1. 서 론

최근, 국지성 폭설 등 이상기후로 겨울철 기온이 영하로 급격히 떨어지면서 도로의 결빙이나 블랙아이스(black ice)로 인한 포장도로 시설물에 막대한 피해가 발생할 수 있다. 따라서, 겨울철 포장도로에서의 교통사고 및 인명피해는 심각한 이슈로 이를 해결하기 위한 다양한 접근방식이 모색되고 있다. 따라서 기존의 일반 모르타르에 전도성 재료를 혼입한 전도성 모르타르의 전기적·열적 성능 향상에 관한 기술개발이 활발히 진행되고 있다^{(Wu et al., 2015; Oh et al., 2017)}.

도로교통공단에서 최근 5년(2018~2022년)간 교통사고 현황을 분석한 결과, 결빙 교통사고의 76%가 12월∼1월에 집중되었으며, 결빙 도로의 교통사고는 결빙이 아닌 도로에 비해치사율이 약 1.5배 높은 것으로 나타났다. 결빙 교통사고는 4,609건으로 107명이 사망하고 7,728명의 부상자가 발생했으며, 치사율(교통사고 100건당 사망자 수)은 2.3으로 집계되었다^{(KoROAD, 2023)}. 따라서 사망자 수 및 치사율 측면에서 결빙 도로 교통사고에 대한 대책 마련이 요구된다.

탄소나노튜브(carbon nanotubes, CNT)는 1991년 일본의 Iijima 박사에 의해 발견되었으며, 신소재 분야 중 하나이다^{(Iijima, 1991)}. 역학적 성능뿐만 아니라 전기전도성(이하, 전도성) 및 열전도성이 뛰어난 신소재이다. CNT는 탄소 원자가 육각 벌집 구조 형태로 한 겹 또는 여러 겹으로 되어 있는 것으로서, 한 겹으로 되어 있는 CNT를 단일벽 탄소나노튜브(single- walled carbon nanotube, SWCNT), 두 겹으로 되어 있는 CNT를 이중벽 탄소나노튜브(double-walled carbon nanotube, DWCNT), 여러 겹으로 되어 있는 CNT를 다중벽 탄소나노튜브(multi-walled carbon nanotube, MWCNT)로 구분된다^{(Das and Mirta, 2014)}. MWCNT는 구리 대비 전기전도도는 100배, 열전도율은 7.5배 이상 높은 것으로 보고되었다^{(Siddique and Methta, 2014)}. MWCNT는 전기ㆍ전자 재료, 환경ㆍ에너지 및 화학 분야 등 다양한 산업 분야에서 이미 활발히 활용되고 있으나, 건설산업 분야에서의 활용은 아직 부족한 실정이다. MWCNT는 모르타르에 혼입할 경우 다른 전도성 재료에 비해 소량으로도 전기적·열적 성능을 향상시킬 수 있을 것으로 기대된다. 한편, 시멘트 보강재인 마이크로 강섬유(micro steel fiber)는 시멘트 매트릭스 내에 불규칙하게 분산시켜 모르타르의 역학적 성능을 개선시키기 위해 주로 사용된다. 높은 탄성계수와 인장강도를 갖는 강섬유 보강 모르타르는 휨성능, 인장강도 및 내충격성 등을 현저히 향상시킬수 있으며 균열에 대한 저항성이 우수하다고 보고되었다^{(Wang et al., 2021; Heo et al., 2021)}.

아울러, 발열 건설 재료로써 현장에 적용하기 위해서는 전기적·열적 성능 향상뿐만 아니라 휨강도 또한 일정 수준을 동시에 만족하여야 한다. 국내의 ^{도로공사 표준시방서(2016)}에서 명시된 “포장용 시멘트 콘크리트의 설계기준 휨강도는 4.5 MPa 이상이어야 한다”라고 규정하고 있다. 그러나 국내에는 모르타르의 휨강도에 대한 별도의 정해진 기준이 없으며, 상기 수준을 설계기준 휨강도로 설정하여 전도성 모르타르의 휨강도 특성을 비교, 분석하였다. 따라서 본 연구의 주요 목적은 기존의 일반 모르타르에 전도성 재료인 마이크로 강섬유와 MWCNT를 혼입한 발열성능과 휨강도를 동시에 향상시키는 것이다.

