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Journal of the Korea Concrete Institute

J Korea Inst. Struct. Maint. Insp.

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Research article

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Journal of the Korea Institute for Structural Maintenance and Inspection

J. Korea Inst. Struct. Maint. Insp. Vol. 26, No. 3, p.72-83

ISSN (print) :

2234-6937

ISSN (online) :

2287-6979

Received : 28 March 2022Revised : 26 May 2022Accepted : 23 June 2022

DOI :

https://doi.org/10.11112/jksmi.2022.26.3.72

전도성 섬유가 함유된 시멘트 모르타르의 미세구조 및 전기적 특성 연구

Study on Microstructure and Electrical Properties of Cement Mortar Containing Conductive Fibers

박종건 (Jong-Gun Park) ¹^† 서동주 (Dong-Ju Seo) ² 임두열 (Doo-Yeol Lim) ³ 이유재 (Yu-Jae Lee) ⁴ 허광희 (Gwang-Hee Heo) ⁵

정회원,건양대학교 공공안전연구소 연구교수
정회원,건양대학교 재난안전공학과 석사과정
정회원,건양대학교 재난안전공학과 석사과정
정회원,건양대학교 재난안전공학과 석사과정
정회원,건양대학교 해외건설플래트학과 교수

^†Corresponding author: park2630@konyang.ac.krPublic Safety Research Institute (PSRI), Konyang University, Nonsan, 32992, Korea

License :

This is an Open Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License (http://creativecommons.org/licenses/by-nc/3.0)which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.

초록

본 논문에서는 전도성 재료인 탄소섬유(carbon fiber, CF)와 강섬유(steel fiber, SF)를 함유한 시멘트 모르타르의 미세구조 및 전기적 특성, 압축강도에 미치는 영향을 연구하였다. 전도성 섬유보강 시멘트 모르타르(fiber-reinforced cement mortar, FRCM)의 비저항은 4-probe 방법을 이용하여 측정하였고, 압축강도는 압축시험을 기반으로 측정하였다. 이들의 성능은 플레인 모르타르(plain mortar, PM)와 비교, 검토하였다. 게다가 전도성 FRCM 파단면의 표면형상과 구성성분은 주사전자현미경(scanning electron microscope, SEM)과 에너지 분산형 X-ray 분광분석기(energy disperse X-ray spectrometer, EDS)를 이용하여 분석하였다. 그 결과 모든 시편에서 양생재령이 경과됨에 따라 비저항이 점차 증가하는 반면, 섬유혼입률이 증가할수록 비저항은 상당히 감소하였다. 강섬유를 1.25%까지 추가하여도 시멘트 모르타르의 비저항에는 크게 영향을 미치지 않았다. 대조적으로, 탄소섬유는 낮은 함량(즉, 0.1∼0.3%)에서도 비저항이 다소 감소하였고, 그 이후에는 현저히 저하되었다. 본 실험에 사용된 CF가 함유된 전도성 CFRCM의 침투 임계점은 0.4%이었고, 압축강도 성능을 유지하면서 전도성 효과를 극대화하는 최적의 탄소섬유 혼입량이라고 판단된다. 전도성 FRCM의 표면형상 및 구성성분 분석을 위해 SEM/EDS를 통해 파단면을 관찰하였다. 이러한 결과는 시멘트 모르타르 내에서 보강섬유의 미세구조 메커니즘을 확립하는 데 매우 유용할 것으로 사료된다.

Abstract

This paper studied the effect on the microstructure, electrical properties, and compressive strength of cement mortar containing carbon fiber (CF) and steel fiber (SF), which are conductive materials. The resistivity of conductive fiber-reinforced cement mortar (FRCM) was measured using the 4-probe method, and the compressive strength was measured based on the compression test. Their performance was compared and reviewed with plain mortar (PM). Furthermore, the surface shape and composition of the fracture surface of the conductive FRCM were analyzed using a scanning electron microscope (SEM) and an energy disperse X-ray spectrometer (EDS). The results showed that the resistivity gradually increased as the curing time increased in all specimens, whereas the resistivity decreased significantly as the fiber volume fraction increased. Adding steel fibers up to 1.25% did not affect the resistivity of cement mortar considerably. On the contrast, the resistivity of carbon fiber was somewhat decreased even at low contents (ie, 0.1 to 0.3%), and thereafter, it was significantly decreased. The percolation threshold of the conductive CFRCM containing CF used in this experiment was 0.4%, and it is judged to be the optimum carbon fiber dosage to maximize the conductive effect while maintaining the compressive strength performance as much as possible. For the surface shape and composition analysis of conductive FRCM, the fracture surface was observed through SEM-EDS. These results are considered to be very useful in establishing the microstructure mechanism of reinforcing fibers in cement mortars.

키워드

탄소섬유, 강섬유, 비저항, 침투 임계점, SEM/EDS(주사전자현미경/에너지 분산형 X-ray 분광분석기)

Key words

Carbon fiber, Steel fiber, Resistivity, Percolation threshold, SEM/EDS(scanning electron microscope/energy disperse X-ray spectrometer)

1. 서 론

현대 재료과학의 기술발달과 함께 시멘트 기반 모르타르는 다양한 사회적 기능을 만족시키기 위하여 새로운 기능을 부여한 많은 건설재료가 개발되었다. 그리고 오늘날 시장이 요구하는 다기능성 섬유보강 시멘트 모르타르(fiber-reinforced cement mortar, FRCM)의 개발을 위해 역학적 성능뿐만 아니라 전기적 특성에 대한 연구가 다양한 측면에서 수행되고 있다.^{(ACI Committee 544, 2018;} ^{Balli et al., 2020;} ^{Brandt, 2008)}. 일반적으로 전기가 통하지 못하게 되는 부도체의 전기적 특성을 갖고 있는 시멘트 모르타르에 전기전도성(이하, 전도성이라 함)을 부여하게 되면 FRCM의 응용분야를 다방면으로 확대할 수 있으며, 새로운 수요의 창출도 가능할 것으로 기대된다.

