Material Properties of Ultra-High Performance Concrete with Carbon Nanotubes and Ozone Water

Abstract

Ozone water is active in its own chemical reaction and have an effect in dispersing Carbon Nanotubes (CNTs). Due to the dispersion, CNTs can give additional self-detection capability of ultra-high performance concrete (UHPC) and improve mechanical properties. Focusing on these performance, this paper aimed to establish the overall material properties of O3-UHPC and UHPC produced by adding CNTs.

In order to achieve the purpose of this study, changed physical and chemical properties of O3-UHPC made from ozone water at specific concentrations were identified using specially designed ozone water generators. and machine learning techniques were applied to the results of the compressive strength experiments to analyze the compression strength trends of O3-UHPC according to the concentration of ozone water.

As a result, the compression strength test confirmed that if the concentration of ozone water exceeds 0.55 g/ml, compressive strength of UHPC may have no effect or reduced. Also, O3-UHPC have slightly more fluidity when concentration of ozone is below than 0.03 g/ml.

As shown by the hydration reaction test, X-ray diffraction (XRD) and Thermogravimetric analysis (TG) results, O3-UHPC specimens that have been over a few minutes can be confirmed that the effects of ozone water have disappeared and have almost the same chemical composition as general UHPC.

In case of CNTs, mechanical and chemical properties of each UHPC-CNT composite produced by mixing a certain percentage of CNTs are summarized, and suitable CNTs mixing rate were proposed to facilitate the performance of the UHPC-CNT composite and on-site construction ability.

Result of applying machine learning technique to the experimental results of compressive strength of UHPC mixed with CNTs, it can be confirmed that the physical performance of composite materials significantly decreases when CNTs is mixed with more than 0.1% of cement weight. The chemical composition of the composite material also shows that the properties of the cementitious material do not work well if CNT is mixed above a certain concentration.

Lastly, to ensure the positive effects of ozone water and CNTs on UHPC at the same time, experiments were conducted by setting up additional groups of experiments to make a difference between the concentration of ozone and the rate of CNTs.

As a result of compressive strength mapping of UHPC produced by setting the concentration of ozone water and CNTs mixing ratio as variables in three dimensions, if the concentration of ozone water is 0.4 g/ml, and CNTs mixing ratio is 0.2% by weight of cement, the compressive strength resulting in higher performance than using either CNTs or ozone water.

This suggests that when UHPC composites are produced at a rate of specific ozone concentrations and CNTs with steam curing, it can give a variety of additional performance, including electromagnetic shielding by CNTs, while expressing similar mechanical performance than general UHPC.

오존수는 자체적으로 화학 반응이 활발하며 탄소나노튜브 (CNTs)를 분산시키는 효과가 있다. 분산으로 인하여, CNT는 초고성능 콘크리트 (UHPC)의 자가 감지 능력을 추가로 부여할 수 있으며 동시에 기계적 특성도 개선할 수 있다. 본 논문은 이러한 성능 발현에 초점을 두어 오존수로 제작한 O3-UHPC와 CNT를 첨가하여 제작한 UHPC의 전반적인 재료 특성을 확립하는 것을 목표로 한다.

본 연구의 목적을 달성하기 위해 특수 제작된 오존수 생성기를 이용하여 특정 농도에서의 오존수로 제작한 O3-UHPC의 변화된 물리적, 화학적 재료 특성을 확인하였으며, 압축강도 실험 결과에 대해 기계 학습 기법을 적용하여 오존수의 농도에 따른 압축강도 추세를 분석하였다. 이러한 결과에 입각해 O3-UHPC의 성능 발현이 용이할 수 있도록 이상적인 오존수 농도 구간을 소개하였다.

압축강도 시험 결과, 오존수 농도가 0.55 g/ml 이상일 때, UHPC의 압축 강도의 변화가 없거나 충분히 발현되지 않음을 확인할 수 있으며, 0.03 g/ml 이하일 경우 유동성이 소폭 향상되지만 그 수치보다 더할 경우 유동성의 변화가 미비하였다. 또한 수화 반응 시험, XRD, TG 결과를 통해 몇 분 이상 경과한 O3-UHPC 시료는 오존수의 영향이 사라졌으며 일반 UHPC와 거의 동일한 화학 구조를 가지고 있음을 유추할 수 있다.

CNT의 경우, 일정 비율의 CNT를 혼입하여 제작한 각 복합 재료의 기계적, 화학적 특성을 정리하였으며, 복합 재료의 성능 발현 및 현장 시공성이 용이할 수 있도록 적합한 CNT 혼입률을 제안하였다.

UHPC에 CNT가 혼입되어 제작된 복합재료의 압축강도 실험 결과 기계 학습 (Machine Learning) 기법을 적용한 결과, CNT를 시멘트 중량 대비 0.1% 이상 혼합하였을 때 복합재료의 물리적 성능이 현저히 감소하였으며, 화학적 구성도 CNT가 일정 농도를 초과하여 혼합될 경우 시멘트성 재료의 특성이 발현되지 않음을 확인할 수 있다.

마지막으로, 오존수와 CNT가 UHPC에 미치는 긍정적인 효과를 동시에 발현시키기 위해 UHPC-CNT 복합재료 제작 시 오존수를 이용하였으며 오존수의 농도와 CNT 혼입률에 대한 변수의 차이를 두는 것으로 실험군을 추가로 설정하여 실험을 수행하였다.

오존수의 농도와 CNT 배합율을 변수로 설정하여 제작한 UHPC의 압축강도 결과를 3차원으로 매핑한 결과, 오존수의 농도가 0.4 g/ml, CNT 혼입률이 시멘트 중량 대비 약 0.2%로 조절한 후 증기 양생을 실시하였을 때, 복합재료의 압축 강도가 최대로 발현되었으며, 이는 강섬유를 혼입하여 제작한 일반 UHPC와 비슷한 강도를 발현하는 것을 확인할 수 있다.

이는 UHPC 복합 재료가 특정한 오존수의 농도와 CNT의 비율로 고온 증기 양생을 통해 생산될 경우 일반 UHPC보다 유사한 기계적 성능을 발현하면서 전자파 차폐 기능을 비롯한 다양한 추가 성능을 부여할 수 있음을 시사한다.