섬유보강 고강도 시멘트 복합체

김 원 기 _ 아세아시멘트 기술영업팀장

1. 서 론
시멘트란 그 어원이 “잘려진 돌”을 의미하는 그리스어 “cae-dere”에서 유래한 것으로 19세기 후반부터 “타 물질과 결합 하는 것”이란 의미로 사용되어 왔다. 시멘트는 자체로서 보다는 다른 물질들, 골재와 골재를 결합시켜 콘크리트를 구성하는 결합재이다. 콘크리트는 경제적이고 구하기 쉬우며, 다양한 형상의 구조물을 손쉽게 만들 수 있다는 장점 때문에 대표적인 시멘트 복합체로서 건설재료로 가장 많이 사용되고 있다. 그러나 건설구조물이 대형화되고 고층화되는 추세에 따라 콘크리트의 단점인 건조 수축 문제, 압축강도에 비해 낮은 인장강도, 취성, 균열 발생 등의 문제로 구조 계획에 제한을 받고, 일정 수명이 지나면 해체 후 재시공을 해야 하는 점들이 한계로 지적되고 있다.
이러한 한계를 극복하기 위한 방법으로 시멘트의 성능을 개선하거나 실리카 흄과 같은 혼화재료를 사용하거나 고성능의 분산제를 첨가하여 혼합수를 낮추는 방법 등 이 개발되고 있다. 콘크리트의 압축강도에 비하여 매우 낮은 인장강도와 휨강도에 기인한 연성(ductility)의 부족, 낮은 파괴에너지 등을 개선하기 위하여 섬유보강 방법이 일찍이 개발되었으며 다양한 섬유와 보강 방법이 지속적으로 나타나고 있다. 본고에서는 콘크리트의 한계를 극복하는 시멘트 복합체로서 섬유보강 고강도 시멘트 복합체를 중심으로 섬유보강 시멘트 복합체와 최근의 동향과 사례 등을 소개하고자 한다1).

2. 섬유보강 고강도 시멘트 복합체
섬유보강 시멘트 복합체는 탄소섬유, 유리 섬유, 강섬유, 폴리프로필렌, 나일론 섬유 등을 체적비로 1~2%, 많게는 8%까지도 혼입하여 균열 발생시 균열면에 위치한 섬유가 균열의 성장을 억제하도록 인성을 부여한 것이다. 섬유는 20세기 초부터 미국 등지에서 다양한 형태의 특허가 출원되었으나 실용화를 위한 연구는 1963년 미국에서부터 시작되었다. 섬유의 종류는 현장시공용의 강섬유와 공장제품용의 유리섬유, 내알칼리 유리섬유가 대표적이고 이외에도 탄소섬유, 아라미드섬유 및 나일론, 폴리에틴렌, 폴리프로필렌섬유 등의 유기질섬유, 천연섬유가 있으며, 섬유의 사용하는 종류에 따라 적용대상과 역학적 특성, 경제성을 고려하여 다양하게 사용될 수 있다. 표 1은 섬유보강 시멘트 복합체용으로 사용하는 여러 가지 섬유의 물성을 나타낸 것이다.
섬유보강 고강도 시멘트 복합체는 강도를 크게 증진시키는 기술, 연성과 인성을 증진시키는 기술, 그리고 이 두가지를 모두 증진시키는 기술을 개발하는데서 실현할 수 있다.

표 1. 각종섬유보강재의 물성2)

2.1 고강도화 복합체
시멘트 복합체의 강도를 증진시키는 방법에는 단위결합재의 양(부피)를 크게 하거나, 고성능의 분산제를 사용하여 물과 시멘트의 비를 극도로 낮추거나 강도가 높은 골재를 사용하는 방법 등이 있지만 궁극적으로는 공극을 최소화하는 것이 이상강도에 근접하는 것이다. 즉 최적의 충전율을 확보할 수 있도록 여러 입도의 분체들을 혼합비를 최적화하는 방법으로 DSP(Densified System Containing Homogeneous Arranged Ultra-fine Particles)와 폴리머로 시멘트의 공극을 충전하여 공극을 최소화하는 MDF(Macro Defect Free) 기술 등이 대표적이다.

