3.1.1 시멘트

시멘트는 S사 제품의 보통 포틀랜드 시멘트(ordinary Portland cement, OPC)를 사용하였으며, 비중은 3.13이고 분말도는 3,860 ㎠/g 이다.

3.1.2 잔골재

잔골재는 균질한 시멘트 모르타르를 만들기 위해 강원도 강릉시 주문진읍 향호리산 표준사를 사용하였다. 표면건조포화상태 잔골재의 비중과 흡수율은 각각 2.65와 0.1%이었다. 잔골재의 물리적 특성은 Table 1과 같다.

3.1.3 혼화제

혼화제는 국내 D사 제품의 폴리카르복실산계로써, 액상이고 비중이 1.04, pH 5.0±1.5인 연황색의 고성능 감수제(super plasticizer, SP)를 사용하였다. 혼화제의 물리적 특성은 Table 2와 같다.

3.1.4 탄소섬유와 강섬유

본 연구에서 사용한 탄소 단섬유는 일본 T사의 제품으로 길이 6 ㎜에 직경이 7 ㎛이고, 인장강도와 탄성계수는 각각 4,900 MPa와 230 GPa이다. 탄소함량이 92% 이상이고, 비저항이 1.6×10$^{-3}$ Ω·㎝인 아크릴계나이트(polyacrylonnitrile, PAN)기반 탄소섬유를 사용하였다. 강섬유는 길이 30 ㎜에 직경이 0.5 ㎜이고, 인장강도는 1,100 MPa이다. 강섬유는 국내 K사의 제품으로 양단이 갈고리 형태인 양단 후크형을 사용하였고, 재료투입이 용이하도록 여러 가닥을 서로 부착하여 만든 번들 타입(bundle type) 을 사용하였다. 탄소섬유의 경우 강섬유에 비해 인장강도가 상당히 높고, 섬유길이는 짧지만 높은 형상비(aspect ratio, 𝑙f/df)를 갖고 있다. 본 연구에 사용된 전도성 재료인 탄소섬유와 강섬유의 특성은 Table 3과 같다. 아울러, Fig. 4는 SEM 이미지 분석을 통해 관찰한 전도성 탄소섬유와 강섬유의 표면형상을 나타낸 사진이다. Fig. 4(a)와 (b)는 탄소섬유의 표면형상을 각각 500배 및 10,000배의 배율로촬영한 SEM 사진을 나타낸 것이며, 탄소섬유의 직경이 약 7.05 ㎛로 표면이 상당히 부착이 상당히 매끄럽게 나타내, 시멘트 매트릭스와의 계면접착이 매우 불량한 표면조직임을 알 수 있다. 반면 Fig. 4(c)와 (d)는 강섬유의 표면형상을 각각 30배 및 150배의 배율로 촬영한 SEM 사진을 나타낸 것이며, 강섬유의 직경이 약 500.99 ㎛로 표면이 어느 정도 거칠어 시멘트 매트릭스에 계면접착이 유리한 표면조직을 형성하고 있다는 것을 알 수 있다.

Fig. 4 SEM observations of the conductive fibers

3.3.1 시멘트 모르타르의 전기저항 측정

Fig. 7은 시멘트 모르타르 시편의 전기저항 측정 모습을 사진으로 나타낸 것이다. 모든 시편의 전기저항은 다양한 양생재령(3, 7, 14, 28. 56 및 90일)에서 측정되었다. 전기저항을 측정하기 위해 디지털 멀티미터(precision current source, Keithley 6220)는 2개의 바깥쪽 전극에 DC(I)를 공급하고, Keithley 2182A(nanovoltmeter)는 2개의 안쪽 전극은 전압(V) 측정에 사용되었다. 인가 전류는 ±100 fA에서 ±100 mA 범위까지 가능하고, 전기저항 값의 측정 범위는 10 nΩ에서 200 MΩ 범위까지 가능하다. 일반적으로 시멘트 모르타르의 전기저항 측정방법은 2-probe(two probe method)와 4-probe(four probe method) 방법이 사용되고 있다. 비록 2-probe 방법의 회로가 더 간단 하지만 시편과 전극 사이의 접촉저항을 포함하지 않기 때문에 4-probe 방법이 선호되고 있다. 본 연구에서의 전기저항은 4-probe 방법을 사용하여 측정하였다. 측정된 전기저항을 재료의 고유 특성으로 나타내기 위해서는 고유 비저항(resistivity) 또는 전기전도도(conductivity)로 변환이 필요하다. 따라서 시멘트 모르타르의 비저항(electrical resistivity, ρ)은 측정된 전기저항 및 주어진 길이와 단면적의 시편 형상에 따라 식 (2)을 이용하여 구하였으며, 이는 전기저항(R) 및 단면적(A)에는 비례하고, 길이(L)에는 반비례한다.

여기서, ρ는 고유 비저항(Ω·㎝)이며, A는 전극이 접촉한 부분의 면적(16㎠)이며, L은 전극과 전극 사이의 간격(4㎝)이며, R은 측정된 전기저항 값(Ω)이다. 측정된 전기저항은 물체의 고유한 값이며, 전기전도도(electrical conductivity)와 역수의 관계를 갖는다.

