□ Part 1 콘크리트와 관련한 나노기술 개요

 
- 나노(nm)의 크기= 10-9 m

 
종이 한 장은 100,000 nm머리카락은 80,000 nmDNA의 지름은 2.5nm

 
- 나노 크기 입자는 물리적, 화학적, 생물학적으로 특이한 성질을 나타냄(p1: 19)

 
나노 구조로 형성된 어떤 물질은 강도 증가, 열과 전기 전도도 증가, 화학적 반응성 증가, 빛 반사율 증가, 물질 색이 변하는 특징을 보임.나노 크기 입자가 콘크리트에 적용될 경우 표면적이 증가하기 때문에 주위 물질과 접촉 면적이 넓어져서 화학적 반응성에 영향을 줌(P1: 28)

 
- 나노기술의 두가지접근법(p1: 31)

 
하향식 접근법(Top-down approach): 큰 물질이 원래 성질을 잃지 않고 나노 크기로 감소함상향식 접근법(Bottom-up approach): 분자나노기술(Molecular Nanotechnology)이라고 부르며 원자나 분자 크기에서 조립이나 자기조립(Self-assembly)을 통해서 큰 물질로 제조함.
상향식 접근법이 나노기술의 기본 개념임.(p2:1) 

 
- 나노기술을 이용해서 향상시킬 수 있는 콘크리트 성능

 
기계적 성질과 내구성을 향상시킨 높은 성능의 시멘트와 콘크리트 재료.시멘트 생산 과정에서 에너지 소비를 줄이고 안전성을 높이면서 여러 악조건에서 지속 가능한 콘크리트 재료를 생산하고  콘크리트 구조를 향상시킴.나노기술에 바탕을 둔 자기검출형(Self-sensing)과 자기출력형(Self-powered) 재료와 사이버기반기술의 융합을 통하여 지능형 콘크리트 재료를 발전시킴.나노기술에 바탕을 둔 혁신적 처리과정을 통해서 새로운 콘크리트 재료의 개발.나노, 마이크로, 메조, 매크로 크기 콘크리트의 진보된 이해와 모델링을 통해서 다차원 콘크리트 모델을 발전시킴.

 
□ Part 2 현재까지 나노기술에 기반한 콘크리트 연구 (P4:3)

 
나노입자의 첨가는 증가된 표면적이 반응성에 영향을 주거나 시멘트 반죽의 나노 공극을 채움으로써 콘크리트 물성치를 향상시킬 수 있음.나노실리카와 이산화티타늄은 나노 콘크리트에서 가장 많이 보고된 첨가재임.나노재료는 콘크리트의 압축성과 내구성을 개선시킴.탄소나노튜브와 탄소나노섬유는 콘크리트의 강도, 탄성계수, 내구성을 개선하기 위해 사용됨.탄소나노섬유는 인장시 하중 전달을 확실하게 하기 위해 간극과 균열을 잇는 교량 역할을 할 수 있음.최근 시공에서 사용되고 연구 논문에서 보고되는 초고강도 콘크리트(Ultra High-performance Concrete)는 나노기술을 이용한 첨가물이나 나노 변형(Nano-modified)을 활용하여 발전되어 왔음나노기술이 콘크리트에 영향을 주는 방법은 나노변형을 통해서 시멘트 물성치를 개선시키거나 첨가재를 통해서 시멘트 반죽을 변화시키거나 골재에 나노다공성박막(Nanoporous Thin Film)을 사용하여 콘크리트 배합물의 성능을 개선함.콘크리트 내구성은 투수성을 줄이고 수축성을 향상시킴으로써 개선됨. 이러한 영향은 나노 변형된 시멘트나 콘크리트 반죽에 나노 개선된(Nano-developed) 첨가물을 사용해서 구현될 수 있음.

 
⊙ 기계적 물성치(Mechanical properties)

 
- 촘촘한 미세구조 형성과 더 효율적인 시멘트 수화반응 

 
나노 입자로 이루어진 수화물이 핵을 이루어 응집하는 현상으로 시멘트 수화작용을 증진시키고 가속화시킴.콜로이드 실리카의 첨가는 C3S 분해를 가속화시키고 시멘트 풀에서 C-S-H 결합 형성을 빠르게 함.나노 입자는 시멘트 반죽의 나노 간극을 채움.나노 산화규소는 수산화칼슘과 반응함. (포졸란 반응)입자 크기와 시멘트 반죽에서 나노 입자가 얼마나 고르게 섞여 있는지에 영향을 받음.

