1. 서 론

현대 사회는 인구밀집에 따른 거주문제 해결을 위해 구 조물의 고층화, 대형화가 가속되고 있다. 이로 인해 구조 물의 안전성에 대한 우려가 증가하고 있으며, 해결방안으 로 구조물 자체의 무게를 줄이기 위한 경량화 연구가 활 발히 진행되고 있다. 대표적으로 시멘트 복합체에 세노스 피어, 발포폴리스티렌, 중공 마이크로스피어 등의 중공 입 자를 첨가하여 시멘트 복합체의 무게를 줄이는 연구가 진 행되고 있으며, 다양한 연구에서 시멘트 복합체의 경량을 유지하면서 고강도를 만족시키는 결과가 보고되고 있다 [1-6].

중공 입자의 혼입은 경량화뿐만 아니라, 시멘트복합체의 열전도율을 낮춰 구조체의 단열효과를 부여할 수 있다[7]. Adam L. Brooks은 다양한 경량 필러를 사용하여 여러 배 합비의 설계를 통해 시멘트 복합체의 경량, 고강도 및 낮 은 열전도율을 만족시키기 위한 기초 연구를 수행하였다. 실험결과를 통해 중공 유리 마이크로스피어가 28.82% 혼 입된 시멘트 복합체의 열전도율이 Control 대비 약 29.2% 로 크게 감소함을 확인하였다[2]. 또한 Peng Ziao는 VAHM (variational asymptotic homogenization method)를 활용해 중공 유리 마이크로스피어를 혼입한 시멘트 복합체의 열 전도 모델을 구축하고, 미세구조 파라미터와 구성 특성이 열전도에 미치는 영향을 조사하였다. 이를 통해 중공 유리 마이크로스피어의 부피 분율이 크고 벽 두께가 작을수록 단열 성능이 우수함을 예측하였다[8].

또 다른 연구결과에 따르면, 시멘트 복합체의 단열성능 향상은 외부 온도 변화에 의한 복합체 내부로의 열확산을 막아, 복합체 내부 온도변화에 의해 발생할 수 있는 열변 형을 최소화하며, 이로 인해 내부에서 발생하는 균열을 막 고 내열충격성을 향상시킬 수 있다고 보고하였다. Han Zhu는 모르탈에 crumb rubber를 혼입하여 시멘트 복합체 의 단열특성을 향상시키고, 이로 인해 열충격에 대한 안정 성이 향상됨을 확인하였다[9]. Toshifumi Sugama는 Microglass fiber와 Micro carbon fiber로 강화된 시멘트 복합체 의 Hydrophobic silica aerogel과 Fly ash비율 변화에 따른 열전도율 변화를 확인하였으며, 열전도율이 낮을수록 열 충격에 대한 안정성이 향상됨을 확인하였다[10].

최근 중공 유리 마이크로스피어(Hollow Glass Microsphere, HGM)의 낮은 밀도와 고강도 특성을 이용해 시멘 트 복합체 혼입 시 경량화, 고강도 및 단열성능이 향상됨 을 다양한 연구결과를 통해 확인했음에도 불구하고, 내열 충격성 변화에 대한 연구 결과는 보고된 바가 없다[1, 3- 5]. 이에 본 연구에서는 중공 유리 마이크로스피어 농도가 제어된 시멘트 복합체를 제조하고, 외부 열변화에 의한 시 멘트 복합체의 강도 변화 확인을 통해 중공 유리 마이크 로스피어가 시멘트 복합체의 내열충격성에 미치는 영향을 실험적으로 관찰하고자 한다.

