1. 서 론
2. 연구방법
2.1 개요
2.2 사용재료
2.3 배합설계 및 실험변수
2.4 실험 시편제작
2.5 실험방법
3. 실험결과
3.1 PET 섬유의 산성/알칼리성 용액 저항성 실험 결과
3.2 섬유 보강 콘크리트의 휨강도 및 휨인성 실험결과
3.3 PET 섬유 보강 콘크리트 배합의 섬유 SEM 분석 실험결과
4. 결 론
1. 서 론
국내 터널 굴착에 주로 적용되고 있는 NATM (New Austrian Tunnelling Method) 공법은 터널 주변 지반의 지지능력을 극대화하기 위하여 숏크리트(Shotcrete), 록볼트(Rockbolt) 등을 주요 지보재로 활용하는 공법이다. NATM공법에서 주요 지보재로 활용되고 있는 숏크리트는 낙반방지, 내압작용, 응력집중 완화, 풍화방지 및 지반 아치 형성 효과를 발휘하여 터널 굴착 후 조기 안정성을 확보시키는 중요한 역할을 담당하는 것으로 알려져 있다(Moon et al., 2019).
NATM 공법의 주요 지보재로 활용되고 있는 숏크리트는 휨인성 증대를 위하여 강재 또는 기타재질의 섬유(fiber)를 혼입할 수 있도록 규정하고 있으며, 최근까지는 주로 강섬유를 적용해오고 있다. 숏크리트에 강섬유의 사용은 휨인성의 증대 측면에서 효과적으로 적용이 되어오고 있지만, 취급의 어려움, 많은 리바운드량, 강섬유의 부식 등으로 사용에 많은 어려움이 발생하고 있다(Yoon et al., 2012). 이러한 강섬유의 단점을 개선하기 위하여 합성섬유의 적용이 검토되고 있지만, 강섬유와 같이 구체적인 성능기준이 제시되고 있지 않아 사용이 제한적이었다(Moon et al., 2019). 최근 한국도로공사에서는 사용지침을 통해 구조용 합성섬유의 사용량에 대한 기준만 제시하고 있는 실정이다.
숏크리트용으로 검토되고 있는 합성섬유는 매우 다양한 종류의 합성섬유가 적용될 수 있지만, 지금까지는 주로 PP (Polypropylene)섬유가 적용성이 검토되어져왔다. 하지만, PP섬유의 경우 자체의 인장강도가 다소 낮으며, 숏크리트 배합 내에서 부착력이 낮아 2차 가공을 실시해야 하며, 이로 인해 가격이 높아지는 등의 단점을 가지고 있다(Ha and Yang, 2004).
이러한 PP 섬유의 단점을 개선할 수 있는 합성섬유의 종류 중 자체의 인장강도가 높은 PET (Polyethylene terephthalate) 섬유가 검토되고 있는 상황에 있지만(Kim et al., 2010), PET 섬유의 경우 알칼리 저항성이 떨어져 시멘트와 같이 강알칼리성의 재료와 함께 사용되는 것에 많은 우려가 존재하고 있다.
이에 본 연구에서는 PET 섬유 보강재가 섬유 보강 콘크리트 환경에서 단기, 장기간 성능변화 여부를 검토하고자 하였으며, 이를 위하여 PET 섬유 보강재가 산/알칼리 환경에서 어떠한 성능저하 현상이 발생하는지를 검토하였다. PET 섬유 보강재를 첨가하여 제작한 섬유 보강 콘크리트 배합 시험체의 인장강도, 휨인성 값의 재령별 변화를 실험을 통해 분석하고, 섬유 보강 콘크리트 환경 내에서의 PET 섬유의 변화 여부를 SEM 촬영을 바탕으로 분석하고자 하였다.
