2.1 자기감지 원리

Fig. 4에 나타낸 바와 같이 전류가 거의 흐르지 않는 부도체인 콘크리트에 CF, CNT 등의 전도성 물질을 혼입함으로써 재료가 경험하고 있는 응력 및 변형률을 추정할 수 있는 자기감지 콘크리트를 제작할 수 있다(Han et al. 2014)⁽⁴⁾. 콘크리트 매트릭스(matrix) 내에 전도성 물질의 혼입률이 높고 분산이 잘 이루어질수록 콘크리트는 높은 전도성을 나타내며, 손상과 FCR 사이의 상관관계도 더욱 뚜렷해진다(Han et al. 2012)⁽⁵⁾. 전기저항 변화율인 FCR은 식(1)과 같이 산정할 수 있다.

여기서, $R$은 하중이 가해진 실험체의 전기저항, $R_{o}$는 하중이 가해지기 전 실험체의 전기저항이다.

자기감지 콘크리트에 압축 및 인장력이 가해지면 실험체의 단면적 및 길이가 변화하므로, 식(1)에 나타낸 FCR도 변화하게 된다. Fig. 5에 나타낸 바와 같이 LCR meter를 이용하여 실험체에 설치된 두 개의 전극에 전압을 일정하게 걸어주면, 하중이 작용하는 실험체의 전기저항 변화를 측정할 수 있으며, 이를 기반으로 실험체의 FCR을 추정할 수 있다.

2.2 실험계획

이 연구에서는 먼저 자기감지 UHPC 도그본 시편에 대한 재료실험을 수행하여 UHPC 센서에 적합한 배합을 도출하였다. 자기감지 UHPC를 제작하기 위하여 강섬유와 더불어 전도성이 뛰어난 CNT를 적용하였으며, Table 1에 나타낸 바와 같이 강섬유 및 CNT의 혼입률을 실험변수로 계획하였다. Table 2에 나타낸 바와 같이 자기감지 UHPC 제작에 사용된 강섬유의 인장강도는 약 3,000 MPa, 직경 및 길이는 각각 0.2 mm 및 13 mm이며, CNT는 Table 3에 나타낸 바와 같이 순도 90 % 이상의 다중벽 탄소나노튜브(multi-wall carbon nonotube, MWCNT)를 사용하였다. Table 4에 나타낸 것과 같이 UHPC는 시멘트, 실리카퓸, 실리카플라워(silicaflour), 잔골재(fine sand), 물(water)로 배합하였으며, 입도가 0.2 mm 및 0.4 mm인 잔골재(fine sand #6, #7)를 사용하였다. 또한, 배합의 유동성을 확보하기 위하여 폴리카본산계 유동화제(polycarboxylate superplasticizer)를 사용하였으며 물시멘트비(W/C)는 0.19로 계획하였다.

압축 및 인장력에 따른 자기감지 UHPC의 성능을 규명하기 위하여 압축 실험체와 직접인장 실험체를 Fig. 6에 나타낸 바와 같이 제작하였다. 또한, 하중에 따른 시편의 FCR을 측정하기 위하여 실험체 양 끝단에 구리선(copper wire)을 활용하여 전극을 구성하였으며, 구리선과 실험체 사이의 전기저항을 최소화하기 위하여 실버페이스트(silver paste)를 도포하였다. 압축실험에서는 압축시험기(MTC-200)를 사용하여 실험체를 가력하였으며, 하중에 따른 실험체의 변형률 및 FCR은 strain gauge와 LCR meter를 사용하여 계측하였다. 직접인장실험에서는 만능재료시험기(universal test machine, UTM)를 사용하여 변위제어로 가력하였으며, 시편의 FCR은 LCR meter를 통하여 계측하였다. 또한, 실험 중 와이어 변위계의 오작동으로 인하여 시편의 변형률은 UTM 변위를 통하여 산출하였다.

2.3 실험 결과 및 분석

앞서 Fig. 2에 나타낸 바와 같이 자기감지 콘크리트 실험체에 압축력이 작용할 경우, 실험체의 단면적이 증가하고 전극 간의 거리가 감소하므로 FCR이 감소한다. 다만, 이 연구에서 수행한 자기감지 UHPC 압축실험에서는 Fig. 7에 나타낸 것과 같이 하중에 따른 FCR의 변화가 뚜렷하게 나타나지 않았다. 일반콘크리트의 경우, UHPC에 비하여 콘크리트 매트릭스가 밀실하지 않기 때문에 내부에 공극이 많이 존재하며, 이에 따라 실험체에 압축력이 가해졌을 시 내부 공극이 줄어듦으로써 전도성 물질 간의 거리 및 접촉 면적이 증가하게 된다. 따라서 압축력이 증가함에 따라 실험체의 전기저항 및 FCR은 감소하는 경향을 보인다. 이와는 달리, UHPC의 경우에는 실리카퓸, 실리카플라워 등의 미분말 재료가 적용되기 때문에 충진율(packing density)이 매우 높으며, 이에 따라 콘크리트 매트릭스가 매우 밀실한 구조로 되어 있다. 이로 인하여 자기감지 UHPC 실험체에서는 압축력이 가해지더라도 내부 공극의 감소로 인한 FCR의 변화가 뚜렷하게 관측되지 않은 것으로 판단된다.