Fig. 7 The resistivity measurement of cement mortar specimen

3.3.2 SEM/EDS 관찰

본 연구에서는 전도성 FRCM 파단면의 표면형상을 관찰하기 위해 SEM 이미지 촬영을 계획하였으며, 동시에 사용하는 EDS에 의해 구성성분을 분석하였다. 분석 장비는 TESCAN 사의 MIRA3-LMH 고분해능 FE-SEM 모델명을 사용하였으며, 수화생성물의 성분분석을 위해 Bruker사의 EDS 디텍터로 추가 실시하였다. 강도 시험 후 경화된 시편을 분쇄하여 획득한 섬유를 건조하여 진공상태에서 백금으로 코팅한 후 SEM/EDS에 의해 이미지와 성분분석을 실시하였다.

3.3.3 압축강도 시험

압축강도 시험은 KSL ISO 679^{(KATS, 2016)}의 시험방법에 따라 각 변수별로 3개씩 몰드를 제작하여 양생재령 28일에서 압축강도를 측정하였다. 양생이 완료된 40×40×160 mm 크기의 각주형 시편은 100-kN 용량의 만능재료시험기(MTDI Co., Ltd, Korea, UT-100F)를 이용하여 하중제어 방식으로 압축강도를 측정하였으며, 재하속도는 2400 N/s의 조건에서 일정한 속도로 가력하였다.

4.1.1 양생재령에 따른 비저항 특성

Fig. 8은 각 시편의 양생재령에 따른 전도성 FRCM와 플레인 모르타르의 평균 비저항 변화를 나타낸 것이다. Fig. 8에서 보는 것처럼 모든 시편에서 양생재령이 경과됨에 따라 시멘트 모르타르 내에서 수화작용이 서서히 진행되고 미세구조 형성이 지속적으로 발전되면서 비저항이 점차 증가하는 경향을 나타내었으며, 이러한 연구결과는 선행 연구에서도 보고되었다^{(EL-Enein et al., 1995; Wang et al., 2017)}. 이는 시멘트 모르타르 내에 존재하는 자유수가 증발하고 수화작용이 진행됨에 따라 자유수가 감소하고 미세구조의 치밀화로 불연속이 되면서 전류의 흐름을 방해하기 때문이다. 일반적인 양상으로 자유수의 양이 낮을수록 시멘트 모르타르의 통전성이 작아져서 비저항이 증가하는 것으로 알려져 있다. 실제 초기 3일 양생재령에서 시멘트 모르타르의 경우 공극에 존재하는 자유수에 의해 전도성이 향상된다는 것을 알 수 있다.

Fig. 8 Resistivity change of the cement mortar with carbon fiber or steel fiber over curing age

4.1.2 섬유혼입률에 따른 비저항 특성

Fig. 9는 각 시편의 섬유혼입률에 따른 전도성 FRCM와 플레인 모르타르의 평균 비저항 변화를 나타낸 것이다. Fig. 9에서 보는 것처럼 다양한 재령에서 섬유혼입률이 증가함에 따라 시멘트 모르타르 내에서 섬유의 브리징(bridging)을 향상시켜 비저항이 점차 감소하는 경향을 나타내었으며, 이러한 연구결과는 선행 연구에서도 보고되었다^{(Wang et al., 2017)}. 이는 시멘트 모르타르 내에 혼입된 전도성 섬유가 비저항이 훨씬 더 감소하여 전류가 쉽게 흐를 수 있는 통로가 형성되어 전류의 흐름이 활발해지기 때문이다. 특히 탄소섬유는 강섬유에 비해 매우 작은 지름과 높은 형상비(aspect ratio 〉857)를 갖고 있어, 혼입 개체수가 많고 섬유혼입률이 증가할수록 섬유들 끼리의 연결성이 우수하여 전도성 CFRCM의 비저항이 감소되는 것을 확인하였다. 아울러, 더 많은 섬유를 혼입함으로써 밀접한 접촉으로 전도성 경로가 형성되여 비저항이 더욱 감소할 수 있게 된다는 것을 알 수 있다.

Fig. 9 Resistivity change of the cement mortar containing carbon fiber or steel fiber with different fiber volume fraction

