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.

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.

PURPOSES : The purpose of this study is to experimentally analyze the flexural strength characteristics of cement mortar mixtures simultaneously incorporated with graphene oxide (GO) and polyvinyl alcohol (PVA) fibers, and to understand the composite effect of those on enhancing resistance against the initiation and progression of micro-cracks, as well as the control of macro-cracks in flexural behavior. METHODS : Cement mortar(w/c=0.5) specimens for flexural strength test, mixing 6 mm and 12 mm PVA fibers at 1% and 2% volume ratios, were fabricated. Additionally, specimens incorporating GO at a cement weight ratio of 0.05% were prepared for each mixture to analyze the effect of GO. Therefore total eight types of mixture were prepared. The fabricated specimens were subjected to flexural strength tests after curing in waterbath for 7 and 28 days. Concurrently, digital images for analyzing deformation in accordance with loading history were obtained at a rate of 20 Hz using the DIC technique. Through displacement and strain calculation via DIC, the flexural behavior characteristics of the mixtures combined with GO and PVA fibers were precisely analyzed. Furthermore, the composite effect on flexural behavior characteristics when GO and PVA fibers are incorporated was discussed. RESULTS : For the PVA fiber-reinforced cement mortar mixture, the incorporation of 0.05% GO increased the crack initiation load by up to 23%, and the maximum resistive load after cracking by up to 24%. Moreover, introducing GO into the PVA fiber-reinforced mixture increased the flexural strain just before cracking by approximately 30 to 50%, while the maximum resistive load after cracking exhibited similar strain levels with or without GO incorporation. Therefore, under flexural behavior, the integration of GO might delay crack initiation by increasing the strain concurrent with the rise in flexural stress before crack occurrence. It also seems to contribute to reducing crack expansion by synergistically interacting with PVA fibers after crack occurrence. CONCLUSIONS : It was experimentally examined that the flexural strength of PVA fiber reinforced cement mortar is improved by incorporating GO. Moreover, GO enhances resistance of crack occurrance and reduces crack propagation in combination with PVA fibers. This study suggests that simultaneous incorporation of GO and PVA fibers can synergistically improve the performance of cement composites.

The thermal shock resistance of cement composites with hollow glass microspheres (HGM) is investigated. Cement composites containing various concentrations of HGM are prepared and their properties studied. The density, thermal conductivity, and coefficient of thermal expansion of the composites decrease with increasing HGM concentration. A thermal shock test is performed by cycling between -60 and 50oC. After the thermal shock test, the compressive strength of the cement composite without HGM decreases by 28.4%, whereas the compressive strength of the cement composite with 30 wt% HGM decreases by 5.7%. This confirms that the thermal shock resistance of cement is improved by the incorporation of HGM. This effect is attributed to the reduction of the thermal conductivity and coefficient of thermal expansion of the cement composite because of the incorporation of HGM, thereby reducing the occurrence of defects due to external temperature changes.

PURPOSES : The effects of strontium cations on the strength of hydrated cement composites as well as the morphology and chemical composition changes of cement hydrates due to strontium treatment are investigated in this study. Subsequently, the potential of a strontiumbased aqueous solution as a near-surface treatment method for hydrated cement composites is evaluated. METHODS : To supply strontium cations to a hydrated cement composite, a 30% strontium nitrate aqueous solution was used. Cement paste (w/c = 0.4) specimens were prepared and cured in the 30% strontium nitrate aqueous solution, which allows the strontium ions to penetrate into the specimen and treat the near-surface region. Compressive and flexural strength tests were performed on both specimens treated by the strontium ions and untreated specimens cured in deionized water, and the test results were compared. To investigate the changes in the morphology and chemical compositions of the cement hydrates due to the treatment, scanning electron microscopy (SEM) and energy dispersive spectrometry (EDS) analyses were performed. RESULTS : The results of the strength tests indicate that both the compressive and flexural strengths of the specimens cured in the 30% strontium nitrate aqueous solution improved significantly compared with the specimens cured in deionized water for the same duration. In particular, the strontium nitrate aqueous solution shows greater improvement in terms of the flexural strength compared with the compressive strength. The maximum penetration depth of strontium into the hydrated cement composite is 5 mm during the first 7 d of immersion and increases to 6.5 mm during the subsequent 14 d. The SEM results show that the microstructure of the hydrated cement composite is densified by the strontium nitrate aqueous solution treatment. The EDS results show that morphology and chemical compositions of the cement hydrates are altered. This implies that the strontium cations can be combined with C–S–H and C–S–A–H phases to form new types of hydrates. CONCLUSIONS : The experimentally results show that the strength of hydrated cement composites can be improved by modifying their near-surface regions via the strontium cation penetration technique. This implies that the strontium-based aqueous solution exhibits high potential for the maintenance and rehabilitation of concrete structures.

