1. 서    론

생체모방(Biomimetics)이란 생명을 뜻하는 ‘Bios’와 모방을 의미하는 ‘mimesis’ 이 두 개의 그리스어가 합성된 단어로 자연으로부터 생명체의 특성이나 디자인적 요소들을 모방하여 인간 삶의 질을 향상시키는 데 그 목적이 있다. 이러한 생체모방기술은 지구상의 생물이 무수한 시행착오를 거치면서 최적의 개체가 살아남는 자연선택 과정을 거친 검증된 결과물이라는 관점에서 그 적용분야가 날로 확장되고 있으며, 특히 공학 분야에서 재료와 구조 모델 분야에 가장 활발히 적용되고 있다(Kim 2017). 그러나 건설 분야의 경우 구조물의 설계 및 모델 분야에 주로 적용되었고(Her and Kim 2010), 건설재료의 개발 및 이를 활용한 응용기술에 대한 체계적인 연구는 미비한 실정이다. 한편, 일반 콘크리트의 균열과 열화현상을 제어하기 위한 다수의 연구가 수행되고 있는데 그 중에 보강용 섬유를 활용하여 취성적인 재료적 특성을 보완한 섬유보강 시멘트 복합체가 대표적이다. 섬유보강 시멘트 복합체의 경우 섬유와 매트릭스와의 가교작용과 제어된 균열폭의 특성으로 구조물의 내구성능을 일반 콘크리트에 비해 증진시킬 수 있고 1축 인장하에서 변형률 경화거동을 통해 우수한 에너지 흡수능력을 확보할 수 있는 것으로 보고되고 있다(Kim et al. 2007, Yang et al. 2008).

본 연구에서는 자연계의 생체보방 시스템 중 대표적으로 갑각류 껍질의 구조 및 거동을 모사하여 섬유보강 시멘트 복합체의 인장거동과 에너지 흡수능력 향상을 위한 방안으로 적용하고자 한다. 조개껍질과 같은 갑각류 껍질의 주요 성분은 콘크리트와 유사하게 탄산칼슘으로 이루어져 있다. 갑각류 껍질은 시멘트계 재료와 유사한 성분으로 구성되어 취성적인 특성을 나타낼 것으로 예상하지만 우수한 인장특성과 균열에 대한 저항성능을 보인다. 이러한 갑각류 껍질은 Fig. 1과 같이 수천 개의 탄산칼슘 타일이 적층구조로 쌓여 있는 구조적 형태로 인해 콘크리트의 10배 이상의 강도와 높은 인성을 가진다. 또한, 갑각류의 적층형 구조형상은 단단한 탄산칼슘 층이 다른 층과의 구조적 거동을 통하여 변형에너지를 분산시키며 우수한 인장특성 및 고강도를 발현한다고 연구된 바 있다(Song et al. 2003).

따라서 본 연구에서는 이러한 갑각류 껍질의 구조에 착안하여 섬유보강 시멘트 복합체의 구조를 적층형으로 제작하여 일체화로 제작된 기존 섬유보강 시멘트 복합체와의 휨/인장 거동을 실험을 통해 평가하는 기초연구를 수행하고자 한다. 제작 상세에 있어 갑각류껍질을 구성하고 있는 층은 프리캐스트 패널로, 프리캐스트 패널의 표면 형상 변화를 통해 층과 층의 부착 결합을 모사하였다. 프리캐스트 패널과 실험실에서 배합된 섬유보강 시멘트 복합체를 적층형으로 제작한 실험체에 대한 휨강도 실험을 수행하여 패널의 종류와 형상에 따른 휨강도 및 에너지 흡수능력 등의 연성거동을 평가하였다.

