2.1 실험개요

FRCCs의 전기응답을 측정하여 균열 평가를 하는 방법으 로는 크게 직류 전원을 이용하는 방법과 교류 전원을 이용하 는 방법으로 나뉜다. 직류 전원을 이용하여 저항을 측정하는 방법은 크게 2점 측정법과 4점 측정법으로 구분되며, 접촉저 항의 배제를 위해 Wenner의 4점 측정법이 널리 이용되고 있 다(^{Gowers and Millard, 1999}). 하지만, 직류 기반의 저항 측정 법은 준 전도성인 FRCCs 특성상 Polarization effect가 발생하 게 되며, 대상 구조체의 크기에 따라 수십 분 이상의 안정화 시 간이 소요되기 때문에 실시간 모니터링 목적으로 사용하기에 부적합하다(^{Jingyao and Chung, 2004}). 이에 반하여, 교류 전 원 기반의 임피던스 측정법은 즉각적인 데이터 취득이 가능 하고 직류보다 전기 신호 계측에 있어서 더 민감하다고 알려 져 있다(^{Han et al., 2015}). 따라서 본 연구에서는 교류 전원 기 반의 임피던스 측정법을 채택하였다.

FRCCs의 전기 임피던스 측정은 AWG (Arbitrary Waveform Generator, NI　PXI-5412)를 이용하여 교류 전압을 발생시켜 Digitizer (NI PXI-5122)를 통해 전류 응답을 측정하였으며, 자체 개발한 Labview 프로그램을 통해 제어 및 계측하였다. 온도 변화 실험을 위하여 항온항습 챔버를 이용하여 FRCCs 의 온도를 조절하였으며, FRCCs 시험체가 설정 온도에 맞추 어질 수 있도록 안정화시간을 거친 후 전기 임피던스 신호를 반복 측정하였다. 하중에 따른 균열 발생 실험은 온도 실험에 사용한 동일 FRCCs 시험체를 사용하여 상온에서 수행하였 다. UTM (Universal Testing Machine)을 이용하여 3점법 휨 실험을 실시하였으며, 변위 제어를 통해 목표 변위에 도달할 때마다 임피던스 신호를 반복 계측하였다.

2.2 FRCCs 배합

본 연구에 사용된 FRCCs 시험체의 구성은 Table 1에 나타 내었으며, 구성비는 FRCCs에 대한 타 연구논문을 참조하였다 (^{Kim et al., 2011}; ^{Park et al., 2011}). Steel fiber의 재료 특성은 Table 2에 요약하였다. 시험체의 크기는 Fig. 1에 나타내었다.

Fig. 1

Dimension of FRCCs

시험체에 사용된 FRCCs는 시멘트, 규사, 실리카흄, 실리카 파우더, 고성능 감수제, 물 그리고 Mild glass fiber로 구성되었 으며, 재료의 개별 입자의 크기는 0.1 mm 내지 0.3 mm이다. 제 작 순서는 다음과 같다. 먼저, 모든 재료를 2분간 건식 혼합한 후 물을 넣는다. 그 다음 고성능 감수제를 첨가하여 2∼3분 동 안 섞는다. 모르타르 혼합에는 20 L 용량의 Hobart 종류 믹서 를 사용했으며 혼합이 완료된 후, Medium smooth fiber를 첨가 하는데 섬유의 균일 분포를 위해 소량씩 여러 번 첨가하였다. Long smooth fiber 또한 같은 방법으로 첨가 하였다. 시험체 규 격은 Fig. 1에 보는 바와 같이 3 점 재하시험이 가능하도록 지 지 롤러 간 간격 150 mm와 양 측단 25 mm 씩의 여유길이를 포 함하여 산정하였다.

2.3 임피던스 측정

FRCCs의 전기 임피던스 데이터를 2점 측정법으로 취득하 기 위하여 Self-sensing system을 Fig. 2와 같이 구축하였다. Self-sensing system의 구성은 AWG, Self-sensing circuit, Digitizer와 Controller로 구성되어있으며, 임피던스 측정 순서 는 다음과 같다. 먼저, Controller에서 AWG와 Digitizer로 Trigger 신호를 보내면 AWG에서 미리 디자인된 파형의 교류 전류를 발생시킨다. 다음으로, Self-sensing circuit을 통해 식 (1)과 같이 FRCCs의 전압을 Digitizer를 통해 측정한다(^{Lee and Sohn, 2006}; ^{An and Sohn, 2012}).

Fig. 2

Schematic of an instantaneous electrical impedance acquisition system

C c 와 C r 은 각각 FRCCs 와 레퍼런스 캐패시터의 정전용 량값을 의미하며, v o , v i 그리고 v c 는 각각 출력 전압, 입력 전 압 그리고 FRCCs의 전압을 의미한다. 측정된 데이터는 Controller로 전송되어 전기 임피던스 값으로 변환, 자동 저장 된다.

또한, FRCCs에 전기 임피던스를 가진 및 취득하기 위하여 2개소의 Copper tape을 전극으로 사용하였으며, 부착면의 접 촉 저항을 최소화하기 위하여 Silver paste를 활용하여 Fig. 3 과 같이 시험체를 제작하였다(Song J et al., 2015).

Fig. 3

FRCCs with copper tape electrodes

2.4 실험 조건

본 실험에서의 온도 조건은 콘크리트 구조물의 사용 온도 를 상정하여 Table 3과 같이 설정하였다. 또한, FRCCs 시험체 에 재하하는 하중에 따른 변위 및 이에 상응하는 균열 상태를 Table 4에 정리하였다.

온도조건은 습도 조절이 불가능한 온도인 -10 ℃, -5 ℃, 0 ℃, 10 ℃까지는 습도조절 없이 실험하였고, 20 ℃, 30 ℃, 40 ℃, 50 ℃의 온도에서는 60 %의 상대습도를 설정하였다.

FRCCs의 균열은 0 mm, 1.6 mm, 1.81 mm, 2.1 mm일 때, 각 각 No load, Closed crack, Multiple cracks, Multiple open cracks 4가지로 구분하였으며, 실험은 온도 27.4 ℃, 상대습도 80 % 하에 수행되었다.

2.5 실험 방법

FRCCs의 온도 변화에 따른 전기 임피던스 변화를 측정하 기 위해 Fig. 4에 보는 바와 같이 실험 구성을 하였다. AWG와 Digitizer를 온도 챔버 안에 있는 FRCCs의 전극과 연결하고, FRCCs 시험체의 온도 안정화 시간을 고려하여 챔버의 온도 가 목표 온도에 도달한 후 매 30분단위로 신호를 측정, 비교하 여 안정화됨을 확인 후 신호를 취득하였다. AWG를 통해 65 Hz에서 85 Hz 범위의 Chirp signal을 FRCCs에 가진하고, Digitizer를 통해 1 MHz의 Sampling rate으로 전기 임피던스 를 측정하였다. 특히, 잡음을 최소화하기 위하여 각 조건마다 10 번씩 반복 측정하여 평균 하였다. 이때, Self-sensing circuit 에는 10 nF의 레퍼런스 캐패시터를 사용하였다.

Fig. 4

Test setup for temperature variation effects

하중변화 실험은 아래의 Fig. 5와 같이 구성하였다. FRCCs 의 일정 변위를 가하여 휨을 발생시키는 방식으로 실험이 진 행되었으며, 목표 변위에 도달 시 전기 임피던스 신호를 반복 계측하였다. 이와 같은 과정을 FRCCs 시험체가 파괴에 이르 기까지 실험을 반복하여 하중에 따른 임피던스 신호를 연속 적으로 계측하였다.

Fig. 5.

Test setup for load effects