์ฅ์์ฐ
(Ah-Yeon Jang)
1
์คํ๋
(Hyun-Do Yun)
2โ iD
ํ์ฑ์
( Seongwon Hong)
3iD
์ด๊ฑด์ฒ
(Gun-Cheol Lee)
4
์์์ฐ
(Soo-Yeon Seo)
4iD
๋ฐ์์
( Wan-Shin Park)
5
-
์ถฉ๋จ๋ํ๊ต ๊ฑด์ถ๊ณตํ๊ณผ ๋ํ์์
(Graduate Student, Department of Architectural Engineering, Chungnam National University,
Daejeon 34134, Rep. of Korea)
-
์ถฉ๋จ๋ํ๊ต ๊ฑด์ถ๊ณตํ๊ณผ ๊ต์
(Professor, Department of Architectural Engineering, Chungnam National University,
Daejeon 34134, Rep. of Korea)
-
ํ๊ตญ๊ตํต๋ํ๊ต ์์ ๊ณตํ๊ณผ ๊ต์
(Professor, Department of Safety Engineering, Korea National University of Transportation,
Chungju 27469, Rep. of Korea)
-
ํ๊ตญ๊ตํต๋ํ๊ต ๊ฑด์ถ๊ณตํ๊ณผ ๊ต์
(Professor, School of Architecture, Korea National University of Transportation, Chungju
27469, Rep. of Korea)
-
์ถฉ๋จ๋ํ๊ต ๊ฑด์ค๊ณตํ๊ต์ก๊ณผ ๊ต์
(Professor, Department of Contruction Engineering Education, Chungnam National University,
Daejeon 34134, Rep. of Korea)
Copyright ยฉ Korea Concrete Institute(KCI)
ํค์๋
ํ์ด๋ธ๋ฆฌ๋ ์ฌ์ ๋ณด๊ฐ ๋ณํ๊ฒฝํํ ์๋ฉํธ ๋ณตํฉ์ฌ(Hy-SHCC), ๋ณํ๊ฐ์ง, ์๊ธฐ๊ฐ์ง, ๋ฐ๋ณต์์ถ, ๋ค์ค๋ฒฝ ํ์๋๋
ธํ๋ธ(MWCNTs)
Key words
hybrid fibers reinforced strain-hardening cement composite (Hy-SHCC), strain-detecting, self-sensing, repeated compression, multi-walled carbon nanotubes (MWCNTs)
1. ์ ๋ก
Iijima(1991)์ ์ํด ํ์๋๋
ธํ๋ธ(carbon nanotube, CNT)๊ฐ ๋ฐ๊ฒฌ๋ ์ดํ, ๋ค์ํ ์ฐ์
๋ถ์ผ์ ์ฌ์ฉ๋๋ ์ฌ๋ฃ์ ์ญํ์ ๋ฐ ์ ๊ธฐ์ ํน์ฑ์ ๊ฐ์ ํ๋๋ฐ
ํจ๊ณผ์ ์ธ ๋ฌผ์ง๋ก ์๋ ค์ ธ ์ ์ฉ๋๊ณ ์๋ค. ํนํ CNT๋ฅผ ํผ์
ํ ์๋ฉํธ ๋ณตํฉ์ฒด์์ ์์์์ค์ ๋ฐ๋ฅธ ์ ๊ธฐ์ ์ ํญํน์ฑ ๋ณํ๋ฅผ ๊ณ์ธกํ๊ณ ์ด๋ฅผ ํ์ฉํ ์์ ๋ชจ๋ํฐ๋ง
๊ฐ๋ฅ์ฑ์ด ์ ์๋๊ณ ์์ผ๋ฉฐ ์ด์ ๊ดํ ๋ง์ ์ฐ๊ตฌ๊ฐ ์งํ๋๊ณ ์๋ค(Chung 2003).
๊ตญ๋ด์์๋ CNT๋ฅผ ํ์ฉํ ์๋ฉํธ ๋ณตํฉ์ฒด์ ๋ณํ๊ฐ์ง(Yoo et al. 2018; Lee et al. 2020; Youn et al. 2020), ์ ์ํ ์ฐจํ(Jung and Hong 2019), ์๊ธฐ์์ถ(Song et al. 2019), ์๊ธฐ์น์ (Lee and Heo 2020), ๋ด์ถฉ๊ฒฉ(Choi and Lee 2020), ๋ด์ผํด(Kim et al. 2015), ๋ฐ์ด(Kim et al. 2016; Choi et al. 2020) ํน์ฑ ํฅ์ ๋ฑ์ ์ํ ์ฐ๊ตฌ๊ฐ ์งํ๋๊ณ ์๋ค. ์ด๋ฌํ ์ฐ๊ตฌ๊ฒฐ๊ณผ๋ฅผ ๊ทผ๊ฑฐ๋ก ๋ณผ ๋, CNT์ ๊ฑด์ค์ฐ์
๋ถ์ผ์์ ํ์ฉ์ฑ์ ๋์ฑ ํ๋๋ ๊ฒ์ผ๋ก ๊ธฐ๋๋๋ค.
1970๋
๋ ์ฐ์
ํ์ ํจ๊ป ๊ฑด์ค๋ ๋ง์ ์ฌํ๊ธฐ๋ฐ์์ค๋ฌผ์ ๋
ธํํ์ ๋ฐ๋ฅธ ์ฌํ์ ๋น์ฉ ์ฆ๊ฐ์ ํ ์ ๋ถ์ ๊ทธ๋ฆฐ๋ด๋ ์ ์ฑ
10๋ ๊ณผ์ ์ธ SOC ๋์งํธํ์
๊ฐ์ ์ฌํ์ ํ๊ฒฝ๋ณํ์ ๋ฐ๋ผ ์์ค๋ฌผ์ ๋ชจ๋ํฐ๋ง ๊ธฐ์ ์ ๋ํ ์์๊ฐ ์ฆ๊ฐ๋๊ณ ์๋ค. ์์ค๋ฌผ์ ๊ฑด์ ์ฑ ๋ชจ๋ํฐ๋ง์์ ๊ตฌ์กฐ๋ฌผ์ ์ํ ๋ฐ ๋ณํ ๊ณ์ธก์ ์ํ
์ผ์๋ ํต์ฌ์์์ด๋ฉฐ ํนํ ๊ฒฝ์ ์ฑ ๋ฐ ๋ง์ ์ฌํ๊ธฐ๋ฐ์์ค๋ฌผ์ ๊ตฌ์ฑ์ฌ๋ฃ์ ๋์ง์ฑ ์ธก๋ฉด์์ ์๋ฉํธ ๋ณตํฉ์ฒด ๊ธฐ๋ฐ์ ๋ณํ๊ฐ์ง ์ผ์์ ๊ดํ ๊ด์ฌ์ด ๊ณ ์กฐ๋๊ณ ์๋ค(Dinesh et al. 2021).
์ต๊ทผ ์ ์(Youn et al. 2020) ๋ฑ์ 0.5 % ๊ฐ์ฌ์ ์ 1.0 % ํด๋ฆฌ์ํธ๋ (PE) ์ฌ์ ๋ฅผ ํผ์
ํ์ฌ ์ง์ ์ธ์ฅํ์์ ์๋ฉํธ ๋ณตํฉ์ฒด์ ๊ท ์ด์ ์ด ๋ฐ ์ธ์ฅ์ฑ๋ฅ์ ๊ฐ์ ํ๊ณ 1.0 wt%
์ก์ํ MWCNT๋ฅผ ํผ์
ํ์ฌ ๋ณํ ๊ฐ์ง์ฑ๋ฅ์ ๋ถ์ฌํ ์ค๋งํธ ๋ณํ๊ฒฝํํ ์๋ฉํธ ๋ณตํฉ์ฒด(strain-hardening cement composite,
SHCC)๋ฅผ ์ ์ํ์๋ค. ๋์ผํ ์กฐ๊ฑด์์ ๊ฐ์ฌ์ ํผ์
๋ ๋ฐ ์ฒ ๊ทผ์ ์ํฅ์ ๋ฐ๋ฅธ ์ง์ ์ธ์ฅ ๋ฐ ์ธ์ฅ๋ณํ ๊ฐ์ง๋ฅ๋ ฅ์ ํ๊ฐํ์ฌ ์ ์๋ ์ฌ์ ๋ณด๊ฐ ์๋ฉํธ ๋ณตํฉ์ฒด
๊ธฐ๋ฐ ์ผ์ ํ์ฉ ๊ฐ๋ฅ์ฑ๋ ํ์ธ๋์๋ค(Kim et al. 2021). ๋ํ 1~2 wt% ์ก์ํ ๋ค์ค๋ฒฝ ๋๋
ธํ๋ธ(MWCNT)์ ํผ์
๋์ ๋ฐ๋ฅธ ๋ฐ๋ณต ์์ถํ์์ 1.0 % ๊ฐ์ฌ์ ์ 0.75 % PE ํฉ์ฑ์ฌ์ ๋ฅผ ํผ์
ํ
์๋ฉํธ ๋ณตํฉ์ฒด์ ์์ถ์์ ๋ฐ ๋ณํ ๊ฐ์ง๋ฅ๋ ฅ์ด ํ๊ฐ๋์๋ค(Jang et al. 2020).