본 연구에서는 전도성 모르타르의 발열성능을 분석하기 위해 MWCNT의 혼입 농도 및 마이크로 강섬유 혼입 유무를 매개변수로 선정하여 수행하였다. 동시에 시편 표면의 발열 온도분포는 적외선 열화상 카메라(infrared thermal camera, T630sc, FLIR, USA)를 이용하여 측정하였다. 아울러, 재령 28일에서 휨강도를 측정하여 일반 모르타르와도 비교, 분석하였다. 더 나아가, 마이크로 강섬유와 MWCNT를 혼입한 전도성 모르타르 파단면의 표면 형상과 미세구조는 전계방사 주사전자현미경(field emission scanning electron microscope, FE-SEM)을 통해 이미지 분석을 수행하였다. 따라서 본 연구의 결과는 포장 결빙 구간의 제설/제빙을 위한 발열포장시스템 구축 기술개발에 필요한 기초 정보를 제공하고자 한다.

2. 재료 및 실험방법

2.2 재료

2.2.1 시멘트

본 실험에 사용한 시멘트는 S사 제품의 보통포틀랜드시멘트를 사용하였으며, 비중은 3.13이고 분말도는 3,860 ㎠/g이다.

2.2.2 잔골재

잔골재는 균질한 모르타르를 만들기 위해 강원도 강릉시 주문진읍에서 생산된 주문진산 표준사를 사용하였다. 표면건조포화상태 잔골재의 비중과 흡수율은 각각 2.65과 0.8%이다.

2.2.3 마이크로 강섬유와 MWCNT

본 연구에 사용된 마이크로 강섬유의 특성은 Table 1과 같다. Fig. 1은 본 연구에 사용된 마이크로 강섬유의 형상 모습이며, Fig. 2는 마이크로 강섬유의 형상을 100배의 배율로 촬영한 FE-SEM 사진을 나타낸 것이다. MWCNT는 일반적으로 물에 용해되지 않으며 나노 크기의 입자 때문에 입자 사이의 인력이 매우 높기 때문에 용해 과정에서 MWCNT 입자가 물과 혼입하게 되면 반데르발스(van der walls) 힘에 의한 응집이 발생한다. 따라서 수용액 형태의 혼입은 반데르발스 힘에 의한 응집을 방지하기 때문에 시멘트 매트릭스 내에서 분산성을 확보하는데 유리한 것으로 보고되었다^{(Musso et al., 2009; Sobolkina et al, 2012)}. 따라서 본 연구에 사용된 MWCNT는 전도성 향상과 발열 특성을 위해 분말을 수용액에서 분산시킨 액상형 MWCNT로 국내 대전광역시 소재 전문업체인 U 사에서 제조된 분산액을 구입하여 사용하였으며, 배합수량 대비 3wt% 비율로 혼합되었다. 투입된 분말형 MWCNT의 특성은 Table 2와 같으며, 평균 직경은 약 7∼12 ㎚이고, 길이는 100∼200 ㎛이다. Fig. 3은 투입된 분말형 MWCNT의 형상 모습이며, Fig. 4는 분말형 MWCNT의 형상을 100,000배율로 촬영한 FE-SEM 사진을 나타낸 사진이다.

Table 1 Specifications of micro steel fibers used in this study

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

Table 2 Specifications of multi-welled carbon nanotube (MWCNT) used in this study

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

Fig. 1 Appearance of micro steel fiber used in this study

Fig. 2 FE-SEM images of micro steel fibers (×100)

Fig. 3 Appearance of MWCNT powder put in this study

Fig. 4 FE-SEM images of MWCNT powder (×100,000)

2.3 배합 및 시편 준비

2.3.1 배합

전도성 모르타르의 배합설계 및 시편 명칭은 Table 3과 같다. 물-시멘트비(W/C)는 0.40로 선정하였으며, 전도성 모르타르 혼합물의 배합은 시멘트:표준사:배합수=1:2:0.4의 비율로 하였다. 본 연구에서는 마이크로 강섬유의 경우 혼입량이 증가하면 섬유뭉침 현상(fiber balls)에 의한 일부 공극의 증대로 인해 강도의 저하를 발생하기 때문에 각 배합 별로 부피 대비 2.0vol%만 혼입하였다. MWCNT에서도 많은 양이 혼입될수록 응집되어 비효율적이므로 MWCNT의 혼입 농도는 시멘트 중량 대비 0.0wt%, 0.5wt% 및 1.0wt%를 각각 혼입하였다.

