2.1 사용재료

선행연구^{(Youn et al. 2020)}와 동일한 방법에 따라 강섬유 및 PE 합성섬유를 혼입하여 변형경화형 시멘트 복합체(hybrid fibers reinforced SHCC, Hy-SHCC)가 제조되었다. 보통 포틀랜드시멘트(1종), 규사 및 물을 혼입하여 굳지 않은 시멘트 복합체를 비빔한 후 시멘트 복합체 체적비 0.5 %(40 kg/㎥) 강섬유와 0.75 %(7.4 kg/㎥) PE 합성섬유를 혼입하였다. 전도물질인 MWCNT를 시멘트 중량비 1.0 wt% 혼입 여부에 따른 Hy-SHCC의 직접인장 및 압축특성, 반복 압축하에서 전기 저항 및 변형감지 특성을 평가하기 위하여 Table 1과 같이 물(W), 시멘트(C) 및 규사(S)의 배합조건으로 Hy-SHCC를 제조하였다.

1종 포틀랜드 시멘트, 직경 0.2~0.3 mm 범위의 규사, 고성능 감수제와 물을 혼입하여 비빔한 굳지 않은 시멘트 복합체에 Fig. 1과 같은 형상과 특성을 갖는 시멘트 복합체 보강용 단섬유로 강섬유와 PE 합성섬유가 사용되었다. Hy-SHCC의 전도성을 향상시키기 위하여 고농축 액상형 MWCNT(TNM8, Chengdu Organic Chemicals Co., Ltd., China)를 시멘트 질량비 1.0 % 혼입하였다. 사용된 고농축 액상형 MWCNT의 특성은 선행연구^{(Jang et al. 2020; Youn et al. 2020)}에 제시된 바와 같다.

Fig. 1 Reinforcing fibers for Hy-SHCC

2.2 Hy-SHCC 제조 및 시험체 제작

Hy-SHCC의 비빔 및 시험체 제작은 선행연구와 동일한 방식에 따랐다. Fig. 2에 나타난 바와 같이 먼저 시멘트와 규사와 같은 건재료를 1분 동안 모르타르 믹서를 사용하여 비빔하였다. 고농축 액상형 MWCNT는 비빔수와 혼합하여 건비빔 재료에 투입하고 3분간 비빔하고 PE 합성섬유 및 강섬유를 순서대로 투입하며 각각 3분간 비빔하였다. 추가로 1분 30초 동안 비빔 후 토출하여 덤벨형(dumbbell-shaped) 직접인장 및 입방형(cubic) 압축 시험체, 전기저항특성 평가를 위하여 정사각형 단면을 갖는 입방형 시험체를 각각 제작하였다.

Hy-SHCC의 압축특성을 평가하기 위하여 KS L 5105^{(KATS 2017)}에 준하여 50×50×50 ㎣ 크기의 입방형 시험체를 각 배합별로 3개씩 제작하였다. Hy-SHCC의 직접인장강도 특성을 평가하기 위하여 덤벨형 시험체가 제작되었으며 시험체의 형상 및 치수는 선행연구^{(Youn et al. 2020)}에서 사용된 시험체와 동일하다. Hy-SHCC의 반복 압축하에서 전기저항 및 변형 감지성능을 평가하기 위하여 제작된 압축 센서는 40× 40×80 ㎣ 크기의 사각기둥 형상으로 각 배합별로 3개씩 제작하였다.

압축 및 직접인장강도 평가를 위한 제작된 시험체는 타설 이후 24시간이 경과된 시점에서 탈형 하였고 이후 재령 28일 압축 및 인장시험 당일 전까지 습윤 양생하였다. 전기 저항특성 평가를 위한 입방형 센서는 탈형 후 재령 28일 시험 전날까지 기건 양생하였다.

Fig. 2 Mixing process of Hy-SHCC

2.3 시험방법

입방형 공시체의 압축시험은 수경성 시멘트 모르타르 압축강도 시험방법(KS L 5105)에 준하여 실시되었으며 입방형 공시체의 측면에 압축력의 도입 시 발생되는 수직 및 수평방향 변형을 측정하기 위하여 각 시험체에 각 방향으로 2개씩 총 4개의 콘크리트 게이지를 부착하였다.

