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ISSN : 2093-5145(Print)
ISSN : 2288-0232(Online)
Journal of the Korean Society for Advanced Composite Structures Vol.9 No.4 pp.101-107
DOI : https://doi.org/10.11004/kosacs.2018.9.4.101

A Study on the Mechanical Properties of Engineered Cementitious Composites Containing Cellulose Nano-crystals

Hyung-Joo Lee1, Heon-Seok Lee1, Jun-Ho Kim2, Seung-Wone Choi2, Woo-Suk Kim3
1Ph.D Student, Department of Architectural Engineering, Kumoh National Institute of Technology, Gumi, Korea
2Undergraduate Student, School of Architecture, Kumoh National Institute of Technology, Gumi, Korea
3Professor, School of Architecture, Kumoh National Institute of Technology, Gumi, Korea

본 논문에 대한 토의를 2019년 2월 28일까지 학회로 보내주시면 2019년 3월호에 토론결과를 게재하겠습니다.


Corresponding author: Kim, Woo-Suk School of Architecture, Kumoh National Institute of Technology, Daehak-ro 61, Gumi, Gyeongbuk 39177, Korea. Tel: +82-54-478-7591, Fax: 82-54-478-7609, E-mail: kimw@kumoh.ac.kr
November 16, 2018 December 6, 2018 December 6, 2018

Abstract


In this study, an experiment was conducted to investigate the improvement of strength of cement pastes using Cellulose Nano-Crystals (CNCs) aqueous solution. First, to determine the performance of CNCs, an aqueous solution was prepared according to the mixing amount to compare the strength of cement pastes containing no aggregates. The amount of CNC was 0.1, 0.2, and 0.4 (vol.%) compared to cement and the flexural strength was increased about 8 times compared with plain at 0.4 (vol.%). Based on the previous basic experiments, the authors propose a new Engineered Cementitious Composites (ECC) type using steel and flax fibers for improving structural performance by evaluating the strength characteristics after manufacturing ECC with 0.4, 0.8, and 1.2 (vol.%) aqueous solution of CNCs.



셀룰로오스 나노크리스탈을 혼입한 섬유보강 고인성 시멘트 복합체의 역학적 특성에 관한 연구

이 형주1, 이 헌석1, 김 준호2, 최 승원2, 김 우석3
1금오공과대학교 건축공학과 박사과정
2금오공과대학교 건축학부 학사과정
3금오공과대학교 건축학부 교수

초록


본 연구에서는 Cellulose Nano-Crystals (CNCs) 수용액을 이용하여 시멘트 페이스트의 강도 향상에 대한 실험을 수행 하고 이 연구결과를 토대로 하여 CNC 혼입에 따른 섬유보강 고인성 시멘트 복합체의 강도 특성에 관한 실험을 진행하였다. 먼 저, CNC의 최적 배합비를 결정하기 위한 일환으로, 골재를 포함하지 않은 시멘트 페이스트의 강도 특성을 비교하기 위해 CNC 혼입율에 따라 수용액을 제조하였다. CNC 혼입율은 시멘트 대비 0.1, 0.2, 0.4 vol.%를 주요 변수로 하였고, 이에 따른 휨강도는 0.4 vol.%에서 플레인 시험체와 비교시 최대 8 배까지 강도가 증가하는 것을 확인할 수 있었다. 이 연구결과와 기존 연구결과를 토대로 하여, 본 연구에서는 0.4, 0.8 및 1.2 vol.%의 CNC 혼입율을 주요변수로 한 강섬유와 아마섬유를 활용한 섬유보강 고인 성 시멘트 복합체 시험체를 제작한 후 역학적 강도 특성을 평가하여 섬유보강 고인성 시멘트 복합체의 구조적 성능을 규명하 였다.



    Ministry of Land, Infrastructure and Transport
    18CTAP-C133534-02

    1. 서 론

    1.1 연구배경 및 목적

    현재 나노기술을 이용한 분야는 전자, 바이오, 의료 등에서 다양한 연구 및 상용화 단계에 이르고 있다. 하지만 건설 분야에서는 나노기술을 이용한 연구가 미비한 실정이며 나노재료를 시멘트에 직접적으로 사용한 연구는 미미한 실정이다.

