윤다애
(Da-Ae Youn)
1
김지현
(Ji-Hyeon Kim)
1
이건철
(Gun-Cheol Lee)
2
서수연
(Soo-Yeon Seo)
2
윤현도
(Hyun-Do Yun)
3†
-
충남대학교 건축공학과 대학원생
(Graduate Student, Department of Architectural Engineering, Chungnam National University,
Daejeon 34134, Rep. of Korea)
-
한국교통대학교 건축공학과 교수
(Professor, Department of Architectural Engineering, Korea National University of Transportation,
Chungju 27469, Rep. of Korea )
-
충남대학교 건축공학과 교수
(Professor, Department of Architectural Engineering, Chungnam National University,
Daejeon 34134, Rep. of Korea)
Copyright © Korea Concrete Institute(KCI)
키워드
변형경화형 시멘트복합체(SHCC), 자기감지, 탄소나노튜브(CNT), 인장변형, 게이지 상수(GF)
Key words
strain-hardening cement composite (SHCC), self-sensing, carbon nanotube (CNT), tensile strain, gauge factor (GF)
1. 서 론
많은 사회기반시설물은 철근콘크리트구조이며 최근 이러한 구조물의 내구성 및 안전성 향상을 위한 다양한 재료와 모니터링 기술에 관한 연구가 활발히 진행되고
있다. 특히 섬유보강 콘크리트(fiber-reinforced concrete, FRC)의 일종인 변형 경화형 시멘트 복합체(strain-hardening
cement composite, SHCC)는 직접 인장 하에서 발생한 균열 면에 보강 섬유의 가교작용을 통한 응력 재분배가 나타난다. 이로 인해 다수의
미세균열과 인장균열 발생 이후에도 강재와 같은 변형경화특성을 보이며 콘크리트 시설물의 내구성 및 안전성을 향상시킬 수 있는 신재료로 평가되고 있다(Choi
et al. 2014)(16). 또한, 나노 단위를 갖는 고전도 물질의 개발과 함께 시멘트 복합체에 전도성을 갖는 나노 물질을 혼입하여 시설물의 안전성 모니터링에 필수적인 변형계측
센서(sensor)로 활용하기 위한 연구가 활발하게 진행되고 있다(Dong et al. 2019)(4).
탄소나노튜브(carbon nanotube, CNT), 탄소나노섬유(carbon nanofiber, CNF), 그래핀나노플레이트(graphene nanoplateles)
및 카본블랙(carbon black, CB)과 같은 나노물질 중 시멘트 복합체에 혼입하여 압저항 성능 평가한 결과, 센서 제작 비용 및 압저항 특성
등을 종합적으로 고려할 때 CNT가 시멘트 복합체에 감지(sensing) 능력을 부여하는 데 활용 가능성이 높은 전도물질로 평가되고 있다(Pisello
et al. 2017)(11). 이러한 결과는 Yoo et al.(2017)(17)의 연구에서도 나타났으며, 흑연나노섬유(graphite nanofiber), 그래핀(graphene) 및 CNT를 시멘트 복합체에 혼입하여 반복 압축하중에
대한 저항변화 평가 결과 CNT를 혼입한 시멘트 복합체 기반 센서가 가장 높은 민감도를 보이는 것으로 평가되었다.