๊ทธ๋ฌ๋ ์๋ฉํธ ๋ณตํฉ์ฒด์ ์ญํ์ ๋ฐ ์ ๊ธฐ์ ํน์ฑ ๊ฐ์ ์ ์ํ์ฌ ํผ์
๋๋ ๊ฐ์ฌ์ ๋ฐ MWCNT๋ ์ผ์ ์ ์์ ์ฉ์ด์ฑ ๋ฐ ๊ฒฝ์ ์ฑ์ ์ ํดํ๋ ์ฃผ์ํ ์์ธ์ผ๋ก
์๋ฉํธ ๋ณตํฉ์ฒด ๊ธฐ๋ฐ ๋ณํ๊ฐ์ง ์ผ์์ ์ค์ฉํ๋ฅผ ์ํด์๋ ์ด๋ฌํ ๋ณด๊ฐ์ฌ์ ๋ฐ ์ ๋๋ฌผ์ง์ ์ต์ํํ ํ์๊ฐ ์๋ค. ๋ํ ์ง์ง๊ณผ ๊ฐ์ ์ธ๋ ฅ์ ์ํด ๋ถ์ฌ์ ์ ๋ฐ๋๋
๋ณํ์ ์ธ์ฅ ๋ฐ ์์ถ๋ณํ์ด ๋ฐ๋ณต์ ์ผ๋ก ์ ๋ฐ๋๋ฏ๋ก ์๋ฉํธ ๋ณตํฉ์ฒด ๊ธฐ๋ฐ ๋ณํ๊ฐ์ง ์ผ์๋ ์ธ์ฅ๋ฟ๋ง ์๋๋ผ ์์ถ๋ณํ์ ๋ํ ๊ฐ์ง๋ฅ๋ ฅ์ ํ๋ณดํ์ฌ์ผ ํ๋ค.
๋ฐ๋ผ์ ์ด ์ฐ๊ตฌ์์๋ ์ ํ์ฐ๊ตฌ(Youn et al. 2020)๋ก๋ถํฐ ์ ์๋ ์ค๋งํธ ๋ณํ๊ฒฝํํ ์๋ฉํธ ๋ณตํฉ์ฒด(smart SHCC)์ ๋ํ ๋ฐ๋ณต ์์ถ๋ณํ์ ๋ํ ๊ฐ์ง๋ฅ๋ ฅ ๋ฐ ์์ํน์ฑ์ ํ๊ฐํ๊ณ ์ ํ๋ค. ์์ธ๋ฌ 1.0
wt% MWCNT์ ํผ์
์ด SHCC์ ์ง์ ์ธ์ฅ ๋ฐ ์์ถํน์ฑ, ๋ฐ๋ณต ์์ถํ์์ ์ ๊ธฐ ์ ํญ ๋ฐ ๋ณํ ๊ฐ์งํน์ฑ์ ๋ผ์น๋ ์ํฅ์ ์คํ์ ์ผ๋ก ํ๊ฐํ๊ณ ์ ํ๋ค.
2. ์ค ํ
2.1 ์ฌ์ฉ์ฌ๋ฃ
์ ํ์ฐ๊ตฌ(Youn et al. 2020)์ ๋์ผํ ๋ฐฉ๋ฒ์ ๋ฐ๋ผ ๊ฐ์ฌ์ ๋ฐ PE ํฉ์ฑ์ฌ์ ๋ฅผ ํผ์
ํ์ฌ ๋ณํ๊ฒฝํํ ์๋ฉํธ ๋ณตํฉ์ฒด(hybrid fibers reinforced SHCC, Hy-SHCC)๊ฐ
์ ์กฐ๋์๋ค. ๋ณดํต ํฌํ๋๋์๋ฉํธ(1์ข
), ๊ท์ฌ ๋ฐ ๋ฌผ์ ํผ์
ํ์ฌ ๊ตณ์ง ์์ ์๋ฉํธ ๋ณตํฉ์ฒด๋ฅผ ๋น๋นํ ํ ์๋ฉํธ ๋ณตํฉ์ฒด ์ฒด์ ๋น 0.5 %(40 kg/ใฅ)
๊ฐ์ฌ์ ์ 0.75 %(7.4 kg/ใฅ) PE ํฉ์ฑ์ฌ์ ๋ฅผ ํผ์
ํ์๋ค. ์ ๋๋ฌผ์ง์ธ MWCNT๋ฅผ ์๋ฉํธ ์ค๋๋น 1.0 wt% ํผ์
์ฌ๋ถ์ ๋ฐ๋ฅธ Hy-SHCC์
์ง์ ์ธ์ฅ ๋ฐ ์์ถํน์ฑ, ๋ฐ๋ณต ์์ถํ์์ ์ ๊ธฐ ์ ํญ ๋ฐ ๋ณํ๊ฐ์ง ํน์ฑ์ ํ๊ฐํ๊ธฐ ์ํ์ฌ Table 1๊ณผ ๊ฐ์ด ๋ฌผ(W), ์๋ฉํธ(C) ๋ฐ ๊ท์ฌ(S)์ ๋ฐฐํฉ์กฐ๊ฑด์ผ๋ก Hy-SHCC๋ฅผ ์ ์กฐํ์๋ค.
Table 1 Mixture proportion of Hy-SHCC
W/C
(%)
|
W
|
C
|
S
|
Steel fiber
(vol. %)
|
PE fiber
(vol. %)
|
MWCNT
(wt.%)
|
30
|
0.3
|
1.0
|
0.4
|
0.50
|
0.75
|
0.0
|
1.0
|
1์ข
ํฌํ๋๋ ์๋ฉํธ, ์ง๊ฒฝ 0.2~0.3 mm ๋ฒ์์ ๊ท์ฌ, ๊ณ ์ฑ๋ฅ ๊ฐ์์ ์ ๋ฌผ์ ํผ์
ํ์ฌ ๋น๋นํ ๊ตณ์ง ์์ ์๋ฉํธ ๋ณตํฉ์ฒด์ Fig. 1๊ณผ ๊ฐ์ ํ์๊ณผ ํน์ฑ์ ๊ฐ๋ ์๋ฉํธ ๋ณตํฉ์ฒด ๋ณด๊ฐ์ฉ ๋จ์ฌ์ ๋ก ๊ฐ์ฌ์ ์ PE ํฉ์ฑ์ฌ์ ๊ฐ ์ฌ์ฉ๋์๋ค. Hy-SHCC์ ์ ๋์ฑ์ ํฅ์์ํค๊ธฐ ์ํ์ฌ ๊ณ ๋์ถ
์ก์ํ MWCNT(TNM8, Chengdu Organic Chemicals Co., Ltd., China)๋ฅผ ์๋ฉํธ ์ง๋๋น 1.0 % ํผ์
ํ์๋ค.
์ฌ์ฉ๋ ๊ณ ๋์ถ ์ก์ํ MWCNT์ ํน์ฑ์ ์ ํ์ฐ๊ตฌ(Jang et al. 2020; Youn et al. 2020)์ ์ ์๋ ๋ฐ์ ๊ฐ๋ค.
Fig. 1 Reinforcing fibers for Hy-SHCC
2.2 Hy-SHCC ์ ์กฐ ๋ฐ ์ํ์ฒด ์ ์
Hy-SHCC์ ๋น๋น ๋ฐ ์ํ์ฒด ์ ์์ ์ ํ์ฐ๊ตฌ์ ๋์ผํ ๋ฐฉ์์ ๋ฐ๋๋ค. Fig. 2์ ๋ํ๋ ๋ฐ์ ๊ฐ์ด ๋จผ์ ์๋ฉํธ์ ๊ท์ฌ์ ๊ฐ์ ๊ฑด์ฌ๋ฃ๋ฅผ 1๋ถ ๋์ ๋ชจ๋ฅดํ๋ฅด ๋ฏน์๋ฅผ ์ฌ์ฉํ์ฌ ๋น๋นํ์๋ค. ๊ณ ๋์ถ ์ก์ํ MWCNT๋ ๋น๋น์์ ํผํฉํ์ฌ
๊ฑด๋น๋น ์ฌ๋ฃ์ ํฌ์
ํ๊ณ 3๋ถ๊ฐ ๋น๋นํ๊ณ PE ํฉ์ฑ์ฌ์ ๋ฐ ๊ฐ์ฌ์ ๋ฅผ ์์๋๋ก ํฌ์
ํ๋ฉฐ ๊ฐ๊ฐ 3๋ถ๊ฐ ๋น๋นํ์๋ค. ์ถ๊ฐ๋ก 1๋ถ 30์ด ๋์ ๋น๋น ํ ํ ์ถํ์ฌ
๋ค๋ฒจํ(dumbbell-shaped) ์ง์ ์ธ์ฅ ๋ฐ ์
๋ฐฉํ(cubic) ์์ถ ์ํ์ฒด, ์ ๊ธฐ์ ํญํน์ฑ ํ๊ฐ๋ฅผ ์ํ์ฌ ์ ์ฌ๊ฐํ ๋จ๋ฉด์ ๊ฐ๋ ์
๋ฐฉํ ์ํ์ฒด๋ฅผ
๊ฐ๊ฐ ์ ์ํ์๋ค.