2. 연구방법
2.1 개요
본 연구에서는 숏크리트 배합을 참고하여 배합설계한 섬유 보강 콘크리트 배합에 PET 섬유 보강재의 첨가에 따른 성능변화 여부 판단을 위하여 PET 섬유 자체의 산/알칼리성 환경에서의 인장강도 감소 경향을 분석하여 감소계수의 변화 정도를 실험하고자 하였다. PET 섬유 보강재가 혼합된 섬유 보강 콘크리트 배합을 통해 PET 섬유가 시멘트 콘크리트 환경에서 성능저하 여부를 판정하고자 하였다.
2.1.1 PET 섬유 보강재 산성/알칼리성 용액 저항성 분석
PET 섬유 보강재의 산/알칼리성 용액 저항성 분석을 pH별, 용액 온도별, 재령별 실험을 실시하였으며, 실험 조건은 Table 1과 같다.
Table 1.
Experiment variables and conditions of PET fiber
| Experiment variable | Experiment conditions |
| pH | 2, 3, 4, 5, 9, 10, 11, 12 |
| Temperature (°C) | 25, 60, 80 |
| Material age (days) | 30, 60, 90 |
2.1.2 PET 섬유 보강 콘크리트의 성능 안정성 분석
PET 섬유 보강재가 혼입된 시험편을 제작하여 재령별, 초기 양생조건을 달리하여 압축강도, 휨강도, 휨인성 실험을 실시하였으며, 실험 이후 시편 내의 PET 섬유에 대하여 SEM 분석을 실시하였다. PET 섬유 보강재에 대하여 단기 및 장기 성능변화 여부 검토를 통해 PET 섬유의 성능 안정성을 검토를 위한 실험조건 및 변수는 Table 2와 같다.
Table 2.
Experiment variables and conditions of PET fiber shotcrete
2.2 사용재료
2.2.1 시멘트
본 연구에서 사용한 시멘트는 1종 보통 포틀랜트 시멘트이며, 그 특성은 Table 3과 같다.
Table 3.
Properties of cement
| Chemical composition (%, weight) |
Density (mg/cm3) |
Fineness (cm2/g) |
Loss ignition (%) | |
| MgO | SO3 | |||
| 2.02 | 2.85 | 3.16 | 3,860 | 2.24 |
2.2.2 골재
본 연구에서 사용한 굵은골재는 최대치수 13 mm의 부순 골재를 사용하였으며, 잔골재는 강사를 사용하였다. 그 특성은 Table 4와 같다.
Table 4.
Properties of aggregate
| Type of aggregate | Density (g/cm3) | Absorption (%) | FM (Fineness Modulus) |
| Coarse aggregate | 2.62 | 1.3 | 6.08 |
| Fine aggregate | 2.61 | 0.7 | 2.94 |
2.2.3 섬유
본 연구에서 사용한 섬유 보강은 섬유 보강콘크리트에 가장 널리 적용되고 있는 강섬유(Ku et al., 2014; Kang et al., 2017)와 부식 우려가 없는 구조용 합성섬유인 PET 섬유를 사용하였다(Fig. 1). 섬유 보강재는 형상비(L/D) 60, 길이 30 mm, 직경 0.5 mm인 hook type의 강섬유와 형상비(L/D) 60, 길이 41.55 mm, 직경 0.7 mm인 PET 섬유를 사용하였으며, 특성은 Table 5와 같다.
Table 5.
Physical properties of fiber
2.3 배합설계 및 실험변수
본 연구에서 사용한 섬유 보강 콘크리트의 배합설계는 OO~OO 도시고속화도로 1공구 현장 숏크리트 배합을 참고하여 배합설계를 진행하였으며, 압축강도, 휨강도 시편 제작용으로 급결제를 사용하지 않고 유동화제는 PC계 유동화제(KMB)를 사용하였다. 슬럼프는 100 mm 이상, 공기량은 별도의 기준을 설정하지 않았다.
한국도로공사 고속도로 건설재료 품질기준(Korea Expressway Corporation, 2023) 숏크리트 표준 배합비에 따라 강섬유 혼입량은 37 kg/m3으로 결정하였으며, 구조용 합성섬유는 NATM 터널 지보재로 사용되는 강섬유 보강 숏크리트의 상대적인 성능과 비교하여 사용되는 혼입량을 8, 10 kg/m3 사용하였다. 본 연구에서 적용된 배합비는 Table 6과 같으며, 섬유의 종류, 섬유량 및 양생조건은 Table 7과 같다.
