1. 서 론
통신기술이 적용된 전자기기 사용의 증가 및 군사적 목적으로 인하여 구조물의 전자파 차폐성능 확보에 관한 연구가 지속적으로 수행되어오고 있다(Choi et al., 2022). 일반적으로 시멘트 복합체는 낮은 전기전도성으로 인하여 금속성 재료 대비 전자파 차폐에 불리한 것으로 알려져 있다. 그러나 최근에는 전도성이 높은 분체 또는 섬유를 혼입함으로써 시멘트 복합체를 활용하여 구조물의 차폐 성능을 확보하기 위한 연구가 수행되고 있다. 이 중 강섬유가 혼입된 UHPFRCC (Ultra High Performance Fiber Reinforced Cement Composite)는 높은 전기전도성으로 인하여 시멘트 복합체의 차폐 성능 향상에 효과적인 것으로 알려져 있다(Lee et al., 2019). 그러나 선행 연구에 따르면 임계 혼입량 이상의 강섬유 혼입은 차폐 성능 향상에 기여하지 못하는 것으로 보고되고 있다(Yuan et al., 2021; Yuan et al., 2022). 따라서 임계 혼입량 이상의 강섬유를 다른 종류의 섬유로 치환한 하이브리드 섬유 혼입이 UHPFRCC의 전자파 차폐 및 역학적 특성에 미치는 영향에 대한 검토가 필요한 것으로 판단된다. 한편 시멘트 복합체의 전기전도성 및 전자파 차폐는 균열이 발생하는 경우 감소하는 것으로 알려져 있으며, 또한 균열의 분포 양상에 영향을 받을 수 있다. 하리브리드 UHPFRCC의 균열 분포 특성은 혼입된 섬유의 조합에 의해 영향을 받는 것으로 알려져 있다(Kang et al., 2016). 그러나 섬유 조합에 따른 하이브리드 UHPFRCC의 균열 분포 특성의 전자파 차폐 특성에 대한 영향은 아직까지 연구가 미흡한 실정이다.
본 연구에서는 섬유 조합에 따른 하이브리드 UHPFRCC의 균열 분포 및 균열 발생 전후의 전자파 차폐 특성을 평가하였다. 이를 위해 1.5 vol.% 단일 강섬유 혼입 UHPFRCC와 0.5 vol.%가 다른 섬유로 치환된 3개의 하이브리드 UHPFRCC, 총 4개의 배합변수가 고려되었다. 각 배합변수의 역학적 및 전기적 특성을 평가하기 위해 압축 강도 실험, 밀도 시험, 직접 인장 실험 그리고 전기 비저항 실험을 수행하였다. 이후 패널 시험체에 대한 단조하중 실험, 반복 하중 단계에 따른 균열 특성 평가 및 전자파 차폐 성능 평가를 수행하였으며 측정 결과에 대한 분석을 수행함으로써 균열 분포가 전자파 차폐 성능에 미치는 영향에 대해 평가하였다.
2. 실험방법
2.1 사용재료
본 연구에서는 UHPFRCC 시험체의 제작에 1종 보통 포틀랜드 시멘트와 비표면적 200,000 cm2/g 및 밀도 2.20 g/cm3의 실리카퓸, 그리고 비표면적 2.65 cm2/g 및 밀도 0.75 g/cm3의 충전재를 바인더로 사용하였다. 사용된 바인더 재료의 물리적 특성 및 화학적 조성은 Table 1에 나타내었다. 잔골재로 입경 0.08-0.30 mm의 규사가 사용되었으며 하이브리드 섬유 혼입에 따른 영향을 평가하기 위하여 총 4 종류의 섬유가 사용되었다. 길이 19.5 mm 및 13 mm의 직선형 강섬유, PE 섬유, 탄소 섬유가 사용되었으며 섬유 종류에 따른 직경, 길이, 형상비, 인장강도 등 상세 제원은 Table 2에 나타내었다. Table 3은 UHPFRCC 시험체의 제작에 적용된 배합비를 보여주고 있다. 모든 시험체의 제작에는 0.172의 물-바인더비가 적용되었으며 수축 균열 발생 저감을 위하여 시멘트 중량 1%의 수축저감제(SRA)가 적용되었다. 적절한 유동성을 확보하기 위하여 폴리카르본산계 고성능 감수제가 적용되었다. 고성능 감수제의 사용량은 목표 슬럼프 플로우에 도달하도록 조절되었으며 하이브리드 혼입된 섬유의 종류에 따라 다른 양이 사용되었다. 본 연구에서는 섬유 조합이 역학적 및 전자파 차폐 특성에 미치는 영향을 평가하기 위하여 4 종류의 섬유 조합을 적용하였으며 Table 4에는 각 배합변수의 섬유 종류별 혼입율 및 사용된 고성능 감수제의 양을 나타내었다.
