이재인
(Jae-In Lee)
1
김채영
(Chae-Young Kim)
2
윤주호
(Joo-Ho Yoon)
2
최세진
(Se-Jin Choi)
3†
-
원광대학교 건축공학과 박사과정
(Graduate Student, Department of Architectural Engineering, Wonkwang University, Iksan
54538, Rep. of Korea)
-
원광대학교 건축공학과 석사과정
(Graduate Student, Department of Architectural Engineering, Wonkwang University, Iksan
54538, Rep. of Korea)
-
원광대학교 건축공학과 교수
(Professor, Department of Architectural Engineering, Wonkwang University, Iksan 54538,
Rep. of Korea)
Copyright © Korea Concrete Institute(KCI)
키워드
모르타르, 탄소나노튜브, 비정질금속섬유, 열적 특성, 압축강도
Key words
mortar, carbon nanotube, amorphous metallic fiber, heating characteristics, compressive strength
1. 서 론
콘크리트는 우수한 압축강도와 내구성을 보유하고 있어 건설산업에서 널리 사용되고 있는 재료이다(Zhou et al. 2021; Choi et al. 2022). 그러나 압축강도에 비해 현저히 낮은 인장강도와 휨강도를 나타내고(Liang et al. 2021; Tanhadous et al. 2021), 건조수축과 외력작용 등 다양한 요인으로 인해 균열이 발생하게 된다. 구조물에 균열이 발생할 경우 발생한
균열을 통해 염소이온과 CO2 등의 유해인자의 유입이 가속화되어 구조물의 내구성이 저하된다(Liu et al. 2021; Taheri and Clark 2021; Pan et al. 2022).
또한, 포장도로에 사용되는 콘크리트는 광범위한 온도 변화와 하중에 의해 결빙, 파손 등이 발생함으로써 교통사고를 유발하는 주요한 원인 중 하나인 것으로
알려져 있다(Eisa et al. 2022; Koo et al. 2022). 이러한 포장도로의 결빙, 파손 문제를 완화하고 콘크리트 구조물의 균열 저감 등을 목적으로 탄소기반 재료인 CNT(carbon
nano tube)를 활용한 연구가 활발히 진행되고 있다(Sassani et al. 2018; Jumg et al. 2022; Luo et al. 2023). CNT의 경우 높은 열 및 전기 전도도를 가지고 있어 전기 전도도가 낮은 시멘트 복합체에 혼입할 경우 전도성 네트워크를 형성하여 전기 저항을 감소시키는
효과로 인해 전기 전도도가 향상되는 것으로 보고되고 있다(Wang et al. 2017; Lim and Lee 2022). 또한, 철의 100배 이상의 인장강도를 보유하고 있으며 시멘트 매트릭스 사이의 균열을 억제하여 기계적 특성 및 내구 특성이 향상되었다는 연구가
다수 보고되고 있다(Yasouj et al. 2020; Feng et al. 2022; Ramezani et al. 2022; Jiang et al. 2023).
Irshidat et al. (2021)은 CNT를 혼입한 시멘트 복합체의 열 거동 및 역학적 특성을 검토하여 나노소재인 CNT가 균열을 억제하고 균열 전이를 지연시킴으로써 미세구조의 열화를
억제한다고 보고하였다. Kim et al. (2016)은 CNT를 혼입한 시멘트 복합체의 온도 균열 특성에 대하여 검토하였다. 검토 결과, CNT를 혼입한 샘플의 압축강도가 대조군에 비해 약 40 %
높은 수준을 나타내었으며, 이는, CNT의 혼입으로 인해 온도 균열이 저감된데 기인한 것으로 보고하였다. Han et al. (2011)은 CNT의 혼입량과 물시멘트비에 따른 시멘트 복합체의 압전 반응(piezoelectric reaction)에 대하여 검토하여 물시멘트비가 증가할수록
시멘트 복합체의 압전 저항이 개선되는 것으로 보고하였다. Yoo et al. (2017)은 CNT, Graphite Nano Fibers 및 Graphene 등의 탄소계 나노소재를 혼입한 시멘트 페이스트의 전기적 특성을 검토하여 CNT를
1 % 혼입한 시멘트 페이스트에서 전기 저항이 가장 크게 감소했다고 보고하였다.
최근에는 시멘트 복합체의 역학특성 및 균열로 인해 발생하는 문제를 개선하기 위해 섬유 보강재를 혼입하거나(Yang et al. 2021; Zhong et al. 2021; Yang et al. 2022; Ye et al. 2023) CNT와 섬유보강재를 함께 사용한 문헌들이 보고되고 있다(Murali et al. 2021; Hassan et al. 2022). Hassan et al. (2022)은 CNT 및 Steel Fiber(SF) 혼입률에 따른 콘크리트의 역학적 특성에 대하여 검토하였다. 검토 결과, CNT만을 사용한 경우 CNT를
0.05 % 혼입한 샘플에서 가장 높은 역학 특성을 나타내었으며, SF와 CNT를 함께 혼입할 경우 대조군에 비해 압축, 인장 및 휨강도가 각각 22.7
%, 29.3 %, 70.8 % 증가하였다고 보고하였다. Murali et al. (2021)은 CNT 및 SF 등을 혼합하여 사용한 콘크리트의 역학적 특성에 대하여 검토하였다. 검토 결과, CNT와 SF를 함께 혼입한 샘플의 경우 CNT만을
혼입한 샘플에 비해 약 48.8 % 증가한 압축강도를 나타내었으며, 이러한 개선 효과는 SF가 균열을 억제하고 CNT가 매트릭스 사이의 미세 보강재로
작용한 것으로 보고하였다. 이렇듯 CNT와 섬유를 함께 사용할 때 섬유와 CNT의 가교작용을 통해 응력 분배 효과가 향상되어 균열 억제 성능을 증진시키는
것으로 보고되고 있으나, 보강섬유로써 강섬유를 사용한 연구가 주를 이루고 있다.
