| 연구성과 |
기술적 기대성과 |
지난 20세기의 콘크리트의 개발 및 연구는 기반산업의 수요를 보다 신속하고 경제적으로 해결하는 데 초점을 맞추어 왔다. 그로 인하여 콘크리트의 압축강도를 증가시키는 방향으로 재료를 개발하고 구조물에 적용하고자 하는 연구가 활발하게 진행되어 왔다. 그러나, 김진근 등(2001)은 20세기에 건설된 콘크리트 구조물의 성능에 관한 논고에서 1930년대 이후에 시멘트와 콘크리트의 강도가 증가하면서 콘크리트 구조물의 성능저하 문제가 더 많이 발생하였음을 보고한 바 있다. 이는 콘크리트의 강도가 증가함에 따라 연성과 비크리프가 적어지고 열수축, 건조수축, 탄성계수 등이 높아짐에 따라 균열이 발생하기에 매우 쉬운 조건을 갖게 되었기 때문이다. 특히, 강도가 높은 콘크리트는 상대적으로 보다 취성적인 재료 특성을 갖기 때문에 피로성능 및 균열 저항성이 현저히 감소하며, 이러한 특성이 콘크리트 구조물의 성능을 조기에 저하시키는 주요 원인으로 작용한 것이다. 이러한 문제를 반영하여 2003년 고성능 섬유보강 복합재료 워크샵에서 Naaman 등(2003)은 “21세기는 인장 하에서 변형률 경화거동을 하고, 균열의 폭을 미세하게 제어할 수 있는 고인성, 고내구성 복합재료를 개발하여 이 재료를 구조물에 적용하는 방향으로 고성능 건설재료의 연구가 지향되어야 한다”고 역설하면서 건설재료의 성능에 대한 시대적인 요구(고인성, 고내구성)를 시사한 바 있다.
본 연구에서 개발하고자 하는 새로운 섬유복합재료는 안정상태 균열이론과 마이크로역학을 이론적 근거로 하여 개발되는 신개념의 고인성, 고내구성 섬유복합 모르타르이다. 이 신섬유복합 모르타르는 보통 콘크리트, 모르타르에 사용하는 보통 포틀랜드 시멘트를 결합재로 사용하는 재료로서 이 재료를 개발하기 위해서는 우선 마이크로역학을 이용하여 섬유복합재료의 기본 구성 요인(섬유, fiber; 매트릭스, matrix; 섬유-매트릭스 경계면, interface)을 최적화 하게 된다. 그리고 안정상태 균열이론 바탕으로 재료가 1축인장 하에서 변형률 경화거동을 하도록 하는 최적의 섬유 혼입률을 결정하게 된다. 이와 같이 섬유의 혼입률이 소요 성능에 따라 최적화 될 수 있기 때문에 경제성 뿐만 아니라, 재료의 제작 공정도 다양화 될 수 있는 장점을 갖게 된다. 즉, 보통 모르타르와 동일한 시공법으로 현장 타설이 가능하며, 보수시공에서 흔히 사용되는 숏크리트 공법에도 적용할 수 있다. 또한 신섬유복합 모르타르를 프리캐스트 보강판으로 제작함으로써 규격화된 생산도 가능할 것으로 판단된다.
？본 연구에서 개발하고자 하는 신섬유복합 모르타르와 유사한 재료인 ECC(Engineered Cementitious Composite)의 경우, 일반 콘크리트에 2% 이내의 합성섬유를 혼입함으로써 콘크리트/모르타르의 수십, 수백배에 달하는 인장변형성능인 2% 이상의 연신율을 갖는 것으로 보고되고 있다(Li 등, Kim 등). 또한 일반적인 시멘트계 재료의 인장응력-변형률 관계 특징인 변형연화(strain softening)현상이 나타나지 않고, 오히려 금속과 유사한 변형경화(straing hardening) 특성을 보이면서 균열폭 80μm 이하의 미세균열이 분포되는 특성을 갖고 있다. 시멘트계 재료의 연성정도를 나타내는 연신율과 특성길이를 비교하여 보면(표1), 본 연구에서 다루는 신섬유복합 모르타르는 보통 콘크리트 또는 모르타르의 수백배에 해당되는 연성(ductility)를 갖게 될 것으로 기대하고 있으며, 재료의 인성(toughness)을 나타내는 파괴에너지는 보통 콘크리트/모르타르의 수백배에 이를 것으로 예상하고 있다. 또한 마이크로역학을 근거로 하여 제어되는 미세한 균열폭과 재료의 연성은 구조물의 내구성을 증진시키는 중요한 효과를 갖게 될 것이다(그림1). 따라서, 유해환경에 노출되어 있는 구조물에 본 연구에서 개발된 신섬유복합 모르타르를 보수/보강 재료로 적용할 경우, 보수/보강된 구조물의 내구성 향상에 크게 기여할 것으로 예상된다.
