Modification of UHPC Matrix and Fiber Surface for Improving the Mechanical Performance of Ultra-High-Performance Fiber-Reinforced Concrete

택근 오; 기웅 김; 승원 이; 두열 류

doi:10.9798/KOSHAM.2023.23.1.147

J. Korean Soc. Hazard Mitig. > Volume 23(1); 2023 > Article

초고성능 섬유보강 콘크리트의 역학적 성능 향상을 위한 매트릭스 강화 및 섬유표면개질

Article

시설물방재

J Korean Soc Hazard Mitig 2023; 23(1): 147-156.

Published online: February 24, 2023

DOI: https://doi.org/10.9798/KOSHAM.2023.23.1.147

초고성능 섬유보강 콘크리트의 역학적 성능 향상을 위한 매트릭스 강화 및 섬유표면개질

오택근^*, 김기웅^**, 이승원^***, 류두열^****

* 정회원, 한양대학교 건축공학과 석박통합과정(E-mail: theia8632@hanyang.ac.kr)

** 한양대학교 건축공학과 석사과정

*** 한양대학교 건축공학과 석사과정

**** 정회원, 한양대학교 토목공학과 부교수(E-mail: dyyoo@hanyang.ac.kr)

Modification of UHPC Matrix and Fiber Surface for Improving the Mechanical Performance of Ultra-High-Performance Fiber-Reinforced Concrete

Taekgeun Oh^*, Gi-woong Kim^**, Seung Won Lee^***, Doo-yeol Yoo^****

* Member, Ph.D. Student, Department of Architectural Engineering, Hanyang University

** Master’s Student, Department of Architectural Engineering, Hanyang University

*** Master’s Student, Department of Architectural Engineering, Hanyang University

**** Member, Associate Professor, Department of Architectural Engineering, Hanyang University

^**** 교신저자, 정회원, 한양대학교 토목공학과 부교수
(Tel: +82-2-2220-2373, Fax: +82-2-2220-1945, E-mail: dyyoo@hanyang.ac.kr)

**** Corresponding Author, Member, Associate Professor, Department of Architectural Engineering, Hanyang University

Received November 28, 2022 Revised November 30, 2022 Accepted December 13, 2022

This is an open access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License (http://creativecommons.org/licenses/by-nc/4.0), which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.

Abstract

In this study, filler and silica fume were substituted by Liquid crystal display glass powder (LCDGP) and nanosilica, respectively, to improve the performance of ultra-high- performance fiber-reinforced concrete. In addition, the surface of steel fiber was modified with ethylenediaminetetraacetic acid (EDTA) solution to improve the interfacial friction between the fiber and Ultra-high-performance- concrete (UHPC) matrix. Both LCDGP and nanosilica reacted with calcium hydroxide to form hydrates, and the fiber surface roughness increased owing to the EDTA treatment. When LCDGP was used, the compressive strength decreased owing to a decrease in packing density; however, the compressive and tensile strengths of Ultra-high-performance fiber-reinforced-concrete (UHPFRC) were improved on using nanosilica. It was observed that the surface modification of the fiber increased the friction force between the UHPC and fiber interface; therefore, it was more effective in improving the tensile strength than the compressive strength.

Keywords: Ultra-High-Performance Fiber-Reinforced Concrete, LCDGP, Nanosilica, Surface Modification

요지

본 연구에서는 초고성능 섬유보강 콘크리트(Ultra-high-performance fiber-reinforced concrete)의 성능 향상을 위해 충전재와 실리카 퓸을 각각 LCD 유리 분말(Liquid crystal display glass powder, LCDGP)와 나노실리카로 치환하였다. 또한, 섬유와 UHPC 매트릭스 계면마찰력 증진을 위해 에틸렌디아민사초산(ethylendiaminetetraacetic acid, EDTA)용액으로 강섬유 표면을 개질하였다. LCDGP와 나노실리카 모두 수산화칼슘과 반응하여 수화물을 형성하는 것으로 나타났으며 EDTA 처리를 통해 섬유 표면거칠기가 증가하였다. LCDGP 혼입 시 packing density 감소에 의한 압축강도 감소가 나타났으나, 나노실리카의 혼입으로 UHPFRC의 압축강도 및 인장강도가 향상되었다. 섬유의 표면개질은 UHPC 매트릭스와 섬유 계면의 마찰력을 향상시키기 때문에 압축강도보다는 인장강도 향상에 더 효과적인 것으로 나타났다.