    본 연구에 사용된 셀룰로오스 나노크리스탈 (Cellulose Nano-Crystals, CNCs)은 목질계 바이오매스 를 통하여 얻을 수 있는 셀룰로오스로부터 추출한 것으로써 기계적 공정을 거쳐 생산된 분말형태의 재 료이다. CNCs는 비결정영역(Non-crystalline)을 제외한 결정영역(Crystalline)으로만 이루어져 있으며 직경 5∼ 30 nm, 길이 100∼700 nm의 막대모양을 나타낸다. 또한, 고탄성률 및 고강도의 기능화가 가능한 특성 을 가지고 있다는 점에서 시멘트의 나노스케일 보강 재로 유망한 재료이다. 또한, 추출공정 환경이 다른 타 건설재료에 비해 안전에 대한 위험성이 낮으며, 지속 가능성 등의 이점이 있다.

    따라서 본 연구에서는 건설재료중 나노재료를 사 용한 시멘트 복합체의 역학적 특성에 관한 기초 연 구로써 시멘트 배합시 사용되는 배합수 대신 수용액 형태의 CNCs 혼입율에 따른 강도특성을 비교하였으 며 추가적으로 강섬유와 아마섬유를 활용한 섬유보 강 고인성 시멘트 복합체(Engineered Cementitious Composites: ECC)의 구조 성능 평가를 통해 최적의 배합을 제시하고자 하며 이를 통해 건설 분야 나노 기술 발전의 시발점이 되고자 한다.

    2. 선행연구 고찰

    2.1 국내연구

    Hyung-Joo Lee et al.(2017a)은 초음파 분산 후 CNC 의 분산을 유지하기 위해서는 표면개질 등의 처리가 필요할 것으로 판단되며, 그렇지 않을 경우 추후 시 멘트 복합체에 CNC를 적용하는 실험을 진행할 때 초음파 분산 후 5∼10분 이내에 혼합을 진행하는 것 을 권장하였다.

    Hyung-Joo Lee et al.(2017b)은 증기양생 시간에 따른 강도특성 실험적으로 평가하였고, 그 결과 CNC가 시멘트수화에 영향을 미치며 강도증진에 영 향을 주는 것은 24시간 이후부터이며 이후 양생 시 간에 따라서는 큰 차이가 나타내지 않는다는 것을 규명하였다.

    Hyung-Joo Lee et al.(2017c)은 CNC의 분산처리 방법에 따른 결정 구조 분석을 위해 1) CNCs 분산 전 형태인 Powder, 2) 증류수에 CNC를 혼입한 현탁 액, 3) 초음파 분산을 거친 CNC 수용액 등 세 가지 물질을 SEM 분석하였고, 이를 통해 CNC Powder는 구(球)형태로 나타났으며, 증류수에 CNC를 넣은 용 액의 경우 뭉치는 현상이 나타나 CNC는 친수성이 강하며 장시간 방치 시 Gel 형태가 되는 현상을 나 타낸다는 것을 규명하였다. 또한, 초음파 분산기를 사용한 경우 막(membrane)형태를 나타내는 것을 확 인하였다.

    2.2 국외연구

    Yizheng Cao et al. (2016a)은 CNC의 첨가가 시멘트 페이스트의 성능에 어떠한 영항을 미치는지 연구하 였다. CNC 혼입량에 따른 시멘트 페이스트의 휨강 도는 Plain 대비 20∼30% 향상 되는 결과를 나타냈 다. 이러한 결과는 시멘트 내에서 CNC가 수화도 증 가에 기인하는 것으로 가정하였으며, 실험적 관찰에 근거하여, CNC 시스템인 단락확산 매커니즘으로 수 화속도 증가를 설명하였다. 또한, CNC 혼입율은 시 멘트대비 0.2(vol.%)에서 최대로 증가하였고, 혼입량 이 높아질수록 강도가 감소함을 확인하였다.

    Yizheng Cao et al.(2015)의 연구에서는 기계적 방 법(초음파 분산)과 화학적 방법(WRA)을 통해 CNC 를 분산시켰다. CNC를 분산시키고 혼입한 경우 시 멘트페이스트의 휨강도를 최대 50%까지 향상시켰다.

    Yizheng Cao et al.(2016b)은 초음파 처리를 거친 CNC의 분포 와 시멘트 페이스트 미세구조에 미치는 영향에 대해 연구하였으며, 초음파 처리가 다공성을 크게 감소시키는 것을 발견하였다.