2000년대 초반부터 탄소섬유와 같은 전도물질을 혼입한 시멘트 복합체 기반 센서에 직접 인장 하에서 감지능력 평가에 관한 연구가 시작되었다(Wen
and Chung 2003)(14). 이러한 센서는 인장변형률 3.5×10-5 이내에서 시멘트 복합체에 균열 발생 이전까지만 감지기능을 보유하는 것으로 보고되었다. 최근 SHCC의
일종인 PVA 합성섬유로 보강된 시멘트 복합체(engineered cementitious composite, ECC)에 CB 및 CNF와 같은 전도물질을
혼입하여 인장변형률 2,000×10-5까지 감지능력을 갖는 시멘트 복합체 기반 센서를 제안하였다(Ranade et al. 2014; Hardy et
al. 2016)(6,12). 강섬유(steel fiber, SF)로 보강된 초고성능 시멘트복합체(ultra-high-performance concrete, UHPC)에 CNT를
혼입하여 인장변형률 370×10-5까지 감지할 수 있는 센서를 개발하였다(Yoo et al. 2018)(16). 일반적으로 시멘트 복합체 기반 변형률 감지센서는 시멘트 복합체의 배합조건, 보강섬유 및 전도물질의 종류, 저항측정 방법 등에 따라 감지능력 및
범위는 현저한 차이를 보이는 것으로 보고되고 있다(Han et al. 2014)(5).
본 연구에서는 저자가 개발한 인장 및 균열제어 성능이 입증된 폴리에틸렌 섬유(polyethylene, PE)와 강섬유로 보강된 Hy-SHCC에 전도물질인
CNT를 혼입하여 인장변형률 감지능력을 확대한 스마트 변형경화형 시멘트 복합체(smart SHCC)를 제안한다. 또한, CNT 혼입량이 SHCC의
인장변형 및 변형감지 성능에 끼치는 영향을 평가하고, 2 및 4개 단자에 의한 전기저항 측정방식(2 및 4-Probe)에 따른 특성도 평가한다.
2. 실 험
2.1 사용재료
2.1.1 탄소나노튜브(carbon nanotube, CNT)
SHCC에 변형률 감지능력을 부여하기 위하여 높은 전도성을 갖는 Table 1과 같은 특성을 갖는 액상형 고농축 CNT를 혼입하였다. 액상형 고농축 CNT는 비휘발성 물질 17.1 %, CNT 13.6 % 및 수분 69.3
%로 구성된다. Fig. 1은 섬유를 혼입하지 않은 시멘트 복합체에 시멘트 중량의 0.5 % 액상형 CNT를 혼입한 모르타르(Fig. 1(a)) 및 섬유가 혼입된 굳지 않은 Hy-SHCC(Fig. 1(b)) 상태를 각각 나타낸 것이다. CNT를 혼입한 모르타르의 무타격 플로우는 300 mm, 굳지 않은 SHCC의 타격 후 플로우는 180 mm로 평가되었다.
Fig. 2는 이 연구에 사용된 액상형 CNT의 미세구조를 나타내며 CNT의 외경 50 nm 이상, 내경은 5~15 nm이며 길이는 10 µm 이하이다. CNT
밀도는 2.1 g/cm$^{3}$ 이하이며, 전기전도도는 100 s/cm이다.
Table 1. Properties of aqueous CNT
|
Diameter
(nm)
|
Length
(µm)
|
Special
surface area
(m$^{2}$/g)
|
Ash
(wt%)
|
Density
(g/cm$^{3}$)
|
Electrical
conductivity
(s/cm)
|
|
5~15
|
<10
|
>60
|
<1.5
|
~2.1
|
100
|
Fig. 1. Flow of smart Hy-SHCC with 0.5 % CNT
Fig. 2. Scanning electron microscopy photo of CNT (liquid)
Table 2. Properties of reinforcing fibers
|
Fiber type
|
PE fiber
|
Steel fiber
|
|
Specific gravity (kg/cm$^{3}$)
|
0.97
|
7.85
|
|
Length (mm)
|
15
|
13
|
|
Diameter (µm)
|
12
|
200
|
|
Tensile strength (MPa)
|
2,500
|
2,650
|
|
Elastic modulus (GPa)
|
75
|
205
|
Table 3. Mixture proportions of smart Hy-SHCC
|
Hy-SHCC
type
|
W/C
|
W
|
C
|
S
|
CNT
(.%)
|
PE1)
(vol.%)
|
SF2)
(vol.%)
|
|
CNT-0.5 %
|
0.3
|
0.3
|
1.0
|
0.4
|
0.5
|
1.0
|
0.5
|
|
CNT-1.0 %
|
1.0
|
1)Polyethylene, 2)Steel fiber
2.1.2 보강섬유
Choi et al.(2012)의 연구에서는 PE 및 강섬유를 혼입하여 시멘트 복합체에 미세한 다수균열 특성과 2 % 내외의 인장변형능력을 부여하는
Hy-SHCC의 제조 기술을 확보하였다. 이 연구에서 스마트 변형경화형 시멘트 복합체를 제조하기 위하여 PE 1.0 % 및 강섬유 0.5 %를 하이브리드
보강하였다. 사용된 섬유의 재원은 Table 2에 나타난 바와 같다.
