UHPC용 마이크로실리카: 입자 충전·유동성·섬유 부착

마이크로실리카가 UHPC의 입자 충전, 유동성, 수화 및 섬유–기질 계면에 미치는 영향과 과다 사용을 막는 시험을 설명합니다.

제시 범위는 1차 선별 기준으로 사용하고, 최종 등급과 첨가량은 실제 원료·혼합 순서·사용 조건에서 검증해야 합니다.

1. 서브마이크론 구형 입자의 구름-윤활 효과

마이크로실리카는 주로 극히 미세한 구형 비정질 이산화규소 입자로 구성되어 있으며, 그 원생 입자 크기는 일반 시멘트 입자보다 훨씬 작습니다.

마이크로실리카가 UHPC 슬러리 내에서 충분히 응집이 풀리고 균일하게 분산될 때, 미세한 구형 입자는 시멘트 입자 사이로 침투하여 전단 및 유동 과정에서 입자 간 마찰 저항을 부분적으로 감소시켜 “볼 베어링”과 유사한 윤활 작용을 형성합니다.

이러한 작용은 다음과 같은 이점을 제공합니다:

• 입자 간의 내부 마찰을 감소시키고;
• 낮은 수-시멘트 비율 슬러리의 유동성 개선;
• 국부적인 응집 및 입자 간 가교 현상 감소;
• 슬러리가 석영 모래와 강철 섬유를 감싸는 능력을 향상시킵니다.

그러나 구름 효과는 모든 마이크로실리카에서 자동으로 발생하는 것은 아닙니다.

Wang 등은 다양한 마이크로실리카가 UHPC의 유동성에 미치는 영향을 연구한 결과, 낮은 입자 공극률, 높은 적층 밀도, 넓고 합리적인 입자 크기 분포, 그리고 낮은 탄소 함량이 롤링 볼 베어링 효과와 가소화 효과를 통해 UHPC의 유동성을 향상시키는 데 더 유리하다는 사실을 발견했다.

이는 UHPC의 경우, 마이크로 실리카의 유변학적 가치가 평균 입자 직경에 의해서만 결정되는 것이 아니라, 입자 형태, 응집 정도, 입자 크기 범위 및 불순물 수준의 복합적인 영향을 받는다는 것을 의미합니다.

만약 마이크로실리카의 응집이 심하면, 본래의 서브마이크론 입자가 비교적 큰 응집체 형태로 혼합 과정에 참여할 수 있습니다. 이 경우 미세 충전 및 롤링 볼 베어링 효과를 발휘하기 어려울 뿐만 아니라, 슬러리의 수분 요구량을 증가시키고 가소성 점도를 높이며, 폴리카르복실산 감수제의 분산 효율을 저하시킬 수도 있습니다.

따라서 더 정확한 표현은 “마이크로실리카가 미세할수록 볼 베어링 효과(rolling ball effect)가 강해진다”가 아니라,

충분한 분산과 합리적인 입도 분포 조건 하에서, 구형의 초미세 입자가 더 효과적인 구슬—윤활 작용을 발휘할 수 있다.

2. 입도 분포 내의 마이크로미터 및 서브마이크로미터 공극 메우기

UHPC의 높은 강도와 내구성은 본질적으로 고도로 치밀한 다중 스케일 입자 적층 구조에서 비롯됩니다.

전형적인 UHPC 시스템에서, 서로 다른 재료가 각기 다른 입자 크기 범위를 담당합니다:

석영 모래는 미세 골재 골격을 형성하고, 시멘트와 석영 분말은 비교적 큰 골격 공극을 채우며, 마이크로실리카는 시멘트 입자 사이의 미크론 및 서브미크론 공극으로 더 깊이 침투합니다.

이때 마이크로실리카는 단순히 “분말 한 종류를 추가”하는 것이 아니라, 시멘트, 석영 분말 및 미세 모래 사이에서 부족한 입자 크기 구간을 보완하여 실제 입자 분포가 연속적 적층 곡선에 더 가깝게 만듭니다.