    Tengfei Fu et al. (2017)은 서로 다른 원재료 출처 와 가공기술이 다른 9개의 CNC를 측정하였다. 측정 방법으로는 등온열량측정(IC), 열중량분석(TGA) 등 의 시험을 진행하였으며, CNC를 사용한 시멘트 복 합체 모두에서 수화도가 증가한 것을 확인하였다.

    Hyung-Joo Lee et al.(2018)은 CNC 및 CNF의 혼 입량에 따른 강도 시험을 진행하였다. 실험 결과 Plain 대비 강도가 전반적으로 감소하였으며, 분포저 하에 따른 원인으로 판단하였다.

    3. 실험 개요

    시멘트가 경화되는 동안 수화생성물은 비 수화된 시 멘트 입자주위에 막(shell)을 형성하여, 쉘 내부로 물 의 확산을 늦춘다. 이러한 현상은 시멘트 코어내의 수화에 영향을 미치게 되어 결과적으로 강도에 영향 을 미치게 된다. 시멘트 내 CNC는 수화되지 않은 시멘트 코어로의 물 이동 경로 역할을 하게 되어 강 도 증진에 영향을 주게 된다. 본 실험에서는 기존 연구에 따른 결과를 바탕으로 CNC 혼입율에 따른 시멘트 페이스트 강도 특성을 분석하였고, 그 결과 를 토대로 혼입율 증가에 따른 강도변화를 살펴보 기 위해 잔골재가 첨가된 모르타르와 추가적으로 강섬유와 아마섬유를 활용하여 섬유보강된 ECC 형 태의 시멘트복합체에서의 역학적 특성 분석을 진행 하였다.

    3.1 CNCs의 분산

    CNC의 표면에는 수많은 수산기가 존재하여 물에 첨 가할 경우 분산과정을 거치지 않으면 입자간의 뭉침 현상이 발생한다. 또한, 장시간 방치할 경우 Gel 형 태가 되어 CNC의 물리적 특성이 발휘되기가 더욱 어려워진다.

    본 실험에서 사용한 분산 방법은 자력교반 및 초 음파 분산을 사용하였는데 Hyung-Joo Lee et al. (2017c)에 따르면 초음파분산기만을 사용하였을 경우 막대모양을 나타내지 않고 막(membrane) 형태를 나 타낸다는 것을 확인할 수 있었다. 이는 적정 분산 에너지량을 적용하여도 CNC가 초음파를 내보내는 Sonicator Probe 주변에 뭉쳐있는 현상이 발생에 따 른 것으로 판단된다. 따라서 본 실험에 서는 자력교 반기를 통하여 1차적으로 뭉침현상을 제거한 후 초 음파 분산을 진행하였다.

    CNC의 원(原)형태는 Powder를 나타내며 수용액 제작을 위하여 1차 정화된 증류수를 사용하였는데, Table 1과 Fig. 1은 각각 CNC Powder의 물리적 특성 과 Powder상태의 분산 전, 그리고 수용액 상태에서 CNC의 분산 후를 나타낸 것이다.

    3.2 강도 및 SEM 분석

    CNC 혼입율에 따른 수용액을 이용한 시멘트 페이스 트 및 ECC 배합사항은 Table 2, 3과 같다. 시멘트 페이스트의 경우 시멘트 대비 혼입량 0.1, 0.2, 0.4(vol.%)에 따른 강도실험을 진행하였으며, ECC의 경우 앞선 시멘트 페이스트 기초실험의 결과를 토대 로 CNC 증가량에 따른 강도특성을 보다 명확하게 평가하기 위하여 혼입율 0.4, 0.8, 1.2(vol.%)의 시멘 트 복합체를 제작하였다. 또한, CNC 혼입율에 따라 섬유를 보강하여 CNC 혼입율과 섬유 유무에 따른 강도 특성 비교를 진행하였다. 실험에 사용된 아마 섬유(Flax fiber)는 인장강도 1500 MPa (밀도 1.5g/cm3)이며, 강섬유(Steel fiber)는 2750 MPa (밀도 7.75g/cm3)를 사용하였다.