2.2 실험계획
스마트 변형경화형 시멘트 복합체는 시멘트, 규사, PE 및 강섬유 외에도 시멘트 복합체에 전도성을 부여하기 위하여 CNT를 0.5 및 1.0 % 혼입하여
제조하였다. 이 연구에서 검토된 Hy-SHCC의 배합조건은 Table 3과 같이 물시멘트비를 0.3으로 설정하였다. CNT의 혼입에 따른 Hy-SHCC의 역학적 및 변형감지 특성에 끼치는 영향을 평가하기 위하여 CNT
혼입률을 변수로 두 배합이 계획되었다.
2.3 SHCC 비빔 및 실험체 제작
Fig. 3은 스마트 변형경화형 시멘트 복합체의 비빔 과정을 나타낸 것이다. Fig. 3과 같이 먼저 시멘트 및 규사를 2분 동안 건비빔 후 액상형 CNT, 배합수 및 유동화제를 투입하고 3분간 추가로 비빔하였다. 이후 PE 및 강섬유를
투입하고 3분간 비빔하고 압축강도 및 인장강도 평가를 위한 실험체를 제작하였다.
Fig. 3. Mixing procedure of smart Hy-SHCC
Fig. 4 Result of slump flow test
Fig. 5. Dimensions of the specimen (unit: mm)
섬유가 혼입되지 않은 시멘트 복합체에서 섬유의 분산이 원활하게 이루어질 수 있도록 KS L 5111(KATS 2017a)에 준하여 실시한 플로우 값을
300 mm 이상으로 설정하였으며, 이를 위하여 유동화제를 투입하였다. 또한, 섬유 혼입에 따른 플로우 저하를 평가하기 위하여 섬유 혼입 후 플로우를
측정하였고 그 실험결과는 Fig. 4와 같다. 1.0 % PE 및 0.5 % 강섬유 혼입 후 시멘트 복합체의 플로우는 섬유 혼입 이전 시멘트 복합체의 플로우에 비하여 40 % 이상 감소하는
것으로 나타났다.
CNT 혼입에 따른 SHCC의 압축특성을 평가하기 위하여 KS L 5105(KATS 2017b)에 준하여 50×50×50 mm 크기의 입방형(cubic)
실험체를 배합 별로 3개 제작하였고, 수직 및 수평 변형을 평가하기 위하여 스트레인 게이지를 부착하였다. CNT를 혼입한 Hy-SHCC의 인장특성
및 인장변형 감지성능을 평가하기 위하여 Fig. 5와 같은 덤벨형(dumbbell-shaped)를 배합 별로 8개씩 제작하였다.
압축 및 인장 실험체는 타설 이후 24시간이 경과된 시점에서 탈형하였고 압축 실험체는 28일간 수중양생하고 인장 실험체는 온도 20±3 °C, 습도
50±10 %의 상태에서 28일 기건양생 후 압축 및 인장실험을 실시하였다. 입방형실험체에 대한 압축실험은 KS L 5111(2017)에 준하여 실시하였고
덤벨형 인장 실험체의 인장실험은 기존 연구(Choi et al. 2012)와 동일한 방법으로 실시하였다.
