2.1 실험 재료 및 전도성 구성 재료

2.1.1 시멘트 및 잔골재

본 연구에 사용된 시멘트는 S사에서 생산된 보통 포틀랜드 시멘트로, 비중은 3.13이며 분말도는 3,860 cm$^2$/g이다. 본 연구에서 사용된 표준사의 물리적 특성은 Table 1에 제시하였으며, Fig. 1은 주문진 표준사의 모습을 나타낸 것이다. 균질한 삼상 복합 전도성 콘크리트의 제조를 위하여 강원도 강릉시 주문진읍 향호리산 표준사를 사용하였다. 건조포화상태 잔골재의 밀도와 흡수율은 각각 2.65g/cm$^3$와 0.8%이다.

Table 1. Physical properties of fine aggregate

Sieve size (mm)	Unit weigh (kgf/m$^3$)	Density (g/cm$^3$)	Water absorption (%)	Fineness modulus (FM)
2.0∼ 0.08	1,490	2.65	0.8	2.40

Fig. 1. Appearance of Jumunjin sand used in this study

2.1.2 MWCNT (다중벽탄소나노튜브)

본 연구에 사용된 MWCNT의 주요 특성은 Table 2에 제시하였으며, Fig. 2는 수용액 내에서 균일하게 분산된 액상형 상태를 나타낸 것이다. 사용된 MWCNT는 국내 D사에서 제조된 제품으로, MWCNT의 길이는 약 100∼200 $\mu$m이며, 평균 직경은 7∼12 nm를 갖는다. 이는 나노입자의 응집을 최소화하고 시멘트 매트릭스 내에서의 분산성 향상시켜 보다 균일한 전도성 네트워크 형성을 유도하기 위함이다. 특히, 높은 종횡비를 갖는 나노구조는 시멘트 매트릭스 내에서 미세균열의 발생 및 전파를 효과적으로 억제할 뿐만 아니라 연속적인 전도성 네트워크 형성을 통해 전기적 특성 향상에 기여할 것으로 판단된다.

Table 2. Main properties of powder MWCNT

Purity (wt%)	Length ($\mu$m)	Ave. diameter (nm)	Specific surface area (m$^2$/g)	Bulk density (g/cm$^3$)	Appearance
>96.5	100∼200	7∼12	200∼250	0.08∼0.12	Black powder

Fig. 2. MWCNT Dispersion

2.1.3 CF (탄소섬유)

본 연구에 사용된 CF의 주요 특성은 Table 3에 제시하였으며, Fig. 3은 CF의 형상을 나타낸 것이다. CF는 폴리아크릴로나이트릴(polyacrylonitrile, PAN) 기반으로 국내 ACE & Tech 사에서 제조된 절단형 제품이다. 섬유의 길이와 직경은 각각 약 6 mm와 7±0.2 $\mu$m의 범위를 갖는다. CF는 시멘트 매트릭스 내에서 균열 제어 및 하중 전달 능력을 제공하면서 동시에 전도성 네트워크를 형성하여 전기적 및 역학적 특성을 동시에 향상시키는 섬유 보강재이다.

Table 3. Main properties of CF

Diameter ($\mu$m)	Length (mm)	Purity (%)	Tensile strength (MPa)	Tensile modulus (GPa)	Resistivity ($\Omega \cdot$ cm)	Thermal conductivity (W/m $\cdot$ k)
7±0.2	6	> 92	4900	230	1.6 $\times$ 10$^{-3}$	200∼1100

Fig. 3. CF (Carbon fibers)

2.1.4 강섬유 (SF)

본 연구에 사용된 SF의 주요 특성은 Table 4에 제시하였으며, Fig. 4는 SF의 형상을 나타낸 것이다. 사용된 SF는 직선형의 구리 코팅 섬유로, 직경은 약 120 $\mu$m, 길이가 약 6 mm를 가지며 종횡비는 약 50 수준이다. SF는 시멘트 매트릭스 내에서 균열 억제 및 하중 전달 능력을 향상시키는 동시에, 전도성 네트워크 형성도 향상시키는 섬유 보강재이다.