Table 6.
Mix design
Table 7.
Experimental variable
| Type of mix | Type of fiber | Usage (kg/m3) | Curing condition |
| Steel | Steel | 37 | Water curing |
| PET-8 | PET | 8 | Water curing |
| Steam curing | |||
| PET-10 | PET | 10 | Water curing |
| Steam curing |
각 배합별 Φ100 mm × 200 mm의 표준공시체를 3개씩 제작하여 압축강도를 측정하였으며, 그 결과는 Table 8에 나타내었다. 강섬유 보강 콘크리트 배합과 합성섬유 보강 콘크리트 배합 모두 숏크리트 품질기준강도인 35 MPa를 만족하였다.
Table 8.
Compressive strength test result (28 days)
| Type of mix | No. 1 | No. 2 | No. 3 | Average of compressive strength (MPa) |
| Steel | 63.82 | 59.34 | 66.28 | 63.15 |
| PET-8 | 56.37 | 54.06 | 55.43 | 55.29 |
| PET-10 | 53.19 | 51.53 | 50.51 | 51.74 |
2.4 실험 시편제작
섬유 보강 콘크리트 시편 제작은 재료 계량 후 믹서를 사용하여 혼합 및 섬유를 혼입한 후(Fig. 2(a)), 계속해서 콘크리트 믹싱을 하였다(Fig. 2(b)). 굳지 않은 콘크리트의 실험을 진행 및 콘크리트 믹싱 완료 후 섬유 보강의 상태를 확인하였다(Fig. 2(c)~2(d)). 그리고 콘크리트 타설 후 진동 다짐한 후 양생조건에 따라 수중양생 및 증기양생을 실시하고 타설 24시간 후에 섬유 보강 콘크리트 시편을 탈형하였다.
2.5 실험방법
2.5.1 PET 섬유의 산성/알칼리성 용액 저항성 실험
PET 섬유의 산성/알칼리성 용액 저항성 분석 실험을 위하여 원사와 가공사에 대하여 ASTM D 5322-17 (2017)에 따라 pH별 완충용액에서 온도 및 재령을 변수로 수조에서 용액에 침지시켜 재령에서 인장강신도 측정을 실시(Fig. 3)하고 이를 바탕으로 강도감소계수를 계산하였다.
2.5.2 섬유 보강 콘크리트의 휨강도 및 휨인성 실험
휨성능을 평가는 최대 용량 600 kN의 만능재료시험기(UTM)을 이용하였으며, UTM은 컴퓨터로 하중 및 변위량이 표시되며, 기능제어가 가능하다. 휨성능 실험모습은 Fig. 4와 같이 하부의 지지롤러 위에 섬유 보강 콘크리트 시편을 위치하게 한 후 3점 재하하였다. 2개의 변위센서(LVDT)를 상부 재하롤러가 위치하고 있는 시편 양쪽에 설치하여 수직변위를 측정하였다.
휨인성 및 등가 휨강도는 ASTM C 1609 (2020)에 준하여 계산하였으며, 하중-변위 곡선의 최대 하중()과 첫 피크 하중()이 상이한 경우에는 각 하중에 대한 휨강도 과 를 구하고 과 을 읽고 그에 해당하는 휨강도 , 을 산정하였다. 휨인성은 처짐이 지간 l의 l/150이 되기까지의 하중-변위 곡선 아래의 면적()이며, 등가 휨강도는 다음 식 (1)에 따라 산정하였다.
여기서, 는 지간의 L/150의 처짐(mm), 는 Fig. 5에 나타낸 L/150까지의 면적, 은 지간(mm), b는 파괴 면적의 평균 폭(mm), h는 파괴 면적의 평균 높이(mm)이다.
