Effect of Mineral Admixture on Bond between Structural Synthetic Fiber and Latex Modified Cement Mortar under Sulfate Environments

DOI:http://dx.doi.org/10.5389/KSAE.2012.54.5.025

황산염에 노출된 구조용 합성섬유와 라텍스 개질 시멘트 모르타르의 부착특성에 미치는 광물질 혼화재의 효과

Effect of Mineral Admixture on Bond between Structural Synthetic Fiber and Latex Modified Cement Mortar under Sulfate Environments

김동현

․이정우

․박찬기

Kim, Dong Hyun․Lee, Jung Woo․Park, Chan Gi

ABSTRACT

It has been well known that concrete structures exposed to acid and sulfate environments such as sewer etc. show significant decrease in their durability due to chemical attack. Such deleterious acid and sulfate attacks lead to expansion and cracking in concrete, and thus, eventually result in damage to cement mortar by forming expansive hydration products due to the reaction between cement hydration products and acid and sulfate ions. In this study, the effect of fly ash and blast furnace slag on the bond performances of structural synthetic fiber in latex modified cement mortar under sulfate environments. Fly ash and blast furnace slag contents ranging from 0 % to 20 % are used in the mix proportions. The latex modified cement mortar specimens were immersed in fresh water, 8 % sodium sulfate (Na2SO4) solutions for 28 and 50 days, respectively. Pullout tests are conducted to measure the bond performance of structural synthetic fiber from latex modified cement mortar after sulfate environments exposure. Test results are found that the incorporation of fly ash and blast furnace slag can effectively enhance the PVA fiber-latex modified cement mortar interfacial bond properties (bond behavior, bond strength and interface toughness) after sulfate environments exposure. The microstructural observation confirms the findings on the interface bond mechanism drawn from the fiber pullout test results under sulfate environments.

Keywords: Bond strength; Blast furnace slag; Interface toughness; Fly ash; Pullout test; Sulfate environments

I. 서 론^*

최근 들어 콘크리트의 내구성을 향상시키기 위하여 섬유보강 콘크리트와 라텍스 개질 콘크리트에 대한 연구가 증가하고 있다 (Park et. al, 2008). 콘크리트에서 보강섬유는 콘크리트에서 발 생하는 균열을 억제하여 수밀성 증가를 통한 내구성을 향상시킬 뿐만 아니라 콘크리트의 연성을 증가시켜 급격한 파괴를 억제한 다 (Kim et. al, 2008; Chan et. al., 2004; Lee et. al., 2011a, b). 일반적으로 섬유보강 콘크리트의 성능은 보강섬유와 콘크리 트 사이의 부착특성에 영향을 받는다 (Lee and Park, 2011a, b).

보강섬유는 콘크리트 내에서 발생하는 균열을 섬유 가교 (fiber

* 공주대학교 대학원 농공학과

** 공주대학교 지역건설공학과

† Corresponding author Tel.: +82-41-330-1266 Fax: +82-41-330-1269

E-mail: [email protected] 2012년 4월 18일 투고

2012년 7월 25일 심사완료 2012년 8월 6일 게재확정

bridging), 섬유 분리 (fiber debonding), 섬유 인발 (fiber pullout) 및 섬유파괴 (fiber fracture)등의 부착거동을 통하여 억제 및 조 절함으로써 콘크리트의 성능을 향상시킨다 (Bentur, A., and S.

Mindess., 1990). 따라서 보강섬유와 콘크리트 사이의 부착 성 능을 향상시키기 위한 방법이 다양하게 연구 되고 있다 (Lee and Park, 2011a, b). 이와 같은 방법에는 섬유의 형상을 변화시 키는 방법, 섬유의 표면을 친수성으로 코팅하는 화학적인 방법, 콘크리트에 각종 혼화재 등을 첨가하여 콘크리트의 역학적 성능 향상을 통하여 부착성능을 향상시키는 방법이 있다. 지금까지 각 종 혼화재를 적용하여 부착특성을 향상시키는 방법으로는 광물 질 혼화재를 적용하는 방법이 가장 널리 적용되어왔다 (Bentur, A., and S. Mindess., 1990). 최근 들어서는 라텍스와 같은 폴 리머재료를 적용하여 섬유보강콘크리트에 적용하여 성능을 향상 시키는 연구도 진행되고 있다. 라텍스는 콘크리트의 연성뿐만 아 니라 수밀성을 향상시켜 수리구조물에 적용 시 장기수명을 증가 시킬 수 있다 (Park et. al, 2008a,b,c). 콘크리트에서는 재료 간 의 접착력을 증가시켜 부착성능 향상과 더불어 계면활성 작용에 의한 유동성이 증가되어 작업성을 향상시킬 수 있다 (Park et.

