변형도경화시멘트계복합체
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1. 개요
변형도 경화 시멘트 복합체(ECC)는 미세 역학 설계를 기반으로 개발된 재료로, 일반 콘크리트보다 높은 인장 연성을 가지도록 설계되었다. ECC는 섬유와 시멘트 매트릭스 간의 상호 작용을 통해 미세 균열을 생성하여 치명적인 파괴 없이 변형될 수 있으며, 좁은 균열 폭과 자가 치유 특성을 갖는다. ECC는 경량, 자기 충전, 분무 가능, 압출 가능 등 다양한 종류로 개발되어 댐 보수, 옹벽 보수, 고층 건물, 교량 등에 적용되고 있다. ECC는 섬유 보강 시멘트(FRC)나 고성능 섬유 보강 시멘트 복합체(HPFRCC)와 비교하여 설계 방법론, 섬유 종류, 기계적 특성 등에서 차이를 보인다.
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| 변형도경화시멘트계복합체 | |
|---|---|
| 개요 | |
| 이름 | 변형도 경화 시멘트 복합체 |
| 영문명 | Engineered Cementitious Composite (ECC) |
| 일본어명 | 高靭性セメント系複合材料 (Kōjinsei semento-kei fukugō zairyō) |
| 재료 정보 | |
| 유형 | 시멘트 복합 재료 |
| 구성 요소 | 시멘트, 물, 골재, 폴리머 섬유 |
| 섬유 종류 | 폴리비닐 알코올 (PVA) 섬유 |
| 특징 | |
| 주요 특징 | 높은 연성 및 균열 제어 능력 |
| 인장 변형 능력 | 일반 콘크리트의 300배 이상 |
| 균열 폭 | 0.1mm 이하의 미세 균열 다수 발생 |
| 내구성 | 우수한 내구성 |
| 자기 치유 능력 | 균열 폭이 작아 자기 치유 능력 발휘 |
| 활용 분야 | |
| 적용 분야 | 교량 도로 포장 내진 구조물 건축물의 연결 부위 보수 및 보강 재료 3D 프린팅 콘크리트 |
2. 개발
ECC는 일반적인 섬유 보강 콘크리트와 달리 미세 역학적으로 설계된 재료의 일종이다.[2][3] 미세 역학 및 파괴 역학 이론을 바탕으로 시멘트 재료를 설계하여 인장 연성이 큰 특징을 갖도록 개발되었다. 따라서 ECC는 고정된 재료 설계가 아닌, 연구, 개발 및 구현의 다양한 단계에서 다루어지는 광범위한 주제이며, ECC 재료군은 지속적으로 확장되고 있다. ECC의 개별 배합 설계를 개발하려면 나노, 미세, 매크로 및 복합 스케일에서 재료를 체계적으로 엔지니어링하는 특별한 노력이 필요하다.
변형도 경화 시멘트 복합체(ECC)는 일반적인 콘크리트나 다른 섬유 강화 복합재료와 구별되는 여러 고유한 특성을 지닌다.[4] ECC는 몰탈에 짧은 섬유 재료(주로 폴리머 섬유)를 혼합하여 강화하고 틀에서 굳혀 만든다.[18]
전통적인 콘크리트가 취성 거동으로 인해 내구성이 부족하고 변형에 취약하다는 점은 ECC 개발의 주요 동기가 되었다. ECC는 일반적인 포틀랜드 시멘트 기반 콘크리트와 유사하게 보이지만, 변형(또는 휨)을 받을 수 있다는 점이 다르다.[1] ECC는 몰탈에 짧은 섬유 재료(주로 폴리머 섬유)를 혼합하여 강화하고, 틀 안에서 굳혀서 만든다.[18] 일반적인 콘크리트와 달리, ECC의 변형률 용량은 3%에서 7%에 달하는데[18], 이는 일반적인 콘크리트나 몰탈의 변형률 용량인 0.01%에 불과하다. 이러한 성질 때문에 ECC는 일반적인 콘크리트처럼 딱딱하고 부서지기 쉽기보다는, 오히려 유연하게 변형하는 재료라고 할 수 있다.