직접인장실험에서는 Fig. 8에 나타낸 바와 같이 강섬유가 혼입되지 않고 MWCNT만 혼입된 실험체인 S0-M1 및 S0- M5에서는 변형경화구간이 나타나지 않은 반면, 강섬유와 MWCNT가 모두 혼입된 실험체 S1-M1, S1-M5 및 S2-M5에서는 균열 후 변형경화구간이 뚜렷하게 나타났다. 또한, Fig. 8(a) 및 8(b)에 나타낸 바와 같이 강섬유가 혼입되지 않은 S0-M1 및 S0-M5 실험체에서는 전기저항 변화에 대한 측정값의 노이즈가 상당히 크게 발생하였으며, 이에 따라 FCR과 실험체 손상의 상관관계를 확인할 수 없었다. 강섬유가 1 % 혼입된 실험체인 S1-M1 및 S1-M5에서는 FCR 측정값의 노이즈가 현저히 감소하는 것이 확인되었다. 다만, 강섬유 1 %, 탄소나노튜브 0.1 wt%가 혼입된 S1-M1 실험체의 경우, 하중에 따라 FCR이 증가하는 경향을 보이긴 하였으나, FCR을 통하여 균열 발생 등의 손상 여부를 판단할 수는 없었다. 반면, 강섬유 1 %, 탄소나노튜브 0.5 wt%가 혼입된 S1-M5 실험체에서는 인장력이 증가함에 따라 FCR이 명확히 증가하는 경향을 나타내었으며, 초기균열 발생 이후부터는 실험체가 경험하는 단위 변형에 따른 FCR의 변화량이 지속해서 증가하였다. 이는 실험체로부터 계측된 FCR을 통해 콘크리트에 균열이 발생되었음을 추정할 수 있다는 것을 의미한다. 강섬유 2 %, 탄소나노튜브 0.5 wt%가 혼입된 S2-M5 실험체 또한 탄성구간에서 변형률이 증가함에 따라 FCR이 일정하게 증가하였으며, 균열이 발생한 시점부터는 FCR의 변화량이 증가하는 경향을 보였다.

Table 5에는 각 실험체의 압축강도, 인장강도 및 게이지 계수(gauge factor, GF)를 정리하여 나타내었다. FCR에 대한 노이즈가 심하게 발생된 S0-M1 및 S0-M5 실험체를 제외한 나머지 실험체들에 대하여 GF를 산출하였으며, GF는 식(2)로 산정할 수 있다.

여기서, FCR은 식(1)로부터 산정할 수 있으며, $\varepsilon$은 실험체가 경험한 변형률이다.

실험체가 동일한 인장변형률을 경험할 때 FCR이 클수록, 즉 전기저항의 변화가 클수록 GF는 증가하며, 이는 실험체가 손상을 더 민감하게 감지한다는 것을 의미한다. 따라서 이 연구에서는 균열이 발생한 시점에서 FCR이 급격하게 증가하고, GF가 크게 산출된 S2-M5 실험체가 UHPC 센서로 적합하다고 판단하였다.

3.1 실험계획

앞서 재료실험을 통해 도출된 강섬유 2 % 및 MWCNT 0.5 wt%가 혼입된 배합을 기반으로 UHPC 센서를 제작하였다. UHPC 센서 성능 평가실험에서의 주요변수는 Table 6에 나타낸 바와 같이 센서의 단면형상과 전극구성 방법으로 설정하였다. 단면형상에 따른 UHPC 센서의 모습을 Fig. 9에 나타내었으며, 구리선을 사용한 2 전극법(2-probe)과 4 전극법(4-probe) 및 구리판(copper plate)을 사용한 전극법으로 구분하였다. 또한, 충분한 양의 데이터를 확보하기 위하여 실험변수별로 각각 10개의 센서를 제작하였다. 실험체 중앙부에 깊이 5 mm의 노치를 두어 균열 발생을 유도하였으며, 실험체의 인장 변형률은 strain gauge를 부착하여 측정하였다. Fig. 10에 나타낸 바와 같이 만능재료시험기를 사용하여 UHPC 센서 인장강도의 30 % 및 50 %에 해당하는 하중으로 반복가력을 수행하였으며, 반복가력에 따른 센서의 FCR은 앞선 재료실험과 동일하게 LCR meter를 사용하여 측정하였다.

3.2 실험 결과 및 분석

Fig. 11에는 UHPC 센서의 변형률 및 FCR 거동을 나타내었으며, 모든 UHPC 센서에서 하중이 증가함에 따라 FCR이 증가하는 경향을 보였다. 또한, Table 7에 나타낸 것과 같이 동일한 단면형상에서는 구리판을 전극으로 활용한 RP 및 BP 실험체의 게이지 계수(GF)가 구리선을 전극으로 구성한 나머지 실험체들 보다 약 4배 정도 큰 것으로 나타났다. 이는 구리선을 전극으로 활용한 경우에는 구리선을 실험체 표면에 실버 페이스트를 이용하여 붙이기 때문에 전류가 실험체 표면에 공급되는 반면, 구리판을 전극으로 활용할 경우, 전극이 실험체 내부에 매립되어 실험체 단면 내에 전류가 직접적으로 공급되기 때문으로 판단된다.

전극을 구리선으로 활용하여 2 및 4 전극법으로 전극을 구성할 경우, 단면형상은 GF에 큰 영향을 미치지 않았으며, 전극을 구리판으로 사용한 RP 실험체의 평균 GF는 82.2, BP 실험체의 평균 GF는 108.5로 도출되었다. 또한, 실험체 R2와 R4의 평균 GF는 각각 19.8 및 17.9로 산출되었으며, 이를 통해 구리선 전극 구성방식에서의 2 전극법 및 4 전극법에 따른 손상감지 성능은 유사하다는 것을 확인하였다. 결과적으로 이 연구에서는 GF의 평균이 높고 표준편차가 작은 BP 실험체가 UHPC 센서로서 적합하다는 결론을 도출할 수 있었다.