Table 3 Properties of latex Solids Contents

(%)

Styrene Contents (%)

Butadiene Contents

(%) pH Density

(g/mm³)

Surface Tension (dyne/cm)

Particle Size (A)

Viscosity (cps)

46.5 34±1.5 66±1.5 11.0 1.02 30.57 1700 42

al, 2008a,b,c). 섬유보강 콘크리트는 섬유를 적용하지 않은 콘 크리트와 비교하여 유동성이 감소하는 문제점을 가지고 있다. 그 러나 라텍스의 첨가는 이와 같은 섬유보강 콘크리트의 작업성 감소의 문제점과 더불어 부착성능을 향상시켜 콘크리트의 성능 을 증가시킬 수 있다.

해수 환경 등에 건설되는 방조제 등 콘크리트 구조물은 각각 황산염에 의한 화학적 침식으로 인하여 성능저하가 발생될 수 있다. 황산염 등의 유해 이온이 콘크리트 내로 침투하여 시멘트 수화물과 반응함으로써 콘크리트 조직에 팽창 수화물이 형성되 고 연화 작용이 일어나기 때문에 콘크리트 내구성능을 크게 저 하시킬 뿐만 아니라 심한 경우 균열발생 및 조직 붕괴를 일으키 게 된다 (Bae et. al., 2010). 황산염 침투의 경우, 일반적으로 2 가지 주요 메카니즘으로 설명할 수 있는데, 하나는 콘크리트 내 의 수산화칼슘과 황산염 이온(SO42－

)들이 반응하여 석고(gypsum) 를 생성함으로써 콘크리트 매트릭스의 연화와 강도 손실을 일 으키는 것이고, 다른 하나는 석고와 C3A의 반응으로 부피 증가 를 수반하는 에트린자이트 (ettringite)가 생성됨으로써 콘크리트 의 팽창과 균열을 일으키는 것이다 (Al-Amoudi et. al., 1998;

Mehta, 1983; Bae et. al., 2010).

플라이애시 (fly ash, FA) 및 고로슬래그 미분말 (blast furnace slag, BFS)은 산업부산물로서 시멘트를 대체하여 적용되기 때문 에 경제성의 향상을 도모할 수 있으며, 자원재활용 측면에서 친 환경 재료이다. 산업부산물인 플라이애시 및 고로슬래그미분말 을 해양콘크리트 구조물에 적용하면 콘크리트의 산 및 황산염 침투 저항성을 개선시키는 연구가 보고되고 있다. 플라이애시 및 고로슬래그 미분말을 시멘트를 대체하여 적용하면 혼화재의 포 졸란 반응 시 수산화칼슘이 소비되어 보통콘크리트보다 석고의 생성이 적고, 또한 시멘트를 포졸란 재료로 치환함에 따라 C3A 함량의 저감으로 2차 에트린자이트 생성이 감소되며, 포졸란 반 응에 의해 생성된 2차 C-S-H의 생성으로 경화 시멘트 페이스트 의 치밀화를 가져오기 때문이다 (Mangat et. al., 1995; Santhanam et. al., 2003; Shazali et. al., 2006; Wee et. al., 2000).

본 연구에서는 방조제 등과 같은 해양환경에 노출된 콘크리트 구조물에 적용하기 위한 라텍스 개질 섬유보강 콘크리트 구조물 의 성능을 향상시키고자 플라이애시 및 고로슬래그 미분말의 적 용성을 평가하였다. 특히 섬유보강 콘크리트의 성능에 가장 큰 영향을 미치는 보강섬유와 콘크리트 사이의 부착성능에 미치는 황산염 노출의 영향을 평가하였다. 또한 황산염 노출 시 광물질

혼화재인 플라이애시 및 고로슬래그 미분말이 보강섬유와 라텍 스 개질 콘크리트 사이의 부착특성에 미치는 영향을 평가하였 다. 보강섬유로는 비부식성의 구조용 합성섬유를 적용하였으며, 황산염에 노출 후 압축강도시험과, Dog-bone 공시체를 이용한 부착시험을 실시하였다.