2.5.3 PET 섬유 보강 콘크리트의 섬유 SEM 분석
SEM (Scanning Electron Microscope)은 분해능 1 nm - 30 kV의 고분해능 주사전자현미경을 이용하였으며, PET 섬유 보강 콘크리트의 배합 및 재령별 휨강도 실험 후 섬유를 채취하여 20 µm - 10 kV으로 SEM 분석을 실시하였다(Fig. 6).
3. 실험결과
3.1 PET 섬유의 산성/알칼리성 용액 저항성 실험 결과
3.1.1 PET 섬유의 산성 용액 저항성 실험 결과
온도별(25°C, 60°C, 80°C) 산성 용액에 침지 실험된 PET 섬유 보강재의 산성 용액 침지 후 측정한 인장강도 실험 결과는 Figs. 7, 8, 9와 같으며, 인장신도의 실험 결과는 Figs. 10, 11, 12와 같다.
PET 섬유의 산성 용액에 대한 저항성 분석 실험결과, 인장강도 보유율은 83.4~96.4%로 나타났으며, 25°C에서는 86.4~96.4%, 60°C에서는 86.2~91.8%, 80°C에서는 83.4~87.2%의 강도 보유율로 나타났다. 인장신도 보유율은 82.8~95.6%로 나타났으며, 25°C에서는 85.6~95.6%, 60°C에서는 85.4~91.6%, 80°C에서는 82.8~87.1%의 신도 보유율로 나타났다.
원사의 경우 가장 가혹한 조건인 pH 2, 온도 80°C에서 90일간 침지 후 측정한 결과에서 인장강도는 83.4%, 인장신도는 82.8%의 보유율을 나타내었으며, 가공사의 경우 동일조건에서 인장강도 84.7%, 인장신도 84.2%의 보유율을 나타내었다. 인장강도 및 인장신도 보유율의 감소 경향은 30일 이후에는 크지 않은 것으로 나타났다.
고온에 노출될수록(25°C → 80°C), 시험 pH가 낮을수록(pH 6 → pH 2), 용액 노출시간이 길어질수록(0 day → 90 days) 인장강도 및 인장신도가 모두 감소하여 보유율이 감소하는 것으로 나타났다.
PET 가공사의 강도 보유율이 원사보다 크게 나타났으며, 이는 가공사의 연사 및 가공에 의한 강도 저하가 감소함에 기인하는 것으로 판단된다. 가공사의 경우 pH가 높을수록(강산 → 약산) 강도 보유율은 증가하였으며, 약산성상태에서 보강섬유의 강도 보유율이 증가함을 알 수 있었다. 이로부터 PET 가공사의 경우 온도가 상승하고 용액 노출시간이 길어져도 산성 용액에 의한 강도 보유율은 크게 감소하지 않는 것으로 나타났다.
3.1.2 PET 섬유의 알칼리성 용액 저항성 실험결과
온도별(25°C, 60°C, 80°C) 알칼리 용액에 침지 실험된 PET 섬유 보강재의 알칼리 용액 침지 후 측정한 인장강도 실험 결과는 Figs. 13, 14, 15와 같으며, 인장신도의 실험 결과는 Figs. 16, 17, 18과 같다.
PET 섬유의 알칼리용액에 대한 저항성 분석 실험 결과, 인장강도 보유율은 42.4~97.9%로 나타났으며, 25°C에서는 86.3~97.9%, 60°C에서는 85.1~90.3%, 80°C에서는 42.4~84.3%의 강도 보유율을 나타났다. 인장신도 보유율은 40.5~97.2%로 나타났으며, 25°C에서는 84.8~97.9%, 60°C에서는 82.3~89.6%, 80°C에서는 40.5~82.2%의 신도 보유율을 나타났다.
원사의 경우 가장 가혹한 조건인 pH 12, 온도 80°C에서 90일간 침지 후 측정한 결과에서 인장강도는 42.4%, 인장신도는 40.5%의 보유율이 나타났으며, 가공사의 경우 동일 조건에서 인장강도 52.3%, 인장신도 55.7%의 보유율을 나타냈다. 인장강도 및 인장신도 보유율의 감소 경향은 30일 이후에는 크지 않은 것으로 나타났다.