2. 실험 계획

2.1 사용재료

본 연구에서 적층형 섬유보강 시멘트 복합체와 프리캐스트 패널을 제작하기 위해 사용된 배합은 Table 1과 같다. 마이크로역학적 특성을 기반으로 한 기존연구(Kim et al. 2007)를 바탕으로 최적의 물-결합재비를 55 %로 결정하였다. 섬유혼입율은 기존연구(Li and Wu 1992)를 바탕으로 체적비로 2 %를 혼입하였다. 매트릭스 강도, 레올로지 특성 및 효과적인 섬유 분산성을 고려하여 결합재는 1종보통 포틀랜드시멘트(OPC)와 고로슬래그 미분말(Slag) 및 플라이애시(FA)를 4:4:2 비율로 혼입하였고 각각의 물성은 Table 2와 같다. 고로슬래그 미분말과 플라이애시를 혼입할 경우 섬유가교 작용을 향상시키는 효과가 있는 것으로 보고되고 있다(Kim et al. 2006). 보강용 섬유로는 PVA섬유를 사용하였으며 그 물성은 Table 3에 나타내었다. PVA섬유는 친수성 섬유의 성질을 지니고 있어 계면 부착력과 탄성계수가 크고 시멘트 매트릭스 사이에 우수한 가교작용을 한다고 알려져 있다(Nelson et al. 2002). 골재로는 규사를 사용하였으며, 골재의 시멘트 매트릭스의 충진률을 높이기 위하여 입경이 다른 두 종류를 50 %씩 혼용하여 사용하였으며, 그 물성은 Table 4와 같다. PVA섬유의 효과적인 분산을 위하여 분말형태의 카르복실계의 고성능감수제(SP)와 셀롤로즈계 분리저감제(MC)를 혼화제로 첨가하였다. 적층형 휨공시체가 충분한 강도와 연성을 확보하기 위해 본 연구에서 설정한 배합의 목표 인장강도는 4 MPa이며, 목표 인장 변형률은 3 % 이상으로 직접인장 실험을 통해 성능을 확인하였다.

Table 1 Experimental plan

W/B (%)	Unit weight (kg/m3)
	Water	OPC	Slag	Fly ash	Silica sand	SP1)	MC2)	PVA Fiber
55	375	273	273	163	810	1.02	2.7	26
1)Superplasticizer, 2)Methylcellulose

Table 2 Properties of binder

Binder	Density (g/cm3)	Blaine (cm2/g)
OPC	3.15	3,492
Slag	2.90	4,260
Fly ash	2.22	3,420

Table 3 Properties of PVA fiber

Fiber	Density (g/cm3)	Diameter (mm)	Length (mm)	Tensile strength (MPa)	Elastic modulus (GPa)
PVA	1.3	0.04	12.1	1,597	37

Table 4 Properties of silica sand

Type	Diameter (mm)	Density (g/cm3)	SiO2 (%)	Moh's hardness	Melting point (°C)
#7	0.1~0.3	2.60	96	7	1,713
#8	< 0.1

2.2 시험체 제작 및 실험방법

2.2.1 압축강도실험

적층형 섬유보강 시멘트 복합체 휨 시험체의 제작에 있어 우선 프리캐스트 패널을 먼저 제작한 후 동일한 배합의 섬유보강 시멘트 복합체를 이용하여 최종 휨 실험체를 제작하기 때문에 동일한 배합이지만 서로 다른 타설시기로 인한 강도차이가 발생할 수 있다. 이러한 강도 영향을 파악하기 위해 압축강도실험을 수행하였다. 압축강도실험은 최대용량 1,000 kN의 UTM을 활용하였으며, 하중재하속도는 0.5 mm/min이다. 각 변수에 따라 3개의 시험체에 대하여 후 타설 시멘트 복합체의 재령일을 기준으로 재령 7일, 14일, 28일 강도를 평가하였다.

2.2.2 직접인장실험

프리캐스트 패널과 시멘트 복합체의 재령에 따른 인장강도 및 변형률을 평가하기 위해 Dog-bone 형태의 직접인장 시험체를 제작하였다. 준비된 재료를 모르타르 믹서로 배합 후 몰드에 타설하였고, 48시간동안 온도 20 ± 5 °C, 상대습도 60 ± 5 %의 항온항습실에서 기건 양생하였다. 이후 시험체를 몰드에서 탈형하고 재령 28일까지 20 ± 5 °C의 항온수조에서 수중양생을 실시하였다. 직접인장실험은 Fig. 2와 같이 시험체를 200 kN급 UTM에 거치 후 0.5 mm/min의 변위제어방법으로 실시하였다. 2개의 변위계(LVDT)를 실험체의 양측에 부착하여 변위를 측정하였고, 측정된 변위를 80 mm의 계측길이에 대한 변형률로 환산하여 인장강도-변형률 관계를 도출하였다.