아울러, 전기저항 방법은 1980년대 후반부터 시멘트 모르타르의 특성 검토에 적용되기 시작하여, 전도성 시멘트 모르타르의 미세구조 분석 및 전기적 특성에 대해 다양하게 연구가 진행되고 있다^{(Lee and Lim, 2018;} ^{McCarter et al., 2000)}. 특히 높은 기계적 물성, 전도성, 내열성, 불연성 및 내부식성 등의 우수한 특성을 갖는 탄소섬유를 사용하여 전기적 특성을 부여하게 되면, 전기저항을 일정 수준으로 크게 낮추므로 자체감지(self-sensing) 및 자체 모니터링(self-monitoring), 교통 모니터링(traffic monitoring), 제빙(deicing), 철근의 부식방지(corrosion protection of rebar), 접지저항 저감재(electrical grounding) 및 전자파 차폐재료(electro magnetic shielding) 등과 같은 발전된 기술개발이 추진되고 있다^{(Chiarello and Zinno, 2005;} ^{Han et al., 2015;} ^{Yildirim et al., 2020)}.

국내의 경우 전도성 재료인 탄소섬유(carbon fiber, CF)와 강섬유(steel fiber, SF)가 함유된 탄소섬유 보강시멘트 모르타르(carbon fiber-reinforced cement mortar, CFRCM)와 강섬유 보강시멘트 모르타르(steel fiber-reinforced cement mortar, SFRCM)에 대한 많은 연구가 다수 진행되어 왔으며, 러시아, 북미 및 일본 등 일부 외국에서는 건설용 첨단 신소재(탄소)로 적극적인 기술개발을 함으로써 그 활용성을 제고시키고 있다. 하지만 여러 가지 전기저항 측정방법이 개발되어 시멘트 모르타르의 전기적 특성에 대한 연구는 활발하게 진행되고 있으나^{(Lim, 2018;} ^{Yoon, 2013)} 전기저항을 활용한 시멘트 모르타르의 기준이나 특성평가에 대해 아직 미비한 상황이다. 본 연구의 주요 목적은 전도성 섬유가 함유된 시멘트 모르타르의 미세구조 및 전기적 특성에 미치는 영향을 조사하기 위함이다.

따라서 본 연구에서는 전도성 재료인 탄소섬유와 강섬유가 함유된 시멘트 모르타르의 미세구조 및 전기적 특성, 압축강도에 미치는 영향을 조사하기 위해 섬유혼입률을 달리하여 시편을 제작하고, 다양한 양생재령(3, 7, 14, 28, 56 및 90일)에서 전기저항과 압축강도를 측정하여 플레인 모르타르와 비교, 검토코자 하였다. 아울러, 전도성 FRCM 파단면의 미세구조를 관찰하기 위해 주사전자현미경(scanning electron microscope, SEM)과 에너지 분산 X선 분광기(energy-dispersive X-ray spectrometer, EDS)를 통해 분석을 수행하였다.

2. 시멘트 기반 모르타르의 전기적 특성 및 침투 임계점

2.1 시멘트 기반 모르타르의 전기적 특성

시멘트 기반 모르타르란 시멘트, 잔골재, 물 및 혼화재료 등을 일정한 배합비로 혼합하여 만드는 건설재료이며, 매우 높은 전기저항을 가지므로 전도성이 매우 낮다. 이러한 시멘트 모르타르에 전도성 재료를 혼입하면 전도성이 개선되어 전기저항의 감소가 발생한다. 이렇게 하여 제조된 시멘트 모르타르의 양단에 전극을 통해 전류를 흘러주게 되면 이른바 전기가 통하는 전도성 시멘트 모르타르가 가능하게 된다. Fig. 1은 각종 재료의 비저항 범위를 도체, 반도체 및 부도체(절연체)로 구분하여 비저항 특성을 나타낸 것이다. 전기적 부도체인 시멘트 기반 모르타르는 약 10 $^{6∼10}$ Ω·m 범위의 비저항 특성을 나타내는 반면, 전기적 도체인 금속재료나 게르마늄, 실리콘과 같은 반도체의 경우 1.59×10 $^{-8}$ ∼2.5×10 $^{2}$ Ω·m 범위의 비저항 특성을 갖고 있다. 하지만 탄소계의 섬유는 10 $^{-1}$ ∼10 $^{-2}$ Ω·m 범위의 비저항 특성을 가진다고 알려져 있다^{(Kang, 1998;} ^{Chung, 2004)}. 따라서 여러 가지 재료의 비저항을 비교하였을 때, 전도성 재료인 탄소섬유를 혼입하여 제조할 경우 기본적으로 부도체인 시멘트 기반 모르타르의 비저항을 10 $^{1}$ Ω·m 수준으로 크게 낮추어 전도성을 갖는 시멘트 기반 모르타르의 변환이 가능하다.

Fig. 1 Typical resistivity range for various materials

2.2 시멘트 기반 모르타르의 전기저항 측정

일반적으로 시멘트 기반 모르타르의 전기저항 측정방법은 2-probe(two probe method)와 4-probe(four probe method) 방법이 사용되고 있다. 비록 2-probe 방법의 회로가 더 간단 하지만 시편과 전극 사이의 접촉저항을 포함하지 않기 때문에 4-probe 방법이 선호되고 있다^{(Han et al., 2007;} ^{Kang et al., 2018;} ^{Lee et al., 2019)}. 2-probe 방법은 전류계와 전압계에 연결하는 전극(extrode) 2개로 구성되어 있으며, 전압을 측정하는 전류에도 전류가 흐른다. 4-probe 방법은 등 간격으로 일렬로 나열한 4개의 전극을 사용하며, 바깥쪽에 한쌍의 전극과 안쪽에 한쌍의 전극, 즉 두 쌍의 전극이 있다. 바깥쪽 한쌍의 전극을 통해 일정한 전류를 흘러주고 안쪽 한쌍의 전극에서 전류공급으로 인해 발생한 전압의 차이를 측정한다. Fig. 2는 시멘트 기반 모르타르에서 2-probe와 4-probe의 기본적인 전기저항 측정방법을 나타낸 것이다. Fig. 2에서 보는 것처럼 2-probe와 4-probe 방법을 활용하여 시멘트 기반 모르타르의 전기저항(R)은 전압(V)와 전류(I)를 측정하여 옴의 법칙을 이용하여 식 (1)에 의하여 결정된다.