Table 3 Mix proportions and specimens designation of mortars

Specimens designation	Micro steel fiber content (vol%)	MWCNT solution (wt%)	W/C	C/S ratio	Unit weight (kg/㎥)
					W	C	S
PM	-	-	0.4	1:2	264	660	1,320
SF2.0	2.0	-
MWCNT0.5	-	0.5
MWCNT1.0	-	1.0
SF2.0+MWCNT0.5	2.0	0.5
SF2.0+MWCNT1.0	2.0	1.0

* vol% : fiber volume ratio, wt% : cement weight ratio(3wt% concentration), W/C : water to cement ratio, C/S : cement to fine aggregate ratio,

W : water, C : cement, S : fine aggregate

2.3.2 시편 준비

Fig. 5는 전도성 모르타르의 시편 제작 과정을 나타낸 것이다. 전도성 모르타르의 혼합은 먼저 시멘트와 잔골재를 투입하고, 저속으로 30초 동안 실시하였다. 마이크로 강섬유의 분산성을 확보하기 위해 섬유를 투입하여 건비빔으로 90초 동안 추가 혼합하였다. 이후 배합수 및 MWCNT 분산액을 첨가하고 즉시 90초 동안 혼합하였다. 30초간 정지 후 붙은 모르타르를 제거하고 마지막으로 다시 믹서기를 작동시켜 고속으로 150초 동안 혼합하였다. 총 혼합 시간은 5분 정도 소요되었다. 수돗물의 불순물로 인한 화학적ㆍ물리적 반응을 방지하기 위해 MWCNT의 배합수로 증류수를 사용하였다. 시편 내부의 공극을 최소화하기 위해 실험실 진동 테이블을 사용하여 약 3분 동안 약하게 시편을 진동시켜 구리 매쉬와 모르타르 사이의 균일한 접촉을 유지토록 진동 다짐을 실시하였다. 아울러, 휨강도 시험을 위해 몰드 제작 후 수분 증발을 방지하기 위하여 비닐 시트로 덮고 24시간 후 몰드를 탈형하여 20±2 ℃의 온도로 유지되는 수조에서 재령 28일 동안 수중양생을 실시하였다. 한편 Fig. 6은 발열성능을 측정하기 위해 모르타르 시편에 구리 매쉬 전극의 구성 및 설치 개략도를 나타낸 것이다.

Fig. 5 Specimens fabrication process

Fig. 6 Configuration of copper mesh electrodes (unit: ㎜)

2.4 실험방법

2.4.1 발열성능 실험

Fig. 7은 각 시편의 발열성능을 측정하기 위한 실험 Set-up이다. 전도성 모르타르의 발열성능 실험의 규격은 국내외에서 별도로 규정되어 있지 않다. 발열성능 실험은 시편의 양쪽 전극 끝에 클램프(clump)를 연결하고, 전원공급장치(DC power supply, AK 3005)를 이용하여 다양한 인가전압(DC 10V, 30V 및 60V)을 매개변수로 1시간(3,600초) 동안 1초 간격으로 동일한 전압을 공급하였다. 동시에 적외선 열화상 카메라(infrared thermal camera, T630sc, FLIR, USA)를 이용하여 시편 표면의 온도변화 및 열의 분포 양샹을 확인하였다. 한편, 모르타르 시편에 수분의 영향을 최소화하기 위해 상온에서 기건양생을 실시하였다. 아울러, 시편과 실험실 주변과의 온도 차이에 의한 열 손실을 방지하기 위해 실험실의 온도는 약 20±0.5℃로 일정하게 유지하고, 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 단락 방지 등 안전 확보를 위해 모든 시편을 절연고무판 위에 놓고 일정 전압을 공급하였다. Fig. 8은 각 시편의 전압공급방식에 따른 모식도를 나타낸 것이다.

Fig. 7 Set-up of the specimens surface temperature measurement equipment

Fig. 8 Schematic diagram according to the voltage supply method for each experimental variable

2.4.2 휨강도 시험

휨강도 시험은 ^{KS L ISO 679(2016)}의 시험방법에 따라 몰드를 제작하여 재령 28일에서 실시하였다. 양생이 완료된 40 × 40 × 160 ㎣ 크기의 각주형 시편은 100 kN 용량의 만능재료시험기(MTDI Co., Ltd, Korea, UT-100F)를 이용하여 휨강도를 측정하였다. 휨강도 시험은 3점 재하를 기반으로 실시하였으며, 시편의 재하 속도는 50 N/s의 일정한 속도로 가력하였다. 휨강도 시험결과는 3개 시편의 평균값을 사용하였다.

