이건철
(Gun-Cheol Lee)
1
서수연
(Soo-Yeon Seo)
1iD
윤현도
(Hyun-Do Yun)
2iD
홍성원
(Sung Won Hong)
3iD
김영민
(Young Min Kim)
4†iD
-
한국교통대학교 건축학부 교수
(Professor, Department of Architectural Engineering, Korea National University of Transportation,
Chungju 27469, Rep. of Korea)
-
충남대학교 건축공학과 교수
(Professor, Department of Architectural Engineering, Chugnam National University, Daejeon
34134, Rep. of Korea)
-
한국교통대학교 안전공학전공 교수
(Professor, Department of Safety Engineering, Korea National University of Transportation,
Chungju 27469, Rep. of Korea)
-
한국교통대학교 건축공학과 박사과정
(Graduate Student, Department of Architectural Engineering, Korea National University
of Transportation, Chungju 27469, Rep. of Korea)
Copyright © Korea Concrete Institute(KCI)
키워드
탄소나노튜브, 동결융해, 전기저항, 전도성, 내구성
Key words
carbon nano tubes, freeze-thawing, electrical resistance, conductive, durability
1. 서 론
콘크리트 구조물은 시간이 경과함에 따라 노후화, 사용 중 외부충격, 열화로 인하여 품질저하 및 손상이 발생되며 유지관리에 대한 비용이 증가된다. 구조물에
손상이 발생되었을 때 이전 구조물에 대한 정보가 없으면 손상 정도에 대한 판단이 어렵고, 기존 상용센서를 구조물 내에 설치할 경우 센서 재료가 콘크리트와
달라 구조물 내에서 서로 다른 거동을 하게 되어 계측의 신뢰성을 떨어뜨리는 문제점을 갖는다.
이에 따라 탄소소재를 콘크리트에 혼입하고 전도성을 부여하여 전기저항의 변화를 통해 재료 자체가 센서 기능을 할 수 있는 자가진단성능 및 자기감지 모니터링이
가능한 자기감지 콘크리트를 만들어 구조물의 상태 평가 시스템을 구축하려는 연구가 계속되고 있다(Han et al. 2014; Lim et al. 2017;
Yoo et al. 2018)(2,13,16).
구조물에서 자기감지의 원리는 콘크리트 또는 시멘트복합체에 전도성소재를 혼합하여 부재를 제작하고, 균열이 발생되어 전도성소재의 연결이 끊어지면 전류가
흐르지 않게 되는 것으로 손상을 감지한다(Kim 2016)(8). 이러한 전도성소재 중 최근에 나노입자사이즈의 탄소나노튜브(carbon nanotubes, 이하 CNTs라 함)를 이용하여 구조물 손상을 감지하는
연구가 활발히 진행되고 자기감지 성능을 부여할 수 있음이 많은 연구자들에 의하여 밝혀지고 있다. 하지만 CNTs가 혼입된 전도성 시멘트복합체 또는
콘크리트의 역학적 성능은 반대로 저하하는 경향을 보이고 있다. 이에 대한 원인으로는 화학적인 영향이 아닌 시멘트복합체 내에서 CNTs의 반데르발스
힘이 작용하여 Fig. 1과 같이 뭉침현상 발생되고, 이는 공극량의 증가로 이어져 압축강도 및 역학적 성능이 저하하는 것으로 알려져 있다(Ha et al. 2015; Oh
et al. 2017; Lee and Kim 2020)(1,11,14).
Fig. 1. CNT shapes inside cement mortar
시멘트복합체 내에서 공극량의 증가는 역학적성능 저하는 물론 내구적인 성능저하의 요인으로 알려져 있지만, 현재까지 CNTs의 혼입이 내구적 특성에 미치는
영향에 관한 연구는 미비한 실정이다.
또한, 현재 CNTs를 혼입하여 자기감지성능 부여에 관한 연구는 건축물의 보와 기둥과 같은 마감재에 보호를 받아 외부환경에 직접 노출되지 않는 구조부재에
집중되어 있다. 하지만 향후 외부환경에 직접적으로 노출되는 댐 및 교량, 도로와 같은 토목구조물 뿐만 아니라 보수재로서 활용가능성이 높은 상황에서
외부환경 노출되었을 때 내구적인 특성 변화에 관한 연구가 필요한 실정이며, 열화손상이 발생되었을 때 전기적 특성변화 또한 검토되어야할 필요가 있다.
