KR20160028569A - 균열 및 손상 자기감지 하이브리드 섬유보강 시멘트 복합재료의 자기 감지 방법 및 자기 감지 장치 - Google Patents

균열 및 손상 자기감지 하이브리드 섬유보강 시멘트 복합재료의 자기 감지 방법 및 자기 감지 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 균열 또는 손상이 예상되는 콘크리트 구조물의 취약 부위의 균열과 크랙과 같은 미세구조 변화를 보다 정확하고 민감하게 확인하거나 모니터링 하기 위한 하이브리드 섬유가 배합된 콘크리트 구조물의 균열 또는 손상 자기 감지 방법 및 장치에 관한 것으로, 탄소섬유와 강섬유를 포함하는 하이브리드 섬유를 보강재로 사용하여 콘크리트 구조물이 변형 경화 거동을 나타내도록 함과 동시에 비저항 측정을 통해 손상을 감지할 수 있는 시스템을 제공할 수 있으며, 기존의 강섬유만을 단독으로 사용한 경우에 비해 높은 GF값을 갖는 장점이 있고, 특별한 관리 또는 주의가 요구되는 콘크리트 구조물의 취약 부위만을 도전성을 갖는 하이브리드 섬유가 보강된 고인성 콘크리트 조성물로 마감하거나 시공한 후, 일정한 시간 간격 또는 원하는 점검 시점에 간단히 설치된 전극을 통해 전류를 흘려주어 비저항을 모니터링 함으로써, 콘크리트 구조물의 균열 정도 또는 손상 상태를 효과적이면서도 경제적으로 간단히 진단할 수 있는 효과가 있다.

Description

균열 및 손상 자기감지 하이브리드 섬유보강 시멘트 복합재료의 자기 감지 방법 및 자기 감지 장치{Self-detecting method for crack and damage with self-detecting hybrid fiber reinforced cement composite and self detecting system thereof}
본 발명은 두 가지 섬유를 함께 혼합하여 사용한 균열 및 손상 자기감지 하이브리드 섬유보강 시멘트 복합재료의 균열 또는 손상의 자기 감지 방법 및 자기 감지 장치에 관한 것으로, 하이브리드 섬유보강 시멘트 복합재료를 사용한 구조물의 내부에 전도성 섬유인 강섬유(steel fiber)와 탄소섬유(carbon fiber)를 함께 보강하여 직접인장 하중 하에서 변형 경화(strain hardening) 현상을 유도함과 동시에 전류를 흘려 비저항을 측정함으로써, 구조물의 균열 또는 손상을 별도의 변형률센서(strain gage)를 사용하지 않고도, 감지할 수 있는 자기 감지(self-detecting) 방법과 장치를 제공한다.
좀 더 상세히 설명하면, 균열 또는 손상이 예상되는 콘크리트 구조물의 취약 부위를, 강섬유(steel fiber)와 탄소섬유(carbon fiber)를 포함하는 하이브리드 섬유가 전체 조성물을 기준으로 1.25 ~ 2.0 vol%의 범위로 포함되는 콘크리트 조성물을 사용하여 형성하고, 이러한 취약 부위에 대해 비저항의 변화를 측정함으로써, 실시간 또는 사전에 콘크리트 건물의 균열 또는 손상을 관찰 또는 예측하는 방법 및 이러한 방법에 적용되는 장치에 관한 발명이다.
시멘트와 골재 등의 복합재료를 통해 제조되는 콘크리트 구조물은 도시 건축물 및 사회기반시설 건립에 가장 폭넓게 이용되고 있는 건축 구조물로서, 오랜 기간 동안 안전하고 견고하게 유지될 수 있도록 상기 콘크리트 구조물의 균열 및 손상으로 인한 붕괴 등의 위험을 실시간 혹은 사전에 감지하거나 예측할 수 있는 시스템에 관한 요구가 증가하고 있다.
기존의 콘크리트 구조물의 손상을 감지하는 시스템에는 다양한 종류의 변형률 또는 변위 측정장치들을 추가적으로 설치하여 실시간 측정하여 구조물의 손상 및 건전도를 측정하는 모니터링 시스템 및 안전진단 등이 있다. 또한 다양한 전기화학적 방법들이 적용될 수 있는데, 그중에서도 전기 비저항법은 콘크리트 구조물에 전류를 흘려 비저항을 측정하여 손상 또는 균열 등을 확인할 수 있는 비파괴 부식진단법의 대표적인 예에 해당한다.
공개특허 제2011-0010853호에는 콘크리트 및 철근과 관련한 전기비저항을 철근 상부에서 직접 추정하여 철근의 부식 환경 및 그 상태를 평가할 수 있는 비파괴 부식진단시스템이 제시되어 있으며, 철근 직상부의 콘크리트 표면 외측에 두 개의 전류전극과, 내측에 두 개의 전압전극을 동일한 간격으로 철근 길이방향과 평행하게 설치하여 전류원에 의해 발생한 응답전압을 측정하여, 철근의 부식환경을 나타내는 콘크리트의 층간 및 평균 비저항과, 철근의 직접적인 부식상태를 나타내는 철근의 표면비저항을 추정하도록 함으로써 콘크리트 구조물의 철근부식 및 내구성에 관한 정기검사 및 상시 모니터링을 진행하는 것을 특징으로 하고 있다.
하지만, 이러한 콘크리트 구조물의 철근부식 및 내구성 상시 모니터링 방법은 단순히 콘크리트 내부에 형성된 전기 전도성 재질인 철근의 부식 정도만을 측정할 수 있는 한계가 있고, 전체적인 콘크리트 구조물의 크랙이나 균열과 같은 손상이나 변형에 관한 정보를 제공할 수 없다는 문제점이 존재한다. 또한 별도의 변형률 또는 변위를 측정하는 센서를 구조물에 별도로 부착 또는 매립하는 현재의 모니터링 시스템들은 구조물의 수명과 비교하여 매우 짧은 센서의 내구수명으로 인해 구조물의 전체 수명 동안 계속하여 사용될 수 없다는 문제점이 있다.
