이건철
(Gun-Cheol Lee)
1
임건우
(Geon-Woo Im)
2
임창민
(Chang-Min Lim)
2
홍성원
(Seong-Won Hong)
3
김영민
(Young-Min Kim)
4†
-
정회원,한국교통대학교 건축공학전공 교수
-
정회원,한국교통대학교 건축공학과 석사과정
-
정회원,한국교통대학교 안전공학전공 부교수
-
정회원,한국교통대학교 건축공학과 박사수료, 교신저자
Copyright © The Korea Institute for Structural Maintenance and Inspection
키워드
단면증타, 자기감지, 보수재, 탄소나노튜브
Key words
Section enlargement, Self-sensing, Repair mortar, Carbon nanotube
1. 서 론
콘크리트는 우수한 내구성, 높은 압축강도 등의 장점으로 건축구조재로 사용되는 대표적인 재료이다. 구조부재로서는 철근을 복합적으로 사용하여 휨·인장을
보완해야 하지만 KS표준에 적합한 재료사용과 적절한 배합이 이루어지면 타재료에 비하여 뛰어난 성능을 발휘 할 수 있다. 하지만 콘크리트의 성능은 시간경과와
외부환경 영향에 의해 저하하게 되며 이러한 상태를 정량적·즉각적으로 판단을 내리기는 용이하지 않다.
현재 대표적으로 건물의 성능저하를 판단하는 방법에는 코어채취 후 역학적 성능과 화학적 변화를 평가하거나, 균열의 정도를 육안 관찰하는 물리적인 방법이
있다. 하지만 이런 방법은 검사와 결과에 대한 종합적인 판단을 내리기까지 일정한 시간이 소요되며 검사자의 주관적 의견이 반영될 소지도 있다.
경제와 과학기술의 발전은 도심지역의 인구밀도를 높이게 되고 이로 인하여 건축물은 초고층화 대규모화 되는 추세이다. 이런 추세에서 과거 삼풍백화점 붕괴,
최근 광주 H아파트 붕괴와 같은 대형사고 발생은 건축물 안전성에 대한 국민적 관심을 증가시키고 있으며, 보다 객관적이고 즉각적인 건축물 상태평가 기술
개발이 요구되고 있다. 특히 건축물의 안전성 평가 방안 중 실시간 계측과 모니터링을 이용하려는 연구가 활발히 진행되고 있으며, 이 중 콘크리트 부재에
CNT를 이용하여 자기감지 성능을 부여하는 연구가 다수 진행되고 있다(Lee et al., 2020).
CNT는 현재 다양한 산업에서 활용되고 있고, 특히 높은 전도성을 이용해 건축분야에서 자기감지를 위해 사용되고 있다. CNT를 이용하여 자기감지를
하는 방법은 구조재에서 균열이 발생하였을 때 내부에 CNT간 연결이 끊어져 전기저항값이 증가하는 것을 계측하는 것으로 시멘트 복합체의 자기감지 성능을
평가하며 전기전도율 및 민감도를 확인하는 연구(Youn et al., 2020)와 UHPC센서의 자기감지 성능평가에서 실험체 균열 발생 이후 손상을
추정하는 연구(Lee et al., 2020)들이 진행되고 있다.
그러나 CNT는 Van der Waals 힘에 의해 시멘트복합체 내에서 응집이 발생되고, 내부 공극량 증가에 의해 역학적 성능이 저하된다고 보고하고
있다(Ha and Kang, 2016, Ga et al., 2021). 이러한 문제점을 보완하기 위해 계면활성제와 CNT를 혼합하고 초음파를 이용해 분산액을 제조하여 시멘트복합체에 사용하면 역학적 성능이 향상된다는
연구사례가 있지만(Lim et al., 2022), CNT분산액의 대량생산, 일정시간 경화 후 CNT의 재응집, 현장에서의 CNT분산액 투입의 어려움으로 대량활용성이 떨어지는 문제점이 있다.