최근 들어 melt-spinning 기법으로 제조한 비정질 금속섬유(amorphous metallic fibers, AMF)를 사용한 시멘트 복합체에
대한 문헌들이 보고되고 있으며, 비정질금속섬유는 우수한 인장성능, 내부식성 및 시멘트 매트릭스와의 부착강도가 높은 것으로 알려져 있다(Choi et al. 2014; Jiang et al. 2018; Kim et al. 2021; Zhao et al. 2023). Choi et al. (2014)은 비정질금속섬유를 혼입한 시멘트 복합체의 수축 및 내식성을 검토하였다. 검토 결과, 비정질금속섬유의 경우 모든 열화환경에서 일반 강섬유보다 높은
내식성을 나타내었으며, 소성 수축 및 균열 제어 성능 또한 우수하였다고 보고하였다. Kim et al. (2021)은 철강슬래그 골재를 사용한 모르타르의 강도 및 건조수축에 미치는 비정질금속섬유의 영향을 검토하였다. 검토 결과, 철강슬래그와 비정질금속섬유를 함께
혼입할 경우 대조군과 유사하거나 더 높은 역학 특성 및 내구 특성을 나타내었다고 보고하였다. Zhao et al. (2023)은 비정질금속섬유를 활용한 고성능 시멘트 복합체의 내구 특성을 검토하였다. 검토 결과, 비정질금속섬유의 경우 장기간의 황산염 환경 및 동결-융해 환경에서
부식이 진행되지 않았으며 시멘트 복합체 내부의 균열을 억제하여 유해인자의 침투를 방지하는 데 효과가 있다고 보고하였다. Jiang et al. (2018)은 비정질금속섬유를 혼입한 콘크리트의 역학적 특성에 대하여 검토하였다. 검토 결과, 비정질금속섬유를 혼입한 콘크리트의 경우 일반 콘크리트에 비해 압축강도와
인장강도가 각각 8.21~16.7 %, 10.4~32.8 % 증가하였으며, 강섬유와 비교하여 비정질금속섬유를 혼입할 경우 압축강도와 인장강도가 각각
4.8~16.5 %, 5.6~21.1 % 증가하였다고 보고하였다.
본 연구에서는 높은 열전도도 및 인장강도를 보유한 CNT와 우수한 인장강도, 부착강도 및 내부식성을 보유하고 있는 것으로 알려진 비정질금속섬유를 함께
사용한 시멘트 복합체의 열적 특성, 역학 특성 및 내구 특성을 평가하였다.
2. 실험 계획 및 방법
2.1 사용 재료
본 연구에 사용된 시멘트는 보통 포틀랜드 시멘트(Hanil Hyundai cement, Korea)를 사용하였으며 잔골재의 경우 밀도 2.60 g/cm3, 조립률 2.45의 남원산 산모래를 사용하였다. CNT (JEIO, Korea)의 경우 비표면적 221 m2/g, 순도 98.88 %, 밀도 0.094 g/ml인 Multi-walled carbon nano tube(MWCNT)를 사용하였다. 비정질금속섬유(Sava,
France)의 경우 밀도 7.2 g/cm3, 인장강도 1,400 N/mm2, 길이 15 mm의 제품을 사용하였다. Table 1과 Table 2는 본 연구에 사용된 시멘트의 화학적 특성 및 잔골재의 물리적 특성을 나타낸 것이며 Table 3 및 Table 4는 CNT 및 AMF의 특성을 나타내었다. Fig. 1, Fig. 2의 경우 CNT와 비정질금속섬유의 성상 및 SEM image를 나타내었으며, Fig. 3은 천연잔골재의 입도분포곡선을 나타낸 것으로 표준 입도분포곡선 범위를 만족하고 있다.