2.2.3 적층형 섬유보강 시멘트 복합체 휨실험

Fig. 3은 섬유보강 시멘트 복합체와 프리캐스트 패널을 이용하여 제작된 휨실험체 종류를 보여주고 있다. 적층구조를 모사하기 위하여 휨실험체 내부에 프리캐스트 패널을 삽입하여 제작하였으며, 그 제작 과정은 Fig. 4와 같다. 먼저 준비된 재료를 모르타르 믹서에 투입하여 섬유보강 시멘트 복합체를 배합 후 20 × 100 × 300 mm 크기의 패널 거푸집에 타설 후 48시간동안 온도 20 ± 5 °C, 상대습도 60 ± 5 %의 항온항습실에서 기건 양생하였다. 양생된 패널을 거푸집 탈형 후에 100 × 100 × 400 mm의 콘크리트 휨실험체 몰드에 수직거치 후 섬유보강 시멘트 복합체를 2차타설 하고 위와 동일한 방법으로 기건 양생하였다. 48시간 후 몰드를 탈형하였고, 실험체는 재령 28일까지 20 ± 5 °C의 항온수조에서 수중양생 하였다. 적층형 섬유보강 시멘트 복합체의 휨성능을 평가는 Fig. 5와 같이 재령 28일에서 KS F 2566 에 준하여 4점법으로 실시하였다. 지간거리는 300 mm이며 하중 재하속도는 변위제어 방법으로 0.2 mm/min으로 실시하였다.

또한, 2개의 변위계 (LVDT)를 시험체 중앙부에 부착하여 하중 재하시 처짐량을 측정하였다. KS F 2566에서 제시한 콘크리트 휨강도 계산식인 식 (1) 이용하여 휨강도를 계산하였다.

$f_r=\frac{Pl}{b{h}^2}$  (1)

여기서, P는 시험기가 나타내는 최대 하중, l은 지간거리, b는 파괴 단면의 폭, h는 파괴 단면의 높이이다.

휨실험 결과를 이용하여 적층형 섬유보강 시멘트 복합체의 에너지 흡수능력을 평가하기 위하여 Fig. 6과 같이 실험체의 최종파괴시점을 최대하중의 90 %로 결정하고 하중-변위곡선의 면적을 계산하여 에너지 흡수능력을 평가하였다. 선행연구에서(Kwon et al. 2017) 평판의 표면형상을 적용한 적층형 섬유보강 시멘트 복합체의 휨실험 결과 패널이 본체 시멘트 복합체에서 탈락되어 지점부 전단파괴가 잃어나는 경향을 보인바 있어 이러한 지점부 전단파괴를 방지하고, 경계면의 국부적 슬립 경화거동을 유도하기 위하여 패널 바닥면에 요철형(Type R)과 물결형(Type W)의 표면형상을 계획하였고, 프리캐스트 패널의 표면형상이 경계면 슬립경화거동과 에너지 흡수능력에 미치는 영향을 실험을 통해 평가하였다.

이러한 요철형과 물결형의 표면형상은 서로 다른 시기에 타설되는 콘크리트 구조물의 계면의 전단마찰력을 높여 콘크리트의 탈락을 방지하고 부착성능을 증가시킬 수 있다.

3. 실험 결과

3.1 압축강도

프리캐스트 패널과 후 타설 시멘트 복합체의 재령에 따른 압축강도 측정 결과를 Table 5에 나타내었다. 패널과 후 타설재료는 48시간의 제작시간 차이가 있으며, 후 타설 시멘트 복합체의 재령 기준으로 28일에 측정한 압축강도는 동일한 시기에 측정한 패널의 압축강도와 평균 0.9 MPa의 차이가 나타났다. 이러한 결과를 보았을 때, 프리캐스트 패널과 후 타설 시멘트 복합체의 강도 발현 차이가 휨실험 결과에 크게 영향을 미치지는 않을 것으로 판단하였다.