현대에 있어 지구온난화 현상으로 인해 여름철에는 폭염, 겨울에는 한파가 빈번해지는 이상기후가 지속적으로 발생 하고 있다. 여름철과 겨울철의 기온 양극화가 심해지고 있으며 이로 인한 급격한 변화로 다양한 분야에서 문제가 발생하고 있 다. 이에 전 세계에서는 사고예방 및 근본적인 문제를 해결하기 위하여 새로운 기술을 도입하고, 이에 맞는 정책을 추진하고 있 다. 따라서 본 연구에서는 이러한 사회적인 문제를 극복할 수 있는 방안으로 구조물 및 건축물등 다양한 분야에서 가장 많이 사용되는 골재인 잔골재에 대하여 다공성 골재로 치환함과 동시에 열에너지 저장이 가능한 상변화 물질을 함침하고, 골재 내 PCM의 성능 극대화를 위한 SOL-GEL 코팅에 대해 연구하였으며 이를 활용하여 모르타르를 제작하였다. 성능을 확인하기 위하 여 SEM, DSC, FT-IR 및 강도실험을 진행하였으며 최종적으로 제조된 SOL-GEL코팅된 PCM 함침 활성탄의 경우 냉각시 상변화 온도 2.4℃와 26.8J/g의 열에너지를 확인하였으며 가열시 상변화 온도 7.1℃와 32.95J/g의 열에너지를 확인하였다. 본 연구에서 제작된 잔골재를 활용한 모르타르의 경우 7일차 압축강도 37.68MPa, 28일차 압축강도 50.34MPa, 28일차 휨강도 4.5MPa를 확인 하였다.

최근 대규모 토목 및 건축 구조물 증가 추세로 건설 부재의 고강도 및 경량화에 대한 수요가 높아지고 있다. 기존 시멘트 경량 복합체의 경우 단위 체적 중량이 낮아 강도 저하 문제가 발생할 수 있다. 보통 경량화를 위해서 시멘트 복합체를 배합할 때 일반 경량골재와 고무재질의 경량골재, 플라스틱 펠릿 등 다양한 인공 경량골재를 적용한 시멘트 복합체로 경량화를 확보할 수 있다. 이 중에서도 시멘트 복합체의 인공 경량골재로 플라스틱을 사용하면 상대적으로 골재 자체의 강도를 확보하면서 경량화를 꾀할 수 있지만 재료의 매끄러운 표면 특성으로 인해 시멘트 페이스트와 부착하는 데 불리한 부분이 있고 이는 콘크리트 골재 또는 시멘트 복합체 골재로서의 사용에 있어 단점이 된다. 띠라서 이번 연구에서는 기존 연구에서 플라스틱 골재 로 가장 적합한 유형으로 확인된 PP, PE 두가지 유형의 플라스틱 골재와 강섬유, 양생방법을 변수로 하여 실험을 진행하였고 실험 결과 플라스틱의 비중이나 표면 재질뿐만 아니라 강섬유의 혼입유무, 양생방법에 의해서 시멘트 복합체의 물리적 특성이 변화된다는 것을 확인하였다.