Hy-SHCC에 MWCNT 혼입 여부에 따른 인장특성 평가를 위한 덤벨형 시험편에 대한 직접 인장시험은 기존 연구^{(Choi et al. 2012)}와 동일한 방법으로 실시하였다.

1 wt% MWCNT의 혼입에 따른 Hy-SHCC 센서 시험체의 반복 압축하에서 전기저항 및 변형 감지특성을 평가하기 위하여 Fig. 3과 같이 각 전극의 위치에 홈을 파낸 후 구리선을 감고 시험체와 구리선 사이의 공극을 채우기 위하여 실버페이스트(silver paste)를 도포하였다. 선행 연구결과^{(Youn et al. 2020)}에서 Hy-SHCC의 안정된 전기저항 측정방법으로 보고된 4단자(4-Probe)를 이용한 저항 측정방법이 적용되었다. 시험체 도입된 반복 압축하중은 28일 재령 압축강도의 10, 30 및 50 및 70 %인 4수준에서 9회 반복하는 재하이력을 적용하였다. 반복 압축하중의 도입시 시험체의 변형량을 측정하기 위하여 2개의 콘크리트 변형 게이지가 측면에 부착되었다.

Fig. 4는 Hy-SHCC 압축센서 시험체의 반복 압축하중 도입 및 4 단자 활용 전기 저항측정을 위한 장치의 설치상황을 나타낸 것이다. 압축센서 시험체에 반복 압축재하시 실시간으로 전기저항 측정장치(LCR meter)는 K사(E4980AL, Malaysia)를 이용하여 단자로부터 전기저항을 측정하였다. 전기저항은 1초에 1회씩 측정하여 반복압축력의 도입에 따른 압축 센서 내에서 전기 저항변화를 계측하고 이를 근거로 변형 감지능력을 평가하였다.

Fig. 3 Configuration of Hy-SHCC sensor

Fig. 4 Setup for loading and resistivity measurement

배합별로 제작된 3개 압축 센서 시험체의 전기적 저항특성을 평가하기 위하여 압축응력이 도입되지 않은 상태에서 15분 동안 측정된 저항의 평균값을 근거로 다음 식 (1)과 같이 정의되는 비저항(volume resistivity, ρ)을 재령에 따라 평가하였다.

여기서, $R$은 15분간 측정된 저항의 평균값, $A$는 압축 센서 시험체의 단면적(16 ㎠)이고 $L$은 전극 간 거리(3 cm)로 정의된다.

3.1 압축 특성

고농축 액상형 MWCNT의 1 wt% 혼입 여부에 따른 배합 별로 3개씩 제작된 Hy-SHCC 입방형 공시체의 압축응력-수직 및 수평 변형률 거동을 Fig. 5에 나타내었다.

물시멘트(w/c)비 0.3이고 강섬유와 PE 합성섬유로 보강된 변형경화형 시멘트 복합체(Hy-SHCC)의 재령 28일 평균압축강도($f_{cm}$)는 1 wt%의 고농축 MWCNT 혼입 여부에 따라 각각 30.9 MPa와 47.5 MPa로 MWCNT의 혼입됨에 따라 압축강도가 35 % 저하되는 것으로 나타났다. 섬유 혼입전 시멘트 복합체의 목표 플로우 300 mm 확보를 위하여 MWCNT가 혼입된 시멘트 복합체의 제조 시 고성능 감수제가 MWCNT를 혼입하지 않은 경우에 비하여 21 % 많은 4.55 % 혼입되었다 이에 따른 복합체 내 공기량 증가와 MWCNT의 혼입에 따른 부분적인 응집(agglomeration)에 따른 것으로 판단된다. PE 합성섬유 2 %가 혼입된 ECC(engineered cement composite)에서도 CNT의 혼입량이 증가됨에 따른 압축강도가 저하되는 경향을 보였다^{(Yang and Qian 2020)}. 또한 시멘트 모르타르에 1.0 % CNT 혼입시 압축강도가 다소 저하되는 것으로 보고되고 있다^{(Chaipanich et al. 2010; Camacho et al. 2014; Paul et al. 2018)}. 반면 0.1 % 혼입에 따라 압축강도는 6~15 % 범위에서 증가되는 것으로 보고되기도 하였다^{(Xu et al. 2015)}. 이상과 같이 CNT 혼입이 시멘트 복합체의 압축강도에 끼치는 영향은 연구자별로 다소 상이한 결과를 제시하고 있다.