또한 공개특허 제2005-0018744호에는, 시멘트 페이스트 또는 모르타르에 폴리에틸렌(PE)섬유나 폴리비닐알콜(PVA)섬유 또는 폴리프로필렌(PP)섬유를 마이크로 섬유로, 강섬유(SF)나 스틸코드(SC) 또는 폴리비닐알콜(PVA)섬유를 매크로 섬유로 사용하여 제조된 고인성 시멘트 복합체가 제시되어 있으며, 이러한 고인성 시멘트 복합체는 휨 및 인장하중 작용하에서 변형 경화특성과 멀티플 크랙 특성을 갖고 있어 높은 휨 및 인장강도, 변형능력 및 에너지 흡수능력을 발휘할 수 있을 뿐만 아니라 균열폭을 제어함으로서 각종 열화인자의 침투를 억제할 수 있는 장점이 제시되어 있다.
최근 폴리비닐알콜(PVA) 섬유를 사용한 고인성 시멘트 복합체에 전도성이 우수한 카본블랙(carbon black)을 혼입하여 균열 및 손상을 감지하는 결과를 발표한 바 있다. 하지만 폴리비닐알콜 섬유의 낮은 전기전도성으로 인해 균열이 발생함에 따라 전기저항이 오히려 증가하는 결과를 보고하였다. 따라서 매우 낮은 전기전도성을 측정할 수 있는 전기저항 측정장치가 필요하다.
기존의 변형률 또는 변위를 측정하는 센서들의 경우 단위 변형당 비저항 변화의 비율로 정의되는 GF(gauge factor)값이 약 2 정도로 낮고, 그 센서들의 내구수명이 매우 짧은 단점이 있고, 폴리비닐알콜 섬유를 사용한 고인성 시멘트 복합체의 경우 균열이 발생함에 따라 전기전도성이 매우 낮아지는 문제점이 여전히 존재한다. 또한 강섬유를 보강한 변형 경화형 시멘트 복합재료의 인장강도 수치는 8-15 MPa인 것에 비해, 폴리비닐알콜 섬유를 사용한 고인성 시멘트 복합체의 경우 인장강도 수치는 4-5 MPa 정도로 더 낮다. 따라서 적은 크기의 외부 하중에도 균열이 발생하는 문제점이 있다.
따라서 본 발명에서는 섬유의 직경과 길이가 큰 매크로 강섬유(steel fiber)와 섬유의 직경과 길이는 작지만 전기전도성이 우수한 탄소 섬유(carbon fiber)를 함께 보강한 하이브리드 섬유를 보강한 변형 경화특성과 멀티플 크랙 특성을 갖는 고인성 시멘트 복합재료를 콘크리트 구조물의 취약 부위에 시공하여 시간 변화에 따른 비저항 변화를 상시 측정함으로써, 콘크리트 구조물의 안전성을 보다 손쉽게 진단 및 모니터링할 수 있는 방법을 제공하고자 한다.
또한, 상기 고인성 콘크리트 조성물에 사용되는 하이브리드 섬유 보강재의 종류와 조성을 최적화함으로써, 단위 변형당 비저항 변화의 비율로 정의되는 GF 값을 향상시켜 콘크리트 구조물의 미세 구조 변화를 보다 정확하게 감지 또는 모니터링할 수 있는 방법과 장치를 제공하고자 하며, 우수한 자기 감지 및 인장 저항 거동을 갖는 하이브리드 섬유 보강재의 조성을 제공하고자 한다.
공개특허 제2011-0010853호 공개특허 제2005-0018744호
M. Li, V. Lin, J. Lynch and V.C. Li.(2012). Multifunctional carbon black engineered cementitious composites for the protection of critical infrastructure. RILEM. pp. 99 ~ 106.
본 발명은 앞서 언급한 바와 같이 종래의 기술이 갖는 문제점들을 해소하고, 균열 또는 손상이 예상되는 콘크리트 구조물의 취약 부위의 손상 및 균열과 같은 미세구조 변화를 보다 정확하고 민감하게 확인하거나 모니터링 하기 위해 전기전도성이 우수한 두 가지 종류의 하이브리드 섬유보강 시멘트 복합재료를 사용한 콘크리트 구조물의 균열 또는 손상 자기 감지 방법 및 장치를 제공하기 위한 것이다.
좀 더 구체적으로는, 직접인장 하중 하에서 변형 경화 거동을 유도하기 위한 매크로 강섬유(macro steel fiber)와 탄소마이크로 섬유(micro carbon fiber)를 사용하고, 이 두 가지 종류의 섬유들이 보강 또는 혼입되는 시멘트 계 매트릭스의 최적 배합비율을 도출함으로써, 단위 변형당 비저항 변화의 비율로 정의되는 GF 값을 현저하게 향상시킬 뿐만 아니라 다수의 미세 균열을 동반하는 변형 경화 거동을 함께 발현하는 것을 발명의 목적으로 하고 있다.
또한, 콘크리트 구조물의 취약 부위에 본 발명의 조성을 갖는 하이브리드 섬유보강 고인성 시멘트 복합재료를 사용하여 시공함으로써, 콘크리트 구조물의 자기 손상 정도를 손쉽게 진단 또는 모니터링 함으로써, 경제적인 비용으로 건물, 교량, 댐 등의 콘크리트 구조물의 손상, 파괴 또는 붕괴를 사전에 방지하고 대책을 수립할 수 있게 해주는 것을 목적으로 한다.
