2.1.1 비정질 강섬유 및 붕소 분말

본 재료 실험에서는 콘크리트의 방사선 차폐 성능 및 기계적 성능 향상을 목적으로 P사에서 제조된 비정질 강섬유와 붕소 분말을 혼입하였다. 비정질 강섬유는 두께 24 $\mu$m의 납작한 형태로 길이 10 mm와 30 mm의 직선형 타입을 사용하였으며, 밀도는 7,200 kg/m³, 탄성계수는 200 GPa, 인장강도는 1,600 MPa의 재료 특성을 갖는다. 붕소 분말은 초고압 수분사 공정을 통해 평균 입도 10 $\mu$m 이하의 미세 분말 형태로 제조되었으며, 밀도는 468 kg/m³이다(Fig. 1).

Table 1은 차폐 특성을 평가하기 위한 배합표를 제시하고 있다. 잔골재로는 자연사를, 굵은 골재로는 최대치수 25 mm의 파쇄석을 사용하였다. 워커빌리티 확보를 위하여 고성능 감수제를 사용하였고, 배합 시 사용된 강제식 믹서의 제원은 출력 7.5 kW, 회전속도 10~50 RPM, 최대용량 120 L이다. 시험은 한국산업표준(KS)과 미국재료실험체협회(ASTM)의 기준에 따라 수행하였다.

Fig. 1 Steel fibers (10 mm, 30 mm) and boron powders

2.1.2 배합설계

본 실험의 배합설계 목표는 최소 설계기준 압축강도 27 MPa이며, 물-시멘트비는 50 % 이하, 굵은 골재 최대치수는 25 mm 이하, 공기량은 3.5$\pm$1.5 %, 슬럼프는 100$\pm$25 mm이다. 비정질 강섬유는 콘크리트의 전체 용적을 기준으로 0.1 %와 0.5 %를 혼입하였다. 붕소 분말은 전체 용적을 기준으로 20 %를 혼입하였으며, 이때 비정질 강섬유는 0.5 %로 모두 동일하게 혼입하였다. 배합설계는 KCS 14 20 00^{(KCI 2008a)}의 기준에 따라 진행하였다.

기준 실험체로는 일반 콘크리트인 CS(Concrete Specimen)를 설정하였다. F0.1-10과 F0.5-10는 각각 10 mm 길이의 비정질 강섬유를 0.1 % 및 0.5 % 혼입한 실험체이며, F0.1-30과 F0.5-30는 각각 비정질 강섬유를 0.1 % 및 0.5 % 혼입하되, 섬유 길이를 30 mm로 적용하였다. 또한, FB-W50, FB-W40, FB-W30은 10 mm 길이의 비정질 강섬유 0.5 %와 붕소 분말 20 %를 혼입하고, 물-시멘트비를 각각 50 %, 40 %, 30 %로 구성하였다(Table 1).

CS-T200, F0.5-10-T200, FB-W50-T200의 경우 배합비는 CS, F0.5-10, FB-W50과 동일하되, 방사선 차폐실험용 실험체 제작 과정에서 두께만 변형한 것이다.

2.2.1 압축강도 실험 방법

콘크리트의 압축강도는 KS F 2405^{(KATS 2022b)}에 따라 1,000 kN 용량의 유압식 만능실험기(Universal Testing Machine, UTM)를 사용하여 측정하였다. 각 배합에 대하여 KS F 2403 ^{(KATS 2024a)}에 따라 지름 100 mm, 높이 200 mm의 원형 공시체를 3개씩 제작하였으며, 재령 28일 시점에 압축강도 실험을 수행하였다. 실험 전, 하중 편심을 방지하고 하중이 균일하게 전달되도록 공시체의 상하 단면을 연마하여 요철을 제거하였으며, 가압판의 중심과 공시체의 중심축이 일치하도록 정렬한 후 콘크리트 상부에 접촉되도록 설치하였다. 실험은 하중제어로 수행하였으며, 재하속도는 188 kN/min으로 설정하였다.

2.2.2 구속건조수축 실험 방법

콘크리트의 구속건조수축 실험은 ASTM C 1581^{(ASTM 2009)}에 따라 수행하였으며, Fig. 2에 제시된 바와 같이 거푸집용 외부링, 강재 내부링, 바닥판으로 구성된 링형 지그를 제작하였다. 지그 내부링 안쪽에 4개의 스트레인게이지를 대칭이 되도록 부착하였으며, 이를 데이터로거와 연결하여 균열을 측정하였다. 이후 콘크리트가 타설될 내부링과 외부링 사이의 강재면에 윤활류를 도포하여 쉽게 탈형될 수 있도록 하였으며, 링형 지그에 콘크리트를 100회 다짐을 하여 타설하였다.

실험체는 목표배합 변수별로 2개씩 제작하였으며, 항온항습실에서 48시간 양생 후 외부링을 제거하고 원주방향의 건조수축을 실험하기 위해 콘크리트 링 윗면을 실리콘으로 마감처리 하였다. 온도는 18$\pm$2 °C, 습도는 55$\pm$10 %를 유지하였으며 외부링 탈형을 기점으로 15분 간격으로 스트레인게이지와 데이터 로거로 변형률 측정을 수행하였다. 실험체의 표면관찰에서 균열이 발생한 이후부터 하루에 1회씩 균열을 관찰하였으며, 균열폭, 길이 및 균열의 개수를 측정하였다.

