Effect of Reinforcing Fiber on Mechanical Properties and Chemical Resistance of Porous Concrete with Hwang-toh

콘크리트工學

大 韓 土 木 學 會 論 文 集

第31卷 第2A 號·2011年 3月 pp. 105 ~ 113

황토를 포함한 다공성 식생콘크리트의 역학적 특성 및 내약품성에 미치는 보강섬유의 효과

Effect of Reinforcing Fiber on Mechanical Properties and Chemical Resistance of Porous Concrete with Hwang-toh

이진형*·박찬기**·박종식***

Lee, Jin-Hyung · Park, Chan-Gi · Park, Jong-Sik

···

Abstract

This study evaluated the effects of fibers on the mechanical properties and chemical solution resistance of porous concrete with fiber type(jute, pulp, PVA and nylon fiber) and fiber volume fraction (0.0%, 0.1%, 0.2%, 0.3%). The tests that were car- ried out to analysis the properties of porous concrete included compressive strength, void ratio, pH value, and chemical solu- tion exposure with varying type and volume fraction of fiber were conducted. The type and volume fraction of fiber also affected the void ratio, compressive strength, flexural strength and chemical solution exposure. Increased volume fractions of fiber resulted in improved properties of the compressive strength, flexural strength and void ratio. However, the difference between the measured pH value and chemical resistance of porous concrete with fiber type and volume fraction was not sig- nificant.

Keywords :

chemical solution resistance, hwang-toh, porous concrete, reinforcing fiber, void ratio

···

요 지

본 연구는 보강섬유의 종류(마섬유, 펄프섬유, PVA섬유, 나이론섬유) 및 혼입률(0.0%, 0.1%, 0.2%, 0.3%)이 다공성 식 생콘크리트의 역학적 특성과 내약품성에 미치는 효과를 평가하였다. 시험은 섬유의 종류 및 혼입률의 변화에 따른 다공성 식생콘크리트의 압축강도, 공극률, pH, 휨강도 및 내약품성 특성을 분석하기 위하여 수행하였다. 섬유의 종류 및 혼입률은 다공성 식생콘크리트의 압축강도, 공극률 및 내약품성에 영향을 미쳤다. 섬유의 혼입률이 증가할수록 압축강도, 휨강도 및 공극률은 증가하였다. 그렇지만 다공성 식생콘크리트의 pH 값과 내약품성은 섬유의 종류 및 혼입률의 변화에 큰 영향이 없 었다.

핵심용어 : 내약품성, 황토, 다공성 식생콘크리트, 보강섬유, 공극률

···

1. 서 론

콘크리트는 사회적으로 친환경 재료로서의 인식보다는 환 경을 해치는 건설구조물로서 환경 파괴에 주요 원인으로 인

정되고 있는 상황이다 ( 박승범 등 , 2000, 2003). 따라서 환경

친화성을 확보할 수 있는 콘크리트의 개발이 요구되고 있으 며 이와 같은 특성을 가진 콘크리트로는 다공성 식생콘크리

트 등이 있다 ( 성찬용 등 , 2004, 2006). 다공성 식생콘크리트

는 다공성 내부에 보수성과 영향분의 충진 기술을 도입하여 식물의 성장을 원활하게 유도한 콘크리트이다 ( ^김화중 , 1996;

김진춘 등 , 1996, 1998). 다공성 식생콘크리트에 대한 연구

결과를 살펴보면 산업부산물 사용 , 폴리머 재료의 첨가 등을

통하여 식생 능력과 함께 물리·역학적 특성 및 내구성능을 극대화할 수 있는 방향으로 진행되고 있다 ( 김황희 등 , 2010).

최근 들어 친환경재료로 황토를 콘크리트에 적용하기 위한 연구가 다양하게 진행되고 있다 . 활성 황토를 콘크리트용 혼 화재료로 사용할 경우 활발한 포졸란 반응에 의해 압축 강 도 발현이 일반 무혼입 콘크리트보다 높게 나타나 , 건설 신 재료로서의 황토의 개발이 가능할 것으로 보고하였다 . 또한 활성 황토의 대체율에 따른 콘크리트의 특성은 대체율이 증 가할수록 강도발현수준이 높게 나타났으나 , ^대체율 30% ^의

경우 무혼입에 비해 강도가 저하하는 것으로 나타나 , 활성

황토의 적정 대체율의 범위는 10~20% 내외에 존재할 것으로

*정회원·공주대학교대학원농공학과석사과정

(E-mail : [email protected])

**정회원·교신저자·공주대학교 지역건설공학과 조교수·공학박사

(E-mail : [email protected])

***정회원·

(

주

)

한화건설기술연구소과장·공학박사

(E-mail : [email protected])