Table 5 Measured compressive strength

Specimens		Compressive strength (MPa)
		1	2	3	average
Precast panel	9d	20.5	20.6	21.2	20.8
	16d	31.8	32.6	31.9	32.1
	30d	39.2	38.5	38.4	38.7
Composites cast in mold later	7d	19.8	19.2	19.6	19.5
	14d	30.8	30.4	31.1	30.8
	28d	37.5	38.0	37.9	37.8

3.2 1축 인장거동

프리캐스트 패널과 시멘트 복합체를 제작하기 위해 사용된 배합의 직접인장시험 결과로 측정된 응력-변형률 관계를 Fig. 7에 나타내었다. 4개의 시험체에 대한 초기균열 강도는 평균 4.2 MPa로 측정되었고, 평균 인장강도와 최대 변형률의 평균값은 각각 5.3 MPa 및 3.98 %로 측정되어 본 연구에서 계획한 인장 성능을 충분히 확보할 수 있는 것으로 나타났다. 또한 그래프에서 확인할 수 있듯이 섬유보강 시멘트 복합체는 변형률 경화거동과 함께 1축 인장하에서 충분한 인장 변형률을 확보하는 것을 확인할 수 있다. 이러한 결과는 Fig. 8에서 확인할 수 있듯이 초기균열강도에 도달하여 첫 균열이 발생하고 이 후 다수의 미세균열이 1축 인장 변위를 측정하는 전구간에 발생하였는데 고장력 PVA 섬유의 가교작용을 통해 변형률 경화거동과 효과적인 균열분산이 확보되었기 때문이다. 따라서 Cho et al.(2010)의 결과를 미루어 볼 때 1축 인장조건 하에서의 충분한 연성을 확보하는 본 배합은 인장 특성에 상응하는 충분한 휨성능을 발휘할 수 있는 것으로 나타나므로 프리캐스트 패널과 시멘트 복합체를 적용하여 제작된 휨실험체의 경우에도 우수한 휨성능을 확보할 수 있을 것으로 예상되었다.

3.3 적층형 섬유보강 시멘트 복합체의 휨성능

3.3.1 균열 패턴

휨강도 증가에 따른 4 종류 실험체의 균열 패턴을 Fig. 9에 나타내었다. Plain 실험체의 경우 초기균열 발생 이후 실험체 하단 인장부에 미세균열이 다수 발생되고, 최대하중에 도달함에 따라 하나의 균열에 응력이 집중되어 균열폭이 증가하면서 최종 파괴되는 일반적인 섬유보강 시멘트 복합체의 파괴거동을 나타내었다. 한편, 프리캐스트 패널을 삽입한 실험체 시리즈의 경우 시멘트 복합체와 프리캐스트 패널 접합부가 강하게 부착되어 있는 부분에서는 반사균열이 발생하여 Plain 실험체와 유사한 거동을 보였지만 층간의 delamination 및 슬라이딩이 관찰되는 부분에서는 발생되는 수평변형에 의해 반사균열이 발생되지 않고 변형이 안정화된 후 패널의 다른 부위로부터 균열이 시작하여 다수의 미세균열이 발생되는 것을 관찰할 수 있었다. 이러한 현상이 다음절에 기술되어 있는 패널의 삽입에 따라 최대하중에 대응하는 중앙부 처짐량이 달라지는 하나의 이유로 판단할 수 있다. 직선 형태의 경계면을 가지는 Type-S 실험체의 경우 변형이 증가함에 따라 패널 경계부가 있으므로 반사균열이 발생하여 파괴에 도달하지는 않으나, 패널 경계면의 부착이 쉽게 소실되고 슬라이딩에 의한 수평 변위가 증가하였는데, 이로 인하여 충분한 균열분산 능력을 보이지 못한 것으로 판단된다.

한편, Type-R 및 Type-W 실험체의 경우, 반사균열 발생이 억제되면서 미세균열의 발생은 증가한 것으로 나타났다. 이는 경계면 부착이 국부적으로 소실되면서 미세균열이 발생하고, 이로 인하여 나타나는 delamination과 슬라이딩 파괴를 굴곡진 경계면 형상의 맞물림 저항이 억제한 것으로 판단된다.

모든 실험체는 균열이 상부 압축부로 진전되면서 하중감소가 발생되었고 패널을 삽입한 실험체 대부분 상부패널이 본체 시멘트 복합체와 분리되어 실험을 종료하였다.