Fig. 1 Multi-walled carbon nanotube (MWCNT) sample
Fig. 2 Amorphous metallic fiber (AMF) sample
Fig. 3 Particle size distribution of fine aggregates
Table 1 Chemical composition of the cement used in this study
|
Type
|
SiO2
|
Al2O3
|
Fe2O3
|
CaO
|
MgO
|
K2O
|
Blaine (cm2/g)
|
Density (g/cm3)
|
|
Cement (OPC)
|
17.43
|
6.50
|
3.57
|
64.4
|
2.55
|
1.17
|
3,430
|
3.15
|
Table 2 Physical properties of fine aggregate used in this study
|
Type
|
FM
|
Density
(g/cm3)
|
Water absorption
(%)
|
|
Natural sand
(NS)
|
2.45
|
2.60
|
1.0
|
Table 3 Specifications of the multi-walled carbon nanotube (MWCNT) used in this study
|
Type
|
Specific surface area
(m2/g)
|
Purity
(wt %)
|
Bulk density
(g/ml)
|
Moisture
contents
(wt %)
|
|
MWCNT
|
221
|
97.88
|
0.094
|
0.3
|
Table 4 Specifications of the amorphous metallic fiber (AMF) used in this study
|
Type
|
Density
(g/cm3)
|
Tensile strength
(N/mm2)
|
Length
(mm)
|
|
AMF
|
7.2
|
1,400
|
15
|
2.2 실험 방법
Table 5는 본 연구에 사용된 실험 배합표를 나타낸 것으로 물시멘트비는 40 %로 고정하여 실험을 진행하였다. CNT의 경우 시멘트 중량에 대하여 0, 0.2,
0.4 % 추가 혼입하여 사용하였으며 적절한 분산을 위해 배합수에 폴리카르본산계 고성능 AE감수제(SEONGBO NEXCO, Supex 100, Korea)와
CNT를 사전에 혼합하여 사용하였다. 비정질금속섬유의 경우 기존 문헌(Kim et al. 2021)을 참고하여 0, 10, 20 kg/m3를 혼입하여 실험을 진행하였다. 시험체의 경우 압축강도 및 발열 특성 시험체는 50×50×50 mm3 큐빅형 시험체, 쪼갬인장강도 및 탄산화 깊이의 경우 Ø 50×100 mm2 원주형 시험체, 초음파 속도 및 휨강도의 경우 40×40×160 mm3 각주형 시험체를 제작하였다. 미세구조의 경우 압축강도 시험체의 코어부 파편을 채취하여 SEM(scanning electron microscope,
SERON AIS1800C, Korea) 및 EDS(energy dispersive X-ray spectroscopy, OXFORD INSTRUMENTS,
Xplore, UK)를 통해 미세구조를 분석하였다. 시험체는 제작 24시간 이후 탈형하였으며, 소요의 재령까지 20 °C 수중 양생을 진행하였다.
Table 5 Mixing proportions of mortars
|
Mix
|
W/C
(%)
|
CNT
(C*wt %)
|
Unit weight (kg/m3)
|
AD
(C*%)
|
|
W
|
C
|
NS
|
CNT
|
AMF
|
|
Control
|
40
|
0
|
136
|
340
|
739
|
0
|
0
|
0.5
|
|
C2AF00
|
0.2
|
0.68
|
0
|
1.0
|
|
C2AF10
|
10
|
|
C2AF20
|
20
|
|
C4AF00
|
0.4
|
1.36
|
0
|
2.0
|
|
C4AF10
|
10
|
|
C4AF20
|
20
|
2.3 측정 방법
모르타르 플로우 및 압축강도의 경우 KS L 5105(KATS 2017) 시험방법에 준하여 측정을 진행하였다. 미소수화열의 경우 Semi-adiabatic Calorimeter(Calmertix, F-Cal 8000,
USA) 를 사용하여 ASTM C 1753 (2021) 시험 방법에 따라 72시간 동안의 미소수화열을 측정하였다. 쪼갬인장강도의 경우 KS F 2423(KATS 2011) 시험 방법에 준하여 측정을 진행하였다. 열적 특성의 경우 기존 문헌(Maho et al. 2021; Lee et al. 2021)을 참고하여 Fig. 4와 같이 40 mm 간격으로 전극체를 모르타르에 매립하고 시험체 중앙부에 열전대를 25 mm 깊이로 삽입하였다. 전압의 경우 60 V의 전압을 공급하여
시간에 따른 내부 온도 변화를 측정하였다. 휨강도의 경우 KS F 2408 (KATS 2016)에 따라 측정을 진행하였으며, 초음파 속도는 KS F 2731(KATS 2023) 시험방법에 준하여 측정을 진행하였다. 탄산화 깊이의 경우 KS F 2584(KATS 2010)에 준하여 CO2 농도 5 % 환경하에서 촉진 탄산화 시킨 후 페놀프탈레인 용액을 이용하여 탄산화 깊이를 측정하였다. 미세구조 분석의 경우 SEM-EDS를 통해 미세구조
분석을 진행하였다.
Fig. 4 Heating properties measurement method
3. 실험 결과
3.1 모르타르 플로우
Fig. 5는 모르타르 플로우 측정 결과를 나타낸 것으로 Control 샘플의 플로우는 약 192 mm로 전체 샘플 중 가장 높게 나타났다. CNT를 0.2
% 사용한 C2 배합의 경우 C2AF00 샘플의 플로우가 약 141 mm로 C2 배합 중 가장 높게 나타났으며, 비정질금속섬유의 혼입량이 증가할수록
플로우가 감소하는 것으로 나타났다. CNT를 0.4 % 혼입한 C4 배합의 경우에도 비정질금속섬유의 혼입량이 증가할수록 플로우가 감소하는 경향을 나타내었으며,
C4AF20 샘플의 플로우가 약 110 mm로 전체 샘플 중 가장 낮게 나타났다. 모르타르 플로우의 경우 CNT와 비정질금속섬유 혼입량이 증가할수록
감소하고 있는데, 이는 CNT가 응집체를 형성하여 균질하게 분산되지 못한 측면(Zhang et al. 2020)과 결합재량이 동일한 상태에서 비정질금속섬유를 혼입할 경우 전체 부피 중 결합재 비율이 줄어들어 플로우가 감소한 것으로 사료된다. 또한 비정질금속섬유
혼입량이 동일할 때 C2 배합의 플로우가 C4 배합에 비해 높게 나타난 것은 C2 배합의 CNT 혼입률이 C4 배합에 비해 낮아 CNT가 상대적으로
균질하게 분산된 결과로 판단된다.
