2.1 재료

본 연구에 사용한 시멘트는 S사 제품의 보통포틀랜드시멘트를 사용하였으며, 비중은 3.13이고 분말도는 3,860 cm²/g이다. 잔골재는 강원도 강릉시에서 생산된 주문진산 표준사를 사용하였으며, 배합수는 실내 수돗물이었다. 혼화제는 국내 D사 제품의 폴리카르복실산계로써, 액상이고 비중이 1.04, pH 5.0±1.5인 연황색의 고성능 AE 감수제를 사용하였다. 본 연구에 사용된 마이크로 탄소섬유는 지름이 7 µm, 길이 6 mm이고, 인장강도와 전기 비저항은 각각 4,900 MPa와 1.6×10-3 Ω･cm이다. 폴리아크릴계나이트(polyacrylonni-trile, PAN)를 원료로 하여 만든 일본의 T사에서 제조한 것이다. 매크로 강섬유는 지름이 0.5 mm, 길이 30 mm이고, 인장강도는 1,100 MPa이다. 매크로 강섬유는 국내 K사의 제품으로 양단이 갈고리 형태인 양단 후크 형(hooked-end type)을 사용하였고, 재료투입이 용이하도록 여러 가닥을 서로 부착하여 만든 bundle type을 이용하였다. 본 연구에 사용된 마이크로 탄소섬유와 매크로 강섬유의 특성은 Table 1 및 Table 2와 같다.

2.2 배합설계 및 시편 제조

PCC와 ECCC의 배합설계 및 시편 명칭은 Table 3과 같다. 물-시멘트비(W/C)는 0.44로 설정하였으며, 배합은 시멘트:표준사:배합수=1:2:0.44의 비율로 하였다. 마이크로 탄소섬유를 혼입한 ECCC의 워커빌리티를 감안하여 혼화제의 첨가량은 시멘트 질량의 0.5~1.0 %로 사용하였으며, PCC와 매크로 강섬유를 혼입한 ECCC의 경우 별도의 혼화제를 사용하지 않았다. 시멘트 복합체의 혼합은 먼저 시멘트와 잔골재를 투입하고, 저속으로 30초 동안 실시하였다. 섬유의 분산성을 확보하기 위해 섬유를 투입하여 건비빔으로 90초 동안 추가 혼합하였다. 이후 배합수 및 SP제를 투입하고 즉시 90초 동안 혼합하였다. 시멘트 혼합물을 금형 몰드에 부어 넣고, 3층으로 나누어 각층 마다 25회씩 층다짐을 실시하였다. 시멘트 혼합물을 만들기 위해 1층 타설 및 다짐을 하였다. 전극은 섬유의 뭉침방지를 위해 1층 타설 후 40 mm 간격으로 매입하였으며, 전극을 매입한 후 2, 3층 타설 및 다짐을 실시하였다. 시편 내에서 공극을 최소화하기 위해 실험실 진동 테이블을 사용하여 약 3분 동안 진동시켰다. 시편의 표면을 철 흙손으로 마감하였다. 시멘트 혼합물을 타설한 모든 시편은 48시간 경과 후 몰드를 탈형하였고, 저항 발열 특성에 미치는 영향을 최소화하기 위해 시험 직전까지 기건 상태에서 보관하였다.