따라서 본 연구에서는 CNTs의 혼입이 전도성 시멘트 모르타르의 동결융해에 미치는 영향을 분석하고 동결융해 반복작용에 의한 열화가 진행되었을 때 전기저항값의
변화를 분석하여 전기적 특성을 평가하고자 하였다.
2. 실험계획 및 방법
2.1 실험계획
CNTs가 혼입된 전도성 시멘트 모르타르의 동결융해 저항성을 파악하기 위한 실험계획은 Table 1과 같고 배합사항은 Table 2와 같다. 본 실험에서 활용한 CNT는 다중벽 탄소나노튜브(multi walled CNT, MWCNT)와 단일벽 탄소나노튜브(single walled
CNT, SWCNT)로 두 종류 모두 분말타입으로 사용하였다.
실험체 제작은 KS L ISO679(KATS 2016)(3)에 의거하여 W/C는 50 %로 설정하였고, 시멘트와 표준사의 비율은 질량비로 1:3으로 하였다. CNTs의 혼입은 시멘트 질량대비 0, 0.5,
1.0, 2.0 %의 4개 수준으로 시멘트, 표준사, CNTs를 건믹싱한 후 배합수를 첨가하여 습식으로 혼합하였다.
Table 1. Experiment design
|
Factor
|
Levels
|
|
Mixture
|
CNT Type
|
2
|
MWCNT, SWCNT
|
|
CNT/C (%)
|
4
|
0, 0.5, 1.0, 2.0
|
|
W/C (%)
|
1
|
50
|
|
C:S
|
1
|
1:3
|
|
Flow (mm)
|
1
|
180±10
|
|
Experiment
factor
|
5
|
∙Compressive strength
∙Resistance to rapid freezing and thawing
∙Electrical resistance
∙Porosimeter
∙SEM
|
Table 2. Mixing proportion of cement mortar
|
Specimen
|
W/C
(%)
|
Weight (kg/m3)
|
|
Cement
|
Water
|
Sand*
|
CNT
|
|
CNT 0
|
50
|
510
|
255
|
1,530
|
0
|
|
CNT 0.5
|
1,530
|
2.55
|
|
CNT 1.0
|
1,530
|
5.10
|
|
CNT 2.0
|
1,530
|
10.2
|
|
Note: *Standard sand (KS ISO 679); CNT: carbon nanotube
|
Table 3. CNTs properties
|
Item
|
MWCNT
|
SWCNT
|
|
Diameter (nm)
|
5~100
|
1.2~3.0
|
|
Length (µm)
|
10
|
10
|
|
Tension (GPa)
|
<50
|
~45
|
|
Electrical resistance (Ω･m2)
|
5.1×10-6
|
10×10-4
|
|
Thermal conductivity (W/m･K)
|
Max. 3,000
|
Max. 6,000
|
|
Specific surface area (m2/g)
|
130~160
|
700~900
|
실험사항으로는 소정의 재령에서 압축강도를 측정하였고, 전도성 시멘트 모르타르의 전기적특성을 파악하기 위하여 재령 28일에 전기저항값을 측정하였다.
또한, 동결융해 저항성은 300 사이클까지의 검토를 진행하였는데, 소정의 사이클 진행 후의 상대동탄성계수와 질량변화율, 전기저항변화율 측정하였다.
또한, 공극분포와 SEM 촬영을 통하여 CNTs가 동결융해에 미치는 영향을 미시적으로 분석하고자 하였다.
2.2 사용 재료
본 실험에 사용된 CNTs는 국내 T사 제품을 사용하였다. 종류는 Multi wall, Single wall의 분말타입이며 특성은 Table 3과 같다. 시험에 사용한 화학혼화제는 KS F 2560(KATS 2019)(6)에 적합한 PC계 고성능 감수제를 사용하였다.
2.3 시험방법
2.3.1 공극률 측정
공극률 측정은 Fig. 2와 같이 ø10×10 mm의 시료를 제작한 후 Autopore V 9600 장비를 이용하여 28일 재령에 수은압입법(MIP)으로 실시하였다.
