1. 서 론
2015년 파리기후변화 협정을 시작으로, 탄소중립 달성을 위한 온실가스 배출 감축이 요구되고 있으며, 이를 위해 전 세계적인 노력과 건설 분야를 포함한 산업계 전반의 적극적인 협력이 필수적이다. 2021년 UN 환경 계획(Environment Programme)의 연례 보고서에 따르면, 건축물의 건설 및 운영에서 발생하는 이산화탄소는 전 세계 배출량의 37%를 차지한다. 특히 시멘트와 콘크리트 생산으로 인한 이산화탄소 배출은 전 세계 배출량의 8%를 초과하는 것으로 보고되고 있다(Li and Wu, 2022). 따라서, 시멘트를 사용하지 않은 알칼리활성 콘크리트가 친환경적이고 지속가능한 건설재료로 전세계적인 주목을 받고 있다. 일반적인 콘크리트는 시멘트의 수화 반응을 통해 수산화칼슘(Ca(OH)2)과 규산칼슘수화물(C–S–H)과 같은 수화물을 생성하는 반면, 알칼리활성 콘크리트는 규소(Si), 알루미나(Al), 칼슘(Ca)이 풍부한 전구 물질과 알칼리 활성화제의 중축합 반응을 통해 강력한 Si-O-Al-O 결합을 가진 사슬 유사 구조를 형성한다(Davidovits, 2005; Singh et al., 2015). 이러한 친환경 알칼리 활성 콘크리트를 실제 건설 현장에 적용하기 위해서는 높은 생산 비용과 급격한 경화 현상 등의 문제를 해결해야 한다(Danish et al., 2022; Puligilla and Mondal, 2013).
따라서 알칼리활성 콘크리트를 실제 건설재료로 활용하기 위해서는 현장 타설 공법보다는 프리캐스트 공법이 더 적합하다. 프리캐스트 생산 효율성을 높이기 위해서는 고성능화가 필요하며, 최근 많은 연구자들에 의해 초고성능 알칼리활성 콘크리트의 성능을 개선하기 위한 연구가 수행되고 있다. Ambily et al. (2014)은 포틀랜드 시멘트를 친환경 산업부산물인 고로슬래그와 실리카퓸으로 완전히 대체할 수 있는 초고성능 알칼리활성 콘크리트 배합을 개발하였으며, 175 MPa 수준의 높은 압축강도를 달성하였다. Liu et al. (2020)은 초고성능 알칼리 활성 콘크리트에 사용되는 강섬유의 형상 및 혼입률이 역학적 성능에 미치는 영향에 대한 연구를 수행하였으며, 후크형 및 물결형 강섬유가 직선형 강섬유에 비해 높은 마찰 저항성능을 제공하여 우수한 부착성능을 나타내는 것이 보고되었다. 그러나 강섬유의 기계적인 변형으로 얻어진 높은 부착 강도는 섬유의 취성을 증가시키며, 섬유가 매트릭스에서 뽑혀 나올 때 국부적인 응력 집중이 발생하고 이에 따라 강섬유의 조기 파단이 발생할 수 있다(Bhutta et al., 2017; Liu et al., 2020).
따라서 본 연구에서는 초고성능 알칼리활성 콘크리트의 인장 성능을 향상시키기 위해 기존 초고성능 콘크리트를 위해 개발된 표면 개질 강섬유를 적용하기 위한 연구를 수행하였다. Kim et al. (2020)은 금속 이온에 대한 강력한 착화제인 에틸렌다이아민테트라아세트산(EDTA)을 이용한 통제된 부식 과정을 통해 강섬유 표면을 개질하는 방법을 제안하였다. 이 방법은 철 이온을 지속적으로 방출하여 강섬유 표면에 미세한 요철을 형성함으로써 표면 거칠기를 증가시키고 녹 발생을 방지하여, 섬유 보강 콘크리트에 적용하기에 적합한 개질 방법으로 평가된다.
2. 실험 프로그램
2.1 재료 및 시험체 제작
본 연구에서 초고성능 알칼리 활성 콘크리(UHPAAC) 시험체 제작에 사용된 배합은 Table 1에 제시하였다. 물-결합재비를 0.3으로 설정하여 작업성을 유지하면서도 150 MPa 수준의 높은 강도를 확보하였다. 결합재로는 고로슬래그(Ground Granulated Blast Furnace Slag, GGBFS)와 실리카퓸(Silica Fume)을 사용하였으며, 실리카퓸은 총 결합재 중량의 15% 비율로 투입되었다. 고로슬래그(GGBFS)의 활성화 및 반응을 촉진하기 위해 알칼리 활성화 용액을 준비하였으며, 이는 수산화나트륨(NaOH) 3 mol을 물유리(수화 규산나트륨, Na2SiO3)에 용해하여 만든 것이다. 이때 수산화나트륨에 대한 규산나트륨의 비율은 4:1로 설정하였으며, 알칼리 활성화 용액은 Kim et al. (2023)에 제시된 과정에 따라 준비되었다. 평균 입도 크기 337 µm의 호주산 규사를 잔골재로 사용하였고, 평균 입도 크기 4.2 µm의 실리카분말(Silica Flour)을 충전재로 활용하였다.
