2.1 콘크리트 배합 및 제작

Table 1에 열에너지 저장 매체용 초고성능 콘크리트의 단위배합표를 나타내었다. 설계기준강도 120 MPa 및 180 MPa를 설정하였으며, 각각의 물-바인더 비는 0.22 및 0.18이다. 낮은 물-바인더비를 통해 수량을 감소시켜 공극의 감소 및 내구성 향상을 도모하였다. 또한, 낮은 물-바인더 비로 인한 재료 간의 교반 및 작업성 확보를 위하여 고성능 감수제를 적용하였다. 기본 바인더로써 보통 포틀랜드 시멘트를 설정하였으며, 콘크리트의 강도 증진을 위한 치밀한 조직이 될 수 있도록 지르코늄과 필러를 혼입하여 배합을 수행하였다.

보통 및 고강도 콘크리트와 달리 초고성능 콘크리트는 높은 역학적 특성 확보를 위해 강섬유를 포함한다. 강섬유는 높은 열전도도를 가지며, 강섬유 혼입률에 따라서 열에너지 저장 매체용 초고성능 콘크리트의 열적 성능을 좌우할 것으로 판단하였다. 이에 120 MPa 및 180 MPa 초고성능 콘크리트에서 강섬유를 부피비 1.0, 1.5 및 2.0 %의 혼입률로 설정하여 제작을 수행하였다. 사용된 강섬유는 밀도 7,500 kg/m3, 인장강도 2,500 MPa이며, 직경 0.2 mm, 길이 19.5 mm의 직선 형상을 적용하였으며, 그 형상을 Fig. 1(a)에 나타내었다.

한편, 초고성능 콘크리트는 보통 콘크리트보다 조직이 치밀하여 400 °C 이상의 고온에 노출되었을 시, 폭렬 현상(spalling failure)을 초래할 수 있다. 따라서, 폭렬을 최소화하기 위하여 폴리프로필렌 섬유(polypropylene fiber, PP fiber)를 콘크리트에 혼입하였다. 이때, 콘크리트의 성능 변화를 최소화하는 범위에서 폭렬을 효과적으로 방지할 수 있도록 단위배합당 2.0 kg/m3를 혼입하였다^{(John et al. 2011)}. PP 섬유는 직경 21 µm, 길이 12.7 mm, 인장강도는 400 MPa의 특성을 나타내는 것으로 적용하였으며, 그 형상을 Fig. 1(b)에 나타내었다.

재료실험을 위해 시편은 Φ100×200 mm의 원주형 공시체를 각 배합별로 제작하였다. 타설 시에 공시체 중심부를 기준으로 100 mm에 온도센서(thermocouple)의 측점이 위치하도록 매립하여 고온 노출로 인하여 변하는 콘크리트 내부의 온도를 실시간으로 측정하였다. 재료 배합 후, 타설된 공시체는 24시간 양생 이후 탈형 하였으며, 이후, 건조수축 방지와 초기강도 발현을 위하여 72시간에 걸쳐 90±5 °C에서 증기양생을 실시하였다. 증기양생이 완료된 시편은 재령 28일까지 기건양생을 수행하였다. 양생이 완료된 시편은 고온의 열사이클 적용 전과 후로 구분하여 재료실험을 실시하였으며, 열에너지 저장 매체로써 성능 평가를 수행하였다.

