2.1 사용재료 및 특징

이 연구에서 배합에 사용된 주 결합재는 Tables 1~4에 나타낸 바와 같이 보통포틀랜드시멘트, 고로슬래그 미분말, 실리카퓸이 이용되었다. 시멘트는 비중은 3.15, 분말도는 3,300 cm$^{2}$/g의 보통포틀랜드시멘트가 사용되었다. 혼화재료인 고로슬래그 미분말(ground granulated blast- furnace slag, GGBS)의 주요 성분은 4.5.1 %의 CaO, 32.2 %의 SiO₂ 및 14.2 %의 Al₂O₃이며, 실리카퓸의 주요 성분은 SiO₂ 90 %이며, 강열감량은 3.0 %, 비중은 200~350 kg/m$^{3}$, 비표면적은 15~25 m$^{2}$/g, 입경은 0.15 µm이다(Tables 2, 3). 무기계 매트릭스의 휨강도 증진을 위하여 단섬유를 첨가하였다. 사용된 단섬유는 PVA (polyvinyl alcohol) 섬유로서 밀도가 1.2 g/cm$^{2}$, 직경 15~25 µm, 길이가 3 mm, 탄성계수 20 GPa 이상, 인장강도 900 MPa인 친수성 섬유로서 화학적, 물리적으로 우수한 접착성능을 가지고 있다. 또한, FRCM용 무기계 매트릭스의 부착성능을 향상하기 위하여 Ethylene vinyl acetate polymer와 Acrylic polymer, Styrene butadiene polymer를 첨가하였다. Table 5에 나타낸 바와 같이 폴리머는 하얀색 분말 형태인 재분산수지이며, 비중은 0.46~0.56 kg/l이며, 재료의 pH는 6.5~7.5이다.

배합에 사용된 잔골재는 모르타르의 내부 치밀성을 향상하기 위해 최대 직경이 1.5 mm인 5호사 골재와 최대직경이 0.4 mm 이하인 6호사 골재를 혼합하여 사용하였다.

2.2 배합설계 및 믹싱

FRCM용 무기계 매트릭스 개발을 위해 배합은 Table 6에 나타낸 바와 같이 4개 그룹으로 분류하여 진행하였다. 기존 연구(Triantafillou 2016)⁽¹²⁾에 따르면 FRCM용 무기계 매트릭스의 요구조건은 시공성과 섬유보강재와의 결합성, 내구성 등으로 요구조건에 만족하는 기존의 FRCM 배합(TU Dresden, RWTH Aachen)(Triantafillou 2016)⁽¹²⁾에서 제시하는 물결합재비(W/B)의 30~40 %를 참고하여 시멘트 양을 45 중량 %로 하였다. 모든 시험체는 시공의 용이성을 위하여 플로우를 180~200 mm 범위로 하였으며, 물결합재비(W/B)를 37.8 %로 고정하였다. 그룹 1배합은 FRCM용 무기계 매트릭스의 역학적 성능 및 내구성을 증진하기 위하여 실리카퓸의 혼입량을 1.0~4.0 중량 % 범위로 1.0 중량 %씩 증가시켜 실리카퓸의 첨가비율에 따른 강도 변화를 확인하기 위하여 배합하였다. 그룹 2배합은 그룹 1배합의 실험결과를 근거로 실리카퓸 1.0 중량 %를 기준 배합으로 하여 내구성을 증진시키기 위하여 슬래그 혼입량을 2.0~8.0 중량 % 범위로 2.0 중량 %씩 증가시켜 슬래그의 혼입량에 따른 강도 변화를 확인하였다. 그룹 3배합은 그룹 1, 2배합의 실험결과를 근거로 결정된 결합재의 양(시멘트 42 중량 %, 실리카퓸 1.0 중량 %, 슬래그 2.0 중량 %)을 기준으로 단섬유의 혼입량에 따른 강도 변화를 확인하였다(Arisoy and Wu 2008)⁽²⁾. 그룹 4배합은 FRCM용 무기계 매트릭스의 부착성능을 향상하기 위하여 폴리머(polymer) 종류에 따른 강도 변화를 확인하였다.

