A MECHANISM STUDY OF IMPROVED FIRE RESISTANCE AND MECHANICAL STRENGTH RECOVERY THROUGH REHYDRATION OF CEMENTITIOUS COMPOSITES INCORPORATING NANOMATERIALS

Abstract

The fire resistance and strength recovery properties of cementitious composites are crucial for ensuring the safety, durability, and longevity of building structures. However, a comprehensive understanding of the formation mechanism of fire resistance and strength recovery through the rehydration process of cement paste is still lacking due to the complexity of the pore structure and composition of concrete.

This thesis addresses the research gaps by investigating the formation mechanism of fire resistance and strength recovery properties in cementitious composites through the incorporation of nanomaterials. By thoroughly analyzing the nanoscale pore characteristics and mechanical properties after exposure to high temperatures, a comprehensive understanding of the underlying mechanisms governing fire resistance and recovery properties by re-curing procedures was achieved.

An extensive examination of physicochemical properties was undertaken to examine the fire resistance and strength recovery properties, and 3-dimensional pore characteristics via synchrotron X-ray nanoimaging and focused ion beam/scanning electron microscopy techniques were employed to assess the nanoscale pore shape characteristics of the cementitious composites. The pore characteristics investigation included the relationship between pore distribution characteristics and matrix stability, unraveling the correlation with mechanical properties in cementitious composites.

The results of this research will provide a deeper understanding of the mechanisms behind the fire resistance and strength recovery properties of cement paste and the potential of nanomaterials to enhance these properties. This study is of great significance as it will advance the development of more durable and fire-resistant building materials.|시멘트 경화체의 내화성능 및 강도 회복 특성은 건축 구조물의 안전성, 내구성 및 장기 사용성을 확보하는대에 중요한 요소이다. 그럼에도 불구하고 시멘트 경화체의 내화 성능 및 고온 가열 후 강도 회복 성능 형성 메커니즘에 관한 연구는 아직 전세계적으로 부족한 실정이다. 이에 본 연구는 나노물질의 혼입을 통한 시멘트 경화체의 물리화학적 물성 평가 및 공극 특성 분석을 통해 내화성능 및 강도 회복 성능 향상 메커니즘 규명 과정을 기술한다. 시멘트 경화체의 성능 변화를 나노 스케일의 공극 특성을 기반으로부터 원인 규명을 진행하였으며, 성능 향상 메커니즘에 대한 포괄적인 규명을 달성하였다.

물리화학적 물성 평가 결과에 의해 나노물질 혼입 시 내화성능 및 강도회복 성능의 향상이 확인되었으며, 특별히 나노 실리카와 탄소나노튜브의 이중 혼입 경화체에서는 800 ℃ 가열 후 인장강도가 가열 전 대비 170%의 강도를 발현하는 뛰어난 내화성능 및 강도 증진 현상이 확인되었다. 나노물질 혼입에 따른 내화성능 및 강도 회복 성능 향상의 핵심 요소로서 시멘트 경화체의 매트릭스 안정성을 제시하였으며 이는 매트릭스 내 공극의 분포 특성과 직접적인 연관성이 있음을 증명하였다. 공극 분포 특성 연구는 방사광 X-선 나노 이미징 기술 및 집중 이온 빔/주사 전자 현미경 기술이 사용되었으며, 나노물질 혼입에 따라 나노물질의 핵생성 작용에 의해 시멘트 경화체 내 공극의 분산도가 증가할수록 시멘트 매트릭스의 안정성이 높게 형성되고 이는 물리적 강도와도 직접적인 연관관계가 있음을 규명하였다. 또한, 탄소나노튜브의 혼입 시 시멘트 경화체 내 나노스케일의 높은 평탄도의 공극들이 형성되는데 이 공극 구조로 인해 기존 수화물과 재수화 후 새로이 형성된 수화물 간의 결합이 보다 용이하여 뛰어난 강도회복 성능을 나타냈다. 이러한 연구 결과를 통해 시멘트 경화체 내 수화물의 형성 구조가 내화성능 및 화재 피해 후 강도 회복 성능에 주요한 영향을 미치는 요소임을 확인할 수 있었다.

본 연구는 나노물질 혼입이 시멘트 경화체의 성능 향상에 기여하는 메커니즘을 나노스케일로 규명한 연구로서 나노물질의 시멘트계 재료 활용에 있어서 보다 깊은 이해도를 제공할 수 있다. 나노물질의 혼입이 시멘트 경화체의 물리역학적 성능을 강화시키는 메커니즘을 나노물질의 형태 및 특성을 기반으로 파악할 수 있으며 본 연구의 메커니즘은 다른 나노물질 및 기존 혼화재들에도 광범위하게 적용가능한 연구 가치를 지니는 것으로 판단된다. 또한, 내화 성능 및 회복 성능 향상 시멘트계 재료 개발에 기초 연구로서 활용될 수 있으며, 화재 피해 이후 시멘트계 재료의 강도 회복을 위한 보수 방법의 기초자료로서 활용될 수 있어 안전한 사회 구현에 기여할 수 있을 것으로 판단된다.