이 연구의 목적은 건설용 유동화제인 폴리카르복실(Poly Carboxylic, PC)계 분산제를 사용한 탄소나노튜브(Carbon-nanotube, CNT) 수용액의 제조방법을 제시하고 평가하는 것이다. 건설용 유동화제인 PC계 분산제를 사용한 CNT 수용액의 건설재료로써 활용 가능성을 검토하기 위해 수화특성 및 미세구조를 분석하였다. 분석을 통해 도출된 CNT-시멘트 복합체의 실험결과를 기반으로 나노스케일 미세구조 발현 3차원 수화해석 프로그램을 제시하였다. 이를 위한 수행 세부 연구목표는 다음과 같다. 1)건설용 유동화제인 PC계 분산제를 활용한 CNT 수용액의 제조방법 및 성능 평가; 2)PC계 분산제를 활용한 CNT 수용액 혼입에 따른 시멘트의 수화반응 및 미세구조, 압축강도 발현 특성평가; 3) 나노스케일 수준의 미세구조 발현 모델링을 적용한 3차원 가시화 시멘트 수화 프로그램 제시로 설정하였다. CNT 수용액의 타산업용 분산제를 건설용 유동화제로 대체하여 시멘트의 수화반응 및 미세구조 발현과 압축강도 발현을 분석하였다. CNT의 혼입량은 시멘트 중량대비 0.1~0.3%로 양생조건은 10, 20, 45℃로 결정하여 실험을 수행했다. CNT 수용액 제조 시 시멘트 페이스트의 유동성 확보와 CNT에 친수성을 부여할 수 있는 PC계 분산제를 사용하였다. CNT 수용액 제조방법은 건설용 재료로서의 사용을 고려하여 대량생산이 가능한 비드밀 및 나노디스퍼져를 이용한 방법으로 제시하였다. CNT가 시멘트 페이스트 내 수화과정에 미치는 영향은 활성화에너지 측정 및 미소수화열 실험을 통해 분석하였다. CNT-시멘트 복합체의 미세구조는 나노-CT와 MIP 실험을 수행하였다. 실험결과를 기반으로 나노스케일 수준의 CNT-시멘트 복합체의 수화반응 모델을 NIST의 CEMHYD 3D 수화해석 모델 기반으로 제시하였다.
PC계 분산제를 사용한 CNT 수용액을 혼입한 시멘트 페이스트의 유동성 확보 및 역학적 성능향상은 타산업용 PVP(Polyvinyl pyrrolidone)계 분산제보다 우수하였다. PC계 CNT 수용액 혼입 시 시멘트 페이스트의 유동성은 감소하였으나 시멘트 중량대비 0.2% 이하 혼입 시 OPC 대비 약 95% 수준을 유지하였다. CNT 수용액 혼입 시 활성화 에너지는 감소하였으며, 시멘트 중량대비 CNT를 0.2% 혼입할 경우 최대 감소가 나타났다. 이는 미소수화열 실험결과에서도 유사하게 나타났다. 미소수화열 실험결과 양생온도 20℃에서 2차 최대점 발생시점은 거의 비슷한 수준임에도 불구하고 최대수화열량은 약 15% 증가하였다. PC계 유동화제로 인해 시멘트 페이스트의 수화지연효과가 발생하지만 CNT에 의해 총수화발열량이 증가함을 확인할 수 있다. 이로 인해 CNT가 화학적 결합에 직접적인 영향을 주지 않았지만, 시멘트 수화물 생성 시 핵종 역할을 수행함을 확인하였다. 미세구조는 나노-CT 실험결과 CNT의 혼입량 증가함에 따라 공극률이 감소하였다. CNT 혼입 시 큰 사이즈의 기공이 감소함은 물론 전체 부피량 또한 50% 이하까지 감소함을 확인할 수 있었다. MIP 실험결과에서도 CNT의 혼입에 따라 공극률이 감소하고 공극의 크기 또한 감소하였다. 수화가 촉진되면서 미세구조가 조밀해짐으로써 압축강도 상승효과가 나타났으며 시멘트 중량대비 0.2% 혼입 시 최대 12.75%의 압축강도 증진 효과를 확인하였다. 또한, 제안된 나노스케일 수준의 CNT-시멘트 복합체 수화반응 모델은 미소수화열 및 압축강도를 잘 예측하였다.