Table 1
Mixture Proportions for UHPAAC Samples
| Mix | Unit weight [kg/m3] | ||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| W/B | Activator | GGBFS | Silica fume | Silica sand | Silica flour | Superplasticizer* | Steel fiber | ||
| Sodium silicate | Sodium hydroxide | ||||||||
| UHPAAC | 0.3 | 118.8 | 39.6 | 762.2 | 114.3 | 876.5 | 219.1 | 21.7 | 158 |
섬유 보강재로는 복합체 전체 부피의 2.0%에 해당하는 강섬유가 사용되었으며, EDTA가 포함된 전해질 용액으로 표면 처리된 길이 30 mm, 직경 0.3 mm의 강섬유를 사용하였다. 광학현미경을 사용하여 촬영한 강섬유 표면은 Fig. 1에 나타내었으며, 표면처리를 하지 않은 강섬유는 Pristine으로 나타내었다. 강섬유의 표면 처리 과정은 Kim et al. (2020)이 제시한 절차를 따랐으며, 0.1 mol 의 무수 탄산나트륨을 사용하여 Na2CO3 용액을 준비하고, 중량비 1%의 EDTA를 첨가하여 전해질 용액을 구성하였다. 2,000 ml 비커에 200 g의 강섬유를 넣고, 1,000 ml의 EDTA-전해질 용액에 완전히 잠기도록 하였다. 강섬유는 표면 거칠기를 충분히 형성하기 위해 6시간 동안 담가두었으며, 처리 후 수돗물로 3회 세척하고 에탄올로 마지막 세척을 거쳐 건조하였다. 표면처리를 마친 강섬유는 EDTA로 명명하였으며, 대조군으로는 북미에서 상용 UHPFRC에 사용되는 길이 13 mm, 직경 0.2 mm의 강섬유를 사용하였으며(Graybeal, 2008), 이는 S13으로 명명되었다.
일본 토목학회의 권고안에 따라 인장시험체를 제작하였으며(JSCE, 2004), 상세한 시험체 정보는 Fig. 2에 나타나 있다. 각 변수별로 5개의 시험체가 제작되었다. 호주산규사, 고로슬래그, 실리카퓸, 실리카분말을 포함한 모든 건재료를 Hobart 블렌더를 사용하여 5분 동안 혼합하였다. 이후, 알칼리 용액과 고성능 감수제를 첨가하고 추가로 8분 동안 혼합하였다. 그 다음, 강섬유를 뭉치지 않도록 투입하였으며, 고속으로 2분간 혼합하였다. 그 후, 혼합 속도를 다시 원래대로 줄이고 3분 더 혼합하였다. 혼합 직후, 준비된 틀에 배합을 타설하였으며 플라스틱 시트로 표면을 덮어 급속한 수분 증발을 방지하였다. 48시간의 기간양생 이후 90 °C의 고온 수중양생을 3일간 실시하였다. 이후 실온 20 °C, 상대습도 60%의 실험실에서 3일간 보관한 후 직접인장시험을 진행하였다.
2.2 직접 인장 시험
직접 인장 시험은 일본 토목학회의 권고안에 따라 수행되었으며(JSCE, 2004), 시험의 자세한 설정은 Fig. 3에 나타나 있다. 최대 하중 용량이 300 kN인 만능재료시험기(Universal Testing Machine, UTM)를 사용하여 변위 제어 방식으로 단축 인장 하중을 가하였다. 하중 속도는 0.4 mm/min로 설정되었다. 인장 시험체의 단면적은 Fig. 2에 제시된 바와 같이 게이지 길이 80 mm 내에서 30 × 13 mm2로 설정하였으며, 게이지 길이 밖에서 균열 집중이 발생한 시험체는 결과 분석에서 제외하였다. 인장 변형률을 계산하기 위해 두 개의 선형 변형 변위 측정기(Linear Variable Differential Transformer)를 알루미늄 지그를 사용하여 시험체에 부착하여 신장을 측정하였다.
