2.1 사용재료

본 연구에 사용된 시멘트는 비중 3.13 g/cm³, 분말도 3,820 cm²/g인 1종 보통포틀랜드 시멘트(Sampyo Cement, Korea)를 사용하였다. 잔골재의 경우 비중 2.60 g/cm³, 조립율 2.45인 천연모래를 사용하였으며, 시멘트계 재료 기반 캡슐인 CMC는 기존문헌^{(Lee et al. 2022; Choi et al. 2022b)}을 참고하여 0.3~ 0.6 mm, 2.5~5.0 mm 크기의 두 가지 캡슐을 5:5 비율로 혼합하여 사용하였다. 캡슐 혼입률의 경우 사전실험을 통해 우수한 역학적 성능을 나타낸 5 %로 설정하였으며, NSA 95 % 및 CMC 5 %를 함께 사용할 경우 조립율은 3.08로 측정되었다. CMC 제조에 사용된 재료는 시멘트(Sampyo Cement, Korea), 고로슬래그 미분말(Daehan slag, Gwangyang, Korea), 플라이애시(Dangjin Thermal Power Plant, Dangjin-si, Korea), 및 페로니켈슬래그 미분말(POSCO, Korea)이 사용되었다. 또한, 캡슐 제작 시 응집력 향상을 위해 PVA(Amos, Korea)를 사용하였으며, 균열이 발생하기 이전에 반응하는 것을 억제하기 위하여 폴리우레탄(KCC, Korea)을 사용하여 캡슐의 코팅을 진행하였다. Tables 1, 2는 본 연구에 사용된 시멘트와 시멘트계 재료의 화학적 특성 및 잔골재의 물리적 특성을 나타내었으며, Table 3는 각 캡슐의 구성 비율을 나타낸 것이다. Fig. 1 및 2는 잔골재 및 CMC의 성상과 SEM image를 나타낸 것이다. 그림에서 볼 수 있듯이 본 연구에 사용된 CMC는 천연잔골재와 유사한 크기를 보유하고 있으며, 캡슐의 형상 또한 천연잔골재와 유사하거나 상대적으로 둥근 형태를 띄고 있는 것을 알 수 있다. Fig. 3은 사용된 잔골재의 입도분포곡선을 나타낸 것으로 NSA, NSA 95 % 및 CMC 5 %를 혼합하여 사용한 혼합슬래그 잔골재는 표준입도분포곡선 범위를 만족하는 것을 알 수 있다.

Fig. 1 NSA & CMC used in this study

Fig. 2 SEM images of NSA & CMC

2.2 실험방법

Table 4는 본 연구에 사용된 실험 배합표를 나타낸 것으로 물시멘트비는 50 %로 고정하여 실험을 진행하였으며, CMC의 경우 잔골재 중량에 대하여 0, 5 %를 혼입하였다. 시험체의 경우 CMC를 사용한 모르타르의 압축강도 및 압축강도 회복률을 평가하기 위해 50 mm×50 mm×50 mm 큐빅형 시험체를 제작하였으며, 쪼갬인장강도와 탄산화 깊이 시험을 위해 Ø 50 mm× 100 mm 원주형 시험체를 제작하였다. 또한 40 mm×40 mm× 160 mm의 각주형 시험체를 제작하여 초음파속도를 측정하였으며, 균열 치유성능 및 염화물이온 침투 저항성 시험을 위해 Ø 100 mm×50 mm 원주형 시험체를 제작하였다. 미세구조의 경우 압축강도 및 압축강도 회복률 시험에 사용된 샘플의 파편을 사용하여 SEM(Scanning electron microscopy)-EDS (Energy- dispersive X-ray spectroscopy)를 통해 미세구조 분석을 진행하였다. 시험체는 제작 24시간 이후 탈형하였으며 소요의 재령까지 20 °C 수중양생을 진행하였다.