1) DSP
DSP(Densified System Containing Homogeneous Arranged Ultra-fine Particles)는 1980년대 초 Bache3)와 Alford 등4)이 발표한 초고강도 개념으로 고성능감수제에 의하여 W/C를 낮게 하고, 0.1μm 정도의 미립자를 혼화하여 시멘트 입자의 충전성을 향상시킨 초고강도 경화체이다. 사용하는 골재도 보오크사이트, 화강암, 현무암 등의 강도가 높은 골재를 사용하여 압축강도 150~400MPa 범위의 경화체를 만들 수 있다. 오늘날 실용화된 DSP 경화체는 저발열 시멘트(중용열시멘트, 저열시멘트 등)에 폴리카르본산계 고성능AE감수제라는 분산제를 사용하는 경우가 많다. 시공에 있어서 양호한 유동성이나 충전성을 확보하는 것이 중요하므로 초고강도화를 추진하는 경우에도 단위수량을 극단적으로 감소시키지는 않는다. 저발열시멘트를 사용하는 것은 W/C가 매우 낮으므로 단위 시멘트량이 크게 증대되는 경향이 있어서 수화발열량이나 경화수축량을 최소화하기 위함이다. 그외 팽창재나 수축저감재의 적용도 검토하고 있다.

2) MDF
MDF는 수용성 고분자를 시멘트에 대하여 4~7% 정도 혼입하여 휨강도를 크게 향상시키는 것으로 가압과 압출을 통해 기포를 제거하여 치밀화시키는 것이다5). 압축강도는 보통시멘트를 사용하는 경우 150MPa 부근, 알루미나 시멘트를 사용하는 경우에는 300MPa 까지 발현된다. 다양한 용도가 시도되고 있으며 강섬유를 혼입하여 전자기파를 차폐할 수 있는 재료도 개발되었으나 MDF는 섬유 혼입시 매트릭스의 유동성이 지나치게 증가하는 등의 시공상의 문제점이 있어서 섬유보강 고강도 시멘트 복합체로는 DSP를 적용하는 방향으로 개발이 진행되고 있다.

2.2 섬유보강 시멘트 복합체
일반적인 시멘트 경화체(콘크리트)에 섬유를 보강하여 높은 연성과 인성을 갖도록 하는 시멘트 복합체로 SIFCON, SIMCON, ECC 등이 개발되었다. 섬유보강에 따라 균열 분산 효과가 일어나 연성과 인성이 증가한다. 그림 1은 섬유보강 시멘트 복합체의 특성을 나타낸 것이다.

1) SIFCON
SIFCON(Slurry Infiltrated Fibered Concrete)은 거푸집 속에 섬유 뭉치(bulk fiber)를 넣고 유동성의 슬러리 모르터를 주입하여 만드는 것으로 시공(타설) 중 워커빌리티 문제를 야기하지 않도록 많은 양의 섬유(5~15%)가 필요한 기술이다. 적절한 채움 효과를 얻기 위해 매우 묽은 슬러리를 사용해야 하므로 물/시멘트 비가 높은 편이다. 따라서 특별한 타설 기법이 필요하고 직접인장강도가 낮으므로 장경비(aspect ratio)가 높은 섬유를 사용해야 한다.
그 결과 재료의 이방성이 나타나게 되어 구조 부재의 특성도 방향성을 띄게 되며 SIFCON으로 만든 보의 경우 매우 높은 휨강도를 갖는 반면 전단력, 또는 집중 하중에 대해서는 낮은 성능을 보이게 된다. 일축방향의 인장시험에서는 낮은 강도의 매트릭스에 긴 섬유를 다량(5~15%)으로 사용함에 따라 균열이 분산되는 경향을 보이면서 매우 연성적인 거동을 나타낸다. 그러나 섬유 혼입률이 높은 것에 비해 강도는 크게 향상되지 않는다.
SIFCON은 역학적 특성이 제한적이므로 실무적 적용 범위에도 한계가 있으며 시공비용 측면에서도 경제성이 떨어지는 기술이다. 적용 가능성이 있는 사용처로는 충격하중 및 피로하중에 대한 내구성이 중시되는 포장용 재료 또는 균열 손상된 포장도로의 보수용, 접합이 자유로운 슬래브 또는 손상된 슬래브의 보수 용도로 사용할 수 있다. 강진 지역에서는 철근 콘크리트 기둥과 같은 모재에 SIFCON을 덧씌우는 형식으로 내진용 외장재로 사용할 수 있다.

2) SIMCON
SIMCON(Slurry Infiltrated Mat Concrete)은 비교적 긴 섬유로 필터 모양의 강섬유 매트를 만들고 여기에 그라우트를 주입하는 것으로 휨강도가 매우 큰 재료이다. SIFCON과 동일한 수준의 휨강도 및 에너지 흡수능력(인성)을 얻는데 필요한 섬유의 양을 절반 이하로 줄일 수 있다.

