되는 HSF의 수가 감소되었기 때문인 것으로 판단된다(Kim et al., 2018)⁽²⁾.

HSF1.5SSF0.5는 준정적에서 초기균열 발생 이후 변형경화거동이 나타났으며, SSF가 혼입됨에 따라 매트릭스 내의 섬유 혼입 개체 수가 증가하고, SSF가 마이크로 균열을, HSF가 매크로 균열을 제어함으로써 다중균열 개수가 증가하여 HSF2.0에 비하여 인장강도 및 변형능력이 증가하였다. 고속에서는 변형속도가 증가함에 따라 섬유와 매트릭스의 부착력이 향상되어 다중균열 개수, 인장강도, 변형능력이 모두 향상되었다. HSF2.0과 비교하였을 때 인장강도는 향상되었으나, 변형능력은 감소하는 결과가 나타났다. 준정적에서는 SSF의 혼입에 의해 마이크로균열이 효과적으로 제어되었으나, 고속 조건에서는 마이크로 균열을 일부 제어하지만, 효과적이지는 않은 것으로 판단된다. 한편, 변형연화구간에서 HSF2.0에 비해 직선형으로 인발되는 HSF의 수가 증가하고, 응력의 급격한 감소가 다소 개선되는 거동이 관찰되었다.

HSF1.0SSF1.0은 준정적에서 변형경화거동이 관찰되었으며, SSF의 혼입률이 증가함에 따라 다중균열 개수 및 인장강도가 크게 증가하였다. 그러나 균열 개수가 증가하였음에도 불구하고 변형능력은 HSF2.0에 비해 감소하였다. 이는 HSF 주변 매트릭스에 발생하는 마이크로 균열을 SSF가 제어함으로써 HSF의 인발저항성능(pullout resistance)이 향상되어, 균열 폭이 감소하기 때문인 것으로 사료된다(Son et al., 2020)⁽¹⁷⁾. 변형속도가 증가함에 따라 고속에서 다중균열 개수 및 인장특성이 모두 향상되는 거동이 확인되었다. 초기균열 발생 이후, 변형경화과정에서 2개의 피크 응력 점이 형성되었다. SSF가 마이크로 균열을 제어하는 과정에서 1차적으로 응력이 증가하고, HSF가 매크로 균열을 제어함으로써 2차적으로 응력이 증가하였으며, SSF가 HSF의 인발저항성능을 향상시킴으로써 1차 피크 점보다 2차 피크 점의 응력이 더 높은 것으로 판단된다. 이로 인해 HSF2.0에 비해 인장강도 및 변형능력이 향상되었으며, 인장강도 점 이후의 변형연화구간에서 급격한 응력 감소 현상이 개선되고, 직선형으로 인발되는 HSF의 수가 크게 증가한 것으로 사료된다.

HSF0.5SSF1.5는 준정적에서 변형경화거동을 통한 다중균열의 수 및 인장강도가 가장 높았으나, 변형능력은 가장 낮은 것으로 확인되었다. 이는 매크로 균열을 제어하는 HSF의 혼입률이 0.5vol.%로 낮기 때문인 것으로 판단된다. 또한 HSF의 수가 감소함에 따라 인장강도 점 이후의 응력이 HSF1. 0SSF1.0에 비해 더 크게 감소하는 거동이 나타났다. 고속에서는 변형속도가 증가함에 따라 섬유와 매트릭스의 부착력이 향상되어 균열 개수 및 인장특성이 모두 증가하였다. HSF1. 0SSF1.0과 유사하게 변형경화과정에서 2개의 피크 응력 점이 형성되었으나, 1차 피크 점이 2차 피크 점보다 응력이 더 높은 것으로 나타났다. SSF의 혼입률이 증가함에 따라 HSF1. 0SSF1.0에 비해 1차 피크 점의 응력 향상이 더 높아지지만, HSF의 혼입률이 감소하여 SSF가 HSF의 인발저항성능을 향상시킴에도 불구하고 2차 피크 점에서의 응력 향상은 높지 않은 것으로 판단된다. 또한 매크로 균열 제어에 효과적인 HSF의 혼입률이 낮기 때문에 2차 피크 점 이후, 응력 저하가 다소 급격히 발생한 것으로 사료된다.