Fig. 1 Fiber appearance

2.2 열사이클 및 콘크리트 온도변화

태양열 에너지를 활용한 열에너지 저장 기술 메커니즘은 낮 시간대에는 태양으로부터 열을 집열하여 열저장 매체에 저장하고, 밤 시간대에는 저장된 열이 방열 되어 에너지를 사용하는 구조이다. 이에 열에너지의 전달로 나타나는 온도 상승 및 냉각의 반복적인 과정을 재현하기 위하여 열주기, 즉, 열사이클을 계획하였다. 열사이클 최대목표 온도는 400 °C로 설정하였으며, 태양열 에너지를 집열하여 사용되는 300~ 390 °C의 온도 범위를 만족할 수 있도록 하였다^{(Laing et al. 2009)}. 열사이클은 온도가 상승되는 가열단계, 온도가 일정하게 유지되는 유지단계, 온도가 하강하는 냉각단계 등 3단계로 구성된다. 가열단계에서는 최대목표 온도인 400 °C까지 콘크리트 시편을 2시간 동안 가열하고, 유지단계에서는 최대목표 온도인 400 °C에서 2시간 동안 온도를 일정하게 유지하고, 냉각단계에서 400 °C에서 상온까지 서서히 냉각되도록 설정하여 실험을 수행하였다. 이러한 열사이클을 소성로(furnace)에 프로그램하여 총 6회 실시하였으며, 시간에 따른 콘크리트 내부의 온도변화를 측정하였다.

Fig. 2에는 설정한 열사이클을 도시화한 그래프(Fig. 2(a))와 열사이클 적용 후 U120-S10 초고성능 콘크리트 내부의 시간에 따른 온도변화를 측정한 그래프(Fig. 2(b))를 나타내었다. 소성로에서 계획된 열사이클에 따라 원주형 콘크리트 시편을 가열하였다.

1회의 열사이클 적용 시 콘크리트 내부온도는 최대목표 온도까지 도달하지 못하며, 최대 369.7 °C를 나타낸다. 이는 소성로에서 공급하는 열에너지가 콘크리트 내부 수분 증발에 필요한 에너지로 사용되어 콘크리트 온도 상승을 억제하는 영향을 미친 것으로 판단된다. 반면에 2회의 열사이클 적용 이후부터는 온도 유지 구간에서 콘크리트의 온도가 약 220분에서 최대목표 온도인 400 °C에 도달하는 것으로 나타났다. 1회 열사이클로 인해 대부분의 수분이 증발하였기 때문에 온도 상승을 억제하는 효과가 미미하였을 것으로 추정되며, 목표하는 온도까지 도달하는 것으로 판단된다. 3회~6회 열사이클을 적용한 콘크리트 온도변화는 유사한 경향을 나타낸다.

열사이클 적용 전과 후의 초고성능 콘크리트의 표면에 대한 균열 및 변색 상태에 관하여 Fig. 3에 나타내었다. 대표적으로 U120-S10 시편의 사진이며, 열사이클 적용 전. 어두운 계열의 회색을 띠던 표면은 열사이클 적용 후에는 밝은 계열의 빨간색으로 변색되는 것을 정성적으로 확인하였다. 한편, 400 °C의 열사이클에 노출되었음에도 뚜렷한 균열 형상은 육안으로 관찰되지 않고 다수의 공극이 관찰되었다. 이 공극은 PP 섬유의 융해로 형성되어 고온으로 인해 상승되는 내부압을 외부로 배출시키는 통로 역할을 함으로써 폭렬을 억제한 것으로 판단된다.

Fig. 2 Thermal cycling curve

Fig. 3 Visual inspection of surface

3.1 단위중량

콘크리트의 단위중량은 열용량에 중요한 인자이며 콘크리트의 단위중량이 클수록 열에너지 저장 성능에 효과적이다^{(Sarbu and Sebarchievici 2018)}. 따라서, 콘크리트의 열에너지 저장 성능을 판정하기 위해서는 콘크리트의 단위중량에 관한 정보가 필요하다. 열사이클 적용 전과 매회 열사이클 적용 후의 단위중량을 측정하였으며, 신뢰도 확보를 위해 3회 측정을 실시하여 평균값을 채택한 결과를 Fig. 4에 나타내었다.