Table 4. Main properties of SF

Diameter (d$_f$, $\mu$m)	Length (L$_f$, $\mu$m)	Aspect ratio (L$_f$,/d$_f$)	Density (g/cm$^3$)	Tensile modulus (MPa)	Elastic modulus (Gpa)
120	6	50	7.85	3220	$\ge$ 210

Fig. 4. SF (Steel fibers)

2.2 시편의 배합 및 제작

Table 5는 MWCNT, CF 및 SF를 혼입한 삼상 복합 전도성 콘크리트의 배합설계 및 시편 명칭을 나타낸 것이다. 본 연구에서는 물-시멘트비(W/C)를 0.44로 고정하였으며, 시멘트, 표준사 및 배합수의 혼합비는 1 : 2 : 0.44로 설정하였다. MWCNT는 시멘트 중량 대비 0.3, 0.6 및 1.0 wt.%로 혼입하였고, CF와 SF는 각각 0.3, 0.6 및 1.0 vol.%의 부피비로 혼입하였다. 시편 제작 시, 시멘트 및 표준사를 건식 상태에서 저속으로 1.5분간 혼합하였다. 이후 30초 휴지기 동안 후, MWCNT, CF 및 SF를 투입하여 고속으로 1.5분간 혼합하였다. 배합수를 투입하여 추가로 3분간 혼합하였으며 혼합물을 각주형 공시체에 타설하였다. 콘크리트의 공극을 최소화하고 균질한 충전을 위해 진동 테이블에서 3분간 진동다짐을 수행하였다. 모든 시편은 PE 시트로 덮어 24시간 후 탈형하였으며, 소정의 재령까지 양생하였다. Fig. 5는 삼상 복합 전도성 콘크리트의 성능 평가를 위해 수행된 일련의 시험 절차를 단계별로 구분하여, 각 실험 과정의 흐름과 주요 수행 내용을 나타낸 것이다.

Fig. 5. Test procedures and progress of specimens at each stage

2.3 실험방법

3.1 유동성 평가

Fig. 6은 MWCNT, CF 및 SF를 혼입한 삼상 복합 전도성 콘크리트의 혼입 함량 변화에 따른 흐름 성능을 PC 혼합물과 비교하여 나타낸 것으로, 각 전도성 필러의 종류 및 혼입 함량이 유동성에 미치는 영향을 평가하였다. Fig. 6에서 보는 바와 같이, PC 혼합물의 플로우 값은 215 mm로 나타났다. MWCNT만을 혼입한 경우, MW0.3 혼합물(216 mm), MW0.6 혼합물(217 mm) 및 MW1.0 혼합물(218 mm)로 나타나, 혼입 함량 증가함에도 불구하고 거의 유사하였다. 이는 미세한 나노입자의 분산 효과에 의해 입자 간 간극이 일부 충진되면서 유동성이 부분적으로 증가한 것으로 판단된다. 반면, CF만을 혼입한 경우, CF0.3 혼합물(175 mm), CF0.6 혼합물(159 mm) 및 CF1.0 혼합물(129 mm)로 나타나 혼입 함량 증가에 따라 유동성이 급격히 감소하는 경향을 보였다. 이는 섬유의 높은 종횡비와 얽힘 현상으로 인해 내부 마찰이 증가하고, 시멘트 페이스트의 흐름을 저해하기 때문으로 판단된다. 아울러, SF만을 혼입한 경우, SF0.3 혼합물(208 mm), SF0.6 혼합물(204 mm) 및 SF1.0 혼합물(196 mm)로 나타나, 유동성 감소 폭은 상대적으로 크지 않으며 혼입 함량 증가에 따라 약간 감소 경향을 보였다. 이는 SF가 비교적 큰 직경을 가지며 분산성이 CF보다 양호하기 때문에 유동성 저하 영향이 상대적으로 제한적인 것으로 판단된다. 한편, MWCNT, CF 및 SF를 함께 혼입한 삼상 복합 전도성 콘크리트의 경우, MW0.3CF0.3SF0.3 혼합물(166 mm), MW0.6CF0.6SF0.6 혼합물(148 mm) 및 MW1.0CF1.0SF1.0 혼합물(122 mm)로 나타나, 모든 혼합물에서 PC 혼합물에 비해 유동성이 상당히 감소하였다. 특히, 혼입 함량이 증가할수록 유동성 저하가 더욱 뚜렷하게 나타났으며, 이는 나노-마이크로-매크로 스케일의 전도성 필러가 동시에 존재함에 따라 입자 간 상호 간섭 및 내부 마찰이 복합적으로 증가한 결과로 판단된다. 따라서, 전도성 필러의 혼입은 콘크리트의 유동성을 저하시키는 경향을 나타내며, 특히 섬유 보강재의 혼입 함량이 증가할수록 유동성 저하가 현저하므로, 워커비리티 확보를 위해서는 적정 혼입 함량 설정 및 분산 기술의 적용이 중요한 것으로 판단된다.