Fig. 5 Compressive responses of cubic specimens

3.2 직접 인장특성

Fig. 6은 MWCNT의 혼입 여부에 따른 Hy-SHCC 덤벨형 직접 인장시험편의 인장응력-변형률 관계를 나타낸 것이다. Table 2는 배합별로 3개씩 제작된 Hy-SHCC 직접인장 시험체의 실험결과를 요약하여 나타낸 것이다.

Fig. 6 Tensile responses of Hy-SHCC specimens

직접인장 실험결과, MWCNT가 혼입되지 않은 Hy-SHCC (Hy-SHCC-WO MWCNT) 인장 시험체의 초기 인장균열 강도($\sigma_{cc}$)는 평균 3.37 MPa로 1 wt% MWCNT가 혼입된 배합(Hy-SHCC-W MWCNT)에 비하여 22.1 % 높게 나타났다. Hy-SHCC 배합별 압축강도의 영향을 고려하기 위하여 초기균열강도를 콘크리트 압축강도의 제곱근으로 무차화원화한 초기균열 인장강도($\sigma_{cc}/\sqrt{f_{cm}}$)은 두 Hy-SHCC 배합에서 약 0.49로 대등하게 나타났다. Hy-SHCC의 초기 인장균열 시 변형능력($\varepsilon_{cc}$)은 MWCNT 혼입에 따라 약 20 % 저하되는 것으로 나타났다. MWCNT가 혼입된 Hy-SHCC 인장 시험체의 평균 직접인장강도($\sigma_{pc}$)는 3.56 MPa로 MWCNT가 혼입되지 않은 배합에 비하여 약 40 % 낮게 나타났다. 무차원화된 인장강도($\sigma_{pc}/\sqrt{f_{cm}}$)에 있어서 Hy-SHCC-W MWCNT와 -WO MWCNT 배합에서 각각 0.64 및 0.72로 나타났다. 초기 균열 시 변형능력과 같이 인장강도 시 평균 변형능력($\varepsilon_{pc}$)은 각각 1.18 % 및 0.75 %로 나타나 1 % MWCNT 혼입은 Hy-SHCC의 인장강도 및 변형능력을 저하시키는 것으로 나타났다. 그러나 SHCC와 유사한 특성을 갖는 ECC에서 1.0 % 이내의 CNT의 혼입은 초기균열 및 인장강도를 증진시키는 경향을 보이나 변형능력은 감소되는 것으로 보고되고 있다^{(Liu et al. 2019; Yang and Qian 2020)}.

기존 연구에서는 ECC 시멘트 복합체에 혼입된 CNT는 직접 인장 하에서 시멘트 복합체의 미세균열을 가교하고 시멘트 복합체 내부 공극을 채우는 필러(filler)로 경화된 복합체의 밀도를 증가시키는 역할을 하며 또한 시멘트 복합체의 초기 수화반응을 촉진하여 인장강도를 향상시킨 것으로 보고하고 있다. 그러나 이 연구에서 MWCNT 혼입에 따라 Hy- SHCC의 균열 및 인장강도가 저하된 것은 시멘트 복합체 내 분산이 용이하도록 사용된 액상형 MWCNT가 Fig. 7과 같이 부분적으로 응집되어 시멘트 복합체내 결함부로 역할을 하고 있기 때문으로 판단된다.

Fig. 8은 MWCNT의 혼입 여부에 따른 직접인장 시험체의 전형적인 균열 진전과정을 비교하여 나타낸 것이다. 인장강도 발현 시 각 시험체에 발생된 평균 균열수는 MWCNT가 혼입 여부에 따라 각각 15.3개 및 20.3개로 MWCNT는 Hy-SHCC의 다수 균열분산에는 유리하기 작용하는 것으로 나타났다. PE 합성섬유로 보강된 ECC에서 CNT 혼입에 따른 균열분산 성능의 향상은 기존 연구^{(Yang and Qian 2020)}에서도 보고되고 있다.

