< Previous포토에세이 | PHOTO ESSAY올해1월초스페인일주여행에서가장기억에남는곳그라나다‘알함브라궁전’!로마가쇠락하면서북아프리카무어인들이스페인남부이베리아반도에정착하여14세기에세운건축물.극도로세련된건축미와기독교와이슬람양식이조화롭게적용된전망좋은요새인알카사바,아름다운정원과분수로유명한헤네랄리페,르네상스양식의카를로스5세궁전,아라베스크양식의나사리궁전등이있다.미국인워싱턴어빙에의해1829년알함브라의이야기(TalesoftheAlhambra)라는책으로널리알려지게되었고본격적인보수가되어,1870년에는국보로,1984년에는유네스코세계문화유산으로지정되었다.시에라네바다산맥의눈녹은물을이용,수로를만들어아름다운물의정원을조성,사막에서건너온이슬람인들이물을소중히하고가치있게활용한흔적을느낄수있었다.사진/글 : 배기선(한양대학교건설구조물내구성혁신연구센터연구교수)Magazine of the Korea Concrete Institute 8제31권 2호 2019. 039특집 | SPECIAL ARTICLES스마트 건설재료 기술Technology of Smart Construction Materials 자기치유 콘크리트 기술 개발 현황•이광명, 박병선 탄소 나노소재를 적용한 자가진단 시멘트 복합체•송치원, 최성철나노 콘크리트의 현재와 미래•강용학, 정상화FRP 보강근 기술 현황•정상화, 김경민사회기반시설물의노후화는교통정체및생산성감소등사회적으로간접비용을가중시킨다.이에대한구조물의유지보수에관한관심이급격히증가하고있으며,특히하수관,전력구등지하구조물과원전격납건물등과같이유지보수가어려운구조물은열화상태에대한정량적판단이어려워이에대한대책이요구된다.구조물의유지관리를위한대책으로스마트건설재료기술에관한관심이급격히증대되고있다.스마트건설재료기술에는구조물스스로손상에대한진단과치유를할수있는자가진단,자기치유콘크리트기술,첨단나노소재및복합소재를활용하여구조물의열화에대한저항성을극대화하여구조물의사용수명을획기적으로증대하고자하는나노콘크리트및FRP보강근기술등이포함될수있다.자기치유콘크리트기술은유럽및일본을중심으로연구가진행되고있으며,최근자기치유형보수재의시제품이출시되는등시장진출을앞두고있다.자가진단기술은나노소재및압전소재등을구조물의일부분으로매립하여구조물의열화를스스로진단하는기술로미국에서는도로에적용하는연구가진행되었다.또한,나노기술을적용하여구조물의성능을획기적으로개선하거나새로운기능을부여하는연구가진행되고있으며,내부식성및내진성이뛰어난FRP보강근으로철근을대체하기위한연구도수행되고있다.스마트건설재료는향후건설산업의패러다임을획기적으로변화시킬수있는유망한분야로,해외건설시장을선점을위해서는이분야에관한기술경쟁력확보가필수적이다.본특집기사에서국내외의자기치유콘크리트,자가진단콘크리트,나노콘크리트등최신콘크리트기술개발현황을비롯하여FRP보강근기술개발현황및전망에관해소개하고자한다.본특집기사가산업계에서스마트건설재료개발에더욱더많은관심을갖게하고연구개발에적극적으로참여할수있는계기가되었으면한다.주간 : 박병선(한국건설생활환경시험연구원 건설기술연구센터 연구원)차기 특집 예고월/호특집 주제특집 주간원고 마감2019년 5월호콘크리트구성재료에 대한 미세구조 분석기법(가칭)문주혁(서울대학교 건설환경공학부 교수)juhyukmoon@snu.ac.kr2019년 4월 12일※ 특집 기사에 집필을 희망하시는 회원은 특집 주간 또는 사무국 담당자(박진영, 02-568-5986, pjy@kci.or.kr)에게 연락바랍니다.Magazine of the Korea Concrete Institute 10특집 1 | SPECIAL ARTICLES자기치유 콘크리트 기술 개발 현황State-of-the-Art of Self-Healing Concrete01이광명 Kwang-Myong Lee 성균관대학교건설환경공학부 교수박병선 Byoungsun Park 한국건설생활환경시험연구원건설기술연구센터 연구원1. 머리말콘크리트는높은압축강도및내구성능을가지고있으며,상대적으로낮은비용으로제조할수있어현대사회에서가장널리사용되고있는건설재료이다.과거에는콘크리트가영구적으로사용할수있는재료로인식되어왔으나구조물의수명이증가함에따라유해이온에의한철근부식및콘크리트의열화등내구성문제가발생하였으며,콘크리트구조물의사용수명을연장하기위해유지보수가이루어지고있다.