2.4.3 FE-SEM 촬영

본 연구에서는 시멘트 매트릭스 내에서 마이크로 강섬유와 MWCNT의 분포, 표면 형상과 미세구조를 관찰하기 위해 FE-SEM 이미지를 촬영하였으며, 분석 장비는 TESCAN사의 MIRA LMH 고분해능 FE-SEM 모델명을 사용하였다. 발열성능 실험 후 경화된 시편을 분쇄하여 획득한 시료를 진공상태에서 백금으로 코팅한 후 1시간 정도 건조하여 FE-SEM을 이용하여 관찰하였다.

3. 실험결과 및 분석

3.1 발열성능 분석

3.1.1 최대 발열량 분석

Fig. 9는 다양한 인가전압(DC 10V, 30, 60V) 및 상이한 전극간격(40㎜, 120 ㎜)에 따른 각 시편의 최대 발열량을 비교하여 나타낸 것이다. Fig. 9(a)에서 볼 수 있듯이 인가전압이 60V이고 전극간격 40 ㎜인 경우 SF2.0 + MWCNT1.0 시편에서 발열량이 가장 높았고, 최대 123.1℃까지 급격히 증가하였다. 이는 모르타르에 혼입된 마이크로 강섬유와 MWCNT의 상호 연결로 MWCNT의 혼입 농도가 증가할수록 시멘트 수화 생성물 사이에 다수의 전도성 네트워크가 형성되어 발열량이 크게 향상된 것으로 분석된다. 아울러, Fig. 9(b)에서 볼 수 있듯이 동일한 조건에서 전극간격만 다른 120 ㎜인 경우도 SF2.0 + MWCNT1.0 시편의 최대 71.2℃이었다. 따라서 최대 발열량은 MWCNT의 혼입 농도와 인가전압이 증가하고, 전극간격이 좁을수록 더욱 증가하는 것으로 나타났다. 특히 마이크로 강섬유 2.0 vol%와 MWCNT의 혼입 농도가 1.0wt%를 혼입한 SF2.0 + MWCNT1.0 시편의 경우 복합체 내에서 전도성 네트워크가 다수 형성되어, MWCNT의 혼입 농도가 0.5wt%를 혼입한 SF2.0 + MWCNT0.5 시편에 비해 발열성능이 상당히 우수함을 알 수 있다. 인가전압이 60V이고 전극간격 40 ㎜와 120 ㎜인 SF2.0 + MWCNT1.0 시편의 온도증가량은 각각 최대 103.1℃와 51.2℃까지 상승하였으며, 얼음이 얼기 시작하는 외기온도인 4℃에 비해 각각 25.7배와 12.8배 온도가 높기 때문에 포장도로의 제설/제빙 효과가 있을 것으로 판단된다. 하지만, 다양한 인가전압 및 상이한 전극간격에 상관없이 PM 시편, SF2.0 시편, MWCNT0.5 시편 및 MWCNT2.0 시편의 경우 최대 발열량은 약 20∼22.7℃로 매우 낮은 수준의 발열성능을 보여 전도성이 개선되지 않아 발열 효과가 거의 없었다. 이는 발열성능 효과가 미미하여 겨울철 포장도로의 제설/제빙 효과가 불가능할 것으로 판단된다.