또한 최근 노후건축물의 비율이 전체의 38%를 차지하고 향후 지속적 증가가 예상되고 있다(Lim et al., 2020). 이로 인해 건축물의 내구년한 증대와 수직증축, 리모델링 등의 이유로 구조부재의 단면을 증대시켜 내력을 보강하는 공법이 사용되고 있다. 이를 목적으로
사용되는 보수보강재는 건조 시멘트 모르타르와 같은 제품을 현장에서 물만 투입하여 시공한다. 현재 구조부재의 자기감지기술은 UHPC나 신축 건축물에
국한되어 있어 적용성에 한계가 있고 보수보강후 구조부재의 건전도 평가를 위한 감지평가기술은 전무하다. 단면증대를 이용한 보수보강 후에 구조부재의 안전성을
평가하는 기술이 필요한 시점에서 자기감지형 보수재 개발 또한 필요한 실정이다. 하지만 건조 시멘트 모르타르 형태의 자기감지형 보수재를 현장에서 CNT분산액을
정량적으로 계량하여 사용하는 것은 쉽지 않으며 보수재 내에 분산성이 개선된 CNT를 사용하는 것이 유리하다. 이에 Lee and Kim(2020)은 다공성 소재에 함침시킨 CNT를 사용하여 시멘트복합체의 역학적 성능을 향상시킨 방법을 제안하였다.
따라서 본 연구에서는 다공성소재인 제올라이트에 함침시킨 CNT를 모르타르와 혼입하여 단면증타용 보수재로 개발하고 보수재로서 압축·전단실험체에 단면증타를
통한 역학적 성능을 평가하고, 하중재하 후 파괴시까지의 전기저항변화율을 계측하여 압축·전단부재의 자기감지성능을 검토하고자 하였다.
2. 실험계획 및 방법
2.1 실험계획
자기감지형 보수재의 역학적·전기적 성능을 평가하기 위한 실험은 Table 1과 같이 시리즈 Ⅰ 및 Ⅱ로 구분하여 실시하였다. 시리즈 Ⅰ에서는 KS F 4042에 의한 자기감지형 보수재의 S-CNT의 최적혼입률을 파악하였고,
시리즈Ⅱ에서는 시리즈Ⅰ에서 역학적 성능이 우수한 S-CNT 최적혼입률을 이용해 자기감지형 보수재를 콘크리트 압축·전단실험체에 단면증타를 한 후 역학적·전기적
특성을 평가하기 위한 실험을 진행하였다. 자기감지형 보수재의 배합표는 Table 2와 같다. 자기감지형 보수재를 위한 배합비는 분체(B):잔골재(S)를 1:1로 하였고, W/B는 34%로 하였다. S-CNT의 혼입률은 잔골재(S)에
대한 질량의 0%,3%,6%,9%로 내할 첨가하였다. 폴리머는 시멘트 질량에 대한 4% 내할 첨가하였다.
Table 1 Mix Design
|
Series
|
Test items
|
|
Series Ⅰ
|
Repair mortar
· Compressive strength
· Bond strength
|
|
Series Ⅱ
|
Repair mortar
· Compressive· Shearing strength
· Electrical resistance change ratio(FCR)
Section Enlargement concrete
· Compressive· Shearing strength
· Electrical resistance change ratio(FCR)
|
Table 2 Mixing table of repair mortar (unit : %)
|
Spec
|
W/B
|
Cement
|
Polymer
|
Silica sand
|
S-CNT
|
Ad
|
|
Plain
S-CNT3
S-CNT6
S-CNT9
|
34
|
96
|
4
|
100
97
94
91
|
0
3
6
9
|
1.5
|
단면증타용 콘크리트 압축·전단실험체의 배합은 목표압축강도 27 MPa로 하였으며 배합표는 Table 3과 같다. 실험사항으로 시리즈Ⅰ에서 자기감지형 보수재의 압축강도를 재령3,7,28일에 측정하였고, 부착강도는 재령 28일에 측정하였다. 시리즈Ⅱ에서는
시리즈Ⅰ에서 도출된 S-CNT 최적혼입률을 이용하여 자기감지형 보수재의 압축·전단강도와 하중재하 후 파괴시까지 FCR을 재령 28일에 측정하였다.