Fig. 2 Shrinkage cracking test setup

2.2.3 차폐 성능평가 실험 방법

방사선 차폐 콘크리트의 차폐 성능 평가는 ASTM C 1402-17^{(ASTM 2017)} 및 KS C IEC 61331-3^{(KATS 2024b)}에 따라 수행하였으며, 비정질 강섬유, 붕소 분말, 차폐재 두께가 차폐 성능에 미치는 영향을 확인하고자 하였다. 실험체는 150 mm$\times$150 mm$\times$300 mm와 150 mm$\times$150 mm$\times$200 mm(가로$\times$세로$\times$두께) 크기의 직육면체로 제작되었으며(Fig. 3), 공기량 및 슬럼프 실험은 KS F 2421^{(KATS 2021)} 및 KS F 2402^{(KATS 2022a)}에 따라 수행하였다.

방사선 차폐 성능 실험은 감마선 방사선원(Co-60)과 감마선 조사장비(Fig. 4)를 이용하였고, 방사선원으로부터 1,500 mm 떨어진 지점에서 콘크리트 투과 후, 감쇠된 감마선량을 측정하였다. 실험은 CS, F0.5-10, FB-W50를 두께 300 mm로 제작하여 실험체별로 3회씩 수행하였고, 동일한 배합조건으로 두께를 200 mm로 변경하여 제작한 CS-T200, F0.5-10-T200, FB-W50-T200은 실험체별로 1회씩 수행하였다. 실험체는 비정질 강섬유가 0.5 % 혼입되고 워커빌리티 변화가 적은 F0.5-10을 선택하였고, 보론이 20 % 혼입된 FB-W 시리즈의 경우 비교군과 동일하게 물-시멘트비 50 %인 FB-W50을 선택하여 실험을 수행하였다. 실험은 온도 20.7$\pm$0.7 ^oC, 습도 53.7$\pm$3.8 % 조건에서 수행하였으며, 다중채널분석기(MCA 에너지 범위 2,500 keV-3 meV)를 활용하였다.

Fig. 3 Modeling of specimen mold

Fig. 4 Radiation shielding test setup

4.1.1 비정질 강섬유 및 붕소 분말 혼입률의 영향

차폐 성능평가 실험 결과를 Table 5에 제시하였다. CS와 F0.5-10, FB-W50의 차폐 성능을 비교한 결과, 혼입재를 포함한 차폐 콘크리트가 일반 콘크리트 대비 방사선 차폐 성능이 크게 향상된 것으로 나타났다.

CS의 평균 방사선 투과량($K_{1,avg}$)은 128.1 mGy/h로 측정되었으며, 차폐율($R_{avg}$)은 98.23 %로 나타났다. F0.5-10는 방사선 투과량이 106.6 mGy/h, 차폐율이 98.53 %로 CS 대비 소폭 증가하였으며, FB-W50은 방사선 투과량이 89.8 mGy/h, 차폐율이 98.73 %로 나타나 가장 높은 차폐율을 보였다.

감쇠율($D_{avg}$)은 콘크리트의 방사선 차폐 성능을 나타내는 지표로, CS와 비교하여 F0.5-10, FB-W50에서 각각 16.8 %, 29.9 %로 CS 대비 감쇠율이 많이 증가하였다. 특히 FB-W50은 붕소 분말이 추가됨으로써 방사선 흡수 및 산란 효과가 더욱 증가한 것으로 나타났다.

4.1.2 차폐 두께의 영향

Table 5에서 콘크리트 두께가 증가할수록 차폐 성능이 향상되는 것을 확인하였다. F0.5-10의 경우 두께 200 mm에서는 방사선 투과량이 414.9 mGy/h로 감소하며 차폐율은 94.2 %로 나타났으며, 두께 300 mm에서는 방사선 투과량이 106.6 mGy/h로 감소하며 차폐율은 98.53 %로 나타났다.

FB-W50도 두께 증가에 따라 차폐 성능 향상이 확인되었다. 두께 200 mm에서는 방사선 투과량이 334.5 mGy/h로 감소하며 차폐율은 95.4 %를 나타냈으며, 두께 300 mm에서는 방사선 투과량이 89.8 mGy/h로 더욱 감소하며 차폐율은 98.73 %를 기록하였다.

동일한 두께에서 FB-W50과 F0.5-10을 비교한 결과, FB-W50이 F0.5-10보다 높은 차폐 성능을 보였다. 이는 붕소 분말의 혼입이 콘크리트의 밀도를 증가시키고 미세구조를 충진하여 방사선의 투과를 더욱 효과적으로 저감시킨 결과로 분석된다.

두께 증가에 따른 성능 향상은 방사선의 감쇠 메커니즘에 따라 차폐율이 증가함을 보였다. 두께 200 mm에서 300 mm로 증가할 때 차폐율은 큰 폭으로 상승하는 경향을 보였다. ^{Ahmed et al.(2023)}에서 수행한 콘크리트 두께 및 밀도에 따른 방사선 감쇠 실험 결과와 본 연구의 실험 결과가 동일한 경향을 보였으며, 콘크리트의 두께 및 밀도가 증가할수록 방사선 투과가 효과적으로 저감된다는 사실을 검증하였다.

이에 따라 콘크리트의 두께와 밀도가 방사선 차폐 성능에 직접적인 영향을 미친다는 사실을 규명하였으며, 특히 붕소 분말을 혼입한 콘크리트는 미세구조의 고밀도화를 통해 투과선량을 현저히 감소시키며, 동일한 두께에서도 CS 대비 우수한 차폐 성능을 보였다.