2.3 실험 방법

2.3.1 저항 발열 실험

Fig. 1은 시편의 저항 발열 특성을 측정하기 위한 설치 모습을 나타낸 것이다. 저항 발열 실험은 시편의 양쪽 전극 끝에 클램프(clump)를 연결하고, 전원공급장치(DC power supply, AK 3005)를 이용하여 직류(direct current, DC)전압으로 1시간(3,600초) 동안 10초 간격으로 동일한 전압을 공급하였다. 동시에 저항 발열 측정은 적외선 열화상카메라(infrared thermal camera, T630sc, FLIR, USA)를 이용하여 인가전압에 따른 시편 표면의 온도 변화 및 열의 분포양상을 확인하였다. 전압을 공급하기 전 모든 시편 표면의 초기 온도는 20±0.5 °C에서 진행되었고, 적외선 열화상 카메라와 시편의 거리는 약 50 cm로 고정하였다. 아울러, 모든 시편의 주변 온도는 약 20 °C로 일정하게 유지되었고, 상대 습도는 50±5 %의 범위로 설정하였다. 공급되는 전압의 세기를 확인하기 위해 디지털 멀티테스터(multi-tester)를 이용하여 일정한 전압의 공급을 확인하였고, 실험 도중 감전 및 단락방지 등 안전 확보를 위해 모든 시편을 절연고무판 위에 놓고 일정 전압을 공급하였다. 시편의 다양한 인가전압(10 V, 20 V, 30 V)을 매개변수로 공급하였고, Fig. 2는 본 연구에서 적용한 시편의 전압공급 방법을 위한 개요도를 나타낸 것이다.

Fig. 1 Set-up of the specimen surface temperature measurement equipment

Fig. 2 Schematic view of the applied voltage method in the resistance heating test

2.3.2 전기저항 측정

시멘트계 복합체의 전기저항 측정 방법은 일반적으로 2-프루브(two probe method)와 4-프루브(four probe method) 방식이 사용되고 있다^{(Han et al. 2007)}. 비록 2-프루브 방식의 회로가 더 간단 하지만 시편과 전극 사이의 접촉저항을 완화하기 때문에 4-프루브 방식이 선호되고 있다^{(Chiarello and Zinno 2005; Wen and Chung 2007)}. 본 연구에서는 Fig. 3과 같이 시멘트 복합체의 전기저항을 측정하기 위한 시편을 측정 장치에 설치한 모습을 나타낸 것이다. 모든 시편의 전기저항 실험은 저항 발열 실험과 동일한 시편에 4-프루브 방식을 이용하여 재령 28일에서 측정되었다. 전기저항을 측정하기 위해 디지털 멀티미터(Keithley 6220)는 2개의 외부 프루브에 DC(I)를 공급하고, Keithley 2182A(nanovoltmeter)는 2개의 내부 프루브는 전압(V) 측정에 사용되었다. 전류의 범위는 ±100 fA~ ±100 mA이며, 전기저항 값의 범위는 10 nΩ~200 MΩ 이다.