Fig. 9 Maximum heat-generation of each specimens according to applied voltage

3.1.2 시간에 따른 온도 증가 곡선

Fig. 10은 다양한 인가전압(DC 10V, 30V, 60V)에서 전극간격 40 ㎜인 경우 각 시편의 시간에 따른 온도 증가 곡선을 나타낸 것이다. 각 시편의 그래프를 통해 실험 시작 후 초기 기울기 및 온도증가량을 알아보기 위해 1초 간격을 두고 연속적으로 1시간 동안 확인하였다. Fig. 10(a)를 제외한 Fig. 10(b)와 (c)에서 각 시편의 온도가 증가하여 최대 점에 도달한 후 일정 값으로 수렴하는 경향을 볼 수 있다. Fig. 10(a)에서 볼 수 있듯이 인가전압 10V에서 PM 시편, SF2.0 시편, MWCNT0.5 시편, MWCNT1.0 시편 및 SF2.0 + MWCNT0.5 시편은 1시간 경과 후 온도증가량이 거의 없는 것으로 측정되었다. 가장 높은 1시간 경과 후 온도증가량은 SF2.0 + MWCNT1.0 시편에서 발생하였으며, 최대 27.5℃로 다소 높게 측정되었다. Fig. 10(b)에서도 인가전압 30V에서 PM 시편, SF2.0 시편, MWCNT0.5 시편, MWCNT1.0 시편 및 SF2.0 + MWCNT0.5 시편은 1시간 경과 후 온도증가량이 거의 없는 것으로 측정되었다. 가장 높은 1시간 경과 후 온도증가량은 SF2.0 + MWCNT1.0 시편에서 발생하였으며, 최대 59.2℃로 상당히 높게 측정되었다. 그러나 Fig. 10(c)에서 볼 수 있듯이 인가전압 30V에서 PM 시편, SF2.0 시편, MWCNT0.5 시편, MWCNT1.0 시편 및 SF2.0 + MWCNT0.5 시편의 경우 1시간 경과 후 온도증가량은 각각 1.5℃, 2.1℃, 2.2℃, 2.7℃ 및 4.4℃로 미미하게 상승되었다. 가장 높은 1시간 경과 후 온도증가량은 SF2.0 + MWCNT1.0 시편에서 발생하였으며, 최대 121.1℃로 가장 높게 측정되었다. 아울러, Fig. 11은 다양한 인가전압(DC 10V, 30V, 60V)에서 전극간격 120 ㎜인 경우 각 시편의 시간에 따른 온도 증가 곡선을 나타낸 것이다. 각 시편의 그래프를 통해 연속적으로 1시간 동안 온도증가량을 확인하였다. Fig. 11(a)를 제외한 Fig. 11(b)와 (c)에서도 각 시편의 온도가 증가하여 최대 점에 도달한 후 일정 값으로 수렴하는 경향을 볼 수 있다. Fig. 11(a)에서 볼 수 있듯이 인가전압 10V에서 PM 시편, SF2.0 시편, MWCNT0.5 시편, MWCNT1.0 시편 및 SF2.0 + MWCNT0.5 시편은 1시간 경과 후 온도증가량이 거의 없는 것으로 측정되었다. 가장 높은 1시간 경과 후 온도증가량은 SF2.0 + MWCNT1.0 시편에서 발생하였으며, 최대 20.8℃로 측정되었다. Fig. 11(b)에서도 인가전압 30V에서 PM 시편, SF2.0 시편, MWCNT0.5 시편, MWCNT1.0 시편 및 SF2.0 + MWCNT0.5 시편은 1시간 경과 후 온도증가량이 거의 없는 것으로 측정되었다. 가장 높은 1시간 경과 후 온도증가량은 SF2.0 + MWCNT1.0 시편에서 발생하였으며, 최대 32.0℃로 다소 높게 측정되었다. 그러나 Fig. 11(c)에서 볼 수 있듯이 인가전압 60V에서 PM 시편, SF2.0 시편, MWCNT0.5 시편 및 MWCNT1.0 시편은 1시간 경과 후 온도증가량이 거의 없는 것으로 측정되었으며, 0.5wt%인 SF2.0 + MWCNT0.5 시편의 온도증가량은 1.9℃로 측정되었다. 가장 높은 1시간 경과 후 온도증가량은 SF2.0 + MWCNT1.0 시편에서 발생하였으며, 최대 71.2℃로 측정되었다. 따라서 각 시편의 시간에 따른 온도증가량을 분석한 결과, 마이크로 강섬유와 모르타르에 혼입된 MWCNT는 시멘트 수화 생성물 사이에 다수의 전도성 네트워크를 형성되었으며, MWCNT의 혼입 농도가 증가함에 따라 더욱 개선되었다. 모르타르 내에 전기가 지나다니고 있다는 것, 즉 전류가 흐르는 통로 역할을 하여 전류가 증가하게 된다. 온도증가량은 전류에 비례하기 때문에 MWCNT의 경우 혼입 농도가 증가할수록 온도가 상승하는 것으로 나타났다.