핵심용어: 초고성능 섬유보강 콘크리트, LCDGP, 나노실리카, 표면개질

1. 서 론

초고성능 콘크리트(Ultra high performance concrete)는 기존에 존재하는 콘크리트에 비해 높은 압축강도를 갖는 콘크리트이다. 이러한 성능을 만족하기 위해서 UHPC에 사용되는 재료들은 실리카 퓸, silica flour와 같은 잔골재보다 입경이 작은 재료들을 사용하여 아주 높은 packing density를 가지도록 설계되었다. Richard and Cheryezy (1995)과 Chan and Chu (2004)는 시멘트 중량 대비 10-20%의 실리카퓸을 사용하면 실리카 퓸의 작은 입자가 골재 사이의 공극을 효과적으로 채울 수 있다고 하였다. 또한, Sánchez de Rojas et al. (1999)과 Rossen et al. (2015)은 실리카 퓸이 포졸란 반응을 하기 때문에 골재 사이의 실리카 퓸과 수산화칼슘이 반응하여 재료의 미세구조를 개선시킬 수 있다고 설명하였다. 반면 가장 높은 효율을 낼 수 있는 골재량과 채움재의 양은 각각 시멘트 중량대비 110%와 30-40% 혼입하였을 때 최적강도가 발현되는 것으로 몇몇 문헌에 의해 보고되었다(Graybeal, 2007; Yoo et al., 2014).

이러한 노력에도 불구하고, UHPC는 150 MPa 이상의 높은 압축강도로 인하여 매우 취성적인 특성을 갖기 때문에 강섬유를 혼입함으로써 연성적 성능을 부여하기 위한 연구가 수행되었다(Graybeal, 2008; Wille et al., 2011; Wille and Naaman, 2012; Yoo et al., 2019). 재료의 부피대비 2%의 강섬유를 혼입하였을 때 가장 최적의 역학적 성능을 발휘하는 것으로 알려져 있으며, 혼입된 섬유의 가교효과로 인해 균열이 국소화 되는 것을 억제하여 섬유보강 고성능콘크리트(Ultra high performance fiber reinforced concrete)는 다수의 균열을 생성하며, 결과적으로 UHPFRC는 변형률 경화 거동을 갖는다. 또한 연구자들은 UHPFRC의 보다 높은 성능향상을 위하여 hooked end 섬유, twisted 섬유와 같은 다양한 변형 섬유를 사용하고자 하였다(Tai et al., 2016; Tai and El-Tawil, 2017; Zhang et al., 2019). 그러나 Yoo et al. (2019)은 hooked end 섬유와 같은 변형섬유들이 일자형 섬유에 비해 더 높은 인발성능을 보임에도 불구하고 인장성능에는 약한 영향을 미친다고 보고하였다. 그들은 이러한 이유가 변형섬유의 분산성 저하로 인한 매트릭스 내 섬유의 응집과 end hook 부근에서 매트릭스의 탈락을 야기하기 때문이라고 설명하였다. 이러한 한계를 극복하기 위해 Kim et al. (2021)은 직선형 강섬유에 곡률을 도입한 곡선형 강섬유를 개발하였으며, 섬유가 경사각을 가질 때 매트릭스에 발생하는 응력집중현상을 줄여 시멘트 매트릭스의 탈락을 최소화하였다. 그 외에도 Kim et al. (2020)은 일자형 강섬유의 표면을 전기화학적 방식을 사용하여 길이방향으로 변형을 야기하는 방법을 제안하였다. 그들은 강섬유가 전해질 용액 속에 함침될 때, 강섬유에서 방출된 Fe2+ 이온이 전해질 용액 속 EDTA의 킬레이트 효과에 의해 결합되면서 부식이 발생하지 않고 길이방향으로 변형이 발생하게 된다고 설명하였다. Yoo, Jang et al. (2021)은 강섬유를 EDTA 전해질 용액에 함침시킬 경우 6시간 동안 침지하는 것이 인장성능에 가장 효율적이라고 설명하였으며, 그 이상 침지할 경우 강섬유의 표면이 너무 거칠어져 매트릭스 내 분산성이 저하되는 등 기존 변형된 강섬유와 유사한 결과를 보인다고 보고하였다.

