The pursuit of sustainable and durable cementitious composites has led to a growing interest in alternative materials that can improve mechanical performance while reducing CO2 emissions. Nanomaterials, in particular, offer promising avenues due to their unique properties, including high surface area to volume ratio and increased reactivity. This study investigates the efficacy of Cellulose Nanofibers (CNF) in enhancing the durability of mortar exposed to sulfate attacks and alkali-silica reactions (ASR). Both MgSO4 and Na2SO4 solutions were employed to simulate sulfate attacks, while the role of CNF in mitigating ASR was also evaluated. Results indicate that CNF incorporation positively impacts the resistance of mortar against sulfate attacks and ASR, paving the way for eco-friendly and durable cement-based structures with extended service life.

The significance of this study lies in addressing critical issues prevalent in the worldwide construction sector, particularly concerning the durability and sustainability of cement-based materials. Plain cement composites commonly suffer from deficiencies in tensile strength and strain capacity, resulting in the formation of nano-cracks under relatively low tensile loads. These nano- cracks pose a significant challenge to the longevity and resilience of cement matrices, contributing to structural degradation and reduced service life of infrastructure. To mitigate these challenges, the integration of cellulose nanofibers (CNF) as reinforcements in cement composites presents a promising solution. CNF, renowned for their exceptional material properties including high stiffness, tensile strength, and corrosion resistance, offer the potential to significantly enhance the mechanical performance and durability of cement-based materials. Through systematic experimentation, this study investigates the effects of CNF reinforcement on the mechanical properties of cement composites. By leveraging ultrasonically dispersion techniques, CNF extracted from bamboo, broad leaf, and kenaf are uniformly dispersed within the cement matrix at varying concentrations. Compressive and flexural tests are subsequently conducted to evaluate the impact of CNF on the strength characteristics of the cement composites. By elucidating the efficacy of CNF reinforcement through rigorous experimentation, this study aims to provide valuable insights into the development of construction materials with improved durability and sustainability. Ultimately, this research contributes to addressing critical challenges in the construction industry, offering potential solutions to enhance the performance and longevity of cement-based infrastructure.

This research investigates the incorporation of eco-friendly materials, namely fly ash and artificial interior stone sludge into cement grouts. The study aims to establish the correlation between the microstructural properties and the compressive strength, providing a comprehensive behavior of fly ash and artificial interior stone (AIS) sludge on the cement grouts. A multifaceted experimental approach encompassing compressive strength testing, mercury intrusion porosimetry, thermogravimetric analysis, and scanning electron microscopy is employed. The result indicated that incorporating fly ash and artificial interior stone sludge into cement grouts led to a reduction in the porosity and refinement of the pore size. The thermogravimetry analysis revealed a notable impact of fly ash and artificial interior stone sludge on hydration and phase transition. The scanning electron microscopy findings of the microstructural enhancement confirmed that the combined incorporation of fly ash and AIS sludge densified the structure.

도로 노반의 동공 채움보수 및 지반 보강 방법으로 시멘트 혼합물을 사용한 그라우팅 보수공법이 널리 사용되고 있 다. 그러나 그라우팅의 재료로 사용되는 보통 포틀랜드 시멘트는 생산 과정에서 다량의 이산화탄소가 발생하여 환경오염 의 주요 원인으로 간주된다. 따라서 시멘트의 대체 재료로서 각종 산업부산물의 활용 가능성에 대한 연구가 활발하게 이 루어지고 있다. 본 연구에서는 도로 하부 동공 보수 및 보강용 그라우팅 재료로써, 제지 공정에서 발생하는 슬러지를 소 각하여 얻은 제지애쉬(Paper Ash)의 활용 가능성을 유변학적 관점에서 평가하였다. 제지애쉬는 보통 포틀랜드 시멘트와 화학적 조성이 비슷한 것으로 알려져 있다. 제지애쉬-시멘트 혼합물을 물-바인더 비율(W/B) 및 시멘트 치환율에 따라 유변학적 특성을 실험적으로 평가하였다. 실험 결과 제지애쉬의 특성상 100% 제지애쉬 혼합물은 유동성이 매우 낮은 결 과를 나타냈으며, 시멘트 치환율 20%까지 유의미한 유동 특선 개선 효과는 보이지 않았다. 그러나 시멘트 치환율이 20~30% 구간에서 유동성이 급격하게 개선되는 현상을 확인하였고, 30% 이상부터 추가적인 유동성 개선 효과는 미미하 였다. 또한 W/B가 높을수록 유동성은 개선되나 시멘트 치환율이 증가함에 따라 블리딩 발생량이 증가함을 확인할 수 있 었다.

