[논문]고인성 시멘트 복합체의 최신기술 : DFRCC의 제조기술 및 특성

윤현도; 양일승; 한병찬; 신산양; 추설전 청산

doi:10.22636/mkci.2004.16.5.49

문제 정의

일본 콘크리트 공학협회 (JCI) 는 2001년 "고인성 시멘트 복합재료의 성능평가와 구조이용연구위원회 (高靭性七 X 卜複合材料＜7)性能評価造利用硏究委員會， Ductile Fiber Reinforced Cementitious Composite, DFRCC 연구 위원회)” 를 구성하여 1년 동안 DFRCC에 대한국 내외 연구사례를 조사하여 2002년 1월 "고인성 시멘트 복합재료를 알고, 만들고, 사용하자(高靭I生 •七 X 卜複合材料在知為 • 作^)• 使配”라는 연구위원회 연구보고서를 출판하였다°. 이러한 연구 결과를 근거로 DFRCC 위원회 활동 목표를 DFRCC 기술의 보급과 이용으로 설정하고 DFRCC 재료의 제조, 재료 성상 평가, 시공, 적용 및 설계, 구조성능, 내구성, 해석기법 등에 대한 정보를 수집하여 DFRCC 기술을 일반화하고자 하였다. 이러한 2년간의 노력에 대한 결실로 2004년 5월 DFRCC•재료의 제조 • 시공과 특성, 인장 성능평가기법, 이용기술과 적용에 따른 장점 및 설계법, 내구성 향상 효과, 해석기술 등을 정리한 DFRCC 연구 위원회 보고서(II)를 출판하였다.
최근 국내에서도 장수명 건설기술에 대한 사회적 요구와 국외 건설기술 연구 동향 에 힘입어 2003년 건설교통부 건설핵심기 술 연구개발 사업 연구비 지원으로 DFRCC 관련 연구가 활발히 진행되고 있는 실정에 있다 저 '3) 또한, 국내에서 DFRCC로 건설된 최초의 구조물인 연육교(프랑스 I/} 에서 개발한 DUCTAL 사용)가 건설되면 서부터 많은 관심을 끌고 있으며 국내의 W사 경우 미시건 대학의 Victor Li 교수에게 연구를 의뢰하여 스프레이형 DFRCC를 이용한 보수보강 기술 등을 개 발하는 등 활발한 움직임을 보이고 있다. 현시점에서 DFRCC에 대한 제조 방법 및 그 특성, DFRCC에 대한 기술 현황에 대한 이해는 콘크리트 관련 연구자뿐만 아니라 현업에 종사하고 있는 건설기술자에 도움이 되리라 판단되어 필자가 지난 3개월간 일본 건축연구소 객원 연구원으로 체류하며 수집한 자료를 토대로 총 3회에 걸쳐 DFRCC의 현황에 관하여 소개하고자 한다. 본고는 제1보 DRFCC의 특성 및 제 조기술, 제2보 DFRCC의 적용현황, 제3보 DFRCC의 시험평가기법 및 응용으로 구성하였으며 먼저 DFRCC의 특성 및 제조기술에 관하여 소개한다.
현시점에서 DFRCC에 대한 제조 방법 및 그 특성, DFRCC에 대한 기술 현황에 대한 이해는 콘크리트 관련 연구자뿐만 아니라 현업에 종사하고 있는 건설기술자에 도움이 되리라 판단되어 필자가 지난 3개월간 일본 건축연구소 객원 연구원으로 체류하며 수집한 자료를 토대로 총 3회에 걸쳐 DFRCC의 현황에 관하여 소개하고자 한다. 본고는 제1보 DRFCC의 특성 및 제 조기술, 제2보 DFRCC의 적용현황, 제3보 DFRCC의 시험평가기법 및 응용으로 구성하였으며 먼저 DFRCC의 특성 및 제조기술에 관하여 소개한다.
지금까지 DFRCC의 현황에 관한 소개 중 제1보로써 PVA 섬유, PE 섬유, PP 섬유 및 강섬유를 이용한(또는 이를 Hybrid 한) DFRCC의 제조기술 및 특성에 관하여 살펴보았다. 이상을 혼입된 섬유의 종류별로 정리하면 다음과 같다.
그러므로 국내에서도 취성적인 시멘트 계 복합체의 성능을 획기적으로 개선한 DFRCC에 대한 보다 적극적인 관심과 연구가 필요할 것으로 판단되며, 특히 시멘트 복합재료의 특성 이용 방법에 대한 개발뿐만 아니라 재료, 구조 및 시공에 관한 전반적인 검토와 데이터의 축적이 시급하다고 사료된다. 제2보에서 실제 선진외국에서 적용 하고 있는 DFRCC에 대한 적용 사례 및 특성을 소개하겠다는 약속을 드리며 본고를 마감한다.