보고하였다 ( 최희용 등 , 2001). 비활성 황토 결합재를 시멘트 대체 재료로 이용한 연구로 황토로 시멘트를 대체함으로써 시멘트의 수화 반응 등에 의한 콘크리트 내부 발열과 수축 특성에 대한 연구가 진행되었다 . 재료의 분석을 토대로 압축 강도 , 슬럼프 , 공기량 및 수화열 , 수축특성을 평가하였다 . 시 험결과 황토콘크리트는 보통콘크리트에 비해 양생시 내부의 최고온도가 약 1/4 정도로 낮게 나타나고 수축 역시 보통콘 크리트에 비하여 감소한다고 하였다 . 따라서 비활성 황토 결 합재는 일정강도와 유동성을 확보할 수 있는 재료이며 친환 경적 재료로 판단할 수 있었다고 보고하였다 ( 강성수 등 , 2008).

이밖에 황토 콘크리트의 전단 및 부착거동 , 휨거동에 대한 연구가 진행되었고 , 황토 콘크리트에 재생 PET 섬유를 적용 하여 균열저항성 , 크리프 특성 및 휨거동 , 휨성능을 평가한 연구도 진행되었다 ( 이남곤 등 , 2010a, b; 김성배 등 , 2008,

2009). 또한 다공성 식생콘크리트에 황토를 적용한 연구는

현재 상당부분 진행되어 연구결과가 제품화되어 친환경 하

천정비 등 다양한 부분에 적용되고 있다 (NET 제 0078 호 ,

2006; ^{김황희 등} , 2010). ^{그러나 이와 같은 다공성 식생콘크}

리트에 대한 많은 연구결과에도 불구하고 아직까지 내구성 저하에 대한 문제는 지속적으로 제기되고 있다 ( 박승범 등 ,

2000). 다공성 식생콘크리트의 내구성 감소에 미치는 주요

원인을 살펴보면 첫 번째로 공극이 일반 콘크리트와 비교하 여 상대적으로 크기 때문에 겨울철 동결 - 융해 작용을 받게 되면 부피 팽창에 의한 균열 발생으로 쉽게 파괴될 수 있다 는 것이다 ( 김화중 , 1996; 박승범 , 2000; 김황희 등 , 2010).

두 번째로 식물의 뿌리에서 용출되는 소량의 산환경 , ^보수성

충전물 및 오래된 뿌리의 부패에 의해 생성되는 유기산에 의하여 내구성이 저하될 가능성이 있다는 것이다 . 그러나 현 재 까지 이와 같은 상황을 고려하여 내구성을 검토한 사례 는 미미하다 ( 박승범 등 , 2000).

본 연구에서는 상기와 같은 다공성 식생콘크리트의 내구성 능 뿐만 아니라 역학적 성능을 향상시키고자 보강섬유의 효 과를 평가하고자 한다 . 보강섬유는 콘크리트의 파괴가 진행 되는 과정에서 인발 (pull out), 가교 (bridging) 및 섬유파괴

(fiber fracture) 작용을 통하여 균열의 발생 및 성장을 조절

함으로써 역학적 성능 및 내구성능을 향상시킨다 ( 원종필 등 ,

2002, 2006). 따라서 다공성 식생콘크리트의 물리·역학적

성능 향상과 더불어 동결 - 융해 저항성 및 유기산에 의한 저 항성을 확보할 가능성이 높다 . 본 연구에서는 천연 마섬유 ,

펄프섬유 및 폴리비닐알코올섬유 , 나이론섬유 등 네가지 종 류의 섬유를 다공성 식생콘크리트에 체적비 (fiber volume fraction; %) 로 각각 0.0%, 0.1%, 0.2% 및 0.3% 를 적용하여 물리 , 역학적 특성 및 내구성에 미치는 효과를 평가하였다 .

2. 실험계획

다공성 식생콘크리트의 물리·역학적 특성 및 내구성에 미 치는 보강섬유의 종류 및 혼입률의 영향을 평가하기 위하여 천연섬유인 마섬유 , 펄프섬유 , 합성섬유인 폴리비닐알코올섬 유 (polyvinyl alcohol fiber, PVA fiber) 와 나이론섬유를 체 적비 (fiber volume fraction; %) 로 각각 0.0%, 0.1%, 0.2%

및 0.3% 를 혼입하였다 . 목표 압축강도 및 공극률은 2006 년

도 NET ^제 0078 ^호 “ ^{고로슬래그시멘트} , ^{소성 황토 및 재생}

Fig. 1 Type and geometry of fibers

골재를 이용한 다공성 식생블록 제조기술 ” 에 제시된 기준과 일본의 선단건설기술센터에서 제시하고 있는 포러스 콘크리 트 하천 호안공법 입문서의 기준을 적용하여 압축강도

10MPa, 공극률 20% 로 규정하였다 (NET 제 0078 호 , 2006;

財團法人 先端建設技術センタ一編 ). 본 연구에서는 섬유를 적 용하지 않은 배합이 목표 기준을 만족하도록 설정하였다 . 그 후 다공성 식생콘크리트 배합에 보강섬유를 혼입시킨 후 종 류 및 혼입률에 따른 영향을 평가하였다 .