1회의 열사이클 적용 이후의 초고성능 콘크리트의 단위중량은 급격한 감소를 나타내었다. 단위중량 감소에 가장 큰 영향을 주는 요소는 자유수와 흡착수의 증발이며, 100~200 °C의 범위에서 증발한다^{(Wakili et al. 2015)}. 본 연구에서 적용한 열사이클은 100~200 °C를 훨씬 상회하는 수준으로 대부분의 자유수와 흡착수는 1회의 열사이클 적용에서 증발한다. 이로 인해 총 6회의 열사이클 적용 단계 중에서 1회 열사이클 적용 후의 단위중량 감소가 가장 큰 값을 나타내고 있는 것으로 판단된다.

2회의 열사이클 적용 후에 단위중량은 미미하게 감소하고, 3회 열사이클 적용 후부터 콘크리트 시편의 단위중량은 거의 일정하게 유지되었다. 이러한 실험 결과는 초고성능 콘크리트의 반복적인 고온 노출에 대한 물리적 안정성에 도달했음을 의미한다.

Fig. 5는 열사이클 적용 전의 초기 상태와 6회 적용 후, 초고성능 콘크리트의 단위중량 측정 결과를 강섬유 혼입률에 따라 나타내었다. 강섬유 혼입률이 1.0 %에서 2.0 %로 증가할수록 U120 및 U180 시리즈 시편의 단위중량은 증가하는 경향을 나타냈으며, 이는 콘크리트 매트릭스에 비해 더 큰 단위중량을 갖는 강섬유의 영향으로 판단된다.

한편, U120 시리즈의 경우 강섬유 혼입률이 1.0, 1.5 및 2.0 % 일 때, 열사이클 적용 전에 비해 6회 적용 후에 단위중량은 각각 7.7, 7.3 및 7.2 % 감소하고, U180 시리즈의 경우, 단위중량은 각각 6.8, 6.7 및 6.5 % 감소한다. 강섬유 혼입률이 증가할수록 열사이클 적용 전 대비 적용 후의 단위중량 감소율은 감소하였으며, 강섬유는 열사이클에 영향을 받아도 단위중량 변화에 미치는 영향이 적은 것을 의미한다. 즉, 잔류 특성을 더욱 보존할 수 있으며, 열에너지를 저장하는 데 유리하게 작용할 것으로 판단된다. 또한, 동일한 횟수의 열사이클을 적용한 상태에서 U180 시리즈 시편의 단위중량이 U120 시리즈 시편의 단위중량보다 다소 크지만, 그 차이는 매우 근소하다.

Fig. 4 Unit weight results according to thermal cycles

Fig. 5 Unit weight result at various steel fiber contents

3.2 압축강도 및 쪼갬인장강도

내구성에 전반적으로 영향을 미치는 강도 특성은 열에너지 저장 매체용 초고성능 콘크리트에서 필수적으로 검증해야 할 인자이다. 콘크리트가 고온의 열사이클에 반복적으로 노출될 경우, 통상적으로 강도 성능이 저하되어 원활한 성능 발현을 할 수 없다^{(Husem 2006)}. 그러나, 열에너지 저장 매체 역할을 수행하기에 충분한 강도 수준을 나타내고 반복적인 고온에 대해 내구성이 확보된다면 활용할 가능성을 제시할 수 있다.

열사이클 적용 전과 6회 열사이클 적용 후, 초고성능 콘크리트의 압축강도를 측정하였으며, 3회 측정을 바탕으로 평균값을 채택한 결과를 Fig. 6(a)에 나타내었다. U120 시리즈 시편의 강섬유 혼입률 1.0, 1.5 및 2.0 %에서 압축강도는 열사이클 적용 전에 각각 122.8, 138.7 및 145.3 MPa이고, 6회 열사이클 적용 후에는 각각 111.0, 126.5 및 133.4 MPa로 나타났다. 또한, U180 시리즈 시편의 강섬유 혼입률 1.0, 1.5 및 2.0 %에서 압축강도는 열사이클 적용 전에 각각 221.7, 231.1 및 235.4 MPa, 6회 열사이클 적용 후에는 각각 187.3, 188.6 및 193.3 MPa이다. 강섬유 혼입률이 증가할수록 압축강도는 증가하며, 이는 강섬유 혼입률이 증가할수록 강섬유와 매트릭스 사이의 응력을 분산시키는 역할을 하여 균열 형성 및 전파가 지연되는 효과를 주는 것으로 판단된다^{(Ren et al. 2018)}. 따라서, 강섬유 혼입률의 증가는 압축강도 증진에 효과적인 것을 나타낸다.

