[논문]다중벽 탄소나노튜브의 혼입량에 따른 시멘트 복합체의 유동성 및 강도 변화

하성진; 강수태

doi:10.4334/jkci.2016.28.1.067

다중벽 탄소나노튜브의 혼입량에 따른 시멘트 복합체의 유동성 및 강도 변화
Flowability and Strength of Cement Composites with Different Dosages of Multi-Walled CNTs 원문보기

콘크리트학회논문집 = Journal of the Korea Concrete Institute, v.28 no.1, 2016년, pp.67 - 74

초록
AI-Helper

이 연구에서는 다중벽 탄소나노튜브(Multi-walled CNT) 혼입량을 Binder 중량 대비 0.1, 0.3, 0.5%로 다르게 하여 CNT 혼입량에 따른 CNT 보강 시멘트 복합체의 굳지 않은 상태에서의 유동특성, 강도 및 강도발현 특성 등을 살펴보았다. 유동특성에 대한 실험결과, CNT 혼입량이 증가함에 따라 굳기 전 상태의 작업성이 저하되는 것으로 나타났으며, 레올로지 실험에서는 CNT 혼입량 증가에 따라 소성점도의 감소와 항복응력의 증가를 확인할 수 있었다. 또한 레올로지 실험에서 얻은 흐름곡선에서는 낮은 전단속도에서의 틱소트로피 현상이 높은 CNT 혼입량에서 더욱 뚜렷하게 나타나는 것을 볼 수 있었다. CNT 혼입량 증가에 따른 강도특성 실험결과에서는 압축강도 및 인장강도 모두 CNT 혼입량이 증가함에 따라 향상되는 것으로 나타났으며, 압축강도에 대한 CNT 보강에 따른 강도향상 효과가 인장강도에 비해 더 크게 나타났다. 한편 재령별 강도 측정 결과에 따르면 CNT 혼입이 초기강도 발현에도 효과적인 것을 확인할 수 있었다.

Abstract ▼ AI-Helper

With several different dosages of multi-walled CNTs which was 0.1, 0.3, and 0.5% of the weight of binder, the fluidity in fresh CNT cement composites, as well as the strength and strength development with age of the hardened composites were investigated in this experimental study. The experimental results from flow test indicated that the increase in the dosage of CNTs badly impacted on the workability of fresh composites, and the results from rheological measurements presented the decrease in plastic viscosity and the increase in yield stress according to the amount of CNTs. In addition, the thixotrophy in the flow curve obtained from the rheology test was observed more noticeably in the composites with higher dosage of CNTs. With the experiments on the strength properties, the improvement of both compressive and tensile strengths with the increase of CNTs dosage could be obtained. Moreover, early strength development by adding CNTs was found when it was compared with plain cementious matrix without CNT.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

문제 정의

이상의 관련 연구결과들을 살펴볼 때 가장 효과적으로 강도증진을 이룰 수 있는 적절한 CNT 혼입량이 어느 정도인지 아직까지 명확히 규명되지 않은 상태이며, 일반 섬유보강 콘크리트에서도 작업성, 섬유뭉침 현상 등으로 인해 적정 범위의 섬유혼입률 범위가 있음을 고려할 때 CNT 시멘트 복합체에서도 적정 혼입률이 존재할 것으로 추측할 수 있다. 따라서 본 연구에서는 CNT 혼입량 변화에 따른 굳지 않은 상태에서의 유동성 및 경화 후 강도 특성을 살펴보고자 실험연구를 수행하였다.

제안 방법

이 연구에서는 CNT 혼입량 변화에 따른 CNT 시멘트 복합체의 유동성 및 강도특성의 변화를 실험을 통해 살펴보았으며, CNT 혼입량은 시멘트 중량 대비 0.1, 0.3 및 0.5%를 고려하였다. 그 결과는 다음과 같다.

대상 데이터

실험에서 시멘트는 1종 보통 포틀랜드 시멘트를 사용하였고, CNT의 분산성 향상에 효과가 있는 것으로 알려진 실리카퓸을 시멘트의 중량의 일정량만큼 치환하여 사용하였다.¹⁹⁾ 실험에 사용된 시멘트와 실리카퓸의 물리적, 화학적 특성은 Table 1에 나타낸 바와 같다. 또한 CNT의 분산성 향상과 소정의 워커빌리티 확보를 위하여 폴리카본산계(polycarboxylic) 고성능감수제(superplasticizer, SP)를 결합재 중량 대비 0.

