2.1 실험계획

본 연구에서 사용한 변수들의 배합상세는 Table 1과 같다. 물-바인더비(water to binder ratio, w/b)는 0.325, 0.200으로 설정하였으며, 결합재로는 제강슬래그 중 미분말 형태의 전기로 산화슬래그를 사용하였다. 다수의 연구자는 제강슬래그 미분말을 활용하여, 혼입률에 따른 콘크리트의 미세구조^{(Hong et al. 2019)}, 강도^{(Roslan et al. 2016)}, 내구성^{(Hong et al. 2021)}을 평가하였으며, 제강슬래그 미분말의 치환율이 15 % 이내에서는 강도저하, 내구성 저하 등의 열화가 크게 나타나지 않는 것으로 보고하고 있다. 이 연구결과들에 기반하여 본 연구에서는 제강슬래그 미분말의 치환율을 15 %로 적용하여 배합변수를 설정하였다. 또한, 콘크리트의 연성능력을 개선시키기 위해 후크형 강섬유를 0.75 % 혼입하였다. 추가로, 일반굵은골재를 바텀애시계 경량굵은골재로 100 % 치환하여 콘크리트의 경량화를 고려하였으며, 본 연구에서는 총 4 변수에 대한 실험을 수행하였다. Fig. 1은 변수명에 대한 설명이며, 제강슬래그 미분말의 치환율이 0 %인 Plain 변수는 NN으로, 제강슬래그 미분말이 15 % 혼입된 변수는 ES15로 명명하였다. 또한, 강섬유가 혼입된 경우에는 뒤에 SF를 추가하였으며, 일반굵은골재를 활용할 경우 NA, 경량굵은골재를 활용할 경우 LA로 표기하였다.

Fig. 1 Designations of test specimens

2.2 사용재료

Fig. 2는 본 연구에서 사용한 결합재와 골재의 입도 분포를 나타낸 것이다. 시멘트는 1종 보통 포틀랜드 시멘트로서 3,413 cm$^{2}$/g의 blaine을 가지며, 제강슬래그 미분말은 제강슬래그 골재를 볼밀(ball mill)에 넣어 분쇄함으로써 약 4,893 cm$^{2}$/g의 blaine을 확보하였다^{(Hong et al. 2020b)}. 경량골재는 국내에서 생산된 최대치수 20 mm의 분쇄형 바텀애시계 굵은골재로, 흡수율 및 절건밀도는 각각 1.76 g/cm3 및 6.1 %로 측정되었다^{(Hong et al. 2020a)}. 골재들의 입도 분포는 일반콘크리트^{(MOLIT 2021a)}와 경량골재 콘크리트^{(MOLIT 2021b)} 내 표준 입도 분포 범위를 모두 만족하였다. 본 연구에서 활용한 결합재 및 골재의 화학적 특성은 Table 2에 나타나 있으며, 강섬유의 물리적 특성은 Table 3과 같다. 본 연구에서는 목표슬럼프를 180±30 mm로 설정하였으며, 유동성 확보를 위해 폴리카르본산계 고성능감수제를 사용하였다. 한편 경량골재는 공극이 많아 수분을 흡수하는 성질이 강하여 콘크리트 배합 시 유동성을 손실시키며, 이는 동시에 고성능감수제의 사용량을 증가시킨다^{(Kim et al. 2020)}. 하지만 본 연구에서는 ^{Hong et al.(2020a)}이 제안한 경량콘크리트의 제조방법에 따라 배합을 수행하여 유동성의 손실을 최소화하였다. 먼저, 강재식 믹서를 활용하여 골재들을 건비빔하였으며, 경량골재 내부로 수분을 침투시키기 위해 배합수의 절반을 사용하여 5분 이상 혼합하였다. 이후, 결합재, 남은 배합수, 감수제 및 공개연행제를 혼입하여 경량골재 콘크리트를 제조하였다. 경량골재 콘크리트의 공기량은 5.5±1.5 %의 범위를 만족하였다^{(MOLIT 2021b)}.