 
- 향상된 콘크리트 압축 강도 

 
SiO2와 FeO3 나노 입자를 포함한 시멘트 모르타르의 압축과 휨 강성이 보통 시멘트 모르타르보다 높음.(P7:3)나노 Al2O3 첨가는 시멘트 모르타르의 탄성계수를 28일 재령시 143% 증가시킴.나노 ZrO2는 간극과 투수성 감소, 압축강도 증가, 시멘트 반죽의 미세구조 개선효과를 보임.
유기물로 개질된 몬모릴로나이트(Organ-modified Montmorillonites, OMMT)는 소수성을 띄어서 시멘트 모르타르와 콘크리트의 강성과 침투성을 향상시키는데 이용됨.OMMT 입자를 첨가하면 압축강도 40%, 휨강도 10% 향상됨

 
- 인장강도, 연성, 인성을 향상시킨 콘크리트 

 
탄소나노튜브와 탄소나노섬유를 콘크리트에 첨가하면 시멘트 수화물과 결합하여 인장강도, 인성, 내구성이 향상됨.문제는 반데르발스힘 때문에 탄소나노물질 사이에 인력이 작용하여 고루 섞이지 못하고 뭉친다는 것임.상기 문제를 해결하기 위해 고성능감수제(Superplasticizer)나 폴리카본산계분말유동화제를 사용하고 굵은 입자가 섞이지 않은, 가는 입자의 시멘트를 사용해야 함. 

 
- 나노다공성 박막기술을 활용하여 콘크리트 성능 개선 

 
나노다공성 박막을 첨가하면 골재와 시멘트 접촉면의 간극을 8%~22% 감소시켜 콘크리트 포장에서 가로와 세로방향 균열, 모서리 파괴(Corner Breaks), 펀치아웃, D형 균열을 개선시킴.나노 SiO2대 콘크리트 비율이 0.0032되는 모르타르는 양생 초기단계에서 압축력, 휨강도, 인장강도가 평균 35% 향상됨.

 
- 화학과 미생물을 활용한 미세균열의 치료 

 
마이크로 캡슐이 균열에 의해 파괴되면 치료 물질이 촉매재와 함께 흘러나와서 중합(Polymerization)작용으로 인해 균열을 봉합함.

 
- 콘크리트의 전기적 전도도와 응력감지를 위한 나노재료 

 
탄소나노튜브를 시멘트 반죽에 첨가하면 전기적 저항성을 감소시키고, 압축강도가 크게 향상됨.(P20:32)나노 Fe2O3가 첨가된 콘트리트는 압축강도, 휨강도가 향상됨.
또한 응력자가진단 기능을 나타내는데 이것은 시멘트 모르타르에 외부압력을 증가시키면 전기저항이 감소하는 성질을 이용하는 것임.마찬가지로 탄소나노튜브를 함유한 시멘트 반죽도 응력자가진단 기능이 있음.

 
⊙ 내구성(Durability Properties)(P11:15)

 
- 투수성 감소(Reduced Permeability) 

 
나노 SiO2로 구성된 콘크리트의 투수성은 기체, 액체, 이온 이동에 대해 사용 기간을 증가시키는데 충분할 만큼 작음.  반응성 나노 입자가 동전기적으로 이동됨.탄산칼슘 입자가 첨가된 모르타르와 시멘트는 수증기 투수계수가 증가하고 물의 투수계수는 감소함.나노 점토 입자는 기계적 성능 향상, 염화물 침투에 대한 내구성 향상, 콘크리트의 자가다짐 향상, 투수성 감소.

 
- 수축성 향상(Improved Shrinkage Properties) 

 
나노점토입자는 콘크리트의 수축성을 감소시킴.PIE 시멘트(Polymer-intercalated-exfoliated)는 보통 포틀랜드 시멘트보다 10배 이상 휨강도가 크고, 습도에 영향을 받지않음.높은 강성의 C-S-H 겔(gel) 부피 비율이 나노 실리카 첨가에 의해 증가함.높은 강성의 C-S-H 겔의 부피 비율이 6% 나노실리카 첨가시 38%, 18% 나노실리카 첨가시 50%로 변함.

 
⊙ 지속가능하고 안전한 콘크리트 재료와 구조물 

 
- 지속가능한 시멘트

 
벨라이트 시멘트는 이산화탄소 배출량이 적고, 강한 내구성, 장기 강도 강하지만 수화반응 느려서 초기강도 낮음.나노실리카는 고용량 플라이애시 콘크리트의 초기 강도를 81% 증가시킴. 나노실리카가 콘크리트 간극을 채워주는 효과 있기 때문임.
나노실리카가 첨가된 고용량 플라이애시 콘크리트는 수화열이 작음.(51도)

 
- 오염물질이 약화되는 자기정화콘크리트 

 
나노 TiO2 첨가된 콘크리트는 자기경화작용을 하고, 오염물질을 무해한 형태로 변환함.유럽과 일본에서 건물 표면에 바르거나, 콘크리트 포장 재료로 쓰고 있음.