또한 콘크리트 실험체 외부 10 mm두께로 자기감지형 보수재로 단면증타하고 28일 후 압축·전단강도와 하중재하 후 파괴시까지 FCR을 동일하게 측정하였다.
Table 3 Mixing table of concrete
|
W/C
(%)
|
S/a
(%)
|
Water
(kg/m3)
|
Unit Weight(kg/m3)
|
Ad(%)
|
|
Cement
|
Sand
|
Gravel
|
|
52.0
|
46
|
170
|
327
|
799
|
974
|
1.5
|
2.2 사용재료
2.2.1 시멘트 및 규사
실험에 사용된 시멘트는 국내 H사의 보통 포틀랜드 시멘트를 사용하였으며 보수용 잔골재로 실험에 사용된 규사는 국내 K사로 입도는 Table 4와 같다.
Table 4 Silica sand particle size
|
Item
|
Silica sand
|
S-CNT
|
|
Size(mm)
|
2.0
|
1.8
|
0.4
|
0.15
|
0.15
|
|
Ratio(%)
|
10
|
30
|
40
|
10
7
4
1
|
0
3
6
9
|
2.2.2 S-CNT
보수재에 자기감지성능 부여를 위하여 본 실험에서는 러시아 O사의 MWCNT 3% 분산액을 사용하였다. 보수재 내에서 CNT의 균질한 분산성 확보를
위하여 다공성 분체인 제올라이트에 함침시켰으며, 함침과정은 Fig. 1과 같이 제올라이트와 MWCNT 분산액을 교반한 후 60℃의 온도로 48시간 동안 건조하였다. 이후 건조된 시료를 분쇄하였고 0.15 mm체에 통과된
시료를 사용하였다.
Fig. 2는 S-CNT의 SEM사진으로 다공성인 제올라이트 내부 공극으로 CNT입자는 삽입되지 않고 표면에 부착되어 있는 형상으로 나타났다. 이는 제올라이트
공극직경과 CNT 입자 직경 모두 나노사이즈이기 때문에 CNT가 공극에 삽입되진 않았지만 친수성인 제올라이트 표면에 CNT가 부착됨으로써 보수재 내
분산성이 개선되는 것으로 판단된다.
Fig. 1 S-CNT impregnation process
2.3 실험방법
2.3.1 압축강도
시리즈Ⅰ에서 자기감지형 보수재의 압축강도 측정용 공시체는 KS F 4042에 의거하여 (40×40×160) mm의 규격으로 제작하였으며, 시리즈Ⅱ에서
자기감지형 보수재 압축강도 측정용 공시체는 KS F 2405에 의거하여 (Ø100×200) mm 규격으로 제작하였다. 단면증타용 압축공시체는 Fig. 3과 같이 (Ø80×200) mm 규격으로 콘크리트로 제작한 후 재령 28일 이후 10 mm 두께로 단면증타하고 다시 28일 후에 압축강도를 측정하였다.
Fig. 3 Method of section enlargement(Compressive)
2.3.2 부착강도
자기감지형 보수재의 부착강도 측정은 KS F 4042에 의거하여 실시하였다. 먼저 Fig. 4와 같이 바탕체(시멘트모르타르)를 KS L ISO 679 방법을 이용하여 (70×70×100)mm의 규격으로 제작하였고, (40×40×10)mm의
규격으로 보수재를 바탕체 상부에에 타설하고 28일 이후 부착강도를 측정하였다.