Fig. 2 Size distribution of binders and aggregates

2.3 실험방법

콘크리트의 밀도는 ^{ASTM C567 (2020)}에 의거하여 측정하였다. 절건밀도에 대한 시험체는 타설 후 하루 뒤에 탈형하였으며, 이후 원주형 시험체의 수중질량을 측정하였다. 측정 후에는 시험체 표면의 수분을 제거하여 표면건조 포화상태의 시험체 질량을 측정하였고 그 후 3일동안 110±5 °C의 온도로 시험체를 건조시켰다. 식 (1)은 절건밀도의 계산식이다.

여기서, $O_{m}$은 절건밀도, $D$는 3일 건조 후의 시험체 질량, $F$는 표면건조 포화상태의 시험체 질량, $G$는 수중질량을 의미한다.

기건밀도를 평가하기 위해, 시험체는 7일간 표준양생을 진행하였다. 이후, 하루 동안 23±2 °C의 수조에 시험체를 침수시켰으며, 이후 시험체를 재령 28일까지 온도 23±2 °C, 상대습도 50±5 %의 조건에 노출시켰으며, 기건밀도는 식 (2)에 따라 산정하였다.

여기서, $E_{m}$은 기건밀도, $A$는 건조 후의 시험체 질량, $B$는 표면건조 포화상태의 시험체 질량, $C$는 수중질량을 의미한다.

콘크리트의 압축강도 및 휨강도는 각각 KS F 2405^{(KATS 2017)} 및 ^{ASTM C1609 (2020)}에 따라 측정하였다. 실험장비로는 최대 200 t 용량을 갖는 만능재료시험기를 사용하였으며, 재하속도는 각각 0.35 mm/min 및 0.20 mm/min으로 설정하였다. 6개의 원주형 시험체(직경 100 mm, 높이 200 mm)를 제작하여, 재령 7일에서 3개, 재령 28일에서 3개의 압축강도를 측정하였다. 휨 강도 시험체는 단면 100×100 mm$^{2}$, 길이 400 mm의 각주형으로 제작하였으며, 휨 강도는 28일 재령에서 측정하였다.

본 연구에서 콘크리트의 전기적 특성을 전기 비저항(electrical resistivity)과 차폐 효과를 통해 평가하였다. 시험체는 4개의 구리판(폭 20 mm, 길이 100 mm)을 60 mm 간격으로 매입하여 100 mm×100 mm×400 mm 크기로 제작하였다^{(You et al. 2017;Xue et al. 2021)}. 전기저항 측정 시 4-probe method를 활용하였으며, 편극효과(polarization effect)를 제어하기 위해 100 kHz 대역의 교류전류를 적용하였다^{(Hong et al. 2020b)}. 계획된 재령에서 측정한 전기저항을 활용하여 식 (3)과 같이 전기 비저항을 계산하였다.

여기서, $\rho$는 콘크리트의 비저항, $R$은 계획된 재령에서의 콘크리트 전기저항, $A$는 콘크리트와 구리판의 접촉면적, $L$은 구리판의 간격을 의미한다.

콘크리트의 차폐 효과를 평가하기 위해, 단면 300×300 mm$^{2}$ 및 두께 140 mm의 패널을 제작하여 벽체를 모사하였다^{(Choi et al. 2020)}. Fig. 3(a)는 시험체의 상세이며, 직경 10 mm의 철근 및 CFRP 보강근을 활용하여 100 mm 간격 및 2단으로 배근하였다. 실험은 Fig. 3(b)와 동일하게, 안테나의 중심과 시험체의 중심을 일치시킨 후 진행하였다. 본 연구에서는 측정 전 시험체를 3일 동안 60 °C로 건조시켰으며, 이후 0.4~ 1.4 GHz 범위에 대해 0.1 GHz 차폐 효과를 측정하였다. 측정결과는 소프트웨어에 차폐 효과로 나타났으며, 그 값은 식 (4)에 의해 도출되었다.