제안 방법

〈표 1〉은 대표적인 배합 예로 증점제가 사용되었으며 ECC의 플래쉬 (fresh) 성 상는 유동성을 부여하여 시공성을 증대 시 키기 위함이다. 또한 ECC는 부배합이므 로 단위 수량이 증대되어 건조수축이 크므로 건조수축을 제어하기 위하여 혼화제를 첨가하고 보통 콘크리트와 대등한 건조수축 저항성을 갖도록 하였다.〈표 2〉는 사용된 PVA 섬유의 물성을 나타낸다.
비빔은 20/ 모르타르 및 100/ 팬 믹서를 사용하였으며 팬에 섬유가 끼어 섬유의 일부가 뭉쳤지만 모르타르의 점성을 관리하면 이러한 현상은 어느 정도 방지할 수 있다. 비빔 순서는 적정한 점성을 갖는 모르타르를 먼저 제조하고 이후 섬유를 투입하여 PVA-HPRFCC를 제조한다. 구조 부재 등의 제작을 위한 시공성은 섬유 혼입률 1.
4, 물 19이다. 휨인장응력 및 1축 인장 하에서 인성 향상을 위하여 PVA 및 고강도 PE를 혼입하였다.〈사진 8(a)〉는 복합체의 비빔, 〈사진 8(b)〉는 시공과정을 나타내고 있다.
20/ 모르타르 믹서의 사용 시 먼저 점 성이 높은 모르타르를 제조 후 합성섬유 (PE) 를 1/2씩 투입하고 이후 다시 SteelCord를 1/3씩 균등하게 투여하여 복합체를 제조할 수 있으며, 100/ 의 팬 믹서의 사용 시 섬유는 1회에 투입하여 제조한다. 이렇게 제조된 고인성 복합체를 구조 부재에 적용하기 위해서는 시공성에 대한 개선의 여지가 있다고 보고되고 있다.

대상 데이터

Richard에 의해 1994년에 개발되었다. 그 특성은 초고강 도(입축 240MPa, 휨 45MPa), 고내구 성(동결융해 저항성 지수 100), 유동성(플로우 값 250 mm)이고 적용 예로는 도로 교, 방음판넬 등이 있다
PVA-압출성형-ECC의 압출성형 방법은 시멘트, 세골재, 단섬유, 성형 조제, 물을 믹서로 혼합하여 압축성형기로 일정단 면을 연속적으로 압출 성형하여 부재를 생산하는 방법으로 판상, 구형 또는 골판 등과 같은 복잡한 형태의 단면을 갖는 부재의 생산도 가능하다. 사용된 PVA 섬유는 직경 0.0379 mm, 길이 6 mm, 인장강도 1,650MPa, 탄성계수 43.7 GPa이며 압출성형 복합체의 표준배합은〈표 3〉과 같다. 압출성형에는 성형 조제 등의 배합 비율이 높기 때문에 일반적인 콘크리트 배합에 비하여 물-시멘트비가 높고 3% 이상의 PVA 섬유 혼입률로 다수균열에 따른 변형 경화 특성을 보였다.
PVA 매트 충전 DFRCC는 콘크리트 구조물의 보수 • 보강공법에 적용을 위하여 개발된 재료이다. 보수 • 보강 대상으로서 기존 콘크리트 표면에 배치된 PVA 섬유 매트에 시멘트 페이스트와 같은 그라우트를 충진하여 경화시킴으로써 보강 층을 성형시키는 것이고 터널 라이닝 콘크리트 보강을 주요 보강대상으로 한다. PVA 섬유 매트〈사진 4〉는 섬유 직경 0.
굳지 않은 복합체의 플로우 값은 118 mm, 공기량은 7%, 경화된 복합체의 압축강도 는 36MPa로 평가되었다. 휨 시험 체를 이용한 휨 거동 특성은 20x100^900 mm 를 이용하였으며 휨 실험 결과를 〈그림 20〉에 나타내었다. 또한 40M0X160 mm 각주형 1축 인장강도 시험편에 대한 인장시험결과는〈그림 21〉과 같다.
보강용 섬유는 강섬유 또는 PVA 섬유가 이용되고 기계적인 특성이 중시되는 경우는 강섬유를 사용하고 미관 • 의장 성 등 중시하는 경우는 PVA가 이용된다. 강섬유는 직경 0.2 mm, 길이 15 mm의 단섬유이고, 강섬유는 경화 매트릭스와의 인장 저항을 고려하고 특수한 가공을 한다. 특히, 기계적 특성이 우수한 강섬유를 혼입하여 섬유의 가교 효과와 매트릭스의 보 강효과를 얻을 수 있고 RPC의 인성 및 균열 저항성을 향상시킬 수 있다.