앞서 서술한 종래 기술의 문제점과 본 발명의 목적을 달성하기 위해, 본 발명에서 제시하는 하이브리드 섬유 보강 시멘트 복합재료의 균열 또는 손상 자기 감지 방법은, 균열 또는 손상이 예상되는 상기 콘크리트 구조물의 취약 부위를, 강섬유(steel fiber)와 탄소섬유(carbon fiber)를 포함하는 하이브리드 섬유가 전체 조성물을 기준으로 1.25 ~ 2.0 vol%의 범위로 포함된 콘크리트 조성물을 사용하여 형성하는 제 1 단계; 상기 섬유보강 시멘트 복합재료를 사용한 콘크리트 구조물의 취약 부위에 전극을 형성하는 제 2 단계; 및 상기 전극에 전류를 공급하여 시간 변화에 따른 콘크리트 구조물의 취약 부위의 비저항 변화를 측정하는 제 3 단계;를 포함한다.
상기 콘크리트 조성물에는 강섬유가 1.0 ~ 1.5 vol% 포함되고, 탄소섬유는 0.25 ~ 0.5 vol%의 범위로 포함되며, 이때 사용되는 매크로 섬유인 강섬유는 지름이 0.25~0.45 mm, 길이는 25~45 mm이고, 마이크로 섬유인 탄소섬유의 지름은 0.005~0.01 mm, 길이는 10~17 mm인 것이 바람직하다.
본 발명에서 콘크리트 구조물의 취약 부위의 시공에 사용되는 상기 시멘트 복합재료의 조성물은, 규사 100 중량부에 대하여 시멘트는 75~85 중량부, 열분해 실리카는 5~10 중량부, 플라이 애시는 15~25 중량부, 혼화제는 1~10 중량부, 물은 20~30 중량부가 포함되는 것이 바람직하며, 강섬유와 탄소섬유가 함께 혼합된다.
또한, 상기 플라이 애시는 분말도가 3000~4000 ㎠/g이고, 상기 열분해 실리카는 평균직경이 0.01~1 ㎛이며, 상기 규사는 평균직경이 0.01~0.5 mm인 것이 바람직하다.
본 발명의 다른 실시 형태로는 콘크리트 구조물의 자기 손상 감지 장치를 들 수 있는데, 강섬유와 탄소섬유를 함께 포함하는 조성물을 기준으로 1.25 ~ 2.0 vol%의 범위로 포함된 콘크리트 조성물로 형성된, 균열 또는 손상이 예상되는 콘크리트 구조물의 취약 부위; 상기 취약 부위를 외부 전원과 전기적으로 연결하는 전극부; 상기 전극부를 통해 전류를 공급하여 상기 콘크리트 구조물의 취약 부위의 시간에 따른 전기 비저항의 변화를 기록하는 제어부; 및 상기 전극부와 상기 제어부를 전기적으로 연결하는 연결부;를 포함한다.
본 발명의 하이브리드 섬유로 보강된 고인성 콘크리트 구조물의 균열 또는 손상 자기 감지 방법은, 특별한 관리 또는 주의가 요구되는 콘크리트 구조물의 취약 부위만을 도전성을 갖는 하이브리드 섬유 보강 시멘트 복합재료로 마감하거나 시공한 후, 일정한 시간 간격 또는 원하는 점검 시점에 간단히 설치된 전극을 통해 전류를 흘려주어 비저항을 모니터링 함으로써, 콘크리트 구조물의 균열 정도 또는 손상 상태를 효과적이면서도 경제적으로 간단히 진단할 수 있는 효과가 있다.
또한, 기존의 콘크리트 구조물 내부에서 주의 관찰이 요구되는 취약 부위만을 선택적으로 본 발명의 하이브리드 섬유보강 시멘트 복합재료를 사용하여 부분 시공함으로써, 간단한 전기저항 측정을 통해 손상 등을 진단할 수 있게 해줌으로써 변형 경화 거동을 통해 높은 내구성을 부여함과 동시에 광범위한 영역에 대해서 경제적인 콘크리트 구조물의 손상 감지 방법을 제공할 수 있다.
본 발명에서는 매크로 섬유인 강섬유와 마이크로 섬유인 탄소섬유를 혼합하여 사용함으로써, 콘크리트 구조물이 휨 및 인장력 작용 하에서 초기균열이 발생한 이후에도 마이크로 및 매크로 섬유의 가교(Bridging)작용에 의해 응력의 저하 없이 변형의 증가와 함께 응력이 증가하는 변형 경화(Strain hardening)특성과 다수의 미세균열이 콘크리트 구조물 전반에 걸쳐 발생하는 멀티플크랙(Multiple crack)특성을 유도할 수 있으며, 단위 변형당 비저항의 비율인 GF(gauge factor)값을 50 이상으로 높게 유지시켜 높은 균열 또는 손상 감지 능력을 제공할 수 있는 효과가 있다. 또한 전기전도성이 우수한 섬유의 보강을 통하여 균열의 발생 후에 전기전도성이 더욱 향상되어 단위 변형당 비저항이 급격히 저하됨으로써 초기 균열발생 시점을 명확히 알 수 있고, 자기감지 능력을 향상시킬 수 있다.
따라서 본 발명의 하이브리드 섬유를 통해 보강된 콘크리트 구조물의 균열 또는 손상 자기 감지 방법과 장치는 콘크리트 구조물의 내부 상태를 정확하면서도 효과적으로 모니터링하고 균열 등의 위험을 사전에 감지하는 데에 활용될 수 있으며 바람직하게는 아래와 같은 구조물에 적용될 수 있다.
첫째, 물 또는 액체의 저장탱크는 항상 수압에 의하여 높은 인장하중을 견뎌야 하는데, 이러한 구조물의 기둥 역시 항상 인장하중을 받고 있으므로, 본 발명의 적용이 효과적이다.