3) ECC
ECC(Engineered Cementious Composite)는 길이가 20mm 이내로 비교적 짧고 직경도 0.5mm 이하로 매우 가느다란 합성 섬유를 혼입한 시멘트 복합체로서 압축강도는 보통 70MPa 이하이다. ECC는 1990년대 초 미국 미시간대학의 Victor Li 교수가 마이크로 역학에 근거한 재료설계 개념을 도입하여 높은 인장 변형 능력 및 변형 경화 특성을 보이는 고인성 시멘트 복합체로 개발한 것이다6). 인장강도는 동일한 압축강도 수준의 섬유를 보강하지 않은 콘크리트보다 10% 이상 증가하지 않으나 직접인장에서는 균열의 분산과 변형률 경화 현상을 나타내며 매우 큰 연성을 보인다. 그림 1에서 반복하중에서의 철근 배근된 기둥의 부재 실험에서 RC 기둥은 응력의 집중에 따라 균열이 성장하고 철근 부착부에서 할열파괴를 일으키는 것과 달리 ECC 기둥은 동일한 최종변위수준까지 균열의 분산과 변형률 경화 현상으로 연성적인 거동이 유지된다.
이러한 특성을 얻기위해 합성섬유는 비중이 낮고(1.5 이하) 탄성계수가 큰(40 GPa) 것을 사용해야 한다. ECC 용합성 섬유에는 PVA(Poly Vinyl Alcohol), PE(Polyethylene)계 섬유가 있으며 장경비 크고 워커빌리티가 문제가 되는 경우 섬유의 혼입량은 2% 이내로 사용하는 것이 바람직하다.

그림 1. 섬유보강 시멘트 복합체의 특성7)

2.3 섬유보강 고강도 시멘트 복합체
섬유보강 고강도 시멘트 복합체는 전술한 DSP의 고밀도 특성을 이용하여 150MPa 이상의 압축강도를 갖는 매트릭스에 단섬유를 다량으로 사용하거나 단섬유와 장섬유를 혼합하여 높은 인장강도 또는 휨인성을 보유하도록 한 것으로 초고성능 콘크리트(UHPC, Ultra High Perfomance Concrete)라고도 한다.
섬유보강 고강도 시멘트 복합체에는 CRC, RPC, MSFRC 등이 있다. CRC(Compact Reinforced Composite)는 덴마크의 Aaborg Portland사에서 개발한 것으로 직경 0.15mm, 길이 6mm의 강섬유를 5~10% 첨가한 것이며8) RPC(Reactive Powdered Concrete)는 프랑스 Bouygues사에서 개발한 것으로 직경 0.16mm, 길이 13mm의 미세 강섬유를 2.5% 첨가한 것이다9). MSFRC(Multi Scale Fiber Reinforced Concrete)는 프랑스 LCPC(Laboratoire Central Ponte et Chaussees)에서 개발한 것10)으로 길이가 짧은 섬유와 긴 섬유를 혼합한 섬유에 의한 균열 억제 능력을 최대로 하여 초고강도-고인성으로 개발한 복합재료이다.

1) CRC
CRC는 철근을 과밀하게 배근할 필요가 있는 해양구조물이나 군사 목적용 시설 등의 특수한 용도에 적합한 섬유보강 시멘트 복합체이다. 이러한 용도의 구조물은 일반적인 철근 콘크리트보다 5~10배 이상의 철근을 과밀 배근하는 경우가 있는데, 이처럼 철근량이 많아져서 과밀배근이 되면 철근 주변으로 피복 콘크리트의 균열 발생이 증가할 수 있다. 이 경우 피복 콘크리트를 단섬유 혼입률이 높은 CRC를 적용하면 구조부재의 내력이나 연성은 크게 증가하지 않지만 재료적 측면의 인장강도와 연성이 증가하여 콘크리트의 균열을 억제하는데 효과적이다.