2.3 디지털 이미지 상관분석을 적용한 균열 거동 평가
초고성능 알칼리 활성 콘크리트는 다중 미세균열이 동반된 인장 변형경화 거동을 나타내며, 이러한 미세균열 특성의 평가는 인장 거동뿐만 아니라 내구성 측면에서도 중요하다. 이러한 미세균열은 매우 좁아 육안으로 관찰하기 어려운 경우가 많다. 따라서 미세균열을 명확히 확인하고 균열 개수 및 최대 균열 폭 등의 매개변수를 평가하기 위해 디지털 이미지 상관(Digital Image Correlation, DIC) 분석을 활용하였다. DIC 분석을 위해 시험체의 게이지 길이 부위에 먼저 흰색 페인트를 도포한 후 검은색 점을 분사하여 무작위 패턴을 형성하였다. 인장 시험 중 게이지 길이 영역을 매초 촬영하기 위해 Panasonic사의 20.3 메가픽셀 디지털 카메라를 사용하였으며, 충분한 조명을 확보하기 위해 두 개의 100 W LED 램프로 해당 영역을 비추었다. 균열 거동에 대한 DIC 분석은 독일 GOM Metrology사의 상용 소프트웨어인 GOM Correlate Pro를 통해 수행되었다(GOM GmbH, 2016).
3. 실험 결과 및 분석
3.1 표면처리 강섬유 사용에 따른 인장 및 균열 거동
Fig. 4는 S13 강섬유와 EDTA 표면처리 강섬유를 사용한 초고성능 알칼리활성 콘크리트의 인장강도-인장변형률 그래프를 보여주며, DIC 분석을 통해 얻은 균열 패턴 이미지를 함께 나타낸다. 표면처리 강섬유의 사용이 균열 거동에 미치는 영향을 비교하기 위해, 첫 균열이 발생하는 변형률부터 균열 집중(Crack localization)과 연화 거동을 보이는 0.8% 변형률까지의 균열 패턴 이미지를 제시하였다. 일반적인 S13 강섬유를 사용한 시험체는 첫 균열이 발생한 이후 약 0.2%의 변형률까지 변형 경화 거동을 보였으며, 이후 변형률 증가에 따라 인장응력이 서서히 감소하는 연화 거동을 나타냈다. 0.3% 변형률에서 관찰된 균열 패턴 이미지를 통해, 최대 인장 강도 이후에도 추가적인 미세균열이 형성되고 이후 균열 집중이 발생하는 것을 확인하였다. EDTA 표면처리 강섬유를 사용한 시험체는 약 0.5% 변형률까지 변형 경화 거동을 보였으며, S13 시험체보다 높은 인장 강도와 최대 인장 변형률(Strain capacity)을 나타냈다. 직선의 형태를 나타내는 S13 강섬유를 사용한 시험체의 미세균열과 비교하였을 때. EDTA 강섬유를 사용 시험체의 미세균열은 상대적으로 곡선의 형태를 보이고 있다. 이는 인장 변형률이 증가하면서 균열이 중간에서 여러 갈래로 나뉘거나 여러 개의 균열이 하나로 통합되는 과정에서 발생한 현상이며, 이러한 균열 발달 과정을 통해 매우 복잡한 균열 패턴을 나타내었다. EDTA 처리 강섬유를 사용한 시험체의 복잡한 균열 패턴은 표면처리된 강섬유가 가교 작용을 통해 인장 하중을 더욱 효과적으로 저항함으로써 개선된 변형 경화 거동을 유도한 결과로 판단된다(Yoo et al., 2021).
3.2 인장 성능 평가 지표
인장 성능을 평가하기 위해 인장 강도, 최대 인장 변형률, 변형률 에너지 밀도의 세 가지 지표를 계산하고 평가하였다. 인장 강도(Tensile strength)는 최대 인장 하중을 시험체의 단면적으로 나누어 산출하였으며, 최대 인장 변형률(Strain capacity)은 인장 강도가 도달한 지점에서의 변형률을 의미한다. 변형률 에너지 밀도(Strain energy density)는 인장 응력-변형률 곡선에서 최대 인장 변형률까지의 면적을 계산하여 평가하였다. S13 강섬유와 EDTA 표면처리 강섬유를 사용한 알칼리 활성 콘크리트의 인장 성능 지표는 Fig. 5에 제시하였다.
