2.1 재료

2.1.1 시멘트와 잔골재

본 연구에서는 S사에서 제조한 보통 포틀랜드 시멘트를 사용하였으며, 시멘트의 비중은 3.13, 분말도는 3,860 ㎠/g이다. 아울러, 본 연구에 사용된 잔골재는 0사에서 생산된 부순 모래로, 기계식 파쇄(crushing) 과정을 통해 제조되었다. 잔골재의 입도 특성을 알아보기 위해 KS F2504(잔골재의 밀도 및 흡수율 시험방법) 기준에 따라 체분석을 수행하였다. Fig. 1은 본 시험을 통해 얻어진 부순 모래의 입도분포 특성을 나타낸 곡선이다. 입도분포를 분석한 결과, 0.15 ㎜ 체에서 약 5 %, 0.6 ㎜ 체에서 약 28 %, 2.36 ㎜ 체에서는 약 65 % 이상 입자가 통과하는 것으로 나타났으며, 4.75 ㎜ 체에서는 약 92 % 입자가 통과하였다. 곡선은 급격한 기울기 변화 없이 완만한 상승 곡선을 나타내고 있어, 시험에 사용된 잔골재가 고르게 분포된 양질의 입도를 가지고 있음을 알 수 있다. 아울러, 본 연구에 사용된 부순 모래의 물리적 특성은 Table 1과 같다.

Fig. 1. Particle Gradation Curve of the Crushed Sand Used in This Study

Table 1. Physical Properties of Crushed Sand

Size (㎜)	Unit weight (kgf/㎥)	Density (g/㎤)	Water absorption (%)	Fineness modulus (FM)
2≤ 4.75	1,788	2.65	0.75	3.51

2.1.2 다중벽탄소나노튜브(MWCNT)

Fig. 2는 MWCNT의 이미지를 100,000배의 배율로 확대하여 촬영한 SEM 사진이다. 분말 형태의 MWCNT는 입자의 직경이 10∼100 ㎚, 길이는 0.1∼5 ㎛ 범위로, 이를 물에 분산시켜 총 중량의 2 wt.%가 MWCNT 고형분으로 구성된 분산액을 사용하였다.

Fig. 2. SEM Image of MWCNT Used in This Study (×100,000)

2.1.3 탄소섬유(CF)

본 연구에 사용된 탄소섬유는 평균 직경은 7 ㎛, 평균 길이는 6 ㎜이며, 종횡비는 857이다. Fig. 3은 탄소섬유의 이미지를 각각 500배 및 10,000배로 확대하여 촬영한 SEM 사진이다. 즉, 탄소섬유의 직경이 매우 매끄럽게 나타나, 시멘트 매트릭스와의 계면 부착 특성이 매우 불량한 조직임을 알 수 있다.

Fig. 3. SEM Images of CF Used in This Study. (a) ×500, (b) ×10,000

2.2 배합 및 제작

본 연구에서는 전도성 재료를 혼입하지 않은 일반 콘크리트 보도블록과 MWCNT와 CF를 혼입한 전기전도성 콘크리트 보도블록을 제작하였다. 전기전도성 콘크리트 보도블록의 자가 발열 성능 및 재료 특성을 비교, 분석하기 위해 선행 연구를 바탕으로 총 6가지 배합을 실험 변수로 설정하였다^{(Rahman et al., 2022)}. CNT 혼입률은 퍼콜레이션 임계 범위 및 작업성 저하를 고려하여 전기적 성능과 재료 특성이 확보되는 0.6 wt.%로 고정하였으며, CF는 장거리 전도 경로 형성 효과를 고려하여 선행 연구에서 일반적으로 적용되는 범위인 0.6 및 1.0 vol.%를 실험 변수로 선정하였다. 이를 통해 단일 및 조합 전도성 재료 혼입에 따른 자가 발열 및 재료 특성을 비교하고자 하였다. 콘크리트 보도블록의 배합 설계는 Table 2와 같다. 1그룹은 전도성 재료를 혼입하지 않은 일반 배합(NC)이며, 2그룹은 시멘트 질량 대비 0.6 wt.%의 MWCNT만을 혼입한 배합(CNT0.6)이다. 3그룹은 부피 대비 0.6 vol.% 및 1.0 vol.%의 CF를 각각 혼입한 배합(CF0.6, CF1.0)이며, 마지막으로, 4그룹은 MWCNT 0.6 wt.%와 CF 0.6 vol.%, 1.0 vol.%을 함께 혼입한 조합 배합(CNT0.6 + CF0.6 및 CNT0.6 + CF1.0)로 선정하였다. 모든 배합은 물-시멘트비(W/C)는 0.45로, 시멘트 : 잔골재 : 배합수 = 1 : 2 : 0.45의 비율로 하였다. Fig. 4는 개발된 전기전도성 콘크리트 보도블록의 단면 구조를 나타낸 것이다. 본 보도블록은 상부 전도성 콘크리트 층과 하부 일반 콘크리트 층으로 구성된 이중 구조로 설계되었다. 상부 층 내부에는 스테인리스 스틸 메쉬 형태의 두 전극과 Pt100 센서를 중앙부에 설치하였다. 아울러, 전기전도성 콘크리트 보도블록의 자가 발열 성능 및 현장 적용 가능성을 고려하여 2전극 방식(two-electrode method)을 채택하였으며, 스테인리스 스틸 메쉬 전극은 보도블록 단면 기준으로 서로 평행하게 배치하였다. 이때 전극의 매입 간격은 66.7 ㎜로 동일하게 설정하였고, 매입 깊이는 상부 표면으로부터 30 ㎜로 일정하게 유지하였다. 시멘트 혼합물을 200 × 200 × 60 ㎣ 몰드에 타설하고, 다짐과 성형과정을 통해 전도 경로와 온도 감지 기능을 안정적으로 확보되도록 제작하였다.