한편, UHPC의 매트릭스의 강화를 위해서 새로운 반응성 재료의 도입이 시도되고 있다. 예로 들어 소다 석회 유리 분말(Soda-lime glass powder)의 혼입은 염화침투 저항성, 알칼리골재 반응 등 콘크리트 내구성과 관련된 특성을 강화하는 것으로 알려져 있다. 특히, 소다 석회 유리 분말이 주 물질로 알려진 폐 LCDGP는 소다 석회 유리 분말에 비해 염화물 침투, 알칼리골재 반응에 대해 더 효과적으로 저항할 수 있다(You et al., 2019; You et al., 2021). 이러한 폐유리 분말의 사용을 위해 다수의 연구자들은 실리카 퓸, 충전재 혹은 잔골재 등을 치환하는 연구를 수행했다(Vaitkevičius et al., 2014; Soliman and Tagnit-Hamou, 2017a; Soliman and Tagnit-Hamou, 2017b; Wilson et al., 2019). 그 결과 LCDGP를 도입할 때 가장 효율적인 방법은 충전재를 치환하는 것으로 나타났으며, Yoo, You et al. (2021)과 Yoo and You (2021)은 충전재의 50%가 LCDGP로 치환되었을 때 UHPFRC의 인장 및 휨 성능이 극대화된다고 보고했다. 많은 연구들이 소다 석회 유리 분말이나 LCDGP의 혼입이 UHPC의 packing density 증가와 그들의 포졸란 반응성에 의해 압축강도가 향상된다고 하였으나, You et al. (2022)은 최근 논문에서 충전재보다 입자가 큰 LCDGP로 치환할 경우 UHPC의 packing density가 감소될 수 있음을 보고하였다. 그러므로 본 연구에서는 UHPFRC의 성능향상을 위하여 충전재의 50%를 LCDGP로 치환하였으며, 감소된 packing density의 보상을 위해 실리카 퓸의 10%를 직경 100-150 nm의 나노실리카로 치환하였다. 또한, 섬유와 UHPC 매트릭스의 마찰저항성 향상을 위해 강섬유를 EDTA 전해질 용액에 3시간, 6시간 함침하여 그들의 마찰성능을 극대화하고자 하였다. 치환된 재료의 포졸란 반응성을 비교하기 위해 열중량시험이 실시되었으며, 강섬유 표면개질의 효과 분석을 위해 원자힘 현미경(Atomic force microscopy, AFM) 이미지 분석, 전자현미경(Scanning eletron microscopy) 이미지 분석이 수행되었다. 최종적으로 압축시험과 직접인장시험을 통해 LCDGP와 나노실리카의 혼입 및 EDTA가 UHPFRC의 역학적 성능에 미치는 효과을 분석하고자 하였다.

2. 실험계획

2.1 실험재료 및 UHPC 혼합물 제작

UHPC 배합을 위해 1종 보통 포틀랜드 시멘트(Ordinary portland cement, OPC), 실리카 퓸(Silica fume, SF)을 결합재로 사용하였으며, 직경 236.2 μm의 호주산 규사를 사용하였다. 굵은 골재는 UHPC 배합의 균질성을 저하시키고 packing density를 증가시키기 때문에 사용하지 않았으며, 직경 3.21 μm의 실리카 플라워를 충전재로 사용하였다. 각 재료의 입도분포곡선을 Fig. 1에 나타내었다. 반응성 재료로 사용한 LCD 폐유리 분말의 직경 및 나노실리카의 직경은 각각 26 μm와 115 nm로 입도분포곡선에서 도출하였다.

