2.1 실험 계획

본 실험에서는 MSF와 MWCNT가 포함된 전도성 모르타르의 발열 성능과 휨강도를 평가하기 위해 실험을 계획하였다. 전도성 모르타르 시편에는 시멘트 중량의 0.0 wt.%, 0.5 wt.%, 1.0 wt.%의 비율로 MWCNT를 혼입하였고, 부피의 2.0 vol.%의 비율로 MSF 를 혼입하였다. 발열 성능 실험은 다양한 인가 전압(10 V, 30 V, 60 V)과 전극 간격(40 ㎜, 120 ㎜)을 변수로 하였다. 아울러, 재령 28일의 휨강도를 측정하여 일반 모르타르와 비교·분석하였으며, 발열 실험 후 파단면의 미세구조를 확인하기 위해 FE-SEM 분석을 수행하였다.

2.2 재료

2.2.3 MSF

본 실험에 사용된 MSF의 형태는 Fig. 1에 나타나 있으며, Table 1은 MSF의 특성을 나타낸 것이다.

Fig. 1. MSF Used in This Study and Its Appearance

Table 1. Specifications of the MSF Utilized in This Research

Length (𝑙f, ㎜)	Density (g/㎤)	Diameter (df, ㎛)	Aspect ratio (𝑙f/df)	Elastic modulus (GPa)	Tensile strength (MPa)
6	7.85	120	50	≥210	3220

2.2.4 MWCNT

MWCNT는 물에 잘 녹지 않고 나노 크기 입자가 강한 반데르발스 힘을 가져 혼합 시 쉽게 응집된다. 이에 수용액 형태로 혼입하면 응집을 줄이고 시멘트 매트릭스 내 균일한 분산이 용이한 것으로 보고되었다^{(Musso et al., 2009; Sobolkina et al., 2012)}. 본 연구에서는 전도성 향상과 발열 특성을 위해 수용액에 분산된 액상형 MWCNT를 사용하였고, 배합수량 대비 3 wt% 비율로 혼합하였다. 사용된 MWCNT의 평균 직경은 약 7∼12 ㎚, 길이는 100∼ 200 ㎛로, 상세한 특성은 Table 2에 제시하였다. Fig. 2는 투입된 MWCNT의 형상을 보여준다.

Fig. 2. Appearance of MWCNT Powder Put in This Study

Table 2. Properties of the Multi-Walled Carbon Nanotubes (MWCNT) Used in This Study

Length (㎛)	Purity (wt%)	Ave. diameter (nm)	Specific surface area (㎡/g)	Bulk density (g/㎤)	Appearance
100∼200	〉96.5	7∼12	200∼250	0.08∼0.12	Black powder

2.3 배합비 및 시편 준비

2.3.2 시편 준비

Fig. 3은 전도성 모르타르 시편의 제작 과정을 나타낸 것이다. 먼저, 시멘트와 잔골재를 30초간 저속으로 혼합한 뒤, MSF를 추가하고 90초간 건식 혼합하였다. 이후 배합수와 MWCNT 분산액을 넣어 90초간 혼합한 뒤, 믹서를 멈추고 벽에 붙은 모르타르를 제거한 후 150초간 고속으로 최종 혼합하였다. 혼합 시간은 약 5분이며, 화학적 반응을 방지하기 위해 증류수를 사용하였다. 시편의 공극을 최소화하고 구리 매쉬와 균일한 접촉을 위해 진동 테이블에서 3분간 진동 다짐을 수행하였다. 휨강도 시험용 몰드는 비닐로 덮어 24시간 보호 후 20±2℃ 수조에서 28일 동안 수중 양생하였다.