Fig. 4. Cross-Sectional Diagram of an Electrically Conductive Concrete Sidewalk

2.3 IoT 센저 기반 자가 발열 모니터링 시스템의 구성

Fig. 5는 전기전도성 콘크리트 보도블록을 활용한 IoT 센서 기반 자가 발열 모니터링 시스템의 구성도를 나타낸 것이다. 본 시스템은 냉동고 내 저온 환경(-20℃)에서 콘크리트 보도블록의 내부 및 표면온도를 측정하고, 동시에 냉동고 내 외기온도와 습도를 실시간으로 모니터링되도록 시스템이 구성되었다. 콘크리트 보도블록의 내부 및 표면온도는 PT100 센서를 이용하여 측정되며, 수집된 데이터는 Wi-Fi를 통해 클라우드 서버로 전송된다. 클라우드 서버는 전송된 데이터를 기반으로 현재 상태를 판단하고, 관리자 또는 사용자에게 메시지 형태로 전달한다.

Fig. 5. Configuration Diagram of IoT Sensor-Based Self-Heating Monitoring System

2.4 실험 방법

본 연구에서는 KS F 4419(보차도용 콘크리트 인터로킹 블록) 규정에 따라 재료의 특성을 평가하기 위해, 콘크리트 보도블록의 휨강도 및 흡수율을 측정하였다. 일반 콘크리트 보도블록의 기준 성능은 Table 3과 같이 규정되어 있다.

3.1 콘크리트 보도블록의 휨강도 특성

Fig. 6은 각 콘크리트 보도블록의 휨강도 시험 결과를 나타낸 그래프이다. 전도성 재료를 혼입하지 않은 ‘NC’ 콘크리트 보도블록의 휨강도는 4.75 MPa로 측정되었으며, 단일 전도성 재료만을 혼입한 ‘CNT0.6’, ‘CF0.6’ 및 ‘CF1.0’ 콘크리트 보도블록의 휨강도는 각각 4.93 MPa, 5.12 MPa 및 5.25 MPa로 나타냈다. 하이브리드 전도성 재료를 함께 혼입한 ‘CNT0.6 + CF0.6’ 및 ‘CNT0.6 + CF1.0’ 콘크리트 보도블록의 휨강도는 각각 5.11 MPa 및 5.32 MPa로 나타냈다. ‘NC’와 ‘CNT0.6’을 제외한 모든 콘크리트 보도블록이 KS F 4419 규정의 품질기준(5.0 MPa)을 상회하였으며, 이는 전도성 재료의 혼입이 시멘트 매트릭스 내부의 미세 균열 전파를 억제하고, 네트워크 형성을 통해 응력 분산 효과를 부여한 결과로 판단된다. 아울러, 배합별로 콘크리트 보도블록 시험체 3개(n = 3)를 대상으로 시험을 수행한 결과, 평균 휨강도는 약 5.08 MPa, 표준편차는 약 ±0.12~0.17 MPa 범위로 나타났다. ‘NC’와 ‘CNT0.6’을 제외한 모든 배합이 KS F 4419의 휨강도 기준을 만족함을 확인하였다. 특히, ‘CNT0.6 + CF1.0’ 콘크리트 보도블록은 5.32 MPa로 가장 높은 휨강도를 보여, 이는 MWCNT 주변에서 CF 섬유가 브리징(bridging) 역할을 수행하여 계면 결합력을 강화한 결과로 분석된다.