Fig. 10 Temperature increase curve at electrode spacing of 40 ㎜

Fig. 11 Temperature increase curve at electrode spacing of 120 ㎜

3.1.3 열화상 이미지 분석

Fig. 12∼Fig. 17은 다양한 인가전압(DC 10V, 30V, 60V) 및 상이한 전극간격(40 ㎜, 120 ㎜)에서 각 시편 표면부의 최대 발열량이 발생했을 때 촬영한 열화상 이미지를 나타낸 것이다. 각 시편의 표면온도는 시편의 초기 온도에서 인가전압에 의해 발생되는 발열량을 더하여 측정하였다. 각 시편의 초기 온도는 약 20±0.5℃이며, 시편의 표면온도는 각 열화상 이미지에 표기하였다. Fig. 12는 인가전압이 10V이고 전극간격 40 ㎜인 경우 각 시편의 열화상 이미지를 도시하여 나타낸 것이다. PM 시편, SF2.0 시편, MWCNT0.5 시편, MWCNT1.0 시편 및 SF2.0 + MWCNT0.5 시편은 열화상 이미지의 발열량이 미미하고, 표면온도가 주변 온도와 유사하여 발열성능의 차이를 구별하는데 어려움이 있다. 가장 높은 표면온도는 SF2.0 + MWCNT1.0 시편에서 발생하였다. 발생된 표면온도는 27.5℃로 측정되었으며, 열화상 이미지는 흐릿하게 보였다. Fig. 13은 인가전압 30V이고 전극간격 40 ㎜인 경우 각 시편의 열화상 이미지를 도시하여 나타낸 것이다. PM 시편, SF2.0 시편, MWCNT0.5 시편, MWCNT1.0 시편 및 SF2.0 + MWCNT0.5 시편의 경우에도 발열량이 미미하여 열화상 이미지가 뚜렷하지 않았다. 가장 높은 표면온도는 SF2.0 + MWCNT1.0 시편에서 발생하였다. 발생된 표면온도는 59.2℃로 측정되었으며, 열화상 이미지는 다소 선명하게 보였다. Fig. 14는 인가전압이 60V이고 전극간격 40 ㎜인 경우 각 시편의 열화상 이미지를 도시하여 나타낸 것이다. PM 시편, SF2.0 시편, MWCNT0.5 시편, MWCNT1.0 시편 및 SF2.0 + MWCNT0.5 시편의 열화상 이미지는 발열량이 미미하여 표면온도가 주변 온도와 유사하였다. 가장 높은 표면온도는 SF2.0 + MWCNT1.0 시편에서 발생하였다. 발생된 표면온도는 121.1℃로 측정되었으며, 열화상 이미지는 더욱 선명하게 보였다. 아울러, Fig. 15는 인가전압이 10V이고 전극간격 120 ㎜인 경우 각 시편의 열화상 이미지를 도시하여 나타낸 것이다. PM 시편, SF2.0 시편, MWCNT0.5 시편, MWCNT1.0 시편, SF2.0 + MWCNT0.5 시편 및 SF2.0 + MWCNT1.0 시편에서도 열화상 이미지의 발열량이 미미하고, 전체적으로 표면온도가 주변 온도와 유사하여 발열성능의 차이를 구별하는데 어려움이 있다. 가장 높은 표면온도는 SF2.0 + MWCNT1.0 시편에서 발생하였다. 발생된 표면온도는 20.8℃로 측정되었으며, 열화상 이미지는 거의 보이지 않았다. Fig. 16은 인가전압이 30V이고 전극간격 120 ㎜인 경우 각 시편의 열화상 이미지를 도시하여 나타낸 것이다. PM 시편, SF2.0 시편, MWCNT0.5 시편, MWCNT1.0 시편 및 SF2.0 + MWCNT0.5 시편의 경우에도 발열량이 미미하여 열화상 이미지가 뚜렷하지 않았다. 가장 높은 표면온도는 SF2.0 + MWCNT1.0 시편에서 발생하였다. 발생된 표면온도는 32.0℃로 측정되었으며, 열화상 이미지는 흐릿하게 보였다. Fig. 17은 인가전압이 60V이고 전극간격 120 ㎜인 경우 각 시편의 열화상 이미지를 도시하여 나타낸 것이다. PM 시편, SF2.0 시편, MWCNT0.5 시편, MWCNT1.0 시편 및 SF2.0 + MWCNT0.5 시편의 열화상 이미지는 발열량이 미미하여 표면온도가 주변 온도와 유사하였다. 가장 높은 표면온도는 SF2.0 + MWCNT1.0 시편에서 발생하였다. 발생된 표면온도는 71.2℃로 측정되었으며, 열화상 이미지는 다소 선명하게 보였다. 따라서 각 시편 표면부의 열의 분포를 열화상 이미지로 분석한 결과, 발생한 열은 Power supply에 연결된 전극 사이를 중심으로 발생하였고, 시편 전체로 열이 균일하게 확산되지 못함을 확인할 수 있다. 이는 전류가 최단 거리로 흐르는 성질을 가지고 있기 때문에 최단 거리인 전극 사이로부터 열이 확산된 것으로 판단된다. 향후, 실제 포장도로에 현장 적용을 위해서는 영하의 외기온도를 모사한 현장 테스트베드 또는 실증 실험 등 다각적인 연구가 필요할 것으로 판단된다.