최근유럽,미국,일본등선진국에서는노후화된콘크리트구조물이급증하고있으며,이로인해유지보수비용에대한부담이커지고있고교통체증발생등사회혼잡이증가하고있다.지하에매립된전력구,하수관과같은지하구조물,방사성폐기물처리장의경우균열을확인하기어려울뿐아니라보수에어려움이있어이를극복할수있는새로운기술에대한필요성이증가하고있다.자기치유콘크리트기술은콘크리트구조물에발생한균열을스스로치유하여누수를억제하고유해이온의유입을차단하여콘크리트의내구성을증진하며,구조물의수명을연장할수있는새로운기술로주목받고있으며,전세계적으로활발히연구개발이진행되고있다.자기치유콘크리트기술을선도하고있는유럽은2010년대들어10여개기관이협력하여구성한HealCON(Self-healingforConcreteStructures)및SHeMat(Self-healingMaterials)과같은대형프로젝트를통해다양한자기치유소재를활용한자기치유콘크리트기술개발연구를수행하였다.대표적으로TUDelft의Jonkers박사주도로박테리아를이용한자기치유콘크리트시제품을개발하였으며,자기치유콘크리트에적용하기위한SAP및캡슐제작을위한파일럿플랜트를설치한바있다.영국에서는Cardiff대학주도로박테리아활용자기치유콘크리트개발과성능평가연구를수행하고있다.일본의경우유럽과같이대형프로젝트를수행하고있지는않으나동경대학교의Kishi교수연구팀을중심으로자기치유콘크리트프로젝트를지속해서수행하고있으며,대부분무기계혼화재를활용한기술개발에집중하여프리캐스트제품및보수재실용화를진행하고있다.국내의경우2015년부터국토교통부가지원하는자기치유친환경콘크리트연구센터를중심으로유무기혼합재,박테리아,마이크로캡슐등을활용한자기치유콘크리트를개발하고있다.이를실구조물에적용하기위하여자기치유성능평가기술개발및실용화연구를수행중이나,아직국내기술을적용한자기치유제품의실용화는제한적이며,국외제품또는소재를소량수입해서활용하고있다.이러한자기치유콘크리트기술은국내뿐만아니라다른기술선진국에서도스마트기술을통한미래건설신성장동력의일환으로크게발전시키고자많은연구지원을아끼지않고있다.이특집에서는현재까지진행된다양한자기치유기술에대한국내외연구동향과미래전망에관해기술하고자한다.제31권 2호 2019. 03112. 자기치유 콘크리트의 기술 동향2.1 무기계 혼합재료 활용 자기치유 콘크리트 기술 일본동경대학교Kishi교수연구팀은2000년이후20여개이상의크고작은무기계혼합재료활용자기치유콘크리트기술개발연구를지속해서수행하고있다.2007년동인도철도회사에서실제터널공사에시범적용한것을시작으로자기치유보수재,PC제품등다양한분야에자기치유콘크리트를적용하고있다.Kishi교수연구팀1)은팽창재,팽윤재,결정촉진제등의무기질혼합재료를사용한자기치유형보수재를개발하였으며,일본의(주)이케나가시멘트공업소는<그림1>과같은무기계자기치유소재를적용한자기수복형프리캐스트콘크리트말뚝을개발하였다.무기계혼합재료활용기술은자기치유소재가수화과정에서대부분소진되기때문에장기적인성능확보가어려우며,균열폭이증가하는경우균열을치유할수있는침전물이생성되기어려워치유균열폭의한계가있다는단점이있어이를극복하기위한연구가수행되고있다.무기계혼합재료의한계를극복하기위한연구중하나로무기계자기치유소재에침윤된인공골재를이용하는기술이있다2).인공골재를액상무기계자기치유소재에침지시킨후코팅하여균열발생전까지자기치유소재를보호하여장기적으로자기치유성능을확보할수있으며,골재를대체하기때문에유동성,응결등굳지않은콘크리트의물성에영향을미치지않는다.Michigan대학의Li교수팀3)은PVA섬유보강콘크리트(ECC)에서의포졸란반응에의한미세균열치유성능을확인하였으며,주로자기치유에의한역학적성능(강도,강성)등의회복및반복적인균열생성에대한자기치유성능평가도수행하였다.최근에는다양한환경조건에서반복적으로발생하는균열의자기치유에의한ECC의인장강도및강성변화에관한연구를수행하고있다.2.2 박테리아 활용 자기치유 콘크리트 기술박테리아활용기술은유럽의HealCON프로젝트에참여한네덜란드TUDelft의Schlangen교수연구팀과벨기에Ghent대학의Belie교수연구팀에의해활발하게연구되고있다.박테리아활용자기치유기술은<그림2>에나타낸바와같이자기치유에활용될수있는박테리아의선정및포자화기술,박테리아의생존및영양소공급을위한담체의선정및담체화기술,콘크리트로의적용기술로구분할수있다.