2.3.3 전단강도
자기감지형 보수재와 단면증타 후 콘크리트의 전단강도 측정을 위한 공시체는 Moon et al.(2020)의 연구사례를 참조하여 (100×100×400)mm의
규격으로 제작한 후 Fig. 5와 같이 측정하였다. 또한 Fig. 6과 같이 콘크리트 공시체를(80×90× 400)mm의 규격으로 제작한 후 양쪽 측면과 하부를 “U”형태로 10mm 두께로 단면 증타하였다.
Fig. 6 Method of section enlargement(shear)
2.3.4 전기저항변화율(FCR)
자기감지형 보수재의 전기저항과 변형, 응력과의 관계를 분석하기 위하여 실험체 표면에 응력변형게이지와 저항측정용 전극을 Fig. 7과 같이 부착하였다. 전극은 구리선을 이용하였고, 실험체와 구리선 사이에 전기저항에 대한 영향을 최소화하기 위하여 실버페이스트를 표면에 도포하였다.
전기저항측정은 분극화 현상을 방지하기 위하여 Lee et al.(2021)의 전기측정방식을 참조하여 1시간동안 하중 가력 없이 방치시키고 이후 하중을 재하하면서 파괴될때까지 Bench vue(Daq 970)장비를 이용하여
계측하였다. 전기저항변화율(FCR)은 식 (1)과 같이 계산하였다.
여기에서 $\triangle R$은 전기저항변화율(FCR)이고, $R_{1}$은 하중재하 후 전기저항($\omega$)이며, $R_{0}$은 하중재하
전 전기저항($\omega$)이다.
Fig. 7 Measurement of electrical resistance and strain
3. 실험결과 및 분석
3.1 자기감지형 보수재 압축강도
S-CNT혼입률에 따른 자기감지형 보수재 압축강도는 Fig. 8과 같다. 기존 연구사례에서는 CNT혼입률이 증가할수록 역학적 특성이 감소한다고 알려져 있으나, 본 연구에서는 S-CNT혼입률 증가에 따라 압축강도는
향상되는 것으로 나타났으며, S-CNT가 혼입되지 않은 Plain과 강도차이는 크게 발생하지 않았다. 특히 재령 28일에서 S-CNT9%는 49 MPa,
Plain은 46 MPa로 다소 높은 결과를 나타냈다. 이러한 결과는 CNT가 시멘트복합체 내에서 분산성이 개선된 효과로 선행 연구(Lee and Kim, 2020)와 유사하게 나타났으며, 이에 시리즈Ⅱ에서 S-CNT의 최적 혼입률을 9%로 결정하였다.
Fig. 8 Compressive strength of repair mortar
3.2 자기감지형 보수재 부착강도
S-CNT혼입률에 따른 자기감지형 보수재 부착강도는 Fig. 9와 같다. 콘크리트 구조물 보수시 노출된 철근의 보호를 위하여 보수재의 높은 접착력이 요구되고 있다. 하지만 이에 대한 품질기준은 현재 규정되어 있지
않고, KS표준에서는 보수재와 시멘트 모르타르로 이루어진 바탕체간의 부착강도를 1.0 MPa 이상으로 규정하고 있다. 이에 본 연구에서 부착강도 실험결과
S-CNT가 혼입된 실험체 모두 1.0 MPa 이상으로 혼입률 간의 큰 차이가 나타나지 않았다. 이에 따라 S-CNT의 혼입은 보수재에서 부착강도에
큰 영향을 미치지 않은 것으로 판단된다.
Fig. 9 Bond strength of repair mortar
3.3 단면증타 후 압축·전단강도 특성
콘크리트 실험체에 자기감지형 보수재로 단면증타 한 후의 압축·전단강도 특성은 Fig. 10과 같다. 먼저 압축조건에서 콘크리트의 28일 압축강도는 26.4 MPa 였고, 보수재의 압축강도는 49.4 MPa, 단면증타 후는 37.3 MPa로
나타나 콘크리트 압축강도 보다 약 10 MPa(40 %) 향상되었다. 전단조건에서 콘크리트의 전단강도는 7 MPa, 보수재의 전단강도 11.5 MPa,
단면증타 후는 8.3 MPa로 나타나 약 1.3 MPa(18 %)정도 향상되었다.