성능/효과

1) CNT 혼입량이 증가함에 따라 플로우 값이 점차적으로 감소하는 경향이 뚜렷하게 나타났으며, 레올로지 실험에서는 CNT 혼입량이 증가함에 따라 항복응력은 증가하고 소성점도는 감소하는 것으로 나타났다. CNT 시멘트 복합체의 흐름곡선에서는 CNT 혼입량이 증가할수록 낮은 전단속도에서의 틱소트로피 현상이 더 뚜렷하게 나타나는 것도 확인할 수 있었다.
2) CNT 혼입량이 증가함에 따라 CNT 시멘트 복합체의 압축 및 인장강도가 증가하였으며, 증가경향이 비선형적으로 나타났다. CNT 혼입에 따른 강도 향상은 CNT 혼입으로 인해 강성이 큰 CSH 겔의 생성비율이 증가하고, 단위부피당 비표면적이 매우 큰 CNT가 시멘트 수화물 생성 핵의 역할을 수행하여 수화물의 생성을 촉진하며, 그리고 나노크기의 미세한 CNT가 공극률을 감소시키는 역할을 하기 때문이다.
3) 28일 재령까지 각 재령에서 강도를 비교했을 때 CNT 혼입량이 증가할수록 강도가 증가하는 것을 확인할 수 있었다. 특히 재령 1, 3일의 초기재령에서 강도를 비교했을 때 CNT를 혼입함으로 인해 강도발현 속도가 빨라지는 것도 확인할 수 있었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	탄소나노튜브의 활용분야는?	1991년 Iijima1) 교수에 의해 발견된 탄소나노튜브(Carbon Nanotubes, CNT)는 우수한 역학적 특성, 전기전도성, 열 전도성 등으로 엄청난 관심을 불러 일으켰으며 현재 전기·전자 재료, 바이오, 환경 및 에너지, 화학 분야 등 다양한 산업 분야에서 매우 활발히 사용되고 있다. 탄소나노튜브는 탄소원자가 육각벌집구조형태로 결합된 그래핀(Graphene)이 나노 크기의 직경으로 둥글게 말려진 형태로서, 각도와 구조에 따라서 도체 또는 반도체의 특성을 나타낸다.
	시멘트를 기반으로 한 재료의 약점을 해결하기 위해 어떤 방법을 사용해 왔는가?	한편, 모르타르나 콘크리트와 같이 시멘트를 기반으로 한 재료는 우수한 경제성과 성능으로 건설 산업에서 가장 많이 사용되고 있는 건설재료이지만 취성적인 거동을 보이는 특성과 압축강도에 비해 인장강도가 매우 작다는 약점을 가지고 있다. 이러한 문제점을 극복하기 위하여 100여 년 전부터 섬유를 시멘트계 재료에 혼입하는 방법을 사용해 왔다. 혼입된 섬유가 시멘트계 재료에 가해지는 인장력의 일부를 분담하고, 또 균열 이후에 섬유가 지속적으로 인장에 저항하여 인장강도 및 인성 항샹에 기여하는 것이다.
	탄소나노튜브의 특성은?	1991년 Iijima1) 교수에 의해 발견된 탄소나노튜브(Carbon Nanotubes, CNT)는 우수한 역학적 특성, 전기전도성, 열 전도성 등으로 엄청난 관심을 불러 일으켰으며 현재 전기·전자 재료, 바이오, 환경 및 에너지, 화학 분야 등 다양한 산업 분야에서 매우 활발히 사용되고 있다. 탄소나노튜브는 탄소원자가 육각벌집구조형태로 결합된 그래핀(Graphene)이 나노 크기의 직경으로 둥글게 말려진 형태로서, 각도와 구조에 따라서 도체 또는 반도체의 특성을 나타낸다. 탄소나노튜브의 말려진 겹 수에 따라 한 겹으로 말려진 단일벽 탄소나노튜브(Single-walled CNT, SWCNT)와 두 겹 이상의 여러 겹으로 말려진 다중벽 탄소나노튜브(Multi-walled CNT, MWCNT)로 구분된다.

참고문헌 (24)

Ijiima, S., "Helical Microtubules of Graphitic Carbon", Nature, Vol.354, 1991, pp.56-58.

상세보기
Yun, C. H., and Lee, H. S., "Carbon Nanotube Composite", Polymer Science and Technology, Vol.18, No.1, 2007, pp.1-4.

상세보기
Koo, B. K., Jung, K. S., and Kim, T. B., "Evaluation of Effective Toughness of Steel Fiber Reinforced Concrete", Journal of the Korea Concrete Institute, Vol.4, No.2, 1992, pp.103-110.
Park, C. K., Noh, M. H., and Park, T. H., "Flexural and Workable Properties of High Performance Hybrid Fiber Reinforced Concrete", Journal of the Korea Concrete Institute, Vol.17, No.4, 2005. pp.543-550.

원문보기 상세보기
Kang, S. T., Kim, Y. Y., Lee, B. Y., and Kim, J. K., "Fiber Orientation Impacts on the Flexural Behavior of Steel Fiber Reinforced High Strength Concrete", Journal of the Korea Concrete Institute, Vol.20, No.6, 2008, pp.731-739.