II. 재료 및 방법 1. 재료

본 연구에서는 국내 S사의 밀도 3.14 g/mm³의 보통 포틀랜 드 시멘트, 밀도 2.61 g/mm³의 잔골재 및 플라이애시와 고로슬 래그 미분말을 사용하였다. 플라이애시 및 고로슬래그 미분말의 물리 ․ 화학적 특성은 Table 1 및 2와 같다. 또한, 라텍스는 해외 D사의 SB latex를 적용하였으며 라텍스의 특성은 Table 3과 같 다. 구조용 합성섬유는 부식에 대한 우려가 없고 밀도가 작은 특 징을 가지고 있으며, 알칼리 환경 등에 노출 시 우수한 내구성을 갖는다. 그러나 섬유의 표면이 소수성으로 시멘트 복합재료와 부 착성능이 낮은 단점을 가지고 있다 (Park, C.G., and Won, J.P., 2008a,b,c). 본 연구에서는 부착성능을 향상시키기 위하여 표면 에 굴곡을 가지는 절곡형 구조용 합성섬유를 적용하였다. 구조용 합성섬유의 물리 ․ 역학적 특성은 Table 4와 같으며 섬유의 형상 은 Fig. 1과 같다.

Table 1 Physical and chemical properties of fly ash

Density (g/mm³) Fineness L.O.I (%)

2.14 3,400 cm²/g 3.28

Chemical compositions (%)

SiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO MgO Na2O K2O TiO2

58.12 23.56 7.69 2.59 1.12 0.31 1.42 1.05

* Loss on ignition

Table 2 Physical and chemical properties of blast furnace slag

Density (g/mm³) Fineness (cm²/g) L.O.I (%)

2.8 4000-6000 3.0

Chemical compositions (%)

SiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO MgO MnO TiO S

33.1 13.9 0.29 42.4 6.1 0.4 0.96 0.66

Table 4 Properties of structural synthetic fiber

Property Structural fiber

Elastic Modulus (MPa) 4.7×10³

Specific Gravity 0.91

Fiber Length (mm) 30

Fiber diameter (mm) 1

Tensile Strength (MPa) 470

Surface Hydrophobic

Fig. 1 Geometry of structural synthetic fiber

Table 5 Mix proportions of LMCC Type of

mix W/B

(%)

Unit weight (kg/m³) Cement Water Fine

aggregate Latex FA BFS

Plain

47 606

285 1363 90.9

0 0

FA10 575.7 30.3 0

FA20 545.4 60.6 0

BFS10 515.1 90.9 0

BFS20 575.7 0 30.3

2. 배합설계

본 연구는 Table 5와 같은 시멘트 모르타르 배합을 이용하여 황산염 용액에 노출된 구조용 합성섬유와 LMCC의 부착특성을 평가하였다. 플라이애시 및 고로슬래그 미분말은 시멘트 중량에 각각 0, 10 및 25 %를 치환하였으며, 라텍스는 고형물 대비 시 멘트 중량에 15 %를 적용하였다.

3. 실험방법 및 황산염 노출

가. 압축강도

플라이애시 및 고로슬래그 미분말의 치환율에 따른 LMCC의 압축강도 특성을 평가하기 위하여 KSL 5105에 따른 50 mm×

50 mm×50 mm의 입방체 공시체를 제작하여 재령 28일 후 시 험을 실시하였다.

나. 부착성능

플라이애시와 고로슬래그 미분말의 치환율에 따른 LMCC와 구 조용 합성섬유의 부착거동을 평가하기 위하여 JCI SF-8에 시험 규정을 이용하였다. Fig. 2와 같은 Dog-bone 모양의 공시체를 두 부분으로 분할한 후 중앙에 구조용 PVA 섬유를 정착시켰다.

부착실험 공시체는 제작 후 24시간 동안 23±2 ℃ 및 상대습도

L1: embedment length (14.5 mm) L2: anchored length (14.5 mm) Lf: fiber length (30 mm)

t: thickness of partitioning board (1 mm)

Fig. 2 Arrangement of the partitioning board and fibers, and setting in the mold (unit: mm)

50±2 %의 범위에 초기 양생을 실시한 후 탈형하여 23±2 ℃의 물속에서 실험 전까지 습윤양생을 실시하였다. 실험은 재령 28일 간의 양생 후에 변위 제어방식의 UTM에 설치한 후 0.5 mm/min 의 하중재하속도로 부착성능을 평가하였다.

본 연구에서는 식 (1)을 부착강도를 계산하였다 (Lee et. al, 2011a, b).

_max 

_max

(1)

여기서, τmax는 최대 부착강도이고, Pmax는 최대부착하중, D는 섬유의 직경이며, L은 정착길이 이다.