둘째, 얇은 막 구조로서 항상 인장하중을 받는 지붕 등의 구조에 본 발명을 도입할 경우, 시공의 편리함 및 유지 보수 등에 효과적이다.
셋째, 케이블 구조로 된 다리의 꼭대기 타워는 항상 진동에 노출되어 있어, 본 발명의 하이브리드 섬유를 통해 보강된 콘크리트 구조물의 균열 또는 손상 자기 감지 방법 또는 장치를 적용할 경우, 진동의 변위를 조정할 수 있고 인장 응력 및 변형을 탐지하는 데에 효과적이다.
도 1은 강섬유 보강된 자기 콘크리트 구조물의 비저항 변화 거동을 나타내며, 도 1(a)는 인장 변형(tensile strain)이 없는 경우이고, 도 1(b)는 인장 변형(tensile strain)의 증가에 따른 비저항과 인장 강도(tensile stress)의 변화를 도시한 그림이다.
도 2는 일반적인 변형경화형 섬유보강 시멘트 복합재료의 인장 변형 경화 거동을 도식적으로 나타낸 그림이다.
도 3은 본 발명에서 사용된 강섬유(a)와 탄소섬유(b)의 사진이다.
도 4는 강섬유 단독 또는 강섬유와 탄소섬유의 혼합물인 하이브리드 섬유가 사용된 콘크리트 구조물의 전기-기계적(electromechanical) 거동을 관찰한 결과이다.
도 5는 1.0 vol%의 강섬유가 포함된 콘크리트 구조물에 대해서, 추가되는 탄소섬유의 양에 따른 전기-기계적(electromechanical) 거동 변화를 측정한 결과이다(도 5a: 탄소섬유 0 vol%, 도 5b: 탄소섬유 0.5 vol%, 도 5c: 탄소섬유 1.0 vol%, 도5d: 탄소섬유 1.5 vol%).
도 6은 1.0 vol%의 강섬유가 포함된 콘크리트 구조물에 대해서, 탄소섬유의 양을 변화시켜 측정한 GF(gauge factor)값이다.
도 7은 1.5 vol%의 강섬유가 포함된 콘크리트 구조물에 대해서, 추가되는 탄소섬유의 양에 따른 전기-기계적(electromechanical) 거동 변화를 측정한 결과이다(도 7a: 탄소섬유 0 vol%, 도 7b: 탄소섬유 0.25 vol%, 도 7c: 탄소섬유 0.5 vol%).
도 8(a)는 1.5 vol%의 강섬유가 포함된 콘크리트 구조물에 대해서, 탄소섬유의 양을 변화시켜 측정한 GF(gauge factor)값이고, 도8(b)는 탄소섬유의 양의 변화에 따른 인장 강도(tensile stress) 값의 변화를 측정한 결과이다.
이하에서는 본 발명의 기술적 특징을 구체적으로 살펴보기 위해 실시예와 도면을 참조하여 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 발명의 출원 시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
일반적으로 콘크리트로 대표되는 시멘트계 복합체는 휨 및 인장하중 작용하에 있어서 초기균열이 발생한 이후 응력이 급격히 저하하는 취성적 성질을 가지고 있으며, 압축강도가 높지만 휨 및 인장강도가 낮아 공용중 균열이 발생하기 쉽고, 이러한 균열로부터 외부 열화인자가 침투하여 내부 철근의 발청을 유발하는 등 콘크리트구조물의 내구성 및 인성에 대한 문제점이 지적되어왔다.
이러한 문제점을 해결하기 위하여 콘크리트에 강섬유(steel fiber)를 혼입하여 일반 콘크리트에 비하여 휨강도 및 인성을 증가시킨 강섬유보강 콘크리트가 사용되어 왔으나, 휨 및 인장하중 작용하에서 초기균열이 발생한 이후 변형의 증가와 함께 응력이 서서히 저하되는 준취성적 성질을 갖고 있으며, 휨 및 인장파괴에 도달할 때까지 1∼2개의 균열만이 발생할 뿐 균열이 국소화 되어 변형 능력의 향상 및 균열폭 제어가 곤란한 문제점이 존재하므로, 균열과 같은 미세 구조의 변화에 따른 전기 비저항의 변화 폭이 작은 문제점이 존재한다.
한편, 최근 섬유보강 콘크리트보다 휨 및 인장성능, 균열제어성능 및 변형성능 등이 우수한 단섬유보강 시멘트 복합체의 제조기술이 연구되고 있으나 이 경우 폴리에틸렌(PE)섬유나 폴리비닐알콜(PVA) 섬유와 같은 마이크로 섬유만을 단독으로 사용하고 있어 최대응력 이후 연화구간에서 응력이 급격히 저하하거나 균열의 국소화가 급격히 진행되는 단점이 존재하고 있다.
본 발명에서는 이러한 문제점을 해결하기 위해, 매크로 섬유인 강섬유와 탄소섬유를 동시에 콘크리트 구조물에 적용하고, 최적화된 배합비를 실험적으로 확인함으로써, 콘크리트 구조물의 변형 경화(Strain hardening) 특성을 극대화하고, 전기 전도도를 향상시켜, 콘크리트 구조물의 균열과 같은 미세 변화를 보다 경제적이면서도 정확하게 관찰할 수 있는 방법과 장치를 제공하고자 한다.
일반적으로 인장변형이 없는 상태에서는 도1a과 같이 강섬유 보강된 콘크리트 구조물은 전기분극 현상에 기인하여 전기 비저항이 초기에는 증가하다가 시간이 흐름에 따라 안정화된 값을 갖게 된다.