고온에 노출될수록(25°C → 80°C), 시험 pH가 높을수록(pH 9 → pH 12), 용액 노출시간이 길어질수록(0 day → 90 days) 인장강도 및 인장신도가 모두 감소하여 보유율이 감소하는 것으로 나타났다.
PET 가공사의 강도 보유율이 원사보다 크게 나타났으며, 이는 가공사의 연사 및 가공에 의한 강도 저하가 감소함에 기인하는 것으로 판단된다. 원사의 경우 온도와 시간이 일정할 경우 pH가 커질수록(약알칼리성 → 강알칼리성) 강도 보유율은 크게 감소하였으며, 특히 온도 80°C의 경우 pH 10 이상에서 용액 노출시간이 길어질수록 보강섬유의 강도 보유율이 급격히 감소하였으며, 강알칼리성 용액(pH 12)일 경우 시험 시간이 길어질수록 가공사의 강도 보유율도 감소하였지만, 실제 섬유 보강 콘크리트에 첨가된 조건에서는 주어진 환경조건이 다르므로 가수분해 정도가 크지 않을 것으로 판단된다.
3.2 섬유 보강 콘크리트의 휨강도 및 휨인성 실험결과
섬유 보강 콘크리트의 휨강도 실험결과는 Fig. 19(a)와 같으며, 모든 배합에서 한국도로공사 고속도로 건설재료 품질기준(Korea Expressway Corporation, 2023)의 섬유 보강 콘크리트의 휨강도 기준인 4.5 MPa를 상회하는 결과를 나타내었으며, 재령이 증가할수록 휨강도가 다소 증가하였지만, 그 증가 경향은 크지 않은 것으로 나타났다.
섬유 보강 콘크리트의 등가 휨강도 실험시 측정된 하중-변위 곡선은 Fig. 19(b)와 같으며, 섬유 보강 콘크리트의 등가 휨강도 측정결과, 재령 28일에서 PET 8 kg/m3 배합을 제외하고 한국도로공사 고속도로 건설재료 품질기준(Korea Expressway Corporation, 2023)의 숏크리트 등가 휨강도 기준인 3.0 MPa를 상회하는 결과를 나타내었다.
PET 섬유 보강 콘크리트의 초기 양생 조건별에 따른 휨강도 실험결과는 Fig. 20(a)와 같으며, PET 섬유 보강 콘크리트의 초기 증기양생시킨 배합이 수중양생시킨 배합에 비해 휨강도가 낮은 것으로 나타났다.
초기 증기양생 배합의 경우, 챔버의 좁은 공간에서 시편을 적재하여 양생시켜 초기 증기양생 효과가 반영되지 않은 것으로 판단되며, 초기 증기양생시킨 시편도 재령이 지남에 따라 강도가 증가하는 경향을 보여주었다.
PET 섬유 보강 콘크리트의 초기 양생 조건별에 따른 등가 휨강도 결과는 Fig. 20(b)와 같으며, 재령 28일에서 PET 8 kg/m3 배합을 제외하고 PET 섬유 보강 콘크리트의 초기 증기양생시킨 배합이 수중양생시킨 배합에 비해 등가 휨강도가 낮은 것으로 나타났다. 또한, 대체적으로 재령 150일으로 재령이 지날수록 등가휨강도가 증가하는 경향을 보여주었다.
섬유 보강 콘크리트의 등가 휨강도 실험시 측정된 하중-변위 곡선은 Figs. 21, 22, 23과 같다. 강섬유 보강 콘크리트 배합의 경우, 최대 하중 발현 후 잔류강도가 저하되는 전형적인 결과를 보여주었다.
합성섬유 보강 콘크리트 배합의 경우, 최대 하중 발현 후 합성섬유에 의한 잔류강도 증가 경향을 보여주고 있으며, 초기 양생 조건에 따른 섬유의 강도 감소로 인한 휨인성 저하 경향은 나타나지 않았다.