Fig. 3 Particle size distribution of fine aggregates

2.3 측정방법

모르타르 플로우 및 압축강도의 경우 KS L 5105^{(KATS 2017)}시험방법에 준하여 측정을 진행하였다. 압축강도 회복률의 경우 기존문헌^{(Choi et al. 2022b)}을 참고하여 재령 28일 압축강도의 약 70 % 수준의 하중을 시험체에 가한 후 재양생을 진행하였으며, 재양생 7, 28, 56일 후 치유 압축강도를 측정하였다. 쪼갬인장강도의 경우 KS F 2423^{(KATS 2021)}에 따라 측정하였으며, 초음파속도는 Ultrasonic instrument (Pundit, Proceq, Switzerland)를 사용하여 KS F 2731^{(KATS 2023)}에 준하여 측정하였다. 탄산화 깊이의 경우 KS F 2584^{(KATS 2020)}에 준하여 CO2 농도 5 % 환경 하에서 촉진 탄산화 시킨 후 페놀프탈레인 용액을 이용하여 탄산화 깊이를 측정하였다. 염화물이온 침투 저항성은 ^{ASTM C 1202(2019)}에 따라 측정하였으며, 치유율은 KCI-CT 114^{(KCI 2021)}에 따라 Fig. 4와 같이 재령 28일에 시험체 할렬 후 할렬 부위에 레이턴스와 이물질을 제거하였다.

또한 균열 유도를 위해 실리콘 시트를 시험체 측면에 삽입한 후에 클램프를 사용하여 시험체를 고정한 후 균열 폭을 0.2 mm로 조정하고 7일 간격으로 치유재령 28일까지 측정을 진행하였다. 치유율 측정을 위한 정수위투수시험의 경우 10분간 진행되었으며, 유출수량 측정값이 불안정한 초기 3분까지의 유출수량을 제외하고 이후 7분간의 유출수량을 측정하였다. 측정 결과를 기준으로 산정한 치유율($SH_{q}$) 계산은 아래와 같은 식 (1)을 사용하였다. 식 (1)의 $q(t)$는 7일 간격으로 측정된 치유재령별 단위유출수량, $q_{0}$은 치유재령 0일에 측정된 단위유출수량을 나타낸 것이다. 단위유출수량의 경우 분당 유출수량을 균열크기로 나눈 것으로서 유출수량(ml)/(단위(min)×균열크기(mm))를 통해 계산하였다. 균열크기 측정의 경우 광학현미경과 전자버니어캘리퍼스를 사용하여 동일한 위치의 균열을 치유재령별로 측정하였으며, 측정이 종료된 시험체는 자기치유 재료의 특성을 고려하여 소요의 재령까지 20 oC 수중양생을 진행하였다. 미세구조는 SEM(AIS1800C, SERON, Korea), EDS(OXFORD INSTRUMENTS, Xplore, U.K)를 통해 분석을 진행하였다.

Fig. 4 Water permeability test process

3.1 모르타르 플로우

Fig. 5는 모르타르 플로우 변화를 나타낸 것으로 그림에서 볼 수 있듯이 Control 샘플의 모르타르 플로우는 약 167 mm로서 전체 샘플 중 가장 낮게 나타났다. CMC를 혼입한 샘플의 모르타르 플로우는 시멘트가 포함된 C-BF 샘플의 모르타르 플로우가 약 173 mm를 나타내어 Control 샘플에 비해 약 3.5 % 높게 나타났다. 시멘트가 혼입되지 않은 CMC를 사용한 샘플의 모르타르 플로우는 약 175~186 mm로 나타났으며, 이는 Control 샘플에 비해 약 4.7~10 % 높은 값이다. CMC를 사용한 샘플의 모르타르 플로우는 Control 샘플에 비해 상대적으로 높게 나타나고 있는데, 이러한 결과는 CMC의 표면이 NSA에 비해 상대적으로 매끄러운 것에 기인한 것으로 사료된다. 또한 FA-FS 샘플의 모르타르 플로우가 186 mm로 가장 높게 나타난 것은 Fig. 2에서 볼 수 있듯이 FA-FS 캡슐의 형상과 표면이 다른 캡슐에 비해 상대적으로 구형의 매끄러운 표면을 가지고 있어 나타난 것으로 사료된다.