2) RPC
RPC는 전술한 DSP에 미세 강섬유(steel fiber)를 사용하여 높은 수준의 연성을 발휘하도록 한 것이다. 여기에는 초고강도 섬유보강 콘크리트(UFC : Ultra High Strength Fiber Reinforced Concrete)와 복수 미세 균열형 섬유보강 시멘트 복합재료(HPFRCC : High Performance Fiber Reinforced Cement Composite)가 있다.
UFC는 압축강도와 더불어 휨강도와 인성이 크게 향상시킨 것으로 압축강도와 인장강도의 특성값(설계값)은 각각 150MPa 이상, 5MPa 이상이다. 표준적인 배합을 표 2에 나타내었다. 표준배합에서 압축강도의 평균값은 200MPa 정도이다. 유동성, 발열, 수축의 관점에서 규산율(SiO2/(Al2O3+Fe2O3))이 높고 C3A 함유량이 적은 포틀랜드 시멘트를 사용하는 것이 적합하며, 중용열, 내황산염, 저열시멘트 등의 사용도 바람직하다. 골재의 크기는 2.5mm 이하로서 입자 지름 1μm 이하의 실리카흄 등의 포졸란 재료와 시멘트와 포졸란 재료의 중간 입도(2~20μm 정도)를 갖는 규석 분말을 사용하여 입자의 충전성을 향상시키고 있다. 표준적으로 가압가열양생을 실시하며 일반적으로 증기양생을 행한다. 따라서 보통 프리캐스트 콘크리트 형태로 사용한다. 가열양생 중의 강도 발현, 수축, 수화 조직의 치밀화가 일어나므로 안정성과 내구성을 확보한 상태에서 구조물에 적용을 개시할 수 있다.
복수 미세 균열형 섬유보강 시멘트 복합재료(HPFRCC : High Performance Fiber Reinforced Cement Com-posite)는 유기계 단섬유를 사용한 RPC형 고강도 섬유보강 시멘트 복합체로 콘크리트로 폴리비닐알콜(PVA)나 폴리에틸렌 등의 유기계 단섬유를 몰탈 매트릭스 중에 부피비로 최대 2%까지 혼입한 재료로 매트릭스로는 OPC나 플라이애시를 혼화한 시멘트 외에 폴리머 시멘트 등도 사용한다10). 이 재료는 강재와 유사하게 변형경화형의 소성적인 인장응력·변형거동을 나타내므로 복수의 미세한 균열을 발생시켜서 균열의 폭을 억제한 점이 특징이다. 철근과 조합한 구조 부재에는 철근의 항복 변형을 넘어서는 영역에서도 HPFRCC의 인장성능이 유지되는 것을 이용하여 인장력이나 전단응력을 콘크리트에 전담시킬 수 있다. UFC와 HPFRCC는 둘다 섬유보강형 초고강도 콘크리트지만 설계 사상이나 역학 특성은 크게 다르다. UFC는 고강도가 우선이고 균열의 발생이 없는 것이 특징인 반면 HPFRCC는 균열을 허용하는 것을 특징으로 한다.

표 2 RPC의 표준 배합 예10)

3) MSFRC
섬유보강의 효율성은 섬유의 길이와 균열 억제력과의 상관성 측면에서 보면, 단섬유의 경우 많은 양을 사용하여 초기에 발생하는 미세 균열을 억제하는데 효과적이고 장섬유의 경우에는 적은 양을 사용하여 어느 정도 성장한 미세 균열, 혹은 구조적 균열을 억제하는데 효과적이다. 그림 2는 이러한 원리를 설명한 것으로 a구간에서는 단섬유가 b구간에서는 장섬유가 역할을 발휘하는 것을 나타내고 있다.
따라서 MSFRC는 이러한 섬유보강의 효율성을 혼합하는 원리로서 단섬유(5%)와 장섬유(2%)를 혼합하여 균열의 성장 단계별로 효과를 발휘하게 함으로써 연성과 인성을 모두 키우는 개념이다.

그림 2. 섬유길이에 따른 균열 성장 억제력 비교11)

3. 섬유보강 고강도 시멘트 복합체의 개발 및 적용 사례

3.1 고연성을 갖는 RPC(제품명 Ductal)12)
가. 개발 개요
Ductal은 1993년 프랑스 Bouygue사에서 출원한 RPC로 Bouygue-Lafarge-Rhodia 사가 공동으로 연구에 착수, 그 결과 1997년 11월 금속섬유를 첨가한 Ductal FM에 대하여, 1998년 4월 유기섬유를 첨가한 Ductal FO에 대하여 특허를 출원하였다.
Ductal은 일반 포틀랜드 시멘트와 규사, 규석 분말, 실리카 흄, 광물질 충전재와 고성능의 분산제, 섬유로 구성된 재료로 초고강도와 고연성을 동시에 가지고 있으므로 철강이나 철근과 같은 추가적인 보강자재 없이도 초고강도를 목적으로 사용 할 수 있다. 강도가 중요시 되는 경우에는 강섬유를 사용하고, 내구성이 중요시 되는 곳에는 유기섬유, 혹은 두 섬유를 혼합사용하기도 하는등 사용자의 요구에 의해 다양한 제품을 만들 수 있다.