3.2 섬유 혼합 비율에 따른 인장특성 시너지 효과

Fig. 7에 섬유 혼합 비율에 따른 H-FRCC의 인장강도, 변형능력, 피크인성 및 연화인성의 시너지 효과를 나타내었다. 인장강도 시너지 효과의 경우, 모든 H-FRCC가 양(＋)의 값을 나타내었다. 인장강도 시너지 효과에는 SSF의 혼입률 증가로 인한 매트릭스 내의 섬유 혼입 개체 수 증가 및 SSF의 혼입으로 인한 HSF의 인발저항성능 향상이 크게 기인할 것으로 사료된다. 준정적에서 HSF0.5SSF1.5의 인장강도 시너지가 가장 높았으며, 섬유 혼입 개체 수 증가가 준정적에서의 인장강도 시너지 효과에 더 큰 영향을 미치는 것으로 판단된다. 고속에서도 마찬가지로, HSF0.5SSF1.5의 인장강도 시너지가 가장 높은 것으로 확인되었다. 그러나 준정적과 비교하여 HSF1.5SSF0.5 및 HSF1.0 SSF1.0 은 인장강도 시너지 값이 향상된 반면, H0.5S1.5는 시너지 효과가 오히려 감소하였다. HSF1.5SSF0.5 및 HSF1. 0SSF1.0은 HSF의 인발저항성능이 향상되어 인장강도 시너지 효과가 준정적에 비해 증가한 것으로 사료된다. HSF0. 5SSF1.5는 HSF의 혼입률이 낮아 인발저항성능이 향상되는 HSF의 수가 감소하여 인장강도 시너지 효과가 준정적에 비해 감소하는 것으로 판단된다. 이를 통하여, 고속에서는 매트릭스 내의 섬유 혼입 개체 수 증가의 영향이 다소 감소하고, HSF의 인발저항성능 향상의 영향이 증가하는 것으로 판단된다.

변형능력 시너지 효과의 경우, 섬유 혼합 비율 및 변형속도에 따라 다른 결과가 나타났다. HSF1.5SSF0.5는 준정적에서 양의 값을 나타내었으나, 고속에서는 음(－)의 값을 나타내었다. 준정적에서 SSF가 마이크로 균열을 제어하고, HSF가 매크로 균열을 제어함으로써 다중균열 개수 및 변형능력이 HSF2.0에 비해 크게 증가한 반면, 고속에서는 SSF의 혼입률이 0.5vol.%로 마이크로 균열을 효과적으로 제어할 만큼 충분하지 못하고 HSF의 혼입률이 감소하여 변형능력이 크게 증가하지 못했기 때문인 것으로 판단된다. 저자들의 기존 연구에서 PVA는 고속에서 0.5vol.%로 시험체의 마이크로 균열을 효과적으로 제어하였으나(Son et al., 2017)⁽¹⁶⁾, 본 연구에서의 SSF는 0.5vol.%로 마이크로 균열을 효과적으로 제어하지 못하는 결과가 확인되었다. PVA는 섬유 밀도가 1.30 g/cm인 반면, SSF의 섬유 밀도는 7.85 g/cm으로 동일 혼입률에서 SSF의 섬유 개체 수는 PVA보다 적을 것이며, 이로 인하여 낮은 혼입률에서 단섬유로써 마이크로 균열을 효과적으로 제어하지 못한 것으로 판단된다.