Fig. 5 Mortar flow

3.2 압축강도

Fig. 6은 재령별 압축강도 변화를 나타낸 것으로 그림에서 볼 수 있듯이 재령 7일 Control 샘플의 압축강도는 약 28.4 MPa을 나타내었다. CMC를 사용한 샘플의 경우 C-BF 샘플의 압축강도가 약 29.0 MPa로서 가장 높게 나타났으며, B-FA 샘플의 압축강도는 약 28.6 MPa로서 Control 샘플에 비해 상대적으로 높게 나타났다. 페로니켈슬래그 미분말이 포함된 B-FS 샘플의 압축강도는 약 28.4 MPa을 나타내어 Control 샘플과 유사한 수준으로 나타났다. FA-FS 샘플과 B-FF 샘플의 압축강도는 약 26.1~ 27.4 MPa로서 Control 샘플에 비해 상대적으로 낮게 나타났다. CMC를 혼입한 샘플의 재령 7일 압축강도는 캡슐의 형상이 잔골재와 유사한 경우 Control 샘플과 유사하거나 상대적으로 높은 압축강도를 발현하였으며, 캡슐의 형상이 구형에 가까울수록 다소 낮은 압축강도를 발현하는 것으로 나타났다. 이러한 결과는 골재의 형상이 시멘트 매트릭스와의 결합력에 영향을 미쳐 나타난 것으로 사료된다^{(Guinea et al. 2002).} 그러나 본 연구의 경우 CMC를 사용한 샘플과 Control 샘플의 압축강도 차이는 최대 약 2 MPa로서 큰 차이를 나타내고 있지 않다.

Fig. 6 Compressive strength

재령 28일의 경우 Control 샘플의 압축강도는 약 38.5 MPa을 나타내었으며, C-BF 샘플의 압축강도가 약 40.2 MPa로서 가장 높게 나타났다. B-FS 샘플의 압축강도는 약 38.5 MPa로서 Control 샘플과 유사한 수준을 나타내었으며, 재령 7일 압축강도가 가장 낮은 FA-FS 샘플의 압축강도는 약 37.7 MPa로서 Control 샘플과 약 2.1 % 수준의 차이를 나타내었다.

재령 56일 Control 샘플의 압축강도는 약 40.9 MPa로 나타났다. B-FA 샘플의 압축강도는 Control 샘플에 비해 약 7.8 % 높은 44.1 MPa을 발현하여 가장 높은 재령 56일 압축강도를 나타내었다. B-FF 샘플의 압축강도는 약 40.2 MPa로서 가장 낮은 압축강도를 발현하였으나, Control 샘플과는 약 1.8 % 수준의 미미한 차이로 나타났다. 시멘트가 포함된 C-BF 샘플의 압축강도는 약 42.0 MPa이며, FA-FS 샘플 및 B-FS 샘플의 압축강도의 경우 약 41.2~42.4 MPa을 나타내어 Control 샘플에 비해 상대적으로 높게 나타났다. CMC를 혼입한 샘플의 압축강도는 Control 샘플과 유사하거나 상대적으로 높게 나타났는데, 이는 믹싱 중 믹싱 날에 의해 손상된 일부 CMC가 파괴될 경우 캡슐을 구성하던 시멘트계 재료가 분해되어 매트릭스 내 단위결합재량이 증가하여 나타난 현상으로 판단된다.