Table 1
Physical Properties and Chemical Compositions of Binder Materials
Table 2
Physical Properties of Fibers
Table 3
Mix Proportion of UHPFRCC Matrix
| w/b | Cement | Silica fume | Silica sand | Filler | SRA | Water |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 0.172 | 783.2 | 195.8 | 861.5 | 235.0 | 7.7 | 168.4 |
Table 4
Amounts of Incorporated Fiber and Superplasticizer
2.2 시험체 제작
UHPFRCC 시험체의 제작은 다음 순서로 진행하였다. 시멘트, 실리카퓸, 충전재 및 규사를 믹서에 투입하여 3-5분 동안 건비빔을 수행하였다. 이후 배합수, 고성능 감수제 및 수축 저감제를 투입하여 6-10분 동안 혼합을 수행하였으며 적절한 유동성이 확보된 이후 강섬유와 PE 섬유 또는 탄소 섬유를 투입한 후 섬유의 분산을 위해 3-5분 동안 추가적인 혼합을 수행함으로써 배합을 마무리하였다. UHPFRCC 시험체는 타설 후 48시간 동안 상온에서 양생되었으며, 전기저항측정 시험체를 제외한 모든 시험체는 탈형 이후 90 ± 5 ℃ 및 상대습도 95 ± 5% 조건에서 고온 증기양생되었다. 이후 실험체는 실험 일자까지 상온조건에서 보관하였다.
2.3 재료실험
본 연구에서는 하이브리드 혼입된 섬유 조합에 따른 UHPFRCC 배합의 역학적 특성을 평가하기 위하여 다음과 같이 재료실험을 수행하였다.
2.3.1 압축강도 및 밀도 실험
압축강도 실험은 KS F 2405 (KATS, 2017)에 준하여 수행하였다. 2,000 kN 용량 만능재료시험기를 사용하였으며 재하속도로 0.3 mm/min을 적용하였다. 직경 100 mm 및 높이 200 mm의 원주형 공시체가 사용되었으며 각 배합변수 별 3개 시험체를 제작하여 평균값을 사용하였다.
각 배합의 밀도를 측정하기 위하여 직경 100 mm 및 높이 200 mm의 원주형 공시체가 사용되었으며 각 배합변수 별 3개 시험체를 제작하여 평균 밀도 값을 사용하였다. 본 연구에서는 시험체의 밀도를 구하기 위하여 Eq. (1)을 적용하였다.
여기서 ρc(g/m3) 는 UHPFRCC 시험체의 밀도, ma(g) 는 시험체의 공기 중 질량, mw(g) 는 시험체의 수중 질량 그리고 ρw(g/m3) 는 물의 밀도를 나타낸다.
2.3.2 직접 인장 실험
직접인장시험은 일본토목학회 JSCE 권고안에 준하여 수행하였으며 이를 위해 5 개의 도그본(dog bone) 시험체가 제작되었다(JSCE, 2008). 하중 계측을 위해 200 kN 용량의 로드셀이 적용되었으며 변위 계측을 위해 시험체 양측에 2개의 LVDT (Linear Variable Differential Transformer)가 적용되었다. 직접 인장 시험체의 재하속도로 0.2 mm/min를 적용하였으며 사용된 시험체의 상세 제원과 실험 세팅은 Fig. 1에 나타내었다.
