산화그래핀을 함유한 스마트시멘트의 내화성 거동에 관한 연구

현재 건설자재는 자가 치유, 자가 감지, 내구성 등 다기능으로 개발돼 있다. 구조 상태 모니터링(SHM) 기술은 엔지니어링 된 구조물의 안전 및 안정성 성능을 모니터링하고 평가할 수 있기 때문에 반드시 개발되었다. 그러나 구조적 호환성 저하, 낮은 사용 수명, 장기 유지 비용 증가 등 기존 센서(스트레인 게이지, 가속도계, 광섬유 센서 등)의 단점은 적용을 제한한다. 탄소 나노 물질과 같은 전도성 필러로 가득 찬 시멘트 복합물은 외부 적재에 대한 저항성-스트레인 민감성, 즉 피에조 저항성 때문에 더 많은 관심을 끌었다. 따라서 피에조 저항성 시멘트 기반 변형 센서(PCSS)는 양호한 호환성, 높은 민감도와 내구성, 그리고 경제적인 미래 유지보수 비용 때문에 산업용 애플리케이션을 사용할 수 있다.

시멘트 복합체에 사용되는 일반적인 탄소 기반 나노물질은 탄소 섬유(CF), 탄소 나노섬유(CNF), 탄소 블랙(CB), 탄소 나노튜브(CNT), 그래핀을 포함한다. CF는 PCSS에 사용된 최초의 재료 중 하나로, 부피 저항성과 압축 응력 사이의 관계를 통해 콘크리트의 상태를 감시한다. 나노소재의 발달로 PCSS에서는 탄소 나노소재의 종류가 점점 더 많이 적용되고 있지만, CF와 CNT로 채워진 자가 감지 시멘트 복합체의 정확성은 논란이 되고 있다. 합성물에 그래핀을 적용하는 이유는 표면적이 넓고 기계적 강도가 높으며 전기 전도성이 높기 때문이다. 그래핀 나노 플렛(GNP)에 의해 변형된 시멘트 복합물은 압력 민감도를 나타내며, 게이지 계수는 피크 값 7.783에 도달한다. 그러나 그래핀과 다른 탄소 나노물질의 공통적인 결함은 나노시트 사이의 강한 밴더 발스 힘에 의해 야기되는 수용액의 수경성 때문에 시멘트 매트릭스의 분산을 나쁘게 하고 그래핀의 궁극적인 성능을 약화시킨다. 이전의 연구에 따르면, 그래핀 산화물은 만족스러운 친수 성질을 가진 시멘트 복합물에 사용되는 그래핀의 가장 인기 있는 파생물이다. GO의 분자 구성은 하이드록실(-OH), 카 복실(-COOH), 카보닐(-C=O-) 및 에폭시 데스(-CH(O) CH-)와 같은 기본 구조에 일부 기능 그룹을 포함하고 있으며, 이는 시멘트와 강한 인터페이스 효과를 유발하며 행렬에서 이상적인 분산을 유발한다. 이전의 연구는 GO로 채워진 시멘트 복합체의 기계적 특성에 초점을 맞췄다. 일반적으로 GO는 다른 탄소 나노 소재에 비해 낮은 농도에서 시멘트 복합체의 압축 강도를 개선하는데 더 분명한 이점을 보여준다. 예를 들어, GO 없이 시멘트 매트릭스에 0.05wt.% 의 GO만 통합하면 압축 강도가 거의 48% 향상된다. 그러나, 전기 특성에 대한 몇 가지 연구가 발표되었음에도 불구하고, GO를 구성하는 시멘트의 피에조 내성 용량에 대한 연구는 여전히 드물다. 또한, 피조 저항성은 시멘트 매트릭스의 수분 함량에 매우 민감합니다. 따라서 물 대 시멘트 비율(w/c)과 수분 함량을 고려해야 한다.

본 논문에서는 피에조 내성 감도의 그래핀산화물/시멘트 복합물(GO/CC)을 w/c 비율로 다르게 준비했다. 서로 다른 GO 콘텐츠를 가진 복합체의 작업성과 압축 강도를 시험하였다. 그 후, GO의 내용물과 습기가 다른 GO/CC의 전기적, 피에조 저항적 특성을 조사하였다. 마지막으로, GO/CC 변형 센서의 산업 적용 가능성을 연구하기 위해 GO/CC의 전도 메커니즘과 피에조 저항성을 분석하였다.

시멘트 페이스트를 준비하기 위해 포틀랜드 시멘트 타입 42.5R(중국 쿤밍 주 화신 시멘트 주식회사)가 사용되었다. X선 형광물질(XRF)에 의해 얻어진 시멘트의 화학적 성분은 표 1에 나와 있다. 10 mg/mL의 GO 겔은 청두 유기화학회사에서 조달하였다. Ltd., Chengdu, 중국 및 공급업체가 제공한 화학 및 물리적 특성은 표 2에 제시되어 있습니다. GO 시트의 전기 전도도는 약 13S/m이다. 시멘트 페이스트에서 GO의 확산을 촉진하기 위해 중국 청두 시카 빌딩 자재(Sika Building Material Ltd.)에서 얻은 폴리카 복실 레이트 초가소성제(PC)가 계면활성제로 사용됐다.