3.3.2 휨성능 및 에너지 흡수능력

프리캐스트 패널의 형상에 따라 4개씩 제작된 공시체 중 대표적인 휨실험체의 휨강도-중앙부 처짐과의 관계를 Fig. 10에 나타내었으며(Kwon et al. 2018), 모든 실험체의 휨강도 실험결과는 Table 6과 같다. 곡선에서 하중의 크기가 증가하다가 처음으로 감소하고 변위의 크기가 크게 증가하는 점을 초기 균열하중 부분으로 간주하였다. 섬유보강 시멘트 복합체로만 제작된 Plain 실험체의 경우 평균 초기 휨강도가 3.9 MPa이며 Type-S, Type-R 및 Type-W 실험체는 각각 3.7 MPa, 4.1 MPa 및 3.6 MPa로 Type-R > Plain > Type-S > Type-W 순으로 높게 측정되었지만 그 차이는 미미한 것으로 나타났다. 초기균열 하중까지는 프리캐스트 패널과 시멘트 복합체 경계면 사이에 충분한 부착력을 확보하며 유사한 강성을 유지하면서 일체화 거동을 하는 것을 알 수 있다.

Table 6 Flexural test results

Specimen	Flexural strength (MPa)	Average flexural strength (MPa)	Deflection at 90 % of flexural strength (mm)	Average energy absorption (kN·mm)	Standard deviation of energy absorption (kN·mm)
Plain	9.1 9.3 8.6 8.8	8.9	2.9 2.9 3.2 2.7	60.4	1.8
Type-S	9.2 8.4 8.5 8.7	8.7	3.6 3.9 3.4 4.1	80.1	5.9
Type-R	9.2 9.3 8.5 9.7	9.2	4.4 4.5 4.2 4.4	107.6	2.4
Type-W	8.8 8.2 9.1 7.9	8.5	4.6 4.3 4.2 4.4	100.1	2.3

한편, 초기균열 하중 이후 최대 휨강도의 경우 Plain 실험체는 평균 8.9 MPa이며 Type-S, Type-R 및 Type-W 실험체는 각각 8.7 MPa, 9.2 MPa 및 8.5 MPa로 Type-R > Plain > Type-S > Type-W 순으로 높게 측정되었지만 8 % 내외로 휨실험체 종류에 따른 최대 휨강도 차이는 미미한 것으로 나타났다. 모든 실험체는 초기균열 하중 이후 파괴시까지 인장변형 경화거동을 통해 충분한 연성을 확보할 수 있는 것으로 나타났다. 최대 휨강도에 상응하는 중앙부 처짐량은 Plain 실험체의 경우 2.3 mm로 Type-S > Type-R > Type-W 실험체 순으로 1.09배, 1.65배, 1.70배 크게 측정되었다. 이러한 결과는 일체로 제작된 Plain 실험체에 비해 패널을 적용한 실험체에서 발생되는 접합면의 delamination 효과 및 각 층마다 발생되는 균열폭 증가에 따른 슬라이딩 현상으로 인해 최대 휨강도가 발현되는 처짐량이 서로 다르기 때문인 것으로 판단된다. 경계면 delamination과 슬라이딩 현상의 적게 나타난 Type-R 및 Type-W 시험체가 균열을 가장 효과적으로 분산하여 이상적인 인장변형 거동을 보였는데 굴곡진 경계면에 따른 맞물림으로 인해 delamination과 슬라이딩 발생을 억제하여 휨강도를 증가시키고 이후 급격한 하중감소가 없는 안정적인 파괴에 도달하였다.

휨강도 실험을 통해 측정된 휨하중-중앙부 처짐과의 관계곡선에서 최대 휨강도의 90 %까지의 면적을 본 연구에서는 에너지 흡수능력으로 정의하였고(Soltan et al. 2014), 그 결과는 Fig. 11과 같다. Plain 실험체는 평균 60.4 kN·mm로 Type-S, Type-R 및 Type-W 실험체는 Plain 실험체에 비해 1.33배, 1.78배 및 1.66배 높은 에너지 흡수 능력을 확보할 수 있는 것으로 나타났다. 휨하중-중앙부처짐곡선의 면적은 하중의 크기와 처짐량의 곱으로서 그 크기에 비례함을 알 수 있는데 이에 기인하여 상대적으로 중앙부 처짐량이 큰 Type-R 및 Type-W 실험체의 에너지 흡수능력이 크게 나타났다. 4개의 휨강도 실험 중 Type-R과 Type-W 실험체의 표준편차가 Type-S 실험체에 비해 상대적으로 적게 계산되었다. 이는 프리캐스트 패널 경계면 굴곡의 맞물림을 통해 충분한 마찰부착을 확보할 경우 안정적으로 적층형 시멘트 복합체 에너지 흡수능력을 확보할 수 있는 것으로 나타나 경계면 조건의 최적화를 위한 추후 연구가 필요한 것으로 사료된다.