(1)

$R=\dfrac{V}{I}=\rho\dfrac{L}{A}$

여기서, ρ는 고유비저항(Ω·㎝)이며, A는 전극이 접촉한 부분의 면적(㎠)이며, L은 전극과 전극 사이의 간격(㎝)이다.

Fig. 2 Sketch maps of 2-probe method and 4-probe method in cement composites

2.3 침투 임계점

침투(percolation) 이론은 시스템 내부의 임의의(random) 요소(element)들의 연결성(connectivity)을 분석하는 방법으로, 임의의 시스템 내부에 분포된 요소들이 서로 연결되어 내부를 통과할 수 있는 통로를 만들 수 있는 거대 연결요소가 형성되는 것을 의미한다. 시멘트 매트릭스 내에 전도성 섬유를 분산시킴으로써, 전도성 시멘트 복합체 형성하는 것이 가능하다. 섬유혼입률을“0%”에서 시작하여 점차 증가시켜 갈 때 일정 부피 분율 이상이 되면 섬유들끼리의 연결이 완전해져서 전자들이 섬유 사이의 부도체 영역을 Hopping 하면서 시멘트 매트릭스에 전도성이 생기게 된다. 이렇게 부도체가 도체로 바뀌는 것을 침투라하며, 침투가 시작되는 시점 또는 이 시점에서의 섬유의 상태량을 침투 임계점(percolation threshold)이라 한다^{(Xie, et al., 1996)}. 즉, 침투 임계점이란 근접한 전도성 내부 섬유들 끼리의 접촉으로 연속적인 전도성 경로가 확보된 상태의 혼입량을 말한다. 침투 임계점의 상태량 중 가장 중요한 것은 혼입섬유의 부피 분율 이다. Fig. 3은 침투 임계점을 나타낸 것이며, 섬유의 혼입량이 침투 임계점 이하인 경우에는 섬유의 분산성이 높을수록 전도성이 높아진다. 하지만 섬유의 혼입량이 침투 임계점 이상일 경우에는 이미 연속적인 전기 전도경로가 형성되어 분산의 정도에 관계 없이 높은 전도성을 나타낸다.

Fig. 3 Variation of the resistivity according to the fiber contents

3. 실험계획 및 방법

3.1 사용재료

3.1.1 시멘트

시멘트는 S사 제품의 보통 포틀랜드 시멘트(ordinary Portland cement, OPC)를 사용하였으며, 비중은 3.13이고 분말도는 3,860 ㎠/g 이다.

3.1.2 잔골재

잔골재는 균질한 시멘트 모르타르를 만들기 위해 강원도 강릉시 주문진읍 향호리산 표준사를 사용하였다. 표면건조포화상태 잔골재의 비중과 흡수율은 각각 2.65와 0.1%이었다. 잔골재의 물리적 특성은 Table 1과 같다.

Table 1 Physical properties of standard sand

Size (mm)	Unit weight (kg/㎥)	Density (g/㎤)	Percentage water absorption (%)	Fineness modulus (FM)
2 ≤	1,490	2.65	0.1	2.40

Size

(mm)

Unit weight

(kg/㎥)

Density

(g/㎤)

Percentage water absorption

(%)

Fineness modulus

(FM)

2 ≤

1,490

2.65

0.1

2.40

3.1.3 혼화제

혼화제는 국내 D사 제품의 폴리카르복실산계로써, 액상이고 비중이 1.04, pH 5.0±1.5인 연황색의 고성능 감수제(super plasticizer, SP)를 사용하였다. 혼화제의 물리적 특성은 Table 2와 같다.

Table 2 Physical properties of superplasticizer

Specific (g/㎤)	Type	Color	pH	Component	Brand
1.04	Liquid	Light original or light yellow	5.0 ± 1.5	Polycarbo-xylate	Flow mix 3000E

Specific (g/㎤)

Type

Color

Component

Brand

1.04

Liquid

Light original or light yellow

5.0 ± 1.5

Polycarbo-xylate

Flow

mix 3000E

3.1.4 탄소섬유와 강섬유

본 연구에서 사용한 탄소 단섬유는 일본 T사의 제품으로 길이 6 ㎜에 직경이 7 ㎛이고, 인장강도와 탄성계수는 각각 4,900 MPa와 230 GPa이다. 탄소함량이 92% 이상이고, 비저항이 1.6×10 $^{-3}$ Ω·㎝인 아크릴계나이트(polyacrylonnitrile, PAN)기반 탄소섬유를 사용하였다. 강섬유는 길이 30 ㎜에 직경이 0.5 ㎜이고, 인장강도는 1,100 MPa이다. 강섬유는 국내 K사의 제품으로 양단이 갈고리 형태인 양단 후크형을 사용하였고, 재료투입이 용이하도록 여러 가닥을 서로 부착하여 만든 번들 타입(bundle type) 을 사용하였다. 탄소섬유의 경우 강섬유에 비해 인장강도가 상당히 높고, 섬유길이는 짧지만 높은 형상비(aspect ratio, 𝑙f/df)를 갖고 있다. 본 연구에 사용된 전도성 재료인 탄소섬유와 강섬유의 특성은 Table 3과 같다. 아울러, Fig. 4는 SEM 이미지 분석을 통해 관찰한 전도성 탄소섬유와 강섬유의 표면형상을 나타낸 사진이다. Fig. 4(a)와 (b)는 탄소섬유의 표면형상을 각각 500배 및 10,000배의 배율로촬영한 SEM 사진을 나타낸 것이며, 탄소섬유의 직경이 약 7.05 ㎛로 표면이 상당히 부착이 상당히 매끄럽게 나타내, 시멘트 매트릭스와의 계면접착이 매우 불량한 표면조직임을 알 수 있다. 반면 Fig. 4(c)와 (d)는 강섬유의 표면형상을 각각 30배 및 150배의 배율로 촬영한 SEM 사진을 나타낸 것이며, 강섬유의 직경이 약 500.99 ㎛로 표면이 어느 정도 거칠어 시멘트 매트릭스에 계면접착이 유리한 표면조직을 형성하고 있다는 것을 알 수 있다.