2. 실험방법

2.1. 사용재료

본 연구에서는 중공 유리 마이크로스피어(Hollow Glass Microsphere, HGM)를 활용하여 경량 및 단열성능이 향상 된 시멘트 복합체를 제조하였다. 중공 유리 마이크로스피 어를 포함하는 시멘트 복합체는 백색 포틀랜드 시멘트 (WPC, Union cement Co., Korea), 실리카퓸(SF, Grade 940- U Elkem Materials), 석영분말(QP, S-Sil 10 Microsilica, SAC Corpora-tion, Korea) 및 폴리카복실레이트 기반 고성능 감 수제(SP, Flowmix 3000U, Dongnam Co. Ltd., Korea)를 원 료로 활용하여 제작하였다. 중공 유리 마이크로스피어는 3M사에서 제작 및 판매되고 있는 S60HS제품을 선택하였 다. Fig. 1은 중공 유리 마이크로스피어의 SEM 및 입도분 포 분석 결과로, 이를 통해 중공 유리 마이크로스피어가 24.15 μm 크기를 갖는 구형 분말임을 알 수 있다. 또한 폐 기공으로 이루어진 중공 유리 마이크로스피어는 낮은 밀 도와 높은 기공을 가지고 있으며, 중공 구조 벽의 평균 두 께는 약 0.9 μm를 가진다[5, 11]. 이 외에 제조사로부터 제 공받은 중공 유리 마이크로스피어의 물리적 특성은 Table 1 과 같다.

Fig. 1

(a) Scanning electron microscope (SEM) image and (b) Size distribution of the HGM.

Table 1

A list of physical properties of the HGMs¹

2.2. 시험체 제작

본 연구에서는 수화반응을 가속시켜 시멘트 강도 향상 을 보다 효과적으로 촉진할 수 있는 고온 양생을 통해 초 고강도 경량 시멘트 복합체를 제조하였다[8]. 또한 중공 유리 마이크로스피어의 농도에 따른 시멘트 복합체의 특 성 변화 및 내열충격성을 확인하기 위해 Table 2에서 제 시된 배합 설계와 같이 중공 유리 마이크로스피어의 농도 를 시멘트 대비 0, 20, 30 wt%로 혼입하였으며, 물-시멘트 비는 23wt%로 일정하게 유지하였다. 시험체 제작은 ^「ASTM C 109 시멘트 모르타르 압축강도 기준_」에 따라 (50 × 50 × 50) mm 크기로 제작하였다. 원재료 파우더들은 약 11분의 건배합을 거친 후 고성능 감수제와 배합수를 혼합하여 추가하였으며 슬러리 형태가 된 후 2분 동안 고 속으로 섞어 페이스트를 형성하였다. 혼합된 페이스트를 (50 × 50 × 50) mm³ 크기의 Cube형 시험체 틀에 타설 한 뒤 20°C, 95 %R.H. 조건으로 유지된 항온항습챔버에서 24시간 동안 양생한 뒤 탈영하였다. 고온 양생을 위해 탈 영한 시료는 90°C에서 밀봉하여 이틀간 양생하고, 이후 20°C, 60 %R.H.의 환경에서 28일차까지 양생하였다. 이렇 게 제작된 시멘트 복합체는 중공 유리 마이크로스피어 혼 입량 0, 20, 30wt%에 따라 각각 HGM0, HGM20, HGM30 으로 명명하였다.

Table 2

Mix proportions of cements pastes with different HGM contents

2.3. 실험 방법 상세

중공 유리 마이크로스피어 혼입 비율에 따른 시멘트 복 합체의 특성 및 내열충격성과의 상관관계를 확인하기 위 해 밀도, 열전도율, 열팽창계수 및 압축강도를 분석하였으 며, 각 시료는 (50 × 50 × 50) mm³ 크기의 Cube형 시험체 를 절단하여 활용하였다.

밀도 분석은^「KS L ISO 18754 파인세라믹스-파인세라 믹스 소결체의 밀도 및 겉보기 기공률 시험방법_」에 따라 건조 시료의 질량(m₁) 및 포수 시료의 수중 질량(m₂)을 측 정해 아래 식에 따라 겉보기 밀도(ρ)를 산출하였다. 이때 ρ_water은 수중 질량 측정 시 물의 온도에 따른 밀도를 의미 한다.

ρ =m1m1−m2×ρwater

열전도율 분석을 위해 ^「KS M ISO 11357-4 플라스틱- 시차 주사 열분석(DSC)-제 4부: 비열 용량 측정_」방법에 따라 DSC(TA instrument, DSC 250)를 활용해 비열(C)을 측정했으며,^「KS L 1604 파인세라믹스-단일체 세라믹스 의 레이저 플래시법에 의한 열확산율, 비열용량, 열전도율 시험방법_」에 따라 LFA(Netzsch, LFA447)를 활용해 열확 산율(α)을 측정해 아래 식에 따라 열전도율을 산출하였다.