Table 5는 실험체 유형별 단면증타 비율과 강도향상 비율을 나타낸 것으로, 압축조건에서는 단면증타비율(36 %)에 비하여 압축강도 향상율(40 %)이 높았다.
하지만 전단실험체에서는 단면증타비율이 28 %였지만 강도향상율은 18 %에 불과하였다. 전단실험체에서 강도향상율이 단면증타비율에 비해 낮은 이유는
자기감지형 보수재에 별도의 인장보강이 없었기 때문으로, 보부재의 단면증타로 전단 및 인장강도 향상을 위해서는 보수재의 인장강도를 고려해야 한다는 Ryu(2001)의 결과와 유사하다고 판단된다.
Fig. 11은 콘크리트, 보수재, 단면증타된 콘크리트의 압축파괴시 응력변형곡선이다. 콘크리트는 파괴시 0.0023 ε의 변형을 나타냈고, 단면증타된 콘크리트는
0.0015 ε의 변형을 나타내 0.0008 ε의 변형차이가 발생했으며, 이는 보수재와 콘크리트의 일체화가 되지 못한 결과로 판단되며 Fig. 12-a와 같은 파괴형상이 나타났다고 사료된다.
Fig. 10 Strength after section enlargement
Fig. 11 Stress-strain curve
Fig. 12 Failure mode after section enlargement
Table 5 Ratio of strength elevation to section enlargement
|
|
Section enlargement(%)
|
Strength elevation(%)
|
|
Compressive
|
36
|
40
|
|
Shear
|
28
|
18
|
3.4 전기저항변화율
3.4.1 압축하중조건
압축하중 재해조건에서 자기감지형 보수재의 전기적 특성은 Fig. 13와 같다. 먼저, 압축하중 재하후 파괴(Failure)까지 전기저항은 감소하는 경향으로 나타났다. 이는 압축하중 재하시 실험체 내부 공극이 감소됨으로써
CNT간의 거리가 가까워지고 전기전도성이 향상(Jang et al., 2022)된 것으로 판단된다. 파괴가 발생된 후 전기저항이 급격한 증가를 나타냈는데.
이는 실험체가 완전히 파괴가 되고 CNT간의 연결이 끊어졌기 때문으로 판단된다. 또한 FCR-stress의 관계(Fig. 13-a)에서 20 N/mm2까지, FCR-strain의 관계(Fig. 13-b)에서 약 0.001 ε까지 FCR은 큰 변화를 나타내지 않았다. 이는 하중재하 후 초기에는 실험체내 변형이 크지 않고, 이로 인해 균열이 발생하지
나타나지 않은 것으로 판단된다.
단면증타 후의 압축재하조건에서의 전기적 특성은 Fig. 14와 같다. 먼저 전기저항은 자기감지형 보수재와 유사하게 하중이 재하될수록 감소되는 경향을 보였다. 자기감지형 보수재의 FCR은 응력의 약 50 %,
변형의 30 %까지는 큰 변화가 없다가 이후 감소하는 경향을 보였지만, 단면증타 후의 FCR은 하중재하 시점부터 감소경향을 나타냈다. 이러한 결과는
전기저항을 감지하는 부분(자기감지형 보수재 단면증타)이 실험체 외부 10mm 두께에 불과하여 상대적으로 얇음에 따라 충분한 응력을 발휘하지 못하고
Fig.12-a와 같은 파괴형태를 보인 결과로 판단된다.