3.2 미소수화열
Fig. 6은 모르타르의 미소수화열 측정 결과를 나타낸 것으로 CNT와 비정질금속섬유를 혼입하지 않은 Control 샘플의 Peak 온도는 약 18시간에 38.9
°C를 나타내어 가장 빠른 Peak 온도 도달 시간을 나타내었으며, 약 19시간 이후 감소하는 것으로 나타났다. C2 배합의 경우 C2AF00 샘플의
Peak 온도가 약 39.1 °C를 나타내었으며, 이는 전체 샘플 중 가장 높은 온도인 것으로 나타났다. 또한 C2AF00 샘플의 Peak 온도 도달
시간은 약 20시간으로 CNT를 사용한 샘플 중 가장 빠르게 나타났다. 비정질금속섬유를 함께 사용한 C2AF10, C2AF20 샘플의 Peak 온도는
약 21시간에 각각 38.7 °C, 38.5 °C를 나타내어 비정질금속섬유 혼입량이 증가함에 따라 Peak 온도가 감소하였으나, 그 차이는 미미한
수준이다. C4 배합의 미소수화열의 경우 C4AF00 샘플에서 약 29시간에 38.6 °C를 나타내어 C4 배합 중 가장 높은 Peak 온도를 나타내었으며,
Peak 온도 도달 시간 또한 가장 빠르게 나타났다. 비정질금속섬유를 함께 사용한 C4AF10 샘플의 경우 32시간에 약 37.4 °C, C4AF20
샘플은 약 35시간에 36.4 °C를 나타내어 비정질금속섬유 혼입량이 증가함에 따라 Peak 온도 도달 시간이 지연되었으며, Peak 온도 또한 감소하는
것으로 나타났다. CNT를 사용한 샘플의 미소수화열의 경우 CNT 혼입률이 증가할수록 Peak 온도 도달 시간이 지연되고 있는데, 이는 CNT 혼입률이
증가함에 따라 수분 흡착이 높아진 결과로 판단된다(Jung et al. 2019). 또한, 비정질금속섬유의 혼입량이 증가할수록 Peak 온도 도달 시간이 지연되고 Peak 온도가 감소하는 것은 비정질금속섬유의 혼입량이 증가할 때
섬유와 매트릭스 사이에 발생한 공극(Miah et al. 2023)에 의해 섬유와 매트릭스의 접촉면적이 감소하여(Wang et al. 2009; Wang et al. 2013) 수화반응이 지연된 것으로 사료된다.
Fig. 6 Micro-hydration heat
3.3 열적 특성
Fig. 7은 재령 7일 시험체의 열적 특성 실험 결과를 나타낸 것으로 Control 샘플의 경우 90분에 62.1 °C의 최대 온도를 나타내어 전체 샘플 중
가장 낮은 발열성능을 나타내었다. C2AF00 샘플의 최대 온도는 70분에 75.2 °C를 나타내고 있는데, 이는 Control 샘플보다 약 13.1
°C 높은 온도이며 도달 시간 또한 약 20분 단축된 수준이다. 비정질금속섬유를 함께 사용한 C2AF10, C2AF20 샘플의 경우 약 30분에 각각
80.6 °C, 83.9 °C를 나타내어 Control 샘플보다 약 17.5~21.8 °C 높았으며 약 60분 단축된 최대 온도 도달 시간을 나타내었다.
C4 배합의 경우 C4AF20 샘플의 최대 온도가 약 97.4 °C를 나타내어 전체 샘플 중 가장 높게 나타났으며 최대 온도 도달 시간은 약 20분으로
Control 샘플에 비해 약 70분 단축된 결과를 나타내었다. C4AF10 샘플의 최대 온도의 경우에도 Control 샘플에 비해 약 8.5 °C
높았으며, 최대 온도 도달 시간 또한 Control 샘플에 비해 약 40분 단축되는 것으로 나타났다. 7일 열적 특성 측정 결과, C2AF00, C4AF00
샘플은 Control 샘플에 비해 약 4.6~13.1 °C 향상된 최대 온도를 나타내었으며, 비정질금속섬유를 함께 사용할 경우 최대 온도가 97.4
°C까지 증가하였으며 도달 시간 또한 약 20분으로 가장 빠르게 나타났다.
보강섬유로써 비정질금속섬유가 아닌 강섬유를 함께 사용한 기존연구(Lee et al. 2019; Jun et al. 2023)에서는 강섬유의 혼입이 CNT를 사용한 시멘트 복합체의 열적 특성에 미치는 영향은 미미한 것으로 보고하였으나, 본 연구에서는 보강섬유로써 비정질금속섬유를
사용함에 따라 CNT를 사용한 시멘트 복합체의 열적 특성이 향상된 결과를 나타내었다. 이러한 결과는 CNT에 의해 형성된 전도성 네트워크가 모르타르
샘플의 전기저항을 감소시키고(Lee et al. 2020) 비정질금속섬유의 높은 열전도율(Yang et al. 2016; Park et al. 2021)에 의해 나타난 결과로 판단된다.