Fig. 7 Microstructure of Hy-SHCC-W MWCNT

Fig. 8 Typical cracking procedure of Hy-SHCCdumbbell-shaped specimens

3.3 전기적 특성

Fig. 9는 MWCNT 혼입에 따른 Hy-SHCC의 전기 저항특성 변화를 평가하기 위하여 반복 압축변형 계측용 센서의 재령에 따라 15분간 측정된 평균 전기저항을 근거로 식 (1)에 의해 계산된 비저항(ρ)을 비교하여 나타낸 것이다.

Fig. 9 MWCNTs effect on electrical resistivity

Hy-SHCC에 1 wt% MWCNT의 혼입 시, 각 재령에 따른 전기 저항은 증가되는 경향을 보이고 있으며 3개 센서(Sensor \#1~3)에서 측정된 저항 값은 큰 편차를 보이지 않고 안정된 전기 저항특성을 보인다. 반면 MWCNT가 혼입되지 않은 Hy-SHCC 센서(Sensor \#4~6)의 전기저항 변화는 각 재령에서 큰 편차를 보인다. 이는 Hy-SHCC-WO MWCNT 센서에서 전도물질은 강섬유로 시멘트 복합체 내에서 섬유 분산이 상이하기 때문인 것으로 판단된다. 반면 Hy-SHCC-W MWCNT 센서 시험체에서 강섬유 이외에 MWCNT가 전도물질로 혼입되어 시멘트 복합체가 균질한 전도특성을 보유하고 있기 때문인 것으로 판단된다.

또한 재령에 따른 전기저항은 증가되는 특성을 보이고 있으며 특히 MWCNT를 혼입한 Hy-SHCC 센서에서 이러한 경향은 명확하게 나타났다. 이와 같이 MWCNT를 혼입한 시멘트 복합체에서 재령에 따른 전기저항의 선형적인 증가는 기존 연구^{(Sasmal et al. 2017; Youn et al. 2020; Cerro-Prada et al. 2021)}에서도 보고되고 있다. 이는 시멘트 복합체의 수화도(degree of hydration) 증가에 따라 모세관 기공의 연속성 감소, 미세구조의 변화 및 기공내에 존재하는 이온성 유체의 농도변화에 따른 것으로 보고되고 있다.

Fig. 10은 Hy-SHCC 각 배합별로 제작된 3개의 압축 센서 시험체에 대한 도입된 반복압축응력, 압축변형 및 저항의 분수변화(fractional change of resistivity, FCR)를 비교하여 나타낸 것이다. 반복압축응력은 배합별로 제작된 3개의 입방형 모르타르 표준 공시체의 평균압축강도를 근거로 10, 30, 50 및 70 % 수준의 압축응력을 9회씩 반복재하가 계획되었다. Fig. 10(a)에 나타난 바와 같이 MWCNT를 혼입하지 않은 Hy-SHCC 압축 센서 시험체는 압축강도 70 % 수준의 반복 압축 시까지 파괴되지 않았다. 이때 시험체 양측면에서 계측된 평균 압축 변형률은 압축강도의 30 %를 넘어서면서 잔류변형이 유발되었고 도입된 압축응력이 증가됨에 따라 이러한 경향은 현저하게 나타났다. 또한 압축센서 시험체별로 식 (2)에 준하여 산정된 FCR은 압축응력이 도입됨에 따라 감소되고 압축응력의 제하 시 증가되는 특성을 보였다.

Fig. 10 Compressive stress, strain and FCR curves of Hy-SHCC sensors

여기서, $\rho_{o}$및 $R_{o}$는 초기 비저항 및 저항, $\rho$및 $R$는 압축응력 작용 시 체적저항 및 저항을 나타낸다.

Fig. 10(b)은 Hy-SHCC에 1 wt% MWCNT를 혼입한 압축 센서에 대한 반복압축 시험결과를 나타낸 것이다. 이 연구에서는 시멘트 복합체내 분산이 용이하도록 액상형 MWCNT를 사용하였으나 Fig. 7에 나타난 바와 같이 시멘트 복합체 내에서 MWCNT의 일부가 응집되어 압축강도가 저하되는 현상을 보였다. 이러한 MWCNT 응집에 따라 MWCNT를 혼입한 Hy-SHCC 압축 센서는 압축강도의 50 % 반복재하 후 70 % 수준으로 증가되는 시점에서 파괴되는 경향을 보였다. 그러나 반복압축응력의 수준이 증가됨에 따라 잔류 압축 변형량은 상대적으로 MWCNT를 혼입하지 않은 압축 센서 시험체에 비하여 작게 나타났다. 반복압축응력 하에서 압축 센서의 FCR 변화는 3개 시험체에서 큰 편차를 보이지 않았다. 이는 Fig. 9에 나타난 바와 같이 MWCNT의 혼입에 따라 시멘트 복합체의 안정된 전기 전도성을 확보할 수 있었기 때문인 것으로 판단된다.

