This study aimed to investigate an influence of carbon nanotube (CNT) content on the mechanical and electrical characteristics of CNT/cement composite and confirm the possibility and effectiveness for applying CNT/cement composite as a new construction material with self-sensing function in field site. Accordingly, this study presents an investigation on morphology, mechanical and electrical characteristics of CNT/cement composite. In particular, the study focused on the electrical characteristics including piezoresistive property to conduct a sensing function to external forces and deformations. The present study consists of three stages including CNT/cement paste, CNT/cement mortar and field test. In CNT/cement paste, the mechanical and electrical characteristics of the composite with different CNT contents (CNT 0.0, 0.2, 0.4, 0.5, 1.0 % by cement weight) were mainly investigated to study an influence of CNT content on the mechanical and electrical characteristics. In CNT/cement mortar, the electrical characteristics of composite with different CNT contents (CNT 0.0, 0.2, 0.4 by cement weight) and different level of damage (the number of internal hole) were mainly studied to confirm the possibility and effectiveness for an application of sensor to external forces through the experiments and field test.
As a result, it was found that the increase of CNTs over the certain CNT content negatively affects the mechanical and electrical characteristics due to the low dispersibility of CNTs. Also, CNT/cement composite at the certain CNT content provides the effective sensing function with the high sensitivity and accuracy of response to external forces. Consequently, the results suggest that the possibility and effectiveness of CNT/cement composite for an application of sensor to external forces and deformations in the field site.
본 연구는 탄소나노튜브를 혼입한 시멘트 복합체의 압저항 특성을 포함한 전기적 성질에 대한 연구를 통해 외부응력 및 변형을 감지할 수 있는 탄소나노튜브/시멘트 복합체 개발을 목표로 수행되었다. 본 연구에서 활용되는 탄소나노튜브는 흑연판이 튜브와 같이 둥글게 말린 형태로 sp2의 강한 화학결합을 바탕으로 뛰어난 역학적, 열적, 전기적 성능을 통해 건설분야를 포함한 다양한 분야에서 연구 및 활용되고 있다. 건설분야에서의 탄소나노튜브에 대한 연구의 대다수는 역학적 성능과 열적 성능을 중심으로 이루어져 왔으며 압저항 특성을 중심으로 하는 전기적 성질에 대한 연구는 제한적으로 이루어져 왔다. 따라서 본 연구에서는 탄소나노튜브의 뛰어난 전기적 성질을 바탕으로 압저항 특성에 대한 연구와 탄소나노튜브 혼입률에 따른 전기적 성질의 변화거동 연구를 수행하였다.
본 연구는 외부응력에 대해 물질의 내부 전기저항이 변화하는 압저항 특성을 중심으로 하는 전기적 성질과 역학적 성질에 대한 탄소나노튜브 혼입률에 따른 영향에 대해 연구하였다. 또한 탄소나노튜브/시멘트 복합체의 압저항 특성을 활용한 외부응력에 대한 감지센서로서의 활용가능성과 실효성을 확인하였다. 본 연구는 탄소나노튜브/시멘트 페이스트, 탄소나노튜브 /시멘트 모르타르, 현장실험으로서 총 3단계로 나누어 연구를 진행하였다. 탄소나노튜브/ 시멘트 페이스트는 5 종류의 탄소나노튜브 혼입률에 따른 시멘트 복합체의 역학적 성능과 전기적 성능에 대한 기본적인 연구를 수행하였다. 잔골재를 함유한 탄소나노튜브/시멘트 모르타르 단계에서는 압저항 성능을 포함한 전기적 성질을 중심으로 연구를 진행하였다. 모르타르 단계에서는 3 종류의 탄소나노튜브 혼입률과 실험체에 임의의 손상을 일으켜 손상의 정도에 따른 전기적 성질의 변화에 대한 연구를 수행하였다. 탄소나노튜브/시멘트 모르타르 연구를 바탕으로 교통센서의 형태로 실험체를 제작하여 실제 도로에서 현장실험을 실시하였다.
본 연구의 결과로서 특정 탄소나노튜브 혼입률 이상의 혼입은 탄소나노튜브의 낮은 분산성능으로 인해 역학적 성능과 전기적 성능을 저하시키는 것으로 나타났으며 구체적인 전기적 성질 측면에서는 특정 탄소나노튜브 혼입률의 시멘트 복합체가 다른 실험체와 비교하였을 때, 외부응력을 가장 민감하고 정확하게 감지하는 것으로 나타났다. 따라서, 본 연구를 통해 탄소나노튜브/시멘트 복합체의 외부응력 및 변형을 감지하는 센서로서의 가능성과 실제현장에서의 실효성을 확인할 수 있었다.