또한, 본 연구에서는 계면인성을 측정하였으며, 계면인성은 섬 유의 인발과정에서 소비되는 역학적 에너지로 정의될 수 있다.

계면인성의 인발거동 곡선 아래면적으로 나타낼 수 있으며, 본 연구에서는 인발하중-변위곡선에서 변위 8 mm까지의 면적으로 적용하여 계면인성을 계산하였다.

다. 황산염 노출

해수 환경에 노출된 콘크리트 구조물의 경우 황산나트륨 (Na2

SO4) 침투 시 식(2)와 같이 시멘트 수화에 의해 발생된 수산화칼 슘과 황산나트륨의 반응으로 석고가 생성된다. 이때 생성된 석고 는 식(3)~(5)와 같이 칼슘 알루미네이트 수화물 (C4AH13), 모노 설페이트 (C4ASH12) 및 C3A와 반응하여 2차 에트린자이트를 생 성하여 팽창과 균열이 발생한다 (Bae et. al., 2010).

Ca(OH)2＋Na2SO4＋2H2O → CaSO4ㆍ2H2O＋2NaOH (2)

4CaOㆍAl2O3ㆍ13H2O＋3CaSO4ㆍ2H2O＋14H2O

→ 6CaOㆍAl2O3ㆍ3SO3ㆍ32H2O＋Ca(OH)2 (3)

4CaOㆍAl2O3ㆍSO3ㆍ12H2O＋2CaSO4ㆍ2H2O＋16H2O

＋6CaO → Al2O3ㆍ3SO3ㆍ32H2O (4)

3CaOㆍAl2O3＋3CaSO4ㆍ2H2O＋26H2O

→ 6CaOㆍAl2O3ㆍ3SO3ㆍ32H2O (5)

상기와 같은 현상으로 인하여 해양환경에 노출된 콘크리트 특 히 황산염에 노출된 콘크리트는 구조물은 파괴가 발생한다. 본 연구에서는 황산염 노출에 따른 구조용 합성섬유와 LMCC의 부 착특성을 평가하기 위하여 28일간 수중 양생 후 8 %의 황산나 트륨 용액을 제조하여 50일간 공시체를 노출 한 후 부착시험을 실시하였다.

III. 결과 및 고찰 1. 압축강도

황산나트륨 용액에 50일간 노출된 후 압축강도를 평가하였다.

재령 28일에서의 압축강도는 플라이애시 및 고로슬래그 미분말 의 치환율이 증가할수록 LMCC의 압축강도가 감소하는 결과를 나타냈다 (Fig. 3). 플라이애시 및 고로슬래그 미분말을 치환하 지 않은 배합은 압축강도가 약 33.3 MPa로 나타났으며, 플라 이애시를 치환한 경우 치환율 10 및 20 %에서 각각 약 33.6 및 32.5 MPa로 보여주었다. 고로슬래그 미분말을 치환한 배합은 각각 35.9 및 33.9 MPa로 나타났다. 황산나트륨 용액에 50일 간 노출 후 압축강도 시험결과는 Fig. 4와 같다. 시험결과 모든 배합에서 압축강도의 감소가 나타났으나 감소의 정도는 플라이

Fig. 3 Compressive strength of control LMCC

(a) Compressive strength

(b) Residual compressive strength

Fig. 4 Compressive test results of LMCC under Na2SON4

solution

애시와 고로슬래그 미분말을 치환율이 증가할수록 감소하는 결 과를 나타냈다.

이와 같은 결과는 광물질 혼화재의 혼입 시 2차 C-S-H를 형 성하기 위한 포졸란 반응이 진행되면서 수산화칼슘이 소비되고, 또한, 시멘트를 포졸란 재료로 치환함에 따라 C3A 함량의 저감 을 가져오므로 광물질 혼화재를 혼입한 시멘트 모르타르는 보통 시멘트 모르타르보다 석고와 에트린자이트가 적게 생성되기 때 문이다.