이론/모형

〈그림 7〉에 나타난 바와 같이 PVASpray-ECC는 다른 보수재료(폴리머 시멘트 모르타르)와 대등한 중성화 저항성을 보유하고 있는 것으로 나타났으며 그림 내의 참고 값은 보통 콘크리트의 중성화 촉진 실험 결과이다. 동결융해 저항성은 JIS A 1148에 준하여 동결융해실험(수중동결 수 중융해)을 실시하였으며, 그 결과는〈그림 8〉과 같다. 300 사이클 진행 시점에서의 상 대 동탄성계수 및 질량 감소율을 저하되지 않는 높은 내 동결융해성능을 확보하고 있는 것으로 보고되고 있다.

성능/효과

PE를 이용한 PE-ECC의 예시적인 배합조건은 물-시멘트비 30 %, 모래-결합재 비(S/C) 31.3%, 단위 수량 342kg/m3 및 섬유 체적비 1.5 %로 굳지 않은 복합체의 공기량은 관리되지 않았지만 경화 후 중량으로부터 산정된 공기량은 약 12 %로 예상되었다. PE의 사용 시 매트릭스와 부착 강도가 문제가 되므로 매트릭스의 강도를 확보하기 위하여 물-시멘트비가 30 % 가 되도록 한다.
굳지 않은 PE-ECC의 플로우 값은 140 ~160 mm 범위로 나타났으며 경화 후 단위용적 중량은 1.9~2.0g/cm3 범위, 압축강도는 약 70~80 MPa를 보인다. 물론 이렇게 높은 압축강도를 이용한 사례 는 없지만 섬유를 혼입함으로써 급격하게 파괴되는 특성을 보이는 동일한 강도의 콘크리트에 비하여 최대내력 이후 안정된 거동 특성을 확보할 수 있을 것으로 기대된다.
〈사진 8(a)〉는 복합체의 비빔, 〈사진 8(b)〉는 시공과정을 나타내고 있다. 굳지 않은 복합체의 플로우 값은 118 mm, 공기량은 7%, 경화된 복합체의 압축강도 는 36MPa로 평가되었다. 휨 시험 체를 이용한 휨 거동 특성은 20x100^900 mm 를 이용하였으며 휨 실험 결과를 〈그림 20〉에 나타내었다.
앞에서 살펴본 여러 DFRCC는 각 재료가 적용되는 부재 또는 사용기법에 따라 요구되는 적절한 성능을 만족하도록 충분한 휨 및 인장 강도와 변형능력, 그리고 워커 빌러 티를 확보하고 있으며, 특히 DFRCC 가 갖는 유사변형 경화 특성 및 다수 균열 특성을 보이고 있음을 알 수 있었다. 내구성 측면에서도 시멘트 복합체가 갖고 있는 과다한 자기수축, 건조수축 등의 체적 변화 요인에 대한 개선 및 대응책이 빠른 속도로 연구되고 있다는 것도 알 수 있었다.
Hybrid-HPFRCC의 압축 특성은 앞에서 살펴보았던 합성섬유만을 사용한 고인성 복합체에 비하여 최대강도 이후 안정된 강도 저하 특성을 보이고 있으며 〈그림 22〉와 같은 지름 100 mm, 길이 200 mm의 원주형 공시 체에 대한 직접인 장강 도 실험 결과로부터 인장변형률 약 1.0%까지 변형 경화 특성을 보이고 있는 것으로 나타났다. Hybrid-H珀FRCC의 인장 특성은 유사한 조건의 합성섬유(PVA 또는 PE)만을 사용한 복합체에 비하여 높은 변형능력과 인장강도 특성을 보였다.
0%까지 변형 경화 특성을 보이고 있는 것으로 나타났다. Hybrid-H珀FRCC의 인장 특성은 유사한 조건의 합성섬유(PVA 또는 PE)만을 사용한 복합체에 비하여 높은 변형능력과 인장강도 특성을 보였다.
2 mm, 길이 15 mm의 단섬유이고, 강섬유는 경화 매트릭스와의 인장 저항을 고려하고 특수한 가공을 한다. 특히, 기계적 특성이 우수한 강섬유를 혼입하여 섬유의 가교 효과와 매트릭스의 보 강효과를 얻을 수 있고 RPC의 인성 및 균열 저항성을 향상시킬 수 있다.