Fig. 12 Thermal images of specimens at applied voltage of 10V and electrodes spacing of 40 ㎜

Fig. 13 Thermal images of specimens at applied voltage of 30V and electrodes spacing of 40 ㎜

Fig. 14 Thermal images of specimens at applied voltage of 60V and electrodes spacing of 40 ㎜

Fig. 15 Thermal images of specimens at applied voltage of 10V and electrodes spacing of 120 ㎜

Fig. 16 Thermal images of specimens at applied voltage of 30V and electrodes spacing of 120 ㎜

Fig. 17 Thermal images of specimens at applied voltage of 60V and electrodes spacing of 120 ㎜

3.2 휨강도 분석

Fig. 18은 재령 28일에서 각 시편의 평균 휨강도 시험결과를 나타낸 것이다. Fig. 18에서 보는 바와 같이 PM 시편 및 SF2.0 시편의 평균 휨강도는 각각 4.16 MPa 및 8.23 MPa로 측정되었다. 마이크로 강섬유가 혼입되지 않은 MWCNT0.5 시편과 MWCNT1.0 시편의 평균 휨강도는 각각 3.81 MPa 및 3.51 MPa로 측정되었으며, PM 시편에 비해 각각 0.35 MPa 및 0.65 MPa 정도 감소되었다. MWCNT를 혼입한 MWCNT0.5 시편과 MWCNT1.0 시편은 PM 시편에 비해 각각 91.5% 및 84.3% 정도로 낮은 휨강도를 보였다. ^{Xu et al.(2015)}은 MWCNT와 같은 나노 크기의 미세 입자는 수화 생성물 사이의 공간을 채우고 시멘트 매트릭스의 치밀화 효과로 인해 휨강도가 증가하는 것으로 보고되었다. 그러나 일정 함량 이상의 MWCNT는 실제로 휨강도를 저하한다. MWCNT 입자 사이의 반데르발스 힘에 의한 응집 현상으로 인해 복합체 내에 고르게 분산되기 어려워 휨강도 향상이 곤란하다. 따라서 휨강도 성능 향상을 위해서는 고농도 MWCNT의 효과적인 분산이 필수적이다. ^{Oh et al.(2017)}의 연구결과에 의하면 휨강도 성능 향상을 위한 MWCNT의 최적 함량은 0.23wt% 미만이었으며, 그 이상 혼입 시 배합 과정에서 MWCNT의 반데르발스 힘에 의한 뭉침 현상으로 인해 휨강도가 오히려 저하된다고 보고되었다. 반면, SF2.0 + MWCNT0.5 시편과 SF2.0 + MWCNT1.0 시편의 평균 휨강도는 각각 7.25 MPa와 6.71 MPa로 측정되었으며, SF2.0 시편의 경우 각각 0.98 MPa, 1.52 MPa 휨강도가 향상되었다. SF2.0 시편과 SF2.0 + MWCNT0.5 시편, SF2.0 + MWCNT1.0 시편의 경우 설계기준 휨강도를 상회하는 것으로 나타났으며, MWCNT를 혼입한 시편은 휨강도가 현저히 감소되었다. 따라서 휨강도는 마이크로 강섬유의 혼입으로 인해 상당히 증가하였다. 마이크로 강섬유는 휨강도 증진에 뛰어난 효과를 보여 SF2.0 시편의 경우 PM 시편, MWCNT0.5 시편 및 MWCNT 1.0 시편에 비해 각각 1.98배, 2.16배 및 2.34배 향상되었다. 마이크로 강섬유의 혼입은 휨성능(휨강도와 인성)과 균열 저항성을 대폭 개선 시킬 목적으로 사용되고 있으며, 마이크로 강섬유의 효과로 MWCNT의 혼입 농도에 상관없이 전도성 모르타르의 휨강도가 증가한 것으로 나타났다. 마이크로 강섬유의 혼입은 휨강도 증진 효과 외에도 발열성능도 향상시키는 것으로 분석된다.