하지만, 강섬유 보강된 콘크리트 구조물에 인장 변형(tensile strain)이 가해질 경우에는, 도1b의 그래프와 같이 인장 변형이 증가함에 따라 인장 응력(tensile stress) 역시 비례하여 증가하고, 전기 비저항(resistivity)은 감소하게 된다. 하지만, 최종균열강도(post cracking strength) 이상으로 인장 변형이 증가할 경우에는 인장 응력은 오히려 감소하게 되고, 전기 비저항은 더 이상 변화하지 않는 인장 응력이 감소하더라도 더 이상 변하지 않는다.
전기 비저항은 아래 식(1)과 같이 전기 저항(R)을 측정하고, 측정 단면적(A)과 측정되는 내부 전극 사이의 거리(L)로부터 계산될 수 있다.
Figure pat00001
(1)
여기서 ρ는 전기 비저항, R은 전기저항, A는 단면적, L은 두 개의 내부 전극 사이의 거리, 표본의 시점거리를 의미한다.
일반적으로 전기 비저항(resistivity)은 시료의 형상이나 구조에는 영향을 받지 않는 시료의 고유 물성에 해당하지만, 전기 저항(resistance)은 단면적과 내부 전극 사이의 길이와 같은 구조적 변수에 영항을 받게 되므로, 전기 저항을 측정하여 전기 비저항으로 환산할 필요가 있다.
변형 경화(strain hardening) 현상이 발생하는 콘크리트 구조물의 전기 비저항 측정을 통한 자기 손상 감지 능력을 평가하기 위하여, 단위 변형 당 저항 변화의 비율인 GF(gauge factor) 값을 사용하게 된다. 이러한 GF 값은 다음의 식 (2)와 같이, 인장 변형(tensile strain) 시점부터 균열 발생점(post cracking point)까지의 평균으로 계산될 수 있는데, 다음의 식 (2)에서는 도 1b의 0에서 εpc까지의 인장 변형에 따른 전기 비저항(또는 전기 저항) 값의 변화율의 비를 측정하여 계산될 수 있다.
Figure pat00002
Figure pat00003
Figure pat00004
Figure pat00005
(2)
여기서, △R은 전기저항의 변화량, R0는 인장하중이 시작될 때의 전기저항값, △ε은 인장변형의 변화량, εpc는 균열 발생점에서의 인장변형값, △ρ는 전기 비저항값의 변화량, ρ0는 인장하중이 시작될 때의 전기 비저항값, △ρpc는 균열 발생점에서의 전기 비저항값의 변화량, ρpc는 균열 발생점에서의 전기 비저항값을 나타낸다.
도 2는 인장 변형의 증가에 따른 강섬유로 강화된 콘크리트 구조체의 일반적인 인장 변형 거동을 도식적으로 나타낸 것으로, 변형(strain) 초기에는 탄성 영역(I 영역)을 나타내다가, 변형이 증가할수록 응역이 증가하여 멀티플 크랙이 발생하는 인장 경화 거동(II 영역)을 나타낸 후, 더욱 변형이 증가함에 따라 크랙이 다수 발생하여 성장함으로써 오히려 응력이 감소하는 인장 연화(strain softening) 거동(III 영역)을 나타낸다. 인장 경화 현상이 발생하는 초기 균열시점에서의 인장 응력과 인장 변형은 각각 σcc와 εcc로 나타내며, 더 이상 인장 경화 거동을 보이지 않게 되는 최종 균열시점에서의 인장 응력과 인장 변형은 각각 σpc와 εpc로 나타낸다.
통상적인 강화 콘크리트 구조체의 변형 경화 거동은 σpc가 σcc보다 높은 경우에 나타나게 되며, 변형 경화 거동 영역에서 콘트리트 구조체의 균열이나 미세 구조 변화를 감지하거나 모니터링 함으로써, 콘크리트 구조물의 균열 또는 손상 자기 감지 할 수 있다.
본 발명에서 사용되는 변형 경화 거동을 갖는 콘크리트 구조물에는, 강섬유와 탄소섬유를 포함하는 하이브리드 섬유가 사용되었다. 탄소섬유와 강섬유가 혼합된 하이브리드 섬유를 소량으로 콘크리트 혼합물에 적용함으로써, 이러한 콘크리트 혼합물로 시공된 콘크리트 구조물의 인장 강도(tensile strength)와 연성(ductility)을 동시에 향상시킬 수 있는데, 매크로 섬유인 강섬유는 연성을 증가시키며 마이크로 섬유인 탄소섬유는 인장강도를 향상시키는데 효과적으로 기여하기 때문이다.
하지만, 이러한 콘크리트 혼합물에 배합되는 보강 섬유의 사용량은 작업성(workability)으로 인해 제한되는데, 매크로 섬유의 경우 최대 2 vol%까지 사용 가능하고, 마이크로 섬유의 경우 최대 6 vol%까지 사용되는 것이 일반적이다.
또한, 본 발명에서 마이크로 섬유로 사용되는 탄소섬유는 일반 금속 보강재에 비해 콘크리트 구조물 내부에 효과적으로 분포될 수 있을 뿐만 아니라 내부식성, 강도 등이 우수하며, 매우 작은 지름과 높은 종횡비(aspect ratio > 1500)를 갖고 있어, 콘크리트 구조물 내부에서 매크로 섬유인 강섬유와 콘크리트 사이의 계면에 분포하여 전지 전도도를 향상시키는데 효과적으로 기여할 수 있어, 콘크리트 구조물의 전기 비저항 변화 측정을 통한 본 발명의 자기 손상 감지 방법과 장치의 민감도를 높일 수 있다.
이러한 하이브리드 보강재로 보강된 콘크리트 구조물의 자기 손상 감지 방법은, 강섬유(steel fiber)와 탄소섬유(carbon fiber)를 포함하는 하이브리드 섬유가 전체 조성물을 기준으로 1.25 ~ 2.0 vol%의 범위로 포함되도록 콘크리트 조성물에 배합한 후, 콘크리트 구조물을 제조하고, 상기 콘크리트 구조물에 전기를 흘려줄 수 있는 전극을 형성하고, 상기 전극에 전류를 공급하여 시간 변화에 따른 콘크리트 구조물의 비저항 변화를 측정하는 단계를 포함하는데, 상기 시간 변화에 따른 비저항 변화 측정은 콘크리트 구조물의 내구성 검사 주기, 또는 지진과 같은 특정한 사건이 발생한 직후 등 사용자가 필요한 시기를 직접 선택하여 결정하는 것 또한 가능하다.