앞에서 기술한 신섬유복합 모르타르의 특성은 안정상태 균열이론과 마이크로역학에 근거하여 모르타르 매트릭스, 섬유, 경계면 등의 3가지 역학적 요소에 해당되는 각종 요인들을 조절함(그림2)으로써 구현될 수 있다. 따라서 본 연구에서는 외국에서 현재 활발히 연구되고 있는 이론들을 바탕으로 국내의 기술을 기반으로 보수/보강용 섬유복합 모르타르를 개발하고자 하며, 보수/보강공법(숏크리트에 의한 보수공법, 프리캐스트 보강판에 의한 보강공법)을 적용하기 위한 재료의 배합을 최적화 함으로써 최종적으로는 개발된 섬유복합 모르타르를 이용한 구조물 보수/보강 신기술을 개발하고자 한다.
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| 활용방안 |
1. 국내에서 시판되고 있는 최적의 섬유를 선정하여 모르타르용 신섬유복합재료를 개발함으로서 기존의 보수/보강재료가 갖고 있는 해외기술 의존성, 시공성, 경제성 등의 문제를 해결할 것으로 기대된다. 또한 원가절감에 의하여 가격이 인하됨으로써 국내에서 상용 중에 있는 수입제품(보수보강용 모르타르, 보강판)의 가격인하효과를 보게 될 것으로 기대된다.
2. 기존의 복합재료와는 달리 보통 콘크리트 또는 모르타르의 현장타설에 이용되는 배합공정을 그대로 이용할 수 있는 장점이 있다. 따라서 본 연구에서 개발되는 신섬유복합 모르타르는 보수/보강뿐만 아니라 현장 배합에 의하여 타설되는 신설 구조물에도 적용을 확대할 수 있다. 특히 고인성, 고연성이 요구되는 내진구조물과 내충격, 내피로 성능이 요구되는 구조물에 적용할 경우, 구조물의 내구연한을 크게 증진할 수 있을 것으로 기대된다.
3. 기존의 섬유보강 모르타르의 경우, 고인성의 성능을 발휘하기 위하여 요구되는 섬유 혼입률이 4~10% 정도이다. 따라서 고인성 섬유보강 모르타르를 이용하여 숏크리트 공법으로 시공하는 것은 거의 불가능한 것으로 알려져 왔다. 본 연구에서는 다양한 이론을 근거로 하여 섬유의 혼입률을 최소화함으로써 숏크리트 보수시공이 가능한 신섬유복합 모르타르를 개발하게 된다. 따라서 기존의 숏크리트용 보수재료가 갖고 있는 인성 및 연성의 문제점을 해결할 것으로 기대된다. 또한 기존의 고인성 섬유보강 콘크리트/모르타르에 비하여 제작 공정이 단순화됨으로써 시공성 및 인력절감의 효과를 갖게 될 것으로 기대된다.
4. 개발하고자 하는 신섬유복합 모르타르는 탁월한 균열제어효과를 갖고 있기 때문에 구조물의 연성뿐만 아니라 내구성도 향상시키는 효과를 발휘하게 된다. 따라서 유해환경에 노출되어 있는 다양한 구조물의 보수/보강에 적용함으로써 구조물의 유지관리를 위하여 소요되는 비용을 크게 절감할 수 있을 것으로 기대된다.
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