2.3.2 압축강도 시험
전도성 시멘트 모르타르의 압축강도 시험을 실시하기 위하여 시험체 제작은 KS L ISO679(KATS 2016)(3)에 준하여 (40×40×160) mm의 공시체를 제작하여 압축강도를 실시하였다.
2.3.3 동결융해 저항성 실험
동결융해 저항성 시험은 Fig. 3과 같이 Thermal shock tester와 Dynamic Young’s Modulus Meter를 이용하여, ø100×200 mm의 시험체를
KS F 2456(KATS 2018a)(4)의 급속동결융해에 대한 콘크리트 저항 시험(B) 방법과 KS F 2437(KATS 2018b)(5) 상대 동탄성계수 측정법을 30사이클마다 공시체의 질량변화율, 동탄성계수를 측정하였고, 동결융해 후 전기저항은 40×40×160 mm의 시험체로 측정하였다.
Fig. 2. Porosimeter (Autopore V 9600)
Fig. 3. Automation freezing and thawing apparatus
상대동탄성계수는 식(1)에 의거하여 계산하였으며, 동결융해 후의 박리된 정로를 파악하기 위하한 질량감소율은 식(2)에 의거하여 계산하였다. 또한 동결 시의 온도는 -18 °C, 융해시의 온도는 4 °C로 관리하였으며, 4시간을 1사이클로 기준으로 하였다.
여기서, $P_{c}$는 동결 융해 0사이클 후의 상대 동탄성 계수(%), $n_{c}$는 동결 융해 $c$ 사이클 후의 변형 진동의 1차 공명 진동수(Hz),
$n_{o
}$는 동결 융해 0사이클에서의 변형 진동의 1차 공명 진동수(Hz)이다.
여기서, $m_{t}$는 동결 융해 사이클 후의 질량감소율(%), $m_{1}$는 동결 융해 사이클 후의 질량(g), $m_{o}$는 동결 융해 0사이클에서의
질량(g)이다.
2.3.4 전기저항측정
전도성 시멘트 모르타르의 전기저항 및 동결융해 후의 전기저항 측정은 40×40×160 mm 공시체를 이용하였는데, 전기 저항을 측정하기 위하여 Fig. 4와 같이 시험체 양쪽 단부에 구리판을 삽입하였다. 전기저항측정은 Fig. 5와 같이 Bench Vue(DAQ970A)를 이용하여 2-Probe 방식으로 측정하였다(Lee et al. 2020)(12). 또한 시멘트복합체의 전도도는 수분의 함량에 영향을 받는다는 기존의 연구를 참고하여(Kim 2015)(7) 건조기에서 80±1 °C의 온도에서 24시간 건조 후 측정하였다.
Fig. 4. Electrical resistance test body
Fig. 5. Measurement of electrical resistance of cement mortar
3. 실험결과 및 분석
3.1 굳지 않은 모르타르 특성
Fig. 6은 목표플로우 180±10 mm를 달성하기 위한 화학혼화제 투입률을 나타낸 것이다. 먼저 CNTs 증가에 따라 화학혼화제의 투입률이 증가하는 것으로
나타났고, MW보다 SW가 유동성확보를 위해 투입되는 화학혼화제의 양이 증가하는 것으로 나타났다. 특히 SW2.0 시험체는 화학혼화제가 14 % 투입되었고,
이로 인하여 응결지연이 발생하여 재령 7일까지 강도측정이 불가능하였다.
3.2 전기저항 특성
Fig. 7은 CNTs 종류 및 혼입률에 따른 전도성 시멘트 모르타르의 전기저항 결과를 나타낸 것이다. 먼저 CNTs 혼입에 따른 전기저항값이 많이 감소하였으며,
감소의 폭은 SWCNT가 MWCNT보다 큰 것으로 나타났다.
Fig. 6. Admixture input rate according to CNTs type and age
Fig. 7. Electrical resistance by CNTs type
특히 MWCNT는 Plain에 비해 전기저항값이 33~6 % 수준이지만, SWCNT는 3~0.6 %로 전기적 특성이 우수하였다. 하지만 SWCNT는
동일 질량을 투입 하더라도 MWCNT보다 비표면적이 평균적으로 5배 정도 높기 때문에 동일한 배합수를 투입하여 전도성 시멘트 모르타르 제조 시 작업효율이
상당히 불량하게 되며, 유동성 확보를 위해서 과도한 화학혼화제의 투입이 요구되어진다.