2.1 사용재료

보강섬유의 효과를 평가하기 위하여 황토 , 고로슬래그를 이 용한 다공성 식생콘크리트에 마섬유 , 펄프섬유 및 PVA 섬유 와 나이론섬유를 적용하였다 . 섬유의 형상은 Fig. 1 과 같으

며 섬유의 특성은 Table 1 과 같다 . 본 연구에서 적용한 황

토 , 고로슬래그의 물리·화학적 특성은 Table 2 및 Table 3

과 같다 . 황토는 일반 콘크리트 혼화재료와 유사한 SiO

2

와

Al

2

O

3

및 Fe

2

O

3

를 주요 성분으로 하고 있어 포졸란반응을 하는 천연포졸란 성질을 가지는 것으로 보고하고 있다 ( 최희용 등 , 2008). ^{황토는 활성화된 유리질의} SiO

2

와 Al

2

O

3

에 의해 시멘트수화물인 수산화칼슘 (Ca(OH)

2

) 과 포졸란 반응을 일으

켜 CSH 겔 및 CASH 겔을 생성하는 것으로 보고하고 있

다 ( 최희용 등 , 2008). 또한 굵은 골재는 최대치수 25 mm 의

쇄석골재를 이용하였으며 물리적 특성은 Table 4 와 같다 . 이밖 에 다공성 식생콘크리트의 유동성을 확보하기 위하여 나프 탈렌계 유동화제를 사용하였다 .

2.2 배합설계

섬유보강재의 종류 및 혼입률에 따른 다공성 식생콘크리트 의 물리·역학적 특성 및 내약품성을 평가하기 위하여 Table 5 와 같은 배합비를 적용하였으며 , 각 보강섬유의 종류에 따

라 혼입률을 각각 0.1%, 0.2% 및 0.3% 를 적용하였다 . 나

프탈렌계 유동화제를 사용하여 다공성 식생콘크리트 배합의

Table 1. Properties of fibers

Properties Jute fiber Pulp fiber PVA fiber Nylon fiber

Elastic modulus (GPa) 61 61 45 4.5

Density (g/mm³) 1.26 1.26 1.26 1.14

Fiber length (mm) 3 1~3 6 6

Tensile strength (MPa) 510 510 1600 896

Table 2. Physical and chemical properties of hawang-toh

Grading Composition (%, weight) Density

(g/mm³) Cumulative percentage passing (%)

0.6 mm 0.3 mm 0.15 mm 0.08 mm SiO2 Fe2O3 Al2O3 CaO MgO K2O Na2O

100 100 99 88 40.0 7.79 32.9 0.39 1.54 0.76 1.73 2.72

Table 5. Mix proportion of porous concrete with hwang-toh

of mixNo. Water/binder

(%)

Unit weight (kg/m³)

C W BFS Hwang-toh Coarse agg. Superplasticizer Fibers

Jute Pulp PVA Nylon

1

25.3 144.6 81.5 96.4 81.5 1450 3.3

- - - -

2 1.26 - - -

3 - 1.26 - -

4 - - 1.26 -

5 - - - 1.14

6 2.52 - - -

7 - 2.52 - -

8 - - 2.52 -

9 - - - 2.28

10 3.78 - - -

11 - 3.78 - -

12 - - 3.78 -

13 - - - 3.42

Table 3. Composition of blast furnace slag

(Unit: % Weight) 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 coarse aggregates

Density (g/mm³) Absorption (%) Fineness modulus

2.60 0.70 6.8

유동성을 확보하였다 . 다공성 식생콘크리트의 비빔은 섬유의

혼입률이 증가하면 발생할 수 있는 섬유의 뭉침현상 (fiber

ball) 을 방지하기 위하여 섬유 투입 후 비빔시간을 3 분간 지

속하였으며 , 섬유의 투입도 섬유의 뭉침현상을 최대한 억제 하기 위하여 한꺼번에 섬유를 모두 투입하지 않고 , 골고루 천천히 조금씩 연속적으로 투입하였다 .

3. 실험방법

3.1 pH 시험

다공성 식생콘크리트에 pH 를 측정하기 위하여 KSM 0011 에 방법을 적용하였다 . 시험방법은 직경 100 mm, 높이

200 mm 원주형 공시체를 제작하여 28 일간 수중 양생 후

상부에서 60 ml 의 증류수를 산포하여 하부에 흘러나온 증류

수의 pH 를 측정하였다 .