기존연구에서는고알칼리환경에서생존하면서탄산칼슘을형성할수있는박테리아로Bacillus와Sporosarcina속을주로사용했다4).최근고려대학교박우준교수연구진5)은박테리아의생존가능성을향상하고,탄산칼슘생성할수있는새로운박테리아인Lysinibacillusboronitolerans와Bacillus.sp를배양하는데성공하였으며,두박테리아의혼합배양을통해박테리아의자기치유성능이향상되는것을확인하였다.박테리아가콘크리트내부에서장기적으로생존하면서탄산칼슘을생성하기위해서는영양소와박테리아보호용담체가필요하기때문에,콘크리트와의적합성을고려한다양한종류의담체에관한연구가수행되고있다.TUDelft에서는박테리아선정이후콘크리트와의적그림 1. 자기수복형 프리캐스트 콘크리트 말뚝그림 2. 박테리아 활용 자기치유 콘크리트 기술 개요6)Magazine of the Korea Concrete Institute 12합성을고려한담체에관한연구를지속해서수행하여비용절감과역학적성능을확보할수있는<그림3>의단계별담체화기술을개발하였다.유럽의TUDelft에서는HealCON프로젝트의대표적인성과물로박테리아활용자기치유콘크리트의시제품인Basilisk를출시하였다.Basilisk는자기치유콘크리트용혼화재,자기치유형모르타르보수재,자기치유형액상보수재등이있으며,최근국내에도공장을건설하는등시장진출을앞두고있다.2018년뉴질랜드Waikato대학의AydinBerenjian박사와MostafaSeifan교수는박테리아의대사작용을통해생성된탄산칼슘이<그림4>와같이균열을치유하는혁신적인기술을개발하였다7).미국에서는Binghamton대학의CongruiJin교수주도로곰팡이의한종류인‘트리코더마리세이(TrichodermaReesei)’를이용하여스스로균열을메울수있는콘크리트를개발하고있다8).불완전균류로알려진이곰팡이는염기성환경에서잘자라는특성이있으며오랜시간을포자(spore)형태로콘크리트내부에서생존할수있다.2.3 캡슐 활용 자기치유 콘크리트 기술 마이크로캡슐을활용한자기치유콘크리트기술은미국일리노이대학White교수가폴리머를내부물질로사용한마이크로캡슐을이용한균열자기치유연구를Nature에발표하면서관심을끌기시작하였으며,최근중국의심천대학내구성연구소의Han교수연구팀9)에서는콘크리트균열치유및부식방지용마이크로캡슐개발연구를진행하고있다.캡슐활용자기치유콘크리트기술은마이크로캡슐을활용하는기술과Vascular캡슐을활용하는기술로구분한다.캡슐을활용한자기치유콘크리트기술은내부물질이균열을치유하기때문에균열발생직후균열을치유할수있으며,배합과정에서캡슐이손상되지않고균열발생시캡슐이깨져서내부물질이흘러나오게하는것이중요하기때문에이를위한다양한캡슐제조기술이개발되고있다.심천대학에서는시멘트페이스트와부착성능을향상할수있는마이크로캡슐을제조하기위해,시멘트계재료를내부물질로활용한캡슐을제조하는등다양한연구를수행하고있다.특히배합과정에서마이크로캡슐을보호할수있으면서균열발생시치유물질을효과적으로배출시키기위한목적으로,pH변화에따른마이크로캡슐의shell용해및치유물질의배출속도제어에관한연구를수행하였다9).Vascular캡슐을활용한자기치유콘크리트기술은Ghent대학의Bellie교수10~11)를중심으로연구하고있다.Vascular캡슐을균열발생이예상되는위치에철근과같이미리설치하기때문에콘크리트의물성을변화시키지않으며,자기치유성능이필요한위치에만적용하기때문에경제적으로유리하다.하지만캡슐과콘크리트와의부착문제,캡슐설치의어려움으로인해주로실험실에서연구가진행되고있다.최근에는콘크리트의성능저하를방지하고,지속적인자기치유성능을확보하기위한목적으로박테리아및무기계혼합재료를치유소재로사용하는복합소재활용기술을연구하고있다.Kanellopoulos등12)은구형의물유리를포함한폴리머계마이크로캡슐을모르타르에적용하는연구를수행하였으며,캡슐혼입에따른역학성능평가및초음파측정,미세공극흡착및광학현미경등을활용한자기치유성능평가를수행하였다.Qureshi등13)은치유소재로물유리와콜로이달실리카및MgO파우더를활용하여균열모르타르의내구성을크게개선했고보고하였다.그림 4. 박테리아에 의한 균열 치유 사례그림 3. 박테리아와 영양소의 담체화 기술 개발 현황 특집 1 | SPECIAL ARTICLES제31권 2호 2019. 03133. 