 
⊙ 다차원 콘크리트의 모델링(p15:01)  

 
나노압입시험(Nanoindentation)은 재료의 기계적 물성치를 나노 크기에서 측정하는 방법임.나노크기 탐색침이 재료로 삽입되고 힘에 대한 탐색침의 움직임 결과에 근거하여 하중-변위 곡선이 작성됨.하중-변위 곡선의 기울기와 최대 하중이 나노크기 재료를 특성화 하기 위해 사용됨.주사전자현미경(Scanning Electron Microscope)은 거동을 밝히고 공간상 입자의 관계를 밝혀내기 위해서 나노압입에 사용되는 고해상 현미경임. 규산칼슘수화물(C-S-H gel) 모델링은 나노 압입 방법을 이용해서 수행되고 이 방법을 통해서 두개의 서로 다른 형태의 규산칼슘수화물이 파악됨.혼합물에서 규산칼슘수화물의 양과 형태는 시멘트 반죽의 물성치를 예측하는데 사용됨.일반적인 방법으로 규산칼슘수화물의 나노구조를 조사하기는 어려움.나노기술은 시멘트 수화반응의 진행과정을 관찰하고 콘크리트 강도발현에 대한 지식을 얻기 위해서 사용될 수 있음.

 
⊙ 콘크리트를 분석하기 위해 필요한 나노압입시험(Nanoindentation)과 원자현미경(AFM, Atomic Force Microscopes)

 
나노압입시험은 탐색침을 콘트리트에 관입하여 가한 하중과 관입깊이를 측정하여 탄성계수를 계산하는 시험임.원자현미경방법은 전압 변환기가 장착된 탐색침을 물체 표면에 스캔할 때 캔틸레버 모양의 탐색침이 휘는 정도를 광학지레(광선의 진동으로 길이의 미소한 변화를 측정하는 장치)로 측정하여 물체의 강성을 계산하는 방법임.조사 결과 C-S-H 결합은 낮은 밀도 형태(Low-density Form)와 높은 밀도 형태(High-density Form)로 존재함. 두 형태는 각각 강도와 시멘트에서 차지하는 부피비율이 다름.

 
⊙ 수화반응 분석

 
양생 시간과 물-시멘트 비율이 증가함에 따라 겔 간극(Gel Pore)의 밀도가 증가함.수화열에 의해 화학적으로 결합된 물이 줄어들기 때문에 C-S-H 나노입자를 수축시켜 밀도가 감소함. TiO2 나노입자는 수화반응과 시멘트 강도발현 속도를 증가시키지만 시멘트의 수축량을 증가시킬 수 있으므로 입도분포와 배합비율을 조절하여 최적화시켜야 함.

 
⊙ 포틀랜드 시멘트의 나노크기 모델

 
모델링에 전에 앞서 언급한 나노압입시험이나 초음파원자현미경으로 물체의 탄성계수를 측정하는 것이 선행되어야 함.C-S-H 입자의 결합과 입자간의 힘은 개별요소법(Discrete Element Method)과 분자동역학(Molecular Dynamics)을 이용하여 모델링할 수 있음. 

 
⊙ 나노기술에 바탕을 두고 감지기술의 통합한 지능형 콘크리트 재료 

 
나노전자기계시스템(Nanoelectronic Mechanical System, NEMS)은 나노 크기에서 전기적 재료와 기계적 재료를 통합함.NEMS는 감염원이나 암성분에 정확히 약을 전달하는 의약전달시스템을 개선하는 의료분야에서 발전되었음교통에서 NEMS는 경화된 콘크리트의 미래 응력-변형률 특성을 제공하는 한편 소성상태에서 수화작용을 측정할 수 있게 함. NEMS는 건설 재료의 품질을 확인하는데 사용되도록 설계될 수 있음.NEMS는 수화작용 중에 콘크리트 물성치를 측정하도록 설계될 수 있음. 이 센서는 최종구조체의 응력-변형률 관계를 계속 관찰함으로써 장기 열화를 측정하는데 사용하도록 설계하거나 응력이 초과되었을 때 경고를 보냄으로써 예상치 못한 파괴를 방지하기 위한 안전 지표가 되기도 함. 

