2.1 실험 계획 및 배합

Table 1에는 단위용적질량($\rho_{c}$)이 1,500 kg/m³ 범위에서 60 MPa 수준의 설계기준 압축강도($f_{ck}$)를 갖는 LWAC 시험체 상세를 나타내었다. 목표성능에 대한 LWAC 배합은 기존 실험결과^{(Lee et al. 2023)}를 참고로 하면서 잔골재율($S/a$)과 마이크로 강섬유 혼입을 고려하였다. LWAC의 높은 압축강도 발현을 고려하여 가능하면 굵은골재 양을 적게 하였다. 따라서 고려된 LWAC 배합에서 $S/a$는 70 %와 75 %를 선택하였다. 마이크로 강섬유 혼입은 LWAC의 휨 인성 및 경제성을 고려하여 실용적 측면에서 0.5 %의 체적비($V_{f}$)를 선택하였다^{(Kim et al. 2024)}. 마이크로 강섬유는 직선형과 양단부 훅크형을 각각 50 %씩 혼합 사용하였다. 단위수량($W$ )은 $S/a$가 75 %에서는 120 kg/m³과 130 kg/m³을, 그리고 $S/a$가 70 %에서는 130 kg/m³을 적용하였다.

Table 1에 나타낸 시험체 명에서 첫 번째, 두 번째 및 세 번째 숫자는 LWAC 배합에서 각각 $S/a$, $W$ 그리고 $V_{f}$를 의미한다. 즉, 시험체 75-120-0.5는 잔골재율이 75 %, 단위수량 120 kg/m³, 마이크로 강섬유 $V_{f}$가 0.5 %인 변수조건에서 배합된 LWAC를 의미한다.

모든 배합에서 결합재로는 보통포틀랜드시멘트(ordinary portland cement, OPC), 플라이애시(fly ash, FA) 및 실리카퓸(silica fume, SF)를 혼합 사용하였다. 이들 재료들의 혼합은 전체 결합재 양에서 각각 75 %, 10 % 및 15 %로 하였다. 물-결합재 비($W/B$)는 모든 배합에서 0.138로 고정하였다. 낮은 $W/B$인 조건에서 콘크리트 유동성 향상을 위하여 일반 수돗물 대신 초미세 공극수를 사용하였다. 콘크리트 단위용적질량을 낮추기 위하여 경량 잔골재의 일부로서 마이크로 중공체를 같이 사용하였다. 경량 잔골재 체적 대비 마이크로 중공체 체적의 치환율은 40 %이다. 경량잔골재 및 마이크로 중공체는 콘크리트 배합 전 24시간 침수 후 그늘에서 표면건조내부포화 상태가 될 때까지 관리하였다. 모든 배합에서 최소 유동성 확보를 위하여 폴리카르본산계 고성능 감수제를 단위 결합재 양의 1~1.5 %를 사용하였다.

2.2 재료특성

결합재로 사용된 OPC, FA 및 SF의 분말도는 각각 3,360 cm²/g, 4,200 cm²/g, 200,000 cm²/g이며, 밀도는 각각 3.15 g/cm², 2.20 g/cm², 2.20 g/cm²이다. 굵은골재 및 잔골재로 사용된 인공경량골재는 점토를 고온 소성･팽창시킨 것이다. 경량 굵은골재의 최대치수는 13 mm이며, 밀도와 흡수율은 각각 420~880 kg/m²와 12.2~20.0 %이다(Table 2). 경량 잔골재의 최대치수는 4 mm이며, 밀도와 흡수율은 각각 770 kg/m²와 15.5 %이다. 마이크로 중공체의 최대 치수는 1.0 mm이며, 밀도와 흡수율은 각각 270~400 kg/m²와 9.0~33.0 %이다.

마이크로 강섬유의 물리적･역학적 특성을 Table 3에 요약하였다. 직선형 강섬유는 직경이 0.2 mm이며 길이는 13 mm이다. 훅크형 강섬유는 직경이 0.3 mm이며 길이는 30 mm이다. 따라서 직선형과 훅크형 강섬유의 형상비는 각각 65와 100이다. 이들 강섬유의 인장강도는 약 2,650 MPa이다. 마이크로 강섬유의 표면은 부식 저항성 향상을 위하여 구리로 코팅되었다. 이들 강섬유의 시멘트 메트릭스와의 부착강도는 직선형과 훅크형에서 각각 8.6 MPa과 18.7 MPa이다^{(Kim et al. 2023)}.

2.3 콘크리트 양생 및 측정

콘크리트는 배합 직후 계획된 시험체에 타설되었다. 각 시험체에 타설된 콘크리트는 온도 20±2 oC 및 상대습도 60±5 %인 항온･항습실에서 24시간 동안 양생되었다. 재령 1일에 각 시험체의 몰드를 탈형하였으며, 그 후에는 재령 28일까지 수중 양생하였다.