3.3 쪼갬인장강도

Fig. 7은 재령 28일 쪼갬인장강도 변화를 나타낸 것으로 그림에 나타낸 바와 같이 Control 샘플의 쪼갬인장강도는 약 3.0 MPa로 나타났다. CMC를 사용한 샘플의 쪼갬인장강도는 약 2.8~3.0 MPa을 나타내어 Control 샘플과 유사한 수준으로 나타났다. 일반적으로 캡슐을 사용한 시멘트 복합체는 캡슐과 시멘트 매트릭스의 낮은 결합력으로 인해 캡슐 주변으로 다량의 공극이 발생하고, 이로인해 역학적 특성이 저하될 수 있는 것으로 보고되고 있다^{(Cao et al. 2017).} 또한, 캡슐 자체의 강도는 골재보다 상대적으로 낮기 때문에 캡슐이 존재하는 부위는 하중에 취약한 것으로 보고된 바 있다^{(Pilehyar et al. 2017).} 반면 본 연구에서는 캡슐을 사용함에 따른 쪼갬인장강도의 감소가 미미하며, 캡슐을 혼입하지 않은 Control 샘플과 유사한 수준인 것으로 나타났다. 이러한 결과는 CMC의 크기와 형상이 잔골재와 유사하여 시멘트 매트릭스와의 결합에 부정적인 영향을 미치지 않는 것으로 사료되며, 기존문헌에서도 골재의 형상은 시멘트 매트릭스와의 결합력에 다양한 영향을 미치는 것으로 나타났다^{(Guinea et al. 2002)} .

Fig. 7 Split-tensile strength

Fig. 8 Ultrasonic pulse velocity

또한 일반적인 시멘트 복합체의 쪼갬인장강도는 압축강도의 약 8~10 % 수준을 발현하는 것으로 알려져 있는데^{(Shiming and Yupu 2013),} 본 연구의 경우에도 Control 샘플과 CMC를 사용한 샘플의 $f_{t}/ f_{c}$ 비율이 약 8~9 %를 나타냄에 따라 CMC의 혼입이 시멘트 복합체의 역학적 성능에 미치는 영향은 크지 않은 것으로 판단된다.

3.4 초음파속도

Fig. 8은 재령별 초음파속도 변화를 나타낸 것으로 그림에서 볼 수 있듯이 재령 7일 Control 샘플의 초음파속도가 약 3,756 m/s로 가장 빠르게 나타났다. CMC를 사용한 샘플의 초음파속도는 B-FA 샘플에서 약 3,721 m/s를 나타내어 CMC를 사용한 샘플 중 가장 빠르게 나타났다. 시멘트가 포함된 C-BF 샘플의 초음파속도는 약 3,691 m/s로서 Control 샘플에 비해 상대적으로 느리게 나타났다. CMC를 사용한 샘플의 초음파속도는 Control 샘플에 비해 상대적으로 느리게 나타났는데, 이는 분말로 제조된 캡슐의 밀도가 잔골재에 비해 상대적으로 낮을 수 있고, 이로인해 초음파의 도달 시간이 지연된 것으로 사료된다^{(Lin et al. 2016)} .

Fig. 9 Correlation between ultrasonic pulse velocity & compressive strength

재령 28일 초음파속도의 경우 B-FS 샘플의 초음파속도가 약 3,851 m/s로 가장 빠르게 나타났으며, Control 샘플의 초음파속도는 약 3,770 m/s를 나타내어 B-FS 샘플에 비해 약 2.2 % 낮게 나타났다. FA-FS 샘플의 초음파속도는 약 3,842 m/s로서 Control 샘플에 비해 상대적으로 높게 나타났으며, C-BF 샘플의 초음파속도가 약 3,709 m/s를 나타내어 전체 샘플 중 가장 느리게 나타났다. B-FA 샘플과 B-FF 샘플의 초음파속도는 약 3,756~3,783 m/s 수준으로 Control 샘플에 비해 다소 낮거나 유사한 수준으로 나타났다.

재령 56일 Control 샘플의 초음파속도는 약 3,941 m/s로서 전체 샘플 중 가장 느리게 나타났으며, CMC를 사용한 샘플의 초음파속도는 약 3,946~4,040 m/s를 나타내어 Control 샘플에 비해 상대적으로 빠르게 나타났다. 가장 빠른 재령 28일 초음파속도를 나타내었던 B-FS 샘플의 초음파속도는 약 4,040 m/s로서 재령 56일에서도 가장 빠르게 나타났다. CMC를 사용한 샘플의 재령 7일 초음파속도는 Control 샘플에 비해 상대적으로 느리게 나타났으나, 재령이 지남에 따라 믹싱 중 손상된 일부 CMC에서 분해된 시멘트계 재료가 반응하여 내부를 치밀하게 형성함으로써 초음파속도가 증가하는 것으로 사료된다.