2.4 전기비저항 측정 실험
일반적으로 전자파 차폐 특성은 재료의 전기적 특성과 높은 연관성이 있는 것으로 알려져 있다. 따라서 본 연구에서는 각 배합 변수의 전기적 특성을 평가하기 위하여 전기 비저항 측정 실험을 수행하였다. 콘크리트 시험체의 전기저항성 측정으로는 2프로브법(2 proibe method) 또는 4프로브법(4 probe method)이 존재한다. 선행 연구에 따르면 4프로브법은 2프로브법에 비해 다소 복잡한 회로 구성을 갖지만 접촉저항 제어 측면에 있어 보다 용이한 것으로 알려져 있다(Yoo et al., 2018; Hong et al., 2022). 따라서 본 연구에서는 각 UHPFRCC 시험체의 전기저항성을 측정하기 위하여 4프로브법을 적용하였으며 또한 분극효과(polarization effect)로 인한 영향을 최소화하기 위하여 100 kHz 대역 교류 전류를 적용하였다(Yoo et al., 2018; Hong et al., 2022). 전기저항성 측정을 위하여 100 mm × 100 mm × 400 mm 규격의 시험체를 제작하였으며 20 mm × 100 mm × 0.3 mm 규격의 구리판 전극을 매립하였다. 전기저항성 측정을 위해 GW INSTECK 819 LCR meter를 사용하였으며 Eq. (2)를 통해 UHPFRCC 시험체의 전기비저항을 계산하였다.
2.5 전자파 차폐 측정 실험
일반적으로 차폐재의 전자파 차폐 특성은 동축형 케이블 측정방법이 적용되는 ASTM D 4935에 준하여 측정된다. 하지만 이와 같은 측정방법에 사용되는 시험체는 직경 33 mm의 원형으로, 강섬유 및 유기섬유가 혼입된 UHPFRCC의 차폐 특성 평가에는 적용이 어렵다는 한계가 존재한다(Choi et al., 2020).
본 연구에서는 UHPFRCC의 전자파 차폐 특성을 평가하기 위하여 극초단파(UHF) 주파수 대역(300 MHz-3 GHz)의 측정이 가능한 출력 신호세기 20 dbm 및 측정 가능 신호세기 20-80 dB의 성능을 보유한 안테나를 사용하였으며 근역장 조건(near field condition)을 적용하였다. 측정을 위한 소프트웨어로 한국산업기술시험원의 Simplified Test Equipment-KRA 1500 Controller System을 사용하였으며 측정 주파수 대역은 극초단파 주파수 대역 중 전자기기 내부 회로에 손상을 야기할 수 있는 1,500 MHz 이하로 설정하였다. 전자파 차폐 측정은 50 MHz 주파수 간격으로 수행하였으며 각 시험체 당 5회 반복 측정하여 평균값을 사용하였다. 선행연구에 따르면 해당 측정 방법은 원역장 조건(far field condition)이 적용된 MIL-STD-285 기준에 준하여 수행된 측정 방법과 유사한 결과를 나타내는 것으로 알려져 있다(Choi et al., 2020).