이때 사용되는 콘크리트 조성물에는 콘크리트 조성물에는 강섬유가 1.0~1.5 vol%의 범위로 포함되고, 탄소섬유는 0.25~0.5 vol%의 범위로 포함되는 것이 바람직하며, 강섬유의 지름은 0.25~0.45 mm, 길이는 25~45 mm이고, 상기 탄소섬유의 지름은 0.005~0.01 mm, 길이는 10~17 mm인 것이 바람직한데, 이러한 조성물을 사용하여 콘크리트 구조물 전체에 걸쳐 시공할 수도 있지만, 균열 또는 손상이 예상되는 콘크리트 구조물의 특정 취약 부위에 대해서만 일부 시공하는 것도 가능하다.
또한, 기존 콘크리트 건물에 대해서도 특정 취약 부위에 대해서만 보수 공사 형태로 본 발명의 하이브리드 섬유 보강재가 사용된 콘크리트 구조물을 일부분만 선택적으로 설치하는 것도 가능하며, 필요에 따라 전극의 위치와 수량을 다양하게 변화시키는 것 또한 가능하다.
본 발명의 다른 실시 형태인 콘크리트 구조물의 자기 손상 감지 장치는, 강섬유(steel fiber)와 탄소섬유(carbon fiber)를 포함하는 하이브리드 섬유가 전체 조성물을 기준으로 1.25 ~ 2.0 vol%의 범위로 포함된 콘크리트 조성물로 형성된 콘크리트 구조물과 상기 콘크리트 구조물과 외부 전원을 전기적으로 연결하는 전극, 상기 전극부를 통해 전류를 공급하여 상기 콘크리트 구조물의 취약 부위의 시간에 따른 전기 비저항의 변화를 기록하는 제어부 및 상기 전극부와 상기 제어부를 전기적으로 연결하는 연결부를 포함한다.
본 발명에서 콘크리트 구조물을 제조하는데 사용되는 콘크리트 조성물은, 규사 100 중량부에 대하여 시멘트는 75~85 중량부, 열분해 실리카는 5~10 중량부, 플라이 애시는 15~25 중량부, 고강도 혼화제는 1~10 중량부, 물은 20~30 중량부를 혼합하여 제조되며, 이때 사용되는 플라이 애시는 분말도가 3000~4000 ㎠/g이고, 상기 열분해 실리카는 평균직경이 0.01~1 ㎛이며, 상기 규사는 평균직경이 0.01~0.5 mm인 것이 바람직하다.
[ 실시예 1]
본 발명에 사용되는 하이브리드 섬유로 보강된 콘크리트 구조물의 균열 또는 손상 자기 감지 성능을 살펴보기 위해서, 강섬유만을 보강재료로 사용한 콘크리트 구조물과 강섬유 및 탄소섬유를 포함하는 하이브리드 섬유를 보강재료로 사용한 콘크리트 조성물을 사용하여 각각 시편을 제작하고 이들의 GF 값을 측정하여 비교하였다.
본 실시예에서 사용된 강섬유와 탄소섬유는 표 1의 재질을 사용하였으며, 이들의 사진은 도 3에 나타내었다. 강섬유만을 보강재로 사용한 경우에는 전체 콘크리트 조성물에서 강섬유가 1.5 vol%가 되도록 콘크리트 혼합물에 배합하였으며, 하이브리드 섬유를 사용하여 보강한 경우에는 강섬유가 1.0 vol%, 탄소섬유가 0.5 vol% 포함되도록 콘크리트 조성물에 혼합하였다.
섬유의 종류 직경 [mm] 길이 [mm] 밀도[g/cc] 인장 강도[MPa] 탄성계수[GPa]
탄소섬유 0.005~0.01 10~17 1.81 4137 240
강섬유 0.25~0.45 25~45 7.9 2580 200
상기 콘크리트 조성물을 사용하여 변형 경화된 콘크리트 구조물을 형성하는 구체적인 단계는 다음과 같다.
시멘트, 플라이 애시(fly ash), 실리카 흄(silica fume), 규사(silica sand), 탄소섬유를 5분간 건조 혼합하는 제 1단계; 상기 제 1단계의 혼합물에 물을 부가한 후 3분간 혼합하는 제 2단계; 상기 제 2단계의 혼합물에 혼화제(plasticizer)를 부가한 후 5-10분간 혼합하는 제 3단계; 상기 제 3 단계의 혼합물에 강섬유를 부가한 후 다시 5분간 혼합하는 제 4단계; 상기 제 4단계의 혼합물을 몰드에 타설하고 미세한 진동을 주는 제 5단계; 상기 제 5단계의 혼합물을 플라스틱 시트로 덮어 상온에서 2일간 보관하는 제 6단계; 상기 제 6단계의 성형체를 몰드에서 꺼내고 14일간 습윤 양생하는 제 7단계; 상기 제 7단계의 성형체를 12~36시간 고온에서 말리는 제 8단계;및 상기 제 8단계의 성형체에 대해 2~3층의 폴리우레탄을 뿌리는 제 9단계;를 거쳐 제조된다.
이때 사용되는 플라이 애시는 분말도가 3000~4000 ㎠/g이고, 상기 실리카 흄는 평균직경이 0.01~1 ㎛이며, 상기 규사는 평균직경이 0.01~0.5 mm의 범위를 갖는 다. 또한 상기 규사 100 중량부에 대하여 상기 시멘트는 75~85 중량부, 상기 실리카 흄은 5~10 중량부, 상기 플라이 애시는 15~25 중량부, 상기 혼화제는 1~10 중량부, 상기 물은 20~30 중량부의 범위로 혼합하였다.