나. 적용 사례
RPC는 초고강도, 고내구성, 연성 및 경량성 등으로 표현되는 장점으로 강재와 동등한 무게에서 성능이 유사하므로 일반 콘크리트 구조물 대비해서는 경량화를 기할 수 있고 강재 구모물에 비해서는 경제성을 달성할 수 있다. 따라서 교량, 공공시설, 건축시설로서 영구거푸집, 외벽마감용 패널, 장경간 지붕 구조, 원자력발전소의 냉각탑 등 다양한 용도로 적용이 이루어지고 있다. 그림 3은 RPC로 시공한 선유교로 높이 15m, 길이 120m의 아치형 콘크리트 교량에 200MPa의 RPC가 사용되었다.

그림 3. RPC로 시공한 선유교12)

3.2 ECC
ECC는 일반 타설, 숏크리트 타설, 압출성형 등 다양한 방법으로 시공할 수 있으며 고성능 보수용 재료, 내충격성 재료, 강재의 피복재료 등의 용도 개발이 기대되고 있다. 현재 적용이 시도되고 있는 분야는 지진과 같은 극심한 하중을 받는 구조 부재, 즉 보나 기둥, 보와 기둥의 접합부, 콘크리트의 균열 폭을 100 μm 이하로 유지할 수 있으므로 내구성이 요구되는 부위에 대한 피복재, 복잡한 철근이 필요한 부위에 대한 대체 재료 등이다.

4. 섬유보강 고강도 시멘트 복합체의 의의와 전망
섬유보강 고강도 시멘트 복합체는 ECC와 같은 고인성 섬유보강 복합체, RPC와 같은 초고강도 고인성 복합체 등이 개발되어 실구조물에 대한 적용이 시도되고 있다.
RPC는 철근의 사용은 배제되었지만 인장강도 증진에는 아직 한계가 있어서 실 구조물에 적용시에는 프리스트레스트 콘크리트로서 적용하고 있으며 강도 발현을 위해서는 고온 양생이 필요하여 프리캐스트 제품으로 제작하여 시공하거나 현장 타설시에도 특수한 양생 설비가 필요하다.
최근의 연구에서는 50MPa로 2일간 가압하고, 탈형 후 10기압, 180℃에서 3시간 오토클레이브 양생을 하여 800MPa의 압축강도를 얻었다는 보고가 있다. 이러한 점에서 앞으로도 새로운 고강도화 방법의 가능성은 충분히 있다고 생각된다.
한편, ECC는 1990년대 미국에서 개발된 이후 2000년대 이후에는 세계적으로 ECC 기술네트워크가 발족되어 ECC 기술의 실무 적용에 대한 다양한 시도가 진행중이다.

References
1) 한국콘크리트학회, “특수콘크리트공학”, 기보당, 2004, pp.15~60
2) 오병환, “섬유보강 콘크리트의 전망 및 필요성”, 콘크리트학회지, Vol. 8, No.4, 1996., 8, p8.
3) Bache, H. H., “Densified Cement Ultra-Fine Particule-Based Materials”, the 2nd International Conference on Superplasticizers in Concrete, June 1981, p.35.
4) Alford, N. M., Groves, G. W., and Double, D. D., : Physical Properties of High Strength Cement Pastes”, Cement and Concrete Research, Vol. 12, No. 2, 1982, pp.349~358
5) Birchal, J. D., Howard, A, J. and Kendal, K., “Flexural Strength and Porosity of Cement”, Nature, 289(29), pp.388~390(1981)
6) Li, V. I., :Engineered Cementious Composites-Tailored Composites Through Microchemical Modelling”, Fiber Reinforced Concrete, Present and the Future, Montreal, Canadian Society for Civil Engineering, 1998, pp.64~97
7) 福山 洋, 食本 洋, “スマ-トコンクリ-ト高じん性 コンクリ-ト”, コンクリ-ト工學, Vol. 39, No. 1, 2001, pp. 104~109
8) Bache, H. H., “Compacted Reinforced Composite, Basic Principles”, Aalborg Portland Cement-og Betonlaboratoriet, CBL, Report, No. 41, 1987
9) Richard, P. and Cheyrey, M. H., “Reactive Powder Concrete with Highly Ductility and 200~800MPa Compressive Strength”, ACI SP 144, 1994, pp. 507~518
10) 大門正機, 板井悅郞, “社會環境マテリアル”, 技術書院, 2009, pp.227~240
11) Rossi, F., “Ultra High Performance Fiber Reinforced Concretes”, Concrete International, Dec, 2001, pp.46~52
12) 민경소, “고연성을 갖는 초고강도 콘크리트(Ductal)”, 시멘트, No. 153, pp.44-49, 2000년 12월

김 원 기
- 연세대학교 대학원 세라믹공학과(공학박사)
- 동양시멘트중앙연구소 책임연구원
- 유진기업 시멘트연구소장
- 현재 아세아시멘트 기술영업팀장