Fig. 8은 재령 28일 열적 특성 실험 결과를 나타낸 것으로 Control 샘플의 최대 온도 도달 시간은 약 130분을 나타내어 전체 샘플 중 가장 느리게
나타났다. C2 배합의 경우 C2AF00 샘플의 최대 온도 도달 시간이 약 100분으로 Control 샘플에 비해 약 30분 단축된 것으로 나타났다.
비정질금속섬유를 함께 사용한 C2AF10 샘플은 약 50분에 88.9 °C의 온도에 도달하였으며, C2AF20 샘플은 약 20분에 97.9 °C를
나타내어 전체 샘플 중 가장 빠른 도달 시간과 가장 높은 온도를 나타내었다. C4 배합의 경우 C4AF20 샘플에서 약 20분에 84.9 °C를 나타내어
비정질금속섬유 혼입량이 동일한 C2AF20 샘플과 유사한 경향을 나타내었다. C4AF10 샘플의 경우 최대 온도 도달 시간이 약 100분으로 Control
샘플에 비해 약 30분 단축되었으나, 최대 온도는 상대적으로 낮게 나타났는데, 이는 CNT의 낮은 분산성에 의해 내부 응집체가 형성되어(García- Macías et al. 2017) 열전도가 원활히 이루어지지 않은 것으로 판단된다.
Fig. 7 7-d heating characteristics
Fig. 8 28-d heating characteristics
3.4 압축강도
Fig. 9는 재령별 압축강도 변화를 나타낸 것으로 Control 샘플의 재령 7일 압축강도는 약 44.7 MPa을 나타내었다. C2 배합의 경우 C2AF20
샘플의 압축강도가 약 48.0 MPa로서 전체 샘플 중 가장 높게 나타났으며, 이는 Control 샘플에 비해 약 7.4 % 높은 수준이다. C2AF00
샘플의 압축강도는 약 47.1 MPa을 나타내었으며, C2AF10 샘플은 약 45.7 MPa로서 Control 샘플에 비해 각각 5.2, 2.2 %
높게 나타났다. C4 배합의 압축강도의 경우 약 34.8~42.4 MPa 수준으로 Control 샘플에 비해 상대적으로 낮게 나타났는데, 이러한 결과는
CNT의 혼입률이 증가함에 따라 CNT의 응집체 형성율이 증가하고 분산이 적절하게 이루어지지 않아 나타난 현상으로 사료된다(García-Macías et al. 2017).
재령 28일의 경우 Control 샘플의 압축강도가 약 47.9 MPa을 나타내었으며, C2 배합의 경우 C2AF00 샘플의 압축강도가 약 48.9
MPa로서 Control 샘플에 비해 상대적으로 높게 나타났다. 비정질금속섬유을 사용한 C2AF10, C2AF20 샘플의 경우 비정질금속섬유의 혼입량이
증가할수록 압축강도가 증가하여 C2AF20 샘플의 압축강도가 약 54.0 MPa로써 가장 높게 나타났으며, 이는 Control 샘플에 비해 약 12.7
% 높은 값이다. C4 배합의 압축강도는 약 40.5~44.1 MPa을 발현하였으며, C2 배합과 유사하게 비정질금속섬유 혼입량이 증가함에 따라 압축강도가
증가하는 경향을 나타내고 있다. 비정질금속섬유는 Fig. 2(b)와 같이 거친 표면 특성으로 인해 섬유와 매트릭스간의 부착강도를 향상시킬 수 있다고 보고되고 있으며(Kim et al. 2020; Lee and Choi 2023), 이러한 효과로 인해 응력분배 효과와 탄성이 증가하여 압축강도가 증가한 것으로 판단된다(Won et al. 2013).
재령 56일의 경우 Control 샘플의 압축강도는 약 48.9 MPa로 나타났으며, C2AF00 샘플의 압축강도가 약 52.9 MPa로써 Control
샘플에 비해 약 8.2 % 높게 나타났다. 또한 비정질금속섬유를 사용한 샘플의 압축강도는 약 56.4~56.6 MPa로 비정질금속섬유를 사용하지 않은
C2AF00 샘플에 비해 약 6.6~7.0 % 높게 나타났다. C4AF00 샘플의 압축강도의 경우 약 50.4 MPa을 나타내어 Control 샘플에
비해 상대적으로 높게 나타났으며 C4AF10, C4AF20 샘플의 압축강도 또한 Control 샘플과 유사한 수준을 나타내었다. CNT를 사용한 시멘트
복합체의 경우 Control 샘플과 달리 28일 이후에도 압축강도가 증가한 결과를 나타내고 있다. 이러한 결과는 CNT가 미세충진재 역할을 하여 공극
분포를 효과적으로 개선하여 나타난 현상으로 사료된다(Wang et al. 2022: Yang et al. 2023).