κ = α × C × ρ

열팽창계수 분석은^「KS M ISO 11359-2 플라스틱-열기 계분석-제 2부: 선열팽창계수와 유리전이온도의 측정_」방 법에 따라 TMA(TA instrument, Q400)를 이용해 (-40~30) °C 사이의 열팽창계수를 산출하였다.

압축강도 시험은^「ASTM C 109 Standard Test Method of Compressive Strength of Hydraulic Cement Mortars_」에 따라 만능재료시험기(DAEKYUNG TECH, DTU-M Series) 를 이용해 1 mm/min의 압축 속도로 파괴에 이를 때까지 하중을 증가시켜 실험을 실시하였다. 압축강도(Rc)는 아 래 식에 따라 산출하였으며, 이때 Fc는 최대 파괴 하중, A 는 시험체의 면적((50 × 50) mm³)을 의미한다.

Rc=FcA

시멘트 복합체의 중공 유리 마이크로스피어 혼입에 따 른 내열충격성을 확인하기 위해 열충격시험을 수행하였다. 열충격시험 중 시멘트 복합체 내부에 포함되어 있는 수분 의 응결과 해동과정으로 인해 발생할 수 있는 시멘트 복 합체 내부 결함을 방지하기 위해 90°C에서 20시간 건조를 수행하였으며, 세계 최저 및 최고 온도를 고려하여 저온 -60°C와 고온 50°C의 온도를 각각 30분씩 유지하는 Cycle 을 총 72회 반복하며 열충격시험을 수행하였다. 건조 및 Cycle 시험 중 노출되는 고온의 환경에 의해 시멘트 복합 체의 수화작용이 가속되어 강도가 증가하는 현상을 고려 해, 비교 시편을 준비하여 90°C에서 20시간 건조 후, 50°C 에서 36시간 동안 유지하고 상온으로 식혀 보관하였다[12, 13]. Fig. 2는 열충격 시편과 비교 시편의 온도 조건을 보 여주고 있다. 이후 압축강도 테스트를 통해 중공 유리 마 이크로스피어 혼입양에 따른 압축강도 변화를 확인하였으 며, 아래 식을 이용해 비교 시편의 압축강도(Rc_CS) 대비 열충격 시편 압축강도(Rc_TSS) 감소율(ΔR_C)을 산출하였다.

ΔRc=RcTSS−RcCSRcCS×100

Fig. 2

Temperature profiles of thermal shock and comparison sample.

3. 결과 및 고찰

중공 유리 마이크로스피어(Hollow Glass Microsphere, HGM) 혼입에 따른 시멘트 복합체의 내열충격성 변화를 확인하기 위해 중공 유리 마이크로스피어의 농도를 시멘 트 대비 0, 20, 30 wt%로 혼입하였으며, 제작된 시멘트 복 합체는 각각 HGM0, HGM20, HGM30으로 명명하였다.

Fig. 3은 중공 유리 마이크로스피어 혼입량에 따른 시멘 트복합체의 밀도 및 열전도율 변화를 보여주고 있다. 밀도 가 낮은 중공 유리 마이크로스피어(0.64 g/cm³)의 혼입량 이 증가함에 따라 시멘트 복합체의 밀도가 감소하였으며, HGM30의 밀도는 HGM0 대비 32% 이상 감소한 것을 확 인하였다. 열전도율 또한 밀도 감소와 유사한 형태로 감소 하는 것을 확인 할 수 있다. 이는 중공 유리 마이크로스피 어가 갖는 기공으로 인해 시멘트 복합체 내에 공기층이 형성되었기 때문으로, 공기의 열전도율(0.026 W/m·K)이 시멘트 복합체에 비해 낮아 열전달 속도가 느려 졌기 때 문이다[1]. Fig. 4는 중공 유리 마이크로스피어 기공으로 인해 시멘트 복합체 내의 열전달이 느려 지는 현상을 도 식으로 표현하고 있다. 따라서 중공 유리 마이크로스피어 의 혼입량이 증가함에 따라 HGM0, HGM20, HGM30의 열전도율이 각각 1.43, 0.85, 0.73 W/m·K으로 감소하는 것 을 알 수 있으며, HGM30의 열전도율은 HGM0 대비 51% 이상 크게 감소한 것을 확인하였다.

Fig. 3

Density and thermal conductivity of cement composite with different concentration of HGM.