Fig. 3 Measurement of the electrical resistance of the specimen

3.1 저항 발열 특성 분석

3.1.1 저항 발열 실험결과

시멘트계 복합체의 저항 발열 특성을 평가하기 위한 시험규격은 별도의 국내･외 규정되어 있지 않다. 저항 발열 실험을 수행할 때 적용되는 전압은 연구자마다 크게 다르다. Fig. 4는 시멘트 복합체의 인가전압별 섬유함량에 따른 발열 최대온도를 나타낸 그래프이다. Fig. 4에서 보는 바와 같이 인가전압별 PCC 시편의 온도증가량은 초기 온도 대비 0.1~0.3 °C 정도 미미하게 상승하였고, 매크로 강섬유를 혼입한 ECCC 시편의 경우 온도증가량은 초기 온도 대비 0.2~1.5 °C 정도로 소폭 개선되었다. PCC 시편과 매크로 강섬유의 함량 증가에 상관없이 모든 매크로 강섬유를 혼입한 ECCC 시편은 저항 발열 성능 차이가 뚜렷하지 않았다. Fig. 4(a)에서와 같이 10 V의 인가전압에서 마이크로 탄소섬유를 혼입한 ECCC-CF1.25 시편의 경우 발열 최대온도는 23.3 °C이며, PCC 시편과 매크로 강섬유를 혼입한 ECCC-SF1.25 시편에 비해 각각 약 1.16배와 1.15배 향상되었다. Fig. 4(b)에서와 같이 20 V의 인가전압에서 마이크로 탄소섬유를 혼입한 ECCC-CF1.25 시편의 경우 발열 최대온도는 46.5 °C로 측정되었고, PCC 시편과 매크로 강섬유를 혼입한 ECCC-SF1.25 시편에 비해 각각 약 2.3배와 2.29배 향상되었다. Fig. 4(c)에서와 같이 30 V의 인가전압에서 마이크로 탄소섬유를 혼입한 ECCC-CF1.25 시편의 발열 최대온도는 65.9 °C로써, PCC 시편과 매크로 강섬유를 혼입한 ECCC-SF1.25 시편에 비해 각각 약 3.25배와 3.07배 향상되었다. 시편의 온도증가량은 마이크로 탄소섬유의 함량이 증가할수록 향상되었고, 30 V의 인가전압 및 마이크로 탄소섬유를 혼입한 ECCC-CF1.25 시편에서 발열 최대온도가 65.9 °C로 가장 우수하였다. 전압이 증가할수록 시편에 흐르는 전류가 높아지기 때문에 각 시편의 발열 최대온도는 30 V의 인가전압에서 발생한 것으로 판단된다. 마이크로 탄소섬유를 혼입하면 시멘트 매트릭스 내에서 마이크로 탄소섬유들 사이의 접촉 및 연결을 통해 전도성 네트워크가 형성되었으며, 형성된 네트워크를 통해 전자의 이동에 의해 전류가 흐르면서 시멘트 복합체의 열적 및 전기적 특성을 부여하게 된다. 따라서 마이크로 탄소섬유의 함량이 증가할수록 전도성 네트워크가 다수 형성되어 발열 최대온도가 향상된 것으로 나타났다. 반면 PCC 시편과 매크로 강섬유를 혼입한 ECCC 시편의 경우 온도증가량은 각각 0.1~0.3 °C 및 0.2~1.5 °C 정도 상승하여 저항 발열 성능효과가 거의 없는 것으로 나타났다. 이는 시멘트 복합체에 전도성 네트워크가 형성되지 않기 때문이다. 시멘트 복합체의 발열 성능을 확보하기 위해서는 마이크로 탄소섬유의 혼입이 필수적인 것으로 판단된다.

Fig. 4 Changes in maximum temperature according to the fiber contents of specimens at different applied voltages

3.1.2 시간-온도 변화 곡선

Figs. 5 and 6은 PCC와 ECCC의 인가전압별 섬유함량에 따른 시간-온도 변화 곡선을 나타낸 것이다. 각 그래프의 초기 기울기를 분석하기 위해 실험 시작 후 10분 경과 시점에서 온도증가량을 확인하였다. Fig. 5와 Fig. 6(a)에서 보는 바와 같이 모든 시편은 10분 및 1시간 경과 시점에서 온도증가량은 거의 없는 것을 알 수 있다. 그러나 이들을 제외한 모든 그래프는 온도상승이 일어났으며, 이후 안정화가 되는 것을 볼 수 있다. Fig. 6(b)에서와 같이 20 V의 인가전압 및 마이크로 탄소섬유를 혼입한 ECCC-CF0.75 시편과 ECCC-CF1.00 시편에서 10분 경과 시점에서 온도증가량은 각각 28.6 °C 및 31.0 °C로 측정되었다. 가장 높은 10분 경과 시점에서 온도증가량은 마이크로 탄소섬유를 혼입한 ECCC-CF1.25 시편에서 발생하였다. 발생한 10분 경과 시점에서 온도증가량은 32.8 °C로 측정되었고, PCC 시편에 비해 약 1.64배 향상되었다. Fig. 6(c)에서와 같이 30 V의 인가전압 및 마이크로 탄소섬유를 혼입한 ECCC-CF0.75 시편과 ECCC-CF1.00 시편의 10분 경과 시점에서 온도증가량은 각각 37.4 °C 및 35.9 °C로 측정되었다. 가장 높은 10분 경과 시점에서 온도증가량은 마이크로 탄소섬유를 혼입한 ECCC-CF1.25 시편에서 발생하였다. 발생한 10분 경과 시점에서 온도증가량은 43.2 °C로 측정되었고, PCC 시편에 비해 약 2.16배 향상되었다. 시간경과에 따른 온도증가량 분석 결과, 모든 PCC 시편 및 매크로 강섬유를 혼입한 ECCC 시편은 온도상승이 미미하여 초기 기울기가 “0”에 수렴하는 것으로 나타났다. 하지만 10 V의 인가전압을 제외한 마이크로 탄소섬유를 혼입한 ECCC 시편의 경우 섬유의 함량이 증가할수록 상당히 향상되었다. 마이크로 탄소섬유를 혼입한 ECCC 시편은 시멘트 매트릭스 내에서 섬유와 전도성 네트워크가 형성되고, 혼입된 마이크로 탄소섬유의 함량이 증가할수록 형성되는 전도성 네트워크가 증가하여 시편에 흐르는 전류가 증가하였다. 온도증가량은 전류에 비례하기 때문에 마이크로 탄소섬유를 혼입한 ECCC는 마이크로 탄소섬유의 함량이 증가할수록 온도상승량이 증가한 것으로 판단된다.