굳지 않은 콘크리트의 슬럼프는 KS F 2402^{(KATS 2022a)}에 따라 측정하였다. 굳은 콘크리트의 재령 28일 압축 응력-변형률 관계와 단위용적질량은 $\phi$100 mm×200 mm 실린더를 이용하여 각각 KS F 2405^{(KATS 2022b)}와 KS F 2462(2021)에 따라 측정하였다. 탄성계수는 압축 응력-변형률 관계에서 원점과 최대응력의 40 % 점을 연결하는 기울기로 산정하였다^{(Lee 2023)}. 콘크리트의 압축 인성지수는 응력-변형률 관계에서 ^{ASTM C1018 (1997)}에 따라 산정하였다. 콘크리트의 휨 하중-변위 관계는 ^{ASTM C1018 (1997)}에 따라 100 mm×100 mm×400 mm 보를 이용하여 상부 2점 대칭 하중 조건에서 평가하였다. 휨 인성지수를 나타내는 $I_{5}$, $I_{10}$, $I_{20}$ 및 $I_{30}$은 휨 하중-변위 관계에서 초기균열 시 변위($\Delta_{0}$)의 3배, 5.5배, 10.5배 및 15.5배의 변위에 해당하는 면적으로 산정하였다. 콘크리트의 잔류 휨 강도는 EN 14651 ^{(CEN 2005)}에 따라 150 mm×150 mm×550 mm 크기의 보를 이용하여 측정한 휨 응력–균열 폭 진전(crack mouth opening displacement, CMOD) 관계로부터 산정하였다. 이때 보의 가력은 중앙에 폭 5 mm, 깊이 25 mm인 노치(notch)를 도입한 후 경간 중앙에서 집중하중 조건에서 수행하였다. 보의 노치 하단 부에서의 균열 폭은 클립 게이지(clip gauge)를 이용하여 측정하였다. 보의 균열진전에 따른 휨 인성을 나타내는 지표로서 잔류 휨 강도인 $f_{r,\: 1}$, $f_{r,\: 2}$, $f_{r,\: 3}$ 및 $f_{r,\: 4}$ 값은 ^{fib 2010} 모델(2013)에 따라 CMOD 값이 각각 0.5, 1.5, 2.5 및 3.5 mm일 때의 휨 응력으로 결정하였다.

3.1 28일 압축강도($bold f_{cm}$)와 단위용적질량($bold\rho_{c}$)의 관계

LWAC 압축강도는 마이크로 강섬유가 혼입되면 약 6.6~15.6 % 증가하는 경향을 보였다(Fig. 1). 예를 들어, 섬유보강 시험체 70-130-0.5는 동일 조건의 무보강 시험체에 비해 약 6.6 % 높은 압축강도를 보였다. 이는 마이크로 강섬유가 시멘트 메트릭스에서 균열제어를 통하여 콘크리트의 포와송 효과에 의한 인장변형 감소에 기여하고 있기 때문이다^{(Choe et al. 2020;} Lee 2024). 콘크리트 단위수량 및 $S/a$가 압축강도에 미치는 영향은 중요하게 나타나지 않았다. 하지만 콘크리트 $\rho_{c}$는 단위수량과 $S/a$가 클수록 다소 증가하였다. 그리고 콘크리트 $\rho_{c}$는 마이크로 강섬유의 혼입 질량만큼 증가하였다.

Fig. 2에는 LWAC의 $\rho_{c}$와 $f_{cm}$의 관계에 대해 본 실험결과와 기존 실험결과를 비교하였다. 기존 실험결과는 ^{Lee (2022)}의 구축한 자료를 활용하였다. LWAC는 $\rho_{c}$의 증가와 함께 $f_{cm}$이 증가하는데 그 증가 기울기는 콘크리트 배합특성에 의해 다소 영향을 받았다. 기존 LWAC 배합들의 경우 $\rho_{c}$가 1,500~1,700 kg/m³ 범위에서 $f_{cm}$은 30~40 MPa 수준을 보였다. 이 연구에서 수행한 LWAC 배합은 $\rho_{c}$가 1,480~1,631 kg/m³ 범위에서 $f_{cm}$이 59.1~ 74.1 MPa의 결과를 보였다. 즉, 기존 LWAC 결과들과 비교하면 Table 4에 나타낸 이 실험결과는 비슷한 수준의 $\rho_{c}$에서 약 1.6~2.2배 높은 압축강도 발현을 보였다. 이에 따라 $f_{cm}/\rho_{c}$ 값은 0.04~0.045 수준으로서 일반 LWAC의 값들에 비해 약 2.5배 이상 높은 결과를 보였다.