2.4 전기저항 측정방법
시멘트 복합체의 전류도입은 직류(direct current, DC) 및 교류(alternating current, AC) 방법으로 분류되며 직류 방법은
이온의 이동과 응집이 자기감지 콘크리트에서 전기분극(polarization)을 일으키며 전기전도가 상승하여 정확한 측정이 어려운 것으로 평가된다.
하지만 교류 방법의 경우 분극이 관찰되나 주파수의 증가로 수용이 가능한 것으로 보고되어(Hou and Lynch 2005), 본 연구에서는 교류 방법을
적용하였다.
Fig. 6. Experimental setup
Fig. 7. Effect of curing age on resistivity
Fig. 8. Effect of curing age on polarization
시멘트 복합체의 전기저항은 크게 2-Probe와 4-Probe를 활용하여 측정하는 방법으로 구분된다. 그러나 시멘트 복합체에서 합리적인 방법으로 많은
연구자는 상반된 결과를 제시하고 있다. 이 연구에서는 저항측정방법이 SHCC의 변형감지특성에 미치는 영향을 평가하고자 한다. 따라서 Fig. 5와 같이 각 배합에 대하여 2 및 4-Probe를 활용한 덤벨형 실험체를 4개씩 제작하여 인장성능 및 인장변형감지특성을 평가하였다. 각 전극의 위치에는
홈을 파낸 후 구리선을 감고 실버페이스트(silver paste)를 도포하였다. 4-Probe를 활용한 측정방법에서는 저항특성을 평가하기 위한 실험체의
설치 및 전기저항 측정 시스템을 나타낸 것이다. 사용된 저항 측정장치(LCR meter)는 K사(E4980AL, Malaysia)의 제품으로 최대
주파수 100 kHz이며 저항은 1초에 1회씩 측정하였으며 실험세팅은 Fig. 6에 나타내었다.
Fig. 7은 하중의 재하 없이 인장 실험체에 2 및 4-Probe를 활용하여 15분간 측정된 저항의 평균값을 재령에 따라 비교하여 나타낸 것이다. 4-Probe
측정 방법은 2- Probe 측정 방법보다 초기 저항값이 작은 것으로 나타났다. 재령에 따라 인장 실험체에서 15분 동안 2 및 4-Probe를 활용하여
측정한 분극량($\Delta R=R_{15}-R_{o}$)을 비교하여 나타내면 Fig. 8과 같다. 저항 측정 시작 시점의 저항은 $R_{o}$이고 저항 측정을 종료 시점인 15분 경과 후 저항은 $R_{o}$이다. 초기 재령에서 동일
배합 실험체의 분극량은 2- Probe 및 4-Probe 모두 불안정한 것으로 나타났으나, 재령이 증가함에 따라 동일 배합 실험체의 분극량을 안정적으로
나타났다. 재령 28일 시점에서의 분극량은 2 % 이내로 나타났으며, 15분 동안 측정된 저항 값은 매우 안정적으로 판단된다.
Table 4. Compressive properties of smart SHCC cubics
|
Specimen
|
Compressive strength
(MPa)
|
Modulus of elasticity
(GPa)
|
|
CNT-0.5 %
|
50.5 (±1.97)
|
15.4 (±0.44)
|
|
CNT-1.0 %
|
56.5 (±0.45)
|
15.8 (±0.30)
|
3. 실험결과 및 분석
3.1 압축특성
CNT 0.5 % 및 1.0 %를 혼입한 변형경화형 시멘트 복합체의 압축강도 시험결과는 Table 4와 같다. CNT의 혼입량이 0.5 %에서 1.0 % 증가됨에 따라 평균 12 % 압축강도가 증가되었고 평균 2.6 % 탄성계수가 증가되는 경향을
보였다. Xu et al.(2015)(15)과 같은 기존 연구자들 연구결과에서도 1.0 % 이내의 CNT 혼입은 시멘트 복합체의 압축강도를 10 %에서 20 % 증진하는 것으로 보고되고 있다.