자기치유 콘크리트의 기술 개발 전망 최근자기치유콘크리트기술개발현황을살펴보면자기치유소재에대한성능검증은거의완료된상태이며,자기치유소재별자기치유콘크리트의성능검증은어느정도이루어졌으나,자기치유성능의한계,경제성문제및구체콘크리트와의부착성문제로아직건설산업계전반에걸쳐실용화되지못하고있으며,이러한한계를극복하기위한연구가수행되고있다는것을확인할수있었다.자기치유콘크리트의초기연구에서는자기치유소재를그대로콘크리트에적용하는방법이대부분이었으나목표로하는자기치유성능을확보하기어려웠다.따라서최근에는자기치유성능을증진하기위해콘크리트내부에서반응성을조절할수있도록자기치유소재를가공하거나,두가지이상의자기치유소재를복합적으로사용하여각각의소재가가지고있는단점을극복하는방법이검토되고있다.특히무기계나박테리아를활용하여자기치유콘크리트의한계를극복하고,장기적인자기치유성능을확보하기위해캡슐화하는연구가최근많이수행되고있다.무기계소재를내부물질로사용하는경우에폭시,폴리머를사용하는경우에비해구체콘크리트와의부착성확보에도유리하며,물유리,팽창재등을사용하는경우높은반응성으로균열을빠르게치유할수있어관심을끌고있다.또한자기치유콘크리트기술의실용화를위해환경조건에따른자기치유콘크리트의중장기적인성능검토및실제노출환경조건에서의자기치유성능검증을위한연구가수행되고있다.초기연구에서는대부분실험실수준에서초기재령(7일 ~ 28일)에균열을발생시킨시편에대해성능검증을수행했지만,최근에는Mock-uptest및현장적용시험을통해실제환경에서자기치유기술에대한성능검증을수행하고있다<그림5 ~ 6>.과거에는대부분자기치유콘크리트에의한내구성회복에연구의초점이맞춰져있었다면최근에는자기치유에의한역학적성능회복에관한연구도다수수행되고있었다.하지만아직은강성이일부회복되는등유의미한결과는나타나고있지않으며,역학적성능회복을위해서는구체콘크리트와의부착성을확보한새로운소재의개발이필요하기때문에자기치유를통한역학적성능회복을위해서는장기적인연구가필요할것으로판단된다.4. 맺음말2000년대이후전세계적으로활발하게연구되고있는자기치유콘크리트기술은최근몇년사이에실험실수준의연구에서벗어나현장적용을통한장기적인성능평가가이루어지고있으며일부자기치유소재를활용한시제품이출시되고있다.하지만현재출시되고있는제품의경우,구조물의내구성을혁신적으로향상하기에는자기치유성능이미비한상태이며,사용하는소재에따라초기재령에만성능이발현되는등지속적인연구가필요하다.또한실제구조물에적용한사례가부족하여현장에서의성능검증이이루어져야한다.자기치유성능을평가할수있는표준화된기준도제시되고있지않아연구자마다성능을평가하는방법이다르며이로인해자기치유제품의정확한성능을확인하기어려운실정이다.이로인해자기치유성능평가방법을표준화하기위한노력이이루어지고있으며,실제구조물에적용한경우에대한성능검증을수행하고있다.자기치유콘크리트는일반콘크리트와달리다양한재료가사용되기때문에콘크리트품질기준을만족하지못하는경우가대부분이며,레미콘등에적용하기어렵기때문에자기치유형보수재및코팅제위주로개발되그림 6. 자기치유 콘크리트를 적용한 소방용 물탱크(UGhent)그림 5. 자기치유 콘크리트를 적용한 Lifeguard Station(TUDelft)Magazine of the Korea Concrete Institute 14고 있으며, 자기치유 콘크리트를 활용한 자기치유 콘크리트 구조물을 시공하는 데는 아직 많은 연구가 필요할 것으로 판단된다. 따라서 자기치유 콘크리트의 실용화를 위해서는 재료 개발뿐 아니라 콘크리트 시방서 개정 및 관련 산업체의 공정 개선 등 다방면의 변화가 이루어져야 하며, 이를 위해서는 콘크리트 관련 업계에서 적극적으로 참여가 필요하다. 특집 1 | SPECIAL ARTICLES담당 편집위원 : 박병선(한국건설생활환경시험연구원) pbs0927@kcl.re.kr 1. T. H. Ahn and T. Kishi, “Crack Self-healing Be hav ior o f Cem ent iti ous Comp osi t es Incorporating Various Mineral Admixtures,” J. Adv. Concr. Technol., Vol. 8, 2010, pp. 171~ 186. 