Fig. 5 Time-temperature change curve (for electrical conductive cement composite [ECCC] specimens with steel fibers comparative to plain cement concrete [PCC] specimens

Fig. 6 Time-temperature change curve (for electrical conductive cement composite [ECCC] specimens with carbon fibers comparative to plain cement concrete [PCC] specimens)

3.1.3 열화상 이미지 분석

Figs. 7~9는 PCC 시편과 ECCC 시편의 인가전압별 면 온도 및 열의 분포양상을 확인하기 위해 촬영한 열화상 이미지를 나타낸 것이다. 각 시편의 표면 온도는 초기 온도에서 인가전압에 의해 발생되는 발열량을 더하여 측정하였다. 시편 표면의 초기 온도는 약 20±0.5 °C이며, 시편 표면의 온도 변화를 각 열화상 이미지에 표기하였다. 각 시편의 열화상 이미지를 Figs. 7~9에 도시하였다. Fig. 7(a), Fig. 8(a) 및 Fig. 9(a)에서 볼 수 있듯이 전도성 섬유가 혼입되지 않은 PCC 시편의 열화상 이미지를 도시하였고, 발열량이 미미하여 표면 온도가 주변 온도와 거의 유사하여 인가전압 공급에 따른 뚜렷한 발열 성능 차이를 구별하는 데 어려움이 있다. 아울러, Fig. 7(b), Fig. 8(b) 및 Fig. 9(b)에서도 볼 수 있듯이 매크로 강섬유를 혼입한 모든 ECCC 시편에서도 발열량이 미미하여 표면 온도가 주변 온도와 거의 유사하여 열화상 이미지가 뚜렷하지 않았다. 하지만 Fig. 7(c)를 제외한 Figs. 8(c)~9(c)에서 볼 수 있듯이 20 V 및 30 V의 인가전압에서 마이크로 탄소섬유를 혼입한 ECCC 시편의 표면 온도는 마이크로 탄소섬유의 함량이 증가할수록 향상되었고, 열화상 이미지가 선명하였다. 가장 높은 표면 온도는 30 V의 인가전압 및 마이크로 탄소섬유를 1.25 % 혼입한 ECCC-CF1.25 시편에서 발생하였으며, 이때 발생한 표면 온도는 65.9 °C로 측정되었다, PCC 시편에 비해 약 3.25배 증가하였다. 시편의 열화상 이미지를 분석한 결과, 발생한 열은 DC Power Supply에 연결된 전극 사이를 중심으로 발생하였고, 시편 전체로 발열이 균일하게 확산되지 못하였다. 이는 전류가 최단 거리로 온도가 전도･방사되기 때문에 최단 거리인 전극 사이로부터 발열이 확산된 것으로 판단된다.