Fig. 6. Results of the table flow test

3.2 휨강도 특성

Fig. 7은 MWCNT, CF 및 SF를 혼입한 삼상 복합 전도성 콘크리트의 혼입 함량 변화에 따른 휨강도를 PC 시편과 비교하여 나타낸 것이다. 이를 통해 각 전도성 필러의 종류 및 혼입 함량이 휨강도에 미치는 영향을 평가하였다. Fig. 7에서 보는 바와 같이, PC 시편의 휨강도는 3.88 MPa로 나타났다. MWCNT만을 혼입한 경우, 혼입 함량이 증가할수록 휨강도는 MW0.3 시편(3.75 MPa), MW0.6 시편(3.52 MPa) 및 MW1.0 시편(2.99 MPa)로 약간 감소하는 경향을 나타났다. 이는 나노입자의 응집 및 계면 결합력 저하로 인해 균열 저항 성능이 감소한 것으로 판단된다. 반면, CF만을 혼입한 경우, CF0.3 시편에서 4.7MPa, CF0.6 시편에서 4.95 MPa로 최대 값을 나타낸 이후, CF1.0 시편에서 4.35 MPa로 다소 감소하는 경향을 보였다. 이는 혼입 함량(CF1.0vol.%)이 증가함에 따라 섬유 간 뭉침(응집) 현상이 발생하여 휨강도 저하에 영향을 미친 것으로 판단된다. 아울러, SF만을 혼입한 경우, SF0.3 시편(5.7MPa), SF0.6 시편(6.4 MPa) 및 SF1.0 시편%(7.32 MPa)로 혼입 함량이 증가함에 따라 휨강도가 상당히 증가하는 경향을 보였다. 이는 강섬유의 높은 강도와 우수한 하중 전달 능력에 기인한 것으로 판단된다. 한편, MWCNT, CF 및 SF를 함께 혼입한 삼상 복합 전도성 콘크리트의 경우, 휨강도가 각각 MW0.3CF0.3SF0.3 시편(6.45 MPa), MW0.6CF0.6SF0.6 시편(7.22 MPa) 및 MW1.0CF1.0SF1.0 시편(8.2 MPa)로 휨강도가 상당히 증가하여 단일 필러를 혼입한 경우에 비해 우수한 성능을 나타났다. 특히, MW1.0CF1.0SF1.0 시편에서 가장 높은 휨강도를 보였으며, 이는 나노–마이크로–매크로 스케일의 전도성 필러가 상호 보완적으로 작용하여 균열 제어 능력과 하중 전달 성능이 향상된 결과로 판단된다.