    압축강도 실험의 경우 KS L ISO 679에 따라 진 행 하였으며, 모르타르 몰드(50mmX50mmX50mm)에 제작 후 CNC 혼입량 및 섬유에 따른 28일 평균 압 축강도를 비교하였으며, 휨강도의 경우 KS F 2408에 따라 빔 몰드(40mmX40mmX160mm)실험을 진행 하 였고 Dog-bone(25.4mmX25.4mmX76.2mm) 몰드에 제 작 후 KS F 5104에 따라 실험을 진행하였다. 또한, 강도 특성 분석에 따른 CNC의 시멘트 내 형상을 확 인하기 위해 SEM(Scanning Electrochemical Microscope) 분석을 실시하였다.

    4. 실험 결과 및 고찰

    4.1 시멘트페이스트 강도실험 결과

    시멘트 페이스트의 28일 평균 압축강도는 Plain에서 47 MPa를 나타냈으며 CNC 수용액 이 첨가됨에 따 라 강도가 급격히 증가되는 양상을 나타냈다. Fig. 2

    CNC 0.1(vol.%)이상 부터는 강도 상승이 미미하 고0.4(vol.%)에서 Plain 대비 약 40% 향상되는 결과 를 나타냈다.

    평균 휨강도의 경우 압축강도와 마찬가지로 CNC 수용액 첨가한 시험체에서 강도 상승폭이 큰 것으로 확인되었다. 휨강도의 경우 CNC의 혼입량이 증가 할 수록 강도가 상승되는 양상을 나타냈으며 0.4(vol.%) 에서 Plain 대비 약 8배 상승된 결과를 나타냈다. Fig. 3

    평균 인장강도 실험결과 Fig. 4와 같이 휨 강도와 비슷한 양상을 나타냈다. CNC 수용액이 첨가됨에 따 라 급격한 강도상승을 나타냈으며, CNC 0.1∼ 0.2(vol.%) 까지 소폭 상승 하였다가 0.4(vol.%)에서 Plain 대비 5배 상승된 결과를 나타냈다. 이러한 강도 실험 결과는 Mazlan et. al.(2016)에서와 같이 CNC가 첨가됨에 따라 시멘트 코어 내 수화에 영향을 주어 C-S-H gel 생성이 증가됨에 따른 것으로 판단된다.

    4.2 섬유보강 고인성 시멘트 복합체 (ECC) 강도실험 결과

    CNC 혼입량이 증가할수록 친수성의 특성에 의한 물 흡수력이 증가하기 때문에 시멘트 비빔시 유동성이 저하하게 된다. 이에 따른 플로우 값을 일정하게 유 지하기 위해 감수제의 양을 증가시켰으며 이러한 배 합사항은 Table 3에 나타내었다.

    먼저, CNC가 혼입된 ECC 섬유가 보강되지 않은 CNC보강 시멘트 복합체 압축강도의 경우 Fig. 5와 같이 CNC가 첨가됨에 따라 강도가 향상되는 양상이 나타났다. 0.4, 0.8(vol.%)에서는 Plain 대비 최대 약 40% 증가되었으며 1.2(vol.%)에서는 강도가 감소되는 경향을 나타냈다. 이는 다량의 CNCs를 혼입할 경우 시멘트 내에서 뭉치는 현상이 발생하여 수화작용을 방해하는 것으로 판단하였다. 아마섬유가 보강된 CNC 혼입율에 따른 압축강도 특성을 Fig. 6과 같이 나타내었다. 아마섬유를 보강한 시험체에서도 0.8 (vol.%)에서 가장 높은 강도를 나타냈다. 하지만 아 마섬유 보강시 CNC를 첨가하여도 강도상승 폭이 크 지 않은 경향이 나타났다. 이는 시멘트 내 섬유로 인한 공극 발생으로 인한 요인으로 판단된다.

    Fig. 7은 강섬유를 보강한 CNC혼입 시멘트 복합 체의 압축강도를 나타낸 것이다. 강섬유를 혼입한 시험체에서는 Plain 대비 약 15%의 상승률을 나타낸 0.8(vol.%)시험체를 제외하곤 강도변화가 미비하였다.

    섬유가 혼입되지 않은 CNC의 혼입율에 따른 휨 강도 특성은 Fig. 8과 같으며, 0.4, 1.2(vol.%)에서 Plain시험체와 유사한 양상을 나타냈고 0.8(vol.%)에 서 Plain대비 약 2.5배 증가하는 양상을 나타냈다.