Fig. 18 Test results of average flexural strength

3.3 FE-SEM 이미지 분석

본 연구에서는 모르타르 내에서 마이크로 강섬유와 MWCNT의 분포, 표면 형상 및 미세구조를 관찰하기 위해 FE-SEM 통해 이미지 분석을 수행하였다. Fig. 19는 발열성능 실험 후 파단면에서 채취한 각 시편의 FE-SEM 이미지를 비교하여 나타낸 것이며, SF2.0 시편 및 MWCNT0.5 시편, MWCNT1.0 시편, SF2.0 + MWCNT1.0 시편들에 대해 각각 50배율 및 50,000배율로 촬영하였다. Fig. 19(a)에서 볼 수 있듯이 SF2.0 시편은 시멘트 매트릭스 내에서 마이크로 강섬유 사이에 공극이 많아 전도성 네트워크가 형성되지 못하는 것을 알 수 있다. 반면 Fig. 19(b)에서 나타낸 바와 같이 MWCNT0.5 시편의 경우 시멘트 매트릭스 내에서 직경이 매우 작으며 곡선 형태로 휘어진 것으로 확인되며, 수화 생성물 사이에 가교역할을 하는 MWCNT 입자들이 서로 연결되어 전도성 네트워크가 다수 형성하고 있는 것을 볼 수 있다. 하지만, Fig. 19(c)에서 보는 바와 같이 MWCNT1.0 시편은 전형적인 시멘트 매트릭스 내에서 MWCNT 응집 특성을 보여주고 있다. 모르타르 배합 시 MWCNT의 높은 반데르발스 힘으로 인해 응집 현상이 빈번하게 발생하며, 이러한 재응집 현상으로 인해 고르게 퍼지지 못한 MWCNT는 일부 공극의 역할을 수행하게 된다. 이러한 현상은 MWCNT의 혼입 농도가 높은 경우 빈번하게 발생하여, 휨강도에 부정적인 영향을 미치는 것으로 판단된다. 하지만 Fig. 19(d)에서 볼 수 있듯이 SF2.0 + MWCNT0.5 시편은 시멘트 매트릭스 내에서 수화 생성물 사이에 브리징 역할을 하는 MWCNT 입자들이 마이크로 강섬유 주변에 덮여 서로 연결되어 전도성 네트워크가 다수 형성하고 있는 것으로 관측되었다. 이렇게 형성된 전도성 네트워크는 수화 생성물 사이를 연결하여 전자가 이동할 수 있는 통로 역할을 자처하며, 인가전압에 의한 전자의 이동이 용이하게 되면서 모르타르의 시편 내부 온도가 증가하는 것으로 분석된다.

Fig. 19 FE-SEM images of various specimens

4. 결 론

본 연구에서는 마이크로 강섬유와 MWCNT를 혼입한 전도성 모르타르의 발열성능, 휨강도 및 미세구조를 분석하였으며, 본 연구를 통해 얻은 결과를 요약하면 다음과 같다.

1. 마이크로 강섬유와 MWCNT를 혼입한 전도성 모르타르의 발열성능은 MWCNT의 혼입 농도와 인가전압이 증가할수록 향상되었다. 특히, 인가전압이 60V이고 전극간격 40 ㎜인 경우 SF2.0 + MWCNT1.0 시편에서 발열성능이 모든 시편 중 가장 높았고, 전극간격이 3배인 SF2.0 + MWCNT0.5 시편에 비해 최대 발열량의 차이는 1.7배 큰 것으로 나타났다. 이는 전도성 네트워크가 다수 형성되었기 때문에 MWCNT의 혼입 농도가 증가할수록 발열성능이 더욱 향상되는 것을 확인하였다.

2. 열화상 이미지 분석결과, 인가전압 60V이고 전극간격 40 ㎜인 경우 SF2.0 + MWCNT1.0 시편에서 표면부의 열화상 이미지는 전극 사이를 중심으로 다른 시편에 비하여 넓은 범위로 열 확산이 이루어진 것으로 보인다.

3. 마이크로 강섬유만 혼입한 SF2.0 시편의 평균 휨강도는 PM 시편, MWCNT0.5 시편 및 MWCNT 1.0 시편에 비해 각각 1.98배, 2.16배 및 2.34배 향상되었으며, 설계기준 휨강도 4.5 MPa 이상을 확보함으로써 휨강도 측면에서 동등 이상의 성능을 발휘하였다. 하지만 SF2.0 + MWCNT0.5 시편과 SF2.0 + MWCNT1.0 시편의 평균 휨강도는 MWCNT의 혼입으로 인해 다소 저하되었다.

4. FE-SEM을 통한 미세구조 분석결과, MWCNT는 마이크로 강섬유와 함께 시멘트 매트릭스 내에 분산되어 브리징역할을 하는 전도성 네트워크를 형성된 것을 확인하였다. 그러나 일부에서는 MWCNT 입자들의 반데르발스 힘에 따른 응집 현상이 발생되었으며, 이러한 MWCNT 입자들의 응집 현상은 휨강도 저하의 요인으로 판단된다.