2.6 균열 이후 전자파 차폐 측정 실험
본 연구에서는 섬유 조합에 따른 UHPFRCC 시험체의 균열분포 특성 및 균열 발생 이후 전자파 차폐 특성을 평가하였다. 이를 위해 각 배합당 전자파 차폐 측정이 완료된 6개의 시험체 중 3개 시험체는 하중-변위 이력 곡선을 얻기 위하여 파괴 시까지 단조하중으로 재하하였다. 6개 시험체 중 나머지 3개 시험체는 균열 특성의 전자파 차폐 특성에 대한 영향을 평가하기 위하여 반복하중 조건을 적용하였다. 반복하중 조건이 적용된 시험체는 단조하중 시험으로부터 얻어진 하중-변위 곡선에서의 특정 변위 단계까지 하중을 재하한 뒤 하중을 제거하였다. 하중이 제거된 시험체에 대하여 균열 길이, 폭 그리고 면적 등 균열 특성에 대한 측정 및 전자파 차폐 실험을 수행하였다. 측정이 완료된 시험체는 다음 변위 단계까지 다시 재하하였으며 최종 재하 단계까지 동일한 재하 및 측정 과정을 반복 수행하였다. 각 시험체는 단조하중 시험체의 하중-변위 곡선을 기준으로 하여 LOP (비례한계), 2 mm, 4 mm, 8 mm, 16 mm 변위 단계까지 가력하였다. 시험체는 4변 단순지지 조건을 적용하였으며 직경 75 mm의 원기둥형 tub을 통해 하중을 재하하였다. 패널 하단 중앙부 변위 측정을 위하여 1개의 LVDT를 사용하였으며 재하속도로 0.5 mm/min를 적용하였다. 자세한 실험 세팅은 Fig. 6에 나타내었다.
3. 실험결과
3.1 압축강도 및 밀도 특성
Table 5는 각 배합변수의 압축강도 및 밀도 실험 결과를 나타내고 있다. 모든 배합은 150 MPa 이상의 높은 압축강도를 갖는 것으로 나타났으며 LSF1.0-SSF0.5는 단일 섬유가 혼입된 LSF1.5 대비 소폭 증가된 압축강도 및 밀도를 갖는 것으로 나타났다. 하지만 PE 섬유 또는 탄소섬유 등 0.5 vol.%의 유기섬유가 치환된 LSF1.0-PE0.5 및 LSF1.0-CF0.5는 LSF1.5 대비 압축강도의 경우 약 6.9%, 밀도의 경우 약 2.3%가 감소하여 선행연구와 유사한 결과를 나타냈다(Smarzewski and Barnat-Hunek, 2018). 이는 유기섬유의 경우 강섬유 대비 낮은 부착 강도 및 가교 효과(bridge effect)를 가지며 균열이 발생 및 전파될 수 있는 공극을 증가시키기 때문인 것으로 판단된다(Ravichandran et al., 2022). 이와 더불어 유기섬유 혼입으로 인하여 UHPFRCC 배합의 유동성이 감소한 결과 자기충전성이 감소하였으며, Table 4를 통해 확인할 수 있는 바와 같이 유동성 확보를 위한 감수제 사용량 증가 또한 실질적인 w/b 비가 증가를 통해 매트릭스 내부 공극을 증가시킨 것으로 판단된다(Park et al., 2021).
3.2 직접 인장 거동 특성
Fig. 7에는 직접 인장 실험 결과 얻어진 각 배합의 응력-변형률 곡선을 나타내었다. 모든 시험체는 첫 균열이 발생하기 전까지 선형적인 응력-변형률 관계를 보였다. 모든 배합은 첫 균열이 발생한 이후 극한인장강도에 도달할 때까지 변형률 경화(strain hardening)가 나타나는 전형적인 UHPFRCC의 인장거동을 보였다. 극한인장강도에 도달한 이후 국부적인 균열에 변형이 집중적으로 발생하였으며, 변형이 증가함에 따라 응력이 감소하는 변형률 연화 거동(strain softening)을 보였다. Fig. 8에는 각 시험체의 파괴양상이 나타나 있다. 파괴에 도달할 때까지 단일 균열 발생을 보인 대부분의 시험체와 달리 LSF1.0-PE0.5의 경우 PE 섬유의 인장변형 성능 증진효과로 인하여 파괴에 도달하기까지 다수의 분산된 균열이 발생하였다(Ahmed and Maalej, 2009; Kang et al., 2016). 한편 LSF1.0-CF0.5는 균열 발생 이후 짧은 구간의 변형률 경화 거동을 보였으나 극한 인장강도에 도달한 이후 응력이 급격히 감소하였다. 응력 감소 이후 LSF1.0-CF0.5는 짧은 구간의 변형률 경화 거동을 보였으나 최대 섬유가교응력(fiber bridging stress)도달 이후 다시 응력이 감소하여 변형률 연화 거동이 나타났다.