또한, 강섬유 혼입률이 1.0, 1.5 및 2.0 % 일 때, U120 시리즈 시편의 열사이클 적용 전보다 6회 적용 후의 압축강도 감소율은 각각 9.6, 8.8 및 8.2 %이고, U180 시리즈 시편의 압축강도 감소율은 각각 15.5, 18.4 및 17.9 %이다. U180 시리즈 시편의 압축강도 감소율이 U120 시리즈 시편보다 약 2배 정도 많이 감소한다. 그러나, 고온의 열사이클 노출 후에 U180 시리즈의 압축강도가 U120 시리즈의 압축강도를 상회하는 결과를 나타낸다. 열에너지 저장 매체 관점에서 열사이클 노출 후의 압축강도 감소율이 U180 시리즈가 클지라도 실질적인 압축강도는 U120 시리즈보다 크므로 저장 매체로써 더욱 효과적인 재료인 것으로 판단된다.

콘크리트는 고온의 열을 받게 되면 내부에 열응력이 발생한다. 열응력은 내부와 외부의 온도 차이로 인한 부등의 체적변화로 발생되며, 콘크리트의 인장응력을 유발한다. 콘크리트가 지속해서 열응력을 수용하게 되어 허용인장응력을 초과하면 균열, 박리 및 탈락 등과 같은 손상을 받을 수 있다. 따라서, 열에너지 저장 매체용 초고성능 콘크리트는 열인장응력에 저항할 수 있어야 한다. 이에 따라 본 연구에서는 초고성능 콘크리트의 쪼갬인장강도 실험을 수행하였으며, 3회 측정을 바탕으로 한 평균 결과를 Fig 6(b)에 나타내었다.

강섬유 혼입률 1.0, 1.5 및 2.0 %일 때, 쪼갬인장강도는 U120 시리즈 시편의 열사이클 적용 전에 각각 9.8, 11.7 및 12.4 MPa, 6회 열사이클 적용 후에는 각각 8.9, 10.7 및 11.4 MPa이다. U180 시리즈 시편에서는 열사이클 적용 전에 각각 11.2, 14.7 및 17.4 MPa, 6회 열사이클 적용 후에는 각각 10.3, 12.8 및 13.8 MPa이다. 또한, 열사이클 적용 전보다 6회 열사이클 적용 후의 초고성능 콘크리트의 쪼갬인장강도 감소율은 강섬유 혼입률 1.0, 1.5 및 2.0 %에서 U120 시리즈 시편은 각각 9.3, 8.1 및 8.1 %, U180 시리즈 시편은 8.0, 12.9 및 20.7 %이다.

압축강도 경향과 유사하게 열사이클 적용 전과 후에 강섬유 혼입률이 증가할수록 쪼갬인장강도는 증진되는 경향을 나타냈다. 강섬유는 취성거동을 하는 콘크리트의 단점을 보완하고, 뛰어난 인성과 연성, 우수한 균열제어 능력을 보유한다^{(Leutbecher and Fehling 2012)}. 이러한 특성의 영향으로 강섬유 혼입률의 증가는 가교하는 강섬유 개수가 증가하는 것을 의미하며, 쪼갬인장강도 향상에 영향을 미친 것으로 판단된다.