3.3 PET 섬유 보강 콘크리트 배합의 섬유 SEM 분석 실험결과
PET 섬유 보강 콘크리트의 휨강도 실험 후 섬유를 채취하여 SEM 분석을 실시하였다. PET 8 kg 실험체의 PET 섬유 SEM은 Fig. 24와 같으며, PET 10 kg 실험체의 PET 섬유 SEM은 Fig. 25와 같다.
PET 섬유 보강 콘크리트 실험 후 내부 섬유에 대한 SEM 분석결과 섬유 표면에서의 손상이나 단면 손실이 발생하지 않은 것으로 나타났다. 이는 초기 증기양생 조건에 노출시킨 배합에서도 전혀 표면의 손상이 발견되지 않았으며, PET 섬유가 강알칼리성에서 나타나는 강도 감소 현상은 섬유 보강 콘크리트 배합환경에서는 발견되지 않았다.
4. 결 론
본 연구에서는 섬유 보강 콘크리트 배합에 사용되는 PET 섬유의 배합환경 내에서 섬유 자체의 강도 감소 발생유무를 검토하고자 섬유 종류별, 섬유 혼입량별 휨강도, 등가 휨강도를 재령별로 검토하였다. 이와 함께 섬유 표면에서의 손상유무 확인을 위하여 SEM 분석을 실시하여 섬유 보강 콘크리트 환경 내에서의 PET 섬유 보강재의 성능 안정성을 평가하고자 하였으며, 평가 결과에 대한 결론은 다음과 같다.
1. 섬유 보강 콘크리트에 사용되는 PET 섬유는 강알칼리성 용액(pH 9, 10, 11, 12)에서 가수분해되어 강도 보유율이 저하되는 것으로 나타났다. 특히, pH 12, 온도 80°C의 조건에서는 재령에 따라 강도 보유율이 인장강도의 경우 원사가 46.2~42.4%까지 감소하였으며, 가공사의 경우 56.2~52.3%로 감소하였다. 하지만, 동일 pH에서 60°C일 경우, 원사는 87.2~85.1%, 가공사의 경우 88.2~85.2%로 감소율이 크게 줄었으며, 25°C일 경우, 원사가 90.1~86.3%, 가공사가 91.2~88.4%로 강도 감소율이 크지 않은 것으로 나타났다.
2. 다양한 종류의 섬유 보강 콘크리트의 휨강도 실험결과 종류에 따른 휨강도의 차이는 발생하였지만, 대부분의 배합에서 기준 휨강도를 상회하는 것으로 나타났다. 이는 강섬유와 비교했을 때 합성섬유 보강재도 콘크리트의 인성 보강 효과가 충분하다는 것으로 볼 수 있으며, 기존 강섬유를 대체할 수 있는 충분한 거동 특성을 확인한 결과라고 볼 수 있다. 재령에 따른 강도 증가가 크지 않은 것은 고강도 섬유 보강 콘크리트 배합의 특성상 조기 강도 발현으로 재령에 따른 강도 증가 영향은 크지 않다는 것을 알 수 있으며, 섬유 보강재의 종류에 따른 장기 재령에서의 영향도 크지 않다고 보는 것이 합당하다고 볼 수 있다.
3. PET 섬유 보강 콘크리트 배합의 경우에도 초기 양생 조건에 따른 성능변화 등이 크지 않았으며, 재령에 따른 휨강도, 등가 휨강도도 안정적으로 발현되고 있는 결과를 나타냄에 따라 콘크리트 환경에서는 PET 섬유 보강재가 우려되는 가수분해로 인한 성능저하 등이 발생하지 않는 것으로 판단할 수 있으며, 안정적인 잔류강도 보유 특성을 나타낼 수 있다고 볼 수 있다.
4. PET 섬유 보강 콘크리트에 대한 섬유 SEM 분석 결과에서도 표면 손상이나 단면 변화가 관찰되지 않았다. 이는 고온노출된 경우나 장기 재령에서도 어떠한 손상이나 단면 감소가 발생하지 않은 것으로 볼 때 콘크리트 환경에서는 PET 섬유에 대한 강도 감소 영향은 우려하지 않아도 되는 것으로 판단된다.