Table 6에는 각 배합변수의 균열 발생 응력, 극한 인장강도 그리고 인장변형성능의 평균값을 나타내었으며, 여기서 인장변형성능이란 극한 인장강도에서의 변형률을 의미한다. LSF1.0-SSF0.5는 LSF1.5와 유사한 수준의 균열발생응력 및 극한인장강도를 나타냈으며 인장변형성능에서 소폭의 증가를 보였다. LSF1.0-PE0.5는 LSF1.5 대비 균열발생응력과 극한인장강도가 다소 감소하는 것으로 나타났다. 하지만 PE섬유 혼입의 균열분산 및 변형성능 개선효과로 인하여 LSF1.5 대비 크게 향상된 인장변형성능을 갖는 것으로 나타났다(Ahmed and Maalej, 2009; Kang et al., 2016). LSF1.0-CF0.5는 모든 항목에 있어 LSF1.5 대비 감소된 성능을 보였다. 이는 탄소섬유의 경우 소수성(hydrophobicity)로 인해 균질한 분산이 어려워 응집되기 쉬우며, 이러한 섬유 응집은 매트릭스 내부 공극 증가로 이어져 균열이 발생 및 확산되기 쉬운 결함으로 작용하기 때문인 것으로 판단된다(Wang et al., 2008; Chuang et al., 2017). 따라서 탄소섬유를 보강재로 사용하는 경우 분산액, 표면처리 등 분산성 증진을 위한 추가적인 조치가 필요한 것으로 판단된다.
Table 6
Summary of Direct Tensile Test
3.3 전기 비저항 특성
Table 7에는 각 배합변수의 재령일 별 전기비저항을 나타내었다. 모든 변수는 재령일이 경과함에 따라 전기비저항이 증가하는 것으로 나타났다. 이는 수화반응이 진행됨에 따라 수화 생성물로 인해 매트릭스 내부 모세관 공극 및 공극 간 연결성이 감소하였기 때문이다. 하지만 전기 비저항의 증가량 및 증가속도는 배합변수에 따라 차이가 존재하는 것으로 나타났다. 본 연구에서는 섬유조합이 전기비저항에 미치는 영향을 평가하고자 하였으며 Fig. 9는 각 배합변수의 전기비저항 값이 LSF1.5의 전기비저항에 대하여 갖는 상대적 비율을 재령 일별로 나타내고 있다. 유기섬유가 혼입된 LSF1.0-PE0.5 및 LSF1.0-CF0.5는 강섬유만 혼입된 경우에 비해 재령 초기 전기비저항이 낮은 것으로 나타났다. 이는 해당 변수들의 감소된 유동성으로 인해 고성능 감수제의 사용량이 증가하였으며 고성능 감수제의 적용은 시멘트의 초기수화 반응을 지연시킴으로써 재령 초기 전기비저항의 증가를 지연시키기 때문인 것으로 판단된다. 재령이 증가함에 따라 LSF1.5는 가장 낮은 수준의 전기비저항비를 나타냈다. LSF1.0-SSF0.5는 LSF1.5 대비 소폭 증가된 전기저항성을 나타냈으며 LSF1.0-PE0.5는 수화가 진행됨에 따라 LSF1.5에 비해 상당 수준 더 높은 전기비저항을 가지는 것으로 나타났다. 이는 높은 전기 전도성을 갖는 강섬유가 절연체인 PE 섬유로 치환됨으로써 매트릭스 내부 강섬유 간의 연속적인 전기 전도망이 느슨해진 결과인 것으로 판단된다. 한편 LSF1.0-CF0.5는 재령 21일 이후 LSF1.0-SSF0.5와 유사한 수준의 전기비저항 비율을 갖는 것으로 나타났으며 이는 탄소섬유의 높은 전기 전도성으로 인한 것으로 판단된다(Yoo et al., 2018; Park et al., 2021). 한편 탄소섬유 혼입 시멘트 복합체의 전기 전도성은 탄소섬유의 분산성에 의해 많은 영향을 받는 것으로 알려져 있으며 추후 분산성 개선이 이루어지는 경우 보다 균질해진 전도망 형성으로 인하여 탄소섬유 혼입 시멘트 복합체의 전기비저항의 추가적인 감소가 가능할 것으로 기대된다(Chuang et al., 2017).