2. R. Alghamri, A. Kanellopoulos, and A. Al-Tabbaa, “Impregnation and encapsulation of lightweight aggregates for self-healing concrete,” Construction and Building Materials, Vol. 124, 2016, pp. 910 ~ 921. 3. Y. Yang, E,-H. Yang, and V. C. Li, “Autogenous healing of engineered cementitious composites at early age,” Cement and Concrete Research, Vol. 41, 2011, pp. 176 ~ 183. 4. K. Vijay, M. Murmu, and S. V. Deo, “Bacteria based self healing concrete-A review,” Construction and Building Materials, Vol. 152, 2017, pp. 1008 ~ 1014. 5. Y. S. Lee and W. Park, “Current challenges and future directions for bacterial self-healing concrete,” Appl Microbiol Biotechnol., Vol. 102, 2018, pp. 3059 ~ 3070. 7. M. Seifan, A. K. Sarmah, A. Ebrahiminezhad, Y. Ghasemi, A. K. Samani, A. Berenjian, “Bio-reinforced self-healing concrete using magnetic iron oxide nanoparticles,” Applied Microbiology and Biotechnology, Vol. 102, 2018. 8. J. Luo, X. Chen, J. Crump, H. Zhou, D. G. Davies, G. Zhou, N. Zhang, C. Jin, “Interactions of fungi with concrete:Significant importance for bio-based self-healing concrete,” Construction and Building Materials, Vol. 164, 2018, pp. 275 ~ 285. 9. B. Dong, G. Fang, W. Ding, Y. Liu, J. Zhang, N. Han, and F. Xing, “Self-healing features in cementitious material with urea formaldehyde/epoxy microcapsules,” Construction and Building 참고문헌Materials, Vol. 106, 2016, pp. 608 ~ 617. 10. K. V. Tittelboom, E. Tsangouri, D. V. Hemelrijck, and N. D. Belie, “The efficiency of self-healing concrete using alternative manufacturing procedures and more realistic crack patterns,” Cement & Concrete Composites, Vol. 57, 2015, pp. 142 ~ 152. 11. K. V. Tittelboom, J. Wanga, M. Araújo, D. Snoeck, E. Gruyaert, B. Debbaut, H. Derluyn, V. Cnudde, E. Tsangouri, D. V. Hemelrijck, and N. D. Belie, “Comparison of different approaches for self-healing concrete in a large-scale lab test,” Construction and Building Materials, Vol. 107, 2016, pp. 125 ~ 137. 