3.3 공극률
Fig. 8은 CNTs 종류 및 혼입량에 따른 전도성 시멘트 모르타르의 공극분표를 나타낸 것이다. 먼저, CNTs 혼입 유무에 따라서 370~80 µm 정도의
비교적 큰 공극이 CNTs 혼입된 시료에서 많이 발생되는 것으로 나타났으며, 혼입량이 클수록 큰 공극의 양도 증가하는 것으로 나타났다. 특히, MWCNT보다
SWCNT가 큰 공극의 양이 증가하였다. 이는 CNTs가 뭉침현상과 화학혼화제의 과도한 투입에도 불구하고 작업성 불량에 의해 발생된 것으로 이러한
공극들로 인하여 전도성 시멘트 모르타르의 역학적성능이 저하될 것으로 판단된다. 하지만 1~0.1 µm의 작은 공극분포가 CNTs가 혼입된 시험체에서
더 높은 것으로 나타났으며, 이러한 공극들이 동결에 의한 수분의 팽창압을 완화시켜주는 것으로 판단된다.
3.4 압축강도 특성
Fig. 9는 CNTs 종류 및 혼입량에 따른 전도성 시멘트 모르타르의 압축강도 결과를 나타낸 것이다. 먼저, CNTs가 혼입되지 않은 Plain의 경우 재령
경과에 따른 강도 발현이 가장 큰 것으로 나타났는데, 특히 재령이 경과할수록 CNTs가 혼입된 실험체보다 발현율의 차이는 더 벌어지는 경향을 나타내었다.
또한, CNTs 종류에 따라서는 SWCNT가 MWCNT보다 강도발현이 낮은 것으로 나타나고 있으며, 특히 SWCNT가 2.0 % 혼입된 실험체는 재령
7일까지 경화가 진행되지 않아 측정이 불가능했다. 이 실험체는 제작 시 작업성을 위하여 화학혼화제가 과도하게 투입이 되었으며, 이로 인하여 경화가
지연됨에 따른 결과로 판단된다. CNTs 혼입에 따른 시멘트 모르타르의 압축강도 저하 및 발현의 낮은 이유는 CNTs의 화학적인 영향보다는 CNTs의
반데르발스힘에 의한 뭉침현상(bundle effect)으로 선행연구(Lee and kim 2020)(11)와 Fig. 9처럼 비교적 큰 공극의 분포가 높은 것으로 판단된다.
Fig. 8. Porosity according to CNTs type
Fig. 9. Compressive strength according to CNTs type and age
3.5 동결융해 저항성
3.5.1 질량변화율
Fig. 10은 CNTs 종류 및 혼입률에 따른 전도성 시멘트 모르타르의 동결융해 300사이클 후의 질량변화율을 나타낸 결과이며, Fig. 11은 동결융해 전의 실험체와 동결융해 후 손상이 발생된 실험체 사진을 비교한 결과이다.
시험결과 동결융해가 반복됨에 따라 공시체 표면박리가 발생되면서 질량이 지속으로 감소되는 것으로 나타났다.
질량감소의 경향은 Plain이 가장 큰 것으로 나타났으며, 특히 90사이클까지 질량감소율이 12 % 정도까지 감소되면서 열화손상이 급격히 진행되었고,
이후는 300사이클까지 5 % 정도로 다소 완만한 것으로 나타났다. CNTs 종류에 따라서는 MW가 6~12 % 정도 감소하였고, SW는 2~5 %
정도로 질량감소율이 상대적으로 작은 것으로 나타났다.
Fig. 10. Weight change ratio by CNTs type
Fig. 11. Freeze-thaw test body by CNTs type
3.5.2 상대동탄성계수
Fig. 12는 CNTs의 종류 및 혼입률에 따른 전도성 시멘트 모르타르의 동결융해 후 상대동탄성계수 결과를 나타낸 것이다.
CNTs가 혼입될수록 상대동탄성계수의 감소율이 작아짐에 따라 동결융해에 대한 저항성은 증가되는 것으로 나타났다. 특히 CNTs가 혼입되지 않은 Plain은
질량변화율 경향과 유사하게 초기 30사이클에서 상대동탄성계수가 92 % 정도로 많이 감소하여 초기 동결융해에 의한 열화손상이 발생하였고, 동결융해가
반복됨에 따라 지속적으로 동결융해에 의한 저항성이 감소되는 경향을 나타내었다.