Hy-SHCC์ ์์ถํน์ฑ์ ํ๊ฐํ๊ธฐ ์ํ์ฌ KS L 5105(KATS 2017)์ ์คํ์ฌ 50ร50ร50 ใฃ ํฌ๊ธฐ์ ์
๋ฐฉํ ์ํ์ฒด๋ฅผ ๊ฐ ๋ฐฐํฉ๋ณ๋ก 3๊ฐ์ฉ ์ ์ํ์๋ค. Hy-SHCC์ ์ง์ ์ธ์ฅ๊ฐ๋ ํน์ฑ์ ํ๊ฐํ๊ธฐ ์ํ์ฌ ๋ค๋ฒจํ ์ํ์ฒด๊ฐ
์ ์๋์์ผ๋ฉฐ ์ํ์ฒด์ ํ์ ๋ฐ ์น์๋ ์ ํ์ฐ๊ตฌ(Youn et al. 2020)์์ ์ฌ์ฉ๋ ์ํ์ฒด์ ๋์ผํ๋ค. Hy-SHCC์ ๋ฐ๋ณต ์์ถํ์์ ์ ๊ธฐ์ ํญ ๋ฐ ๋ณํ ๊ฐ์ง์ฑ๋ฅ์ ํ๊ฐํ๊ธฐ ์ํ์ฌ ์ ์๋ ์์ถ ์ผ์๋ 40ร 40ร80
ใฃ ํฌ๊ธฐ์ ์ฌ๊ฐ๊ธฐ๋ฅ ํ์์ผ๋ก ๊ฐ ๋ฐฐํฉ๋ณ๋ก 3๊ฐ์ฉ ์ ์ํ์๋ค.
์์ถ ๋ฐ ์ง์ ์ธ์ฅ๊ฐ๋ ํ๊ฐ๋ฅผ ์ํ ์ ์๋ ์ํ์ฒด๋ ํ์ค ์ดํ 24์๊ฐ์ด ๊ฒฝ๊ณผ๋ ์์ ์์ ํํ ํ์๊ณ ์ดํ ์ฌ๋ น 28์ผ ์์ถ ๋ฐ ์ธ์ฅ์ํ ๋น์ผ ์ ๊น์ง
์ต์ค ์์ํ์๋ค. ์ ๊ธฐ ์ ํญํน์ฑ ํ๊ฐ๋ฅผ ์ํ ์
๋ฐฉํ ์ผ์๋ ํํ ํ ์ฌ๋ น 28์ผ ์ํ ์ ๋ ๊น์ง ๊ธฐ๊ฑด ์์ํ์๋ค.
Fig. 2 Mixing process of Hy-SHCC
2.3 ์ํ๋ฐฉ๋ฒ
์
๋ฐฉํ ๊ณต์์ฒด์ ์์ถ์ํ์ ์๊ฒฝ์ฑ ์๋ฉํธ ๋ชจ๋ฅดํ๋ฅด ์์ถ๊ฐ๋ ์ํ๋ฐฉ๋ฒ(KS L 5105)์ ์คํ์ฌ ์ค์๋์์ผ๋ฉฐ ์
๋ฐฉํ ๊ณต์์ฒด์ ์ธก๋ฉด์ ์์ถ๋ ฅ์ ๋์
์ ๋ฐ์๋๋ ์์ง ๋ฐ ์ํ๋ฐฉํฅ ๋ณํ์ ์ธก์ ํ๊ธฐ ์ํ์ฌ ๊ฐ ์ํ์ฒด์ ๊ฐ ๋ฐฉํฅ์ผ๋ก 2๊ฐ์ฉ ์ด 4๊ฐ์ ์ฝํฌ๋ฆฌํธ ๊ฒ์ด์ง๋ฅผ ๋ถ์ฐฉํ์๋ค.
Hy-SHCC์ MWCNT ํผ์
์ฌ๋ถ์ ๋ฐ๋ฅธ ์ธ์ฅํน์ฑ ํ๊ฐ๋ฅผ ์ํ ๋ค๋ฒจํ ์ํํธ์ ๋ํ ์ง์ ์ธ์ฅ์ํ์ ๊ธฐ์กด ์ฐ๊ตฌ(Choi et al. 2012)์ ๋์ผํ ๋ฐฉ๋ฒ์ผ๋ก ์ค์ํ์๋ค.
1 wt% MWCNT์ ํผ์
์ ๋ฐ๋ฅธ Hy-SHCC ์ผ์ ์ํ์ฒด์ ๋ฐ๋ณต ์์ถํ์์ ์ ๊ธฐ์ ํญ ๋ฐ ๋ณํ ๊ฐ์งํน์ฑ์ ํ๊ฐํ๊ธฐ ์ํ์ฌ Fig. 3๊ณผ ๊ฐ์ด ๊ฐ ์ ๊ทน์ ์์น์ ํ์ ํ๋ธ ํ ๊ตฌ๋ฆฌ์ ์ ๊ฐ๊ณ ์ํ์ฒด์ ๊ตฌ๋ฆฌ์ ์ฌ์ด์ ๊ณต๊ทน์ ์ฑ์ฐ๊ธฐ ์ํ์ฌ ์ค๋ฒํ์ด์คํธ(silver paste)๋ฅผ ๋ํฌํ์๋ค.
์ ํ ์ฐ๊ตฌ๊ฒฐ๊ณผ(Youn et al. 2020)์์ Hy-SHCC์ ์์ ๋ ์ ๊ธฐ์ ํญ ์ธก์ ๋ฐฉ๋ฒ์ผ๋ก ๋ณด๊ณ ๋ 4๋จ์(4-Probe)๋ฅผ ์ด์ฉํ ์ ํญ ์ธก์ ๋ฐฉ๋ฒ์ด ์ ์ฉ๋์๋ค. ์ํ์ฒด ๋์
๋ ๋ฐ๋ณต ์์ถํ์ค์
28์ผ ์ฌ๋ น ์์ถ๊ฐ๋์ 10, 30 ๋ฐ 50 ๋ฐ 70 %์ธ 4์์ค์์ 9ํ ๋ฐ๋ณตํ๋ ์ฌํ์ด๋ ฅ์ ์ ์ฉํ์๋ค. ๋ฐ๋ณต ์์ถํ์ค์ ๋์
์ ์ํ์ฒด์ ๋ณํ๋์
์ธก์ ํ๊ธฐ ์ํ์ฌ 2๊ฐ์ ์ฝํฌ๋ฆฌํธ ๋ณํ ๊ฒ์ด์ง๊ฐ ์ธก๋ฉด์ ๋ถ์ฐฉ๋์๋ค.
Fig. 4๋ Hy-SHCC ์์ถ์ผ์ ์ํ์ฒด์ ๋ฐ๋ณต ์์ถํ์ค ๋์
๋ฐ 4 ๋จ์ ํ์ฉ ์ ๊ธฐ ์ ํญ์ธก์ ์ ์ํ ์ฅ์น์ ์ค์น์ํฉ์ ๋ํ๋ธ ๊ฒ์ด๋ค. ์์ถ์ผ์ ์ํ์ฒด์
๋ฐ๋ณต ์์ถ์ฌํ์ ์ค์๊ฐ์ผ๋ก ์ ๊ธฐ์ ํญ ์ธก์ ์ฅ์น(LCR meter)๋ K์ฌ(E4980AL, Malaysia)๋ฅผ ์ด์ฉํ์ฌ ๋จ์๋ก๋ถํฐ ์ ๊ธฐ์ ํญ์ ์ธก์ ํ์๋ค.
์ ๊ธฐ์ ํญ์ 1์ด์ 1ํ์ฉ ์ธก์ ํ์ฌ ๋ฐ๋ณต์์ถ๋ ฅ์ ๋์
์ ๋ฐ๋ฅธ ์์ถ ์ผ์ ๋ด์์ ์ ๊ธฐ ์ ํญ๋ณํ๋ฅผ ๊ณ์ธกํ๊ณ ์ด๋ฅผ ๊ทผ๊ฑฐ๋ก ๋ณํ ๊ฐ์ง๋ฅ๋ ฅ์ ํ๊ฐํ์๋ค.
Fig. 3 Configuration of Hy-SHCC sensor
Fig. 4 Setup for loading and resistivity measurement
๋ฐฐํฉ๋ณ๋ก ์ ์๋ 3๊ฐ ์์ถ ์ผ์ ์ํ์ฒด์ ์ ๊ธฐ์ ์ ํญํน์ฑ์ ํ๊ฐํ๊ธฐ ์ํ์ฌ ์์ถ์๋ ฅ์ด ๋์
๋์ง ์์ ์ํ์์ 15๋ถ ๋์ ์ธก์ ๋ ์ ํญ์ ํ๊ท ๊ฐ์ ๊ทผ๊ฑฐ๋ก
๋ค์ ์ (1)๊ณผ ๊ฐ์ด ์ ์๋๋ ๋น์ ํญ(volume resistivity, ฯ)์ ์ฌ๋ น์ ๋ฐ๋ผ ํ๊ฐํ์๋ค.
์ฌ๊ธฐ์, $R$์ 15๋ถ๊ฐ ์ธก์ ๋ ์ ํญ์ ํ๊ท ๊ฐ, $A$๋ ์์ถ ์ผ์ ์ํ์ฒด์ ๋จ๋ฉด์ (16 ใ )์ด๊ณ $L$์ ์ ๊ทน ๊ฐ ๊ฑฐ๋ฆฌ(3 cm)๋ก ์ ์๋๋ค.