또한, 초음파속도는 공극과 미세균열 등이 적은 균질한 매트릭스에서 통과속도가 빠르고^{(Leticia et al. 2019),} 일부 연구에서는 시멘트 복합체의 압축강도가 증가할수록 치밀한 내부가 형성되어 초음파속도가 증가할 수 있는 것으로 보고된 바 있다^{(Yoon et al. 2017).} 그러나 본 연구의 경우 가장 높은 재령 28일 압축강도를 발현하였던 C-BF 샘플의 재령 28일 초음파속도가 가장 느리게 나타나는 등 압축강도와 초음파속도의 경향이 다소 상이하게 나타났다. 또한 Fig. 9에서 볼 수 있듯이 초음파속도와 압축강도 간의 상관관계(R2값)는 약 0.012~0.022로서 매우 낮은 수준을 나타내고 있다.

본 연구의 초음파속도가 압축강도와 상이하게 나타난 현상은 믹싱 중 일부 캡슐이 손상될 경우 시험체 간 캡슐의 잔존율이 다를 수 있고 분말을 혼합하여 제조한 CMC의 밀도가 잔골재에 비해 상대적으로 낮은 것에 기인한 것으로 사료된다^{(Lin et al. 2016).} 따라서 향후 CMC의 잔존율을 파악하고 시험체 간의 편차를 줄일 수 있는 추가적인 연구가 필요할 것으로 사료된다.

3.5 염화물이온 침투 저항성

Fig. 10은 재령별 염화물이온 침투 저항성 측정 결과를 나타낸 것으로 그림에 나타낸 바와 같이 재령 7일 통과전하량의 경우 Control 샘플에서 약 11,448 C으로 가장 높게 나타났다. CMC를 사용한 샘플의 경우 FA-FS 샘플에서 약 9,547 C의 가장 낮은 통과전하량을 나타내어 Control 샘플에 비해 약 16.6 % 낮게 나타났다. FA-FS 샘플을 제외한 샘플의 통과전하량의 경우에도 약 9,633~10,584 C으로 Control 샘플에 비해 상대적으로 낮게 나타났다. CMC를 혼입한 샘플의 통과전하량은 Control 샘플에 비해 약 7.6~16.6 % 낮은 수준을 나타내고 있는데, 이러한 결과는 일부 손상된 CMC의 재료들이 분해되며 결합재량이 증가하여 나타난 현상으로 사료된다.

Fig. 10 Chloride-ion penetrability

재령 28일 Control 샘플의 통과전하량은 약 7,403 C으로 재령 7일과 유사하게 전체 샘플 중 가장 높게 나타났다. 가장 낮은 재령 7일 통과전하량을 나타낸 FA-FS 샘플은 약 6,333 C을 나타내었으며, B-FS 샘플의 통과전하량이 약 5,704 C으로 가장 낮게 나타났다. 시멘트가 포함된 C-BF 샘플의 통과전하량은 약 5,918 C으로 Control 샘플에 비해 약 20.1 % 낮은 값을 나타내었으며, B-FA 샘플과 B-FF 샘플의 경우에도 각각 약 5,975, 6,412 C으로 Control 샘플에 비해 상대적으로 낮게 나타났다.

재령 56일 Control 샘플의 통과전하량은 약 5,446 C으로 전체 샘플 중 가장 높게 나타났다. B-FA 샘플의 통과전하량은 약 4,324 C으로 전체 샘플 중 가장 낮게 나타났으며, 이는 재령 7일 통과전하량에 비해 약 59 % 낮은 수준이다. CMC를 적용한 시멘트 복합체의 염화물이온 침투 저항성은 Control 샘플에 비해 향상된 결과를 나타내고 있는데, 이러한 결과는 재령 7일과 유사하게 손상된 일부 CMC에서 분해된 고로슬래그 미분말에 의해 프리델씨염이 형성되는 측면과^{(Prang et al. 2022),} 플라이애시의 포졸란 반응 등으로 인해 내부 조직구조가 치밀해지는 것에 기인한 것으로 사료된다^{(Liu et al. 2017)} .