Fig. 7. Results of the flexural strength test

3.3 압축강도 특성

Fig. 8은 MWCNT, CF 및 SF를 혼입한 삼상 복합 전도성 콘크리트의 혼입 함량 변화에 따른 압축강도를 PC 시편과 비교하여 나타낸 것이다. 이를 통해 각 전도성 필러의 종류 및 혼입 함량이 압축강도에 미치는 영향을 평가하였다. Fig. 8에서 보는 바와 같이, PC 시편의 압축강도는 39.8 MPa로 나타났다. MWCNT만을 혼입한 경우, 혼입 함량이 증가할수록 압축강도는 MW0.3 시편(34.1 MPa), MW0.6 시편(31.0 MPa) 및 MW1.0 시편(25.5 MPa)로 다소 감소하는 경향을 나타났다. 이는 나노입자의 응집 및 계면 결합력 저하로 인해 감소한 것으로 판단된다. 반면, CF만을 혼입한 경우, CF0.3 시편(40.0 MPa), CF0.6 시편(38.9 MPa) 및 CF1.0 시편(37.8 MPa)로 혼입 함량이 증가함에 따라 약간 감소하는 경향을 보였다. 이는 혼입 함량이 증가함에 따라 섬유 간 뭉침(응집) 현상이 발생하여 압축강도 저하에 영향을 미친 것으로 판단된다. 아울러, SF만을 혼입한 경우, SF0.3 시편(48.5 MPa), SF0.6 시편(51.6 MPa) 및 SF1.0 시편(54.1 MPa)로 혼입 함량이 증가함에 따라 압축강도가 약간 증가하는 경향을 보였다. 이는 강섬유의 우수한 압축강도와 균열 억제 효과에 기인한 것으로 판단된다. 한편, MWCNT, CF 및 SF를 함께 혼입한 삼상 복합 전도성 콘크리트의 경우, 휨강도가 각각 MW0.3CF0.3SF0.3 시편(44.7 MPa), MW0.6CF0.6SF0.6 시편(47.0 MPa) 및 MW1.0CF1.0SF1.0 시편(49.5 MPa)로 압축강도가 증가하여 단일 필러를 혼입한 경우에 비해 우수한 성능을 나타났다. 이는 나노–마이크로–매크로 스케일의 전도성 필러가 상호 보완적으로 작용하여 시멘트 매트릭스를 치밀하게 형성하고, 균열 발생을 효과적으로 억제함으로써 압축강도가 향상된 결과로 판단된다.

Fig. 8. Results of the compressive strength test

3.4 전기적 특성

Fig. 9는 전극 간격 40 mm에서 MWCNT, CF 및 SF를 혼입한 삼상 복합 전도성 콘크리트의 혼입 함량 변화에 따른 전기저항 특성을 PC 시편과 비교하여 나타낸 것이다. Fig. 9에서 보는 바와 같이 전반적으로 전도성 필러의 혼입 함량 따른 전기저항은 PC 시편에 비해 뚜렷하게 감소하는 경향을 나타냈으며, 혼입된 필러의 종류 및 함량에 따른 감소 폭 차이가 있었다. Fig. 10에서 보는 바와 같이 PC 시편의 전기저항은 전극 간격 40 mm에서 20,120 $\Omega$로 나타났으며, 이는 시멘트 매트릭스 내부에 전도성 경로가 거의 형성되지 않아 전기적으로 부도체에 가까운 거동을 보이기 때문이다. MWCNT만을 혼입한 경우, 혼입 함량이 증가에 따라 전기저항이 약간 감소하는 경향을 보였다. MW0.3 시편, MW0.6 시편 및 MW1.0 시편에서 전기저항은 11,290 $\Omega$, 6,010 $\Omega$ 및 4,150 $\Omega$까지 감소하였다. 감소 폭은 비교적 완만하게 나타나, 단일 나노 필러만으로는 연속적인 전도 네트워크 형성에 한계가 있음을 알 수 있다. CF만을 혼입한 경우, 전기저항 감소 효과가 더욱 뚜렷하게 나타났다. 특히 CF1.0 시편의 경우 250 $\Omega$ 수준까지 감소하여 우수한 전도성을 나타났다. 이는 마이크로 스케일의 탄소섬유가 장거리 전도성 네트워크를 형성하며, 필러 간 접촉을 증가시켜 전도성 네트워크의 연속성을 향상시킨 결과로 분석된다. 반면, SF만을 혼입한 경우, 전기저항 감소 효과가 상대적으로 제한적으로 나타났다. SF1.0 시편의 경우 3,270 $\Omega$로, CF에 비해 높은 전기저항 값을 나타났다. 이는 강섬유가 전도성은 갖지만, 시멘트 매트릭스 내에서 균일한 분산 및 접촉 네트워크 형성에 한계가 있기 때문으로 판단된다. 한편, MWCNT, CF 및 SF를 함께 혼입한 삼상 복합 전도성 콘크리트의 경우, 전기저항이 급격히 감소하는 경향이 나타났다. MW0.3CF0.3SF0.3 시편에서 120 $\Omega$, MW0.6CF0.6SF0.6 시편에서 39 $\Omega$ 및 MW1.0CF1.0SF1.0 시편에서 28 $\Omega$까지 감소하여, 단일 필러 혼입에 비해 현저히 우수한 전도성 특성을 나타났다. 이는 나노–마이크로–매크로 스케일의 전도성 필러가 상호 보완적으로 작용하여 다중 스케일 전도 네트워크를 효과적으로 형성하고, 전자 이동 경로를 극대화한 결과로 판단된다.