3. ์คํ๊ฒฐ๊ณผ ๋ฐ ๋ถ์
3.1 ์์ถ ํน์ฑ
๊ณ ๋์ถ ์ก์ํ MWCNT์ 1 wt% ํผ์
์ฌ๋ถ์ ๋ฐ๋ฅธ ๋ฐฐํฉ ๋ณ๋ก 3๊ฐ์ฉ ์ ์๋ Hy-SHCC ์
๋ฐฉํ ๊ณต์์ฒด์ ์์ถ์๋ ฅ-์์ง ๋ฐ ์ํ ๋ณํ๋ฅ ๊ฑฐ๋์
Fig. 5์ ๋ํ๋ด์๋ค.
๋ฌผ์๋ฉํธ(w/c)๋น 0.3์ด๊ณ ๊ฐ์ฌ์ ์ PE ํฉ์ฑ์ฌ์ ๋ก ๋ณด๊ฐ๋ ๋ณํ๊ฒฝํํ ์๋ฉํธ ๋ณตํฉ์ฒด(Hy-SHCC)์ ์ฌ๋ น 28์ผ ํ๊ท ์์ถ๊ฐ๋($f_{cm}$)๋
1 wt%์ ๊ณ ๋์ถ MWCNT ํผ์
์ฌ๋ถ์ ๋ฐ๋ผ ๊ฐ๊ฐ 30.9 MPa์ 47.5 MPa๋ก MWCNT์ ํผ์
๋จ์ ๋ฐ๋ผ ์์ถ๊ฐ๋๊ฐ 35 % ์ ํ๋๋ ๊ฒ์ผ๋ก
๋ํ๋ฌ๋ค. ์ฌ์ ํผ์
์ ์๋ฉํธ ๋ณตํฉ์ฒด์ ๋ชฉํ ํ๋ก์ฐ 300 mm ํ๋ณด๋ฅผ ์ํ์ฌ MWCNT๊ฐ ํผ์
๋ ์๋ฉํธ ๋ณตํฉ์ฒด์ ์ ์กฐ ์ ๊ณ ์ฑ๋ฅ ๊ฐ์์ ๊ฐ MWCNT๋ฅผ
ํผ์
ํ์ง ์์ ๊ฒฝ์ฐ์ ๋นํ์ฌ 21 % ๋ง์ 4.55 % ํผ์
๋์๋ค ์ด์ ๋ฐ๋ฅธ ๋ณตํฉ์ฒด ๋ด ๊ณต๊ธฐ๋ ์ฆ๊ฐ์ MWCNT์ ํผ์
์ ๋ฐ๋ฅธ ๋ถ๋ถ์ ์ธ ์์ง(agglomeration)์
๋ฐ๋ฅธ ๊ฒ์ผ๋ก ํ๋จ๋๋ค. PE ํฉ์ฑ์ฌ์ 2 %๊ฐ ํผ์
๋ ECC(engineered cement composite)์์๋ CNT์ ํผ์
๋์ด ์ฆ๊ฐ๋จ์ ๋ฐ๋ฅธ
์์ถ๊ฐ๋๊ฐ ์ ํ๋๋ ๊ฒฝํฅ์ ๋ณด์๋ค(Yang and Qian 2020). ๋ํ ์๋ฉํธ ๋ชจ๋ฅดํ๋ฅด์ 1.0 % CNT ํผ์
์ ์์ถ๊ฐ๋๊ฐ ๋ค์ ์ ํ๋๋ ๊ฒ์ผ๋ก ๋ณด๊ณ ๋๊ณ ์๋ค(Chaipanich et al. 2010; Camacho et al. 2014; Paul et al. 2018). ๋ฐ๋ฉด 0.1 % ํผ์
์ ๋ฐ๋ผ ์์ถ๊ฐ๋๋ 6~15 % ๋ฒ์์์ ์ฆ๊ฐ๋๋ ๊ฒ์ผ๋ก ๋ณด๊ณ ๋๊ธฐ๋ ํ์๋ค(Xu et al. 2015). ์ด์๊ณผ ๊ฐ์ด CNT ํผ์
์ด ์๋ฉํธ ๋ณตํฉ์ฒด์ ์์ถ๊ฐ๋์ ๋ผ์น๋ ์ํฅ์ ์ฐ๊ตฌ์๋ณ๋ก ๋ค์ ์์ดํ ๊ฒฐ๊ณผ๋ฅผ ์ ์ํ๊ณ ์๋ค.
Fig. 5 Compressive responses of cubic specimens
3.2 ์ง์ ์ธ์ฅํน์ฑ
Fig. 6์ MWCNT์ ํผ์
์ฌ๋ถ์ ๋ฐ๋ฅธ Hy-SHCC ๋ค๋ฒจํ ์ง์ ์ธ์ฅ์ํํธ์ ์ธ์ฅ์๋ ฅ-๋ณํ๋ฅ ๊ด๊ณ๋ฅผ ๋ํ๋ธ ๊ฒ์ด๋ค. Table 2๋ ๋ฐฐํฉ๋ณ๋ก 3๊ฐ์ฉ ์ ์๋ Hy-SHCC ์ง์ ์ธ์ฅ ์ํ์ฒด์ ์คํ๊ฒฐ๊ณผ๋ฅผ ์์ฝํ์ฌ ๋ํ๋ธ ๊ฒ์ด๋ค.
Fig. 6 Tensile responses of Hy-SHCC specimens
Table 2 Summary of tensile tests on Hy-SHCC dumbbell-shaped specimens
Mixture type
|
First crack
|
Ultimate state
|
Average number of
cracks at ultimate state
(EA)
|
Strength, $\sigma_{cc}$
(MPa)
|
Strain, $\varepsilon_{cc}$
(%)
|
Strength, $\sigma_{pc}$
(MPa)
|
Strain, $\varepsilon_{pc}$
(%)
|
Hy-SHCC-WO MWCNT
|
3.37 (ยฑ0.43)
|
0.041 (ยฑ0.01)
|
4.99 (ยฑ0.35)
|
1.18 (ยฑ0.05)
|
15.3 (ยฑ5.0)
|
Hy-SHCC-W MWCNT
|
2.76 (ยฑ0.26)
|
0.033 (ยฑ0.01)
|
3.56 (ยฑ0.30)
|
0.75 (ยฑ0.14)
|
20.3 (ยฑ7.0)
|
์ง์ ์ธ์ฅ ์คํ๊ฒฐ๊ณผ, MWCNT๊ฐ ํผ์
๋์ง ์์ Hy-SHCC (Hy-SHCC-WO MWCNT) ์ธ์ฅ ์ํ์ฒด์ ์ด๊ธฐ ์ธ์ฅ๊ท ์ด ๊ฐ๋($\sigma_{cc}$)๋
ํ๊ท 3.37 MPa๋ก 1 wt% MWCNT๊ฐ ํผ์
๋ ๋ฐฐํฉ(Hy-SHCC-W MWCNT)์ ๋นํ์ฌ 22.1 % ๋๊ฒ ๋ํ๋ฌ๋ค. Hy-SHCC ๋ฐฐํฉ๋ณ
์์ถ๊ฐ๋์ ์ํฅ์ ๊ณ ๋ คํ๊ธฐ ์ํ์ฌ ์ด๊ธฐ๊ท ์ด๊ฐ๋๋ฅผ ์ฝํฌ๋ฆฌํธ ์์ถ๊ฐ๋์ ์ ๊ณฑ๊ทผ์ผ๋ก ๋ฌด์ฐจํ์ํํ ์ด๊ธฐ๊ท ์ด ์ธ์ฅ๊ฐ๋($\sigma_{cc}/\sqrt{f_{cm}}$)์
๋ Hy-SHCC ๋ฐฐํฉ์์ ์ฝ 0.49๋ก ๋๋ฑํ๊ฒ ๋ํ๋ฌ๋ค. Hy-SHCC์ ์ด๊ธฐ ์ธ์ฅ๊ท ์ด ์ ๋ณํ๋ฅ๋ ฅ($\varepsilon_{cc}$)์ MWCNT
ํผ์
์ ๋ฐ๋ผ ์ฝ 20 % ์ ํ๋๋ ๊ฒ์ผ๋ก ๋ํ๋ฌ๋ค. MWCNT๊ฐ ํผ์
๋ Hy-SHCC ์ธ์ฅ ์ํ์ฒด์ ํ๊ท ์ง์ ์ธ์ฅ๊ฐ๋($\sigma_{pc}$)๋
3.56 MPa๋ก MWCNT๊ฐ ํผ์
๋์ง ์์ ๋ฐฐํฉ์ ๋นํ์ฌ ์ฝ 40 % ๋ฎ๊ฒ ๋ํ๋ฌ๋ค. ๋ฌด์ฐจ์ํ๋ ์ธ์ฅ๊ฐ๋($\sigma_{pc}/\sqrt{f_{cm}}$)์
์์ด์ Hy-SHCC-W MWCNT์ -WO MWCNT ๋ฐฐํฉ์์ ๊ฐ๊ฐ 0.64 ๋ฐ 0.72๋ก ๋ํ๋ฌ๋ค. ์ด๊ธฐ ๊ท ์ด ์ ๋ณํ๋ฅ๋ ฅ๊ณผ ๊ฐ์ด ์ธ์ฅ๊ฐ๋ ์
ํ๊ท ๋ณํ๋ฅ๋ ฅ($\varepsilon_{pc}$)์ ๊ฐ๊ฐ 1.18 % ๋ฐ 0.75 %๋ก ๋ํ๋ 1 % MWCNT ํผ์
์ Hy-SHCC์ ์ธ์ฅ๊ฐ๋ ๋ฐ
๋ณํ๋ฅ๋ ฅ์ ์ ํ์ํค๋ ๊ฒ์ผ๋ก ๋ํ๋ฌ๋ค. ๊ทธ๋ฌ๋ SHCC์ ์ ์ฌํ ํน์ฑ์ ๊ฐ๋ ECC์์ 1.0 % ์ด๋ด์ CNT์ ํผ์
์ ์ด๊ธฐ๊ท ์ด ๋ฐ ์ธ์ฅ๊ฐ๋๋ฅผ ์ฆ์ง์ํค๋
๊ฒฝํฅ์ ๋ณด์ด๋ ๋ณํ๋ฅ๋ ฅ์ ๊ฐ์๋๋ ๊ฒ์ผ๋ก ๋ณด๊ณ ๋๊ณ ์๋ค(Liu et al. 2019; Yang and Qian 2020).