강섬유만을 보강재로 사용한 경우에는 상기 제 1단계에서 탄소섬유를 제외하고는 동일한 방법으로 콘크리트 시편을 제조하였다. 이렇게 제조된 각각의 콘크리트 시편에 은 페이스트(silver paste)를 전체로 감싸 준 후 동박 테이프(copper tape)를 붙여 콘크리트와 테이프 사이에 전기 전도성을 높여준 후, 상기 콘크리트 시편에 인장 하중을 가하면서 전기 저항의 변화를 측정하였으며, 각각의 시편에 대한 실험 결과를 정리하면 다음의 표 2 및 도 4와 같다.
인장 변형
εpc(%)		 인장 응력
σpc(MPa)		 평균 균열 수
Npc		 GF 값
강섬유 0.53 7.64 10 99.85
하이브리드 섬유 0.49 6.81 7 208.23
상기 표 2의 결과와 도 4의 기계-전기적(mechanical electrical) 응답 거동(response behavior)을 살펴보면, 강섬유만을 보강재로 사용한 콘크리트 시편과 강섬유와 칸소섬유를 모두 포함한 하이브리드 섬유를 보강재로 사용한 콘크리드 시편 모두 전형적인 변형 경화 거동을 나타내었지만, 강섬유만을 사용한 경우에 비해 하이브리드 섬유가 사용된 콘크리트 시편이 인장 변형과 인장 응력면에서는 약간 감소되었다.
하지만, 단위 인장 변형에 따른 비저항의 변화를 나타내는 GF값이 2배 이상으로 높아짐을 확인할 수 있었으며, 본 발명에서 해결하고자 하는 콘크리트 구조물의 자기 손상 감지에 더욱 유리함을 확인할 수 있었다.
[ 실시예 2]
앞서 [실시예 1]와 동일한 방법으로 하이브리드 섬유를 사용하여 콘크리트 시편을 제조하였으며, 이때 사용되는 강섬유의 양은, 콘트리트 조성물의 총 배합량의 1.0 vol%로 고정하고, 탄소섬유의 양을 총배합량의 0 vol%, 0.5 vol%, 1.0 vol% 및 1.5 vol%로 변화시켜 콘크리트 시편을 제작한 후, 동일한 방법으로 기계-전기적 응답 거동을 관찰하였으며, 그 결과는 도 5a 내지 5d에 나타내었다.
도 5a는 탄소섬유가 사용되지 아니하고 강섬유만이 1 vol% 사용된 콘크리트 시편의 기계-전기적 응답 거동을 의미하며, 도 5b는 내지 도 5d는 각각 강섬유 1vol%에 탄소섬유 0.5, 1 및 1.5 vol%가 포함된 하이브리드 섬유를 사용하여 제조된 콘크리트 시편에 대한 기계-전기적 응답 거동을 나타낸다.
강섬유만이 1.0 vol%포함된 경우와 강섬유 1.0 vol% 및 탄소섬유 0.5 vol%를 포함하는 경우만이 전형적인 변형 경화(strain hardening) 거동을 나타내었으며, 탄소섬유의 사용량이 증가되어 1.0 또는 1.5 vol% 포함된 경우에는 변형 연화(strain softening) 거동을 나타내어, 본 발명에서 해결하고자 하는 콘크리트 구조물의 자기 손상 감지에 적절하지 않음을 알 수 있었다.
초기균열이 발생한 이후 인장변형이 증가함에 따라 그 인장저항능력이 감소하게 되면, 다수의 미세 균열이 생성되는 것이 아니라, 하나의 균열이 점점 그 폭이 증가하게 된다. 따라서 구조물의 내구수명을 단축 시킬 뿐만 아니라, 하중저항능력도 저하되게 된다.
상기 결과를 토대로 각각의 경우에 대한 GF 값을 계산하여 비교한 결과를 도 6에 나타내었으며, 강섬유가 1.0 vol%, 탄소섬유가 0.5 vol%의 양으로 혼합된 콘크리트 시편의 GF 값이 가장 높은 값을 가짐을 확인할 수 있었다.
[ 실시예 3]
앞서 [실시예 2]와 동일한 방법으로 하이브리드 섬유를 사용하여 콘크리트 시편을 제조하였으며, 이때 사용되는 강섬유의 양은, 콘트리트 조성물의 총 배합량의 1.5 vol%로 고정하고, 탄소섬유의 양을 각각 총배합량의 0 vol%, 0.25 vol% 및 0.5 vol%로 변화시켜 콘크리트 시편을 제작한 후, 동일한 방법으로 기계-전기적 응답 거동을 관찰하였으며, 그 결과는 도 7a 내지 7c에 나타내었다.
도 7a는 탄소섬유가 사용되지 아니하고 강섬유만이 1.5 vol% 사용된 콘크리트 시편의 기계-전기적 응답 거동을 의미하며, 도 7b와 도 7c는 각각 강섬유 1.5vol%에 탄소섬유 0.25 및 1.0 vol%가 포함된 하이브리드 섬유를 사용하여 제조된 콘크리트 시편에 대한 기계-전기적 응답 거동을 나타낸다.
강섬유만이 1.5 vol%포함된 경우와 강섬유 1.5 vol% 및 탄소섬유 0.25 vol% 또는 0.50 vol%를 포함하는 경우만이 전형적인 변형 경화(strain hardening) 거동을 나타내었으며, 탄소섬유의 사용량이 증가되어 1.0 vol% 포함된 경우에는 앞서 실시예 2에서 확인한 바와 같이 변형 연화(strain softening) 거동을 나타내어, 본 발명에서 해결하고자 하는 콘크리트 구조물의 자기 손상 감지에 적절하지 않았다.