Fig. 7 Thermal images of specimens (10 V)

Fig. 8 Thermal images of specimens (20 V)

Fig. 9 Thermal images of specimens (30 V)

3.2 전기적 특성 분석

재령 28일에서 PCC와 ECCC의 섬유함량에 따른 평균 전기저항 및 표준편차를 요약, 정리하면 Table 4와 같으며, Fig. 10에서도 각 시편의 섬유함량에 따른 평균 전기저항 측정 결과를 나타낸 것이다. Table 4와 Fig. 10에서 보는 바와 같이 PCC 시편의 평균 전기저항 값은 2,392.6 Ω으로 측정되었고, 매크로 강섬유를 1.25 % 혼입한 ECCC-SF1.25 시편의 경우 전기저항 값은 358.0 Ω으로 나타내, 매크로 강섬유를 혼입한 ECCC 시편 중 가장 전기저항이 낮았다. 하지만 마이크로 탄소섬유의 함량이 증가함에 따라 전기저항이 상당히 감소하는 경향을 보였다. 가장 낮은 전기저항 값은 마이크로 탄소섬유를 1.25 % 혼입한 ECCC-CF1.25 시편에서 발생하였고, 65.3 Ω로 측정되었다. 이는 전기적 성능 우수한 마이크로 탄소섬유를 혼입함으로써 섬유함량이 증가할수록 시편 내부에서 전도성 경로가 다수 형성되어 시멘트 복합체의 전기저항 값을 크게 감소시킨 것으로 판단된다. 그러나 1.00~1.25 %의 높은 섬유함량의 경우 굳지 않은 상태에서 ECCC의 워커빌리티 및 작업성 불량으로 인해 섬유의 분산성을 감소시키기 때문에 시멘트 복합체의 전기저항을 크게 감소시킬 수 없다. 따라서 마이크로 탄소섬유를 혼입한 ECCC 시편의 경우 전기저항이 낮을수록 ECCC에 흐르는 전류량이 향상되며, 전기적 성질이 우수하다. 반면 PCC 시편의 경우 마이크로 탄소섬유를 혼입한 ECCC 시편에 비해 상대적으로 높은 전기저항 값을 나타내었고, 매크로 강섬유를 혼입한 ECCC 시편에서도 전도성 경로가 형성되지 못하여 전기적 성질이 거의 없는 것으로 나타났다.

Fig. 10 The measurement results of the average electrical resistance

3.3 SEM 이미지 분석

본 연구에서는 파단된 ECCC 시편의 표면형상을 관찰하기 위해 SEM 이미지 분석을 수행하였다. Fig. 11(a)는 매크로 강섬유를 혼입한 ECCC 시편의 SEM 이미지를 보여주고 있다. Fig. 11(a)에서 볼 수 있듯이 시멘트 수화생성물인 칼슘실리케이트(calcium silicate hydrate, C-S-H) 등과 함께 섞어서 수화생성물 사이의 매크로 강섬유가 관측되었다. 이와 같이 미세구조 관찰을 통해 매크로 강섬유가 섬유표면 주변에 시멘트 수화물의 결정 형성으로 치밀한 ECCC 시편 내에서 미세구조의 조직을 갖게 된다. Fig. 11(b)에서는 1.25 %까지 매크로 강섬유를 추가하더라도 ECCC-SF125 시편 내에서 전기전도성 네트워크가 형성되지 못하기 때문에 저항 발열 특성이 개선되지 못한 것으로 나타났다. 결과적으로 매크로 강섬유의 혼입은 ECCC의 발열 성능 효과가 거의 없는 것으로 판단된다. 이에 반해 Fig. 11(c)은 마이크로 탄소섬유를 혼입한 ECCC 시편의 SEM 이미지를 보여주고 있다. Fig. 11(c)에서 볼 수 있듯이 마이크로 탄소섬유들이 공극 사이에서 브리징 역할을 하는 전기적 네트워크를 형성하고 있으며, 섬유들이 거로 접촉하여 그대로 잘 유지하고 있는 것을 보여주고 있다. 이렇게 형성된 전기전도성 네트워크는 전자가 흐르는 통로 역할을 수행하여 전기저항은 감소하게 된다. 인가전압에 의한 전자의 이동이 용이하게 되면서 복합체의 ECCC의 내부 온도는 증가한다. Fig. 11(d)에서는 ECCC 내에서 소수성의 성질을 갖고 있는 마이크로 탄소섬유들의 뭉침현상을 보여주고 있다. 시멘트 혼합물 배합 시 마이크로 탄소섬유의 높은 형상비로 인해 뭉침이 자주 일어나고 있으며, 섬유뭉침현상(fiber ballng)으로 고르게 분포되지 못한 마이크로 탄소섬유는 일부 공극의 역할을 하게 된다. 이러한 현상은 마이크로 탄소섬유의 함량이 증가할수록 자주 발생한다.