Fig. 9. Results of the electrical resistance measurement (Electrode spacing 40 mm)

한편, Fig. 10은 전극 간격 120 mm에서 MWCNT, CF 및 SF를 혼입한 삼상 복합 전도성 콘크리트의 혼입 함량 변화에 따른 전기저항 특성을 PC 시편과 비교하여 나타낸 것이다. Fig. 10에서 보는 바와 같이 PC 시편은 45,590 $\Omega$으로 가장 높은 전기저항을 나타났다. Fig. 9에서 보는 바와 같이 MWCNT만을 혼입한 경우, 전기저항은 23,280 $\Omega$에서 13,100 $\Omega$까지 감소하였다. CF만을 혼입한 경우, 1,250 $\Omega$에서 130 $\Omega$까지 크게 감소하여 가장 우수한 전도성을 보였으며, 이는 섬유 간 접촉 및 교차에 따른 연속적인 전도성 네트워크 형성에 기인한다. 반면, SF만을 혼입한 경우, 28,890 $\Omega$에서 15,560 $\Omega$으로 감소하였으나 상대적으로 높은 값을 유지하여 전도성 향상 효과는 제한적인 것으로 나타났다. 한편, MWCNT, CF 및 SF를 함께 혼입한 삼상 복합 전도성 콘크리트는 550 $\Omega$에서 41 $\Omega$ 수준으로 가장 낮은 전기저항을 나타나, 이는 다중 스케일 전도성 네트워크 형성에 따른 시너지 효과로 판단된다. 따라서 전극 간격이 120 mm로 증가한 경우에서도 삼상 복합 시스템이 우수한 전도성을 유지함을 확인할 수 있다.

Fig. 10. Results of the electrical resistance measurement (Electrode spacing 120 mm)

3.5 미세구조 분석

Fig. 11은 강도 시험 후 파단 면에서 채취한 각 시편의 SEM 이미지를 나타낸 것이다. MWCNT 시편은 각각 50,000배율 및 100,000 배율로, CF 시편 및 SF 시편은 500배율로 촬영하였다. Fig. 11(a)에서는 미세한 나노 입자가 시멘트 매트릭스 전반에 걸쳐 분산되어 있으며, 수화 생성물 사이에서 상호 연결되며 전도성 네트워크를 형성하는 것으로 관찰된다. 이 과정에서 주요 수화 생성물인 C-S-H gel이 형성됨을 확인할 수 있으며, 이러한 구조는 MWCNT가 시멘트 수화물과 유기적으로 결합하여 전기적 전도 경로를 효과적으로 형성하는 데 기여하는 것으로 판단된다. 결과적으로, 다수의 MWCNT가 네트워크 형태로 존재함에 따라 전기적 특성이 향상된 것으로 분석된다. 반면, Fig. 11(b)에서는 일부 영역에서 MWCNT가 국부적으로 응집된 형태가 확인되며, 이는 입자 간 반데르발스 인력에 의해 발생한 것으로 판단된다. 이와 같은 응집 현상은 분산성을 저하시켜 혼입 함량 증가 시 빈번하게 나타날 수 있으며, 결과적으로 전기적 및 역학적 성능에 부정적인 영향을 미칠 가능성이 있는 것으로 판단된다. 아울러, Fig. 11(c)에서는 CF가 시멘트 매트릭스 내에 비교적 균일하게 분산되어 있으며, 섬유 간 교차 및 접촉을 통해 연속적인 전도 경로를 형성하는 것으로 나타났다. 일부 CF는 미세균열을 가로지르며 브리징 역할을 수행하고 있으며, 균열의 발생 및 진전을 효과적으로 억제하고, 하중 전달 능력을 향상시키는 데 기여하는 것으로 판단된다. 다만, 일부 영역에서는 섬유 주변의 미세공극이나 계면 불연속이 관찰되며, 이는 혼입 함량 증가에 따른 분산성 및 작업성 저하로 인한 국부적 결함 가능성도 있는 것으로 판단된다. 이와 함께, 주요 수화 생성물인 portlandite (Ca(OH$_2$)의 분포는 상대적으로 감소하는 경향을 나타내는 것으로 롹인된다. 한편, Fig. 11(d)에서는 SF가 시멘트 매트릭스에 안정적인 자리잡은 상태로 분포하며, 섬유와 매트릭스 간 계면 부착이 양호한 것으로 관찰된다. 특히, 일부 섬유 표면 및 주변 영역에서는 calcite 생성물이 다수 존재하는 것으로 관찰되며, 이는 재령 증가에 따른 수화 반응의 진행과 더불어 이산화탄소 노출에 의한 탄산화 영향이 일부 반영된 결과로 판단된다. 이러한 미세구조 특징은 SF와 매트릭스 간의 부착 성능을 향상시키는 요인으로 작용할 수 있다. 따라서, SF는 외부 하중 작용 시 균열을 가로지르는 브리징 역할을 통해 균열의 발생 및 진전을 효과적으로 억제함으로써, 전체적인 균열 저항성과 구조적 안정성 향상에 기여하는 것으로 판단된다.