Fig. 1

Particle Size Distribution Curve of All Ingredient

Fig. 2는 배합에 사용된 각 재료의 XRD 데이터를 나타내었으며, XRD 결과를 바탕으로 각 재료의 화학조성을 Table 1에 나타내었다. OPC에서 C₃S, C₂S, C₃A, C₄AF와 같은 광물이 검출되었다. SF, LCDGP, 나노실리카(Nanoslilica, NS)의 주성분은 SiO₂로 나타났으며, 그들의 결정구조는 비정질 구조를 갖는 것으로 조사되었다. 반면 충전재로 사용된 실리카 플라워의 주성분은 SiO₂로 SF, LCDGP, NS와 유사한 성분을 가지지만, 결정구조를 갖는 것으로 조사되었다. Lan et al. (2019)은 비정질 구조의 실리카 물질은 작은 입도와 큰 비표면적으로 인해 용해되기 쉬워 CH와 반응성이 크다고 설명하였다. 따라서 본 연구에서는 화학적 조성이 비슷한 실리카 플라워의 50%를 LCDGP로 치환하고, SF보다 입경이 작은 NS를 혼입하는 경우에는 SF의 10%를 NS로 치환하였다.

Fig. 2

XRD Pattern (Oh, Chun, Jang et al., 2022)

Table 1

Chemical Composition of Dry Ingredient

Devision	OPC	SF	LCDGP	NS	Silica flour	Silica sand
SiO₂	18.8	92.60	67.34	99.00	97.00	97.20
Al₂O₃	4.18	0.07	18.92	-	18.92	0.05
Fe₂O₃	3.72	0.49	0.56	-	0.56	0.13
CaO	65.30	0.67	9.42	-	9.42	0.13
Na₂O	0.15	0.02	0.05	-	0.05	-
K₂O	1.10	1.13	0.01	-	0.01	0.02
MgO	2.43	1.80	1.53	-	1.53	0.01
SO₃	3.28	0.12	0.02	-	0.02	-

ACI Committee 239 (2012)에서 요구하는 UHPC의 압축강도 150 MPa를 만족하기 위해 물-결합재 비를 0.2로 고정하였다. 또한 배합의 흐름특성을 부여하기 위해 전체 고형물의 무게 대비 2%의 고성능 감수제(Superplasticizer, SP)를 혼입하였다. 고성능 감수제의 수분함량을 고려하여 배합수의 양을 설정하였으며, 배합표를 Table 2에 나타내었다. 모든 시험체가 230 ± 5 mm의 일정한 슬럼프 플로우를 유지하였을 때 길이 19.5 mm의 일자형 강섬유를 배합량의 부피대비 2% 혼입하였다. 배합에 사용된 강섬유의 상세한 정보를 Table 3에 나타내었다.

Table 2

Mix Proportion of UHPC (kg/m³)

Devision	Water	OPC	SF	LCDGP	NS	Silica flour	Silica sand	SP
Plain	160.3	788.5	197.1	-	-	236.6	867.4	52.6
GP			197.1	118.3	-	118.3
GPNS			177.4	-	19.7	118.3

Table 3

Geometrical and Physical Properties of Steel Fiber

Diameter (mm)	Length (mm)	Aspect ratio	Density (g/cm³)	Tensile strength (MPa)	Elastic modulus (GPa)
0.2	19.5	97.5	7.9	2,580	200

2.2 열중량분석

열중량분석은 SiO₂를 주성분으로 갖는 SF, LCDGP, NS, 실리카 플라워의 포졸란 반응성을 조사하기 위해 수행되었다. 실험을 위해 물 : 수산화칼슘 : 실리카 주성분의 재료를 10 : 1 : 1 중량 비율로 혼합하였으며, 수산화칼슘의 탄산화로 인한 탄산칼슘의 생성을 억제하기 위해 7일간 질소가 공급되는 데시케이터에서 양생하였다. 양생이 종료되면 포졸란 반응을 정지시키기 위해 알코올에 24시간동안 침지시킨 뒤 50 ˚C의 온도에서 3일동안 건조하였다. 열중량분석 데이터는 TA 장비를 사용하여 실온에서 1,000 ˚C까지 10 ˚C/min의 속도로 가열하여 얻어졌다.