2. 부착성능

가. 일발거동

황산나트륨 용액에 침지 후 구조용 합성섬유와 LMCC의 부착 하중 및 인발변위 거동은 Fig. 5와 같다. 구조용 합성섬유는 표 면에 굴곡을 가지고 있다. 따라서 섬유의 인발거동 또한, 섬유의

(a) Control (b) FA-10 %

(c) FA-20 % (d) BFS-10 %

(e) BFS-20 %

Fig. 5 Pullout behavior of structural synthetic fiber in LMCC

형상에 따라 하중의 증감이 반복해서 나타나는 거동을 나타내 고 있다. 보강섬유의 부착거동은 첫 번째 매크로 균열이 발생하 기 전 거동인 균열발생 전 거동 (prcracked zone behavior)과 균열발생 후 거동 (debond zone behavior)으로 구분할 수 있 다. 균열발생 전 거동은 섬유와 매트릭스의 계면 부착력에 의하 여 균열의 발생을 억제하는 구간이며, 균열발생 후 거동은 균열 이 발생 후 섬유의 인발거동을 섬유와 매트릭스의 계면에서 마 찰력에 의하여 억제하는 구간이다. 균열발생 전 거동은 일반적으 로 선형구간으로 나타나지만, 본 연구에서는 일정구간까지는 선 형으로 나타나지만, 하중-변위 거동이 비선형으로 바뀌면서 최 고 인발하중 하중에 도착한 후 하중이 감소하는 결과를 나타냈 다. 또한, 선형구간과 비선형 구간을 구분하기는 어려운 거동을 나타냈다. 이와 같은 결과는 구조용 합성섬유와 LMCC 사이의 마이크로균열이 발생하면 하중의 감소가 발생하지 않고 하중이 증가하면서 비선형으로 변하면서 마크로균열이 발생했을 때 하 중의 감소가 발생하기 때문으로 보인다. 또한, 본 연구에서는 구 조용 합성섬유가 굴곡을 가지고 있는 형상으로 분리구간에서는 하중의 증가와 감소가 반복적으로 발생하면서 인발되는 경향을 보였다. 그러나 최고 부착하중보다는 작은 하중을 보여주었다.

50일간 황산나트륨 용액에 침지한 후 구조용 합성섬유의 부착 거동은 기준공시체와 비교해서는 감소하는 결과를 보였다. 이와 같은 결과는 황산나트륨 (Na2SO4) 침투 시 시멘트 수화에 의해 발생된 수산화칼슘과 황산나트륨의 반응으로 석고가 생성되며, 이때 생성된 석고는 칼슘 알루미네이트 수화물 (C4AH13), 모노설 페이트 (C4ASH12) 및 C3A와 반응하여 2차 에트린자이트를 생성 하여 팽창과 균열이 발생하기 때문에 균열 전 거동 및 균열 후 거동이 모두 감소하는 결과를 나타냈다.

나. 부착강도

황산염 노출 후 부착강도 LMCC와 구조용 합성섬유의 특성은 Fig. 6 및 7과 같다. 재령 28일의 기준 (control) 공시체의 부착 강도는 플라이애시 및 고로슬래그 미분말의 치환율 10 %까지 는 증가하다가 20 %에서는 감소하는 결과를 보였다. 플라이애 시 및 고로슬래그 미분말을 치환하지 않은 배합의 부착강도는 약 2.98 MPa를 나타냈으며, 플라이애시를 치환한 배합은 치환 율이 10 및 20 %로 증가함에 따라 각각 약 3.08 및 3.04 MPa 를 보여주었다. 고로슬래그 미분말을 치환한 배합은 치환율이 10 및 20 %에서 각각 약 3.23 및 3.10 MPa를 보여주었다. 부착강 도는 균열이 발생하기 전 (precracked zone) 거동에 영향을 받 으며 이 구간에서의 거동은 LMCC의 강도에 영향을 받는다. 따 라서 압축강도 시험결과와 유사한 경향을 나타냈다. 또한, 플라 이애시를 치환한 배합보다 고로슬래그 미분말을 치환한 배합의 부착강도가 약간 크게 나타났는데 이와 같은 결과는 고로슬래그

Fig. 6 Bond strength of structural synthetic fiber in control LMCC

(a) Bond strength

(b) Residual bond strength

Fig. 7 Bond test results of structural synthetic fiber in LMCC under Na2SON4 solution

미분말의 분말도가 플라이애시보다 크기 때문이라 판단된다.