또한, FCR-strain, FCR-stress의 관계그래프는 모두 유사한 형태를 보였고, 상관계수(R2)도 0.99, 0.98로 정확도가 높은 것으로
나타나 단면증타 후 압축부재의 감지기술로 건전도 평가가 가능할 것으로 사료된다.
Fig. 13 FCR of compressive(repair mortar)
Fig. 14 FCR of compressive(Section enlargement)
3.4.2 전단하중 조건
전단하중 재하조건에서 자기감지형 보수재의 전기적 특성은 Fig. 15-a와 같다. 먼저 전단하중 재하후 파괴(Failure) 까지 FCR의 변화는 크게 나타나지 않았다. 이러한 경향은 Fig. 12-b와 같이 전단실험체 하부에 사인장균열이 발생하고 최종파괴가 나타나는데, 전기저항을 측정하는 실험체 상부와 하부사이에 발생되는 사인장 균열이 CNT간의
연결이 끊어질만큼 실험체를 관통하는 균열로 발전하지 않아 FCR의 큰 변화는 나타지 않는 것으로 판된되며, 최종 파괴로 도달하여 전기저항은 큰 증가를
나타냈다. 단면증타 후의 전기적 특성은 Fig. 15-b와 같으며 FCR은 자기감지형 보수재와 유사한 경향을 보여 전기적 특성을 이용한 전단부재의 자기감지 성능평가는 적합하지 않은 것으로 판단된다.
Fig. 15 FCR of shear load
4. 결 론
본 연구는 다공성소재에 CNT를 함침시킨 소재를 자기감지형 보수재에 적용 후 혼입률에 따른 압축강도와 부착강도를 평가하고, 압축·전단실험체에 단면증타
후 강도향상과 하중재하 후 파괴시까지 전기적 특성을 평가하였으며, 그 결과를 요약하면 다음과 같다.
1. 다공성소재에 함침된 CNT는 공극내 삽입되지는 못하였고, 표면에 부착되어 있는 형태로 SEM촬영 시 관찰되었다.
2. 자기감지형 보수재로 단면증타된 압축실험체는 40 % 정도, 전단실험체는 18 % 정도 강도가 향상되었다. 특히 압축실험체는 단면증타면적이 36
% 였지만 강도향상비율은 다소 높게 나타났다. 하지만 전단실험체는 단면증타면적이 28 % 였지만 강도향상은 18 % 수준에 불과하여, 전단부재의 성능향상을
위해서는 보수재의 휨인장강도를 증대시킬 수 있는 배합개선 및 추가적인 재료 투입이 필요할 것으로 판단된다.
3. 압축실험체의 전기적 특성 평가결과, FCR-stress, FCR-strain 모두 상관관계의 정확도가 높은 것으로 나타났다.
4. 전단실험체의 전기적 특성 평가결과 자기감지형 보수재, 단면증타된 실험체 모두 파괴시까지 FCR의 큰 변화가 나타나지 않았다. 이러한 현상은 실험체
하부에 사인장균열이 발생되었지만, 상부는 균열이 발생되지 않아 CNT간의 연결이 끊어지지 않고 전도성이 유지된 결과로 판단된다.
5. 압축파괴 시 응력변형곡선에서 단면증타전 콘크리트와 보수재로 단면증타된 콘크리트의 변형율에 차이가 발생하여 일체화가 되지 못한 것으로 나타나 두
재료간의 일체화의 개선이 필요할 것으로 판단된다.
본 연구에서는 공시체 수준에서 단면증타 후 성능을 검토하였지만 타설 방향 및 보강방법이 현장상황과 차이가 있어 실제 구조부재에 적용하기 위한 추가검토가
필요할 것으로 판단된다.
감사의 글
이 논문은 2021년도 과학정보통신기술부 기초연구실지원사업(2021R1A4A2001964) / 2023년 한국연구재단의 중견연구자지원사업(NRF-2023R1A2C2006400)의
지원을 받아 수행되었습니다.
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