3.2 공극량 측정

다공성 식생콘크리트의 공극률 시험은 직경 100 mm, 높

이 200 mm ^{인 원주형 시험체를 일본콘크리트 공업협회 에}

코콘크리트 연구위원회의 포러스콘크리트의 공극률 시험방법

( 안 ) 중 용적법에 준하여 실시하였으며 재령 28 일에 식 (1)

을 이용하여 산출하였다 .

(1)

여기서 , P

o

: 콘크리트 공극율 (%) W

1

: 공시체의 수중중량 (g) W

2

: 24 ^{시간 방치 후 기건중량} (g) V : 시험체의 용적 (m

³

)

3.3 압축강도

보강섬유의 종류 및 혼입률에 따른 압축강도 특성을 평가

하기 위하여 KS F 2405 에 따른 압축강도 시험을 실시하였

다 . 실험은 직경 100 mm, 높이 200 mm 의 공시체를 제작

한 후 24 시간 동안 23±2

^o

C, 상대습도 약 58% 에서 초기

양생을 실시한 후에 탈형하여 23±2

^o

C ^{의 물속에서} 28 ^{일 수}

중양생을 실시한 후 측정하였다 .

3.4 휨강도

다공성 식생콘크리트의 휨강도 특성을 평가하기 위하여

KS F 2408 에 따른 휨강도 시험을 실시하였다 . 휨강도 공시

체는 100 mm×100 mm×400 mm 의 각주형 공시체를 제작

한 후 24 시간 동안 23±2

^o

C, 상대습도 약 58% 에서 초기

양생을 실시한 후에 탈형하여 23±2

^o

C ^{의 물에서} 28 ^{일 수중}

양생을 실시한 후 측정하였다 .

3.5 내약품성

다공성 식생콘크리트의 내구성에 미치는 환경 중에 식물의 뿌리에서 용출되는 산과 보수성 충전물 및 오래된 뿌리의 부패에 의해 생성되는 유기산 환경에서 내구성 저하가 발생 할 우려가 있다 . 또한 본 연구에서는 목질계섬유인 펄프섬유 와 마섬유를 적용하고자 한다 . 일반적으로 PVA 및 나이론섬 유와 같은 합성섬유는 알칼리 환경에 우수한 것으로 알려져

있다 . 그러나 목질계 펄프섬유와 마섬유와 같은 천연섬유는 알칼리환경에 노출 시 알칼리 공극수에 의하여 섬유의 침해 가 촉진된다 . 이와 같은 현상은 콘크리트 모체로부터 생성된 수화생성물이 섬유내부나 콘크리트 모체와의 접촉면으로 이

동하여 축적되는 것을 의미한다 ( 원종필 등 , 2002). 따라서

알칼리 환경에 노출시 성능 검토가 필요하다 . 본 연구에 알 칼리 공극수에 의한 섬유의 침해 영향을 평가하기 위하여

ASTM C 1260 의 알카리 - 실리카 반응 시험에 적용하는 1N

NaOH 용액을 제조하여 다공성 식생콘크리트를 침지한 후

영향을 평가하였다 . 시험은 다공성 식생콘크리트를 28 일간

수중 양생 후 5% H

2

SO

4

용액과 1N NaOH 용액에 침지

후 식생콘크리트가 식물 및 식생토에 위해 덮여 있어 온도 가 급격히 높아지거나 낮아지는 효과가 크지 않다고 판단되

어 용액의 온도를 23±3

^o

C 로 유지한 후 잔류압축강도 시험

을 실시하였다 .

4. 실험결과

4.1 pH 값

다공성 식생콘크리트의 pH 특성에 미치는 보강섬유의 종 류 및 혼입률의 특성을 평가하였다 . 시험결과 다공성 식생콘

크리트의 pH 는 8~9 정도로 나타났다 (Fig. 2). 그러나 섬유

보강재의 종류 및 혼입률에 따른 영향은 없었다 . 이는 섬유 보강재의 경우 pH 에 영향을 미칠 수 있는 특성을 가지고 있지 않기 때문에 전체적인 다공성 식생콘크리트의 pH 에는 영향을 미치지 않은 것으로 보인다 . 그러나 pH 는 식물의 생 육에 영향을 미치고 물이 식생콘크리트 내에서 장기적 머물 러 있는 경우에는 식생콘크리트 내에 알칼리 공극수에 의하 여 보강섬유가 열화되는 현상이 발생할 수 있으며 , 이는 식 생콘크리트의 내구성에 영향을 미칠 수 있다 . 특히 본 연구 에서는 알칼리 공극수에 영향을 받을 수 있는 목질계 펄프 섬유와 마섬유를 적용함으로써 알칼리 공극수가 식생콘크리 트 내에 장기적으로 머물거나 온도의 상승이 발생하면 내구 성 감소에 큰 영향을 받을 가능성이 있다 . 따라서 장기적으 로 pH ^{를 중성에 가깝도록 유지하는 것이 필요하다} . ^콘크리