2.3 원자힘 현미경 분석

강섬유의 표면개질을 조사하기 위해 원자힘 현미경 분석을 수행하였다. 50 × 50 mm² 크기의 3차원 이미지를 촬영하였으며, Eq. (1)을 사용하여 전체 곡선의 표면거칠기(Root mean square, RMS)를 계산하였다.

(1)

RMS=1N∑i=1NZi2

여기서, RMS는 표면거칠기, N은 샘플의 수, Z_i는 i지점에서의 표면의 높이이다.

표면개질된 섬유를 시각화하기 위해, 표면 개질되지 않은 강섬유 표면의 데이터를 사용하여 2차원 곡선을 얻은 후 각 표면 데이터에서 빼서 평면의 곡선으로 나타내었다.

2.4 압축강도 시험

굵은 골재를 사용하지 않았기 때문에 압축강도 시편은 ASTM C 109 (2020) 규정에 따라 50 × 50 × 50 mm³ 크기의 큐브시편으로 제작되었다. 압축강도 시험에는 100톤 용량의 만능재료시험기를 사용하였으며, 하중제어방식을 적용해 0.5 kN/s의 속도로 하중이 재하되었다. 또한 만능재료시험기 상부에 부착된 로드셀에서 하중값을 측정하였다. 얻어진 하중값을 시편의 단면적으로 나누어 압축강도를 계산하였으며, 3개의 시편의 평균압축강도를 각 변수의 압축강도로 정의하였다.

2.5 인장강도 시험

직접인장시험 시편은 JSCE (2004) 규정에 따라 단면 30 × 13 mm² 총 길이 330 mm를 갖는 dog-bone 시험체를 제작하였다. 시험체는 100 kN 용량의 만능재료시험기에 고정되었으며, 두 개의 LVDT를 시편 좌우에 설치하여 시편에 발생하는 변형량을 측정하였다. 인장하중은 만능재료시험기 상부에 위치한 로드셀에서 측정되었다. 직접인장시험은 변위제어방식을 채택하여 0.4 mm/min의 속도로 수행되었다. 직접인장시험 상세 및 시험 전경을 Fig. 3에 나타내었다.

Fig. 3

Direct Tensile Setup

3. 실험 결과 및 분석

3.1 포졸란 반응성 시험

Fig. 4는 TG (Thermogravimetry) 분석 및 DTG (Derivative thermogravimetry) 분석의 결과를 나타낸 것이다. 먼저 충전재로 사용된 silica flour의 경우 수화생성물인 C-S-H나 AFt에 해당하는 peak (100-200 ˚C 부근)의 검출이 발생하지 않았으며, 대부분의 수산화칼슘이 남아있는 것으로 나타났다. 반면 LCDGP나 나노실리카의 경우 수화생성물에 해당하는 peak가 검출되었으며, 포졸란 반응에 의해 수화물이 생성되면서 수산화칼슘의 peak강도가 감소하였다(400 ˚C 부근). 특히 나노실리카의 경우 명확한 peak가 검출되었는데 이는 나노실리카의 큰 비표면적과 관련이 있다. Ghafari et al. (2014)는 나노실리카의 비표면적이 다른 반응성 재료에 비해 매우 크기 때문에 재령 초기에 수산화칼슘의 소비가 급격하게 발생하기 때문이라고 설명하였다. LCDGP의 경우 재령 7일차에 아주 작은 peak 강도만 나타내었다. 이는 LCDGP의 직경이 크기 때문에 LCDGP의 입자가 용해되어 수산화칼슘과 반응하기에 오랜 시간이 걸리기 때문으로 사료된다. 수산화칼슘의 탄산화를 막기 위해 질소가스가 공급되는 환경에서 실험을 실시함에도 불구하고 모든 시험체에서 탄산칼슘에 해당하는 peak가 검출되었다(600 ˚C 부근).