3.4 반복압축 변형 감지 특성

Fig. 11은 MWCNT를 혼입하지 않은 Hy-SHCC-WO MWCNT를 사용하여 제작된 압축센서(Sensor \#1)와 1 wt% MWCNT를 혼입한 Hy-SHCC-W MWCNT를 사용한 압축센서(Sensor \#6)에 대하여 압축강도의 10 %, 30 % 및 50 % 수준의 반복압축응력 하에서 압축 변형률과 저항의 분수 변화(FCR)을 비교하여 나타낸 것이다. 그림에 나타난 바와 같이 MWCNT를 혼입하지 않은 Hy-SHCC -WO MWCNT를 사용한 압축센서는 압축변형률이 증가됨에 따라 FCR이 증가되는 특성을 보여 일반적인 전기적 저항특성을 보이지 않고 있다^{(Han et al. 2012; Galao et al. 2014)}. 따라서 압축변형 감지센서로의 활용 가능성은 낮게 평가되고 있다. 반면 MWCNT가 1 wt% 혼입된 Hy- SHCC-W MWCNT로 제작된 압축센서는 Fig. 11(a)에 나타난 바와 같이 압축변형률이 증가됨에 따라 FCR이 감소되는 특성을 보이고 있다. 도입된 반복 압축응력이 10 %에서 50 %로 증가됨에 따라 게이지 상수(GF)는 다소 감소되어 변형률 감지 민감도는 다소 저하되는 것으로 나타났다. MWCNT가 혼입된 3개 압축센서중 Fig. 10(b)에서 전기적 저항특성이 불안정하게 나타난 센서(Sensor \#5)를 제외한 2개 센서(Sensor \#4와 \#6)의 평균 GF는 재하 압축응력이 압축강도의 10, 30 및 50 %에 이를 때 각각 25.6, 19.3, 11.3으로 재하 압축응력이 증가됨에 따라 감소되는 경향을 보이고 있다.

Fig. 12는 Hy-SHCC-W MWCNT를 사용하여 제작된 압축센서(Sensor \#4)의 반복 압축응력 수준 30 및 50 %에서 FCR과 압축변형률 관계를 나타낸 것이다. 전체적인 FCR-압축변형률 관계곡선의 개형은 Fig. 11(b)에 제시된 압축센서(Sensor \#6)와 유사하게 나타났다. Fig. 11(b) 및 Fig. 12에 나타난 바와 같이 MWCNT를 혼입한 압축센서에서 반복 압축응력 수준이 증가되고 반복 압축 사이클이 진행됨에 따라 센서 내부에서 새로운 미세균열 등의 발생에 따라 센서 내부에 혼입된 MWCNT와 같은 전기전도물질이 구성하는 네트워크가 단절 또는 손상되어 변형 감지능력이 저하되는 것으로 판단된다. 이와 유사한 특성은 탄소나노튜브와 비닐 에스테르(vinyl ester) 복합체^{(Ku-Herrera and Aviles 2012)} 및 섬유보강 복합체^{(Gao et al. 2009)}에서도 보고되고 있다.

Fig. 11(b) 및 Fig. 12에 나타난 바와 같이 센서에 따라 반복 압축응력에 따른 잔류저항은 다소 차이를 보이고 있으나 GF는 큰 차이를 보이지 않고 있으며 압축변형률이 압축강도시 평균 변형률 0.004(Fig. 5 참조)의 약 10 %(압축변형률 0.0004) 이상에 이르면 센서의 민감도는 현저하게 둔화되는 한계를 보였다.

Fig. 11 Self sensing properties of Hy-SHCC sensors

Fig. 12 Repeated compressive sensing properties of Hy-SHCC sensor (sensor \#4) with 1 wt% MWCNT