많은 연구 그룹에서 ECC 과학을 개발하고 있으며, 여기에는 미시간 대학교, 캘리포니아 대학교, 어바인, 델프트 공과대학교, 도쿄 대학교, 체코 공과대학교, 브리티시컬럼비아 대학교, 스탠퍼드 대학교 등이 포함된다. ECC는 일반적인 섬유 보강 콘크리트와도 다르다.[19][20]
3. 특성
가장 큰 특징 중 하나는 높은 변형률 용량이다. 일반 콘크리트나 몰탈의 변형률 용량이 0.01%에 불과한 반면, ECC는 3%에서 최대 7%에 달하는 변형률 용량을 가진다.[18] 이 덕분에 ECC는 일반 콘크리트처럼 딱딱하고 쉽게 부서지는 대신, 훨씬 유연하게 변형될 수 있다.
또한, ECC는 우수한 인장 특성을 보인다. 이는 체적의 2% 이내로 비교적 적은 양의 섬유를 사용함에도 불구하고[21], 섬유와 시멘트 매트릭스 간의 상호 작용을 통해 발현된다. 이 상호 작용은 미세역학적 설계를 통해 용도에 맞게 조절될 수 있다.[4] ECC는 인장력을 받을 때 일반 콘크리트처럼 몇 개의 큰 균열이 발생하는 대신, 매우 미세한 균열이 다수 발생하는 특징을 보인다. 이 미세 균열 덕분에 ECC는 갑작스럽게 파괴되지 않고 변형될 수 있다.[4][19][20]
이러한 미세 균열 거동은 여러 장점으로 이어진다. 첫째, 우수한 부식 저항성을 제공한다. 균열 폭이 매우 작기 때문에 물이나 염화물 같은 부식 유발 물질이 내부로 침투하기 어려워, 철근과 같은 내부 보강재를 효과적으로 보호할 수 있다.[5][22] 둘째, 이는 ECC의 중요한 특징인 자가 치유 능력으로 이어지며, 자세한 내용은 하위 섹션에서 다룬다.[5][6][7]
이 외에도 ECC는 기존 시멘트와 비슷한 수준의 가공 용이성을 가지며[4], 특정 방향으로 약한 면이 없어 비교적 균일한 강도를 나타낸다.[4] 또한, 전도성 물질을 첨가하면 재료의 전기 전도도 변화를 통해 손상을 감지하는 데 활용될 가능성도 연구되고 있다. 다만 이는 ECC 자체의 고유 특성이라기보다는 응용 기술에 해당한다.[8][9]
ECC는 2010년대 이후에도 계속 발전하고 있는 재료이다.[26][27]
3. 1. 자가 치유
ECC는 미세한 균열이 자동적으로 수복되는 자가 치유 능력을 가진다.[23][24] ECC에 발생한 미세 균열이 물에 노출될 경우, 균열 내부에서 시멘트 재료의 수화물(예: 방해석, 규산 칼슘 수화물)이 자동적으로 생성되어 균열을 메우는 방식으로 치유된다. 이 과정에서 생성된 수화물은 미세 균열 안에 흰 흔적처럼 나타나며, 물의 추가적인 침투를 막고 ECC의 강도 또한 회복시킨다.
이러한 자가 치유 현상은 일반적인 콘크리트나 시멘트에서도 관찰되지만, 균열의 폭이 충분히 좁지 않으면 치유 효과가 충분히 일어나지 않는다. 일반 콘크리트는 파괴 시 큰 균열이 발생하기 쉬운 반면, ECC는 혼입된 섬유 재료 덕분에 미세 균열의 폭이 자가 치유가 가능한 수준으로 제어되는 경향이 있다.[25] 이는 ECC의 중요한 장점 중 하나로, 구조물의 내구성을 향상시키는 데 기여한다. 또한, 미세한 균열은 빗물의 침투를 어렵게 하여 내부 철근 등의 부식을 방지하는 데에도 유리하다.[22]
4. 종류
변형도 경화 시멘트 복합체(ECC)는 특정 목적이나 사용 환경에 맞춰 다양한 종류로 개발되고 있다. 주요 ECC 종류는 다음과 같다.