Fig. 4

TG/DTG Analysis of Ingredients with a Main Chemical Composition of SiO₂

3.2 강섬유 표면조사

Fig. 5는 EDTA 처리 시간에 따른 강섬유 표면의 AFM 이미지 분석 결과를 보여주는 것이다. EDTA에 함침되지 않은 plain 섬유는 상대적으로 매우 평평한 형상을 보여주었다. 이와 대조적으로, EDTA 용액에 3시간 함침된 E3섬유는 명확한 굴곡이 확인되었으며 6시간 함침할 경우 굴곡이 더 크게 형성되는 것으로 나타났다. 거칠어진 섬유 표면을 정량화하기 위해 RMS를 계산하여 Fig. 6(b)에 나타내었다. Plain 섬유의 경우 가장 낮은 RMS인 20.9 nm를 갖는 것으로 나타났다. 반면 EDTA 용액에 함침된 E3, E6 섬유의 경우에는 함침시간이 증가함에 따라 RMS의 값도 증가하였으며, 함침시간이 가장 오래된 E6 섬유는 62.5 nm의 RMS 값을 가지는 것으로 분석되었다. Kim et al. (2020)과 Yoo, Jang et al. (2021)은 EDTA 용액에 함침되면 강섬유 표면의 금속이온이 용액 내로 용출되고, 6자리 리간드를 갖는 EDTA와 결합하여 부식이 억제되고 강섬유 표면의 부식 없이 변형만을 유도할 수 있다고 설명하였다. 그러므로 강섬유의 표면은 부식되지 않고, 변형만 발생하였다.

Fig. 5

Atomic Force Microscopy Image: (a) Pristine, (b) E3, and (c) E6

Fig. 6

Summary of AFM Image Data: (a) Height Profile and (b) Roughness Parameter

이러한 설명을 입증하기 위해 plain 섬유와 EDTA 용액에 6시간 함침된 E6섬유의 표면을 SEM-EDS 분석하였으며, 그 결과를 Fig. 7에 나타내었다. 강섬유의 표면은 부식을 억제하기 위해 황동으로 코팅되어 있어 매끄러운 표면형상을 가지며, 그 표면은 구리, 아연 등과 같은 물질과 철 이온이 함께 검출된다. 만약 EDTA 용액에 함침될 경우 부식을 억제하기 위해 코팅된 구리, 아연이 용출되어 이들의 농도는 감소되고, 철의 검출강도는 증가될 것이다. 따라서 EDTA에 함침된 E6섬유의 아연농도는 21.3 wt%에서 17.9 wt%로 약 16% 감소하였으며, 철농도는 31.5 wt%에서 35.9 wt%로 약 14% 증가되었다(Fig. 7(b)).

Fig. 7

Summary of SEM-EDS Analysis: (a) Pristine Fiber, (b) E6 Fiber, and (c) Chemical Concentration of Fiber Surface

3.3 압축강도 시험 결과

Fig. 8은 UHP-FRC의 압축시험 결과를 나타낸 것이다. GP-6E 시편을 제외한 모든 시험체는 ACI Committee 239 (2012) 기준에서 요구하는 강도인 150 MPa를 만족하였다. 가장 큰 압축강도는 209.4 MPa로 LCDGP를 50% 혼입하고, EDTA 용액에 3시간 동한 함침한 경우에 얻어졌다. You et al. (2022)에 따르면 LCDGP를 혼입한 경우 UHPC의 packing density가 감소하지만 LCDGP의 포졸란반응으로 인해 UHPC 매트릭스의 압축강도가 증가될 수 있으나, 섬유를 혼입할 경우에는 LCDGP의 포졸란 반응으로 인한 보상효과가 미미하다고 보고하였다. 본 연구에서는 UHP-FRC의 압축강도 시험을 수행하였기에, LCDGP의 포졸란 반응으로 인한 보상효과는 미미하였다. 반면 EDTA에 의해 섬유를 3시간 동안 처리한 경우에 섬유 표면 거칠기의 증가로 인해 시멘트 매트릭스와 섬유의 부착력이 증가하여 압축강도가 크게 향상되었다. 그러나 EDTA 용액에 6시간동안 함침한 경우 너무 거칠어진 섬유의 표면으로 인해 UHPC 내 섬유 분산성이 저하되어 압축강도가 크게 감소되었다.