Fig. 1 Compressive strength and unit weight of concrete specimens

Fig. 2 Relationship between compressive strength and unit weight of concrete

3.2 압축 응력-변형률 관계 및 탄성계수

LWAC 시험체들의 압축 응력-변형률 관계를 Fig. 3에 나타내었다. 무보강 LWAC 시험체들은 최대응력 이후 급격한 응력감소와 함께 취성파괴 모드를 보였다. 마이크로 강섬유의 혼입은 응력-변형률 관계의 상승부 기울기를 증가시켰다. 이에 따라 마이크로 강섬유 보강 LWAC는 무보강 시험체에 비해 약 1.16배 높은 탄성계수($E_{c}$)를 보였다(Table 4). 더불어 마이크로 강섬유는 최대응력 이후 응력감소 기울기의 개선에 매우 효율적이었다. 마이크로 강섬유 보강 LWAC는 동일 배합조건의 무보강 시험체에 비해 최대응력 이후 응력감소 기울기가 매우 완만하였다.

Fig. 4에는 각 시험체의 $E_{c}$에 대한 실험결과와 기준^{(ACI 318-19 2019;} KDS 14 20 00 2021)의 설계식에 의한 예측값과 비교하였다. 모든 LWAC 배합은 설계 기준식에 비해 높은 $E_{c}$ 값을 보였는데, 마이크로 강섬유 혼입된 시험체에서 그 차이는 더 컸다. 무보강 LWAC 시험체들의 $E_{c}$ 값은 KDS 14 20 00 기준식 대비 약 1.10~1.18배, ACI 318-19 식에 비해서는 약 1.0~1.10배 높았다. 마이크로 강섬유 보강 LWAC 시험체들의 $E_{c}$ 값은 각 기준식 대비 각각 1.19~1.21배와 약 1.06~1.12배 높았다. 즉, 마이크로 강섬유 보강은 콘크리트의 $E_{c}$를 다소 증가시켰다.

Fig. 3 Stress-strain relationship in compression

Fig. 4 Comparisons of measured elasticity moduli and predictions by code equations

3.3 압축 인성지수

콘크리트의 압축 응력-변형률 관계로부터 ^{ASTM C1018 (1997)}에 따라 산정한 압축인성지수($I_{c}$) 값을 Table 4에 요약하였다. 무보강 LWAC들은 취성적 거동을 보임으로서 최대응력 시 변형률의 3배까지 측정하지 못하였다. 이에 따라 무보강 LWAC들의 $I_{c}$ 값은 측정된 응력-변형률 관계로부터 산정하지 못하였다. 단, 무보강 LWAC들의 응력-변형률 관계를 Yang et al.(2014)의 모델을 이용하여 평가하고 그때의 $I_{c}$ 값을 산정하면 약 1.35 수준에 있다. 반면, 마이크로 강섬유 보강 LWAC 시험체들의 $I_{c}$ 값은 3.29~3.35 범위에 있었는데, 75-120 배합이 다소 높은 결과를 보였다. 마이크로 강섬유를 0.5 %의 $V_{f}$로 혼입한 경우 고강도 LWAC의 압축인성은 약 2.4배 향상될 수 있다.

3.4 휨 하중-변위 관계

^{ASTM C1018 (1997)}에 따라 측정한 각 시험체의 휨 하중-변위 관계를 Fig. 5에 나타내었다. 무보강 시험체들은 인장 영역에서 휨 균열의 발생과 함께 내력이 급격하게 감소하는 취성파괴 모드를 보였다. 반면 마이크로 강섬유로 보강된 시험체들은 휨 균열 발생 이후에도 경화현상을 보이면서 휨 내력이 증가하다가 경간 중앙부 처짐 양이 약 0.8~1.3 mm 시점에서 내력이 서서히 감소하는 연화현상을 보였다. 특히 최대 휨 내력 이후 경화거동은 잔골재율이 낮은 시험체에서 더 현저하게 나타났다. 매우 취성적 특성을 갖는 고강도 LWAC에서도 0.5 %의 $V_{f}$를 갖는 마이크로 강섬유의 보강은 보의 경화거동을 유도하면서 연성거동으로 전환하는데 매우 효율적일 수 있다고 판단된다.

Fig. 5 Flexural load-deflection relationships of beams

3.5 휨 인성지수

Fig. 6에는 마이크로 강섬유 보강 보의 휨 인성지수를 나타내었다. 취성파괴 모드를 보이는 무보강 보에서는 $I_{f,\: 5}$를 제외한 인성지수의 산정이 불가하였다. 두 시험체 75-120-0.5과 75-130-0.5은 $I_{f,\: 5}$, $I_{f,\: 10}$, $I_{f,\: 20}$ 및 $I_{f,\: 30}$에서 매우 유사한 값을 보였다. 마이크로 강섬유 보강 고강도 LWAC의 휨 인성에 대한 단위수량 영향은 중요하지 않다. 시험체 70-130-0.5은 다른 두 시험체에 비해 다소 높은 인성지수 값을 보였다. 보 시험체의 하중-변위 관계에서 보여주듯이 낮은 잔골재율은 마이크로 강섬유 보강으로 인한 경화현상에 매우 긍정적 효율을 보였다.