50일간의 황산나트륨용액에 노출 후 부착강도 시험결과는 플 라이애시 및 고로슬래그 미분말의 치환율이 증가할수록 부착강 도가 증가되는 경향을 보였다. 기준공시체는 50일간의 황산염 노출 후 부착강도가 약 2.69 MPa로 약 10 % 감소하는 결과를 나타내었으며, 플라이애시 및 고로슬래그의 치환율이 10 % 및 20 %로 증가할수록 부착강도는 모두 각각 약 5 % 및 1 % 감 소하는 결과를 보였다. 이와 같은 결과는 압축강도와 마찬가지 로 광물질 혼화재의 혼입 시 2차 C-S-H를 형성하기 위한 포졸 란 반응이 진행되면서 수산화칼슘이 소비되고, 또한 시멘트를 포 졸란 재료로 치환함에 따라 C3A 함량의 저감을 가져오므로 광물 질 혼화재를 혼입한 LMCC는 보통 시 LMCC보다 석고와 에트린 자이트가 적게 생성되기 때문에 부착강도의 감소가 작은 것으로 판단된다.

다. 계면인성

황산나트륨 용액에 노출된 구조용 합성섬유와 LMCC의 계면 인성 시험결과는 Fig. 8 및 9와 같다. 기준 공시체의 계면인성 은 플라이애시 치환율이 0, 10, 및 20 %로 증가함에 따라 각각 313.7, 321.1 및 308.5 N-mm를 보여주었으며, 고로슬래그 미 분말의 치환율이 0, 10 및 20 %로 증가함에 따라 각각 313.7, 323.9 및 312.9 N-mm로 나타났다. 이와 같은 결과는 계면인성 에 영향을 미치는 섬유와 LMCC의 분리구간 (debonded zone) 에서 마찰 저항력이 약해지기 때문으로 플라이애시 및 고로슬래 그 미분말은 포졸란 효과 및 잠재 수경성을 가지고 있어 일정 량 치환 이상 치환되면 수화반응을 지연시켜 재령 28일에서 충 분한 경화가 발생하지 않는다. 본 연구에서는 플라이애시 및 고 로슬래그 치환율 20 %에서는 수화반응 지연으로 10 % 치환하 였을 때보다 충분한 마찰력을 기대할 수 없어 계면인성이 감소 하였다.

50일간의 황산나트륨용액에 노출 후 계면인성은 플라이애시 를 0, 10 및 20 % 치환한 배합에서 각각 291.4, 303.1, 304.5 N-mm의 결과를 보여주었으며, 고로슬래그 미분말을 0, 10 및 20 %를 치환한 배합에서는 각각 291.4, 307.1 및 309.0 N-mm 의 계면인성 값을 나타냈다. 잔류 계면인성 값은 0 %를 치환한 배합에서는 계면인성이 약 7.2 % 감소하였으며, 플라이애시를 10 및 20 % 치환한 배합에서는 각각 5.6 및 1.3 % 감소하는 결과를 보여주었다. 또한, 고로슬래그 미분말을 치환한 배합에서 는 각각 5.2 및 1.2 % 증가하는 결과를 나타냈다. 이와 같은 결 과는 플라이애시 및 고로슬래그 미분말이 포졸란 재료 및 잠재 수경성 재료로서 재령이 증가할수록 수화반응이 지속되는 효과 와 광물질 혼화재의 혼입 시 2차 C-S-H를 형성하기 위한 포졸 란 반응이 진행되면서 수산화칼슘이 소비되고, 또한, 시멘트를

Fig. 8 Interface toughness of structural synthetic fiber in control LMCC

(a) Interface toughness

(b) Residual interface toughness

Fig. 9 Interface toughness of structural synthetic fiber in LMCC under Na2SON4 solution

(a) Plain (b) 10 % (c) 20 % Fig. 10 Microstructure analysis of synthetic fiber surface in control FA LMCC (×100)

(a) Plain (b) 10 % (c) 20 %

Fig. 11 Microstructure analysis of synthetic fiber surface in control BFS LMCC (×100)

포졸란 재료로 치환함에 따라 C3A 함량의 저감을 가져오므로 광 물질 혼화재를 혼입한 LMCC는 보통 시 LMCC보다 석고와 에 트린자이트가 적게 생성되기 때문으로 판단된다. 따라서 구조용 합성섬유와 LMCC의 계면을 강화하여 debond zone에서의 마찰 력 증대로 계면인성이 증가한 것으로 보인다. 또한, 플라이애시 를 치환한 배합보다 고로슬래그 미분말을 치환한 배합이 기준공 시체의 계면인성이 크게 나타났는데 그 이유는 고로슬래그 미분 말의 분말도가 플라이애시보다 크기 때문에 초기 수화반응은 빠 르게 발생하였으나, 황산나트륨 용액에 노출 후에는 계면인성의 증가율이 플라이애시가 고로슬래그 미분말보다 크게 나타나고 있으며 장기적으로 보면 거의 유사한 결과 값을 나타낼 것으로 판단된다.