이러한 압축강도 증진은 CNT 섬유가 수화생성물을 가교결합(crosslink)하여 시멘트 복합체의 미세균열 형성을 억제하기 때문으로 알려져 있다(Morsy
et al. 2011)(10).
Fig. 9는 50×50×50 mm 크기의 입방형 실험체에 하중도입 방향 및 횡 방향으로 부착된 변형게이지에 의해 측정된 도입 압축응력 단계별 변형률의 관계를
비교하여 나타낸 것이다. 압축응력하에서 CNT 1.0 % 혼입한 SHCC의 가력방향 및 횡 방향 변형능력이 CNT 0.5 % SHCC에 비하여 높게
나타났다.
3.2 직접인장거동
Fig. 9. Compressive behaviors of smart SHCC cubics
Table 5는 각 배합조건에서 제작된 덤벨형 인장 실험체에 대한 직접인장 실험결과를 요약하여 나타낸 것이다. CNT를 0.5 % 혼입한 Hy-SHCC 실험체(CNT-0.5
%)의 초기 균열 강도는 0.02 %의 변형률에서 3.22 MPa로 나타났으며, CNT를 1.0 % 혼입하여 제조한 Hy-SHCC 실험체(CNT-1.0
%)는 0.03 %의 변형률에서 4.87 MPa의 초기균열강도를 나타내었다. CNT를 0.5 % 혼입한 실험체의 인장강도 및 인장강도 시 변형률은
각각 5.66 MPa 및 1.77 %로 나타났다. CNT를 1.0 % 혼입한 실험체의 경우 2.04 %의 변형률에서 6.64 MPa의 인장강도를 보이며
CNT를 0.5 % 혼입한 Hy-SHCC에 비하여 우수한 직접 인장강도 특성을 보였다. Hardy et al.(2016)(6)의 연구결과에서도 CNT는 섬유보강 시멘트 복합체의 직접 인장성능 향상에 기여하는 것으로 결론짓고 있다. 다만 1.0 %의 CNT 혼입 시 시멘트
복합체의 유동성 저하로 인하여 시멘트 복합체 내부 매트릭스에서 공극이 형성되어 인장강도는 미소하게 저하되는 경향을 보였다고 보고하고 있다. 또한,
CNT-0.5 % 및 CNT-1.0 % 실험체의 전면에 나타난 균열은 평균 17 및 32.2개로 나타났으며, 이에 대한 전형적인 균열진전 과정을 Fig. 10에 나타냈다.
Table 5. Summary of tensile test results on smart Hy-SHCC specimens
|
Specimen
|
First crack
|
Ultimate tensile
|
Average number of crack
|
|
Strength, $\sigma_{cc}$ (MPa)
|
Strain, $\varepsilon_{cc}$ (%)
|
Strength, $\sigma_{pc}$ (MPa)
|
Strain, $\varepsilon_{pc}$ (%)
|
|
CNT-0.5 %
|
3.22 (±0.21)
|
0.02 (±0.004)
|
5.66 (±0.27)
|
1.77 (±0.462)
|
17.0 (±3.5)
|
|
CNT-1.0 %
|
4.87 (±0.87)
|
0.03 (±0.013)
|
6.64 (±0.37)
|
2.04 (±0.631)
|
32.2 (±3.0)
|
Fig. 10. Typical cracking procedure of smart Hy-SHCC dumbbell-shaped specimen
직접인장 하중하에서 모든 실험체는 다수 균열특성을 보였고 특히 CNT 1.0 % 혼입한 Hy-SHCC로 제작된 인장 실험체에서 더 폭넓게 확산되는
다수 균열특성을 보였다. 이는 시멘트 복합체 내에 혼입된 CNT가 나노 크기의 균열을 가교하여 시멘트 복합체에 작용되는 응력을 재분배하는데 기여하고
있기 때문으로 판단된다(Hardy et al. 2016)(6).