트는 pH 가 12~13 정도의 강알칼리성분으로 다공성 콘크리트

특히 식생콘크리트의 경우 pH 를 중성화하기 위한 방법으로 고로슬래그를 치환하는 방법이 가장 널리 적용된다 . 일반적 으로 고로슬래그의 치환율이 증가할수록 pH 값은 감소하여

중성에 가깝게 되는 것으로 알려져 있다 . pH 값이 중요한

인자가 되는 수중콘크리트의 경우 고로슬래그의 치환율이 증 가하면 pH 값이 고로슬래그 치환율에 비례하여 감소하는 경

향을 보여준다 ( 문한영 등 , 2000). 그러나 황토의 치환율은

다공성 식생콘크리트의 pH 값의 감소에는 큰 영향을 미치지

않는 것으로 알려져 있다 ( 김황희 등 , 2010). 반면 황토의 치

환율이 증가할수록 pH 값의 감소된다는 결과도 있으나 그 값은 크지 않은 것으로 보고하고 있다 ( 자연과환경 , 2006).

황토와 고로슬래그를 동시에 사용한 경우 고로슬래그의 치 환율에 의하여 pH 값은 영향을 받으며 황토의 영향은 크지 않은 것으로 보고하고 있다 . 본 연구에서는 고로슬래그의 치 환율과 황토의 사용량이 동일하기 때문에 pH 값의 변화는 크지 않아 거의 유사한 pH 값을 보여주었다 .

P

_o 1

^W

²–

^W

¹ --- 100

V ^×

–

=

4.2 공극률

다공성 식생콘크리트의 보강섬유의 종류 및 혼입률에 따른 공극률 시험결과는 Fig. 3 ^{과 같다} . ^{시험결과 섬유의 혼입률}

이 증가할수록 공극률은 증가하는 경향을 모든 섬유에서 나 타냈다 . 이와 같은 결과는 섬유의 혼입 특히 본 연구에서 적용한 친수성 섬유는 시멘트풀과 수소부착을 통하여 부착 력이 우수하고 , 시멘트풀이 함유하고 있는 수분을 흡착하는 효과가 있어서 다공성 식생콘크리트의 제작시 시멘트풀이 흘 러내리면서 공극을 채우는 효과를 억제하기 때문에 나타난 현상이다 . 또한 섬유의 종류에 따라서 공극률은 약간의 영향 을 받았는데 천연섬유인 마섬유와 펄프섬유를 사용하는 것 이 합성섬유인 PVA 및 나이론섬유를 적용하는 것보다 효과 적이었다 . 이와 같은 결과는 섬유의 길이와 관계가 있는 것 으로 보이며 천연섬유인 마섬유와 펄프섬유가 PVA 및 나이 론섬유 보다 길이가 짧기 때문에 공극을 가로 질러 채우는 섬유의 효과가 상대적으로 작은 것으로 보인다 . 특히 천연섬 유 내에서도 길이가 상대적으로 짧은 펄프섬유가 마섬유보 다 공극률이 약간 더 우수하게 나타났다 . 그러나 모든 섬유 의 혼입률에서 본 연구에서 목표로한 공극률 20% 이상은 만족하였다 .

4.3 압축강도

다공성 식생콘크리트는 공극률이 상대적으로 크기 때문에 압축강도가 현저히 저하되는 문제점을 가지고 있다 . 본 연구 에서는 다공성 식생콘크리트의 압축강도를 증가시키고자 보 강섬유를 첨가하였다 . ^{보강섬유의 혼입은 다공성 식생콘크리}

트의 파괴가 발생하는 주요 부분인 결합재료 ( 시멘트 + 황토 +

물 ) 와 굵은 골재사이의 계면강화에 따라 강도 증가가 가능하 다 . 또한 섬유의 가교효과를 통하여 계면에서 발생하는 균열 의 발생 및 성장을 억제함으로써 강도 증가의 효과를 기대 할 수 있다 . 보강섬유의 종류 및 혼입률에 따른 압축강도시

험결과는 Fig. 4 에 나타냈다 . 시험결과 다공성 식생콘크리트

에 보강섬유를 혼입하면 압축강도가 증가하는 것으로 나타 나고 있다 . 이와 같은 결과는 보강섬유의 종류에 관계없이 동일한 경향을 나타내었다 . 본 연구에서는 다공성 식생콘크 리트의 목표 압축강도를 10 MPa 이상으로 하였으며 모든 배합에서 목표강도를 만족하였다 . 섬유의 혼입에 따른 압축