4.1.3 전도성 FRCM의 적정 섬유함량 산정과 침투임계점

시멘트 기반 모르타르의 전기전도는 전자전도(electronic conduction) 및 이온전도(ionic conduction)의 두 가지 방식에 의해 일어난다. 전자전도는 섬유를 통한 자유전자 이동에 의해 전류가 흐르는 것이며, 이온전도는 미세구조 내 자유수를 통한 이온의 이동에 의한 전기전도이다^{(Whittington, H. et al. 1981)}. Fig. 10은 세미-로그 그래프 기반으로 전도성 FRCM의 다양한 양생재령에서 섬유혼입률에 따른 비저항 변화를 나타낸 것이다. Fig. 10(a)에서 보는 것처럼 전도성 SFRCM의 경우 강섬유의 혼입률이 증가함에 따라 비저항은 모두 감소하였으나, 전반적으로 1.25%까지 강섬유를 추가하더라도 비저항을 크게 낮출 수 없다. 섬유들 사이의 효과적인 접촉이 이루어지지 않기 때문에 전도성 경로 형성이 부족함을 알 수 있다. 반면 Fig. 10(b)에서 보는 것처럼 전도성 CFRCM의 경우 낮은 함량에서도 전도성 경로 형성의 시작을 나타내, 전도성을 높일 수 있다. 탄소섬유가 함유된 전도성 CFRCM의 침투 전이영역은 0.1∼0.4% 사이에 존재하며, 침투 임계점인 0.4%를 초과하는 전도성 CFRCM의 경우 탄소섬유의 혼입률이 증가할수록 섬유들끼리의 연결성이 완전해져서 섬유 사이의 우수한 연결성과 섬유의 혼입 개체수 증가로 인해 비저항이 현저히 감소되는 것을 확인할 수 있다. 그러나 침투 임계점을 초과하는 0.5∼0.6%에서는 전도성 경로가 이미 형성되어 있기 때문에 눈에 띄는 전도성 변화를 일으키지 못했다. 침투 임계점 이후에서 비저항이 감소하는 이유는 다량의 섬유 혼입으로 인한 공극의 발생과 섬유의 뭉침현상으로 인한 자유수의 양을 증가시킨 결과라 판단된다. 본 연구에 사용된 전도성 CFRCM에 대한 감지된 침투 임계점은 비저항을 낮추데 있어 0.4%가 최적의 탄소섬유 혼입량을 나타났다. 침투 이론은 FRCM의 배합설계 시 섬유혼입 부피비에 의한 침투 임계점을 고려한 최적의 섬유혼입량을 결정하는데 매우 효과적이라고 판단된다.

Fig. 10 Variation of resistivity by fiber content in SFRCM and CFRCM

4.1.4 전도성 FRCM의 섬유분포 관찰

침투 이론에 따르면 섬유가 일정 부피분율로 시멘트 모르타르 내에 혼입되면 전기적 클러스터(cluster)가 형성되고, 비저항이 급격히 감소한다. 침투 임계점 이상의 섬유를 혼입하면 시멘트 모르타르 내에서 섬유의 터널링 효과(tunnelling effect)를 발생시켜 전기가 통과하도록 통로를 형성할 수 있다. 이렇게 연결된 섬유들을 클러스터라 하며, 한 클러스터 내에는 한 개 이상의 섬유들이 포함될 때 전도성을 갖게 된다. 본 연구에서는 전도성 CFRCM 내부 섬유들의 침투 임계점을 알아보기 위해 연결된 부분이 통과하는 통로를 형성하는지를 확인하였다. Fig. 11은 SEM 이미지를 통해 관찰한 FRCM의 섬유분포 상태를 비교하여 나타낸 사진이다. Fig. 11(a)에서 보는 것처럼 탄소섬유가 침투 임계점 이하인 0.1%가 함유된 전도성 CFRCM의 경우 섬유들 사이의 거리가 멀리 떨어져 있으며, 전도성 경로 형성이 매우 부족함을 알 수 있다. 반면, Fig. 11(b)의 경우 0.3%가 함유된 전도성 CFRCM에서 섬유들 사이의 거리가 더 가깝게 있으며, 섬유들이 서로 접촉하기 시작하여 전도성 경로를 형성하고 있는 것을 확인하였다. 낮은 함량의 탄소섬유가 전도성 CFRCM 내에 분산되어 있지만 대부분 탄소섬유가 접속된 상태로 존재하고 있음을 잘 보여주고 있다. Fig. 11(c)는 침투 임계점인 0.4%가 함유된 전도성 CFRCM에서 탄소섬유는 십자형 교차나 클러스터를 형성하기 위해 겹쳐져 섬유들이 내부를 통과하는 연결된 통로를 형성되어 있는 것을 알 수 있으며, 매우 민감한 터널링 효과에 의해 지배되었다. 하지만, Fig. 11(d)는 탄소섬유의 혼입률이 0.6%까지 증가하면 섬유가 너무 많이 겹치고, 교차 연결된 클러스터가 생성되어 탄소섬유의 함량이 침투 임계점이 초과하여 전도성 CFRCM의 전도성 네트워크의 형성을 보여준다. 이 경우 터널링 효과에 여전히 중요하지만 섬유의 접촉면적 변화에도 전기전도도에 중요한 역할을 한다. 다량의 탄소섬유 혼입으로 인해 서로 매우 근접하여 섬유의 혼잡이 발생하였다. 아울러, Fig. 11(e)와 (f)에서 보는 것처럼 강섬유가 0.25%와 1.25%가 함유된 전도성 SFRCM의 경우 섬유들 사이의 거리가 멀리 떨어져 있으며, 전도성 경로 형성이 매우 부족함을 알 수 있다.

Fig. 11 SEM images with different fiber volume fractions. (a) V$_{f}$=0.1% (b) V$_{f}$=0.3% (c) V$_{f}$=0.4% (d) V$_{f}$=0.6% (e) V$_{f}$=0.25% and (f) V$_{f}$=1.25%