Fig. 3. Specimens Fabrication Process. (a) Mix Cement and Sand in Dry Form for 30 seconds, (b) MSF Added, Dry Mix 90 sec, (c) Mix MWCNT Solution in Wet Conditions, (d) Mixing Process for 150 seconds, (e) Placement of Copper Mesh, (f) Placement and Densification

2.4 실험방법

2.4.1 발열 성능 실험

각 시편의 발열 성능 평가를 위한 실험 장비 셋업은 Fig. 4에 나타내었다. 전도성 모르타르의 발열 성능 실험에 대한 규격은 별도로 정해져 있지 않다. 발열 성능 실험에서는 시편 양쪽 전극에 클램프를 연결하고, DC 10 V, 30 V, 60 V의 인가 전압을 설정하여 1초 간격으로 1시간 동안 동일한 전압을 공급하였다. 동시에 적외선 열화상 카메라로 시편 표면의 온도 변화를 확인하였다. 아울러, 시편의 수분 영향을 줄이기 위해 상온에서 건조 양생을 진행하였고, 실험실 온도는 20±0.5℃, 상대 습도는 50±5 %로 조절하였다. 공급 전압의 일정성을 확인하기 위해 디지털 멀티 테스터를 사용하고, 감전 및 단락 방지를 위해 모든 시편을 절연 고무판 위에 배치하였다. Fig. 5은 각 시편의 전압 공급 방식 모식도를 보여준다.

Fig. 4. Configuration of Equipment for Measuring Surface Temperature of Specimens

Fig. 5. Schematic Diagram Illustrating the Voltage Supply Approach for Each Experimental Variable. (a) In Case of Electrodes Spacing 120 ㎜, (b) In Case of Electrodes Spacing 40 ㎜

3.1 발열성능 분석

Fig. 6은 다양한 인가 전압(DC 10 V, 30 V, 60 V)과 각 시편의 최대 발열량을 전극 간격(40 ㎜, 120 ㎜)별로 비교한 것이다. Fig. 6(a)에 따르면, 인가 전압이 60 V이고 전극 간격이 40 ㎜일 때 SF2.0+MWCNT1.0 시편의 발열량이 가장 높았으며, 최대 표면온도는 123.1℃에 도달했다. 이는 MSF와 MWCNT의 상호 연결로 전도성 네트워크가 다수 형성되면서 발열량이 크게 증가했기 때문이다. Fig. 6(b)에서 확인할 수 있듯이, 동일한 조건에서 전극 간격을 120 ㎜로 확장한 경우 SF2.0+MWCNT1.0 시편의 최대 표면온도는 71.2℃였다. 따라서, MWCNT 농도와 인가 전압이 높고 전극 간격이 좁을수록 발열 성능이 향상되는 경향이 나타났다. 특히, SF2.0+MWCNT1.0 시편은 MWCNT 농도가 0.5 wt%인 SF2.0+MWCNT0.5 시편보다 발열 성능이 뛰어났으며, 인가 전압이 60 V일 때 전극 간격이 40 ㎜와 120 ㎜인 경우 각각 최대 103.1℃와 51.2℃에 도달하였다. 이는 외기 온도인 4℃와 비교해 각각 25.7배와 12.8배 향상되었고, 제설 및 제빙 효과가 기대된다. 반면, 다양한 조건에서도 PM 시편, SF2.0 시편, MWCNT0.5 시편, MWCNT2.0 시편의 표면온도는 최대 20∼22.7℃로 낮아 발열 효과가 거의 없어 제설 및 제빙 용도로는 적합하지 않을 것으로 보인다.

Fig. 6. The Peak Heat Generation of Each Specimen Based on the Applied Voltage. (a) Electrode Spacing Set to 40 ㎜, (b) Electrode Spacing Set to 120 ㎜