 
⊙ 자기감지와 자기검출재료(Self-sensing and Self-powered Materials)

 
콘크리트에 탄소나노튜브 네트워크를 깔고 무선으로 전기 저항을 측정하면 콘크리트의 균열의 초기상태와 확산을 감지하고 감시할 수 있음.

 
⊙ 나노 기술에 근거한 장치(Nano-technology based Devices)

 
NEMS는 콘크리트 품질을 개선시키는데 사용됨MEMS는 혼합과정에서 콘크리트의 밀도, 점착성, 강도발현, 수축 응력과 온도, 습도, 염화물, PH, 이산화탄소 같은 콘크리트 내구성에 영향을 미치는 인자를 측정함.NEMS는 온도와 습도를 효율적으로 감지할 수 있으며 콘크리트 양생과 경화 특성을 측정할 수 있음.철근의 부식에 의한 콘크리트의 화학적 열화 가능성을 예측함.(p21:20)

 
⊙ 콘트리트 포장 설계와 시공 

 
나노 TiO2(NT)를 첨가한 콘크리트 포장은 나노 SiO2를 첨가한 콘크리트 포장보다 마모저항에 강함.5% NT 첨가시보다 1% NT가 더 마모저항에 강함.NT(1% wt)를 첨가한 콘크리트의 휨 피로 저항성이 증가하며 현장에서 이미 사용되고 있음.

 
□ Part 3 사례 연구 

 
⊙ 광촉매 콘크리트 

 
TiO2 첨가된 백색 시멘트는 미적 기능과 아울러 오염 물질 제거 기능이 있음. 로마에 위치한 “Dives in Misericordia” 교회 건설에 활용됨.유리창에 붙어있는 먼지를 제거하는 TiO2 코팅, 박막태양전지, 자외선과 적외선을 차단하는 창문 코팅, 공극이 줄어들어 성능이 향상된 절연체, 정수에 사용되는 나노필터, 산화에 저항성 있는 아스팔트.미국 미주리와 루이지애나에 세워진 고속도로는 TiO2를 함유하고 있어 자외선에 노출될 때 NOx를 분해하는 광촉매제로 작용하여 도시 스모그를 줄일 수 있음.

 
⊙ 자가다짐 콘크리트와 개선된 슬립폼 포장

 
나노실리카 첨가된 콘크리트는 분리저항성을 향상시켜 자가다짐기능과 시공성을 향상시키고 강도를 증가시킴.슬립폼 포장에 사용되는 자가다짐 콘크리트를 만들기 위해 나노점토를 사용함.슬립폼 포장은 시공할 수 있도록 유동성을 갖추고 동시에 거푸집이 없어도 형태를 유지할 수 있도록 단단해야 함. 슬럼프치 5cm 이하 콘크리트 사용.슬립폼 포장시 슬립폼 내부에 위치한 진동 다짐기로 과다짐하면 골재간 분리현상이 발생함. 마그네슘 알루미노 규산염으로 구성된 나노점토를 첨가하면 다짐 중 유동성과 다짐 후 안정성 사이에 균형을 유지할 수 있음.

 
⊙ 초고강도 콘트리트 교량

 
2006년 미국 아이오와주, 버지니아주, 뉴욕시에서 각각 나노기술로 초고강도 콘트리트 거더를 생산하여 교량을 건설함.H형 강관 말뚝과 무게가 비슷하지만 연직저항력이 더 뛰어난 H형 초고강도 콘크리트 말뚝이 아이오와주에서 개발되었음.

 
□ Part 4 미래 연구 방향과 도전적 과제

 
⊙ 나노 기술이 접목된 콘트리트의 미래 연구 방향

 
불필요한 운반을 최소화하고 그 지역에서 최대로 활용 가능한 공학 재료를 나노기술을 사용하여 개발함.
연성, 신축성, 통기성, 투수성이나 비투수성을 갖춘 콘크리트를 개발함.동상, 부식, 황산염, 알칼리실리카 반응이나 다른 환경적 요인으로부터 저항할 수 있는 콘크리트 배합 기술.폭발 저항성, 전기전도성이 있거나 온도, 습도, 응력을 감지할 수 있는 특수한 콘크리트 제품 생산.

 
⊙ 도전적 미래 과제

 
나노물질의 생산이 지속가능한지, 비용과 에너지면에서 효율적인지 검토 필요함.고성능감수제(superplasticizer)나 빠른 교반방법을 사용하는 것 외에 나노물질이 뭉치지 않고 고루섞일 수 있는 기술 개발이 필요함.환경에 피해를 주지 않도록 연구와 시공이 이루어져야 함.다양한 분야간 협업이 필요함.
나노 크기 시멘트 물질의 영상화(Imaging)에 있어 기술 발전이 필요함.