여기서, $SE$는 차폐 효과, $P_{t}$는 매질을 통과한 수신전력, $P_{i}$는 매질에 입사되는 수신전력을 의미한다.

Fig. 3 Details for measuring shielding effectiveness of concrete

3.1 밀도 분석

Fig. 4는 모든 변수의 밀도를 나타낸 것이다. Plain 변수인 NA-NN은 기건밀도가 2,197 kg/m$^{3}$으로 측정되었으며, 제강슬래그 미분말을 15 % 치환하여 혼입할 경우, 기건밀도는 2,323 kg/m$^{3}$으로 나타났다. LA-ES15는 본 연구에서 가장 작은 기건밀도 특성을 보였다. 이는 단위 바인더의 양이 증가하더라도, 일반굵은골재보다 밀도가 약 30 % 감소한 바텀애시계 경량굵은골재를 활용함으로써, 콘크리트의 경량화를 가능하게 한 것으로 판단된다^{(Hong et al. 2020a)}. 한편, 강섬유를 혼입한 경우, LA-ES15-SF는 LA-ES15에 비해 약 4.4 % 증가한 기건밀도가 나타났다. 특히, LA-ES15-SF는 섬유의 혼입으로 밀도가 증가하였음에도 불구하고 Plain 변수인 NA-NN보다 약 3.6 % 감소한 2,119 kg/m$^{3}$ 값이 나타났다.

Fig. 4 Test results of concrete density

절건밀도는 기건밀도와 경향이 유사하게 나타났지만, 모든 변수의 절건밀도 수치는 기건밀도에 비해 낮게 나타났다. NA-NN, NA-ES15의 절건밀도는 기건밀도에 비해 각각 93 kg/m$^{3}$, 90 kg/m$^{3}$ 감소하였다. 또한, 경량골재가 혼입된 LA-ES15와 LA-ES15-SF는 각각 62 kg/m$^{3}$, 84 kg/m$^{3}$ 감소한 것으로 나타났다. 한편, ^{ACI 318-19 (2019)}에서는 경량골재 콘크리트의 기건밀도를 2,160 kg/m$^{3}$ 이하로 제한하고 있다. 본 연구에서 LA-ES15 및 LA-ES15-SF의 기건밀도는 각각 2,029 kg/m$^{3}$, 2,119 kg/m$^{3}$로 측정되며, 경량골재 콘크리트에 속한다.