Fig. 4

A schematic of thermal transport in cement composite incorporating hollow glass microspheres.

외부 온도 변화에 따른 시멘트 복합체의 변형은 결함의 원인으로 작용할 수 있기 때문에 온도 변화에 따른 변형 율이 낮을수록 안정성 확보에 유리하다. 따라서 중공 유리 마이크로스피어 혼입이 시멘트 복합체의 열에 의한 변형 에 미치는 영향을 확인하기 위해 열팽창계수를 측정하였 으며, Fig. 5에서 측정결과를 보여주고 있다. 측정결과 HGM0, HGM20, HGM30의 열챙창계수는 각각 10.65, 8.51, 8.02 μm/m·°C로 중공 유리 마이크로스피어 혼입 유 무에 따라 열팽창계수가 큰 폭으로 변화하는 것을 알 수 있다. 따라서 중공 유리 마이크로스피어 혼입이 시멘트 복 합체의 온도 변화에 의한 안정성 확보에 긍정적인 영향을 줄 것으로 기대할 수 있다.

Fig. 5

Coefficient of thermal expansion of cement composite with different concentration of HGM.

중공 유리 마이크로스피어 혼입 비율이 증가하면 기공 이 많아져 압축강도 감소 요인이 된다. 따라서 시멘트 복 합체의 경량화와 강도향상은 상충관계에 있어 적절한 혼 입비율을 유지하는 것이 중요하다. Fig. 6은 중공 유리 마 이크로스피어 혼입 비율에 따른 시멘트 복합체의 재령일 28일 기준 압축강도 변화를 보여주고 있다. 중공 유리 마 이크로스피어의 혼입량이 증가함에 따라 HGM0, HGM20, HGM30의 압축강도는 각각 132.67, 102.00, 76.37 MPa로 감소하는 것을 알 수 있으나, 모든 시멘트 복합체에서 70 MPa 이상의 고강도를 발현한 것을 알 수 있다. 이는^「표 준시방서 KCS 14 20 33 고강도 콘크리트_」에서 정하고 있는 고강도 콘크리트의 설계기준 압축강도 40MPa을 크 게 웃도는 결과로, 고온 양생 시 수화반응으로 생성된 포 틀랜다이트와 실리카퓸의 포졸란 반응으로 2차 수화물이 더 많이 생성되었기 때문이다[14]. 이를 통해 중공 유리 마이크로스피어가 고강도 콘크리트 설계기준을 만족하는 건설소재로 활용이 가능함을 확인하였다.

Fig. 6

Compressive strength of cement composite with different concentration of HGM.

중공 유리 마이크로스피어 혼입 시멘트 복합체의 내열 충격성을 확인하기 위해 열충격시험을 수행하였다. 열충 격시험은 세계 최저 및 최고 온도를 고려하여 저온 -60°C 와 고온 50°C의 온도에서 각각 30분씩 유지하는 Cycle을 총 72회 반복하였으며, 열충격시험 전 시멘트 복합체 내 부에 포함된 수분의 영향을 최소화하기 위해 90°C의 온도 에서 20시간 열처리하여 시멘트 복합체를 건조하였다. 건 조 및 고온조건에서 추가 수화 작용에 의한 강도 증가 현 상을 고려하여, 90°C에서 20시간 건조 후, 50°C에서 36시 간 동안 유지하고 상온으로 식혀 보관한 비교 시멘트 복 합체 시편을 준비하였다. Fig. 7은 열충격시험 전·후 시멘 트 복합체의 외관 사진을 보여주고 있다. 중공 유리 마이 크로스피어가 혼입된 시멘트 복합체의 경우 열충격시험 전·후 외관상의 변화가 관찰되지 않은 반면, 중공 유리 마 이크로스피어가 혼입되지 않은 경우 외관에 결함이 발생 한 것을 확인 할 수 있다. Fig. 8은 비교 시멘트 복합체의 압축강도 대비 열충격시험 시험을 수행한 시멘트 복합체 의 압축강도 감소율을 보여주고 있다. 열충격시험 후 시멘 트 복합체의 압축강도가 비교 시멘트 복합체의 압축강도 에 비해 감소하는 경향을 확인할 수 있다. 이는 급격한 온 도변화에 의해 시멘트 복합체가 수축·팽창을 반복하여 미 세 균열이 발생하고, 이로 인해 압축강도가 감소했을 것으 로 판단된다. 비교 시멘트 복합체 대비 열충격시험 후 시 멘트 복합체의 압축강도 감소량을 확인한 결과 HGM0, HGM20, HGM30에서 각각 28.4, 10.4, 5.7%로 중공 유리 마이크로스피어 혼입량이 높아짐에 따라 압축강도 감소량 이 작아지는 것을 알 수 있다. 이를 통해 중공 유리 마이 크로스피어 혼입을 통해 시멘트 복합체의 내열충격성을 향상시킬 수 있음을 확인하였다.