Table 7
Electrical Resistivity of Each Mixture at Various Curing Ages
3.4 전자파 차폐 특성
Fig. 10에는 균열이 발생하지 않은 패널 시험체에 대하여 수행된 전자파 차폐 실험 결과 주파수 대역 별 각 배합의 평균적인 차폐 성능을 나타내었다. 전자파 차폐 성능(Shielding Effectiveness, SE)은 입사된 전자기파와 수신된 전자기파의 진폭(amplitude)을 로그비로 나타낸 것이며 Eq. (3)을 통해 계산할 수 있다.
여기서 SE(dB) 는 전자파 차폐 성능, Pi 는 입사된 전자기파의 진폭, Po 는 수신된 전자기파의 진폭을 각각 의미한다. 모든 배합변수는 전자기파의 파장이 짧은 고주파 대역으로 이동함에 따라 전자파 차폐 성능이 증가하는 양상을 보였다. 이는 매트릭스 내부에 분포하는 강섬유 및 탄소섬유 등 전도성 물질의 경우 파장이 짧은 전자기파의 차폐에 있어서 보다 효과적인 것으로 보고된 선행 연구 결과와 부합한다(Yoo et al., 2020). 선행연구에 따르면 대표적인 위험 전자기파 방출원인 HEMP (High Altitude Electromagnetic Pulse)에 의해 발생하는 전자기파는 1 - 1,000 MHz 주파수 대역에 해당되는 것으로 알려져 있으며, 이로 인해 재료의 전자파 차폐 특성을 정량적으로 비교 평가하기 위한 대표값으로 주파수 1,000 MHz에서의 차폐성능이 주로 사용되고 있다(Yoo et al., 2020; Lee et al., 2022). 따라서 본연구에서는 각 배합변수 별 1,000 MHz 주파수 대역에서의 차폐 성능을 대표값으로 선정하여 이에 대한 비교를 수행하였다.
Fig. 11은 각 배합변수에 따른 1,000 MHz 주파수에서의 전자파 차폐 성능을 나타내고 있다. LSF1.0-CF0.5를 제외한 대부분의 배합은 작은 차이가 존재하긴 하나 대게 30 dB에 조금 못 미치는 차폐 성능을 갖는 것으로 나타났다. 이는 일정 수준 이상의 강섬유 혼입은 전자파 차폐 성능 향상에 기여하지 못하는 임계 혼입량이 존재하기 때문인 것으로 판단된다(Yuan et al., 2021; Yuan et al., 2022). 그러나 LSF1.0-CF0.5는 동일한 주파수 대역에서 40 dB 이상의 차폐 성능을 보였다. 따라서 전도성 섬유로써 강섬유가 단독 혼입되는 경우보다 일정 수준의 탄소섬유가 동시적으로 혼입되는 경우 전자파 차폐 성능 확보가 더 유리한 것으로 판단된다.
한편 전자파 차폐 성능은 전기비저항 실험결과와의 상관관계가 낮은 것으로 나타났다. 이는 전기비저항 및 전기전도성의 경우 전류가 흐르기 위하여 개별 섬유 간의 직접적인 접촉이 요구되지만 차폐 성능의 경우 섬유 간 직접적인 접촉이 이루어지지 않아도 개별 섬유의 전자기파 반사로 인한 전자파 차폐가 이루어지기 때문인 것으로 판단된다(Park et al., 2021).