강도는 섬유를 0.2% 를 혼입하였을 때 약 14 MPa 까지 증

가하였다 . 섬유의 혼입률에 따른 경향 역시 비슷하게 나타났

는데 섬유의 혼입률이 0.2% 까지는 압축강도가 증가하다가

0.3% 가 되면 압축강도가 감소하는 결과가 나타났다 . 이와 같 은 결과는 기존의 연구결과에서도 알 수 있듯이 섬유의 혼 입률이 증가하면 섬유의 뭉침현상 등에 의하여 압축강도가 감소할 수 있는데 본 연구에서 역시 섬유 뭉침현상을 억제 하기 위하여 배합시간과 섬유의 투입을 조절하였지만 섬유

의 혼입률이 0.3% ^{정도 되면 섬유의 뭉침현상으로 인해 강}

도의 감소가 발생한 것으로 보인다 .

4.4 휨강도

콘크리트에서 섬유보강재 혼입의 효과는 일반적으로 압축 강도 보다는 휨강도 증가에 영향을 미친다 . 특히 섬유보강 콘크리트의 경우 휨하중을 받을시 균열의 발생을 억제하는 한편 폭이 큰 균열보다는 폭이 작은 다수의 균열을 유도하 여 급격한 파괴를 방지하고 연성파괴를 유도하는 효과를 가 지고 있다 . 보강섬유의 종류 및 혼입률에 따른 다공성 식생 콘크리트의 휨강도시험결과는 Fig. 5 에 나타내었다 . 시험결 과가 섬유의 혼입률이 증가할수록 휨강도는 증가하였다 . 이 와 같은 이유는 보강섬유가 다공성 식생콘크리트의 파괴가 발생하는 주요 부분인 결합재료 ( 시멘트 + 황토 + 물 ) 와 굵은 골 재사이의 계면강화에 의한 것으로 보인다 . 또한 섬유의 가교 효과를 통하여 계면에서 발생하는 균열의 발생 및 성장을 억제하기 때문에 강도증가를 기대할 수 있다 . ^{보강섬유가 혼}

입된 다공성 식생콘크리트의 경우 휨강도는 약 3.89 MPa 까 지 증가하여 압축강도에 비하여 휨강도의 증가가 크게 나타 났다 . 그리고 압축강도와 다르게 휨강도는 섬유의 혼입률이 증가할수록 지속적으로 증가하는 것으로 나타났다 . 0.3% 에 서 가장 큰 휨강도를 보여주었는데 이는 섬유의 혼입률이

Fig. 2 pH value of porous concrete

Fig. 3 Void ratio of porous concrete

Fig. 4 Compressive strength of porous concrete

증가할수록 지속적으로 섬유의 가교작용을 통한 파괴에 대 한 저항성이 증가하기 때문으로 보인다 . 섬유의 종류에 따른 휨강도 특성을 살펴보면 천연섬유보다는 합성섬유를 적용하 였을 때 휨강도에 약간 더 큰 영향을 미치는 경향을 나타내 었다 . 일반적으로 합성섬유는 비친수성 재료가 많아 시멘트 풀과 부착력이 나쁜 단점을 가지고 있으나 본 연구에서 적 용한 PVA 섬유와 나이론섬유는 모두 친수성 섬유제품으로 시 멘트풀과 부착력이 우수하다는 장점을 가지고 있다 . 두 번째 로 휨성능에 영향을 미치는 섬유의 길이가 마섬유 및 펄프 섬유보다는 PVA 섬유 및 나이론섬유가 커 파괴에 대한 저항 성이 더 크기 때문에 보다 우수한 휨강도를 나타내는 것으 로 보인다 . 합성섬유 종류에 따른 영향을 보면 PVA 섬유가 나이론섬유 보다 더 우수한 휨강도를 나타내었다 이와 같은 결과는 섬유의 역학적 특성이 나이론섬유보다 PVA 섬유가 크 고 인장강도 및 탄성계수가 상대적으로 나이론섬유 보다 크 기 때문에 나타난 결과로 보인다 . 천연섬유인 마섬유와 펄프 섬유의 휨강도 특성을 살펴보면 거의 동일한 강도를 나타내 고 있다 . 이와 같은 결과는 섬유의 특성이 거의 유사하기

때문이다 .

4.5 강도특성과 공극률과의 관계

압축강도와 공극률사이의 관계는 Fig. 6 과 같다 . 일반적으 로 공극률이 증가하면 압축강도는 감소하는 결과를 나타낸 다 . 그러나 본 연구의 결과 섬유의 종류에 관계없이 섬유의

혼입률이 0.2% 까지는 압축강도가 증가하면서 공극률도 증가

하는 효과를 보였다 . 따라서 섬유의 혼입은 압축강도 및 공 극률의 증가에 효과적임을 알 수 있다 . 그러나 섬유의 혼입

률이 0.3% 가 되면 공극률은 증가하지만 압축강도는 감소하

는 결과를 보였다 . Fig. 7 은 공극률과 휨강도의 관계를 보여

준다 . 섬유혼입률이 증가할수록 공극률과 휨강도가 모두 증 가하는 것을 알 수 있다 . 이와 같은 결과로 보아 섬유의 혼 입은 압축강도 보다는 휨강도에 더 큰 효과가 있음을 보여 준다 . 이는 기존의 콘크리트의 연구결과에서도 알 수 있듯이 섬유의 혼입은 콘크리트의 압축강도보다는 휨성능의 증가에 효과적임을 알 수 있다 .