Fig. 9 Compressive strength
3.5 쪼갬인장강도
Fig. 10은 재령 별 쪼갬인장강도 측정 결과를 나타낸 것으로 재령 28일 Control 샘플의 쪼갬인장강도는 약 3.7 MPa을 나타내었다. C2AF00 샘플의
쪼갬인장강도는 약 3.7 MPa로 Control 샘플과 유사한 값을 나타내었으며 비정질금속섬유를 함께 사용한 C2AF10 샘플의 쪼갬인장강도가 약
4.4 MPa로서 C2AF00 샘플에 비해 약 18.9 % 높게 나타났다. C2AF20 샘플의 쪼갬인장강도는 약 4.9 MPa로서 전체 샘플 중 가장
높게 나타났으며, 이는 Control 샘플에 비해 약 32.4 % 높은 수준이다. C4 배합의 쪼갬인장강도는 약 3.3~4.9 MPa 수준을 나타내었으며,
비정질금속섬유를 20 kg/m3 사용한 C4AF20 샘플의 쪼갬인장강도가 약 4.9 MPa로 C2AF20 샘플과 유사하게 나타났다.
재령 56일의 경우 Control 샘플의 쪼갬인장강도는 약 3.7 MPa을 나타내어 28일과 유사하였으며 C2AF00 샘플의 쪼갬인장강도는 약 3.9
MPa로써 Control 샘플에 비해 상대적으로 높게 나타났다. 비정질금속섬유를 사용한 샘플은 비정질금속섬유 혼입량이 증가할수록 쪼갬인장강도가 증가하여
C2AF20 샘플에서 약 5.1 MPa의 쪼갬인장강도를 나타내었다. C4 배합의 경우 약 3.3~5.3 MPa의 쪼갬인장강도를 나타내었으며 C2AF20
샘플과 비정질금속섬유 혼입량이 동일한 C4AF20 샘플의 쪼갬인장강도가 약 5.3 MPa로서 가장 높게 나타났다. 또한, C4AF20 샘플의 쪼갬인장강도는
비정질금속섬유를 혼입하지 않은 C4AF00 샘플에 비해 약 43.2 % 높은 수준이다. 비정질금속섬유의 혼입은 모르타르 샘플의 쪼갬인장강도를 향상시키는
결과를 나타내고 있는데, 이는 CNT와 비정질금속섬유의 가교효과로 인해 매트릭스 내부 균열이 억제되고(Hossain et al. 2021), 비정질금속섬유의 거친 표면 성상에 의해 결합강도가 증가한 결과로 판단된다(Kim et al. 2015).
Fig. 10 Split-tensile strength
3.6 휨강도
Fig. 11, Fig. 12는 재령 별 휨강도 및 비정질금속섬유 혼입량에 따른 휨강도 변화를 나타낸 것으로 재령 28일 Control 샘플의 휨강도는 약 13.1 MPa을 나타내었다.
C2AF00 샘플의 휨강도는 약 12.6 MPa을 발현하여 Control 샘플에 비해 약 3.8 % 낮게 나타났다. 비정질금속섬유를 함께 사용한 C2AF10,
C2AF20 샘플의 휨강도는 약 13.2~14.2 MPa로써 비정질금속섬유 혼입량 증가에 따라 휨강도가 증가하였다. C2AF20 샘플의 휨강도는 약
14.2 MPa로서 Control 샘플보다 약 8.4 % 높게 나타났으며 C2AF00 샘플에 비해서도 약 12.7 % 높게 나타났다. C4 배합의
휨강도의 경우 C2 배합과 유사한 경향을 나타내고 있으며, C4AF20 샘플의 휨강도가 약 13.6 MPa로써 C4AF00 샘플에 비해 약 34.7
% 높게 나타났다.
재령 56일의 경우 Control 샘플의 휨강도는 약 13.3 MPa로 28일과 유사하게 나타났으며, C2AF00 샘플의 휨강도는 약 13.1 MPa을
발현하여 28일 휨강도에 비해 약 3.9 % 향상된 것으로 나타났다. 비정질금속섬유를 사용한 샘플의 휨강도는 28일과 유사하게 비정질금속섬유가 증가할수록
휨강도가 증가하여 C2AF20 샘플에서 약 14.4 MPa의 휨강도를 나타내었다. C4 배합의 휨강도는 C4AF00 샘플에서 가장 낮게 나타났으며
비정질금속섬유를 혼입한 C4AF10 샘플의 휨강도가 약 14.8 MPa로서 가장 높게 나타났다. 또한 C4AF10 샘플의 휨강도는 Control 샘플에
비해 약 11.3 % 높았으며 CNT만을 사용한 C4AF00 샘플에 비해 약 33.3 % 높은 값이다. 비정질금속섬유의 혼입은 CNT를 사용한 모르타르
샘플의 휨강도를 개선시키는 것으로 나타났는데, 이는 비정질금속섬유의 표면 성상으로 인해 결합력이 증가하고 응력 분산 효과에 기인한 것으로 사료된다(Kim et al. 2020).
Fig. 11 Flexural strength
Fig. 12 Flexural strength according to amorphous metallic fiber (AMF) incorporation
3.7 초음파속도
Fig. 13은 모르타르의 초음파속도를 나타낸 것으로 Control 샘플의 재령 7일 초음파속도는 약 4,048 m/s를 나타내었다. C2 배합의 초음파속도는
약 4,094~4,101 m/s를 나타내어 Control 샘플에 비해 상대적으로 빠르게 나타났으며, 비정질금속섬유를 20 kg/m3 혼입한 C2AF20 샘플의 초음파속도가 약 4,101 m/s로 가장 빠르게 나타났다. C4 배합의 초음파속도의 경우 약 3,920~4,015 m/s로
Control 샘플에 비해 상대적으로 느리게 나타났으며 이는 7일 압축강도와 유사한 경향이다.
