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최근 건축물에 발생한 미세균열을 스스로 치유할 수 있는 자기치유 콘크리트에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 자기치유 콘크리트는 콘크리트 내부에 박테리아, 무기계 혼화재 등과 같은 자기치유 소재를 혼입하여 제작한다. 자기치유 소재는 물과 같은 반응 촉매를 만나게 되면 화학 반응을 통해 미세균열을 치유하는 원리이다. 여러 자기치유 소재의 개발과 함께 소재의 성능 평가에 대한 필요성이 증대하고 있다. 하지만 현재 자기치유 콘크리트의 성능 평가에 대한 기준은 정립되어 있지 않다. 이에 성능 평가에 대한 연구가 시행되면서 여러 평가 방법들이 사용되고 있다. 그 중 비파괴 방법으로 초음파를 활용한 성능 평가가 시도되고 있다.
이에 본 연구는 미세 균열에 ...

최근 건축물에 발생한 미세균열을 스스로 치유할 수 있는 자기치유 콘크리트에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 자기치유 콘크리트는 콘크리트 내부에 박테리아, 무기계 혼화재 등과 같은 자기치유 소재를 혼입하여 제작한다. 자기치유 소재는 물과 같은 반응 촉매를 만나게 되면 화학 반응을 통해 미세균열을 치유하는 원리이다. 여러 자기치유 소재의 개발과 함께 소재의 성능 평가에 대한 필요성이 증대하고 있다. 하지만 현재 자기치유 콘크리트의 성능 평가에 대한 기준은 정립되어 있지 않다. 이에 성능 평가에 대한 연구가 시행되면서 여러 평가 방법들이 사용되고 있다. 그 중 비파괴 방법으로 초음파를 활용한 성능 평가가 시도되고 있다.
이에 본 연구는 미세 균열에 민감도가 높은 비선형 초음파를 활용하여 자기치유 콘크리트의 치유과정을 모니터링하고자 하였다. 연구의 목적은 자기치유 콘크리트의 미세균열 치유과정 모니터링에 대한 비선형 공진 기법의 적용 가능성 검토이다. 연구에는 임팩트 기반 비선형 공진 기법을 적용하였으며 본 기법은 재료의 이력현상(hysteresis)로 인한 진폭 의존 주파수 변화 현상을 토대로 한다. 실험은 두 가지 공진 모드(flexural과 longitudinal)에서 수행되었으며 자기치유 소재별 성능 평가를 시행하였다. 시편은 자기치유 소재가 들어있는 캡슐과 시멘트계 재료 및 결정 촉진제를 혼입하여 두 가지 종류로 제작하였다. 비선형 실험 방법으로는 임팩트 기반 비선형 공진 기법인 다중 충격 방법이 적용되었다. 다중 충격 방법은 진폭을 변화시켜 시편을 여러 번 가진하는 방법으로 가진 세기를 순차적으로 증가시켜가며 시편을 가진하였다. 다중 충격 방법의 한계점 보완을 위해 단일 충격 방법을 추가로 적용하여 실험 결과를 분석하였다.
실험 결과, 자기치유일 수의 증가에 따라 미세균열면의 최대 폭이 감소하였다. 모든 시편의 선형 공진 주파수는 균열 후에 감소하였다가 63일의 자기치유 과정 후에 증가하여 본래의 주파수 대역을 회복하였다. 이는 자기치유일 수의 증가에 따라 최대 균열 폭이 감소하는 결과와 일치하는 결과로 균열이 회복됨을 의미한다.
다중 충격 방법 실험 결과, 모든 공진 모드에서 A, B 시편이 균열 전과 비해 균열 후에 비선형성(α)이 급격히 증가하였다. 이와 같은 결과는 균열이 비선형성 증가의 중요 요인임을 나타낸다. 특히, A 시편은 flexural 공진 모드에서 균열 후에 비선형성이 증가하였다가 자기치유일 수에 따라 비선형성이 지속적으로 감소하는 일정한 경향성을 보였다. 이는 자기치유가 진행됨에 따라 미세 균열이 지속적으로 치유되는 과정이 반영된 것으로 사료된다. 하지만 다중 충격 방법에서 동일한 시편에서 신호의 최대 진폭이 치유일 수 별로 변화하는 한계점을 확인하였다.
이에 단일 충격 방법은 모든 치유일 수에서 신호들의 진폭대역을 동일하게 조절하여 분석하였다. 단일 충격 방법으로 다중 충격 방법보다 동일한 진폭대역에서 치유일 수별 비선형성 비교가 가능하였다. 시편별 비선형성을 비교한 결과, A 와 B 시편에서 각기 다른 경향성이 도출되었다. 이는 자기치유 소재별 치유과정의 차이로 인한 결과로 사료된다. 결론적으로 자기치유 콘크리트의 치유 과정 모니터링에 비선형 공진 기법을 적용하여 보다 미세한 균열의 변화를 파악할 수 있었다.