3.2 강도 분석

Fig. 5는 배합 변수에 대한 압축강도 실험결과이다. 초기 재령에서, NA-NN은 약 56 MPa의 압축강도를 발현하였다. 하지만 시멘트의 일부를 제강슬래그 미분말로 치환할 때, 강도의 저하가 나타났으며, NA-ES15는 NA-NN에 비해 약 8.6 % 감소한 값이 측정되었다. 이는 제강슬래그 미분말의 낮은 수경성(hydraulicity)에 기인한다^{(Hong et al. 2019;Lee et al. 2019)}. 실제로 제강슬래그 미분말을 치환하여 혼입한 경우, 시멘트의 사용량이 감소하게 되는데, 이는 수화반응의 지연을 유발하여 Ca(OH)2의 생성을 제한한다^{(Roslan et al. 2016)}. 이와 관련하여, 다수의 연구자들은^{(Hong et al. 2019, 2021;Lee et al. 2019)}은 XRD, MIP 분석 및 관입저항 시험을 통해, 제강슬래그 미분말의 혼입은 콘크리트의 수화반응을 지연시키는 것으로 보고하였다. 이러한 영향으로 인해 28일 재령에서 NA-ES15는 NA-NN에 비해 압축강도가 약 6.5 % 감소하였다. 한편, 다수의 연구자는 제강슬래그 미분말의 혼입률을 15 % 이내로 설정할 때 강도 저하가 크게 발생하지 않는 것으로 보고하고 있는데, 장기 재령에 도달할수록 NA-ES15는 NA-NN과 유사한 압축강도를 발현할 것으로 판단된다^{(Hong et al. 2019;Lee et al. 2019)}. 콘크리트의 경량화를 위해 고려한 변수인 LA-ES15의 경우, 낮은 w/b에도 불구하고 본 연구에서 활용한 모든 콘크리트 배합 변수에서 가장 낮은 압축강도가 나타났다. 이는 경량골재가 일반골재에 비해 밀도가 작고, 다량의 공극을 함유하고 있으며, 강도에 대한 저항성이 낮기 때문이다^{(Wongsa et al. 2016;Kim et al. 2020). Hong et al.(2020a)}에 의하면, 일반굵은골재를 경량굵은골재로 100 % 치환할 때 약 7 % 이상의 콘크리트 압축강도가 감소하는 것으로 보고되었으며, ^{Kim et al.(2020)}의 연구에서는 약 21 % 감소하는 것으로 나타났다. 한편, 강섬유의 혼입은 압축강도에 긍정적인 영향을 미치는 것으로 나타났다. 28일 재령에서, LA-ES15-SF의 압축강도는 LA-ES15에 비해 약 5.5 % 증가한 수치가 측정되었으며, LA-ES15-SF는 NA-ES15와 유사한 압축강도 특성이 나타났다.

Fig. 5 Test results of compressive strength at different ages

콘크리트의 휨 거동 특성 결과는 Fig. 6 및 Table 4에 나타나 있다. 섬유가 혼입되지 않은 시험체(NA-NN, NA-ES15, LA-ES15)는 하중의 증가에 따라 처짐이 증가하였으며, 취성 파괴를 보였다. NA-NN과 NA-ES15는 처짐이 0.050 mm 이상 발생한 반면에, LA-ES15는 처짐이 약 0.032 mm에 도달하자마자 시험체의 파괴가 나타났다. LA-ES15는 NA-NN과 NA- ES15에 비해 w/b가 매우 낮음에도 불구하고 경량골재의 취약한 하중 저항 특성에 의해 휨 성능이 저하된 것으로 판단된다. 일반골재와 달리, 경량골재는 외력에 의한 균열이 경량골재 내부를 관통하며, 이로 인해 LA-ES15는 NA-ES15에 비해 처짐뿐만 아니라 최대 하중도 감소하였다^{(Kim and Lee 2011)}. 한편, 강섬유가 보강된 LA-ES15-SF는 최대 하중에 도달한 이후에도 취성파괴가 발생하지 않았다. 즉, LA-ES15- SF는 첫 피크(peak) 하중까지 하중이 일정하게 증가하였으며, 첫 피크 하중 이후에는 경화(hardening) 거동을 보였다. Hardening 거동은 두 번째 피크 하중에 도달할 때까지 지속되었으며, 최대 하중 이후에는 연화(softening) 거동을 보이며 연성적인 거동이 나타났다. Table 4를 통해, 강섬유는 콘크리트의 최대 하중과 연성을 모두 개선시켰음을 알 수 있다. 한편, ^{C1609 (2020)}은 에너지 흡수 능력(energy absorption capacity)을 통해 콘크리트의 인성을 평가하는 방법을 제안하는데, 본 연구에서는 지간 길이(span length, L)를 300 mm로 설정하여 강섬유 보강 콘크리트(steel fiber reinforced concrete, SFRC)의 인성을 산출하였다. 식 (5)는 인성의 계산식이며, L/150에서의 LA-ES15-SF의 인성은 약 96.5 %로 도출되었다.

여기서, $T_{150}^{D}$는 L/150까지 하중-처짐 곡선의 면적, $f_{1}$은 콘크리트의 휨강도를 의미하며, $b$, $h$는 각각 시험체의 폭 및 높이를 의미한다.