재령 28일의 경우 Control 샘플의 초음파속도는 약 4,195 m/s를 나타내었다. C2 배합의 초음파속도는 7일과 유사하게 C2AF20 샘플의
초음파속도가 약 4,247 m/s로 가장 빠르게 나타났다. C4 배합의 경우 C4AF00 샘플에서 약 4,141 m/s의 초음파속도를 나타내었으며,
이는 전체 샘플 중 가장 느린 값이다. 비정질금속섬유를 사용한 C4AF10, C4AF20 샘플의 초음파속도는 약 4,262 m/s로 유사하게 나타났다.
재령 56일의 경우 Control 샘플에서 약 4,332 m/s의 초음파속도를 나타내었으며, C2 배합의 초음파속도는 약 4,342~4,353 m/s로서
유사하게 나타났다. C4 배합의 경우 약 4,304~4,311 m/s의 초음파속도를 나타내어 Control 샘플에 비해 상대적으로 느리게 나타났다.
CNT를 사용한 모르타르 샘플의 초음파속도 측정 결과, C2 배합은 Control 샘플에 비해 빠르게 나타났으며 역학 특성 또한 유사하거나 향상되는
것으로 나타났는데, 이는 C2 배합에 포함된 CNT가 고르게 분산되어 나타난 결과로 사료된다. 반면, C4 배합의 초음파속도는 Control 샘플에
비해 느리게 나타났는데, 이는 C4 배합에 포함된 CNT의 양이 C2 배합에 비해 상대적으로 많아 CNT의 낮은 분산성능으로 인해 시멘트 매트릭스의
내부 균질성이 감소하여(Isfahari et al. 2016) 발생한 결과로 판단된다.
Fig. 13 Ultrasonic pulse velocity
3.8 탄산화 깊이
Fig. 14는 촉진 재령 28일의 탄산화 깊이를 나타낸 것으로 Control, C2AF00 샘플의 탄산화 깊이가 약 1.31 mm로 전체 샘플 중 가장 낮게
나타났다. 비정질금속섬유를 혼입한 샘플의 탄산화 깊이는 약 1.45~1.50 mm로 유사하게 나타났다. C4AF00 샘플의 탄산화 깊이는 약 1.82
mm로 Control 샘플에 비해 약 38.9 % 높게 나타났으며, 이는 전체 샘플 중 가장 높은 값이다. 반면 비정질금속섬유를 함께 사용한 샘플의
경우 약 1.48~1.59 mm의 탄산화 깊이를 나타내어 C4AF00 샘플에 비해 약 12.6~18.7 % 낮은 탄산화 깊이를 나타내고 있다. C4AF00
샘플의 탄산화 깊이가 가장 높게 나타난 것은 적절히 분산되지 않았던 CNT 주변으로 공극이 발생하고(Kim et al. 2020), 발생한 공극을 통해 CO2의 유입이 가속화되었기 때문에 나타난 현상으로 사료된다.
Fig. 14 Carbonation depth
3.9 미세구조
Fig. 15는 재령 7일 SEM 분석 결과를 나타낸 것으로 Control 샘플의 경우 공극과 균열이 다수 발생한 매트릭스를 나타내고 있다. C2AF20 샘플의
매트릭스는 Control 샘플에 비해 상대적으로 치밀한 내부를 나타내고 있는데, 이로 인해 7일 압축강도가 가장 높게 나타난 것으로 판단된다. 또한
매트릭스 표면에 바늘 모양의 CNT가 관찰되었는데, 이는 CNT의 응집체가 Ettringite와 유사한 바늘 모양을 형성한다고 보고한 기존 문헌(Jung et al. 2019)과 유사한 결과이다. C4AF20 샘플의 경우 Control, C2AF20 샘플에 비해 상대적으로 낮은 압축강도를 발현한 경향과 유사하게 CNT의
응집체 주변으로 공극이 다수 관찰되었다.
Fig. 15 SEM images of the 7-d samples
Table 6은 EDS 측정 결과를 나타낸 것으로 Control 샘플을 구성하는 원소는 O, Ca, Si, Al 등으로 나타났다. C2AF20, C4AF20 샘플의
경우 Control 샘플과 유사한 원소로 구성되어 있는 것으로 나타났으나, 상대적으로 많은 탄소 성분이 검출되었는데 이는 탄소만으로 구성된 CNT를
혼입하여 시험체 내부의 탄소 비중이 높아진 결과로 판단된다.
Table 6 Energy-dispersive X-ray spectroscopy results
|
Mix
Element
|
Weight (%)
|
|
Control
|
C2AF20
|
C4AF20
|
|
C
|
12.7
|
20.4
|
35.4
|
|
Ca
|
32.0
|
19.2
|
23.4
|
|
O
|
38.8
|
44.8
|
34.9
|
|
Si
|
8.5
|
6.3
|
18.6
|
|
Al
|
1.6
|
1.0
|
-
|
Fig. 16은 재령 56일의 SEM 분석 결과를 나타낸 것으로 측정된 모든 샘플 표면에 다량의 수화생성물이 관찰되었다. C2AF20 샘플은 7일 SEM image에서
발견되었던 CNT의 응집체가 관찰되었으며 응집체 주변부로 공극이 다량 발생하였다. C4AF20 샘플의 경우 수화생성물과 함께 균질한 매트릭스를 나타내고
있다.