Fig. 4 SEM observations of the conductive fibers

Table 3 Properties of CF and SF

Fibers	Average length, 𝑙(㎜)	Average diameters, d(㎜)	Aspect ratio (𝑙 $_{f}$ /d $_{f}$ )	Density (kg/㎥)	Tensile strength (MPa)	Elastic modulus (GPa)	Resistivity (Ω·㎝)
Carbon	6	0.007	857	1,800	4,900	230	1.6×10-3
Steel	30	0.5	60	7,850	1,100	> 210	-

Fibers

Average length, 𝑙(㎜)

Average diameters, d(㎜)

Aspect ratio (𝑙 $_{f}$ /d $_{f}$ )

Density

(kg/㎥)

Tensile strength (MPa)

Elastic modulus (GPa)

Resistivity

(Ω·㎝)

Carbon

0.007

857

1,800

4,900

230

1.6×10-3

Steel

0.5

7,850

1,100

> 210

3.2 배합설계 및 시편제작

시멘트 모르타르를 제조하기 위한 배합설계는 Table 4와 같다. 전도성 시멘트 모르타르의 전기저항에 미치는 영향을 검토하기 위해 섬유혼입률의 변화는 탄소섬유의 경우 부피비로 0.1, 0.2, 0.3, 0.4, 0.5 및 0.6%로 하였으며, 강섬유는 0.25, 0.5, 0.75, 1.0 및 1.25%로 총 11가지 수준으로 설정하였다. 재료 배합은 KS L 5109의 시험규정에 따라 약 4.73 L 용량의 소형 호바트(horbat)형 믹서기를 사용하였으며, 시멘트:표준사:배합수=1:2:0.45의 비율로 혼합하였다. 이때 굵은 골재는 사용하지 않았다. 탄소섬유의 분산성 및 워커빌리티를 유지하기 위해 혼화제의 첨가량은 시멘트 질량의 0.5%로 사용하였으며, 플레인 모르타르와 전도성 SFRCM의 경우 별도의 혼화제를 사용하지 않았다. Fig. 5는 전도성 시멘트 모르타르 시편의 제작과정을 나타낸 것이다. Fig. 5에서 보는 것처럼 먼저, 혼합기에 섬유와 표준사를 투입하여 저속으로 60초 동안 혼합한 후 완전한 섬유의 분산을 위해 건비빔으로 90초 동안 추가 혼합하였다. 두 번째로 시멘트 투입 및 배합수와 SP제를 혼합 용기 속에 천천히 첨가하고 중속으로 90초 동안 혼합하였다. 다시 혼합기를 고속으로 60초 동안 혼합하여 최종 모르타르 혼합물을 얻었다. 총 혼합 시간은 5분 정도 소요되었다. 마지막으로 시멘트 모르타르 혼합물을 금형 몰드에 부어 넣고, 균일한 모르타르를 만들기 위해 표층을 평평하게 고르고 난 후 몰드 옆면을 고무망치를 이용하여 약 25회 정도 타격하여 표면의 요철이 없이 평평하게 될 때까지 충분히 다졌다. 아울러, 시편 내부의 공극을 최소화하기 위해 실험실 진동 테이블을 사용하여 약 3분 동안 약하게 시편을 진동시켜 구리 매쉬와 시멘트 모르타르 사이의 균일한 접촉을 유지토록 진동 다짐을 실시하였다. 모든 시편은 성형 후 24시간 경과하여 몰드를 탈형하였다.

Fig. 5 Fabrication process of cement mortars

Table 4 Mix proportions of cement mortars

Mix ID	Fiber volume fractions, V $_{f}$ (%)		W/C	C/S	Unit content (kg/㎥)			SP (C×%)
Mix ID	CF	SF	W/C	C/S	Water	Cement	Sand	SP (C×%)
CF10	0.10	-	0.45	1:2	297	660	1,320	0.5
CF20	0.20	-
CF30	0.30	-
CF40	0.40	-
CF50	0.50	-
CF60	0.60	-
SF25	-	0.25	0.45	1:2	297	660	1,320	-
SF50	-	0.50
SF75	-	0.75
SF100	-	1.00
SF125	-	1.25
Plain mortar (PM)	-	-	0.45	1:2	297	660	1,320	-

* W/C = water to cement ratio, C/S = cement to fine aggregate ratio, and SP = superplasticizer.

Fig. 6은 전기저항을 측정하기 위해 시멘트 모르타르 시편에 매입된 구리매쉬 전극의 구성을 나타낸 것이다. Fig. 6에서 보는 것처럼 시멘트 모르타르는 40 × 40 × 160 mm $^{3}$ 크기의 각주형 시편에 등 간격으로 일렬로 나열한 4개의 구리 매쉬를 일직 선상으로 40 mm 간격으로 전극을 매입하였다. 그리고 구리와 시멘트 모르타르가 접하는 부분은 서로 다른 물질 사이의 불연속성을 최소화하기 위해 구리매쉬 전극을 사용하였다. 시멘트 모르타르를 타설한 모든 시편은 성형 후 24시간 경과하여 몰드를 탈형하였으며, 전기저항 측정 시 양생환경에 따른 전도성 영향을 최소화하기 위해 시험 직전까지 항온항습 조건(약 온도 23℃ 및 상대습도 60±5%)챔버에 보관하였다. 신뢰할 수 있는 전기저항 데이터를 획득하기 위해 모든 배합에서 변수별로 각 3개씩 시편을 제작하였다.

Fig. 6 Configuration of copper mesh electrodes

3.3 실험방법

3.3.1 시멘트 모르타르의 전기저항 측정

Fig. 7은 시멘트 모르타르 시편의 전기저항 측정 모습을 사진으로 나타낸 것이다. 모든 시편의 전기저항은 다양한 양생재령(3, 7, 14, 28. 56 및 90일)에서 측정되었다. 전기저항을 측정하기 위해 디지털 멀티미터(precision current source, Keithley 6220)는 2개의 바깥쪽 전극에 DC(I)를 공급하고, Keithley 2182A(nanovoltmeter)는 2개의 안쪽 전극은 전압(V) 측정에 사용되었다. 인가 전류는 ±100 fA에서 ±100 mA 범위까지 가능하고, 전기저항 값의 측정 범위는 10 nΩ에서 200 MΩ 범위까지 가능하다. 일반적으로 시멘트 모르타르의 전기저항 측정방법은 2-probe(two probe method)와 4-probe(four probe method) 방법이 사용되고 있다. 비록 2-probe 방법의 회로가 더 간단 하지만 시편과 전극 사이의 접촉저항을 포함하지 않기 때문에 4-probe 방법이 선호되고 있다. 본 연구에서의 전기저항은 4-probe 방법을 사용하여 측정하였다. 측정된 전기저항을 재료의 고유 특성으로 나타내기 위해서는 고유 비저항(resistivity) 또는 전기전도도(conductivity)로 변환이 필요하다. 따라서 시멘트 모르타르의 비저항(electrical resistivity, ρ)은 측정된 전기저항 및 주어진 길이와 단면적의 시편 형상에 따라 식 (2)을 이용하여 구하였으며, 이는 전기저항(R) 및 단면적(A)에는 비례하고, 길이(L)에는 반비례한다.