FRCM용 무기계 매트릭스의 배합은 KS L 5109(KATS 2017b)⁽⁹⁾의 배합방법에 따라 5 L 혼합장치를 사용하여 혼합수 전량을 혼합 용기 안에 넣고 미리 배합해 놓은 분체의 전량을 투입 후 저속으로 60초 동안 혼합한 후 고속으로 바꾸어 30초 동안 혼합한다. 그 후, 혼합기를 정지하고, 모르타르를 90초 동안 방치한 후 다시 고속으로 60초 동안 혼합하였다.

3.1 결합재 혼입비율에 따른 기초물성 변화

Table 6, Fig. 2에 나타낸 바와 같이 그룹 1, 2배합에서 재령 28일 압축강도는 기준 배합과 비교하여 실리카퓸을 1.0 중량 % 혼입 시 약 8 %, 2.0 중량 % 혼입 시 25 %의 강도증진 효과를 나타내어 실리카퓸의 혼입량이 증가할수록 압축강도가 증가하는 경향을 나타내고 있다. 이러한 현상은 실리카퓸의 높은 분말도로 인하여 초기에 포졸란 반응을 일으키기 때문이다(Kim 1991)⁽⁷⁾. 반면에 3.0 중량 % 이상 혼입 시에는 압축강도의 증가에 영향이 미미하였다. 이것은 실리카퓸을 일정량 이상 혼입하면, 초기에 빠른 반응과 수분 흡착으로 시간이 지남에 따라 수화반응이 감소하기 때문에 굳은 후에 공극이 상대적으로 많이 발생한다. 또한, 실리카퓸의 분말도가 높아서 초기에 석회(lime)를 많이 흡수해서 막을 형성하기 때문에 초기에는 수화반응이 빠르지만, 약 일주일 이후에는 속도가 늦어진다. 그리고 7일 이후에는 초기의 빠른 수화반응에 의하여 수분이 빠르게 소비되어서 수분 부족으로 인해 보통시멘트보다 수화반응이 늦어지기 때문이라고 판단된다.

Fig. 2. Compressive strength by mixing group

Figs. 3, 4의 휨강도의 경우, 실리카퓸 혼입비율이 1.0~2.0 중량 %로 증가함에 따라 재령 28일 강도가 Fig. 2(a)와 같이 증가하는 경향을 나타내며, 이러한 특성은 Malhotra(1986)⁽¹¹⁾가 보고한 바와 같이 압축강도의 경향과 유사하다는 것을 알 수 있다. 또한, GGBS의 혼입량이 증가할수록 재령 28일 압축강도는 대체로 증가하는 경향을 나타내고 있으며, 휨강도의 증가폭은 작지만, 기준 배합과 비교해 증가하였다.

Fig. 3. Flexural strength by GGBS content

Fig. 4. Flexural strength by silica fume content

플로우값은 실리카퓸 및 GGBS의 혼입량이 증가할수록 대체로 저하되었다. 이러한 현상은 실리카퓸이 시멘트 비표면적의 50~80배에 이르는 초미립분말이기 때문에 나타난 결과로 2.0 중량 % 이상 사용 시에는 유동화제의 사용량을 증가시켜 유동성 확보가 이루어져야 할 것으로 판단된다. 그러나 Bayasi and Zhou(1993)⁽³⁾가 연구한 내용에 따르면 유동화제의 사용량이 증가하면 모르타르의 투수성이 증가할 수 있으니 사용에 사전검토가 필요하다.

그룹 1, 2배합 모두 28일 기준 압축강도 및 휨강도 시험결과, 보수 모르타르의 기준인 20 MPa, 6 MPa을 만족하였으며, 본 연구에서 목표로 한 재령 28일 압축강도 및 휨강도인 60 MPa, 8 MPa을 만족시키는 배합으로 실리카퓸 1.0 중량 %, GGBS 2.0 중량 %를 첨가한 배합을 그룹 3배합의 기본 배합으로 선정하였다.

3.2 단섬유 혼입비율에 따른 기초물성 변화

Table 6에 나타낸 바와 같이 그룹 3배합에서 재령 28일 압축강도 및 휨강도는 KATS(2017) 기준값인 20 MPa, 6 MPa을 만족하는 것을 확인하였다. 이 연구에서 선정한 목표값인 압축강도 및 휨강도인 60 MPa, 8 MPa을 만족하였다. 또한, Table 6과 같이 PVA 섬유 혼입량이 증가할수록 플로우값은 큰 폭으로 감소하였다. 이는 섬유의 혼입량이 증가함에 따라 시멘트 페이스트가 섬유에 부착되어 플로우가 감소한 것으로 판단된다(Lee et al. 2009)⁽¹⁰⁾.

