탄소나노튜브는 고강도, 고내구성 콘크리트의 생산을 위한 새로운 재료 중 하나로 여겨지며, 많은 연구자들에 의하여 연구되고 있다. 탁월한 열전도도는 향후 자가발열 콘크리트의 개발에 필수적이며, 이 연구에서는 다양한 목적을 갖는 콘크리트의 개발을 위한 역학적 특성 및 미세구조 분석을 실시하였다. CNT 첨가량은 시멘트 중량대비 0.115, 0.23, 0.46wt%로 하였다. 압축강도/휨강도 시험은 재령 3, 7, 28일에 실시하였으며, 공극률은 MIP 시험을 통해 실시하였다. CNT 분산성 및 수화생성물 분석을 위하여, SEM 분석 및 열분석을 실시하였다. 그 결과, CNT 첨가에 따른 역학성능은 다소 감소하는 경향을 나타내었으나, 0.115wt% 첨가한 경우 플레인 배합과 동등 수준의 결과를 확인할 수 있었다. 향후, 기존 콘크리트와 동일한 역학성능을 보유한 CNT 첨가 배합의 개발을 통한 발열성능 확보가 가능할 것으로 기대된다.
탄소나노튜브는 고강도, 고내구성 콘크리트의 생산을 위한 새로운 재료 중 하나로 여겨지며, 많은 연구자들에 의하여 연구되고 있다. 탁월한 열전도도는 향후 자가발열 콘크리트의 개발에 필수적이며, 이 연구에서는 다양한 목적을 갖는 콘크리트의 개발을 위한 역학적 특성 및 미세구조 분석을 실시하였다. CNT 첨가량은 시멘트 중량대비 0.115, 0.23, 0.46wt%로 하였다. 압축강도/휨강도 시험은 재령 3, 7, 28일에 실시하였으며, 공극률은 MIP 시험을 통해 실시하였다. CNT 분산성 및 수화생성물 분석을 위하여, SEM 분석 및 열분석을 실시하였다. 그 결과, CNT 첨가에 따른 역학성능은 다소 감소하는 경향을 나타내었으나, 0.115wt% 첨가한 경우 플레인 배합과 동등 수준의 결과를 확인할 수 있었다. 향후, 기존 콘크리트와 동일한 역학성능을 보유한 CNT 첨가 배합의 개발을 통한 발열성능 확보가 가능할 것으로 기대된다.
Carbon nanotube(CNT) is one of the promising construction materials to produce concrete with high strength and durability by adding in the concrete mixtures from various researches. Also, its superior heat conductivity can be one of the options to develop self-heating concrete. In this research, the...
Carbon nanotube(CNT) is one of the promising construction materials to produce concrete with high strength and durability by adding in the concrete mixtures from various researches. Also, its superior heat conductivity can be one of the options to develop self-heating concrete. In this research, the fundamental study was conducted to investigate mechanical properties and microstructures of cement pastes and mortars by strength tests and porosity measurement with several CNT additions, which were 0 wt%, 0.115 wt%, 0.23 wt% and 0.46 wt% of CNT-cement ratio. Compressive and flexural strength test were conducted at 3, 7 and 28 days, and pore characteristics were investigated by mercury intrusion porosimetry. SEM-EDS and Thermogravimetric analysis(TGA) were conducted to prove the hydration product types and CNT dispersion in the cement matrix. As a result, even though high amount of CNT additions were caused worse performance, mixtures with 0.115 wt% of CNTs developed the similar performance with plain mixture.
Carbon nanotube(CNT) is one of the promising construction materials to produce concrete with high strength and durability by adding in the concrete mixtures from various researches. Also, its superior heat conductivity can be one of the options to develop self-heating concrete. In this research, the fundamental study was conducted to investigate mechanical properties and microstructures of cement pastes and mortars by strength tests and porosity measurement with several CNT additions, which were 0 wt%, 0.115 wt%, 0.23 wt% and 0.46 wt% of CNT-cement ratio. Compressive and flexural strength test were conducted at 3, 7 and 28 days, and pore characteristics were investigated by mercury intrusion porosimetry. SEM-EDS and Thermogravimetric analysis(TGA) were conducted to prove the hydration product types and CNT dispersion in the cement matrix. As a result, even though high amount of CNT additions were caused worse performance, mixtures with 0.115 wt% of CNTs developed the similar performance with plain mixture.