๊ธฐ์กด ์ฐ๊ตฌ์์๋ ECC ์๋ฉํธ ๋ณตํฉ์ฒด์ ํผ์
๋ CNT๋ ์ง์ ์ธ์ฅ ํ์์ ์๋ฉํธ ๋ณตํฉ์ฒด์ ๋ฏธ์ธ๊ท ์ด์ ๊ฐ๊ตํ๊ณ ์๋ฉํธ ๋ณตํฉ์ฒด ๋ด๋ถ ๊ณต๊ทน์ ์ฑ์ฐ๋ ํ๋ฌ(filler)๋ก
๊ฒฝํ๋ ๋ณตํฉ์ฒด์ ๋ฐ๋๋ฅผ ์ฆ๊ฐ์ํค๋ ์ญํ ์ ํ๋ฉฐ ๋ํ ์๋ฉํธ ๋ณตํฉ์ฒด์ ์ด๊ธฐ ์ํ๋ฐ์์ ์ด์งํ์ฌ ์ธ์ฅ๊ฐ๋๋ฅผ ํฅ์์ํจ ๊ฒ์ผ๋ก ๋ณด๊ณ ํ๊ณ ์๋ค. ๊ทธ๋ฌ๋ ์ด
์ฐ๊ตฌ์์ MWCNT ํผ์
์ ๋ฐ๋ผ Hy- SHCC์ ๊ท ์ด ๋ฐ ์ธ์ฅ๊ฐ๋๊ฐ ์ ํ๋ ๊ฒ์ ์๋ฉํธ ๋ณตํฉ์ฒด ๋ด ๋ถ์ฐ์ด ์ฉ์ดํ๋๋ก ์ฌ์ฉ๋ ์ก์ํ MWCNT๊ฐ Fig. 7๊ณผ ๊ฐ์ด ๋ถ๋ถ์ ์ผ๋ก ์์ง๋์ด ์๋ฉํธ ๋ณตํฉ์ฒด๋ด ๊ฒฐํจ๋ถ๋ก ์ญํ ์ ํ๊ณ ์๊ธฐ ๋๋ฌธ์ผ๋ก ํ๋จ๋๋ค.
Fig. 8์ MWCNT์ ํผ์
์ฌ๋ถ์ ๋ฐ๋ฅธ ์ง์ ์ธ์ฅ ์ํ์ฒด์ ์ ํ์ ์ธ ๊ท ์ด ์ง์ ๊ณผ์ ์ ๋น๊ตํ์ฌ ๋ํ๋ธ ๊ฒ์ด๋ค. ์ธ์ฅ๊ฐ๋ ๋ฐํ ์ ๊ฐ ์ํ์ฒด์ ๋ฐ์๋ ํ๊ท ๊ท ์ด์๋
MWCNT๊ฐ ํผ์
์ฌ๋ถ์ ๋ฐ๋ผ ๊ฐ๊ฐ 15.3๊ฐ ๋ฐ 20.3๊ฐ๋ก MWCNT๋ Hy-SHCC์ ๋ค์ ๊ท ์ด๋ถ์ฐ์๋ ์ ๋ฆฌํ๊ธฐ ์์ฉํ๋ ๊ฒ์ผ๋ก ๋ํ๋ฌ๋ค. PE
ํฉ์ฑ์ฌ์ ๋ก ๋ณด๊ฐ๋ ECC์์ CNT ํผ์
์ ๋ฐ๋ฅธ ๊ท ์ด๋ถ์ฐ ์ฑ๋ฅ์ ํฅ์์ ๊ธฐ์กด ์ฐ๊ตฌ(Yang and Qian 2020)์์๋ ๋ณด๊ณ ๋๊ณ ์๋ค.
Fig. 7 Microstructure of Hy-SHCC-W MWCNT
Fig. 8 Typical cracking procedure of Hy-SHCCdumbbell-shaped specimens
3.3 ์ ๊ธฐ์ ํน์ฑ
Fig. 9๋ MWCNT ํผ์
์ ๋ฐ๋ฅธ Hy-SHCC์ ์ ๊ธฐ ์ ํญํน์ฑ ๋ณํ๋ฅผ ํ๊ฐํ๊ธฐ ์ํ์ฌ ๋ฐ๋ณต ์์ถ๋ณํ ๊ณ์ธก์ฉ ์ผ์์ ์ฌ๋ น์ ๋ฐ๋ผ 15๋ถ๊ฐ ์ธก์ ๋ ํ๊ท ์ ๊ธฐ์ ํญ์
๊ทผ๊ฑฐ๋ก ์ (1)์ ์ํด ๊ณ์ฐ๋ ๋น์ ํญ(ฯ)์ ๋น๊ตํ์ฌ ๋ํ๋ธ ๊ฒ์ด๋ค.
Fig. 9 MWCNTs effect on electrical resistivity
Hy-SHCC์ 1 wt% MWCNT์ ํผ์
์, ๊ฐ ์ฌ๋ น์ ๋ฐ๋ฅธ ์ ๊ธฐ ์ ํญ์ ์ฆ๊ฐ๋๋ ๊ฒฝํฅ์ ๋ณด์ด๊ณ ์์ผ๋ฉฐ 3๊ฐ ์ผ์(Sensor \#1~3)์์
์ธก์ ๋ ์ ํญ ๊ฐ์ ํฐ ํธ์ฐจ๋ฅผ ๋ณด์ด์ง ์๊ณ ์์ ๋ ์ ๊ธฐ ์ ํญํน์ฑ์ ๋ณด์ธ๋ค. ๋ฐ๋ฉด MWCNT๊ฐ ํผ์
๋์ง ์์ Hy-SHCC ์ผ์(Sensor \#4~6)์
์ ๊ธฐ์ ํญ ๋ณํ๋ ๊ฐ ์ฌ๋ น์์ ํฐ ํธ์ฐจ๋ฅผ ๋ณด์ธ๋ค. ์ด๋ Hy-SHCC-WO MWCNT ์ผ์์์ ์ ๋๋ฌผ์ง์ ๊ฐ์ฌ์ ๋ก ์๋ฉํธ ๋ณตํฉ์ฒด ๋ด์์ ์ฌ์ ๋ถ์ฐ์ด
์์ดํ๊ธฐ ๋๋ฌธ์ธ ๊ฒ์ผ๋ก ํ๋จ๋๋ค. ๋ฐ๋ฉด Hy-SHCC-W MWCNT ์ผ์ ์ํ์ฒด์์ ๊ฐ์ฌ์ ์ด์ธ์ MWCNT๊ฐ ์ ๋๋ฌผ์ง๋ก ํผ์
๋์ด ์๋ฉํธ ๋ณตํฉ์ฒด๊ฐ
๊ท ์งํ ์ ๋ํน์ฑ์ ๋ณด์ ํ๊ณ ์๊ธฐ ๋๋ฌธ์ธ ๊ฒ์ผ๋ก ํ๋จ๋๋ค.
๋ํ ์ฌ๋ น์ ๋ฐ๋ฅธ ์ ๊ธฐ์ ํญ์ ์ฆ๊ฐ๋๋ ํน์ฑ์ ๋ณด์ด๊ณ ์์ผ๋ฉฐ ํนํ MWCNT๋ฅผ ํผ์
ํ Hy-SHCC ์ผ์์์ ์ด๋ฌํ ๊ฒฝํฅ์ ๋ช
ํํ๊ฒ ๋ํ๋ฌ๋ค. ์ด์
๊ฐ์ด MWCNT๋ฅผ ํผ์
ํ ์๋ฉํธ ๋ณตํฉ์ฒด์์ ์ฌ๋ น์ ๋ฐ๋ฅธ ์ ๊ธฐ์ ํญ์ ์ ํ์ ์ธ ์ฆ๊ฐ๋ ๊ธฐ์กด ์ฐ๊ตฌ(Sasmal et al. 2017; Youn et al. 2020; Cerro-Prada et al. 2021)์์๋ ๋ณด๊ณ ๋๊ณ ์๋ค. ์ด๋ ์๋ฉํธ ๋ณตํฉ์ฒด์ ์ํ๋(degree of hydration) ์ฆ๊ฐ์ ๋ฐ๋ผ ๋ชจ์ธ๊ด ๊ธฐ๊ณต์ ์ฐ์์ฑ ๊ฐ์, ๋ฏธ์ธ๊ตฌ์กฐ์ ๋ณํ
๋ฐ ๊ธฐ๊ณต๋ด์ ์กด์ฌํ๋ ์ด์จ์ฑ ์ ์ฒด์ ๋๋๋ณํ์ ๋ฐ๋ฅธ ๊ฒ์ผ๋ก ๋ณด๊ณ ๋๊ณ ์๋ค.