12. A. Kanellopoulos, P. Giannaros, and A. Al-Tabbaa, “The effect of varying volume fraction of microcapsules on fresh, mechanical and self-healing properties of mortars,” Construction and Building Materials, Vol. 122, 2016, pp. 577 ~ 593. 13. T. S. Qureshi, A. Kanellopoulos, and A. Al-Tabbaa, “Encapsulation of expansive powder minerals within a concentric glass capsule system for self-healing concrete,” Construction and Building Materials, Vol. 121, 2016, pp. 629 ~ 643.이광명 교수는 1993년 미국 MIT 토목환경공학과에서 고강도 콘크리트 균열에 관한 연구로 박사학위를 취득한 후 1994년부터 성균관대학교 건설환경공학부에 재직하고 있다. 우리 학회 부회장, 학회지 편집위원회 위원장 등을 역임한 바 있으며 현재는 국토교통부 지원 자기치유 친환경 콘크리트 연구센터장을 맡고 있다. 관심 분야는 자기치유 콘크리트, 콘크리트 내구성, 스마트 건설재료 등이다.leekm79@skku.edu박병선 연구원은 2014년 서울대학교 건설환경공학부에서 단기침지 실험을 이용한 시멘트계 재료 내부로의 염소이온 침투 평가에 관한 연구로 박사학위를 취득하였고, 2015년부터 한국건설생활환경시험연구원에서 자기치유 콘크리트 기술 개발에 관한 연구를 수행하고 있다. 관심 분야는 시멘트계 재료의 내구성 평가, 친환경 건설 재료 개발 등이다. pbs0927@kcl.re.kr제31권 2호 2019. 0315특집 2 | SPECIAL ARTICLES탄소 나노소재를 적용한 자가진단 시멘트 복합체 Self-sensing Cementitious Composites Incorporating Carbon Nanomaterials송치원 Chiwon Song중앙대학교 토목공학과 박사과정최성철 Seongcheol Choi중앙대학교 건설환경플랜트공학과 교수1. 머리말대부분의의콘크리트구조물의노후화가진행됨에따라구조물의유지관리중요성이끊임없이강조되고있다.기존상용센서를콘크리트구조물내에설치할경우센서재료가콘크리트와달라구조물내에서서로다른거동을하게되어장기적으로내구성이저하되며이는계측의신뢰성을떨어뜨리는문제점을유발한다.최근들어,나노테크놀로지의발전으로주목을받는탄소나노소재(carbonnanomaterials)는다양한분야에활용되고있으며,콘크리트재료분야에서는시멘트계재료의역학적특성을향상하는데에주로사용되고있다.특히탄소나노소재를적용한시멘트복합체(CementitiousCompositesIncorporatingCarbonnanomaterials;이하CCIC)는재료자체가센서기능을할수있는자가진단(self-sensing)성능을지니므로앞서언급한기존상용센서를활용한계측시스템의장기내구성및신뢰성의한계를극복할수있는것으로평가된다.본특집기사에서는<그림1>에나타낸바와같이탄소나노소재를적용한시멘트복합체의자가진단기술을소개하고자한다.그림 1. CCIC를 활용한 콘크리트 구조물의 자가진단 기술Magazine of the Korea Concrete Institute 162. 탄소 나노소재의 적용 기술 및 신호측정 기술2.1 탄소 나노소재의 적용 기술자가진단이가능한시멘트계재료배합의가장중요한핵심은충전재로사용하는탄소나노소재의효과적인분산처리기술이다.충전재는주로탄소나노튜브(Carbonnanotube;이하CNT)또는그래핀(Graphene)과같은탄소계열의나노소재가활용된다.이러한탄소계열의나노소재들은높은종횡비와반데르발스(vanderWaals)인력이작용해agglomeration형태로존재하기때문에분산처리가제대로이루어지지않은나노소재를사용할경우시멘트계재료는다양한결함을포함할수있다.따라서,나노소재를시멘트매트릭스내부에서효과적으로분산할수있는기술이필요하며,이를위하여chemicalsurfacemodification(functionalization),physicalsurfacemodification(surfactant,polymerwrapping)그리고ultrasonication등과같은방법이주로활용되고있다.