Modified Andreasen and Andersen 모델 등 입자 적층 방법을 사용하여 UHPC를 설계할 때, 마이크로실리카의 중요한 역할 중 하나는 분말 시스템이 목표 입도 곡선에 더 잘 부합하도록 하여 입자 적층 후의 잔여 공극을 줄이는 것입니다. 관련 연구에서는 이미 이 모델을 활용하여 고밀도 기질을 가진 UHPC 및 UHPFRC 시스템을 설계해 냈습니다.

입도 분포가 최적화되면 다음과 같은 몇 가지 직접적인 결과를 가져올 수 있습니다:

첫째, 물과 슬러리로 채워야 하는 초기 공극을 줄일 수 있다.

둘째, 동일한 수-바인더 비율에서 더 연속적인 고체 골격을 형성한다.

셋째, 국부적인 큰 기공과 취약 영역을 줄일 수 있습니다.

넷째, 후속 수화 생성물에 더 균일한 성장 공간을 제공한다.

그러나 이론적 건식 적층 밀도가 높다고 해서 실제 UHPC의 성능이 반드시 더 우수하다는 것을 의미하지는 않는다는 점에 유의해야 합니다.

UHPC 내의 수막 두께, 감수제 흡착, 분말 응집, 공기 함량 및 강섬유에 의한 교란 등은 모두 실제 습윤 상태의 적층 상태를 이론적 계산치에서 벗어나게 합니다. 따라서 입자 적층 모델은 유변학 시험, 공기 함량 측정 및 기계적 성능 검증과 함께 사용되어야 합니다.

3. 미세 충전, 핵형성 및 포졸란 반응은 동일한 과정이 아니다

마이크로실리카가 UHPC의 미세 구조에 미치는 기여는 서로 연관되어 있지만 발생 시점이 다른 세 가지 작용으로 나눌 수 있습니다.

물리적 충진 작용

혼합 및 성형 단계에서 마이크로실리카는 먼저 시멘트와 석영 분말 사이의 미세 공극을 채워, 초기 결함과 모세관 공극이 형성될 공간을 줄입니다.

이 작용은 수화 반응이 대규모로 일어나기 전부터 이미 존재한다.

핵형성 효과

균일하게 분산된 마이크로실리카 입자는 시멘트 수화 생성물에 더 많은 핵 형성 위치를 제공하여, C-S-H 등의 수화 생성물이 입자 표면에 침전되도록 촉진합니다.

연구에 따르면, 마이크로실리카의 핵형성 작용과 폴리카르복실산 감수제에 대한 우선적 흡착은 UHPC 슬러리의 유도 기간을 단축하고 초기 시멘트 수화 및 발열을 촉진할 수 있는 것으로 나타났습니다.

포졸란 반응

후속 수화 단계에서, 마이크로실리카 내의 활성 비정질 SiO₂는 시멘트 수화로 생성된 Ca(OH)₂와 반응하여 추가적인 C-S-H 겔을 생성합니다.

이 과정은 상대적으로 취약한 수산화칼슘 결정체를 감소시키고, 기공을 더욱 미세화하며, 기질 및 계면 전이 영역을 개선할 수 있습니다.

2024년에 수행된 한 연구에서는 불활성 이산화티타늄을 대조 재료로 사용하여 마이크로실리카의 물리적 충진 효과와 화학적 반응 효과를 분리하여 분석했습니다. 그 결과, 마이크로실리카가 UHPC에서 화산재 반응을 통해서만 작용하는 것은 아니며, 충진, 핵형성, 감수제 흡착 및 후기 반응이 각기 다른 양생 단계에서 서로 다른 기여도를 보인다는 사실이 밝혀졌습니다.