(2)

$\rho =R\dfrac{A}{L}=\dfrac{1}{\sigma}$

여기서, ρ는 고유 비저항(Ω·㎝)이며, A는 전극이 접촉한 부분의 면적(16㎠)이며, L은 전극과 전극 사이의 간격(4㎝)이며, R은 측정된 전기저항 값(Ω)이다. 측정된 전기저항은 물체의 고유한 값이며, 전기전도도(electrical conductivity)와 역수의 관계를 갖는다.

Fig. 7 The resistivity measurement of cement mortar specimen

3.3.2 SEM/EDS 관찰

본 연구에서는 전도성 FRCM 파단면의 표면형상을 관찰하기 위해 SEM 이미지 촬영을 계획하였으며, 동시에 사용하는 EDS에 의해 구성성분을 분석하였다. 분석 장비는 TESCAN 사의 MIRA3-LMH 고분해능 FE-SEM 모델명을 사용하였으며, 수화생성물의 성분분석을 위해 Bruker사의 EDS 디텍터로 추가 실시하였다. 강도 시험 후 경화된 시편을 분쇄하여 획득한 섬유를 건조하여 진공상태에서 백금으로 코팅한 후 SEM/EDS에 의해 이미지와 성분분석을 실시하였다.

3.3.3 압축강도 시험

압축강도 시험은 KSL ISO 679^{(KATS, 2016)}의 시험방법에 따라 각 변수별로 3개씩 몰드를 제작하여 양생재령 28일에서 압축강도를 측정하였다. 양생이 완료된 40×40×160 mm 크기의 각주형 시편은 100-kN 용량의 만능재료시험기(MTDI Co., Ltd, Korea, UT-100F)를 이용하여 하중제어 방식으로 압축강도를 측정하였으며, 재하속도는 2400 N/s의 조건에서 일정한 속도로 가력하였다.

4. 실험결과 및 고찰

4.1 전도성 시멘트 모르타르의 비저항 특성

4.1.1 양생재령에 따른 비저항 특성

Fig. 8은 각 시편의 양생재령에 따른 전도성 FRCM와 플레인 모르타르의 평균 비저항 변화를 나타낸 것이다. Fig. 8에서 보는 것처럼 모든 시편에서 양생재령이 경과됨에 따라 시멘트 모르타르 내에서 수화작용이 서서히 진행되고 미세구조 형성이 지속적으로 발전되면서 비저항이 점차 증가하는 경향을 나타내었으며, 이러한 연구결과는 선행 연구에서도 보고되었다^{(EL-Enein et al., 1995;} ^{Wang et al., 2017)}. 이는 시멘트 모르타르 내에 존재하는 자유수가 증발하고 수화작용이 진행됨에 따라 자유수가 감소하고 미세구조의 치밀화로 불연속이 되면서 전류의 흐름을 방해하기 때문이다. 일반적인 양상으로 자유수의 양이 낮을수록 시멘트 모르타르의 통전성이 작아져서 비저항이 증가하는 것으로 알려져 있다. 실제 초기 3일 양생재령에서 시멘트 모르타르의 경우 공극에 존재하는 자유수에 의해 전도성이 향상된다는 것을 알 수 있다.

Fig. 8 Resistivity change of the cement mortar with carbon fiber or steel fiber over curing age

4.1.2 섬유혼입률에 따른 비저항 특성

Fig. 9는 각 시편의 섬유혼입률에 따른 전도성 FRCM와 플레인 모르타르의 평균 비저항 변화를 나타낸 것이다. Fig. 9에서 보는 것처럼 다양한 재령에서 섬유혼입률이 증가함에 따라 시멘트 모르타르 내에서 섬유의 브리징(bridging)을 향상시켜 비저항이 점차 감소하는 경향을 나타내었으며, 이러한 연구결과는 선행 연구에서도 보고되었다^{(Wang et al., 2017)}. 이는 시멘트 모르타르 내에 혼입된 전도성 섬유가 비저항이 훨씬 더 감소하여 전류가 쉽게 흐를 수 있는 통로가 형성되어 전류의 흐름이 활발해지기 때문이다. 특히 탄소섬유는 강섬유에 비해 매우 작은 지름과 높은 형상비(aspect ratio 〉857)를 갖고 있어, 혼입 개체수가 많고 섬유혼입률이 증가할수록 섬유들 끼리의 연결성이 우수하여 전도성 CFRCM의 비저항이 감소되는 것을 확인하였다. 아울러, 더 많은 섬유를 혼입함으로써 밀접한 접촉으로 전도성 경로가 형성되여 비저항이 더욱 감소할 수 있게 된다는 것을 알 수 있다.