한편, 쪼갬인장강도 감소율에서 U120 시리즈 시편이 상대적으로 U180 시리즈 시편보다 낮은 결과를 나타냈으며, 반복적인 고온 노출에 대한 영향이 상대적으로 적은 것으로 나타났다. 그러나, 열사이클 적용 후의 쪼갬인장강도는 U180 시리즈 시편에서 10.3~13.8 MPa이며, U120 시리즈 시편의 8.9~12.4 MPa에 비하여 높은 수준을 나타낸다. 이러한 실험 결과는 비록 반복적인 고온 노출 조건에서 U180 시리즈의 쪼갬인장강도 감소율이 U120 시리즈의 쪼갬인장강도 감소율보다 클지라도, 고온 열사이클 적용 후의 U180 시리즈의 잔류 쪼갬인장강도가 크므로 열에너지 저장 매체로써 열응력에 의한 영향에서 더욱 우수한 성능을 나타낼 수 있다.

Fig. 6 Strength test results

3.3 열전도도 및 비열

열전도도는 콘크리트의 축열 및 방열의 열전달 성능에 직접적인 영향을 주는 매우 중요한 역할을 한다^{(Demirboğa 2007)}. 따라서, 열전도도가 높을수록 열전달 성능은 향상될 것이며^{(Bentz et al. 2011)}, 최종적으로 초고성능 콘크리트의 향상된 축열 성능을 확보할 것으로 기대된다.

Fig. 7에 나타낸 열전도도 측정 장비(TPS 1500, Hot Disk Ltd., Sweden)를 이용하여 열사이클 적용 전과 매회 열사이클 이후의 콘크리트 열전도도를 측정하였다^{(Gustafsson 1991; Log and Gustafsson 1995)}. 열전도도는 재료 동질성을 확보하기 위해 초고성능 콘크리트로 제작된 원주형 공시체의 중앙면을 절단하여 두 개의 시편을 설정하고 두 시편의 접촉하는 면의 평탄성을 확보한 후, 시편 사이에 열측정 센서를 삽입하여 측정하였다. 열측정 센서는 니켈 성분의 이중 나선으로 구성되며, 이를 통해 시편에 열파(heating pulse)를 공급한다. 측정 조건으로 시편을 실험실의 상온 조건에서 약 90분 동안 열평형을 유지한 후, 0.3 W 전원으로 열파를 공급하여 열전도도를 측정하였다. 각 시편에 대해 3회의 측정을 수행하여 평균값을 산정함으로써 실험 결과의 정밀도를 확보하고자 하였다.

Fig. 8(a)에 나타낸 바와 같이 1회 열사이클 적용 후에 초고성능 콘크리트의 열전도도는 급격한 감소를 나타냈다. 고온의 열사이클은 콘크리트 내부에 존재하는 수분의 증발을 촉진시킨다. 이로 인해 형성된 공극은 공기의 특성을 나타낸다. 공기는 고체 재료보다 낮은 열전도도 값을 나타내며, 열사이클로 인해 다량 형성된 공극은 결국 콘크리트의 전체적인 열전도도 감소를 유발하는 요소로 작용된 것으로 판단된다. 이 경향은 U120 및 U180 시리즈 시편 모두 동일하게 나타났다. 이후, 3회 열사이클 적용부터 열사이클 횟수가 증가하여도 뚜렷한 증감없이 일정하게 유지되었다. 이는 1회 및 2회 열사이클에서 콘크리트 내에 존재하는 대부분의 수분이 증발되었으며, 3회 이후부터의 열사이클은 열전도도 감소에 미치는 영향이 미미해지는 것으로 판단된다.