이는 초저수-시멘트비 UHPC에서 “마이크로실리카 첨가량 증가”가 반드시 강도를 지속적으로 향상시키지는 않는 이유를 설명해 준다.

계 내의 유효 수분이 부족하여 시멘트 수화가 제한되거나, 마이크로실리카의 응집이 뚜렷한 경우, 과량의 마이크로실리카는 높은 비표면적을 가진 충진재로 더 많이 작용하여 예상된 포졸란 반응을 충분히 완료하지 못할 수 있다.

4. 마이크로실리카는 강섬유의 분산 및 계면 접착력에도 영향을 미칩니다

UHPC의 굽힘 강도, 인장 강도 및 균열 후 내하력은 강섬유의 혼입량뿐만 아니라, 강섬유가 균일하게 분포되는지 여부와 섬유와 매트릭스 사이에 적절한 접착 강도가 형성되는지에 달려 있습니다.

마이크로실리카는 섬유 주변의 기공을 미세화하고, 매트릭스의 치밀도를 높이며, 계면 구조를 개선함으로써 강섬유와 슬러리 간의 접착, 마찰 및 기계적 물림 작용을 강화할 수 있습니다.

그러나 동시에, 마이크로실리카는 슬러리의 항복 응력과 소성 점도를 변화시키기도 합니다.

슬러리의 점도가 너무 낮으면 강섬유가 침전되거나 배향이 제어되지 않을 수 있으며, 점도가 너무 높으면 섬유가 뭉치거나 기포 배출이 어려워지고 유동성이 저하될 수 있습니다.

Wu, Khayat 및 Shi는 2019년 연구에서 마이크로실리카의 혼합 비율을 결착재 질량의 0%에서 25%로 설정했습니다. 실험 결과에 따르면, 해당 연구의 배합 및 재료 조건에서 마이크로실리카 혼합 비율이 10%에서 15%인 UHPC가 높은 섬유-기질 접착 성능, 굽힘 강도 및 인장 강도를 나타냈습니다.

연구에 따르면, 이 혼합 비율 범위에서 슬러리의 점도가 상대적으로 낮게 유지되고 강철 섬유의 분포가 더욱 균일해지는 것으로 나타났다.

또 다른 연구에서는 특정 UHPC 시스템에서 20%의 마이크로실리카을 첨가하면 기계적 성능이 향상되고 염화이온 확산 계수가 감소하며, 동시에 강섬유와 매트릭스 간의 시너지 효과가 강화된다는 사실이 밝혀졌다.

이 두 결과는 서로 모순되지 않으며, 오히려 다음과 같은 중요한 사실을 시사합니다.

UHPC에는 구체적인 원재료 및 배합 체계를 떠나서 적용할 수 있는 “통일된 최적의 마이크로실리카 첨가량”이 존재하지 않는다는 점입니다.

최적 첨가량은 시멘트 조성, 석영분 입도, 모래 입도 분포, 수-바인더 비율, 감수제 유형, 강섬유 규격, 혼합 에너지 및 양생 조건 등의 요인에 따라 달라집니다.

5. UHPC용 마이크로실리카는 SiO₂ 함량만 보고 판단해서는 안 된다

ASTM C1240 등의 표준은 마이크로실리카가 시멘트 기반 재료에 적용되기 위한 기본적인 품질 기준이 될 수 있지만, UHPC의 경우 일반 표준을 충족하는 것만으로는 대개 충분하지 않습니다.

실제 제품 선정 시 다음 사항을 중점적으로 검토해야 합니다:

입도 분포 및 공극률: 기존 시멘트 및 석영 분말의 입도 분포에서 부족한 구간을 보완할 수 있는지 여부.

원생 입자의 형태 및 응집 상태: 기존 혼합 설비에서 효과적으로 응집을 해소할 수 있는지 여부.

밀집 상태: 밀집 정도가 투입 방식, 혼합 에너지 및 생산 주기와 잘 맞는지 여부.