Fig. 9 Resistivity change of the cement mortar containing carbon fiber or steel fiber with different fiber volume fraction

4.1.3 전도성 FRCM의 적정 섬유함량 산정과 침투임계점

시멘트 기반 모르타르의 전기전도는 전자전도(electronic conduction) 및 이온전도(ionic conduction)의 두 가지 방식에 의해 일어난다. 전자전도는 섬유를 통한 자유전자 이동에 의해 전류가 흐르는 것이며, 이온전도는 미세구조 내 자유수를 통한 이온의 이동에 의한 전기전도이다^{(Whittington, H. et al. 1981)}. Fig. 10은 세미-로그 그래프 기반으로 전도성 FRCM의 다양한 양생재령에서 섬유혼입률에 따른 비저항 변화를 나타낸 것이다. Fig. 10(a)에서 보는 것처럼 전도성 SFRCM의 경우 강섬유의 혼입률이 증가함에 따라 비저항은 모두 감소하였으나, 전반적으로 1.25%까지 강섬유를 추가하더라도 비저항을 크게 낮출 수 없다. 섬유들 사이의 효과적인 접촉이 이루어지지 않기 때문에 전도성 경로 형성이 부족함을 알 수 있다. 반면 Fig. 10(b)에서 보는 것처럼 전도성 CFRCM의 경우 낮은 함량에서도 전도성 경로 형성의 시작을 나타내, 전도성을 높일 수 있다. 탄소섬유가 함유된 전도성 CFRCM의 침투 전이영역은 0.1∼0.4% 사이에 존재하며, 침투 임계점인 0.4%를 초과하는 전도성 CFRCM의 경우 탄소섬유의 혼입률이 증가할수록 섬유들끼리의 연결성이 완전해져서 섬유 사이의 우수한 연결성과 섬유의 혼입 개체수 증가로 인해 비저항이 현저히 감소되는 것을 확인할 수 있다. 그러나 침투 임계점을 초과하는 0.5∼0.6%에서는 전도성 경로가 이미 형성되어 있기 때문에 눈에 띄는 전도성 변화를 일으키지 못했다. 침투 임계점 이후에서 비저항이 감소하는 이유는 다량의 섬유 혼입으로 인한 공극의 발생과 섬유의 뭉침현상으로 인한 자유수의 양을 증가시킨 결과라 판단된다. 본 연구에 사용된 전도성 CFRCM에 대한 감지된 침투 임계점은 비저항을 낮추데 있어 0.4%가 최적의 탄소섬유 혼입량을 나타났다. 침투 이론은 FRCM의 배합설계 시 섬유혼입 부피비에 의한 침투 임계점을 고려한 최적의 섬유혼입량을 결정하는데 매우 효과적이라고 판단된다.

Fig. 10 Variation of resistivity by fiber content in SFRCM and CFRCM

4.1.4 전도성 FRCM의 섬유분포 관찰

침투 이론에 따르면 섬유가 일정 부피분율로 시멘트 모르타르 내에 혼입되면 전기적 클러스터(cluster)가 형성되고, 비저항이 급격히 감소한다. 침투 임계점 이상의 섬유를 혼입하면 시멘트 모르타르 내에서 섬유의 터널링 효과(tunnelling effect)를 발생시켜 전기가 통과하도록 통로를 형성할 수 있다. 이렇게 연결된 섬유들을 클러스터라 하며, 한 클러스터 내에는 한 개 이상의 섬유들이 포함될 때 전도성을 갖게 된다. 본 연구에서는 전도성 CFRCM 내부 섬유들의 침투 임계점을 알아보기 위해 연결된 부분이 통과하는 통로를 형성하는지를 확인하였다. Fig. 11은 SEM 이미지를 통해 관찰한 FRCM의 섬유분포 상태를 비교하여 나타낸 사진이다. Fig. 11(a)에서 보는 것처럼 탄소섬유가 침투 임계점 이하인 0.1%가 함유된 전도성 CFRCM의 경우 섬유들 사이의 거리가 멀리 떨어져 있으며, 전도성 경로 형성이 매우 부족함을 알 수 있다. 반면, Fig. 11(b)의 경우 0.3%가 함유된 전도성 CFRCM에서 섬유들 사이의 거리가 더 가깝게 있으며, 섬유들이 서로 접촉하기 시작하여 전도성 경로를 형성하고 있는 것을 확인하였다. 낮은 함량의 탄소섬유가 전도성 CFRCM 내에 분산되어 있지만 대부분 탄소섬유가 접속된 상태로 존재하고 있음을 잘 보여주고 있다. Fig. 11(c)는 침투 임계점인 0.4%가 함유된 전도성 CFRCM에서 탄소섬유는 십자형 교차나 클러스터를 형성하기 위해 겹쳐져 섬유들이 내부를 통과하는 연결된 통로를 형성되어 있는 것을 알 수 있으며, 매우 민감한 터널링 효과에 의해 지배되었다. 하지만, Fig. 11(d)는 탄소섬유의 혼입률이 0.6%까지 증가하면 섬유가 너무 많이 겹치고, 교차 연결된 클러스터가 생성되어 탄소섬유의 함량이 침투 임계점이 초과하여 전도성 CFRCM의 전도성 네트워크의 형성을 보여준다. 이 경우 터널링 효과에 여전히 중요하지만 섬유의 접촉면적 변화에도 전기전도도에 중요한 역할을 한다. 다량의 탄소섬유 혼입으로 인해 서로 매우 근접하여 섬유의 혼잡이 발생하였다. 아울러, Fig. 11(e)와 (f)에서 보는 것처럼 강섬유가 0.25%와 1.25%가 함유된 전도성 SFRCM의 경우 섬유들 사이의 거리가 멀리 떨어져 있으며, 전도성 경로 형성이 매우 부족함을 알 수 있다.

Fig. 11 SEM images with different fiber volume fractions. (a) V $_{f}$ =0.1% (b) V $_{f}$ =0.3% (c) V $_{f}$ =0.4% (d) V $_{f}$ =0.6% (e) V $_{f}$ =0.25% and (f) V $_{f}$ =1.25%