HSF1.0SSF1.0의 변형능력 시너지 값은 준정적에서 음의 값을 나타내었으며, 각각의 섬유가 균열을 효과적으로 제어하지만, HSF의 인발저항성능 향상으로 인해 균열 폭이 감소하였기 때문인 것으로 판단된다. 고속의 경우, SSF의 마이크로 균열 제어에 의해 1차 피크 응력 점이 형성된 이후 응력이 일시적으로 감소하였으나, 인발저항성능이 향상된 HSF가 SSF와 함께 가교작용을 함으로써 2차 피크 응력 점이 형성되는 거동을 나타낸 것으로 판단된다. 이러한 거동으로 인해 HSF의 인발저항성능이 향상되었음에도 불구하고 고속에서 변형능력 시너지가 양의 값을 나타낸 것으로 사료된다. HSF0.5SSF1.5의 경우, 변형속도에 관계없이 변형능력 시너지가 모두 음의 값이었으며, 준정적에 비해 고속에서의 시너지 값이 더 낮은 것으로 확인되었다. 준정적에서 SSF의 혼입률이 1.5vol.%로 높아 마이크로 균열을 효과적으로 제어하여 다중균열 개수는 증가하지만, 매크로 균열을 제어하는 HSF의 혼입률이 0.5vol.%로 낮고 SSF가 HSF의 인발저항성능을 향상시키기 때문에 변형능력 시너지 효과가 크게 감소하는 것으로 판단된다. 고속에서는 변형속도가 증가함에 따라 다중균열 개수 및 변형능력이 증가하지만, 1차 피크 응력 점 형성 이후 2차 피크 응력 점 형성과정에서 HSF의 낮은 혼입률로 인해 응력이 크게 증가하지 못하여 준정적에 비하여 시너지 효과가 더 감소한 것으로 판단된다.

피크인성 시너지 효과에서 HSF1.5SSF0.5 및 HSF1.0SSF1.0은 변형속도에 관계없이 모두 양의 값을 나타내었으나, HSF0. 5SSF1.5는 모두 음의 값을 나타내었다. HSF1.5SSF0.5는 준정적에서 SSF가 마이크로 균열, HSF가 매크로 균열을 효과적으로 제어하였기 때문에 시너지 값이 가장 높았으나, 고속에서 SSF가 마이크로 균열을 효과적으로 제어하지 못하여 준정적에 비해 시너지 값이 감소한 것으로 판단된다. HSF1.0 SSF1.0은 준정적에서 SSF가 HSF의 인발저항성능을 향상시켜 변형능력이 감소하지만, SSF가 혼입되어 변형경화과정에서 응력의 향상이 높기 때문에 양의 시너지 값을 나타낸 것으로 사료된다. 고속에서는 SSF가 HSF의 인발저항성능을 향상시키고 마이크로 균열을 효과적으로 제어하며, HSF가 매크로 균열을 효과적으로 제어함으로써 2개의 피크 응력 점이 형성되었기 때문에 시너지 효과가 가장 큰 것으로 판단된다. HSF0.5SSF1.5는 섬유 혼입 개체 수가 가장 많기 때문에 준정적에서 인장강도가 가장 높지만, HSF의 혼입률이 낮고 SSF가 HSF의 인발저항성능을 향상시킴으로써 변형능력이 감소하여 피크인성 시너지 효과가 음의 값을 나타낸 것으로 판단된다. 또한 고속에서는 HSF의 낮은 혼입률로 인해 2차 피크 점에서 응력이 크게 증가하지 못하였기 때문에, 준정적에 비해 피크인성 시너지 효과가 더 낮은 것으로 판단된다.