Fig. 6 Load-deflection curve of concrete

3.3 전기 비저항 분석

Fig. 7은 콘크리트의 전기 비저항 특성을 나타낸 것이다. 모든 콘크리트 시험체는 재령이 증가함에 따라 전기 비저항이 증가하였으며, 재령이 길어질수록 증가폭이 더욱 상승하였다. 이러한 현상은 Plain 변수인 NA-NN에서 가장 두드러지게 나타났으며, 이는 콘크리트 내 공극수가 재령이 증가함에 소모되었기 때문으로 판단된다^{(Hong et al. 2020b)}. 한편 제강슬래그 미분말이 15 % 치환되었을 때, 전기 비저항이 감소하였다. 일반적으로 제강슬래그는 고강도 철근의 제조 시 발생하는 산업부산물로, 철 성분, 특히 Fe2O3를 다량 함유하고 있다. 제강슬래그 내 Fe2O3는 콘크리트의 전기 전도성을 향상시킬 수 있으며, 다수의 연구자는 제강슬래그 혼입에 따른 전기적 특성의 변화를 보고하였다^{(Baeza et al. 2018;Hong et al. 2020b)}. 이를 통해, 제강슬래그는 전도성 재료로서 콘크리트 매트릭스 내에 잘 분포되어 전도성 경로를 형성한 것으로 판단된다. 이에 따라, 28일 재령에서 NA-ES15는 NA-NN에 비해 전기 비저항이 약 22.38 % 감소하였다.

경량굵은골재 역시 콘크리트의 전기적 특성을 개선 시키는 것으로 나타났다. LA-ES15의 경우, 7일 재령 및 14일 재령에서의 전기 비저항은 유사하게 나타났으며, 재령이 증가함에 따라 비저항의 차이가 더욱 증가하였다. 이는 일반굵은골재와 경량굵은골재의 화학 구성성분의 함유량 차이가 원인으로 판단된다. 본 연구에서 사용한 경량골재는 바텀애시계로서, 실리카(silica), 알루미나(alumina), 철을 주요 성분으로 가진다^{(Ankur and Singh 2021)}. Table 2에 나타난 바와 같이, 경량굵은골재가 일반굵은골재에 비해 Fe2O3를 약 5.1 % 더 함유하고 있기 때문에 경량굵은골재는 일반굵은골재보다 콘크리트에 더욱 우수한 전기적 특성을 부여한 것으로 판단된다.

강섬유는 콘크리트의 전기 전도성을 향상시키는 재료로 잘 알려져 있다. 강섬유는 콘크리트 내에서 서로 교차되며 효과적인 전도성 경로를 형성한다^{(Zhang and Sun 2012)}. LA- ES15에 0.75 %의 강섬유를 혼입할 경우, 전기 비저항의 급격하게 감소하였다. 모든 재령에서, 섬유가 혼입되지 않은 변수들은 전기 비저항이 모두 약 12.6~29.0 Ω･m에 분포한 반면에, 섬유가 혼입된 LA-ES15-SF 모두 약 1.6~2.1 Ω･m 사이에 분포하였다.