3.5 균열 분포 특성
Fig. 12에는 단조하중 및 반복하중 조건이 적용된 패널 시험체의 하중-변위 그래프를 나타내었다. 그래프 상의 Monotonic은 단조하중 시험체 3개의 평균곡선을 의미하며, C-1, C-2, C-3은 각 반복하중 시험체를 의미한다. 단조하중 시험체는 재하초기 선형적으로 하중이 증가하였다. 대부분의 시험체는 3 - 4 mm 변위에서 최대하중에 도달하였으며 이후 연성적으로 하중이 감소하는 거동을 보였였다. LSF1.5 및 LSF1.0- SSF0.5는 높은 극한인장강도로 인하여 LSF1.0-PE0.5 및 LSF1.0-CF0.5 대비 높은 최대하중을 보였으며 따라서 패널 시험체의 거동은 각 배합의 인장거동 특성에 의해 많은 영향을 받는 것으로 나타났다. 반복하중 시험체는 하중 단계가 증가함에 따라 균열의 발생 및 전파로 인하여 재하(loading) 및 제하(unloading) 시 강성이 점진적으로 감소하였다. Fig. 13에는 하중 단계에 따른 반복하중 시험체의 전형적인 균열분포양상이 나타나 있다. LOP에서는 적은 수의 미세균열이 발생하였으며 최대하중 발생 변위까지 새로운 균열 발생으로 인하여 총 균열길이가 빠르게 증가하였다. 최대하중 이후로는 균열길이 증가와 더불어 기존 균열의 폭이 증가하는 것으로 나타났으나 이러한 균열분포 특성은 배합에 따라 차이자 존재하는 것으로 나타났다.
Tables 8 및 9에는 하중 단계별로 측정된 각 시험체의 총 균열면적 및 균열길이를 나타나내었다. Fig. 14는 하중 단계에 따른 각 배합의 평균적인 총 균열면적을 나타내고 있다. 모든 배합은 LOP에서 극히 미세한 균열이 발생하였으며 변위가 증가함에 따라 이에 비례하여 총 균열면적이 증가하였다. LSF1.5는 가장 작은 균열면적을 보였으나 전체적으로 배합에 따른 총 균열면적은 큰 차이를 보이지 않았다. Fig. 15에는 하중스텝에 따른 각 배합의 평균적인 총 균열길이를 나타내었다. 배합변수별 총 균열면적에 큰 차이가 존재하지 않았던 것에 비해 LSF1.0-CF0.5는 4 mm 변위 재하 이후 다른 변수 대비 총 균열길이가 확연히 감소하였다. 이는 LSF1.0-CF0.5의 경우 탄소섬유의 분산성으로 인해 증가된 내부 공극으로 인해 최대하중 이후 균열이 분산되기 보다는 기존 균열에변형이 집중적으로 발생하였기 때문이며 따라서 각 배합의 인장거동 특성이 패널 시험체의 균열분포 특성에 많은 영향을 미치는 것으로 판단할 수 있다. Fig. 16에는 각 배합의 총 균열면적을 총 균열길이로 나눔으로써 얻어진 평균 균열폭의 변화를 나타내었으며 앞서 언급하였던 바와 같이 LSF1.0-CF0.5는 다른 변수 대비 평균 균열폭의 증가 속도가 상당히 빠른 것을 확인할 수 있다.