라. 미세구조분석

황산나트륨 용액에 노출된 공시체의 부착시험 후 SEM을 이용 하여 섬유표면의 미세구조를 관찰하였다. 일반적으로 보강섬유의 부착성능은 보강섬유와 콘크리트 사이의 부착계면에서 마찰력에 의하여 영향을 받는다. 마찰력이 크면 부착성능이 우수하고, 마 찰력이 작으면 부착성능이 빈약해 진다. 이와 같은 마찰력은 섬 유표면의 긁힘현상으로 관찰 할 수 있다. 본 연구에서는 SEM을

이용하여 부착시험 후 섬유와 LMCC의 마찰력에 따른 긁힘 현 상을 관찰하였다. Fig. 10 및 11은 기준공시체의 부착시험 후 표 면 사진을 보여주고 있으며, Fig. 12 및 13은 황산나트륨 용액 에 노출된 공시체의 부착시험 후 섬유표면의 SEM 사진을 나타 낸다. Fig. 10은 플라이애시 치환율에 따른 SEM 사진을 보여주 며, 치환율이 증가할수록 표면에 나타는 긁힘 현상이 감소하는 결과를 나타내고 있다. 또한, Fig. 11은 고로슬래그 미분말 치환 율에 따른 SEM 사진을 나타내며 치환율이 증가할수록 마찰력 감소에 따라 표면의 긁힘 현상이 감소하는 것을 나타낸다. 또한, 상대적으로 동일한 치환율에서 플라이애시를 치환한 배합보다는 고로슬래그 미분말을 치환한 배합의 긁힘 현상이 증가하는 것으 로 보여주고 있다. 이와 같은 결과는 고로슬래그 미분말을 치환 한 경우가 플라이애시를 치환한 배합보다 섬유와 LMCC의 계면 에서 마찰력이 크다는 것으로 나타낸다. 또한, 플라이애시 및 고 로슬래그 미분말의 치환율이 증가할수록 섬유의 표면의 긁힘 현 상이 감소하는 결과 역시 마찰력이 감소하기 때문이다.

황산나트륨 용액에 노출 후 섬유표면의 SEM 사진은 플라이애 시를 치환한 배합은 Fig. 12, 고로슬래그 미분말을 치환한 배합 의 SEM 사진은 Fig. 13과 같다. 황산나트륨 용액에 노출 후 플 라이애시 및 고로슬래그 미분말의 치환율이 증가할수록 섬유표

(a) Plain (b) 10 % (c) 20 % Fig. 12 Microstructure analysis of synthetic fiber surface in FA LMCC under Na2SON4 solution (×100)

(a) Plain (b) 10 % (c) 20 %

Fig. 13 Microstructure analysis of structural synthetic fiber surface in BFS LMCC under Na2SON4 solution (×100)

면의 긁힘 현상이 증가하고 있다. 특히 긁힘 현상과 함께 섬유의 찢겨짐 현상도 크게 발생하고 섬유의 쪼개짐 현상도 관찰되고 있다. 그러나 플라이애시 및 고로슬래그를 치환하지 않은 배합은 섬유표면의 긁힘 현상이 기준공시체보다 감소하는 결과를 보여 주었다. 이와 같은 결과는 부착강도 및 계면인성과 유사한 결과 로 플라이애시 및 고로슬래그 미분말의 치환은 황산염 노출에서 도 섬유와 LMCC의 부착특성을 향상시키는 것으로 판단된다.

IV. 결 론

본 연구는 황산염 환경에 노출된 섬유보강 LMCC의 부착특성 에 미치는 플라이애시 및 고로슬래그 미분말의 효과를 평가하였 다. 부착시험은 Dog-bone 공시체를 이용하였으며, 황산염환경 은 황산나트륨 용액에 50일간 노출하였다. 결론은 다음과 같다.

1. 압축강도는 플라이애시 및 고로슬래그 미분말 치환율 10 % 에서는 증가하였으나 20 %에서는 감소하는 경향을 나타냈다. 압 축강도는 황산나트륨 용액에 50일간 침지 후 기준 배합, 플라이 애시 및 고로슬래그 미분말을 치환한 배합 모두 감소하였다. 또

한, 압축강도 감소율은 플라이애시 및 고로슬래그 미분말 치환 율이 증가할수록 감소하였다.