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문제 정의
하지만 Fig. 1의 연구용 시멘트의 XRD 정성분석 결과에서 나타내는 바와 같이 CaCO3 및 SiO2 등의 혼합재 및 불순물이 첨가되지 않았으며, 이로 인한 시멘트 역학성능 및 미세구조분석 시 신뢰성 있는 결과를 얻기 위하여 사용되었다.
제안 방법
7일 및 28일 재령에 따른 시멘트 페이스트의 주생성물 분석 및 Ca(OH)2 및 CaCO3의 생성량을 분석하기 위하여, 열분석을 실시하였다. 제작된 페이스트 시편 1 g을 분쇄하여 모두150 μm 체를 통과시킨 뒤, 40°C에서 24시간 건조시킨 뒤 분석을 실시하였다.
본 연구에서는, 분산성능을 향상시킨 CNT 용액을 활용하여 압축강도 및 휨강도 측정을 실시하였다. 또한, 기공특성 분석을 위하여 수은압입법(Mercury Intrusion Porosimetry, MIP)을 활용하였으며, 이를 압축강도 결과와 비교하여 CNT 첨가량과의 관계를 도출하였다.
30 kV당 1 nm의 분해능을 갖고 최대 1,000,000 배율로 이미지를 촬영할 수 있다. 수화생성물의 성분을 확인하기 위하여, Bruker사의 EDS 디텍터로 구성성분 분석을 추가로 실시하였다.
연구용 시멘트의 밀도와 비표면적은 각각 3.19 g/cm3과 3,680cm2/g이며, 화학조성은 XRF 분석을 수행하였으며, 산화물 형태의 결과를 나타내었다. Fig.
또한, 기공특성 분석을 위하여 수은압입법(Mercury Intrusion Porosimetry, MIP)을 활용하였으며, 이를 압축강도 결과와 비교하여 CNT 첨가량과의 관계를 도출하였다. 열분석 및 SEM-EDS 등의 미세구조분석을 통해 시멘트계 CNT 복합체의 생성물 종류 및 구성성분을 확인하였으며, CNT의 분포형상을 제시하였다.
대상 데이터
시멘트는 콘크리트의 주성분으로, 주요광물로 Calcium silicate(C3S, C2S) 및 Calcium aluminate(C3A)로 구성되어 있다. 이는 물과 반응하여 C-S-H 또는 Ca(OH)2 등의 수화생성물을 만들어 내며(Cho et al.
본 배합에 사용된 모래는 KS L ISO 679에 의해 생산된 표준사로, SiO2가 98% 함유되어있는 제품을 이용하였으며. 다음 Table 2는 ISO 잔골재의 입도를 나타내고 있다.
본 연구에서 사용된 CNT는 용액 형태로 제조된 재료를 사용하였다. 국내 A사에서 제조된 2 wt% 농도의 CNT 용액은 물을 용매로 하여 미량의 분산제가 첨가되었으며, 투입된 분말형 CNT의 직경 및 길이는 각각 10 nm와 1.
본 연구에서는 국내 A사에서 주문 및 제작된 연구용 시멘트(Research cement)가 주원료로 사용되었다. 클링커 95%와 석고 5%가 첨가된 연구용 시멘트는 Table 1과 같이 포틀랜드 시멘트와 화학조성이 유사하다.
이론/모형
본 연구에서는, 분산성능을 향상시킨 CNT 용액을 활용하여 압축강도 및 휨강도 측정을 실시하였다. 또한, 기공특성 분석을 위하여 수은압입법(Mercury Intrusion Porosimetry, MIP)을 활용하였으며, 이를 압축강도 결과와 비교하여 CNT 첨가량과의 관계를 도출하였다. 열분석 및 SEM-EDS 등의 미세구조분석을 통해 시멘트계 CNT 복합체의 생성물 종류 및 구성성분을 확인하였으며, CNT의 분포형상을 제시하였다.
본 연구에서는 CNT 첨가량에 따른 강도와 공극특성의 관계를 확인하기 위해 수은압입법을 사용하였다. 수은압입법은 시멘트계 재료의 공극구조 특성을 파악하기 위해 많은 연구에서 주로 쓰인다.
시멘트 매트릭스 내 CNT 형상 및 분포를 확인하기 위하여,SEM 이미지를 촬영하였으며, 분석 장비는 TESCAN사의 MIRALMH 모델을 사용하였다. 제작된 페이스트 시편을 조쇄한 뒤 박편으로 제작한 뒤, 40°C에서 24시간동안 건조 한 뒤 분석을 실시하였다.