Fig. 6. Comparison of Variations in the Flexural Strength of Concrete Sidewalk Blocks

3.2 콘크리트 보도블록의 흡수율 특성

Fig. 7은 각 콘크리트 보도블록의 흡수율 측정 결과를 나타낸 그래프이다. 전도성 재료를 혼입하지 않은 ‘NC’ 콘크리트 보도블록의 흡수율은 6.32 %로 측정되었으며, MWCNT 단일 전도성 재료만을 혼입한 ‘CNT0.6’ 콘크리트 보도블록은 6.23 %로 ‘NC’ 콘크리트 보도블록에 비해 소폭 감소하였다. 아울러, CF 단일 전도성 재료만을 혼입한 ‘CF0.6’ 및 ‘CF1.0’ 콘크리트 보도블록은 각각 6.19 % 및 6.11 %로 나타나, 약간 감소하였다. 하이브리드 전도성 재료를 함께 혼입한 ‘CNT0.6 + CF0.6’ 및 ‘CNT0.6 + CF1.0’ 콘크리트 보도블록의 흡수율은 각각 6.21 % 및 6.04 %로 측정되었으며, 그중 ‘CNT0.6 + CF1.0’ 콘크리트 보도블록이 가장 낮은 값을 나타냈다. 이는 MWCNT와 CF의 네트워크 형성이 미세공극을 효과적으로 차단하여 시멘트 매트릭스의 치밀화를 유도한 결과로 분석된다. 모든 콘크리트 보도블록은 KS F 4419의 흡수율 기준(≤7 %)을 만족하였다. 아울러, 배합별로 콘크리트 보도블록 시험체 3개(n = 3)를 대상으로 시험을 수행한 결과, 평균 흡수율은 약 6.18 %, 표준편차는 약 ±0.07~0.11 % 범위로 나타났다. 모든 배합이 KS F 4419의 흡수율 기준을 만족함을 확인하였다.

Fig. 7. Comparison of Variations in the Water Absorption Rate of Concrete Sidewalk Blocks

3.3 콘크리트 보도블록의 전기 비저항 특성

Fig. 8은 콘크리트 보도블록의 재령 28일에서 전기 비저항을 나타낸 그래프이다. 본 연구에서는 측정된 전기 저항값을 전기 비저항 계산식($\rho = R \times A/L$)을 이용하여 환산하였다. 여기서 $\rho$는 전기 비저항(Ω.㎝), R은 저항(Ω), A는 전류가 통과하는 단면적(㎠), L은 전류의 이동 거리(㎝)를 의미한다. 이를 통해 각 콘크리트 보도블록의 전도성 특성을 비교, 분석하였다. 전도성 재료를 혼입하지 않은 ‘NC’ 콘크리트 보도블록의 전기 비저항은 3.16 × 10⁵ Ω·㎝로 가장 높게 나타났으며, 전도성 재료가 혼입되지 않아 전류 흐름 경로가 형성되지 못한 것으로 분석된다. 반면, MWCNT만을 혼입한 ‘CNT0.6’ 콘크리트 보도블록의 전기 비저항은 각각 1.16 × 10⁵ Ω·㎝로 ‘NC’ 콘크리트 보도블록 대비 약 63.3 % 감소하였다. 아울러, CF만을 혼입한 ‘CF0.6’ 및 ‘CF1.0’ 콘크리트 보도블록은 전기 비저항이 각각 4.14 × 10² Ω·㎝ 및 2.88 × 10² Ω·㎝로 ‘NC’ 콘크리트 보도블록 대비 약 99.9 % 이상 감소하였다. 이는 길이가 긴 탄소섬유가 매트릭스 내에서 연속적인 전류 전달 경로를 형성하여 전도성을 급격히 향상시킨 결과로 볼 수 있다. 하이브리드 전도성 재료를 함께 혼입한 ‘CNT0.6 + CF0.6’ 및 ‘CNT0.6 + CF1.0’ 콘크리트 보도블록의 전기 비저항은 각각 1.35 × 10² Ω·㎝ 및 9.0 × 10¹ Ω·㎝로 나타나, ‘NC’ 콘크리트 보도블록 대비 99.96 % 이상 감소하였다. 이는 MWCNT가 CF 사이의 미세공극을 채워 전자 터널링 경로를 형성하고, CF가 거시적 전도성 네트워크를 형성함으로써 미시적–거시적 전도 경로가 상호 연결된 결과이다.