본 논문은 일제강점기 조선에서 시멘트를 본격적으로 생산하기 시작한 이래, 건축적으로 주요한 변화의 기점 및 그 배경을 도출하는 사적(史的) 연구에 큰 목적이 있 다. 이를 위해 시멘트 산업과 관련한 일본 국내의 상황 과 일제 치하 조선에 적용된 정책을 고찰하는 한편, 구 체적인 건축자재의 유형과 특징을 살펴보고 시멘트가 건축·토목사업의 주요 자재로 사용되는 양상을 규명하 고자 했다. 소재와 기술 면에서 진일보한 근대적 건축자재는 근 대와 전근대 건축을 구분하는 비교적 명확한 기준이라 고 할 수 있다. 산업혁명으로 추동된 공업화, 산업화 과 정을 거쳐 일정한 규격으로 양산된 자재들은 열강의 식 민지 확보 경쟁에 따라 일원화되기 시작한 전 세계 시 장에 판매되었다. 건축자재가 열강의 점유지역을 중심으로 범용성을 획 득함에 따라 건축문화의 지역 특성은 이전보다 미약해 지고 보편화되었다. 자본주의와 시장경제, 대량생산과 신소재의 등장이 건축문화에도 영향을 미친 것인데 가 장 대표적인 자재로 철, 유리 그리고 시멘트를 꼽을 수 있다. 특히 시멘트와 그 파생 자재들은 근대 이후 공장을 통해 대량으로 생산되기 시작한 가장 대표적인 건축자 재이다. 거푸집 형태와 시공 방법에 따라 자유로운 형 태 연출이 가능하고, 일정한 품질로 양산과 유통을 할 수 있다는 장점이 있다. 또한 댐 건설과 철도부설 등 대 규모 토목공사에서 필수적으로 대량 수요가 발생할 뿐 아니라 구조, 마감, 방수 등 건축공정의 거의 모든 부문 에 걸친 범용성을 지녔기 때문에 근대적 건축자재로서 대표성을 띤다. 한국에서 근대적 의미의 건축용 철강과 판유리, 시멘 트는 개항 이후 일제강점기를 거치며 도입되었다. 철의 경우는 미쓰비시제철(三菱製鐵)이 1917년 황해도에 건 설한 겸이포제철소를 통해 1918년부터 생산을 시작했 는데, 당시 생산된 철은 대부분 선철(銑鐵)로, 군수용 납품이 주목적이었다. 시멘트는 일본의 오노다(小野田)시멘트 주식회사가 1917년, 평양 인근인 평안남도 강동군 승호리에 공장을 건설하고 1919년부터 생산을 시작했다. 1936년부터 우 베(宇部)시멘트, 아사노(淺野)시멘트 등 일본의 시멘트 자본이 추가로 진출하면서 조선 북부지역의 석회석 매 장지대를 따라 공장을 건설했다. 조선에서 생산되는 시 멘트는 점차 생산량과 수출을 늘려가면서 조선 국내뿐 아니라 일본과 만주의 수요에 대응했다. 유리의 경우 의료와 식기용 병의 제조소는 확인할 수 있지만, 건축 용 판유리의 본격적인 공장생산이 이루어진 것은 해방 이후로 생각된다. 일본의 대표적 시멘트 제조사인 ‘오노다시멘트 제조 주식회사(小野田セメント製造株式会社)’는 일본, 대만, 조선, 만주의 시멘트 수요 증가 예측에 기반하여 1913 년부터 준비 단계를 거쳐 1919년 평안남도 강동군 승 호리에 평양지사 공장을 설립하고 시멘트 생산을 시작 한다. 시멘트 생산 초기의 수요는 철도, 도로, 교량 등 대형 토목공사에 집중되었다. 시멘트는 잔골재와 물, 기타 혼화재료를 섞은 콘크리트로 가공하여 교량의 기초와 교 각, 댐과 항만의 거대한 제방을 이루었고 콘크리트관과 블록은 배수시설과 축대의 주요 자재로 사용되었다. 시 멘트는 토목공사에서 널리 쓰이며 자연 지형을 극복하 는 수단이 되어 도시기반시설의 중요한 기반이 되었다. 벽돌 조적조가 다수를 이루던 건축의 구조에도 1920 년대부터 점차 콘크리트 도입이 늘어났다. 1923년 일본 에 발생한 관동대지진을 계기로 건축자재의 내화·불연 성능에 관한 관심이 높아지면서 다양한 건축자재와 시 공수법의 개발이 진행되어 시멘트, 콘크리트의 실효성 이 높아졌으며 이는 조선에도 영향을 미쳤다. 시멘트는 인조석과 슬레이트, 시멘트기와 등 건축의 다양한 마감 재로 가공되었으며 전통적 건축자재인 석재와 흙을 대 체하면서 건축의 경량화를 이끌었고 불연·내화재료로써 각광받았다. 1920년대 후반부터는 조선 북부 압록강 일대의 수력 개발 사업으로 인해 댐과 발전소 건설로 대량의 시멘트 수요가 발생하는 가운데 오노다시멘트의 평양지사 증설 과 공장 추가 건설, 일본의 우베시멘트(宇部セメント㈱) 와 아사노시멘트(浅野セメント㈱)의 진출로 조선의 시 멘트 생산은 계속 증가했다. 수요가 집중되는 도시 인 근에는 시멘트기와, 관(管), 슬레이트 등 시멘트 관련 건축자재를 생산하는 공장이 집중적으로 설립되었다. 일본이 대륙침략을 본격화하면서 1937년 중일전쟁을 기점으로 조선도 전시체제에 돌입한다. 모든 자원의 사 용이 법으로 제한되면서 군수를 제외한 전 산업은 타격 을 받게 되었다. 철 및 비철금속의 사용을 금지하는 법령으로, 기존에 철근 및 철강을 사용하기로 계획되어 있던 건물은 공사 가 연기되거나 설계 변경을 통해 그 자재를 교체하기에 이른다. 이런 상황 속에서 관 주도로 소위 ‘대용품 공 업’을 진흥시키게 되는데 건축자재도 본래에 사용했던 금속 성분을 최대한 배제하고 시멘트 등을 혼합하여 화 학적 처리를 통해 대체품을 찾고자 했다. 이러한 일련의 건축자재 대용품은 구조용 재료로써 철을 대체하기에는 강도가 약했기 때문에 주로 소형 철 물과 설비, 상하수도관, 마감재 종류 개발에 집중되었 다. 그러나 범용성, 성형 용이성, 색채연출, 내수‧내화‧ 내산 성능 면에서는 기존 자재에 비교하여 우수한 측면 이 있었기 때문에 전쟁 종료 이후에도 신흥산업으로 계 속 진행되었다. 한편 자원 수급 통제를 위해 여러 제도를 마련하면 서, 자원을 분배하기 위한 배급제를 시행하게 된다. 전 쟁이라는 비상 상황의 대처를 위한 이와 같은 일련의 조치들은 종전 후의 건축 자재 유통구조 형성에도 영향 을 미치게 되었다. 이러한 연구 결과를 통해 1920년대 이후 한국 근대 건축사 전개에 있어 시멘트라는 근대건축 주요 자재가 보편화되는 양상과 건축 및 토목에 있어서 구별되는 건 축자재로서의 지향, 전쟁과 같은 비상시에 건축의 경제 적 효율을 추구하기 위해 단행된 변혁의 특징을 제시할 수 있다.