소실량 및 탄소 함량: 잔류 탄소가 지나치게 높으면 혼합제 흡착이 증가하여 유동성과 기포 함유 체계에 영향을 미칠 수 있습니다.

폴리카르복실산 감수제(PCE)와의 호환성: 동일한 마이크로실리카가라도 서로 다른 PCE 시스템에서 현저히 다른 유동성과 슬럼프 유지성을 보일 수 있다.

배치 간 일관성: UHPC는 수-콜로이드 비율이 낮고 분말 함량이 높아 원자재의 변동에 매우 민감하며, 미세한 변화도 유변학적 특성 및 강도 변동으로 확대될 수 있다.

수축 및 발열에 미치는 영향: 마이크로실리카의 핵형성 작용은 초기 수화를 가속화할 수 있으며, 동시에 초기 발열 및 자기 수축 위험을 높일 수 있습니다. 관련 연구에 따르면, 마이크로실리카의 분산을 개선하고 초기 활성을 조절하면 UHPC의 수화 과정과 초기 성능을 현저하게 변화시킬 수 있습니다.

6. 보다 신뢰할 수 있는 UHPC 마이크로실리카 평가 방법

UHPC 생산 기업의 경우, 마이크로실리카 평가는 단순히 화학 분석 보고서에 그쳐서는 안 되며, 실제 배합 체계에서 검증해야 한다.

적어도 다음 네 가지 차원의 시험을 완료할 것을 권장합니다:

입도 분포 검증

시멘트, 마이크로실리카, 석영분, 석영모래의 실제 입도 분포를 입자 적층 모델에 입력하여, 마이크로실리카 첨가 전후의 입도 분포 적합도와 이론 공극률을 분석한다.

유변학적 특성 검증

팽창도 외에도 슬러리의 항복 응력, 가소성 점도, 유동 유지성 및 교반 후의 구조 회복 능력에도 주목해야 합니다.

확장도가 동일한 두 가지 배합이라도 점도와 섬유 분산 상태는 완전히 다를 수 있습니다.

강섬유 분포 검증

단면 절단, 이미지 분석 또는 부재의 서로 다른 부위에서 시료를 채취하여, 강섬유에 뭉침, 침전 또는 뚜렷한 배향 현상이 나타나는지 평가한다.

종합 성능 검증

단순히 28일 압축 강도만으로 판단하지 말고, 압축 강도, 굽힘 또는 인장 성능, 섬유 인발 거동, 자체 수축, 기포 함량 및 내구성 지표를 동시에 시험해야 한다.

결론

UHPC에서 미세 실리카의 가치는 단순히 “활성 SiO₂를 증가시킨다”거나 막연하게 “나노 롤링 볼 베어링 효과를 향상시킨다”는 것에 그치지 않습니다.

마이크로실리카가 진정으로 관여하는 것은 다중 스케일 재료 설계 과정입니다:

서브마이크론 구형 입자의 구슬-윤활 작용을 통해 유변학을 조절하고, 입자 크기 보상을 통해 입자 적층을 최적화하며, 미세 충전을 통해 초기 결함을 줄이고, 핵형성 및 포졸란 반응을 통해 수화 생성물을 재구성하며, 치밀화를 통해 강섬유-기질 계면을 개선하는 것입니다.

따라서 고품질 UHPC 마이크로실리카는 단순히 더 높은 순도나 더 높은 비표면적을 추구해서는 안 되며, 다음을 갖추어야 합니다:

합리적인 입자 분포, 제어 가능한 응집 상태, 우수한 감수제 호환성, 안정적인 배치별 성능, 그리고 목표 UHPC 생산 공정에 부합하는 분산 능력을 갖추어야 한다.

UHPC에 필요한 것은 지표가 가장 높은 마이크로실리카가 아니라, 구체적인 배합에서 입도 분포, 유변성, 수화 및 섬유 분포의 균형을 실현할 수 있는 마이크로실리카입니다.