원문보기 상세보기
Campillo, I., Dolado, J. S., and Porro, A., "High Performance Nanostructured Materials for Construction", Proceedings of the First International Symposium on Nanotechnology and Construction, The Royal Society of Chemistry, Paisley, Scotland, 23-25, June, 2003, pp.215-226.
Li, G. Y., Wang, P. M., and Zhao, X., "Mechanical Behavior and Microstructures of Cement Composites Incorporating Surface-Treated Multi-Walled Carbon Nanotubes", Carbon, Vol.43, No.6, 2005, pp.1239-1245.

상세보기
Brenner, M., Kavi, A. M., and Li, G. Y., Carbon nanotube fiber reinforced cement and concrete, United States Patent Application 20080134942.
Chan, L. Y., and Andrawes, B., "Finite Element Analysis of Carbon Nanotube/Cement Composite with Degraded Bond Strength", Computational Materials Science, Vol.47, No.4, 2010, pp.994-1004.

상세보기
Konsta-Gdoutos, M.S., Metaxa, Z.S., and Shah, S.P., "Highly Dispersed Carbon Nanotube Reinforced Cement Based Materials", Cement and Concrete Research, Vol.40, 2010, pp.1052-1059.

상세보기
Zhi, G., and Gao, Z., "Applications of Nanotechnology and Nanomaterials in Construcion", Proceedings of the 1st International Conference on Construction on Developing Countries (ICCIDC-1 '08), Advancing and Integrating Construction Education, Research & Practice, Pakistan, Iran, 2008.
Rana, A.K., Rana, S.B., and Chaipanich, A., "Significance of Nanotechnology in Construction Engineering", International Journal of Recent Trends in Engineering, Vol.4, 2009, pp.46-48.
Li, G.Y., Wang, P.M., and Zhao, X., "Pressure-Sensitive and Microstructure of Carbon Nanotube Reinforced Cement Composites", Cement and Concrete Composites, Vol.29, No.5, 2007, pp.377-382.

상세보기
Ferro, G., Tulliani, J., and Musso, S., "Carbon Nanotubes Cement Composites", Proceedings of Cassino(FR), Italia, 13-15, June, 2011, pp.49-59.
Luo, J., Duan, Z., and Li, H., "The Influence of Surfactant on the Processing of Multi-Walled Carbon Nanotubes in Reinforced Cement Matrix Composites", Physica Status Solidi A, Vol.206, No.12, 2009, pp.2783-2790.
Makar, J. M., Margeson, J., and Luh, J., "Carbon Nanotube/ Cement Composites - Early Results and Potential Applications", Proceedings of the 3rd International Conference on Construction Materials: Performance, Innovations and Structural Implications, Vancouver, Canada, 2005, pp.1-10.
Ipperico, M., Ferro, G., Musso, S., Tulliani, J. M., and Tagliaferro A., "Calcestruzzo Autocompattante Nanorinforzato (CNTSCC): Proprieta Meccaniche e Potenzialita", A. Atti del $20^{\circ}$ Convegno Nazionale del Gruppo Italiano Frattura (IGF), Torino, Italy, 2009, pp.103-112.
Konsta-Gdoutos, M.S., Metaxa, Z.S., and Shah, S.P., "Multi-Scale Mechanical and Fracture Characteristics and Early-age Strain Capacity of High Performance Carbon Nanotube/Cement Nanocomposites", Cement and Concrete Composites, Vol.32, No.2, 2010, pp.110-115.

상세보기
Sanchez, F., and Ince, C., "Microstructure and Macroscopic Properties of Hybrid Carbon Nanofiber/Silica Fume Cement Composites", Composites Science and Technology, Vol.69, 2009, pp.1310-1318.

상세보기
Khayat, K.H., Saric-Coric, M., and Liotta, F., "Influence of Thixotropy on Stability Characterisitcs of Cement Grout and Concrete", ACI Materials Journal, Vol.99, No.3, 2002, pp.234-241.
Ferraris, C.F., Obla, K.H., and Hill, R., "The Influence of Mineral Admixtures on The Rheology of Cement Paste and Concrete", Cement and Concrete Research, Vol.13, No.2, 2001, pp.245-255.
Maker, J.M., and Chan, G.W., "Growth of Cement Hydration Products on Single-Walled Carbon Nanotubes", Journal of the American Ceramic Society, Vol.92, No.6, 2009, pp.1303-1310.

상세보기
Li, H., Xiao, H.-G., Yuan, J., and Ou, J., "Microstructure of Cement Mortar with Nano-Particles", Composites Part B: Engineering, Vol.35, 2004, pp.185-189.

상세보기
Li, G.Y., Wang, P.M., and Zhao, X., "Mechanical behavior and microstructure of cement composites incorporating surface-treated multi-walled carbon nanotubes", Carbon, Vol.43, 2005, pp.1239-1245.

상세보기

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증