미세구조 특성의 불확실성은 재료 특성에 많은 영향을 준다. 시멘트 기반 재료의 공극 분포 특성은 재료의 역학적 특성에 큰 영향을 미치며, 재료에 랜덤하게 분포되어 있는 많은 공극은 재료의 물성 예측을 어렵게 한다. 공극의 특성 분석과 재료 응답 간의 상관관계 규명에 대한 기존 연구는 통계적 관계 분석에 국한되어 있으며, 그 상관관계가 아직 명확히 규명되어 있지 않다. 본 연구에서는 합성곱 신경망(CNN, convolutional neural network)을 활용한 이미지 기반 데이터 접근법을 통해 시멘트 기반 재료의 역학적 응답을 예측하 고, 공극분포와 재료 응답의 상관관계를 분석하였다. 머신러닝을 위한 데이터는 고해상도 마이크로-CT 이미지와 시멘트 기반 재료의 물성(인장강도)로 구성하였다. 재료의 메시 구조 특성을 분석하였으며, 재료의 응답은 상장균열모델(phase-field fracture model)에 기 반을 둔 2D 직접 인장(direct tension) 유한요소해석 시뮬레이션을 활용하여 평가하였다. 입력 이미지 영역의 기여도를 분석하여 시편 에서 재료 응답 예측에 가장 큰 영향을 미치는 영역을 CNN을 통하여 식별하였다. CNN 과정 중 활성 영역과 공극분포를 비교 분석하 여 공극분포특성과 재료 응답의 상관관계를 분석하여 제시하였다.