3.2 휨강도 시험 결과

Fig. 7은 재령 28일에서 실시한 각 시편의 평균 휨강도 시험 결과를 나타낸 것이다. PM 시편과 SF2.0 시편의 평균 휨강도는 각각 4.16 MPa와 8.23 MPa로 확인되었으며, MSF가 포함되지 않은 MWCNT0.5와 MWCNT1.0 시편은 각각 3.81 MPa와 3.51 MPa로, PM 시편보다 0.35 MPa와 0.65 MPa 낮았다. 이 두 시편의 휨강도는 PM 시편 대비 각각 91.5 %와 84.3 % 수준이었다. ^{Xu et al.(2015)}은 MWCNT와 같은 나노 크기 입자가 시멘트 매트릭스를 치밀하게 해 휨강도를 높일 수 있다고 보고하였으나, 일정 함량 이상에서는 반데르발스 힘에 의한 응집 현상으로 인해 휨강도 향상에 한계가 있다고 한다. ^{Oh et al.(2017)} 역시 MWCNT의 최적 함량이 0.23 wt% 미만이며, 그 이상에서는 응집으로 인해 휨강도가 오히려 감소한다고 보고했다. 한편, 평균 휨강도는 SF2.0+MWCNT0.5 시편은 7.25 MPa, SF2.0+MWCNT1.0 시편은 6.71 MPa로 나타났으며, 이는 SF2.0 시편보다 각각 0.98 MPa와 1.52 MPa 더 높은 값이다. MSF로만 제작된 SF2.0 시편은 PM

시편보다 1.98배, MWCNT0.5 및 MWCNT1.0 시편보다 각각 2.16배, 2.34배 높은 휨강도를 보였다. MSF는 휨 성능과 균열 저항성을 크게 개선하고, MWCNT의 혼입 농도에 관계없이 전도성 모르타르의 휨강도를 증가시키는 데 기여한 것으로 분석된다. 아울러, MSF는 발열 성능 향상에도 기여하였다. 한편, MWCNT의 적용은 경제성과 기술적 효율성을 극대화할 수 있는 시멘트 복합체의 발열체 기술로써 지속적인 연구와 개발이 필요하다고 판단된다.

Fig. 7. Test Results of Average Flexural Strength

3.3 FE-SEM 촬영

본 연구에서는 MSF와 MWCNT의 미세구조를 관찰하기 위해 FE-SEM을 이용한 이미지 분석을 수행하였다. Fig. 8은 발열성능 실험 후 파단면에서 채취한 SF2.0, MWCNT0.5, MWCNT1.0, SF2.0+MWCNT1.0 시편의 FE-SEM 이미지를 각각 50배와 50,000배율로 촬영하여 비교한 것이다. 시편의 SEM 이미지를 통해 시멘트 매트릭스 내에서 MWCNT와 그 주변에 수화 생성물이 분산되어 있는 것을 확인할 수 있다. 이는 MWCNT가 공극 내에서 넓은 비표면적을 제공하며 수화 생성의 중심 역할을 하고, 추가적인 수화반응을 촉진함을 보여준다. MWCNT의 균일한 분산은 시멘트 복합체의 발열 성능과 역학적 강도 향상에 중요한 역할을 한다. Fig. 8(a)에서 확인할 수 있듯이, SF2.0 시편에서는 시멘트 매트릭스 내 MSF 사이에 많은 공극이 존재하여 전도성 네트워크가 형성되지 않았다. 반면, Fig. 8(b)의 MWCNT0.5 시편은 MWCNT 입자가 수화 생성물 사이에서 가교역할을 하며 전도성 네트워크를 형성하고 있다. 그러나 Fig. 8(c)의 MWCNT1.0 시편에서는 MWCNT가 응집되어 일부 공극을 형성하면서 네트워크가 불완전하게 이루어져, 농도가 높을수록 휨강도에 부정적 영향을 미친다. Fig. 8(d)의 SF2.0+MWCNT0.5 시편은 MSF 주변에서 MWCNT가 브리징 역할을 하며 전자의 이동 경로를 형성하여 전자가 쉽게 이동할 수 있어 시편의 표면온도 상승을 촉진하는 것으로 분석된다.

Fig. 8. FE-SEM Images of Various Specimens. (a) SF2.0 (×50), (b) MWCNT0.5 (×50,000), (c) MWCNT1.0 (×50,000), (d) SF2.0+MWCNT1.0 (×50,000)