4.2 SEM/EDS 분석

Fig. 12과 Table 5에서도 전도성 CFRCM와 SFRCM의 파단면에서 채취한 탄소섬유와 강섬유의 SEM 이미지와 EDS 분석결과를 나타낸 것이다. 수화생성물의 성분분석을 위해 SEM에 부착되어 있는 EDS를 통해 섬유표면의 구성성분량(C, O, Ca, Fe 등)을 측정하였다. 측정방법으로 구성원소의 양을 정확히 확인하기 위해 섬유 마다 동일하게 거리를 두고 임의 위치에서 2점 면적의 평균값을 구하는 방식으로 원소의 양을 측정하였다. Fig. 12(a)에서 보는 것처럼 EDS 스펙트럼에 의한 원소분석 결과, 탄소섬유가 함유된 전도성 CFRCM의 경우 빨간색 위치 (1)에 표시된 성분은 각각 탄소(C) 86.65%, 산소(O) 12.83%와 소량의 칼슘(Ca) 0.52%가 검출되었다. 아울러, 빨간색 위치 (2)에 표시된 성분은 탄소(C) 90.57%, 산소(O) 8.61%와 소량의 칼슘(Ca) 0.82%를 함유하고 있는 것으로 분석되었다. 하지만 Fig. 12(b)에서 보는 것처럼 강섬유가 함유된 전도성 SFRCM에서 파란색 위치 (1)에 표시된 성분은 철(Fe) 64.77%, 탄소(C) 12.47%, 산소(O) 10.32%, 칼슘(Ca) 10.3%와 소량의 규소(Si) 1.63%, 알루미늄(AI) 0.51%가 검출되었다. 아울러, 파란색 위치 (2)에 표시된 성분은 철(Fe) 75.26%, 탄소(C) 18.26%, 산소(O) 5.74%와 소량의 칼슘(Ca) 0.74%를 함유하고 있는 것으로 분석되었다. 따라서 전도성 CFRCM에서 탄소섬유는 다수의 탄소(C)와 소량의 칼슘(Ca)이 존재하는 것을 보여 주고 있는 반면, 전도성 SFRCM에서 강섬유는 수화생성물을 확인할 수 있었는데, 칼슘(Ca)뿐만 아니라 소량의 규소(Si)와 알루미늄(Al)이 검출되어 수화작용이 활발하게 진행하고 있는 것을 알 수 있다.

Fig. 12 EDS analysis results of the CF and SF captured at the fracture surface in CFRCM and SFRCM

Table 5 EDS analysis results of cement mortars

	Spectrum-1	Spectrum-2	Spectrum-3	Spectrum-4
Element	wt.%	wt.%	wt.%	wt.%
C	86.65	90.57	12.47	18.26
O	12.83	8.61	10.32	5.74
Ca	0.52	0.82	10.30	0.74
Si	-	-	1.63	-
Al	-	-	0.51	-
Fe	-	-	64.77	75.26
Total	100.00	100.00	100.00	100.00

4.3 전도성 시멘트 모르타르의 압축강도 발현성능 평가

시멘트 모르타르의 압축강도는 재료적 특성을 파악하는데 있어서 가장 기본적인 변수로 강도를 측정하는 요소이다. Table 4의 배합에서와 같이 동일한 배합조건에서 전도성 시멘트 모르타르의 압축강도를 측정하기 위해 섬유혼입률은 부비피로 0.25, 0.5, 0.75, 1.0 및 1.25%까지 0.25%씩 변화를 주어 시편을 제작하였으며, Fig. 13은 양생재령 28일에서 섬유혼입률에 따른 전도성 FRCM와 플레인 모르타르의 압축강도 측정결과를 비교하여 나타낸 것이다. 모든 시편에서 전도성 CFRCM와 SFRCM의 섬유혼입률이 증가할수록 압축강도가 모두 점차 감소하는 경향을 보였다. Fig. 13에서 보는 것처럼 플레인 모르타르의 평균 압축강도는 45.9MPa로 측정되었으며, 전도성 SFRCM의 경우 플레인 모르타르에 비해 거의 유사하거나 약간 높게 나타내, 동등한 압축강도 성능을 발현하는 것으로 나타났다. 하지만 0.25%와 0.5%가 함유된 전도성 CFRCM의 경우 플레인 모르타르에 비해 압축강도가 각각 0.8MPa와 3.0 MPa 정도 감소하는 것으로 나타났으며, 0.75%와 1.0%가 함유된 전도성 CFRCM는 각각 4.8MPa와 8.7MPa 정도 감소하는 것으로 나타났다. 특히, 1.25%가 함유된 전도성 CFRCM는 20.1 MPa 정도 감소하는 것으로 나타났다. 따라서 0.25, 0.5, 0.75 및 1.0%가 함유된 전도성 CFRCM의 압축강도는 플레인 모르타르에 대비해 비율은 각각 약 1.7, 6.5, 10.4 및 18.9%로 강도가 저하되었으며, 1.25%가 함유된 전도성 CFRCM는 약 43.8 %로 현저히 저하되었다. 1.25%가 함유된 전도성 CFRCM는 시멘트 모르타르 내에서의 섬유가 균일하게 분산시키기가 어렵고 섬유끼리 엉키는 뭉침현상이 발생하며, 충분히 분산되지 아니하고 공극증가로 인해 오히려 압축강도가 현저히 낮게 나타났다. 이는 탄소섬유는 섬유표면의 비친수성 물질로 인해 경화 후의 시멘트 모르타르 내에서 섬유와 매트릭스 사이의 계면결합력이 약하기 때문에 압축강도가 저하된 것으로 판단된다. 이러한 연구결과는 선행의 연구에서도 보고되었다^{(Dehghani and Aslani, 2020;} ^{Heo et al., 2020)}. 특히 1.25%가 함유된 전도성 CFRCM의 경우 압축강도가 급격하게 감소하는 것으로 나타내, 압축강도 확보를 위한 대책이 요구된다.

Fig. 13 The effect of fiber content on the compressive strength of conductive CFRCM and SFRCM versus PM specimens.

Fig. 14 Morphology of the fracture surface of the CFRCM specimens

아울러, Fig. 14는 SEM 이미지 분석을 통해 CF가 함유된 전도성 CFRCM에 대한 섬유의 분산성에 미치는 영향을 나타낸 것이다. Fig. 14(a)에서 보는 것처럼 탄소섬유의 균질한 분산으로 양호한 상태를 보인 반면, Fig. 14(b)는 탄소섬유의 불균질한 분산으로 인해 실타래처럼 응집되고, 섬유다발로 형성하고 있다. 이 부위에서 수화생성물이 존재하지 아니하고, 매트릭스 조직 내 공극으로 존재하는 것으로 판단되며, 일종의 공극 형태가 취약부로 이어져 압축강도 저하로 발생한 것으로 사료된다. 따라서 전도성 CFRCM 내에서 탄소섬유의 균질한 분산성 확보가 압축강도 특성에 중요한 영향을 미친 것으로 예상된다.

5. 결 론

본 연구에서는 전도성 재료인 탄소섬유와 강섬유가 함유된 시멘트 모르타르의 미세구조 및 전기적 특성, 압축강도에 미치는 영향을 플레인 모르타르와 비교, 검토하였다. 그 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.