3.6 탄산화 깊이

Fig. 11은 촉진 재령 28일 탄산화 깊이를 나타낸 것으로 그림에서 볼 수 있듯이 Control 샘플의 탄산화 깊이는 약 0.71 mm로 나타났다. CMC를 사용한 샘플의 탄산화 깊이는 시멘트가 포함된 C-BF 샘플에서 약 0.67 mm를 나타내어 전체 샘플 중 탄산화 저항성이 가장 우수하게 나타났다. C-BF 샘플의 탄산화 저항성이 가장 우수한 것은 시멘트가 포함된 캡슐을 사용함에 따라 일부 손상된 캡슐에 의해 시멘트량이 증가할 수 있고, 시멘트가 물과 반응하여 매트릭스 내의 알칼리도가 높아지며 나타난 결과로 사료된다^{(Grutaert et al. 2013)} .

반면, 시멘트가 포함되지 않은 캡슐을 사용한 샘플의 탄산화 깊이는 B-FA 샘플에서 약 0.92 mm를 나타내어 탄산화 깊이가 가장 높게 나타났는데, 이는 고로슬래그 미분말과 플라이애시의 반응으로 인해 수산화칼슘의 소비가 가속화되며 내부 pH가 낮아진 결과로 판단된다^{(Rivera et al. 2021).} 또한, B-FS, B-FF, FA-FS 샘플 등 시멘트를 포함하지 않는 캡슐을 적용한 샘플의 탄산화 깊이는 약 0.80~0.82 mm로 대체적으로 유사한 수준이였으며, Control 샘플에 비해 상대적으로 높은 탄산화깊이를 나타내었다.

Fig. 11 Carbonation depth

4.1 압축강도 회복률

Fig. 12는 재령 28일 압축강도와 치유재령에 따른 압축강도 회복률을 비교한 것으로 그림에서 볼 수 있듯이 치유재령 7일 Control 샘플의 압축강도 회복률은 약 92 %로서 가장 낮게 나타났다. CMC를 적용한 샘플의 압축강도 회복률은 B-FA, B-FF 샘플이 약 106 %로서 Control 샘플에 비해 약 14 % 높게 나타났다. 시멘트가 포함된 C-BF 샘플의 압축강도 회복률은 약 101 %로서 Control 샘플에 비해 약 9 % 높게 나타났다. 캡슐의 구성 비율 중 페로니켈슬래그 미분말이 약 50 %인 B-FS, FA-FS 샘플의 압축강도 회복률은 각각 약 93, 98 %를 나타내어 Control 샘플에 비해 상대적으로 높게 나타났다. CMC를 적용한 샘플의 압축강도 회복률은 Control 샘플에 비해 상대적으로 높게 나타나고 있는데, 이는 하중 재하시 파괴된 캡슐에서 시멘트계 재료가 분해되고, 시간이 지남에 따라 지속적인 반응을 하여 나타난 현상으로 사료된다^{(Kim et al. 2022b)} .

Fig. 12 Compressive strength recovery rate

치유재령 28일 Control 샘플의 압축강도 회복률은 약 96 %로서 28일 압축강도에 미치지 못하는 것으로 나타났다. CMC를 적용한 샘플의 압축강도 회복률은 약 100~111 %로서 재령 28일 압축강도와 유사하거나 상대적으로 높게 나타났다. 가장 높은 치유재령 7일 압축강도 회복률을 나타내었던 B-FF 샘플의 압축강도 회복률은 약 111 %로서 치유재령 28일 회복률 또한 가장 높았으며, B-FA 샘플의 경우에도 약 109 % 수준을 나타내었다.