압축강도 및 휨강도 시험은 KS L ISO 679에 준하여 실시하였다. 휨강도 시험은 3점 재하를 기반으로 실시하였으며, 지간은 100 mm, 높이 40 mm의 시편을 약60 N/s의 속도로 하중재하를 실시하였다.
성능/효과
1) CNT의 첨가량이 증가할 수록 시멘트의 압축강도 및 휨강도는 감소하는 경향을 확인할 수 있었다. 특히, 시멘트의 0.
2) 강도특성과 직접적으로 관계가 있는 공극특성 분석 결과, 압축강도 결과와 동일하게, 0.23 wt%의 CNT 첨가배합의 경우 공극률이 증가하는 것으로 나타났다.
3) SEM 분석 결과, 용액 타입의 CNT를 시멘트 계 복합체로 적용 시 분산은 용이하게 이루어지고, 페이스트 간의 연결고리 역할을 하는 것을 확인할 수 있었다.
4) 소량의 CNT 첨가에 따라, 시편의 주 수화생성물의 차이는 없는 것으로 확인할 수 있었다. 재령 28일에, 양생과정을 통한 Ca(OH)2 및 CaCO3 등 수화생성물이 다소 증가하는 것을 확인할 수 있었다.
3과 같다. CNT 첨가량이 증가 할수록 압축강도 값은 감소하는 경향이 나타났다. 이는, 용액 내 CNT가 고르게 분산되었다 할지라도 배합 과정에서 CNT의 반데르발스 힘에 의한 뭉침 현상이 나타나 일부 공극의 역할을 하여 강도 저하에 영향을 끼친 것으로 분석된다.
46%의 CNT가 첨가되었을 때의 영향을 분석하기 위하여 아래 Table 3과 같은 배합비를 선정하였다. 사전 문헌분석 결과로부터 0.2% 전 후의 CNT 첨가 시 동등수준 이상의 역학성능을 발현할 수 있다는 근거를 통해, 배합비를 도출하였다. 물-시멘트비는 46%로 일정하게 유지시켰으며, 이때 배합수량은 2% CNT 용액에서 고형분량을 제거한 값을 사용하였다.
위의 실험결과로부터, 일반 시멘트 배합과 0.115 wt%의 CNT가 첨가된 배합의 역학성능은 거의 유사하게 나타났다. 이 결과를 토대로, 발열성능 평가를 추가로 실시하여 도로의 융설/융빙이 가능한 콘크리트의 개발이 가능할 것으로 기대된다.
총 중량 감소율은 CNT가 첨가된 경우 다소 증가하는 것으로 나타났으나 그 차이는 크게 나타나지 않았다. 주된 수화생성물은 C-S-H, Ca(OH)2 등으로 나타났다.
후속연구
115 wt%의 CNT가 첨가된 배합의 역학성능은 거의 유사하게 나타났다. 이 결과를 토대로, 발열성능 평가를 추가로 실시하여 도로의 융설/융빙이 가능한 콘크리트의 개발이 가능할 것으로 기대된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
CNT를 첨가한 시멘트계 복합체의 장점은?
위의 역학적 성능 이외에, CNT의 높은 열전도도 특성을 활용한 시멘트계 복합체를 활용한 콘크리트 개발에 대한 연구가 꾸준히 진행되고 있다. CNT 첨가 시, 기존 OPC 대비 발열성능이 우수한 것으로 평가되고 있으며, 국내 일부 연구자들에 의하여, 0.125 wt% CNT 첨가 시 OPC 대비 20배 이상 우수한 발열성능을 나타내는 것으로 알려졌다(Lee et al., 2017).
시멘트의 구성은?
시멘트는 콘크리트의 주성분으로, 주요광물로 Calcium silicate(C3S, C2S) 및 Calcium aluminate(C3A)로 구성되어 있다. 이는 물과 반응하여 C-S-H 또는 Ca(OH)2 등의 수화생성물을 만들어 내며(Cho et al.
CNT의 특성은?
CNT는 강재보다 100배 이상의 인장강도와 1 TPa의 탄성계수를 가지고 있으며, 파단변형률은 280%에 이른다고 알려져 있다(Wong et al., 1997; Yu et al.
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