강섬유 혼입률이 1.0 %에서 2.0 %로 증가할수록 초고성능 콘크리트의 열전도도는 증가한다(Fig. 8(b)). 강섬유가 갖는 높은 열전도도 성능은 초고성능 콘크리트의 열전도도 성능 향상을 도모하는 요소로 작용한다. 또한, 강섬유 혼입률 1.0, 1.5 및 2.0 %일 때, U120 시리즈 시편의 열사이클 적용 전의 열전도도는 각각 2.010, 2.044 및 2.087 W/m･K이고, U180 시리즈 시편의 열전도도는 각각 2,544. 2.578 및 2.682 W/m･K이다. U180 시리즈 시편의 열전도도는 U120 시리즈 시편에 비해 강섬유 혼입률이 1.0, 1.5 및 2.0 %일 때 각각 26.6, 26.1 및 28.5 % 증가하는 결과를 나타냈다. 6회 열사이클을 적용한 후의 U120 시리즈 시편의 열전도도는 각각 1.435, 1.512 및 1.495 W/m･K이고, U180 시리즈 시편의 열전도도는 각각 2.034, 2.108 및 2.143 W/m･K로 측정되었다. 강섬유 혼입률이 1.0, 1.5 및 2.0 %일 때 열사이클 적용 후의 U180 시리즈 시편의 열전도도는 U120 시리즈 시편의 열전도도보다 각각 41.7, 39.4 및 43.3 % 확연히 증가하였다.

따라서, 동일한 강섬유 혼입률에서 U180 시리즈는 U120 시리즈보다 열사이클 적용 전과 후에 높은 열전도도 특성을 보유하며, 높은 수준의 강도 발현을 위해 더욱 치밀한 매트릭스 구조를 갖는 초고성능 콘크리트 특성에 기인한다. 특히, U180 시리즈는 U120 시리즈보다 열사이클 적용 후의 열전도도 성능 확보에 매우 유리한 조건인 것으로 판단된다.

비열은 값이 클수록 열을 흡수하는 본질적인 능력, 즉, 열용량 성능 증진과 상응한다. 1회 열사이클 적용 후에 U120 및 U180 시리즈의 초고성능 콘크리트 비열은 급격한 감소를 나타냈다(Fig. 9(a)). 열사이클 적용으로 인해 감소되는 비열은 콘크리트 내에 존재하는 수분의 증발과 연관된다. 액체인 물은 비열 약 4,200 J/kg･K의 값을 나타내며, 기체인 공기의 비열은 약 1,000 J/kg･K이다. 고온의 열사이클로 인해 초고성능 콘크리트 내부에 존재하는 수분은 기화하며, 결과적으로 비열 감소에 영향을 주는 것으로 판단된다. 이후, 열사이클 2회 적용부터는 열사이클 횟수가 증가함에 따라 뚜렷한 증감없이 대체로 일정한 결과를 나타낸다. 이는 1회 열사이클에서 초고성능 콘크리트 내에 존재하는 대부분의 수분이 증발되었으며, 2회 이후부터의 열사이클은 비열 감소에 미치는 영향이 미미해지는 것으로 판단된다.

Fig. 9(b)에서 강섬유 혼입률 1.0, 1.5 및 2.0 %일 때, 열사이클 적용 전의 비열은 U120 시리즈 시편에서 각각 926, 883 및 838 J/kg･K이고, U180 시리즈 시편에서 각각 936, 940 및 865 J/kg･K이다. 또한, 강섬유 혼입률 1.0, 1.5 및 2.0 %일 때, 6회 열사이클 적용 후의 U120 시리즈 시편의 비열은 각각 751, 690 및 658 J/kg･K이고, U180 시리즈 시편의 비열은 각각 699, 623 및 593 J/kg･K이다. 이러한 실험 결과는 U120 및 U180 시리즈의 초고성능 콘크리트 모두 강섬유 혼입률이 증가할수록 비열은 감소하는 경향을 나타냈다.

^{Alva et al. (2017)}의 연구 결과에 따르면, 콘크리트의 비열은 약 850 J/kg･K, 강섬유의 비열은 약 500 J/kg･K으로 제시하고 있다. 콘크리트에 비해 강섬유의 비열이 상대적으로 낮은 것에 따라 초고성능 콘크리트에 강섬유 혼입은 콘크리트의 비열을 감소시킬 수 있음을 의미한다.