Table 8
Total Crack Area at Each Load Step
Table 9
Total Crack Length at Each Load Step
3.6 균열 발생 이후 전자파 차폐 특성
Fig. 17에는 균열 면적비와 1,000 MHz 주파수에서의 전자파 차폐 성능 감소비 간 상관관계를 나타내었으며 여기서 균열면적비란 총 균열면적의 시험체 면적에 대한 비율을 의미한다. 그래프 상의 색상은 각 배합변수를 의미하며 표식의 모양은 하중 단계를 의미한다. 감소비가 음수인 경우 균열 발생 전에 비해 차폐 성능이 감소하였음을 의미한다. 균열 발생 이후 전자파 차폐 특성은 강섬유 및 탄소섬유의 분포, 균열 분포의 무작위성, 시험체 변형으로 인한 송수신 안테나 사이 거리 변화 등 다양한 요인의 영향으로 인해 편차가 존재하는 것으로 나타났다. 한편 이러한 편차는 균열면적비가 증가함에 따라 감소하였다. 실험 데이터에 대한 회귀분석을 수행한 결과 패널 시험체의 전자파 차폐 성능 감소비는 균열면적비와 2차 포물선의 관계를 가지며, 균열면적비가 증가함에 따라 점진적으로 차폐 성능의 감소가 발생하는 것으로 나타났다. LOP 단계에서는 차폐성능의 평균적인 감소가 거의 발생하지 않았으며 따라서 적은 수의 미세균열은 차폐성능에 대한 영향이 미미한 것으로 판단된다. 그러나 균열발생면적이 2-3%로 증가되는 경우 약 10%, 4-5%로 증가되는 경우 약 20% 정도의 평균적인 차폐성능감소를 보였으며 따라서 전자파 차폐 성능이 요구되는 구조물의 설계 및 시공 과정에서 이러한 균열 발생으로 인한 차폐 성능 감소에 대한 고려가 필요할 것으로 판단된다. 한편 본 연구에서 패널 시험체의 균열 발생을 위하여 적용된 조건은 2방향 휨조건으로, 압축 영역의 경우 UHPFRCC의 높은 압축강도로 인하여 손상이 거의 발생하지 않았다. 따라서 시험체 두께에 걸쳐 전 영역에 균열이 발생하는 경우 이로 인한 차폐 성능 감소는 보다 증가될 수 있으며 이에 대한 추가적인 연구가 필요할 것으로 판단된다.
4. 결 론
본 연구에서는 섬유 조합에 따른 하이브리드 UHPFRCC의 각 배합의 물리적 및 전기적 특성을 평가하였다. 이후 패널 시험체에 대한 하중 스텝별 균열 및 전자파 차폐 실험을 수행하였으며, 본 연구의 수행 범위 내에서 다음과 같은 결론을 도출하였다.
(1) 유기섬유 혼입은 유동성 감소로 인하여 자기충전성 감소 및 감수제 사용량 증가를 야기하며, 이는 내부 공극 증가로 인한 UHPFRCC의 밀도 및 압축강도 저하의 원인이 되는 것으로 판단된다.
(2) 탄소섬유의 소수성으로 인한 분산성 문제는 섬유 응집으로 인해 매트릭스 내부 결함으로 작용하며, 이는 인장 거동 특성에 상대적으로 더 큰 영향을 미치는 것으로 나타났다. 따라서 탄소섬유를 보강재로 사용하는 경우 분산성 증진을 통한 성능 개선이 필요할 것으로 판단된다.
(3) 임계혼입량 이상의 강섬유 혼입은 전자파 차폐 성능 향상에 기여하는 정도가 미미한 것으로 나타났다. 그러나 강섬유와 탄소 섬유의 하이브리드 혼입을 통해 UHPFRCC의 추가적인 전자파 차페 성능 확보가 가능한 것으로 판단된다.
(4) 반복하중으로 인한 균열면적은 섬유조합에 따라 큰 차이가 존재하자 않았으나, 탄소섬유가 혼입되는 경우 분산성 문제로 인해 감소한 인장 변형 성능은 패널 시험체에 새로운 균열의 전파보다는 기존 균열폭의 집중적인 확대를 야기하는 것으로 판단된다.
(5) 미세 균열의 발생은 차폐성능에 대한 영향이 미미한 것으로 나타났으나, 차폐 성능은 균열면적비가 증가함에 따라 균열 발샌 전 대비 최대 20%의 평균적인 감소가 발생하는 것으로 나타났다. 따라서 전자파 차폐 성능이 요구되는 구조물의 설계 및 시공 과정에서 이에 대한 고려가 필요할 것으로 판단된다.
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