Abstract ▼ AI-Helper

Recently, research on self-healing concrete that can heal the micro-crack that occurred in buildings is actively underway. Self-healing concrete is manufactured by mixing self-healing materials such as bacteria and inorganic compounds inside the concrete. Self-healing materials are the principle tha...

Recently, research on self-healing concrete that can heal the micro-crack that occurred in buildings is actively underway. Self-healing concrete is manufactured by mixing self-healing materials such as bacteria and inorganic compounds inside the concrete. Self-healing materials are the principle that chemical reactions fill fine cracks when they encounter reaction catalysts such as water. With the development of several self-healing materials, the need for performance evaluation of materials is increasing. However, the criteria for the performance evaluation of self-healing concrete are not established at present. As a result, various evaluation methods are being used as research on performance evaluation has been conducted. Among them, performance evaluation using ultrasound is being attempted as a non-destructive method.
Therefore, this study intended to monitor the healing process of self-healing concrete by utilizing nonlinear ultrasound with high sensitivity to microcracks. The purpose of the study is to examine the applicability of nonlinear resonance techniques for monitoring the healing process of self-healing concrete. Impact-based nonlinear resonance techniques are applied in the study, which is based on amplitude-dependent frequency shift due to hysteresis of materials. Experiments were conducted in two resonant modes (flexural and longitudinal) and performance evaluations by self-healing were conducted. For comparison of self-healing materials, the specimen was made of two types of specimens, that one is mixed with a capsule containing self-healing materials and the other is mixed with cement-based materials and crystalline materials. Non-linear experimental methods have been applied with multiple impact method, which are impact-based nonlinear resonant techniques. In multiple impact method, specimen is excited several times with increasing the excitation strength to vary the amplitude. Experiments are analyzed by applying a single impact method additionally to complement problems of multiple impact methods.
As a result of the experiment, the maximum width of the cracks decreased as the number of self-healing days increased. The linear resonant frequency of all specimens decreased after the crack and then increased after 63 days of self-healing to restore the original frequency band. This means that the crack is recovered as a result consistent with the result of a decrease in the maximum crack width as the number of self-healing days increases.
As a result of multiple impact method experiments, the nonlinearity() of A and B specimens in all resonant modes increased sharply after cracks compared to intact state. These results indicate that cracks are an important factor in increasing nonlinearity. In particular, specimen A showed a constant tendency to increase nonlinearity after cracks in the flexural resonant mode, and then to decrease nonlinearity continuously with the number of self-healing days. This is believed to reflect the continuous self-healing process of microcracks. However, we confirm that the maximum amplitude of the signal varies by number of healing days in the same specimen in multiple impact methods.
Thus, a single impact method was analyzed by adjusting the amplitude bands of the signals equally for all healing days. A single impact method enables comparison of nonlinearity by number of healing days in the same amplitude band than the multiple impact method. Comparing the nonlinearity of the specimen, different tendencies were derived from A and B specimens. This is thought to be the result of differences in self-healing processes by self-healing materials. In conclusion, nonlinear resonance techniques were applied to monitor the healing process of self-healing concrete to identify microcracks.

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