4.6 내약품성

보강섬유 종류 및 혼입률에 따른 다공성 식생콘크리트의 내약품성 특성을 평가하기 위하여 28 일간 수중 양생 후 5%

의 H

2

SO

4

용액과 1N NaOH 용액에 28 일간 침지 후 압축 강도를 측정하였다 . 시험결과는 Fig. 8~10 과 같다 . 다공성 식생콘크리트는 섬유의 혼입 및 혼입률에 관계없이 압축강 도가 약간씩 감소하였다 . 또한 산 및 알칼리 용액에 노출 후 일정한 경향으로 영향을 미치지는 않았다 . 또한 섬유의 혼입률이 증가에 따른 내약품성에 대한 영향도 일정한 경향 으로 나타나지 않았다 . 그러나 본 연구에서 알칼리 공극수의 침해로 인하여 열화가능성을 평가하고자 하였던 펄프섬유

0.1%, 0.2% 및 마섬유 0.1% 에서는 1N NaOH 용액 침지

Fig. 5 Flexural strength of porous concrete

Fig. 6 Relationship compressive strength and void ratio

후 강도감소가 5% H

2

SO

4

에서 보가 크게 나타났는데 이는 알칼리 용액에 침해가 부분적으로 발생하였기 때문으로 보

인다 . Fig. 10 의 잔류압축강도 시험결과를 보면 1N NaOH

용액에 노출 후 PVA 섬유와 나이론섬유를 혼입한 식생콘크 리트의 잔류압축강도는 약 90% ^{이상을 보여주어 큰 영향은}

없는 것으로 나타났으며 , ^{펄프 및 마섬유혼입 식생콘크리트}

는 80~90% 정도의 잔류 압축강도를 보여 알칼리용액에 합

성섬유보다는 영향을 받는 것으로 나타났다 . 그러나 섬유를 첨가하지 않은 배합과 비교하여 섬유를 첨가한 배합의 강도 감소가 크지 않은 것으로 나타났다 . ^{섬유를 첨가하지 않은} Fig. 7 Relationship flexural strength and void ratio

Fig. 8 Compressive strength with fiber volume fraction after chemical solution exposure

다공성 식생콘크리트에서 압축강도의 감소가 약 10% 발생 한 결과는 크지는 않지만 다공성 식생콘크리트 자체가 알칼 리 용액에 영향을 받는 것으로 볼 수 있다 . ^{이는 본 연구에}

서 알칼리 - 실리카반응에 사용되는 1N NaOH 용액을 적용하 였고 이 용액에 침지한 다공성 식생콘크리트 자체의 강도가 감소한 것으로 판단할 때 본 연구에서 적용한 굵은 골재의 알칼리 골재반응이 발생하였을 가능성도 있다고 판단되며 이

는 추후 검토할 필요가 있다 . 5% H

2

SO

4

용액에 침지후 잔

류압축강도 결과는 모든 섬유 및 섬유의 혼입률에서 대부분

약 80~90% 정도의 잔류 압축강도를 보여 유기산 등 산환

경에서는 다공성 식생콘크리트가 영향을 받은 것으로 나타 났다 . 그러나 섬유를 첨가하지 않은 배합과 비교하여 섬유를 첨가한 다공성 식생콘크리트의 강도 감소는 거의 나타나지 않고 있어 섬유의 첨가에 따른 산환경에 영향은 크지 않은 것으로 보인다 . 따라서 식생콘크리트의 산환경에서의 열화는 섬유 혼입에 관계없이 콘크리트 자체의 열화에 의한 영향이 더 큰 것으로 보인다 .

5. 결 론

본 연구는 다공성 식생콘크리트의 성능을 향상시키고자 섬 유보강의 효과를 평가하였다 . ^{이를 위하여 마섬유} , ^펄프섬유 , PVA 섬유 및 나이론섬유 등 4 가지 보강섬유와 섬유 혼입률

0.0%, 0.1%, 0.2% 및 0.3% 를 적용하여 다공성 식생콘크리

트의 물리·역학적 특성 및 내구성실험을 실시하였으며 , 실 험결과를 요약하면 다음과 같다 .