Fig. 8

Compressive Strength Result

Oh, Chun, Lee et al. (2022)은 실리카퓸을 나노실리카로 치환하는 경우 이들의 packing density가 연속해서 증가될 수 있다고 설명하였으며, 실리카 퓸이 나노실리카로 10 wt% 치환되었을 때 최고성능이 발현된다고 보고하였다. 따라서 나노실리카를 혼입한 경우, LCDGP 혼입으로 인해 감소된 packing density가 나노실리카 혼입으로 보상되어 191 MPa의 높은 압축강도를 얻었다. 반면 나노실리카와 EDTA 섬유를 동시에 혼입하는 경우 반응하지 못한 나노실리카가 응집될 가능성이 존재할 뿐만 아니라 EDTA 처리로 인해 거칠어진 섬유가 응집될 가능성이 있다. Yoo, Oh et al. (2021)은 표면이 거칠어진 섬유는 시멘트 매트릭스 내에서 결함을 형성하여 시멘트 복합체의 강도에 악영향을 끼칠 수 있다고 설명하였다. 따라서 나노실리카와 EDTA 처리된 섬유를 동시에 혼입하는 경우 응집된 나노실리카와 EDTA 처리된 섬유의 응집으로 UHP-FRC의 압축강도가 감소된 것으로 사료된다.

3.4 직접인장시험 결과

Fig. 9는 LCDGP가 혼입된 UHPFRC의 인장 변형률 곡선을 나타낸 것이다. 강섬유의 가교효과로 인해 하중이 매트릭스로 전달되어 모든 시험체에서 변형률 경화 거동이 관찰되었으며, LCDGP 혼입 시 UHPFRC의 초기균열강도가 향상된 것으로 나타났다. 이는 LCDGP의 혼입으로 섬유와 UHPC 매트릭스 사이의 계면천이영역(Interfacial tansition zone, ITZ)의 밀도가 증가하였기 때문이다(Pi et al., 2019). EDTA로 3시간 처리할 경우 UHPFRC의 초기균열강도가 더 향상되었는데 이는 강섬유의 표면 거칠기가 증가하면서 섬유와 UHPC 매트릭스의 부착력이 증가되었기 때문으로 사료된다. Wiemer et al. (2020)은 다양한 종류의 섬유에 레이저처리를 통해 섬유 표면을 개질하였고 개질된 표면과 시멘트 매트릭스의 부착력이 증가할 뿐만 아니라 micro-interlocking을 통해 부착강도가 섬유 종류에 상관없이 2.4배 이상 증가될 수 있다고 보고하였다. Chun et al. (2020) 또한 유사한 연구결과를 보여주었는데, 그들은 강섬유의 표면을 사포로 처리할 경우 섬유 표면을 처리하지 않았을 때보다 인발성능이 향상될 수 있음을 보여주었다. 따라서 표면 거칠기의 증가로 부착강도가 향상되어 E3 섬유 혼입 UHPFRC의 초기균열강도와 최대인장강도가 향상되었다. 반면 EDTA 용액에 의해 6시간 동안 함침될 경우 표면이 과하게 거칠어짐에 따라서 섬유의 분산성이 저하되고 이로 인해 UHPFRC의 초기균열강도가 plain 시편 수준으로 감소하였다. 그러나 ITZ에서 마찰응력이 증가되었기 때문에 UHPFRC의 최대인장강도는 유지되는 것으로 사료된다. 나노실리카를 혼입한 경우에도 초기균열강도가 증가했다가 plain 수준으로 감소하는 유사한 경향이 나타났다.