The mechanical properties and microstructures of hexagonal boron nitride (h-BN)-reinforced cement composites are experimentally studied for three and seven curing days. Various sizes (5, 10, and 18 μm) and concentrations (0.1%, 0.25%, 0.5%, and 1.0%) of h-BN are dispersed by the tip ultrasonication method in water and incorporated into the cement composite. The compressive strength of the h-BN reinforced cements increases by 40.9%, when 0.5 wt% of 18 μm-sized h-BN is added. However, the compressive strength decreases when the 1.0 wt% cement composite is added, owing to the aggregation of the h-BNs in the cement composite. The microstructural characterization of the h-BN-reinforced cement composite indicates that the h-BNs act as bridges connecting the cracks, resulting in improved mechanical properties for the reinforced cement composite.

최근에는 대규모 건축 및 토목 구조물로 인해 건설 부재의 고강도 및 경량화에 대한 요구가 높아지고 있다. 기존의 경량 시멘트 복합체의 경우 단위 체적 중량이 낮아질 수 있으나 강도 저하 문제가 발생한다. 일반적으로 경량화를 위해서는 시멘트 복합체를 배합할 때 일반 경량골재와 고무경량골재, 플라스틱 펠릿 등 다양한 인공 경량골재를 이용한 시멘트 복합체를 혼 합하여 경량화를 확보할 수 있다. 이 중 시멘트 복합체의 인공 경량골재로 플라스틱을 사용하면 상대적으로 골재 자체의 강도를 확보할 수 있지만 재료의 표면 특성으로 인해 시멘트 페이스트에 부착하는데 불리하고 골재로서의 사용이 불리하다. 이에 본 연구에서는 골재로 가장 적합한 플라스틱의 유형을 선택하기 위해 다양한 유형의 플라스틱 시멘트 화합물을 변수로 하여 실험을 진행하였고 실험 결과 플라스틱의 비중이나 표면 재질에 의해서 시멘트 복합체의 물리적 성질이 변화하는 것을 확인할 수 있었다.

본 연구에서는 Cellulose Nano-Crystals (CNCs) 수용액을 이용하여 시멘트 페이스트의 강도 향상에 대한 실험을 수행하고 이 연구결과를 토대로 하여 CNC 혼입에 따른 섬유보강 고인성 시멘트 복합체의 강도 특성에 관한 실험을 진행하였다. 먼저, CNC의 최적 배합비를 결정하기 위한 일환으로, 골재를 포함하지 않은 시멘트 페이스트의 강도 특성을 비교하기 위해 CNC 혼입율에 따라 수용액을 제조하였다. CNC 혼입율은 시멘트 대비 0.1, 0.2, 0.4 vol.%를 주요 변수로 하였고, 이에 따른 휨강도는 0.4 vol.%에서 플레인 시험체와 비교시 최대 8 배까지 강도가 증가하는 것을 확인할 수 있었다. 이 연구결과와 기존 연구결과를 토대로 하여, 본 연구에서는 0.4, 0.8 및 1.2 vol.%의 CNC 혼입율을 주요변수로 한 강섬유와 아마섬유를 활용한 섬유보강 고인성 시멘트 복합체 시험체를 제작한 후 역학적 강도 특성을 평가하여 섬유보강 고인성 시멘트 복합체의 구조적 성능을 규명하였다.

The Cellulose Nanocrystal (CNC) of dispersion condition is important factor when reinforce concrete or cement composite as CNC, because it is closely related to the strength reinforcement. Before the CNC is utilized to reinforcement of concrete or cement composite, it is essential to evaluate the dispersion properties. Therefore, the objective of the present study is to evaluate the dispersion of CNC. In this experiment, the specimen was prepared to the type of CNC suspension in accordance with weight ratio of CNC and the dispersion time of sonication. The first property, the dispersion properties of CNC, was evaluated by measuring turbidity and absorbance. The second property, the dispersion stability, was measured through the sediment time.

The purpose of this study is to investigate the optimum conditions of dispersion and strength to maximize the mechanical properties of woody cellulose nano–crystal (CNC). As a dispersing method, ultrasonic dispersing machine and magnetic stirrer were used as the mechanical dispersion method. The mixing ratio of cellulose nano-crystals (CNCs) was 0.2% and the dispersion time was 10 minutes. Steam curing was carried out for 6, 24 and 48 hours. Based on the experimental results, we will propose source technology regarding CNC for construction materials.