Fig. 2(c)와 같이 압축강도는 혼입량이 증가함에 따라 다소 증가하는 경향은 있었으나 큰 차이는 없는 것으로 나타났으며, Fig. 5의 휨강도는 혼입비율이 0~0.2 중량 % 구간에서는 약 10 % 증가하였지만, 이후에는 증가폭에 변함이 없는 것을 확인하였다. 이것은 단섬유 혼입으로 인해 효율적인 하중분배로 수축균열 저감 및 균열의 성장을 효과적으로 제어하여 매트릭스의 인장강도를 향상시켜 휨강도의 증진에 영향을 미친 것으로 판단된다(Yao et al. 2003)⁽¹³⁾. FRCM은 섬유보강재와 무기계 매트릭스의 두 가지 재료를 결합한 복합재의 형태로 콘크리트 구조물의 보수･보강에 활용된다. 압축응력은 무기계 매트릭스가 부담하며, 인장응력은 섬유보강재가 부담한다. 무기계 매트릭스는 인장력에 매우 약하기 때문에 무기계 매트릭스의 휨 성능 향상은 전체적으로 복합재의 휨 성능 향상에 기여한다. 하지만, 단섬유의 혼입량이 증가할수록 플로우는 감소하여 전체적인 무기계 매트릭스의 품질에 영향을 미칠 수 있다. 이와 같이 그룹 3배합에 대한 기초물성을 검토한 결과, 압축강도 및 휨강도, 작업성에서 우수한 결과를 보인 PVA 0.2 중량 % 배합을 그룹 4배합의 기본 배합으로 선정하였다.

Fig. 5. Flexural strength by short fiber content

3.3 폴리머 종류에 따른 기초물성 변화

Table 6에 나타낸 바와 같이 그룹 4배합에서 EVA 혼입률에 관계없이 재령 28일 압축강도 및 휨강도는 KATS(2017) 기준값인 20 MPa, 6 MPa, 1.0 MPa을 만족하는 것을 확인하였으며, 이 연구에서 선정한 목표값인 압축강도 및 휨강도, 부착강도인 60 MPa, 8 MPa, 1.5 MPa을 만족하였다. 또한, 초기 플로우값은 180 mm 이상으로 폴리머 혼입에 의한 변하는 나타나지 않았다. 이것은 폴리머의 주성분인 단백질이 수화작용 시 생성되는 수화물인 C-S-H 사이에 들어가서 내구성 및 화학저항성을 향상시키고, 공기를 연행시키는 특성을 가지기 때문으로 판단된다.

Fig. 2(d)에 나타낸 바와 같이 압축강도 및 휨강도의 경우, 폴리머를 혼입하지 않은 기본 배합에 비하여 폴리머를 혼입한 배합 모두 강도가 저하하는 결과를 나타내고 있으며, 특히 ACR 및 SBR 수지가 함유된 배합의 강도저감량이 높은 것을 알 수 있다. 이것은 폴리머 복합체가 형성되는 과정에서 폴리머 입자들이 결합재 입자와 배합수의 접근을 방해하면서 수화반응을 지연시키기 때문으로 판단된다(Jo et al. 2005; Yeon et al. 2005)^(6,14).

Fig. 6의 부착강도의 경우, 모든 배합은 KS 기준인 1.0 MPa를 만족하며 EVA 수지를 혼입한 배합의 부착강도가 가장 높은 결과를 나타내었다. 이와 같이 그룹 4배합의 모든 배합에 대한 기초물성을 검토한 결과, 압축강도 및 휨강도의 강도저하에 상대적으로 영향을 덜 받으며, 부착강도 증진 효과가 있는 EVA 수지 0.2 %를 혼입한 배합을 기본 배합으로 선정하였다.

Fig. 6. Adhesive strength by polymer type

상기의 그룹 1~4배합의 결과를 바탕으로 물결합재비(W/B) 37.8 %, 실리카퓸 1.0 중량 %, GGBS 2.0 중량 %, PVA 섬유 및 EVA 수지를 각각 0.2 중량 %를 혼입한 배합을 FRCM용 매트릭스에 가작 적합한 배합으로 판단된다.