Fig. 11은 CNT를 0.5 % 및 1.0 % 혼입한 덤벨형 인장 실험체의 인장응력-인장변형률 관계곡선을 비교하여 나타낸 것이다. 또한, 인장변형률에 따른
CNT-0.5 % 및 CNT-1.0 % 배합을 적용한 인장 실험체의 평균 균열수를 함께 비교하여 나타내었다. Fig. 11에 나타난 바와 같이 CNT를 1.0 % 혼입한 Hy-SHCC 인장 실험체는 CNT 0.5 %를 혼입한 실험체에 비하여 높은 초기 인장강성 및 균열강도를
보인다. 또한, 인장강도 및 변형경화 구간이 종료되는 시점의 인장변형률도 크게 증가되는 것으로 나타났다. 인장변형에 따라 시험체에 발생된 균열수도
CNT 1.0 % 혼입한 배합에서 크게 증가되는 경향을 보였다. 이상과 같은 결과로 볼 때, PE 및 강섬유로 보강된 Hy-SHCC에서 1.0 %
이내의 CNT 혼입은 초기 인장강성, 초기 균열강도, 인장강도 및 변형능력 향상에 기여하는 것으로 판단된다. 이는 Hy-SHCC에 혼입된 CNT에
의한 나노 크기의 균열제어 및 보강 섬유에 의한 마이크로 및 매크로 균열 가교작용을 향상시켜 Hy-SHCC의 인장 및 균열제어 성능을 개선할 수 있는
것으로 판단된다.
3.3 인장변형 감지성능
CNT를 0.5 % 및 1.0 % 혼입한 Hy-SHCC의 자기 변형감지능력을 평가하기 위하여 Hy-SHCC 인장 실험체에 Fig. 5에 나타난 바와 같이 2 및 4-Probe를 활용하여 전압($V$)과 전류($I$)를 측정하여 옴의 법칙을 이용하여 저항($R$) 결정하였다. 실험변수에
따른 Hy-SHCC의 고유한 전기적 특성을 평가하기 위한 단위체적당 저항률(volume resistivity, $\rho$)을 식 (1)을 이용하여 구하였다. 여기서 $A$는 실험체 단면적(9 cm$^{2}$), $L$은 전극간 거리(19 cm)로 정의된다.
Fig. 11. Tensile responses of smart Hy-SHCC dumbbell-shaped specimens
Fig. 12. Typical tensile response of smart Hy-SHCC specimen in direct tension
일반적으로 저항은 Hy-SHCC 실험체의 단면특성, 습도 및 온도 등과 같은 다양한 요인에 의해 변화될 수 있다. 따라서 이 연구에서는 식 (2)와 같이 정의되는 체적 저항률의 변화량($\Delta\rho$)을 초기 체적 저항률($\rho_{o}$)로 나눈 체적 저항률의 변화비(fractional
change in resistivity, FCR)를 활용하여 자기 변형감지특성을 평가한다.
Fig. 12는 직접 인장력을 받는 Hy-SHCC 덤벨형 실험체의 인장응력-변형률 및 FCR의 전형적 거동 특성을 나타낸 것이다. 여기서, $\varepsilon_{pc}$는
인장강도인 $\sigma_{pc}$에서의 변형률을 나타내고 $\varepsilon_{cc}$는 초기 균열강도인 $\sigma_{cc}$에서의 변형률을
나타낸다. Hy-SHCC의 변형 자기 감지능력에 대한 민감도는 식 (3)과 같이 정의되는 게이지 상수(gauge factor, GF)와 식 (4)와 같이 정의되는 선형성(linearity, LE)에 의해 평가될 수 있다.