Fig. 7 Test results of electrical resistivity at different ages

3.4 차폐 효과 분석

Fig. 8은 0.4~1.4 GHz 구간에 대하여 주파수에 대한 차폐 효과를 나타낸 것이다. 먼저, 철근을 100 mm 간격으로 배근한 시험체(-S series)에 대한 결과를 살펴보면, 섬유가 혼입되지 않은 시험체는 모두 유사한 차폐 효과를 보였다. NA-NN, NA-ES15, LA-ES15는 모두 차폐 효과가 약 4~17 dB 사이에 분포하였다. NA-ES15는 NA-NN에 비해 차폐 효과가 평균적으로 약 0.9 dB 향상되었다. 측정결과를 통해, 제강슬래그 미분말은 콘크리트의 차폐 효과를 미세하게 개선시키는 것으로 나타났으며, 이는 제강슬래그 내 금속 성분, 즉 Fe2O3와 Al2O3에 의한 영향으로 판단된다^{(Wanasinghe et al. 2020)}. ^{Wanasinghe et al. (2020)}은 금속 성분이 전자파의 손실을 유발하는 것으로 보고하였으며, ^{Wanasinghe et al. (2020)}의 연구에서는 Fe2O3가 전자파를 흡수하는 것으로 나타났다. 하지만, 제강슬래그는 전자파 차폐 성능을 향상하는데 효과적이지 않은 것으로 판단된다.

Fig. 8 Test results of shielding effectiveness of concrete

경량굵은골재의 혼입을 통해, LA-ES15는 NA-ES15에 비해 차폐 효과가 평균적으로 약 1.7 dB 향상되었으며, 1.0 GHz에서 최대 4.5 dB 증가하였다. 경량굵은골재도 Fe2O3및 Al2O3에 의해 콘크리트의 차폐 효과를 미세하게 개선시키는 것으로 나타났다. ^{Ozturk et al. (2018)}은 금속 성분이 전자파의 전파를 막는 것으로 보고하였으며, Table 2에 나타난 바와 같이, 본 연구에서 사용한 경량굵은골재는 일반굵은골재와 유사한 Al2O3 함량 및 1.12배 더 많은 Fe2O3를 함유하고 있다. 또한, 경량골재의 공극 특성도 차폐 효과 개선에 영향을 미친 것으로 판단된다. 경량골재는 내부에 공극이 다량으로 분포하여 전자파를 흡수하는 성질이 일반골재보다 우수하며, 이러한 특성이 LA-ES15의 차폐 효과를 향상시킨 것으로 판단된다^{(Baoyi et al. 2011)}.

경량골재 콘크리트가 강섬유로 보강될 경우, 모든 주파수 범위에 대해 최소 23 dB 이상씩 차폐 효과가 향상되었다. LA-ES15-SF는 LA-ES15에 비해 차폐 효과가 평균적으로 약 38.5 dB 증가하였다. 강섬유는 금속성을 띠는 재료로서, 전자분극(electronic polarization) 및 이온분극(ionic polarization)을 유발하여 전자파를 감쇠하기 때문이다^{(Fan et al. 2017)}. 즉, 강섬유는 콘크리트 내에서 서로 교차하여 전기 전도성을 향상시킴과 동시에 전자파의 흡수를 증가시키며, 이러한 특성으로 인해, 강섬유는 금속성 흡수재(metallic absorbent)로서 시멘트 복합체에 가장 많이 활용되고 있다^{(Zhang and Sun 2012;Fan et al. 2017)}. LA-ES15-SF는 1.2 GHz에서 최대 59.8 dB의 차폐 효과가 측정되며 우수한 전자파 차폐 거동을 보였다.

한편, CFRP 보강근은 전기 전도성을 띄며 철근과 유사한 전자파 차폐 거동을 하는 것으로 나타났다. 일반적으로 FRP 보강근은 비전도성이지만, CFRP 보강근은 탄소섬유가 포함되어 전도성이 증가하여 철근과 유사한 거동을 한 것으로 판단된다. 실제로, ^{Yoo et al. (2020)}은 탄소섬유 혼입에 의해 전기 전도성 및 차폐 효과가 향상된다 보고하였다. 이에 따라 NA-NN, NA-ES15 및 LA-ES15를 CFRP 보강근으로 보강한 시험체(-C series)는 -S series와 유사한 차폐 효과가 나타났다. 이를 통해, 기존의 철근을 CFRP 보강근으로 대체할 경우, 유사한 차폐 효과뿐만 아니라 구조물의 중량을 감소시킬 수 있을 것으로 판단된다.