콘크리트에서 섬유보강에 의한 인성의 향상은 섬유의 인장강도, 형상비, 직경, $V_{f}$ 및 시멘트 메트릭스와의 부착강도 등의 섬유인자와 함께 콘크리트 배합특성으로서 그 압축강도 및 골재 강도 등의 다양한 요인에 의해 영향을 받는다^{(Hassanpour 2012)}. 이를 고려하여 ^{Yang et al. (2022)}은 섬유보강지수($\beta_{f}$) 개념을 도입하여 섬유의 다양한 변수들이 콘크리트 인성에 미치는 영향을 평가하였다. Fig. 7에는 $I_{f,\: 20}$ 값에 대하여 이 실험결과와 기존의 일반 강섬유 보강 보통강도 LWAC의 실험결과(Li et al. 2017)를 비교하였다. 강섬유 보강 LWAC의 $I_{f,\: 20}$ 값은 $\beta_{f}$의 증가와 함께 증가하는 경향을 보였다. 본 실험에서 측정한 $I_{f,\: 20}$ 값은 동일 $\beta_{f}$ 수준으로 보강된 보통강도 LWAC의 $I_{f,\: 20}$ 값과 동등수준으로 평가되었다. 압축강도가 60 MPa 이상인 매우 취성적 특성을 갖는 고강도 LWAC임에도 마이크로 강섬유의 보강은 콘크리트 휨 인성의 향상에 매우 효율적임을 보였다.

Fig. 6 Flexural toughness indices of microsteel reinforced beam specimens

Fig. 7 Comparisons of $I_{f,\: 20}$ measured in the current tests and previous data for normal-strength lightweight aggregate concrete (LWAC)

3.6 휨 응력-CMOD 관계

Fig. 8에는 EN 14651(2005)에 따라 측정한 보의 휨 응력-균열 폭 진전(crack mouth opening displacement, CMOD) 관계를 나타내었다. 무보강 보는 휨 균열의 발생과 함께 휨 응력이 급격하게 감소하는 취성적 거동을 보였다. 이 거동은 Fig. 5에 나타낸 휨 하중-변위 관계와 매우 유사하였다. 반면 마이크로 강섬유로 보강된 LWAC 보는 단위수량 및 잔골재율과 관계없이 휨 균열 발생 이후에도 경화거동을 보이면서 CMOD 값이 약 1 mm 수준에서 최대 휨 응력에 도달하였다. 최대 휨 응력 이후에는 균열 폭의 급격한 진전에도 불구하고 휨 응력 감소는 서서히 나타났다. 마이크로 감섬유 보강 보들에서 섬유 $V_{f}$는 0.5 %로 동일하게 있기 때문에 전체적인 휨 응력-CMOD 관계는 매우 유사한 거동을 보였다.

Fig. 8 Flexural stress-crack mouth opening displacement (CMOD) curves of beams

3.7 잔류 휨 강도

Fig. 9에는 이 연구에서 측정한 잔류 휨 강도($f_{r,\: i}$)와 기존의 마이크로 강섬유 보강 보통강도 LWAC의 실험결과^{(Kim et al. 2024)}를 비교하였다. 그림의 세로축은 잔류 휨 강도를 초기 휨 균열응력($f_{L}$)으로 무차원하였다. 기존 실험결과의 추세선을 그림에 함께 나타내었다. 마이크로 강섬유 보강 LWAC의 잔류 휨 강도는 $\beta_{f}$의 증가와 함께 증가하는데, 그 증가 기울기는 $f_{r,\: 2}$~$f_{r,\: 4}$에 비해 $f_{r,\: 1}$에서 높았지만 그 차이는 크지 않았다. 이 연구에서 얻은 $f_{r,\: 1}$~$f_{r,\: 3}$ 값들은 동일 $\beta_{f}$ 값을 갖는 기존 연구 결과에 비해 높았다. 이는 휨 인성지수 결과에서와 같이 압축강도가 60 MPa 이상인 고강도 LWAC에서도 마이크로 강섬유 보강은 균열제어를 통한 잔류 휨 강도 향상에 매우 효율적임을 보여준다.

Fig. 9 Comparisons of flexural residual strengths measured in the current tests and previous data for normal-strength lightweight aggregate concrete (LWAC) reinforced with conventional steel fibers