- 경량 ECC: 밀도를 낮추어 무게를 줄인 ECC이다.
- 자기 충전 ECC: 유동성을 높여 스스로 흘러 빈틈을 채울 수 있는 ECC이다.
- 분무 가능 ECC: 호스를 통해 뿌려서 시공할 수 있도록 개발된 ECC이다.
- 압출 가능 ECC: 압출 성형 방식으로 특정 형태(주로 파이프)를 만드는 데 사용되는 ECC이다.
각 종류의 ECC는 고유한 특성을 바탕으로 부유식 주택, 복잡한 구조물 충전, 구조물 보수, 파이프 제작 등 다양한 분야에 활용된다. 자세한 내용은 각 하위 문단에서 설명한다.
4. 1. 경량 ECC (저밀도 ECC)
경량 ECC는 밀도를 낮춘 ECC를 의미하며, 저밀도 ECC라고도 불린다. 일반 콘크리트보다 가볍게 만들기 위해 몇 가지 방법을 사용하는데, 크게 세 가지 유형으로 나눌 수 있다. 첫 번째는 ECC의 시멘트 재료에 경량 골재를 사용하는 것이고, 두 번째는 ECC 내부에 공기 구멍(기포)을 만들거나 유리 구슬, 고분자 구체(합성수지) 등을 혼입하는 방식이다. 마지막은 앞서 언급한 두 가지 방법을 함께 사용하는 것이다.이렇게 제작된 경량 ECC는 일반적인 저밀도 콘크리트와 비교했을 때 뛰어난 연성(유연성)을 유지한다는 장점이 있다. 이러한 특성 덕분에 무게를 줄이는 것이 중요한 구조물에 활용된다. 대표적인 적용 분야로는 물 위에 띄우는 부유식 주택의 건축 자재나 바지선, 카누 등의 재료가 있다.
4. 2. 자기 충전 ECC
자기 충전 콘크리트는 자체 무게, 즉 자중으로 흐를 수 있도록 유동성을 높인 콘크리트를 의미하며, 자기 충전 ECC는 이러한 특성을 가진 ECC이다.유동성이 매우 높기 때문에, 거푸집 안에 철근이 촘촘하게 배치된 복잡한 구조물에도 별도의 다짐 작업(진동 등) 없이 스스로 흘러 들어가 빈틈없이 채울 수 있다. 이는 균일한 품질 확보와 시공 편의성 향상에 기여한다.
자기 충전 ECC는 콘크리트의 점도를 낮추는 화학적 혼화제를 사용하고, 입자 간의 상호작용을 제어하는 방식으로 배합 비율을 조절하여 개발되었다. 적절한 골재를 사용하는 것 역시 자기 충전 성능을 구현하는 데 중요하다.
4. 3. 분무 가능 ECC
기송 호스를 통해 공압으로 분사할 수 있도록 개발된 ECC이다. 다양한 특수 유연 가소제와 점성 저감제를 첨가하여 점도를 낮추고 펌프성과 분사성을 향상시킨 것이 특징이다. 다른 분무형 섬유 강화 복합재료와 비교했을 때, 분무 가능 ECC는 고유한 기계적 특성뿐만 아니라 개선된 펌프 성능을 보여준다. 주로 터널이나 하수도의 내부 보수 및 라이닝 작업에 사용된다.4. 4. 압출 가능 ECC
1998년에 처음 개발된 ECC 종류로, 압출 성형 방식을 통해 파이프 형태로 생산할 수 있다.[1][2] 압출 가능 ECC로 만든 파이프는 기존의 다른 압출 방식 섬유 강화 복합재 파이프보다 더 높은 하중을 견딜 수 있으며 변형 능력도 뛰어나다.[1] 또한, 기존 섬유 보강 콘크리트 파이프보다 더 많은 양을 압출할 수 있고, 더욱 정교한 형태 제작이 가능하다.[2]5. 시공 사례
변형도경화시멘트계복합체(ECC)는 일본, 대한민국, 스위스, 오스트레일리아, 미국 등 여러 국가의 다양한 대규모 건설 프로젝트에 적용되고 있다.[3][20]
5. 1. 일본
히로시마현 근처의 미타카 댐은 2003년에 ECC를 사용하여 보수되었다.[10][28] 당시 준공 60년이 지난 댐은 표면에 심한 균열과 박리, 일부 누수 현상이 나타나는 등 노후화가 심각했다. 이에 600m2가 넘는 범위의 표면에 20mm 두께로 ECC를 분사하여 보수 작업을 진행했다.같은 해인 2003년, 기후현에서는 옹벽 보수에 ECC가 사용되었다.[11][29] 해당 옹벽은 기존 구조물의 균열이 매우 심각하여 일반 포틀랜드 시멘트를 사용할 경우 반사 균열이 발생할 우려가 있었다. ECC는 이러한 위험을 최소화하기 위한 대안으로 선택되었으며, 시공 1년 후 관찰 결과 허용 가능한 수준의 미세 균열 외에는 추가적인 균열 진행이 억제된 것으로 나타났다.