최근에는고강도콘크리트배합에사용되는감수제를계면활성제로활용하여시멘트매트릭스내부에서탄소나노소재를분산하는기술이개발되었다.이러한기술은추가적인분산제를첨가하지않고탄소나노소재를효과적으로분산시킬수있지만,높은에너지가소비되는초음파처리가필요하다는단점이있으며,아직도시멘트계재료내부에서탄소나노소재의효과적인분산처리기술에관해서는많은연구가진행되고있다.시멘트계재료에서어떠한추가적인조치를하지않고도탄소나노소재를시멘트계재료내부에서고르게분산시키기위한보다더단순하고반복가능하며대규모적이고에너지소비를크게줄일방법에관한연구가필요한실정이다.2.2 전기적 신호 측정 기술기본적으로CCIC를활용한자가진단기술은시멘트매트릭스내의conductivenetwork의변화에대한측정을기초로하며,일반적으로시편의전기저항(electricalresistance)또는저항률(resistivity)측정을통해그지표를나타낼수있다.<그림2>에나타낸바와같이일반적으로시편의전기저항을측정하는방법은2-probe와4-probe방법으로나뉘며,전자는단순한측정회로로구성되어있어실험이간편하다는장점이있지만,전극과시편사이에서발생하는접촉저항까지함께측정된다는단점이있다.그러나,4-probe방법은접촉저항을제거할수있기때문에시편의실제저항을정확하게측정할수있다는장점이있다.따라서,다수의연구자는후자에의한방법을통해시편의전기저항을측정하도록권장하고있다.4-probe방법과2-probe방법중하나를사용하여시편의전기저항을측정할때,직류방식(Directcurrent)으로측정하는것이가장보편적인실험방법이다.그러나,<그림3>에나타낸바와같이전기저항을측정하는동안직류전기장이적용되기때문에시멘트계재료내부에존재하는다양한이온들의이동과집합으로인해시편의전기저항이지속해서증가하게되는분극(polarization)현상이발생하게된다.따라서,직류방식을통해시편의전기저항을정확하게측정하는것은매우어렵다.직류방식을통해전기저항을측정할때분특집 2 | SPECIAL ARTICLES그림 2. 시멘트계 재료의 전기 저항 측정 방법1)그림 3. CNT를 첨가한 시멘트계 재료의 분극 현상2) 제31권 2호 2019. 0317극현상을무효화하는방법들은다음과같다.직류전압을시편에지속해서흘려줌으로써분극현상이끝난후저항값이안정상태를유지하게되었을때저항을측정하는것이첫번째방법이다.또다른방법으로는시편에양과음의최대값과최소값을동등하게하는교류방식(alternatingcurrent)을이용하는것이다.비록분극현상은교류신호에도여전히발견되긴하지만주파수의증가혹은교류전압에적용된진폭의감소로인하여분극현상에의한영향력은허용범위가줄어들게된다.3. 시멘트계 재료의 자가진단 기술3.1 응력 및 변형률 감지 기술CCIC는분극현상을무효화시키면내부에존재하는탄소나노소재로인해서일정한저항값을갖게된다.그러나,시편에하중이가해지게됨을통해시편에변형이발생하게되면탄소나노소재간의전자의이동으로인해시멘트계재료에가해지는하중과변형률에따라재료자체의전기저항값이변화하게된다.이러한특성을압저항(Piezoresistivity)효과라고한다.이를활용하여콘크리트구조물또는콘크리트포장체에가해지는하중과변형률을감지할수있다.<그림4>은탄소나노소재중하나인CNT를첨가한시멘트계재료의압저항효과,즉시간에따른시편에발생하는압축응력과이에따른전기저항의변화를나타낸다.시편에발생하는전기저항은압축응력의변화에따라민감하게변화하는압저항효과를나타내고있다.압축응력이증가할수록전기저항은감소하였으며,압축응력이최대값을지나감소할수록전기저항은증가하였다.아래쪽에나타낸그래프는압축응력의변화와전기저항변화사이의관계를나타낸다.그래프의기울기에서알수있듯이단위응력의변화에의하여발생하는전기저항은근사적으로반비례관계를갖는다.3.2 표면 결함 검출 기술시멘트계재료표면에발생한균열또는결함마찬가지로시편의전기저항을지속해서측정함으로써감지할수있다.<그림5>는CCIC에가해지는하중과전기저항의변화를측정한결과를나타낸다.그래프에나타난바와같이하중이점차증가함에따라서시편표면에균열발생시시편이받는하중은급격하게감소하며이와동그림 4. CNT를 첨가한 시멘트계 재료의 압저항 효과그림 5. CCIC의 균열 발생에 따른 저항률의 변화2)Next >