또한, 동일한 강섬유 혼입률에서 열사이클 적용 전의 비열은 U180 시리즈의 초고성능 콘크리트가 U120 시리즈의 초고성능 콘크리트보다 높은 결과를 나타낸다. 그러나, 열사이클 적용 후의 비열은 U180 시리즈 초고성능 콘크리트가 U120 시리즈 초고성능 콘크리트보다 낮은 결과를 보여준다. 따라서, U180 시리즈는 고온 노출에서 비열 성능을 확보하기에 다소 어려움이 있을 것으로 판단된다.

Fig. 7 Thermal conductivity measurement system

Fig. 8 Comparison of thermal conductivity results

Fig. 9 Comparison of specific heat results

4.1 주사전자현미경 분석(SEM)

열사이클 적용 여부에 따른 초고성능 콘크리트의 미세구조를 분석하기 위하여 주사전자현미경(scanning electron microscope, SEM) 촬영을 수행하였으며, U120 시리즈의 결과를 Fig. 10에 나타내고, U180 시리즈의 결과를 Fig. 11에 나타내었다.

고온의 열사이클 적용 후, U120 및 U180 시리즈 초고성능 콘크리트 모두 PP 섬유가 융해된 것이 관찰되었으며, 융해된 위치에는 PP 섬유 잔여물이 남아있는 것을 확인하였다. PP 섬유가 위치하는 곳은 고온의 열사이클 노출로 인해 기공으로 전환되며, 내부와 외부를 잇는 통로 역할로 진전되게 된다. 이 통로는 열린 기공이 되므로 콘크리트 내에 존재하는 수분이 증발하여 이동할 수 있는 조건을 형성하며, 고온으로 인해 상변화하여 팽창하는 수증기의 내부압을 완화시킨다. 결과적으로 콘크리트의 폭렬을 억제하는 효과를 부여하지만 동시에 공극 및 균열 개수를 증가시킴으로써 성능 저하를 유발하는 요인으로도 작용하게 된다.

한편, 강섬유 혼입률이 증가할수록 SEM 이미지에서 관찰되는 강섬유의 수는 뚜렷한 차이를 나타내지 않았다. SEM 이미지 촬영을 위한 시편의 크기 한계로 인해 강섬유의 분포를 파악하기에는 다소 무리가 있는 것으로 판단된다. 또한, 동일한 배합을 기준으로 강섬유 혼입률만이 변수로 사용되었기 때문에 수화물 상태에는 강섬유 혼입률 1.0, 1.5 및 2.0 % 간의 뚜렷한 차이가 나타나지 않았다.

본 연구에서 적용된 열사이클은 400 °C의 고온이며, 이 온도 영역은 수화생성물의 분해를 유발할 수 있다^{(Zhai et al. 2014)}. 대표적으로 수산화칼슘의 분해로 인한 화학적 결합수의 탈수이며, 공극 구조의 변화를 야기한다. 따라서, 열사이클 적용 후에는 U120 및 U180 시리즈 초고성능 콘크리트에서 공극의 수가 증가하는 것이 정성적으로 관찰되었다.

Fig. 10 SEM image results of U120 series

Fig. 11 SEM image results of U180 series

4.2 열중량 분석(TGA)

고온에 노출된 콘크리트는 수화생성물의 변화를 야기시키며, 역학적 및 열적 특성을 저하시키는 요인으로 작용한다. 이에 본 연구에서 설정한 열사이클 적용에 따른 콘크리트의 수화생성물 변화 특성을 파악하기 위하여 최대온도 1,000 °C, 승온 속도 10 °C/min의 조건으로 열중량 분석(thermal gravity analysis, TGA) 분석을 수행하였다. 대표적으로 열사이클 적용 전과 6회 열사이클 적용 후, U120 시리즈 초고성능 콘크리트의 TGA 측정 그래프를 Fig. 12 및 Fig. 13에 도식화하였으며, U120 및 U180 시리즈 초고성능 콘크리트의 TGA 온도 구간별 중량 감소와 총중량감소 결과를 Table 2에 나타내었다.