4. 결    론

본 연구에서는 섬유보강 시멘트 복합체의 에너지 흡수능력을 향상시키기 위한 일환으로 갑각류껍질의 구성형태를 모사하는 생체계 모방기법을 적용하였다. 실험을 통해 본 연구에서 얻은 결과는 다음과 같다.

1)휨실험체는 갑각류껍질의 구조를 모방하여 3종류의 표면형상 조건에 따라 제작된 프리캐스트 패널과 후 타설 섬유보강 시멘트 복합체를 적층형으로 구성하여 제작하였다.

2)프리캐스트 패널과 후 타설 섬유보강 시멘트 복합체의 압축강도는 평균 38.3 MPa로 측정되었다. 프리캐스트 패널과 후 타설 재료의 재령은 48시간의 차이가 발생하는데, 실험은 후 타설 재료의 재령이 28일일 때 수행하였다. 제작시간 차이에 따른 압축강도의 차이는 평균 압축강도의 3 % 이내로 휨 성능에 큰 영향을 미치지 않을 것으로 판단한다.

3)직접인장 실험을 통해 사용배합의 1축 인장 성능을 검증한 결과 안정적인 변형률 경화거동이 나타났고, 평균 인장강도는 5.3 MPa, 최대 인장변형률의 평균값은 3.98 %인 것으로 나타났다. 변형률 경화거동이 발생되는 동안 균열 폭이 제어된 다수의 미세균열이 발생하는 결과를 통해 이 연구에서 적요한 배합은 우수한 1축 인장 거동을 확보할 수 있는 것으로 확인하였다.

4)휨시험체의 파괴거동을 분석한 결과 직선 형태의 경계면을 가지는 Plain 실험체는 균열이 집중되기 시작하면, 그 균열에 의하여 파괴에 도달한다. 반면, Type-S 실험체의 경우 변형이 증가함에 따라 패널 경계부가 있으므로 반사균열이 발생하여 파괴에 도달하지는 않으나, 부착이 쉽게 파괴되어 충분한 균열분산 능력을 보이지 못한 것으로 판단된다. 한편, Type-R 및 Type-W 실험체의 경우 Type-S 실험체에 비하여 부착성능이 개선되었으므로 반사균열 발생도 저지하면서, 경계면의 마찰저항을 통하여 delamination과 슬라이딩 현상이 적절하게 발생하면서 휨 성능이 보다 연성적으로 나타났다고 판단된다.

5)적층형 섬유보강 시멘트 복합체의 휨성능 평가 결과 Plain 휨실험체 대비 휨강도의 변화는 8 % 이내로 동등 수준의 휨강도를 확보할 수 있는 것으로 나타났다. 반면, 최대 휨강도에 상응하는 중앙부 처짐량의 경우 Plain 대비 1.09~1.70 배 증가하였다. 이러한 결과는 패널 접합면 delamination 효과와 각 층마다 발생되는 미세 균열의 발생에 따른 슬라이딩, 그리고 물결형과 요철에 의한 맞물림 현상으로 인해 최대 휨강도의 크기가 발현되는 처짐량이 서로 다르기 때문으로 판단된다.

6)적층형 섬유보강 시멘트 복합체의 에너지 흡수능력을 평가한 결과 Type-S, Type-R 및 Type-W 실험체는 Plain 실험체에 비해 1.33배, 1.78배 및 1.66배 높은 에너지 흡수능력을 확보할 수 있어 동일 휨강도 확보시 에너지 흡수능력 향상에 효과적인 것으로 실험을 통해 나타났다.