Fig. 10์ Hy-SHCC ๊ฐ ๋ฐฐํฉ๋ณ๋ก ์ ์๋ 3๊ฐ์ ์์ถ ์ผ์ ์ํ์ฒด์ ๋ํ ๋์
๋ ๋ฐ๋ณต์์ถ์๋ ฅ, ์์ถ๋ณํ ๋ฐ ์ ํญ์ ๋ถ์๋ณํ(fractional change
of resistivity, FCR)๋ฅผ ๋น๊ตํ์ฌ ๋ํ๋ธ ๊ฒ์ด๋ค. ๋ฐ๋ณต์์ถ์๋ ฅ์ ๋ฐฐํฉ๋ณ๋ก ์ ์๋ 3๊ฐ์ ์
๋ฐฉํ ๋ชจ๋ฅดํ๋ฅด ํ์ค ๊ณต์์ฒด์ ํ๊ท ์์ถ๊ฐ๋๋ฅผ
๊ทผ๊ฑฐ๋ก 10, 30, 50 ๋ฐ 70 % ์์ค์ ์์ถ์๋ ฅ์ 9ํ์ฉ ๋ฐ๋ณต์ฌํ๊ฐ ๊ณํ๋์๋ค. Fig. 10(a)์ ๋ํ๋ ๋ฐ์ ๊ฐ์ด MWCNT๋ฅผ ํผ์
ํ์ง ์์ Hy-SHCC ์์ถ ์ผ์ ์ํ์ฒด๋ ์์ถ๊ฐ๋ 70 % ์์ค์ ๋ฐ๋ณต ์์ถ ์๊น์ง ํ๊ดด๋์ง ์์๋ค. ์ด๋
์ํ์ฒด ์์ธก๋ฉด์์ ๊ณ์ธก๋ ํ๊ท ์์ถ ๋ณํ๋ฅ ์ ์์ถ๊ฐ๋์ 30 %๋ฅผ ๋์ด์๋ฉด์ ์๋ฅ๋ณํ์ด ์ ๋ฐ๋์๊ณ ๋์
๋ ์์ถ์๋ ฅ์ด ์ฆ๊ฐ๋จ์ ๋ฐ๋ผ ์ด๋ฌํ ๊ฒฝํฅ์ ํ์ ํ๊ฒ
๋ํ๋ฌ๋ค. ๋ํ ์์ถ์ผ์ ์ํ์ฒด๋ณ๋ก ์ (2)์ ์คํ์ฌ ์ฐ์ ๋ FCR์ ์์ถ์๋ ฅ์ด ๋์
๋จ์ ๋ฐ๋ผ ๊ฐ์๋๊ณ ์์ถ์๋ ฅ์ ์ ํ ์ ์ฆ๊ฐ๋๋ ํน์ฑ์ ๋ณด์๋ค.
Fig. 10 Compressive stress, strain and FCR curves of Hy-SHCC sensors
์ฌ๊ธฐ์, $\rho_{o}$๋ฐ $R_{o}$๋ ์ด๊ธฐ ๋น์ ํญ ๋ฐ ์ ํญ, $\rho$๋ฐ $R$๋ ์์ถ์๋ ฅ ์์ฉ ์ ์ฒด์ ์ ํญ ๋ฐ ์ ํญ์ ๋ํ๋ธ๋ค.
Fig. 10(b)์ Hy-SHCC์ 1 wt% MWCNT๋ฅผ ํผ์
ํ ์์ถ ์ผ์์ ๋ํ ๋ฐ๋ณต์์ถ ์ํ๊ฒฐ๊ณผ๋ฅผ ๋ํ๋ธ ๊ฒ์ด๋ค. ์ด ์ฐ๊ตฌ์์๋ ์๋ฉํธ ๋ณตํฉ์ฒด๋ด ๋ถ์ฐ์ด ์ฉ์ดํ๋๋ก
์ก์ํ MWCNT๋ฅผ ์ฌ์ฉํ์์ผ๋ Fig. 7์ ๋ํ๋ ๋ฐ์ ๊ฐ์ด ์๋ฉํธ ๋ณตํฉ์ฒด ๋ด์์ MWCNT์ ์ผ๋ถ๊ฐ ์์ง๋์ด ์์ถ๊ฐ๋๊ฐ ์ ํ๋๋ ํ์์ ๋ณด์๋ค. ์ด๋ฌํ MWCNT ์์ง์ ๋ฐ๋ผ MWCNT๋ฅผ
ํผ์
ํ Hy-SHCC ์์ถ ์ผ์๋ ์์ถ๊ฐ๋์ 50 % ๋ฐ๋ณต์ฌํ ํ 70 % ์์ค์ผ๋ก ์ฆ๊ฐ๋๋ ์์ ์์ ํ๊ดด๋๋ ๊ฒฝํฅ์ ๋ณด์๋ค. ๊ทธ๋ฌ๋ ๋ฐ๋ณต์์ถ์๋ ฅ์
์์ค์ด ์ฆ๊ฐ๋จ์ ๋ฐ๋ผ ์๋ฅ ์์ถ ๋ณํ๋์ ์๋์ ์ผ๋ก MWCNT๋ฅผ ํผ์
ํ์ง ์์ ์์ถ ์ผ์ ์ํ์ฒด์ ๋นํ์ฌ ์๊ฒ ๋ํ๋ฌ๋ค. ๋ฐ๋ณต์์ถ์๋ ฅ ํ์์ ์์ถ
์ผ์์ FCR ๋ณํ๋ 3๊ฐ ์ํ์ฒด์์ ํฐ ํธ์ฐจ๋ฅผ ๋ณด์ด์ง ์์๋ค. ์ด๋ Fig. 9์ ๋ํ๋ ๋ฐ์ ๊ฐ์ด MWCNT์ ํผ์
์ ๋ฐ๋ผ ์๋ฉํธ ๋ณตํฉ์ฒด์ ์์ ๋ ์ ๊ธฐ ์ ๋์ฑ์ ํ๋ณดํ ์ ์์๊ธฐ ๋๋ฌธ์ธ ๊ฒ์ผ๋ก ํ๋จ๋๋ค.
3.4 ๋ฐ๋ณต์์ถ ๋ณํ ๊ฐ์ง ํน์ฑ
Fig. 11์ MWCNT๋ฅผ ํผ์
ํ์ง ์์ Hy-SHCC-WO MWCNT๋ฅผ ์ฌ์ฉํ์ฌ ์ ์๋ ์์ถ์ผ์(Sensor \#1)์ 1 wt% MWCNT๋ฅผ ํผ์
ํ Hy-SHCC-W
MWCNT๋ฅผ ์ฌ์ฉํ ์์ถ์ผ์(Sensor \#6)์ ๋ํ์ฌ ์์ถ๊ฐ๋์ 10 %, 30 % ๋ฐ 50 % ์์ค์ ๋ฐ๋ณต์์ถ์๋ ฅ ํ์์ ์์ถ ๋ณํ๋ฅ ๊ณผ ์ ํญ์
๋ถ์ ๋ณํ(FCR)์ ๋น๊ตํ์ฌ ๋ํ๋ธ ๊ฒ์ด๋ค. ๊ทธ๋ฆผ์ ๋ํ๋ ๋ฐ์ ๊ฐ์ด MWCNT๋ฅผ ํผ์
ํ์ง ์์ Hy-SHCC -WO MWCNT๋ฅผ ์ฌ์ฉํ ์์ถ์ผ์๋
์์ถ๋ณํ๋ฅ ์ด ์ฆ๊ฐ๋จ์ ๋ฐ๋ผ FCR์ด ์ฆ๊ฐ๋๋ ํน์ฑ์ ๋ณด์ฌ ์ผ๋ฐ์ ์ธ ์ ๊ธฐ์ ์ ํญํน์ฑ์ ๋ณด์ด์ง ์๊ณ ์๋ค(Han et al. 2012; Galao et al. 2014). ๋ฐ๋ผ์ ์์ถ๋ณํ ๊ฐ์ง์ผ์๋ก์ ํ์ฉ ๊ฐ๋ฅ์ฑ์ ๋ฎ๊ฒ ํ๊ฐ๋๊ณ ์๋ค. ๋ฐ๋ฉด MWCNT๊ฐ 1 wt% ํผ์
๋ Hy- SHCC-W MWCNT๋ก ์ ์๋ ์์ถ์ผ์๋
Fig. 11(a)์ ๋ํ๋ ๋ฐ์ ๊ฐ์ด ์์ถ๋ณํ๋ฅ ์ด ์ฆ๊ฐ๋จ์ ๋ฐ๋ผ FCR์ด ๊ฐ์๋๋ ํน์ฑ์ ๋ณด์ด๊ณ ์๋ค. ๋์
๋ ๋ฐ๋ณต ์์ถ์๋ ฅ์ด 10 %์์ 50 %๋ก ์ฆ๊ฐ๋จ์ ๋ฐ๋ผ
๊ฒ์ด์ง ์์(GF)๋ ๋ค์ ๊ฐ์๋์ด ๋ณํ๋ฅ ๊ฐ์ง ๋ฏผ๊ฐ๋๋ ๋ค์ ์ ํ๋๋ ๊ฒ์ผ๋ก ๋ํ๋ฌ๋ค. MWCNT๊ฐ ํผ์
๋ 3๊ฐ ์์ถ์ผ์์ค Fig. 10(b)์์ ์ ๊ธฐ์ ์ ํญํน์ฑ์ด ๋ถ์์ ํ๊ฒ ๋ํ๋ ์ผ์(Sensor \#5)๋ฅผ ์ ์ธํ 2๊ฐ ์ผ์(Sensor \#4์ \#6)์ ํ๊ท GF๋ ์ฌํ ์์ถ์๋ ฅ์ด
์์ถ๊ฐ๋์ 10, 30 ๋ฐ 50 %์ ์ด๋ฅผ ๋ ๊ฐ๊ฐ 25.6, 19.3, 11.3์ผ๋ก ์ฌํ ์์ถ์๋ ฅ์ด ์ฆ๊ฐ๋จ์ ๋ฐ๋ผ ๊ฐ์๋๋ ๊ฒฝํฅ์ ๋ณด์ด๊ณ ์๋ค.