Fig. 8. Comparison of Variations in the Electrical Resistivity of Concrete Sidewalk Blocks

3.4 콘크리트 보도블록의 자가 발열 특성

Fig. 9는 다양한 인가전압에 따른 각 콘크리트 보도블록의 발열로 인해 나타난 내부 및 표면온도의 최대 발열 특성을 비교하여 나타낸 그래프이다. 인가전압이 증가함에 따라 모든 콘크리트 보도블록의 내부 및 표면온도는 뚜렷하게 증가하였다. 특히 하이브리드 전도성 재료를 함께 혼입한 콘크리트 보도블록은 단일 전도성 재료만을 혼입한 경우에 비해 높은 발열 온도를 나타내어, 이는 전도성 네트워크의 형성에 의해 전류가 효율적으로 전달되었기 때문으로 판단된다. 특히, 인가전압이 30 V인 경우, 전도성 재료를 혼입하지 않은 ‘NC’ 콘크리트 보도블록의 내부 및 표면온도는 각각 -19.3°C 및 -19.4°C로, 발열이 거의 발생하지 않았다. 반면 ‘CNT0.6 + CF1.0’ 콘크리트 보도블록은 내부 97.2°C, 표면 65.6°C로 가장 높은 온도 증가하였다. 이는 MWCNT와 CF의 하이브리드 재료 혼입으로 인해 입자 간 접촉이 형성되고, 미세 및 거시 전도 경로(conductive path)가 효율적으로 형성된 결과로 판단된다. 즉, MWCNT와 CF를 각각 단일 재료로 혼입할 때는 발열 효과가 제한적이었으나, 두 재료를 함께 혼입함으로써 상호 보완적인 전도성 네트워크가 형성되어 내부 및 표면온도가 모두 크게 향상되는 시너지 효과가 확인되었다. 따라서 MWCNT와 CF의 하이브리드 재료 혼입은 장거리 전류 수송 경로와 전도성이 동시에 구축되는 네트워크를 형성함으로써, 내부 및 표면온도가 전반적으로 향상되는 경향을 보였다. Fig. 10은 발열 실험 후 파단 면에서 채취한 각 시편의 SEM 이미지를 나타낸 것이다. 시멘트 매트릭스 내 전도성 재료의 분포 특성을 관찰하기 위해, ‘CF0.6’ 콘크리트 보도블록은 500배율로, ‘CNT0.6’ 콘크리트 보도블록은 50,000배율로 각각 촬영하였다. Fig. 10(a)에 나타난 SEM 이미지에서 확인할 수 있듯이, ‘CF0.6’ 콘크리트 보도블록에서는 다량의 CF로 섬유가 서로 연결되어 전도성 경로가 형성된 것을 알 수 있다. Fig. 10(b)에서 나타난 ‘CNT0.6’ 콘크리트 보도블록의 경우 미세 직경의 MWCNT가 시멘트 매트릭스 내에 분포되어 있으며, 수화 생성물 사이에서 가교(bridging) 역할을 수행함으로써 다수의 전도성 경로가 형성된 것으로 판단된다.

Fig. 9. Comparison of Maximum Heating According to Various Applied Voltage. (a) Internal Temperatures, (b) Surface Temperatures

Fig. 10. SEM Images within the Cement Matrix. (a) CF0.6 (×500), (b) CNT0.6 (×50,000)

아울러, Fig. 11은 인가전압 30 V에서 콘크리트 보도블록의 열화상 이미지를 나타낸 것이다. ‘CNT0.6 + CF1.0’ 콘크리트 보도블록은 최대 표면온도 65.6℃로 가장 높게 나타냈으며, 열화상 이미지에서도 가장 선명한 발열 분포가 관찰되었다. 이는 CNT와 CF의 하이브리드 혼입이 전도성 네트워크를 상호 보완적으로 형성함으로써 발열 효율을 효과적으로 향상시킨 결과로 판단된다.

Fig. 11. Thermal Images Sidewalk Block at 30 V