PVA 섬유 보강 시멘트 복합체는 매우 복잡한 미세구조를 가지고 있으며, 재료의 거동을 정확히 평가하기 위해서는 미세구조 특성 을 반영하여 실제 실험과 시너지효과를 내며 효율적인 재료 설계를 가능하게 하는 해석 모델의 개발이 중요하다. PVA 섬유 보강 시멘 트 복합체의 역학적 성능은 PVA 섬유의 방향성에 큰 영향을 받는다. 그러나 마이크로-CT 이미지로부터 얻은 PVA 섬유의 회색조 값 을 인접한 상과 구분하기 어려워, 섬유 분리 과정에 많은 시간이 소요된다. 본 연구에서는 섬유의 3차원 분포를 얻기 위하여 0.65μm3 의 복셀 크기를 가지는 마이크로-CT 이미지 촬영을 수행하였다. 학습에 사용될 학습 데이터를 생성하기 위해 히스토그램, 형상, 그리 고 구배 기반 상 분리 방법을 적용하였다. 본 연구에서 제안된 U-net 모델을 활용하여 PVA 섬유 보강 시멘트 복합체의 마이크로- CT 이미지로부터 섬유를 분리하는 학습을 수행하였다. 훈련의 정확도를 높이기 위해 데이터 증강을 적용하였으며, 총 1024개의 이미지 를 훈련 데이터로 사용하였다. 모델의 성능은 정확도, 정밀도, 재현율, F1 스코어를 평가하였으며, 학습된 모델의 섬유 분리 성능이 매 우 높고 효율적이며, 다른 시편에도 적용될 수 있음을 확인하였다.

상변화 물질(PCM)은 상전이 동안 에너지를 흡수하거나 방출할 수 있는 잠열 저장 물질로 활용된다. 최근 수십 년 동 안, 연구자들은 다양한 온도 적용을 위한 건설 물질로의 다양한 PCM의 통합을 탐구해 왔다. 그러나, PCM을 통합하는 콘크리트 의 기계적 및 열적 반응은 통합 방법에 의해 영향을 받는다. PCM을 콘크리트에 추가하기 위한 여러 기술이 제안되었다. 그럼 에도 불구하고, 콘크리트에 마이크로 캡슐화 PCM(m-PCM)의 통합은 종종 기계적 강도의 상당한 감소를 초래한다. 기존 콘크리 트에 m-PCM의 추가와 관련된 한계를 극복하기 위해, 예외적인 강도 및 내구성 특성으로 인해 초고성능 시멘트 복합체(UHPCC) 가 선호된다. 따라서, 본 연구에서는 기존 기술의 단점을 해결하기 위해 PCM을 통합한 신규 나노 엔지니어링 UHPCC를 개발하 였다. 또한, 시멘트 복합체의 기계적 및 열적 성능을 향상시키기 위해 다중 벽 탄소 나노튜브(MWCNT)를 추가하였다. 결과는 MWCNT의 포함이 기계적 성능을 향상시켰을 뿐만 아니라 시멘트 복합체의 열적 성능을 향상시켰다는 것을 보여 주었다.

본 연구에서는 콘크리트의 내구성 및 낮은 인장강도를 향상시키기 위해 개발된 폴리비닐알콜(PVA) 혼입 시멘트 복합 체의 내약품성을 평가하였다. 시멘트 복합체에 대한 PVA 혼입률은 0%, 1.0%, 1.2%로 설계되었다. 각 혼입률에 따른 시멘트 복 합체의 압축강도, 인장강도, 휨강도를 측정하였다. 결과적으로 1.2% 혼입률에서 압축강도는 1.3배, 인장강도는 5.6배, 휨강도는 17.9배 증가하였다. 내약품성 실험을 위해 염화칼슘, 황산나트륨, 그리고 황산 용액에 시멘트 복합체를 침지시킨 후 30일, 40일, 50일 후 질량 소실률을 측정하여 내화학성을 평가하였다. 내화학성 실험 결과, PVA 혼입은 약품의 침투를 방지하여 시멘트 복 합체의 내화학성을 향상시키는 것으로 나타났다. 총체적으로, PVA 혼입은 시멘트 복합체의 내화학성을 향상시키는 동시에 강도 특성을 제공하는 것으로 확인되었다.