Fig. 12๋ Hy-SHCC-W MWCNT๋ฅผ ์ฌ์ฉํ์ฌ ์ ์๋ ์์ถ์ผ์(Sensor \#4)์ ๋ฐ๋ณต ์์ถ์๋ ฅ ์์ค 30 ๋ฐ 50 %์์ FCR๊ณผ ์์ถ๋ณํ๋ฅ ๊ด๊ณ๋ฅผ
๋ํ๋ธ ๊ฒ์ด๋ค. ์ ์ฒด์ ์ธ FCR-์์ถ๋ณํ๋ฅ ๊ด๊ณ๊ณก์ ์ ๊ฐํ์ Fig. 11(b)์ ์ ์๋ ์์ถ์ผ์(Sensor \#6)์ ์ ์ฌํ๊ฒ ๋ํ๋ฌ๋ค. Fig. 11(b) ๋ฐ Fig. 12์ ๋ํ๋ ๋ฐ์ ๊ฐ์ด MWCNT๋ฅผ ํผ์
ํ ์์ถ์ผ์์์ ๋ฐ๋ณต ์์ถ์๋ ฅ ์์ค์ด ์ฆ๊ฐ๋๊ณ ๋ฐ๋ณต ์์ถ ์ฌ์ดํด์ด ์งํ๋จ์ ๋ฐ๋ผ ์ผ์ ๋ด๋ถ์์ ์๋ก์ด ๋ฏธ์ธ๊ท ์ด
๋ฑ์ ๋ฐ์์ ๋ฐ๋ผ ์ผ์ ๋ด๋ถ์ ํผ์
๋ MWCNT์ ๊ฐ์ ์ ๊ธฐ์ ๋๋ฌผ์ง์ด ๊ตฌ์ฑํ๋ ๋คํธ์ํฌ๊ฐ ๋จ์ ๋๋ ์์๋์ด ๋ณํ ๊ฐ์ง๋ฅ๋ ฅ์ด ์ ํ๋๋ ๊ฒ์ผ๋ก ํ๋จ๋๋ค.
์ด์ ์ ์ฌํ ํน์ฑ์ ํ์๋๋
ธํ๋ธ์ ๋น๋ ์์คํ
๋ฅด(vinyl ester) ๋ณตํฉ์ฒด(Ku-Herrera and Aviles 2012) ๋ฐ ์ฌ์ ๋ณด๊ฐ ๋ณตํฉ์ฒด(Gao et al. 2009)์์๋ ๋ณด๊ณ ๋๊ณ ์๋ค.
Fig. 11(b) ๋ฐ Fig. 12์ ๋ํ๋ ๋ฐ์ ๊ฐ์ด ์ผ์์ ๋ฐ๋ผ ๋ฐ๋ณต ์์ถ์๋ ฅ์ ๋ฐ๋ฅธ ์๋ฅ์ ํญ์ ๋ค์ ์ฐจ์ด๋ฅผ ๋ณด์ด๊ณ ์์ผ๋ GF๋ ํฐ ์ฐจ์ด๋ฅผ ๋ณด์ด์ง ์๊ณ ์์ผ๋ฉฐ ์์ถ๋ณํ๋ฅ ์ด ์์ถ๊ฐ๋์
ํ๊ท ๋ณํ๋ฅ 0.004(Fig. 5 ์ฐธ์กฐ)์ ์ฝ 10 %(์์ถ๋ณํ๋ฅ 0.0004) ์ด์์ ์ด๋ฅด๋ฉด ์ผ์์ ๋ฏผ๊ฐ๋๋ ํ์ ํ๊ฒ ๋ํ๋๋ ํ๊ณ๋ฅผ ๋ณด์๋ค.
Fig. 11 Self sensing properties of Hy-SHCC sensors
Fig. 12 Repeated compressive sensing properties of Hy-SHCC sensor (sensor \#4) with 1 wt% MWCNT
4. ๊ฒฐ ๋ก
์ด ์ฐ๊ตฌ์์๋ PE ๋ฐ ๊ฐ์ฌ์ ๋ฅผ ํ์ด๋ธ๋ฆฌ๋ํ์ฌ ๋ณด๊ฐํ ๋ณํ๊ฒฝํํ ์๋ฉํธ ๋ณตํฉ์ฒด์ ์ก์ํ ๋ค์ค๋ฒฝ ํ์๋๋
ธํ(MW CNT)๋ฅผ ์๋ฉํธ ์ค๋๋น 1 %์ ํผ์
์
๋ฐ๋ฅธ ์๋ฉํธ ๋ณตํฉ์ฒด์ ์์ถ ๋ฐ ์ง์ ์ธ์ฅ์ฑ๋ฅ ํ๊ฐ, ์์ถ๊ฐ๋์ 10, 30, 50 % ์์ค์ ์์ถ์๋ ฅ์ ๋ํ ๋ฐ๋ณต์ฌํ์ ๋ฐ๋ฅธ ๋ณํ๊ฐ์ง๋ฅ๋ ฅ์ด ํ๊ฐ๊ฐ ๋์๋ค.
์ด๋ฌํ ์คํ์ ํตํ์ฌ ๋์ถ๋ ๊ฒฐ๋ก ์ ๋ค์๊ณผ ๊ฐ๋ค.
1) 0.75 % PE ๋ฐ 0.50 % ๊ฐ์ฌ์ ๋ฅผ ํผ์
ํ์ฌ ๋ณด๊ฐํ ๋ณํ๊ฒฝํํ ์๋ฉํธ ๋ณตํฉ์ฒด์ ์ก์ํ MWCNT 1 wt%๋ฅผ ํผ์
์ ์์ถ๊ฐ๋๋ 35
% ์ ํ๋์์ผ๋ฉฐ ์ด๋ ์ฌ์ ๋ณด๊ฐ ์๋ฉํธ ๋ณตํฉ์ฒด ๋ด์์ MWCNT์ ์์ง์ ๋ฐ๋ฅธ ๊ฒ์ผ๋ก ํ๋จ๋๋ค.
2) ๋ณํ๊ฒฝํํ ์๋ฉํธ ๋ณตํฉ์ฒด์ ์ง์ ์ธ์ฅ๊ฐ๋ ๋ฐ ๋ณํ๋ฅ๋ ฅ์ ์์ํ MWCNT 1 wt% ํผ์
์ ๋ฐ๋ผ ๊ฐ๊ฐ 30 ๋ฐ 35 % ์ ๊ฐ๋๋ ๊ฒฝํฅ์ ๋ณด์์ผ๋
์ง์ ์ธ์ฅ ์ํํธ์ ๋ํ๋ ๊ท ์ด์๋ ์คํ๋ ค 35 % ์ฆ๊ฐ๋๋ ๊ฒฐ๊ณผ๋ฅผ ๋ณด์๋ค.
3) ์ก์ํ MWCNT 1 wt% ํผ์
์ ๋ฐ๋ผ ํฉ์ฑ์ฌ์ PE์ ๊ฐ์ฌ์ ๋ฅผ ํ์ด๋ธ๋ฆฌ๋ ๋ณด๊ฐํ ๋ณํ๊ฒฝํํ ์๋ฉํธ ๋ณตํฉ์ฒด์ ์ ๊ธฐ์ ์ ๋์ฑ์ ํฌ๊ฒ ํฅ์์์ผฐ์ผ๋ฉฐ
์ฌ๋ น 25์ผ๊น์ง ์์ ๋ ์ ๊ธฐ์ ์ ํญํน์ฑ์ ๋ณด์๋ค.