Fig. 11 SEM images of the electrical conductive cement composite (ECCC) specimens

3.4 열중량 분석(TGA)

TGA 방법은 시료를 일정한 승온 속도로 가열하면서 시료 중량의 변화를 연속적으로 측정하여 분석한다. TGA 곡선은 그래프로 도식화할 수 있으며, 열에 의해 구성 성분이 분해되는 온도를 알 수 있다. 선행 연구에 따르면 시멘트계 복합체는 열에 대하여 100 °C 이상에서 자유 공극수 및 겔수가 방출되며, 300 °C 이상에서 화학적으로 변질된다. 450~550 °C 범위에서는 시멘트의 주성분인 수산화칼슘(Ca(OH)2)이 열에 의해 분해되며, 이후 탈수 진행이 빨라지며 약 600~700 °C 이상에서는 탄산칼슘(CaCO3)의 분해가 발생하게 된다. 최종적으로 700 °C 이상에서 시멘트 페이스트의 완전한 탈수가 일어나는 것으로 알려져 있다^{(Won et al. 2008; Liu et al. 2019)}. 본 연구에서는 PCC 시료와 ECCC 시료의 온도를 20 °C에서 980 °C까지 증가시키면서 중량의 변화를 측정하였으며, TGA를 통해 수산화칼슘(Ca(OH)2) 및 탄산칼슘(CaCO3) 등의 수화생성물을 분석하였다. Fig. 12는 저항 발열 실험 전과 후 시료의 TGA 결과를 각각 나타낸 것이다. Fig. 12에서 볼 수 있듯이 PCC 시료와 ECCC 시료의 중량 손실량은 65~250 °C 정도에서 결합수와 겔수 등 탈수작용에 의한 증발로 인해 미미하게 진행되었지만, 250 °C에서 500 °C 정도에서 발생하는 수산화칼슘(Ca(OH)2)의 분해로 탈수산화에 의한 중량 손실량은 약간 감소하는 것을 알 수 있다. 500~750 °C 정도의 고열을 받으면 중량 손실량은 상당히 커지는 경향을 보였다. 이는 시멘트 매트릭스 내에서 주요 수화생성물인 수산화칼슘(Ca(OH)2) 및 탄산칼슘(CaCO3)이 열에 의해 분해되어 시료 중량이 급격히 감소된 것으로 판단된다. 최종적으로 시료의 온도가 750 °C 이상이 되면 시멘트 수화생성물(즉, ettlingite, C-S-H 등)이 완전히 소멸되어 중량 손실량이 많이 증가하지 않는 것을 보여주고 있으며, 탄산칼슘(CaCO3)이 완전히 진행되었음을 알 수 있다. 따라서 750 °C에서 980 °C로 증가하면서 250 °C에서 750 °C로 상승할 때와 비교하여 열중량이 감소하는 경향을 보였다. 하지만 매크로 강섬유가 혼입된 ECCC의 경우 750 °C까지 급격한 하강 이후 생성량이 약간 상승하는 경향을 보여 주고 있다. 이는 매크로 강섬유의 탈 접착과 산화되어 나타난 결과로 판단된다. 따라서 수산화칼슘(Ca(OH)2)의 탈수 및 탄산칼슘(CaCO3)의 탈탄산 반응 결과, 저항 발열 실험 전과 후 시멘트 수화생성물의 상변화는 크게 달라지지 않은 것을 알 수 있으며, 이는 시멘트 매트릭스 내에 증가된 발열 최대온도 변화가 65.1 °C에 불과했기 때문으로 판단된다.

Fig. 12 Thermo-gravimetric analysis results of the plain cement concrete (PCC) and electrical conductive cement composite (ECCC) samples