Fig. 16 SEM images of the 56-d samples
Table 7은 EDS를 통해 56일 시험체를 구성하는 원소를 나타낸 것으로 샘플을 구성하는 원소는 대체적으로 유사하였으며 미세균열이 가장 많이 발생한 C2AF20
샘플의 Ca 함량이 가장 낮게 나타났다. Ca 함량이 높을 경우 공극이 적은 밀실한 매트릭스를 형성할 수 있다고 보고되고 있는데(Zhang et al. 2023) C2AF20 샘플의 Ca 함량은 약 33.3 %로 가장 낮게 나타나 매트릭스의 균질성이 감소한 것으로 판단된다. 또한, CNT를 혼입한 샘플을 구성하고
있는 원소가 Control 샘플과 유사하게 나타난 것은 CNT의 혼입이 추가적인 수화물을 생성하지 않는 것으로 보고한 기존 문헌(Lee et al. 2020)과 유사한 결과이다.
Table 7 Energy-dispersive X-ray spectroscopy results
|
Mix
Element
|
Weight (%)
|
|
Control
|
C2AF20
|
C4AF20
|
|
Ca
|
50.9
|
33.3
|
43.6
|
|
O
|
34.8
|
54.2
|
34.9
|
|
Si
|
8.5
|
7.5
|
10.7
|
|
Al
|
1.6
|
1.5
|
5.0
|
4. 결 론
본 연구는 높은 인장강도 및 열전도도를 보유한 CNT와 우수한 인장강도, 내부식성 및 부착강도를 보유하고 있는 것으로 알려진 비정질금속섬유를 함께
사용한 시멘트 복합체의 열적 특성, 역학특성 및 내구특성을 비교･분석한 것으로 주요 결론은 다음과 같다.
1) 모르타르 플로우의 경우 Control 샘플에서 약 192 mm의 가장 높은 플로우를 나타내었으며, CNT를 혼입한 샘플은 CNT와 비정질금속섬유
혼입률에 따라 플로우가 감소하였다.
2) 미소수화열의 경우 Control 샘플에서 가장 빠른 Peak 온도 도달 시간을 나타내었으며, C2AF00 샘플에서 약 39.2 °C의 가장 높은
Peak 온도를 발현하고 이후 CNT 및 비정질금속섬유 혼입률이 증가함에 따라 Peak 온도는 낮아지는 것으로 나타났다.
3) 열적 특성의 경우 Control 샘플의 발열성능이 가장 낮게 나타났으며, CNT 및 비정질금속섬유를 혼입한 모든 배합은 Control 샘플에
비해 향상된 성능을 나타내었다. 또한 C4AF20 샘플의 28일 최대 온도가 약 84.9 °C 로 가장 높게 나타났다.
4) 압축강도의 경우 모든 재령에서 동일하게 C2 배합의 압축강도가 Control 샘플에 비해 상대적으로 높게 나타났으며, C4 배합은 상대적으로
낮은 압축강도를 발현하였다. 또한 비정질금속섬유의 혼입은 CNT를 사용한 모르타르의 압축강도를 개선시키는 것으로 나타났는데, 이는 비정질금속섬유의
표면 성상에 의해 섬유와 매트릭스간의 부착성능이 증가한 결과로 사료된다.
5) 쪼갬인장강도 및 휨강도의 경우 비정질금속섬유를 함께 혼입한 샘플에서 CNT만을 혼입한 샘플에 비해 상대적으로 높게 나타났는데, 이는 비정질금속섬유와
CNT간의 가교 효과와 비정질금속섬유의 표면성상에 의해 결합강도가 증가한 결과로 판단된다.
6) 초음파속도의 경우 CNT를 0.2 % 혼입한 샘플들은 Control 샘플보다 초음파속도가 빠르게 나타났으나, CNT를 0.4 % 혼입한 샘플의
초음파속도는 Control 샘플에 비해 상대적으로 낮게 나타났다.
7) 탄산화 깊이의 경우 CNT와 비정질금속섬유를 사용한 샘플의 탄산화 깊이가 Control 샘플에 비해 높게 나타났는데, 이는 적절히 분산되지 않았던
CNT 주변으로 공극이 발생하고 발생한 공극을 통해 CO2의 유입이 가속화된 것으로 판단된다.
8) 미세구조의 경우 재령 7일에서 Control 샘플이 균열 및 공극이 다수 발생한 매트릭스 구조를 나타내었으며, C2AF20 샘플은 Control
샘플에 비해 상대적으로 치밀한 내부와 함께 바늘 모양의 CNT 응집체가 관찰되었다. 재령 56일의 경우 C4AF20 샘플에서 수화생성물과 함께 균질한
매트릭스를 나타내었으며 미세균열이 가장 많이 발생한 C2AF20 샘플의 Ca 함량이 가장 낮게 나타났다.
감사의 글
본 논문은 교육부의 지원으로 한국연구재단 기초과학연구사업(과제번호: 2019R1I1A3A01049510)의 일환으로 수행된 연구임을 밝히며
이에 감사를 드립니다.
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