    Fig. 9와 같이 아마 섬유를 혼입한 시험체에서는 Plain 시험체 대비 강도변화가 미비한 양상을 나타냈 다. 하지만 Fig. 10과 같이 강섬유혼입시 0.4, 1.2 (vol.%)에서는 소폭상승 하였고 0.8(vol.%)에서는 약 2배 상승하는 결과를 나타냈다.

    4.3 SEM분석 결과

    시멘트에서의 CNCs 분산 형상을 확인하기 위한 SEM 분석결과는 Fig. 11과 같이 Rod Shape의 CNCs 입자들이 시멘트 내 분포되어있는 것을 확인 할 수 있었으며 이는 기존문헌에서와 같이 시멘트 코어로의 수화를 돕는 역할을 하는 것으로 판단된 다. 또한, Fig. 12에 나타나듯이 아마섬유가 보강된 ECC 시험체의 SEM 분석에서는 섬유로 인한 공극 현상이 나타나 강도 저하의 요인이 되는 것으로 판 단하였다.

    5. 결 론

    본 연구는 CNC의 혼입율에 따른 시멘트 페이스트를 실험을 통해 혼입율 증가에 따른 ECC를 제작하여 강도 특성 비교를 진행하였으며 이에 따른 결론은 다음과 같다.

    • 1) CNC가 혼입된 시멘트 페이스트에서 혼입율 증가에 따른 강도향상 효과가 나타났으며 0.4(vol.%) 혼입한 시험체에서 압축강도는 Plain 대비 약 40% 향상하였으며 휨, 인장강도는 Plain 대비 5∼8배 향 상되는 결과를 나타냈다.

    • 2) CNC 혼입율 증가에 따른 ECC 강도 실험 비 교결과 아마섬유로 보강된 시험체에서는 대체적으로 Plain대비 강도 변화가 미비한 경향을 나타냈다. 이 는 섬유주변 공극과 천연섬유의 수분 흡수율이 높은 특징에 따른 CNC 수용액 흡수로 인해 손실이 발생 하여 수화작용에 방해가 되는 것으로 판단하였다. 하지만 강섬유를 보강한 시험체에서는 대체적으로 강도가 증가하는 양상이 나타났다. 그중에서도 휨 강도 실험의 경우 0.8(vol.%)에서 대략 2배가량 향상 되는 결과를 나타냈으며 전체적인 파괴양상에서 Plain은 취성파괴에 비해 CNC가 혼입된 시험체에서 는 연성효과를 볼 수 있는 것으로 나타났다.

    • 3) CNC혼입량에 따른 시멘트 내 강도발현을 비 교하였을 때 적정 혼입율은 0.8(vol.%)인 것으로 판 단되며 그 이상 혼입시 강도가 감소하는 경향을 나 타내었다. 이는 다량의 CNC가 혼입되었을 시 시멘 트 내에서 분산되지 않고 뭉치는 현상에 기인하는 것으로 판단된다.

    이러한 연구결과를 토대로 하여 차후 CNC 유무 에 대한 시멘트 코어에서의 수화반응에 대한 실험을 진행할 예정이다.

    ACKNOWLEDGMENT

    The authors thank the Infrastructure and Transportation Technology Promotion Research Program funded by the Ministry of Land, Infrastructure and Transport of the Korean government, for all funding of this work under the grant [code# 18CTAP-C133534-02].

    Figure

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    Before- and After-dispersion of CNC type
    KOSACS-9-101_F2.gif
    Compressive Strength of CNC Cement Paste
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    Flexural Strength of CNCs Cement Paste
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    Tensile Strength of CNCs Cement Paste
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    Compressive Strength of Engineered Cementitious Composites (Non-fiber)
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    Compressive Strength of Engineered Cementitious Composites (Flax fiber)
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    Compressive Strength of Engineered Cementitious Composites (Steel fiber)
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    Flexural Strength of Engineered Cementitious Composites (Non-fiber)
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    Flexural Strength of of Engineered Cementitious Composites (Flax-fiber)
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    Flexural Strength of Engineered Cementitious Composites (Steel-fiber)
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    SEM Analysis (20K)
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    SEM Analysis of Flax Fiber in Engineered Cementitious Composites (5K)

    Table

    Physical Properties of CNCs
    CNCs cement paste mix proportion
    ECC Mix Proportion

    Reference

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