식 (3)에서 FCR과 $\varepsilon$은 각각 체적 저항률의 변화비 및 저항 측정구간에서 SHCC의 인장변형률을 의미한다. Fig. 12와 같이 식 (4)에서 $\triangle FCR_{\max}$은 FCR과 $\varepsilon$의 회귀직선(regression line)에서 가장 크게 벗어난 FCR
값에 대한 회귀직선의 차분이며, $%FCR_{fs}$은 FCR이 직선으로 나타나는 구간의 FCR이다. LE 값이 감소함에 따라 FCR로 부터 변형률
측정하는데 오차가 적다는 것을 의미한다(Teomete and Kocyigit 2013).
Fig. 13은 CNT 0.5 및 1.0 % 혼입한 Hy-SHCC 인장 실험체의 전형적인 인장거동 특성과 2 및 4-Probe를 이용한 전기저항 측정방법에 따른
변형률 감지특성을 비교하여 나타낸 것이다. PE 및 SF로 보강된 Hy-SHCC 시험편의 초기인장균열 발생이후 인장 변형률($\varepsilon$)이
증가됨에 따라 FCR은 증가되는 특성을 보이고 있다. FCR과 $\varepsilon$의 선형적 특성은 CNT의 혼입량이 증가와 4-Probe를 이용한
저항측정 방법에서 높게 나타났다. 이는 CNT 혼입량이 증가됨에 따라 Hy-SHCC 내부에 CNT 입자 간격이 감소되어 Hy-SHCC의 전도성을 증진시켰기
때문으로 판단된다. 또한, 2-Probe보다 4-Probe 방식에 의한 저항측정방법이 접촉저항 영향을 저감하여 불안정한 저항변화를 억제하였기 때문이다(Azhari
2008).
Fig. 13. Typical tensile and self-sensing properties of Hy-SHCC dumbbell-shaped specimen
Table 6. Strain-sensing properties of smart Hy-SHCC dumbbell-shaped specimens in direct
tension
|
Mixture type
|
Strain, $\varepsilon_{pc}$
(%)
|
Stress, $\sigma_{pc}$
(MPa)
|
Initial resistivity, $\rho_{o}$ (kΩcm)
|
Gauge factor
|
LE
|
|
GF0.5
initial crack-
0.5 % strain
|
GF1.0
0.5 %-1.0 % strain
|
GF2.0
1.0 %-2.0 % strain
|
GFsh
initial crack-
2.0 % strain
|
|
CNT-0.5 %-2
|
1.77
(±0.46)
|
5.66
(±0.27)
|
213.6
|
32.00 (R2=0.74)
|
33.00 (R2=0.52)
|
29.00 (R2=0.75)
|
28.63 (R2=0.96)
|
25.3
|
|
CNT-0.5 %-4
|
220.9
|
38.10 (R2=0.90)
|
29.00 (R2=0.76)
|
35.00 (R2=0.76)
|
33.46 (R2=0.99)
|
21.7
|
|
CNT-1.0 %-2
|
2.04
(±0.63)
|
6.64
(±0.35)
|
83.2
|
30.11 (R2=0.92)
|
24.50 (R2=0.80)
|
24.31 (R2=0.92)
|
26.08 (R2=0.99)
|
17.6
|
|
CNT-1.0 %-4
|
131.8
|
19.82 (R2=0.68)
|
37.90 (R2=0.83)
|
36.00 (R2=0.96)
|
33.78 (R2=0.99)
|
15.1
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Table 6에 나타난 바와 같이 CNT 0.5 %를 혼입한 Hy-SHCC 인장시험편에 대하여 2개 단자 방식으로 평가한 인장재하 이전 초기 저항률(ρo)은 213.6