치유재령 56일의 경우 Control 샘플의 압축강도 회복률은 약 103 %로서 28일 압축강도에 비해 약 3 % 높게 나타났다. FA-FS 샘플의 압축강도 회복률은 약 105 %를 나타내어 CMC를 사용한 샘플 중 가장 낮았으나, Control 샘플과 비교할 시 약 2 % 높게 나타났다. 가장 높은 치유재령 28일 압축강도 회복률을 나타내었던 B-FF 샘플의 압축강도 회복률은 약 126 %로서 Control 샘플에 비해 약 24 % 높았으며, B-FA 샘플의 압축강도 회복률이 약 127 %로서 가장 높게 나타났다. B-FF 샘플과 B-FA 샘플의 치유재령 56일 압축강도 회복률이 높게 나타난 현상은 치유재령 7, 28일 압축강도 회복률이 높게 나타난 측면과, 하중에 의해 파괴된 캡슐에서 분해된 시멘트계 재료 중 반응성이 높은 고로슬래그 미분말의 함량이 높아서 나타난 현상으로 판단된다. 또한, 이러한 경향과 유사하게 고로슬래그 미분말에 비해 반응성이 낮은 플라이애시와 페로니켈슬래그 미분말 등이 포함된 FA-FS 샘플의 치유재령 56일 압축강도 회복률은 약 105 %로서 가장 낮게 나타났다.

4.2 치유율

Fig. 13은 치유재령에 따른 치유율 변화를 나타낸 것으로 그림에 나타낸 바와 같이 치유재령 7일 Control 샘플의 치유율은 약 15 %로 나타났다. CMC를 혼입한 샘플의 경우 B-FF 샘플의 치유율이 약 37 %로서 Control 샘플에 비해 약 22 % 높게 나타났다. C-BF 샘플의 치유율은 약 18 %를 나타내어 Control 샘플에 비해 약 3 % 높았으며, FA-FS 샘플의 경우에도 약 19 %를 나타내어 Control 샘플에 비해 상대적으로 높게 나타났다. B-FA, B-FS 샘플의 치유율은 약 13~14 %를 나타내어 Control 샘플과 유사하게 나타났다.

Fig. 13 Healing ratio

Fig. 14 Healing ratio test specimen

치유재령 14일의 경우 Control 샘플의 치유율은 약 20 %로서 가장 낮게 나타났다. B-FF 샘플의 치유율은 약 47 %를 나타내어 Control 샘플에 비해 약 27 % 높게 나타났다. C-BF 샘플의 치유율은 약 33 %로서 Control 샘플에 비해 약 13 % 높게 나타났으며, 치유재령 7일 치유율이 가장 낮은 B-FA 샘플의 치유율은 약 21 %로서 Control 샘플과 유사하게 나타났다.

치유재령 28일 Control 샘플의 최종 치유율은 약 43 %로 가장 낮았으며, B-FF 샘플의 최종 치유율이 약 81 %로서 가장 높게 나타났다. B-FA, C-BF 샘플의 최종 치유율은 각각 약 48, 55 %를 나타내어 Control 샘플에 비해 약 5~12 % 높게 나타났다. B-FF 샘플과 유사하게 페로니켈슬래그 미분말이 사용된 B-FS, FA-FS 샘플의 최종 치유율은 약 70~78 %로서 페로니켈슬래그 미분말이 사용되지 않은 샘플에 비해 높게 나타났다. 이러한 현상은 페로니켈슬래그 미분말에 비해 상대적으로 높은 반응성을 가진 고로슬래그 미분말과 플라이애시의 초기 반응 및 반응성이 낮은 페로니켈슬래그 미분말의 치유재령 후반부의 반응을 통해 추가적인 수화물을 생성함으로서 나타난 현상으로 사료된다^{(Chi et al. 2023; Zhang et al. 2023)} .

또한, CMC를 사용한 샘플의 치유율이 Control 샘플에 비해 상대적으로 높게 나타난 것은 Fig. 14에서 볼 수 있듯이 시험체 할렬 시 CMC가 파괴되어 분해된 시멘트계 재료가 반응한 결과로 사료되며, 압축강도 회복률(Fig. 12)에서도 이와 유사한 결과를 나타내었다.