연화인성 시너지 효과는 변형속도에 관계없이 모든 H- FRCC가 양의 값을 나타내었다. 준정적에서 HSF1.5SSF0.5는 SSF가 혼입되었음에도 불구하고, HSF1.0SSF1.0에 비해 낮은 시너지 값을 나타냈다. HSF1.5SSF0.5는 SSF가 마이크로 균열을 제어하지만, HSF의 인발저항성능을 효과적으로 향상시키기에는 혼입률이 충분하지 못했기 때문인 것으로 판단된다. 반면, HSF1.0SSF1.0은 SSF에 의해 HSF의 인발저항성능이 효과적으로 향상되어 가장 높은 연화인성 시너지 효과를 나타낸 것으로 사료된다. 한편, 고속에서는 HSF 주변 매트릭스에 발생하는 마이크로 균열을 SSF가 제어함으로써 직선형으로 인발되는 HSF의 수가 증가하였기 때문에 준정적에 비해 시너지 효과가 크게 증가하였다. HSF0.5SSF1.5의 시너지 값이 가장 높았으며, 변형연화거동에서 인발되는 섬유의 수가 가장 많고, 1차 피크 응력 점 형성 이후 HSF의 낮은 혼입률(0.5vol.%)에도 불구하고 2차 피크 응력 점이 형성되는 현상이 발생하였기 때문인 것으로 사료된다.

3.3 인장특성에 미치는 변형속도의 영향

Fig. 8에 섬유 혼합 비율에 따른 HPFRCC의 인장특성에 미치는 변형속도의 효과를 나타내었다. 인장강도 DIF의 경우, HSF1.5SSF0.5는 SSF가 혼입되어 HSF2.0에 비해 변형속도 민감도가 증가하지만, HSF의 인발저항성능을 효과적으로 향상시키기에는 혼입률이 충분하지 않기 때문에 HSF1.0SSF1.0에 비해 인장강도 DIF가 낮은 것으로 판단된다. HSF1.0SSF1.0의 경우, SSF의 혼입으로 인한 매트릭스 내의 섬유 혼입 개체 수 증가 및 HSF의 인발저항성능 향상으로 인해 가장 높은 인장강도 DIF를 나타낸 것으로 판단된다. 반면, HSF0.5SSF1.5는 매트릭스 내의 섬유 혼입 개체 수가 가장 많지만, 인발저항성능이 향상된 HSF의 혼입률이 0.5vol.%로 낮기 때문에 인장강도 DIF가 가장 낮은 것으로 사료된다. 변형능력 DIF는 HSF1.0SSF1.0이 가장 높았으며, 이는 SSF가 마이크로 균열을 제어하고 HSF가 매크로 균열을 제어하며, SSF에 의해 HSF의 인발저항성능이 향상되었기 때문인 것으로 판단된다. 반면, HSF0.5SSF1.5는 SSF가 마이크로 균열을 제어하지만, HSF가 인발저항성능이 향상되었음에도 불구하고 혼입률이 낮아 매크로 균열을 효과적으로 제어하지 못하여 변형능력 DIF가 가장 낮은 것으로 나타났다. 피크인성 DIF의 경우, HSF1.0SSF1.0이 가장 높고 HSF0.5SSF1.5가 가장 낮았다. HSF1.0SSF1.0은 SSF의 혼입으로 인한 매트릭스 내의 섬유 혼입 개체 수 증가, 마이크로 균열 제어 및 HSF의 인발저항성능 향상 효과 때문인 것으로 판단된다. HSF0.5SSF1.5는 SSF의 혼입으로 인해 매트릭스 내의 섬유 혼입 개체 수 증가 및 마이크로 균열 제어 효과가 나타났지만, 인발저항성능이 향상된 HSF의 낮은 혼입률로 인해 매크로 균열을 효율적으로 제어하지 못하기 때문인 것으로 판단된다. 한편, 연화인성 DIF는 HSF2.0에 비해 H-FRCC가 더 높은 것으로 확인되었으며, 인발되는 섬유의 수가 가장 많고, HSF의 인발저항성능이 향상된 HSF0.5SSF1.5가 가장 높은 것으로 나타났다. HSF1.0SSF1.0 또한 HSF의 인발저항성능이 향상되었으나, 섬유 개체 수가 HSF0.5SSF1.5에 비하여 낮기 때문에 연화인성 DIF가 더 높지 않은 것으로 판단된다.