U120 시리즈 시편의 강섬유 혼입률 1.0, 1.5 및 2.0 %에서 열사이클 적용 전의 실험군은 0~150 °C 온도 구간에서 각각 7.60, 7.01 및 6.53 %의 급격한 중량 감소를 나타낸다. 이는 0~150 °C 온도 구간은 표면수 및 모세관수 증발에 의한 중량 감소가 주된 이유이다. 반면에 U120 시리즈 시편의 강섬유 혼입률 1.0, 1.5 및 2.0 %에서 열사이클 적용 후의 실험군은 0~150 °C 온도 구간에서 각각 1.13, 1.21 및 1.14 %로 측정되었으며, 다소 낮은 중량 감소를 나타낸다. 고온의 열사이클로 인해 수분 증발이 선행되었기 때문에 나타나는 결과로 판단된다.

다음의 온도 구간인 350~450 °C에서는 수화생성물인 수산화칼슘의 탈수가 이루어지며, U120 시리즈 시편의 강섬유 혼입률 1.0, 1.5 및 2.0 %에서 열사이클 적용 전의 실험군은 각각 1.21, 1.97 및 1.05 %, 열사이클 적용 후의 실험군은 각각 0.49, 0.48 및 0.43 %의 중량 감소를 나타내었다. 중량 감소율이 낮다는 것은 고온의 열사이클로 인해 수화물이 분해되어 소실된 양이 많다는 것을 의미하며, 400 °C의 열사이클을 적용한 콘크리트는 이미 수화물의 분해가 일부 진행되었을 것으로 판단된다. 이로 인해 열사이클을 적용한 초고성능 콘크리트의 단위중량, 압축강도 및 열전도도에 불리한 영향을 준 것으로 판단된다.

600~750 °C 온도 구간은 탄산칼슘의 탈탄산이 나타나는 구간이며, U120 시리즈 시편의 강섬유 혼입률 1.0, 1.5 및 2.0 %에서 열사이클 적용 전의 실험군은 각각 7.11, 7.02 및 7.52 %, 열사이클 적용 후의 실험군은 각각 8.19, 7.44 및 7.45 %의 중량 감소를 나타내었다. 350~450 °C 온도 구간보다 상대적으로 높은 중량 감소율을 나타냈으며, 적용 열사이클의 온도인 400 °C 조건으로 인해 600~750 °C에서 이루어지는 수화물 분해에 준 영향은 다소 미비한 것으로 판단된다.

총 중량 감소 비교에서 열사이클 적용 후, U120 시리즈 시편의 경우, 강섬유 혼입률 1.0, 1.5 및 2.0 %에서 각각 9.81, 9.13 및 9.02 %, U180 시리즈 시편에서는 각각 2.27, 2.80 및 2.27 %로 나타났다. U180 시리즈 초고성능 콘크리트가 U120 시리즈 초고성능 콘크리트보다 평균 73.7 % 낮은 총 중량 감소가 도출되었다. 고온의 열사이클을 적용한 후의 중량의 변화가 낮다는 것은 고온에 의한 악영향이 적다는 것을 의미하며, 고온 안정성 및 내구성 확보에 매우 유리한 조건임을 나타낸다.

동일 강섬유 혼입률에서는 U180 시리즈 초고성능 콘크리트가 U120 시리즈 초고성능 콘크리트보다 열중량 총감소량이 상대적으로 낮게 나타났다. 강도가 높을수록 고온의 열사이클을 수행하더라도 시편에 존재하는 수분의 증발 또는 수화물의 분해로 인해 감소하는 양이 적어 내구성 저하에 미치는 영향이 상대적으로 낮다는 것으로 판단된다.

Fig. 12 Thermogravimetric analysis results of U120 series (steel fiber content=1.0 %)

Fig. 13 Thermogravimetric analysis results of U120 series (steel fiber content=2.0 %)