2. 기준공시체의 부착강도 및 계면인성은 플라이애시 및 고로 슬래그 미분말 치환율 10 %까지는 증가하였으나 20 %에서는 감소하는 경향을 보여주었다. 황산나트륨 용액에 50일간 노출 후의 부착강도 및 계면인성은 플라이애시 및 고로슬래그 미분말 의 치환율이 증가할수록 증가하였다. 또한 부착강도 및 계면인 성의 감소율은 기준공시체와 비교하여 플라이애시 및 고로슬래 그 미분말의 치환율이 증가할수록 감소하였다.

3. 황산염에 노출 후 섬유표면의 미세구조분석 결과 보강섬유 의 부착력에 영향을 미치는 마찰력은 플라이애시 및 고로슬래그 미분말의 영향을 받았으며, 섬유표면에 나타난 긁힘현상은 부착 강도 및 계면인성 시험결과와 유사한 결과를 나타냈다.

상기와 같은 황산염 노출 후 압축강도, 부착강도, 계면인성 및 미소구조분석결과로 볼 때 산업부산물로 친환경 재료인 플라이 애시 및 고로슬래그 미분말은 섬유보강 LMCC의 황산염 저항성 을 향상시킨다는 것을 알 수 있다.

이 논문은 2010년도 정부 (교육과학기술부)의 재원으로 한 국연구재단의 기초연구사업 지원을 받아 수행된 것임 (연구 과제번호: 2010-0021570).

REFERENCES

1. Al-Amoudi, O. S. B., 1998, Sulfate Attack and Reinforcement Corrosion in Plain and Blended Cements Exposed to Sulfate Environments,

Building and Environment

2. Bae, S. H, Park, J. I, and Lee, K. M, 2010, Influence of Mineral Admixtures on the Resistance to Sulfuric Acid and Sulfate Attack in Concrete,

Journal of the Korea Concrete Institute

3. Bentur, A., and S. Mindess., 1990, Fibre reinforced cementitious composites, Elsevier Applied Science, London.

4. Chan, Y. W., and S. H., Chu, 2004, Effect of silica fume on steel fiber bond characteristics in reactive powder concrete,

Cement and Concrete Research

1167-1172.

5. Kim, J. H., C. G., Park, S. W., Lee, S. W., Lee, and J. P., Won, 2008, Effects of the geometry recycled PET fiber reinforcement on shrinkage of cement-based composites,

Composites Part B: Engineering

442-450 (In korean).

6. Lee, J. H. and C. G., Park, 2011a, Effect of Polyvinyl Alcohol Fiber Volume Fraction on Pullout Behavior of Structural Synthetic Fiber in Hybrid Fiber Reinforced Cement Composites,

Journal of Korea Concrete Institute

7. Lee, J. H. and C. G., Park, 2011b, Effect of Mineral Admixture on Bond Properties between Polyolefin Based Synthetic Fiber and Cement Mortar,

Journal of Korea Concrete Institute

8. Mangat, P. S. and Khatib, J. M., 1995, Influence of Fly Ash, Silica Fume, and Slag on Sulfate Resistance of Concrete,

ACI Materials Journal

9. Mehta, P. K., 1983, Mechanism of Sulfate of Attack on Portland Cement Concrete-Another Look,

Cement and Concrete Research

10. Park, S. K., J. P. Won, and C. G. Park, 2008a, Prediction of Corrosion Threshold Reached at Steel Reinforcement Embedded in Latex Modified Concrete with Mix Proportion Factor,

Journal of KSAE

49-60 (In korean).

11. Park, S. K., J. P. Won, and C. G. Park, 2008b, Strength Properties and Determination Method of Mix Proportion Factor of Latex Modified Concrete,

Journal of KSAE

12. Park, S. K., J. P. Won, and C. G. Park, 2008c, Evaluation of Diffusion Property of Latex Modified Concrete,

Journal of KSAE

and Fire Resistance of Polyolefin Based Structural Synthetic Fiber Reinforced Concrete,

Journal of KSAE

14. Santhanam, M., Cohen, M. D., and Olek, J., 2003, Mechanism of Sulfate Attack : A Fresh Look Part 2 : Proposed Mechanisms,

Cement and Concrete Research

15. Shazali, M. A., Baluch, M. H., and Al-Gadhib, A. H., 2006, Predicting Residual Strength in Unsaturated Concrete Exposed to Sulfate Attack,

Journal of Materials in Civil Engineering

16. Wee, T. H., Suryavanshi, A. K., Wong, S. F., and Anisur Rahman, A. K. M., 2000, Sulfate Resistance of Concrete Containing Mineral Admixtures,

ACI Materials

Journal