후속연구

더욱이 이러한 재료는 종래의 시멘트계 재료를 대신하여 고성능 보수용 재료, 내 중격성 재료, 강재의 피복재료 등 새로운 각종 용도로 활용될 수 있어 콘크리트 분야에서 기술혁신을 일으킬 수 있을 것이다. DFRCC의 제조기술을 다루기에 앞서 이와 관련된 용어 정의 및 각종 DFRCC 에 대하여 살펴보면 다음과 같다.
PVA-Spray-ECC는 현장에서 ECC의 제조가 가능하고 워커빌리티가 우수하여 콘크리트 구조물의 보수 및 보강재료로써 적용이 기대된다. PVA-Spray-ECC를 구성하는 주요한 재료는 시멘트 혼화재, 세 골재, PVA 섬유, 증점제, 물 및 액상 혼 화제 등을 들 수 있으며 대표적인 배합 예 로는 물-겹합제비(W/B) 32%, 모래-결 합체비 (S/B) 41.
0g/cm3 범위, 압축강도는 약 70~80 MPa를 보인다. 물론 이렇게 높은 압축강도를 이용한 사례 는 없지만 섬유를 혼입함으로써 급격하게 파괴되는 특성을 보이는 동일한 강도의 콘크리트에 비하여 최대내력 이후 안정된 거동 특성을 확보할 수 있을 것으로 기대된다. 휨 거동 특성은〈그림 15〉및〈사진 6〉과 같이 변형 경화 및 다수균열 특성을 보이고 있는 것을 알 수 있다.
그러나 이 경우 최 대응력 이후에 마이크로 섬유의 파단 또는 인발에 의해 응력이 비교적 급격히 저하하는 특징을 가지고 있다. 반면, 마이크로 섬유에 매크로 섬유를 하이브리드(hybrid)화함으로 서〈그림 19〉에 나타낸 바와 같이 마이크로 섬유의 파단 또는 인발 이후에도 길이와 직경이 큰 매크로 섬유에 의해 지속적으로 응력을 부담할 수 있을 뿐만 아니라 균열의 국소화를 지연시킬 수 있을 것으로 판단된다. 이러한 섬유의 장점을 살려 섬유의 단점을 보완하기 위하여 두 개 이상의 섬유를 혼입하여 제조되는 HybridDFRCC에는 Hybrid-Spray-DFRCC와 Hybrid-HPFRCC가 있다.
선진 외국에서는 이미 각각의 DFRCC에 대하여 제조기술 능력을 확보하고 이를 실용화하는데 연구를 주력하고 있으며, 일부에서 실제로 시공된 사례가 보고 되고 있는 실정이다. 그러므로 국내에서도 취성적인 시멘트 계 복합체의 성능을 획기적으로 개선한 DFRCC에 대한 보다 적극적인 관심과 연구가 필요할 것으로 판단되며, 특히 시멘트 복합재료의 특성 이용 방법에 대한 개발뿐만 아니라 재료, 구조 및 시공에 관한 전반적인 검토와 데이터의 축적이 시급하다고 사료된다. 제2보에서 실제 선진외국에서 적용 하고 있는 DFRCC에 대한 적용 사례 및 특성을 소개하겠다는 약속을 드리며 본고를 마감한다.

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