상기 결과를 토대로 각각의 경우에 대한 GF 값을 계산하여 비교한 결과와 인장 강도의 측정결과를 각각 도 8a와 도 8b에 나타내었으며, 강섬유가 1.5 vol%, 탄소섬유가 0.5 vol%의 양으로 혼합된 콘크리트 시편의 GF 값이 가장 높은 값을 가짐을 확인할 수 있었으며, 인장 강도(tensile stress)의 변화 역시 탄소 섬유의 양이 0.5 vol%까지 증가함에 따라 크게 변화하지 않고 유지되고 있음을 확인할 수 있었다.

Claims (10)

  1. 콘크리트 구조물의 자기 손상 감지 방법에 있어서,
    균열 또는 손상이 예상되는 상기 콘크리트 구조물의 취약 부위를, 강섬유(steel fiber)와 탄소섬유(carbon fiber)를 포함하는 하이브리드 섬유가 전체 조성물을 기준으로 1.25 ~ 2.0 vol%의 범위로 포함된 콘크리트 조성물을 사용하여 형성하는 제 1 단계;
    상기 콘크리트 조성물을 사용하여 형성된 상기 콘크리트 구조물의 취약 부위에 전극을 형성하는 제 2 단계; 및
    상기 전극에 전류를 공급하여 시간 변화에 따른 콘크리트 구조물의 취약 부위의 비저항 변화를 측정하는 제 3 단계;를 포함하는 하이브리드 섬유를 통해 보강된 콘크리트 구조물의 균열 또는 손상 자기 감지 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 콘크리트 조성물에는 강섬유가 1.0 ~ 1.5 vol% 포함되고, 탄소섬유는 0.25 ~ 0.5 vol%의 범위로 포함되는 것을 특징으로 하는, 하이브리드 섬유를 통해 보강된 콘크리트 구조물의 균열 또는 손상 자기 감지 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 강섬유의 지름은 0.25 ~ 0.45 mm, 길이는 25 ~ 45 mm이고, 상기 탄소섬유의 지름은 0.005 ~ 0.01 mm, 길이는 10 ~ 17 mm인 것을 특징으로 하는, 하이브리드 섬유를 통해 보강된 콘크리트 구조물의 균열 또는 손상 자기 감지 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 콘크리트 조성물에는, 규사 100 중량부에 대하여 시멘트는 75 ~ 85 중량부, 열분해 실리카는 5 ~ 10 중량부, 플라이 애시는 15 ~ 25 중량부, 고강도 혼화제는 1 ~ 10 중량부, 물은 20 ~ 30 중량부가 포함되는 것을 특징으로 하는, 하이브리드 섬유를 통해 보강된 콘크리트 구조물의 균열 또는 손상 자기 감지 방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 플라이 애시는 분말도가 3000 ~ 4000 ㎠/g이고, 상기 열분해 실리카는 평균직경이 0.01 ~ 1 ㎛이며, 상기 규사는 평균직경이 0.01 ~ 0.5 mm인 것을 특징으로 하는, 하이브리드 섬유를 통해 보강된 콘크리트 구조물의 균열 또는 손상 자기 감지 방법.
  6. 콘크리트 구조물의 자기 손상 감지 장치에 있어서,
    강섬유(steel fiber)와 탄소섬유(carbon fiber)를 포함하는 하이브리드 섬유가 전체 조성물을 기준으로 1.25 ~ 2.0 vol%의 범위로 포함된 콘크리트 조성물로 형성된, 균열 또는 손상이 예상되는 콘크리트 구조물의 취약 부위;
    상기 취약 부위를 외부 전원과 전기적으로 연결하는 전극부;
    상기 전극부를 통해 전류를 공급하여 상기 콘크리트 구조물의 취약 부위의 시간에 따른 전기 비저항의 변화를 기록하는 제어부; 및
    상기 전극부와 상기 제어부를 전기적으로 연결하는 연결부;를 포함하는 하이브리드 섬유를 통해 보강된 콘크리트 구조물의 균열 또는 손상 자기 감지 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 콘크리트 조성물에는 강섬유가 1.0 ~ 1.5 vol%포함되고, 탄소섬유는 0.25 ~ 0.5 vol%의 범위로 포함되는 것을 특징으로 하는, 하이브리드 섬유를 통해 보강된 콘크리트 구조물의 균열 또는 손상 자기 감지 장치.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 강섬유의 지름은 0.25 ~ 0.45 mm, 길이는 25 ~ 45 mm이고, 상기 탄소섬유의 지름은 0.005 ~ 0.01 mm, 길이는 10 ~ 17 mm인 것을 특징으로 하는, 하이브리드 섬유를 통해 보강된 콘크리트 구조물의 균열 또는 손상 자기 감지 장치.
  9. 제6항에 있어서,
    상기 콘크리트 조성물에는, 규사 100 중량부에 대하여 시멘트는 75 ~ 85 중량부, 열분해 실리카는 5 ~ 10 중량부, 플라이 애시는 15 ~ 25 중량부, 고강도 혼화제는 1 ~ 10 중량부, 물은 20 ~ 30 중량부가 포함되는 것을 특징으로 하는, 하이브리드 섬유를 통해 보강된 콘크리트 구조물의 균열 또는 손상 자기 감지 장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 플라이 애시는 분말도가 3000 ~ 4000 ㎠/g이고, 상기 열분해 실리카는 평균직경이 0.01 ~ 1 ㎛이며, 상기 규사는 평균직경이 0.01 ~ 0.5 mm인 것을 특징으로 하는, 하이브리드 섬유를 통해 보강된 콘크리트 구조물의 균열 또는 손상 자기 감지 장치.
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