Fig. 7

Photos of cement composite before and after thermal shock test. (a) HGM0, (b) HGM20, (c) HGM30.

Fig. 8

Compressive strength of cement composite with and without thermal shock treatment. And the difference presented in percent of compressive strength of comparison and thermal shock sample.

중공 유리 마이크로스피어에 의한 시멘트 복합체의 내 열충격성 향상 원인은 중공 유리 마이크로스피어 혼입율 이 증가함에 따라 열팽창계수가 낮아져 급격한 온도 변화 에 의한 시멘트 복합체의 변형이 상대적으로 작아졌고, 이 로 인해 결함발생이 줄었을 것으로 판단된다. 또한 중공 유리 마이크로스피어 혼입량이 증가함에 따라 단열성능이 향상되고, 이로 인해 외부의 급격한 온도변화에도 시멘트 복합체 내부로 전달되는 열의 흐름이 느려 상대적으로 온 도변화가 천천히 진행되고, 이를 통해 시멘트 복합체 내부 의 급격한 수축 및 팽창을 막아 결함 형성을 방지한 것으 로 예측된다.

4. 결 론

본 연구에서는 중공 유리 마이크로스피어 혼입 시멘트 복합체를 제조하여 혼입량에 따른 시멘트 복합체의 특성 변화를 확인하고, 외부 온도 변화에 따른 시멘트 복합체의 강도 변화 확인을 통해 중공 유리 마이크로스피어가 시멘 트 복합체의 내열충격성에 미치는 영향을 실험적으로 관 찰하였다. 이때 0, 20, 30 wt%의 중공 유리 마이크로스피어 혼입량에 따라 시멘트 복합체를 HGM0, HGM20, HGM30 으로 명명하였다.

중공 유리 마이크로스피어 혼입량이 증가함에 따라 HGM0, HGM20, HGM30의

1. 밀도가 각각 2.29, 1.67, 1.55 g/cm³으로 감소하는 경 향을 보였다.

2. 열전도율이 각각 1.43, 0.85, 0.73 W/m·K으로 감소하 는 경향을 보였다. 열전도율의 감소는 외부 온도 변 화에 의한 복합체 내부로의 열확산을 막아, 복합체 내부 온도변화 속도를 줄일 수 있다.

3. 열팽창계수가 각각 10.65, 8.51, 8.02 μm/m·°C으로 감 소하는 경향을 보였다. 열팽창계수의 감소는 외부 온 도 변화에 의한 시멘트 복합체의 변형을 줄여 온도 변화에 따른 안정성 확보에 유리하다.

4. 압축강도가 각각 132.67, 102.00, 76.37 MPa로 감소하 는 경향을 보였다. (재령일 28일 기준)

중공 유리 마이크로스피어 혼입 시멘트 복합체의 열충 격시험에 따른 압축강도 변화 확인 결과 비교 시멘트 복 합체 대비 HGM0, HGM20, HGM30에서 각각 28.4, 10.4, 5.7%의 압축강도 감소가 일어남을 확인하였으며, 이를 통 해 중공 유리 마이크로스피어를 시멘트 복합체에 혼입함 으로서 내열충격성이 향상됨을 확인하였다 이는 중공 유 리 마이크로스피어 혼입 시멘트 복합체의 열전도율 감소 에 따라 내부로 전달되는 열의 이동속도가 느려지고, 열팽 창계수 감소로 인해 온도변화에 따른 변형이 작아져 내부 결함 발생이 줄어들었기 때문이다.

Acknowledgements

감사의 글

본 연구는 국토교통부/국토교통과학기술진흥원의 지원 으로 수행되었음(과제번호 22NANO-B156177-03).

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References

Citations

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