1. 모든 시편에서 양생재령이 경과됨에 따라 시멘트 모르타르의 비저항이 점차 증가하는 경향을 보였다. 이는 시멘트 모르타르 내에서 자유수가 증발하고 수화작용이 진행됨에 따라 자유수를 감소시킨 것에 기인한 결과라고 판단된다. 이러한 현상은 양생재령이 경과되면서 지속적이며 비저항의 변화가 다양하게 발생하는 것을 확인하였다.

2. 전도성 CFRCM과 SFRCM의 비저항이 확연히 서로 상이함을 확인하였으며, 0.4% 이상 함유된 탄소섬유의 경우 섬유들끼리의 연결이 완전해져서 비저항이 현저히 감소하였다. 본 실험에 사용된 전도성 CFRCM에서 감지된 침투 전이영역은 0.1∼0.4% 정도로 판단되며, 0.5∼0.6%에서는 전도성 경로가 이미 형성되어 완만한 증가로 그 증가율은 둔화되었다.

3. SEM/EDS 관찰을 통해 CF가 함유된 전도성 CFRCM에서 탄소섬유의 불균질한 분산으로 섬유 덩어리나 섬유뭉침이 형성됨을 확인하였다. 이러한 부위에서 수화생성물이 존재하지 아니하고, 일종의 공극 형태인 취약부로 이어져 압축강도 저하가 발생한 것으로 판단된다. 하지만 SF가 함유된 전도성 SFRCM의 경우 섬유표면 주변으로 시멘트의 수화생성물 결정형성으로 치밀한 시멘트 모르타르 미세구조의 조직을 갖게 되며, 이로 인한 압축강도 증진의 효과가 발생한 것을 알 수 있었다.

4. 전도성 SFRCM의 경우 섬유혼입률에 상관없이 플레인 모르타르에 비해 거의 유사하거나 동등 이상의 압축강도를 발현한 반면, 전도성 CFRCM의 압축강도는 섬유혼입률이 증가할수록 상당히 저조한 강도발현을 나타났다.

위의 실험결과로부터, 시멘트 모르타르의 전기저항 측정결과 값들은 시편 내부에 포함된 공극과 자유수 존재로 전도성 FRCM의 분산정도의 영향을 받아 전기저항 값의 편차가 크게 발생할 수 있으므로 이에 대한 세밀한 검토가 요구된다.

감사의 글

이 논문은 2018년도 정부(교육부)의 재원으로 한국연구재단의 지원을 받아 수행된 기초연구사업입니다 (Grant No. NRF-2018R1A6A1A03025542).

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탄소섬유

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강섬유

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비저항

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침투 임계점

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SEM/EDS(주사전자현미경/에너지 분산형 X-ray 분광분석기)

Key words :

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Carbon fiber

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Steel fiber

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Resistivity

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Percolation threshold

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SEM/EDS(scanning electron microscope/energy disperse X-ray spectrometer)

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Study on Microstructure and Electrical Properties of Cement Mortar Containing Conductive Fibers

초록

Abstract

키워드

Key words

1. 서 론

2. 시멘트 기반 모르타르의 전기적 특성 및 침투 임계점

2.1 시멘트 기반 모르타르의 전기적 특성

Fig. 1 Typical resistivity range for various materials

2.2 시멘트 기반 모르타르의 전기저항 측정

(1)

Fig. 2 Sketch maps of 2-probe method and 4-probe method in cement composites

2.3 침투 임계점

Fig. 3 Variation of the resistivity according to the fiber contents

3. 실험계획 및 방법

3.1 사용재료

3.1.1 시멘트

3.1.2 잔골재

Table 1 Physical properties of standard sand

3.1.3 혼화제

Table 2 Physical properties of superplasticizer

3.1.4 탄소섬유와 강섬유

Fig. 4 SEM observations of the conductive fibers

Table 3 Properties of CF and SF

3.2 배합설계 및 시편제작

Fig. 5 Fabrication process of cement mortars

Table 4 Mix proportions of cement mortars

Fig. 6 Configuration of copper mesh electrodes

3.3 실험방법

3.3.1 시멘트 모르타르의 전기저항 측정

(2)

Fig. 7 The resistivity measurement of cement mortar specimen

3.3.2 SEM/EDS 관찰

3.3.3 압축강도 시험

4. 실험결과 및 고찰

4.1 전도성 시멘트 모르타르의 비저항 특성

4.1.1 양생재령에 따른 비저항 특성

Fig. 8 Resistivity change of the cement mortar with carbon fiber or steel fiber over curing age

4.1.2 섬유혼입률에 따른 비저항 특성

Fig. 9 Resistivity change of the cement mortar containing carbon fiber or steel fiber with different fiber volume fraction

4.1.3 전도성 FRCM의 적정 섬유함량 산정과 침투임계점

Fig. 10 Variation of resistivity by fiber content in SFRCM and CFRCM

4.1.4 전도성 FRCM의 섬유분포 관찰

Fig. 11 SEM images with different fiber volume fractions. (a) Vf_{f}=0.1% (b) Vf_{f}=0.3% (c) Vf_{f}=0.4% (d) Vf_{f}=0.6% (e) Vf_{f}=0.25% and (f) Vf_{f}=1.25%

4.2 SEM/EDS 분석

Fig. 12 EDS analysis results of the CF and SF captured at the fracture surface in CFRCM and SFRCM

Table 5 EDS analysis results of cement mortars

4.3 전도성 시멘트 모르타르의 압축강도 발현성능 평가

Fig. 13 The effect of fiber content on the compressive strength of conductive CFRCM and SFRCM versus PM specimens.

Fig. 14 Morphology of the fracture surface of the CFRCM specimens

5. 결 론

감사의 글

References

Article Information (continued)

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Key words

JKSMIJournal of the Korea Institute for
Structural Maintenance and Inspection

Fig. 11 SEM images with different fiber volume fractions. (a) V $_{f}$ =0.1% (b) V $_{f}$ =0.3% (c) V $_{f}$ =0.4% (d) V $_{f}$ =0.6% (e) V $_{f}$ =0.25% and (f) V $_{f}$ =1.25%