Fig. 12. Relative dynamic elastic modulus by CNTs type
Fig. 13. Freeze-thaw test body SEM
CNTs가 혼입된 실험체의 동결융해 저항성이 우수해지는 것은 Fig. 9 공극률 분포에 나타났듯이 1~0.1 µm의 작은 공극들이 동결 시 발생되는 수분의 팽창압을 완충시켜줌에 따라 저항성이 개선된 것으로 판단된다.
3.5.3 동결융해 시험후의 표면 분석
Fig. 13은 CNTs 혼입에 따른 전도성 시멘트 모르타르의 동결융해 전후의 시험체 표면을 25배율로 SEM 촬영한 결과이다.
먼저 동결융해 전 CNTs가 혼입된 시험체에서 일부 공극들이 관찰되었는데 이는 CNTs 첨가 시 작업성 불량으로 발생된 공극으로 판단된다. 동결융해
후의 CNTs가 첨가되지 않은 Plain 시험체는 골재들 사이에서 간극이 나타났고, 이는 반복적인 동결융해 작용으로 수분이 팽창압에 의해 발생된 결과이며,
CNTs가 첨가된 시험체에서는 미세한 공극들이 존재함에 따라 팽창압이 완화되면서 이러한 현상이 발견되지 않은 것으로 판단된다(Ko et al. 2001;
Park 2008; Lee 2010)(9,10,15).
3.5.4 전기저항 성능 변화
Fig. 14는 동결융해 후에 전기저항변화를 나타낸 결과이다.
동결융해 300사이클 후에 실험체의 전기저항값은 동결융해 전에 비하여 다소 증가되는 경향으로 나타났지만, 증가율은 동결융해에 의한 열화손상 전에 비하여
최대 2 %정도만 증가하여 큰 차이는 나지 않은 것으로 나타났다. 이는 동결융해에 의한 손상은 표면박리로부터 진행되기 때문에 내부까지 큰 손상이 발생되지
않아 전도성 시멘트 모르타르 내의 CNTs의 연결이 완전히 끊어지지 않았기 때문으로 판단된다.
Fig. 14. Electrical resistance ratio by CNTs type
4. 결 론
본 연구에서는 CNTs 혼입이 전도성 시멘트 모르타르의 동결융해 저항성에 미치는 영향을 분석하였으며, 다음과 같은 결론을 도출하였다.
1) CNTs 혼입에 따른 전도성 시멘트 모르타르의 압축강도는 감소하는 것으로 나타났고, 재령이 경과됨에 따라 발현율도 낮은 것으로 나타났다. CNTs의
낮은 밀도로 인하여 부피가 상당히 크고 이에 따라 작업성이 불량하며, CNTs의 반데르발스힘에 의한 다발(bundle)형태 의해 생성된 370~80
µm의 비교적 큰 공극들로 압축강도가 저하되는 것으로 기존의 연구결과와 유사하게 나타났다.
2) 전도성 시멘트 모르타르의 전기저항값은 CNTs 혼입에 따라 감소되는 경향을 나타내었고, MWCNT보다는 SWCNT 혼입 시 전기저항값이 크게
감소됨에 따라 전도성 부여에는 효과적이지만, 작업성의 불량 및 화학혼화제의 과도한 투입으로 응결지연의 문제점을 나타내었다.
3) CNTs가 혼입됨에 따라 질량변화율과 상대동탄성계수의 감소폭이 Plain보다 작은 것으로 나타나 동결융해 저항성이 우수한 것으로 나타났다. 특히
공극분포결과 CNTs 혼입 시 생성되는 작은 공극들이 전도성 시멘트 모르타르 내 동결 시 발생되는 팽창압을 완화해주었기 때문으로 판단된다.
4) 동결융해 반복작용에 따른 전기저항값의 특성은 최대 2 %의 증가로 크지 않은 것으로 나타났다. 동결융해 작용의 외부로부터 열화가 진행됨에 따라
내부에 혼입된 CNTs의 연결이 완전히 끊어지지 않아 전도성능의 변화는 크지 않았다.
감사의 글
본 연구는 2018년도 과학기술정보통신부 기초연구실지원사업(No. 2018R1A1025953)에 의해 수행되었음.
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