Fig. 9

Tensile Stress Versus Strain Curve: (a) Incorporation of LCDGP and (b) Incorporation of LCDGP and Nanosilica

인장특성을 정량적으로 비교하기 위해 UHPFRC의 평균인장강도, 최대변형률, 변형 에너지 밀도를 Fig. 10에 나타내었다. LCDGP 및 NS의 혼입으로 UHPFRC의 인장강도가 plain 시편에 비해 각각 8.2%, 5.5% 향상되었으나, 최대변형률 및 변형 에너지 밀도는 plain 시편에 비해 감소되었다. 이는 LCDGP의 혼입으로 인한 UHPC 매트릭스의 강도 증가로 UHPFRC의 변형성능이 감소되었기 때문으로 판단된다. 또한 나노실리카를 혼입하는 경우 LCDGP만 혼입하는 경우보다 강도가 감소하였는데, 이는 반응성 물질이 너무 많이 혼입되어 미수화된 나노실리카가 ITZ에서 응집되었기 때문일 수 있다. 만약 섬유와 매트릭스 사이에 미수화된 NS가 응집된다면, 섬유와 UHPC 매트릭스의 약한 결합을 초래하여 부착강도가 저하될 것이고, 이는 인장응력의 감소로 나타날 수 있다. 반면 섬유를 EDTA로 처리한 경우 나노실리카 혼입 유무에 상관없이 인장성능이 향상되는 것으로 나타났다. 이는 앞서 설명했던 바와 같이 EDTA 처리로 인해 섬유의 표면거칠기가 증가하고, 이는 계면에서의 마찰력의 증가를 초래해 인장강도, 최대변형률 및 변형 에너지 밀도와 같은 변형성능을 다시 증가시켰다. 그러나 LCDGP만 혼입하였을 때와 달리 나노실리카를 함께 혼입한 경우 E6 시편에서 인장성능이 다소 열화되었는데, 이는 과도하게 거칠어진 섬유의 뭉침현상과 나노실리카의 응집이 복합적으로 작용되었기 때문으로 사료된다.

Fig. 10

Summary of Tensile Parameter: (a) Average Tensile Strength, (b) Strain Capacity, and (c) Strain Energy Density

4. 결 론

본 연구에서는 초고성능 섬유보강 콘크리트의 성능 향상을 위해 LCDGP와 나노실리카를 치환혼입하여 UHPC 매트릭스를 강화하였다. 또한, EDTA 처리 기법을 사용하여 매트릭스와 섬유 사이의 계면마찰력을 향상시키고자 하였으며, 주요 연구 결과는 다음과 같다.

(1) 충전재와 실리카 퓸을 치환한 LCDGP와 나노실리카는 수산화칼슘과 반응하여 수화물을 생성하였다. 특히 나노실리카의 경우 재령 7일에도 명확한 수화물 peak를 형성하여 포졸란 반응성이 가장 우수한 것으로 나타났다.
(2) EDTA 용액 함침시간이 증가할수록 섬유 표면개질 효과는 증가하였다. EDTA 용액에 6시간 처리한 경우 표면거칠기 값이 20.8 nm에서 62.5 nm로 약 3배 증가하였다.
(3) 충전재보다 입경이 큰 LCDGP의 단독혼입은 UHPFRC의 압축강도 감소를 야기하였다. EDTA 3시간 동안 함침된 섬유를 혼입 시 섬유와 UHPC 매트릭스의 계면마찰력 증가로 압축강도가 약 18% 향상되었다. 그러나 6시간 동안 EDTA 용액에 함침될 경우 섬유거칠기 증가로 인해 UHPFRC 배합 내 불균질한 분산으로 인해 압축강도가 감소하였다. 나노실리카 혼입 시 LCDGP 혼입으로 인한 packing density의 감소에 대한 보상효과로 압축강도가 향상되었다. 그러나 나노실리카의 응집효과와 표면개질된 강섬유의 뭉침현상으로 인해 GPNS-3E와 GPNS-6E의 경우 압축강도가 감소하였다.
(4) LCDGP와 나노실리카의 혼입은 계면의 ITZ에서의 포졸란 반응을 통해 섬유와 매트릭스의 부착력을 향상시켜 UHPFRC의 인장성능 향상에 효과적인 것으로 나타났다. 또한 표면개질된 강섬유의 혼입은 ITZ에서 계면마찰력의 증가를 야기하여 인장강도 향상에 보다 효과적인 것으로 나타났다.

감사의 글

본 연구는 2022년도 정부(과학기술정보통신부)의 재원으로 한국연구재단의 지원을 받아 수행되었습니다(No. 2021R1A2C4001503).

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