도쿄에 위치한 95m 높이의 글로리오 롯폰기 고층 아파트에는 지진 피해를 줄이기 위한 목적으로 총 54개의 ECC 연결 빔(층당 2개)이 설치되었다.[12][30] ECC는 높은 손상 허용 오차와 에너지 흡수 능력, 그리고 전단 하중 하에서의 변형 능력이 뛰어나 일반 포틀랜드 시멘트보다 우수한 내진 성능을 제공한다. 요코하마에 있는 41층 규모의 나베아우레 요코하마 타워 역시 유사한 목적으로 각 층에 4개의 ECC 연결 빔을 설치한 사례이다.
2005년에 개통된 홋카이도의 1km 길이 미하라 다리는 강철로 보강된 도로 바닥(도상)에 약 800m3의 ECC 재료를 사용했다.[13][31] ECC의 우수한 인장 연성과 균열 폭 제어 능력 덕분에 시공 과정에서 사용된 재료의 양을 40% 절감할 수 있었다.
5. 2. 미국
미시간주 주간 고속도로 94호선의 다리에서는 2005년에 교량 상판에 ECC가 적용되었다.[14][15][32][33] 이 다리의 상판은 225mm 두께로 시공되었으며, 약 30m3의 ECC가 사용되었다. ECC의 우수한 기계적 특성 덕분에 일반 포틀랜드 시멘트를 사용했을 때보다 적은 양의 재료로도 충분한 성능을 확보했다. 미시간 대학교와 미시간 교통부는 이 다리의 내구성을 지속적으로 관찰했으며, 완공 후 4년이 지난 시점에도 성능 저하는 발견되지 않았다.[14][15][32][33]또한, 2006년 11월에는 엘스워스 로드 다리(Ellsworth Road Bridge) 보수에 조기 강도(Early-strength) ECC가 처음으로 사용되었다.[16][17][34][35] 이 ECC는 타설 후 4시간 만에 23.59 ± 1.40 MPa, 28일 후에는 55.59 ± 2.17 MPa의 압축 강도를 나타내는 등 빠르게 굳고 강도가 높아지는 특성이 있다. 덕분에 다리 보수 공사 기간을 단축하고 조기에 교통을 재개할 수 있었으며, 기존 콘크리트 보수 재료보다 장기적인 내구성도 우수한 것으로 평가되었다.[16][17][34][35]
6. 타 재료와의 비교
비용 및 가공성을 위해 Vf 최소화
Vf: 일반적으로 2% 미만
섬유 직경(df): ~500 μm (강철 섬유 기준)
Vf: 일반적으로 5% 초과
df: ~150 μm
Vf: 일반적으로 2% 미만
df: < 50 μm
가는 모래 사용
화학적 및 마찰 결합 제어
(인장 하중 시)
최대 8% 기록
(1.5% 변형률 초과 시 제한 없음)
화학 반응 이용 설계 가능