kΩcm이고, 4개 단자 방식으로 측정한 초기 저항률은 220.9 kΩcm로 나타났다. 전도물질인 CNT의 혼입량이 0.5 %에서 1.0 %로
증가됨에 따라 초기 저항률은 2 및 4-Probe 측정방식에서 각각 60 % 및 40 % 감소되는 경향을 보였다. 또한, Hy-SHCC 인장시험편에
혼입된 CNT량 및 저항 측정방식에 따라 인장시험편의 초기균열 시점에서 0.5 %, 0.5 %에서 1.0 %, 1.0 %에서 2.0 % 그리고 초기
균열 시점에 인장변형률 2.0 % 구간에서 식 (3)과 같이 정의되는 GF를 Table 6에 비교하여 나타내었다. 0.5 % 및 1.0 %의 CNT를 혼입한 SHCC 인장시험편에서 4개 단자 측정방식에 의한 저항값에 근거한 GF가 전체적으로
크게 나타났으면 그 상관도도 높은 경향을 보였다. 그러나 CNT 혼입량이 0.5 %에서 1.0 %로 증가됨에 따라 일부 인장변형구간에서 GF의 증가되는
경향을 보였지만 전반적으로 GF가 큰 값을 보이지는 않았으나 상관계수(pearson’s coefficient, $R^{2}$) 높게 나타났다. 이러한
결과를 근거로 볼 때, 1.0 % PE 및 0.5 % 강섬유로 보강된 SHCC의 변형감지성능은 이 연구에서 사용된 액상형 CNT 0.5 %가 적정량으로
평가되며 그 이상의 CNT 혼입시 GF의 상관계수 향상에 유효하다고 결론지을 수 있다.
Table 6에서는 Fig. 12및 식 (4)와 같이 정의되는 LE를 활용하여 시험체별로 인장변형률($\varepsilon$)이 증가됨에 따라 계측된 체적 변화율의 변화량(FCR)에 대한 회귀분석식의
선형성을 평가하였다. CNT 혼입량이 증가되고 2-Probe보다는 4-Probe를 이용한 저항측정 방법을 적용함에 따라 FCR-$\varepsilon$
회귀식의 선형성은 개선되는 것으로 나타났다.
4. 결 론
1.0 % PE과 0.5 % SF로 보강된 Hy-SHCC에서 액상형 CNT 혼입량(0.5 % 및 1.0 %) 및 전기저항 측정방법(2 및 4-Probe)에
따른 직접인장 및 변형감지특성의 평가 결과, 다음과 같은 결론을 도출하였다.
1) CNT 혼입량이 1.0 %까지 증가됨에 따라 Hy-SHCC의 압축강도, 직접인장강도 및 변형능력이 향상되는 것으로 나타났으며, 직접인장 시험편의
전면에 미세한 다수 균열이 폭넓게 확산되었다. 따라서 1.0 % 이내의 액상형 CNT를 Hy-SHCC에 혼입 시 역학적 특성을 개선할 수 있다.
2) Hy-SHCC의 인장변형 감지성능을 평가하기 위하여 측정방식보다는 4-Probe를 이용한 측정방식으로 안정된 인장변형 측정구간에서 전기저항은
2-Probe를 이용한 값을 측정할 수 있었다. 4-Probe에 의한 저항측정을 통하여 Hy-SHCC 센서의 게이지 상수(GF)에 대한 민감도 및
정확성을 향상시킬 수 있다.
3) 이 연구에서 개발한 자기변형감지 Hy-SHCC는 일반적인 강재 항복변형률의 약 10배에 이르는 인장변형률 2.0 %까지 자기 변형감지능력을 보유하는
것으로 나타났다. 평가된 시험체 중 CNT 0.5 %를 혼입하고 4개 단자를 이용하여 저항을 측정한 시험체 CNT-0.5 %-4는 초기 인장균열 발생
이후 2.0 % 인장변형구간까지의 GF가 33.46($R^{2}$ = 0.99)로 가장 민감하게 나타났으며 대변형 계측을 위한 SHCC 센서로 활용
가능성이 높게 평가되었다.
감사의 글
이 논문은 2018년도 정부(과학기술정보통신부)의 재원으로 한국연구재단 기초연구실사업의 지원을 받아 수행된 결과임(No. 2018R1A4A1025953).
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