1. 보강섬유의 종류 및 혼입률은 다공성 식생콘크리트의 pH

값에 큰 영향을 미치지 못하였다 . 이와 같은 결과는 보강 섬유의 종류 및 혼입률은 pH 에 영향을 미치는 구성요소 를 가지고 있지 않기 때문이다 .

2. 보강섬유의 종류에 관계없이 혼입률이 증가할수록 공극률

Fig. 9 Compressive strength with fiber type after chemical solution exposure

Fig. 10 Residual compressive strength with fiber type after chemical solution exposure

은 증가하였다 . 이는 본 연구에서는 친수성섬유를 적용하였 고 친수성섬유는 수분의 흡착과 강한 수소결합을 통한 부착 력의 강화로 시멘트풀이 흘러내려 공극을 채우는 현상을 방 지하였기 때문이다 . 또한 섬유의 길이가 긴 PVA 섬유 , 나이 론섬유 보다는 길이가 짧은 마섬유 , 펄프섬유가 우수한 결과 를 보여주었다 . 이는 섬유의 길이가 길면 섬유가 공극부분으 로 침투하여 공극을 일부 채우는 현상이 발생하기 때문이다 . 3. 보강섬유의 종류에 관계없이 압축강도는 혼입률이 0.2% 까지 는 증가하였으나 0.3% 가 되면 섬유 뭉침현상이 발생하여 압 축강도가 약간씩 감소하는 결과를 나타내었다 . 또한 압축강 도의 향상은 섬유의 길이가 긴 PVA 섬유 및 나이론섬유가 길이가 짧은 마섬유 및 펄프섬유보다 우수하게 나타났다 . 4. 보강섬유의 종류에 관계없이 섬유의 혼입률이 증가하면 휨

강도는 증가하였고 , 펄프 및 마섬유 보다는 PVA 섬유 및 나이론섬유가 더 우수하였다 . 이와 같은 결과는 PVA 섬유와 나이론섬유가 섬유의 길이가 길어 다공성 식생콘크리트에 작용하는 응력의 전달이 보다 효과적임을 알 수 있다 .

5. 섬유의 종류에 상관없이 압축강도 및 공극률은 0.2% 까지

는 동시에 증가하나 섬유의 혼입률이 0.3% ^{가 되면 공극}

률은 증가하지만 압축강도는 감소하였다 . 그러나 휨강도와 공극률의 관계를 살펴보면 섬유의 혼입률이 증가할수록 공 극률과 휨강도가 모두 증가하는 경향을 나타내었다 . 그러

나 섬유 혼입률이 0.2% 에서 0.3% 로 증가에 따른 휨강도

의 증가는 크지 않았다 . 따라서 섬유의 혼입률은 0.2%

정도를 적용하는 것이 바림직하며 , 섬유의 길이가 긴 섬유 를 적용하는 것이 보다 효과적이라 할 수 있다 .

6. 1N NaOH ^용액과 5% H

2

SO

4

용액에 노출 후 압축강도의

차이는 섬유의 종류에 따라 약 80% 이상의 잔류강도를 나

타내어 용액 노출에 따른 영향을 받았으나 특별한 경향을 나타내지는 않았다 . 특히 1N NaOH 용액에는 천연섬유인 펄프섬유와 마섬유의 영향이 합성섬유보다 크게 나타났다 .

그러나 섬유를 혼입하지 않은 공시체의 경우보다 그 감소율 이 차이가 크지 않아 섬유의 첨가 및 혼입률에 따른 영향은 거의 없는 것으로 나타나 식생콘크리트 자체가 영향을 받고 있는 것으로 타났다 . ^{따라서 보강섬유의 첨가는 산 및 알칼}

리 환경에 노출된 다공성 식생콘크리트의 내구성 감소에 큰 영향이 없는 것으로 나타났다 .

상기와 같은 실험결과로 볼 때 섬유의 혼입률이 0.3% 정 도 되면 섬유 뭉침 현상이 발생하여 역학적 특성이 감소하

는 결과가 나타나 섬유의 혼입률은 0.2% 정도 까지 적용하

는 것이 효과적인 것으로 보인다 . 또한 강도특성의 향상을 위해서는 섬유의 길이가 긴 PVA 섬유 및 나이론섬유를 적용 하는 것이 효과적이지만 공극률은 길이가 짧은 마섬유 및 나이론섬유를 적용하는 것보다 효과적인 결과가 나타남으로 써 다공성 식생콘크리트의 강도 및 공극률을 고려하여 섬유 의 종류 및 혼입률을 결정하여야 할 것으로 보인다 . 또한 천연섬유보다는 합성섬유가 알칼리 환경에 노출시 효과적인 것으로 나타났다 .

감사의 글

본 연구는 환경부 ECO-STAR Project( 수생태복원사업단 )

의 지원으로 수행되었으며 , 이에 감사합니다 .

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