4) MWCNT 1 wt% ํผ์
ํ ๋ณํ๊ฒฝํํ ์๋ฉํธ ๋ณตํฉ์ฒด๋ก ์ ์กฐ๋ ์์ถ๋ณํ ๊ฐ์ง ์ผ์๋ ์์ถ๊ฐ๋์ 50 % ์์ค์ ๋ํ ๋ฐ๋ณต ์์ถ์๋ ฅํ์์๋ ๋ณํ
๊ฐ์ง๋ฅ๋ ฅ์ ๋ณด์ ํ๊ณ ์๋ ๊ฒ์ผ๋ก ๋ํ๋ฌ๋ค. ๋ฐ๋ณต์์ถ์๋ ฅ์์ค ๋ฐ ๋ฐ๋ณต์์ถ์ฌ์ดํด ์๊ฐ ์ฆ๊ฐ๋จ์ ๋ฐ๋ผ ๊ฒ์ด์ง ์์๋ ์ ํ๋๋ ๊ฒฝํฅ์ ๋ณด์์ผ๋ฉฐ ํนํ ์์ถ๋ณํ๋ฅ
$4\times 10^{-4}$ ์ด์์ ์์ถ๋ณํํ์์๋ ๋ณํ ๊ฐ์ง์ ๋ํ ๋ฏผ๊ฐ๋๊ฐ ํ์ ํ๊ฒ ์ ํ๋์๋ค.
๊ฐ์ฌ์ ๊ธ
์ด ๋
ผ๋ฌธ์ 2021๋
๋ ์ ๋ถ(๊ณผํ๊ธฐ์ ์ ๋ณดํต์ ๋ถ)์ ์ฌ์์ผ๋ก ํ๊ตญ์ฐ๊ตฌ์ฌ๋จ ๊ธฐ์ด์ฐ๊ตฌ์ค์ฌ์
(No. 2021R1A4A2001964)์ ์ง์์ ๋ฐ์ ์ํ๋
๊ฒฐ๊ณผ์.
References
Camacho M. D. C., Galao O., Baeza F. J., Zornoza E., Garcรฉs P., 2014, Mechanical Properties
and Durability of CNT Cement Composites, Materials, Vol. 7, No. 3, pp. 1640-1651
Cerro-Prada E., Pacheco-Torres R., Varela F., 2021, Effect of Multi-Walled Carbon
Nanotubes on Strength and Electrical Properties of Cement Mortar, Materials, Vol.
14, No. 1, pp. 79
Chaipanich A., Nochaiya T., Wongkeo W., Torkittikul P., 2010, Compressive Strength
and Microstructure of Carbon Nanotubes - Fly ash Cement Composites, Materials Science
and Engineering A, Vol. 527, No. 4-5, pp. 1063-1067
Choi H. B., Lee S. Y., 2020, High-Energy Impact Behaviors of Concrete Structures Strengthened
with Multi-Walled Carbon Nanotube Composites, Journal of the Korean Society of Hazard
Mitigation, Vol. 20, pp. 169-175
Choi W. C., Yun H. D., Kang J. W., Kim S. W., 2012, Development of Recycled Strain-Hardening
Cement-Based Composite (SHCC) for Sustainable Infrastructures, Composites Part B:
Engineering, Vol. 43, No. 2, pp. 627-635
Chung D. D., 2003, Damage in Cement-Based Materials, Studied by Electrical Resistance
Measurement, Materials Science and Engineering: R: Reports, Vol. 42, No. 1, pp. 1-40
Dinesh A., Sudharsan S. T., Haribala S., 2021, Self-Sensing Cement-Based Sensor with
Carbon Nanotube: Fabrication and Properties - A Review, Materials Today: Proceedings,
Vol. 46, No. 5
Galao O., Baeza F. J., Zornoza E., Garcรฉs P., 2014, Strain and Damage Sensing Properties
on Multifunctional Cement Composites with CNF Admixture, Cement and Concrete Composites,
Vol. 46, pp. 90-98
Gao L., Thostenson E. T., Zhang Z., Chou T. W., 2009, Sensing of Damage Mechanisms
in Fiber-Reinforced Composites under Cyclic Loading Using Carbon Nanotubes, Advanced
Functional Materials, Vol. 19, No. 1, pp. 123-130
Han B., Zhang K., Yu X., Kwon E., Ou J., 2012, Electrical Characteristics and Pressure-Sensitive
Response Measurements of Carboxyl MWNT/Cement Composites, Cement and Concrete Composites,
Vol. 34, No. 6, pp. 794-800
Iijima S., 1991, Synthesis of Carbon Nanotubes, Nature, Vol. 354, No. 6348, pp. 56-58
Jang A. Y., Lim S. H., Kim D. H., Yun H. D., Lee G. C., Seo S. Y., 2020, Strain-Detecting
Properties of Hybrid PE and Steel Fibers Reinforced Cement Composite (Hy-FRCC) with
Multi-Walled Carbon Nanotube (MWCNT) under Repeated Compression, Results in Physics,
Vol. 18, pp. 103199
Jung M. J., Hong S. G., 2019, Study on Improvement in Electromagnetic Interference
Shielding Effectiveness of Ultra-High Performance Concrete (UHPC) / Carbon Nanotube
(CNT) Composites, Journal of the Korea Concrete Institute, Vol. 31, No. 1, pp. 69-77
KATS , 2017, Testing Method For Compressive Strength of Hydraulic Cement Mortars (KS
L 5105), Seoul, Korea: Korea Agency for Technology and Standards (KATS), Korea Standard
Association (KSA). (In Korean)
Kim D. H., Park W. S., Kim S. W., Lee M. S., Seo S. Y., Yun H. D., 2021, Steel Reinforcing
Bar and Steel Fibers Content Effect on Tensile and Electrical Behaviors of Strain-
Hardening Cement Composite (SHCC) with MWCNTs in Direct Tension, Applied Sciences,
Vol. 11, No. 5, pp. 2446
Kim G. M., Kim H. K., Lee H. K., 2016, Effect of Cyclic Heating on Heat Generation
Characteristics of CNT / Cement Composites, 2-4 November 2016. Sokcho. Korea; Korea
Concrete Institute (KCI), Vol. 28, No. 2, pp. 439-440
Kim H. G., 2015, Application of Conductive CNT/Cement Composites as Chloride Sensor
for Reinforced Concrete: Feasibility Study, KCI 2015 Spring Conference. 13-15 May
2015. Gwangju. Korea; Korea Concrete Institute (KCI), Vol. 27, No. 1, pp. 371-372
Ku-Herrera J. J., Avilรฉs F., 2012, Cyclic Tension and Compression Piezoresistivity
of Carbon Nanotube / Vinyl Ester Composites in the Elastic and Plastic Regimes, Carbon,
Vol. 50, No. 7, pp. 2592-2598
Lee C. W., Heo J. W., 2020, Developing a Multi-Performance Composite Mortar with a
Self-Healing Admixture and Carbon Nanotube, Journal of the Korean Society for Advanced
Composite Structures, Vol. 11, No. 6, pp. 41-53
Lee S. H., Han S. J., Jang G. S., Kim K. S., Seo S. Y., 2020, Evaluation of Self-Sensing
Performance of UHPC with Carbon Nanotube, Journal of the Korea Concrete Institute,
Vol. 32, No. 6, pp. 505-512
Liu C., Liu G., Ge Z., Guan Y., Cui Z., Zhou J., 2019, Mechanical and Self-Sensing
Properties of Multiwalled Carbon Nanotube-Reinforced ECCs, Advances in Materials Science
and Engineering, Vol. 2019
Paul S. C., Van Rooyen A. S., van Zijl G. P., Petrik L. F., 2018, Properties of Cement-Based
Composites Using Nanoparticles: A Comprehensive Review, Construction and Building
Materials, Vol. 189, pp. 1019-1034
Sasmal S., Ravivarman N., Sindu B. S., Vignesh K., 2017, Electrical Conductivity and
Piezo-Resistive Characteristics of CNT and CNF Incorporated Cementitious Nanocomposites
under Static and Dynamic Loading, Composites Part A: Applied Science and Manufacturing,
Vol. 100, pp. 227-243
Song C. W., Hong G. T., Kim J. Y., Choi S. C., 2019, Experimental Study on Autogenous
Shrinkage of Cement Mortar Incorporating Carbon Nanotube, KCI 2019 Spring Conference.
8-10 May 2019. Jeju. Korea; Korea Concrete Institute (KCI), Vol. 31, No. 1, pp. 561-562
Xu S., Liu J., Li Q., 2015, Mechanical Properties and Microstructure of Multi-Walled
Carbon Nanotube-Reinforced Cement Paste, Construction and Building Materials, Vol.
76, pp. 16-23
Yang F., Qian S., 2020, Mechanical and Piezoelectric Properties of ECC with CNT Incorporated
through Fiber Modification, Construction and Building Materials, Vol. 260, pp. 119717
Yoo D. Y., Kim S., Lee S. H., 2018, Self-Sensing Capability of Ultra-High-Performance
Concrete Containing Steel Fibers and Carbon Nanotubes under Tension, Sensors and Actuators
A: Physical, Vol. 276, pp. 125-136
Youn D. A., Kim J.-H., Lee G.-C., Seo S.-Y., Yun H.-D., 2020, Tensile and Strain-Sensing
Properties of Hybrid Fibers Reinforced Strain-Hardening Cement Composite (Hy- SHCC)
with Different Carbon Nanotube (CNT) Dosages, Journal of the Korea Concrete Institute,
Vol. 32, No. 3, pp. 285-293