Fig. 5
Tensile Parameters for UHPAAC: (a) Tensile Strength, (b) Strain Capacity, and (c) Strain Energy Density
EDTA 표면처리 강섬유를 사용한 초고성능 알칼리 활성 콘크리트의 인장 강도는 15.01 MPa로, 표면처리를 하지 않은 S13 강섬유 시험체의 인장 강도 8.83 MPa보다 약 70% 향상된 결과를 보였다. 최대 인장 변형률은 0.48%로, S13 시험체의 0.19%보다 약 1.5배 높은 수치를 나타냈다. 또한, 개선된 인장 강도와 최대 인장 변형률 및 변형 경화 거동 덕분에 EDTA 시험체의 변형률 에너지 밀도는 57.38 kJ/m3로 S13 시험체의 약 3.8배 수준으로 증가하였다. 이러한 평가 결과를 바탕으로, EDTA를 포함한 전해질 용액으로 표면처리한 강섬유가 인장 성능 향상에 매우 효과적임을 확인하였다.
3.3 인장 변형률 발생에 따른 균열 폭 제어 성능
인장 변형률에 따라 발생하는 미세균열의 균열 폭 제어 성능을 정량적으로 평가하기 위해, 인장 변형률 증가에 따른 균열 개수를 측정하고, 생성된 모든 균열의 균열 폭을 평가하여 평균 균열 폭(Average crack width) 및 최대 균열 폭(Maximum crack width)을 산출하였다. Fig. 6은 S13 강섬유와 EDTA 표면처리 강섬유를 사용한 초고성능 알칼리 활성 콘크리트의 인장 변형률에 따른 미세균열 개수, 평균 균열 폭, 최대 균열 폭을 그래프로 나타낸다.
Fig. 6
Cracking Parameters for UHPAAC: (a) Number of Cracks, (b) Average Crack Width, and (c) Maximum Crack Width
S13 시험체는 균열 집중이 발생하기 전까지 8개의 미세균열이 형성된 반면, EDTA 시험체는 약 1.5배 많은 20.5개의 미세균열이 형성되어 우수한 변형 경화 거동을 보였다. 전반적으로, 모든 변형률 구간에서 EDTA 시험체의 평균 및 최대 균열 폭이 S13 시험체보다 낮은 값을 나타냈으며, 0.2% 변형률에서 EDTA 시험체의 평균 및 최대 균열 폭은 각각 10.31 µm와 28.61 µm로, S13 시험체의 평균 및 최대 균열 폭인 28.61 µm와 41.67 µm와 비교할 때 각각 48% 및 31% 감소하였다. 이러한 결과는 EDTA 표면처리 강섬유가 초고성능 알칼리 활성 콘크리트에서 인장 변형률에 따라 형성되는 미세균열을 효과적으로 제어할 수 있음을 나타낸다.
4. 결 론
본 연구에서는 초고성능 알칼리활성 콘크리트의 인장 성능을 향상시키기 위해 표면 거칠기를 증가시킨 EDTA 처리 강섬유를 사용하여 직접 인장 시험과 DIC 이미지 분석을 통해 균열 거동을 평가하였다. EDTA 처리 강섬유가 초고성능 알칼리활성 콘크리트의 인장 및 균열 거동에 미치는 영향을 정량적으로 평가하기 위해 인장 성능 평가지표로 인장 강도, 최대 인장 변형률, 변형률 에너지 밀도를 산출하고 평가하였다. 또한, 균열 거동을 정량적으로 평가하기 위해 변형률 증가에 따른 미세균열 개수와 평균 및 최대 균열 폭을 측정하였다. 본 연구의 결과를 토대로 다음과 같은 결론을 도출할 수 있다.
EDTA 표면처리 강섬유를 사용한 초고성능 알칼리 활성 콘크리트는 S13 강섬유 대비 인장 강도와 최대 인장 변형률이 각각 약 70% 및 1.5배 증가하였으며, 변형률 에너지 밀도는 약 3.8배 수준으로 향상된 것으로 나타났다. 이를 통해 강섬유의 EDTA 표면처리가 초고성능 알칼리활성 콘크리트의 인장 성능을 효과적으로 향상시킴을 확인하였다.
EDTA 표면처리 강섬유를 사용한 초고성능 알칼리 활성 콘크리트는 S13 강섬유를 사용한 콘크리트 대비 약 1.5배 많은 미세균열을 형성하면서 우수한 변형경화 거동을 보였다. 또한, 모든 변형률 구간에서 평균 및 최대 균열 폭이 더 낮아 우수한 균열 폭 제어 성능을 나타냈다. 이를 통해 EDTA 표면처리 강섬유가 초고성능 알킬리활성 콘크리트의 인장 거동 향상 및 미세균열 폭 제어에 효과적인 것을 확인하였다.
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