CMC를 사용한 샘플의 치유율은 Control 샘플에 비해 최대 약 38 % 높게 나타나 시멘트 복합체의 자기치유 성능을 향상시킬 수 있는 것으로 나타났으며, 이는 시멘트계 재료를 사용한 기존연구^{(Kim et al. 2022b; Yoon et al. 2022)}와 유사한 수준인 것으로 나타났다.

4.3 미세구조

Fig. 15는 재령 28일 시험체의 SEM image를 나타낸 것으로 그림에서 볼 수 있듯이 CMC를 적용한 샘플에서 분해된 플라이애시 입자가 관찰되었으며, B-FF 샘플의 경우 플라이애시 입자와 함께 Calcite가 형성된 것을 알 수 있다.

Fig. 16은 치유재령 28일 압축강도 회복률 시험체의 SEM image를 나타낸 것으로 Control 샘플은 재령 28일 시험체에 비해 상대적으로 큰 균열과 공극이 관찰되어 매트릭스의 균질성이 낮게 나타났다. Control 샘플의 매트릭스 균질성이 낮게 나타난 것은 치유재령 28일 시험체의 압축강도 회복률이 약 96 %로서 재령 28일 압축강도에 미치지 못하는 측면과 치유율 또한 가장 낮게 나타난 것과 유사한 결과이다. 반면, 압축강도 회복률이 약 100 %로서 재령 28일 압축강도와 유사하게 나타난 B-FS 샘플의 경우 다량의 수화물이 형성된 매트릭스가 관찰되었다. 가장 높은 치유재령 28일 압축강도 회복률을 나타낸 B-FF 샘플의 매트릭스는 다량의 수화생성물이 관찰되었는데, 이로인해 치유재령 28일 압축강도 회복률이 가장 높게 나타난 것으로 사료된다. 또한, 치유재령 28일 압축강도 회복률이 약 104∼109 %를 나타내었던 FA-FS 샘플 및 B-FA 샘플의 경우에도 B-FF 샘플과 유사하게 치유재령 28일 시험체의 매트릭스가 재령 28일 시험체에 비해 상대적으로 균질하게 나타난 것을 알 수 있다. Table 5 및 Fig. 17은 Control 샘플과 B-FF 샘플의 치유재령 28일 압축강도 회복률 시험체의 EDS 분석 결과를 나타낸 것이다. 표와 그림에서 볼 수 있듯이 Control 샘플과 B-FF 샘플의 수화물은 Ca, Si, Al, K 등의 유사한 원소로 구성되어 있으며 Ca의 함량이 가장 높게 나타났는데, 이는 캡슐에 사용된 시멘트계 재료인 시멘트, 고로슬래그 미분말 및 플라이애시 등의 반응으로 인해 생성되는 CSH의 주요 성분이 Ca로 구성되어 나타난 결과로 사료된다. 이외에도 플라이애시와 페로니켈슬래그 미분말 등에 다량 함유되어 있는 Si의 함량은 약 5.59~7.02 %로서 유사하게 나타났으며, Si/Al 비율은 각각 2.98, 2.07로 나타났다. 시멘트 복합체의 Si/Al 비율은 낮을수록 시멘트 매트릭스의 구조가 밀실해지고 수축 또한 가장 적은 것으로 알려져 있다^{(Liu et al. 2023).} 또한 Si/Al 비율이 약 1.5~2.5 범위일 때 역학적 성능이 우수한 것으로 알려져 있는데^{(Liu et al. 2022),} 본 연구에서도 B-FF 샘플의 압축강도 회복률과 치유율이 Control 샘플에 비해 상대적으로 높게 나타났다.

Fig. 15 SEM images of 28-d specimen (3,000X)

Fig. 16 SEM images of after healing period 28-d specimen (3,000X)

Fig. 17 EDS Spot result after healing period 28-d