Fig. 11. SEM images of each specimen

Fig. 12는 각 시편의 EDS 분석 결과를 그래픽으로 나타낸 것이다. 시멘트 매트릭스 내에 수화 생성물의 성분분석을 위해 SEM에 부착된 EDS를 이용하여 MWCNT, CF 및 SF의 표면 형상의 구성성분(C, O, Si, Ca, Fe 등)을 측정하였다. 분석 결과, Fig. 12(a)에서는 C, O, Si 및 Ca 성분이 함께 검출되었으며, 이는 MWCNT가 시멘트 매트릭스 내에 분산된 상태에서 C-S-H gel과 같은 수화 생성물과 공존하고 있음을 보여준다. 특히, 탄소(C) 성분의 피크가 뚜렷하게 나타나 MWCNT의 존재를 확인할 수 있으며, Si와 Ca 성분의 검출은 시멘트 수화 반응에 의해 생성된 C-S-H gel 및 portlandite의 형성하는 것으로 판단된다. Fig. 12(b)에서도 유사하게 C, O 및 Ca 성분이 검출되었으며, MWCNT 시편에 비해 상대적으로 높은 C 성분이 피크가 나타나는 것이 특징이다. 이는 CF의 혼입에 따른 영향으로, 시멘트 매트릭스 내에서 탄소 기반 전도성 네트워크 형성이 되었음을 알 수 있다. 아울러, Ca 성분이 검출됨에 따라 CF가 수화 생성물과 상호작용하며 연속적인 네트워크 구조를 형성하고 있음을 확인할 수 있다. 한편, Fig. 12(c)에서는 Fe 성분이 지배적으로 검출되며, 이는 SF의 존재를 명확히 나타낸다. 동시에 Ca, Si, C 및 O 성분이 함께 검출되어 SF 주변에서도 시멘트 수화 생성물이 형성되어 있음을 확인할 수 있으며, 이를 통해 SF와 시멘트 매트릭스 간의 계면 부착이 양호하게 이루어지고 있음을 유추할 수 있다. 따라서, 공통적으로 Ca, Si 및 O 성분이 검출되어 시멘트 수화 생성물의 형성이 확인되었으며, 각 전도성 필러(MWCNT, CF, SF)의 특성에 따라 C 또는 Fe 성분의 검출 양상이 뚜렷하게 구분되었다. 이러한 결과는 각 필러가 시멘트 매트릭스 내에서 고유한 역할을 수행하며, 전기적 및 역학적 특성에 영향을 미치는 다중 스케일의 미세구조를 형성하고 있음을 알 수 있다.

Fig. 12. EDS analysis results of each specimen