섬유는 가교작용에 의한 시멘트 복합체의 파괴를 조절할 수 있는 섬유보강 시멘트 복합체의 중요한 재료로 섬유의 혼입률에 따라 다른 파괴메커니즘을 나타내기도 한다. 일반적인 연구에서 섬유를 보강한 시멘트 매트릭스의 마 이크로 메커니즘에 대한 이해를 통하여 섬유보강 시멘트 복합체의 파괴거동을 평가할 필요가 있다. 이 연구에서는 섬 유보강 시멘트 복합체의 파괴거동을 평가하기 위하여, 반복압축, 휨하중 하에서 음향방출 기법에 의한 섬유보강 시멘트 복합체의 손상을 평가하고 분석하였다. 실험체는 PVA 섬유를 0, 1.0, 1.5, 2.0%를 치환한 총 4개의 실험체를 계획하였 다. 기존 연구의 경우 기본적인 AE 신호에 의한 분석 방법을 제시하고 있으나 이 연구에서는 이전 연구자들에 의해 제 시되었던 음향방출 기법을 이용한 정량적 손상평가를 섬유보강 시멘트 복합체에 적용하여 분석하였다. 펠리시티비에 의 한 손상평가의 경우 기존 연구 결과와 같이 모든 실험체에서 카이저 효과와 함께, 펠리시티비가 0.4~1.1로 나타나 펠리 시티비에 의한 섬유보강 시멘트 복합체의 손상 정도를 평가 할 수 있을 것으로 판단된다. 또한 휨 실험체의 경우 손상 을 평가하기 위하여 calm ratio, b-value 및 felicity ratio를 사용하였다. 이 연구의 목적은 섬유보강 시멘트 복합체의 손 상을 평가하는데 있어 음향방출 기법을 활용한 정량적 손상평가 방법의 적용 가능성을 평가하고 차후 연구를 위한 기 본 데이터를 확보하고자 한다.
섬유는 가교작용에 의한 시멘트 복합체의 파괴를 조절할 수 있는 섬유보강 시멘트 복합체의 중요한 재료로 섬유의 혼입률에 따라 다른 파괴메커니즘을 나타내기도 한다. 일반적인 연구에서 섬유를 보강한 시멘트 매트릭스의 마 이크로 메커니즘에 대한 이해를 통하여 섬유보강 시멘트 복합체의 파괴거동을 평가할 필요가 있다. 이 연구에서는 섬 유보강 시멘트 복합체의 파괴거동을 평가하기 위하여, 반복압축, 휨하중 하에서 음향방출 기법에 의한 섬유보강 시멘트 복합체의 손상을 평가하고 분석하였다. 실험체는 PVA 섬유를 0, 1.0, 1.5, 2.0%를 치환한 총 4개의 실험체를 계획하였 다. 기존 연구의 경우 기본적인 AE 신호에 의한 분석 방법을 제시하고 있으나 이 연구에서는 이전 연구자들에 의해 제 시되었던 음향방출 기법을 이용한 정량적 손상평가를 섬유보강 시멘트 복합체에 적용하여 분석하였다. 펠리시티비에 의 한 손상평가의 경우 기존 연구 결과와 같이 모든 실험체에서 카이저 효과와 함께, 펠리시티비가 0.4~1.1로 나타나 펠리 시티비에 의한 섬유보강 시멘트 복합체의 손상 정도를 평가 할 수 있을 것으로 판단된다. 또한 휨 실험체의 경우 손상 을 평가하기 위하여 calm ratio, b-value 및 felicity ratio를 사용하였다. 이 연구의 목적은 섬유보강 시멘트 복합체의 손 상을 평가하는데 있어 음향방출 기법을 활용한 정량적 손상평가 방법의 적용 가능성을 평가하고 차후 연구를 위한 기 본 데이터를 확보하고자 한다.
Fiber is an important ingredient in fiber-reinforced cement composite (FRCC) which can control fracture of cement composite by bridging action. In compliance with the action of the fiber and the aggregate size, it also showed a different failure mechanism. For practical application, it is needed to ...
Fiber is an important ingredient in fiber-reinforced cement composite (FRCC) which can control fracture of cement composite by bridging action. In compliance with the action of the fiber and the aggregate size, it also showed a different failure mechanism. For practical application, it is needed to investigate the fracture behavior of the FRCC and to understand the micro-mechanism of cement matrix with reinforcing fiber. In order to evaluate a characteristics of fracture process in the FRCC, acoustic emission (AE) technique was used for the analysis and evaluation of FRCC damage by acoustic emission under flexural and cyclic compressive loadings. The AE signals were monitored by AMSY4 AE instrument during the entire loading period. The specimens are reinforced with 0, 1.0, 1.5 and 2.0% (by volume) Polyvinyl alcohol (PVA) fiber. The test results showed that the damage progress of the FRCC was characteristic for the fiber replacement ratio. As a result of analyzing the felicity ratio (FR) values, it is shown that this values can be used for evaluating the degree of FRCC damage. On the whole the felicity ratio values of FRCC are shown between 0.4 and 1.1. And, the AE kaiser effect was shown in the all FRCC specimen. In addition, the damage behavior and the microscopic fracture process of the FRCC are evaluated using the AE parameters, such as calm ratio, b-value and felicity ratio. The purpose of this reserch was to advance the state of knowledge regarding the applicability of acoustic emission as an evaluation method for FRCC.
Fiber is an important ingredient in fiber-reinforced cement composite (FRCC) which can control fracture of cement composite by bridging action. In compliance with the action of the fiber and the aggregate size, it also showed a different failure mechanism. For practical application, it is needed to investigate the fracture behavior of the FRCC and to understand the micro-mechanism of cement matrix with reinforcing fiber. In order to evaluate a characteristics of fracture process in the FRCC, acoustic emission (AE) technique was used for the analysis and evaluation of FRCC damage by acoustic emission under flexural and cyclic compressive loadings. The AE signals were monitored by AMSY4 AE instrument during the entire loading period. The specimens are reinforced with 0, 1.0, 1.5 and 2.0% (by volume) Polyvinyl alcohol (PVA) fiber. The test results showed that the damage progress of the FRCC was characteristic for the fiber replacement ratio. As a result of analyzing the felicity ratio (FR) values, it is shown that this values can be used for evaluating the degree of FRCC damage. On the whole the felicity ratio values of FRCC are shown between 0.4 and 1.1. And, the AE kaiser effect was shown in the all FRCC specimen. In addition, the damage behavior and the microscopic fracture process of the FRCC are evaluated using the AE parameters, such as calm ratio, b-value and felicity ratio. The purpose of this reserch was to advance the state of knowledge regarding the applicability of acoustic emission as an evaluation method for FRCC.
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문제 정의
일반적인 연구에서 섬유를 보강한 시멘트 매트릭스의 마이크로 메커니즘에 대한 이해를 통하여 섬유보강 시멘트 복합체의 파괴거동을 평가할 필요가 있다. 이 연구에서는 섬유보강 시멘트 복합체의 파괴거동을 평가하기 위하여, 반복압축, 휨하중 하에서 음향방출 기법에 의한 섬유보강 시멘트 복합체의 손상을 평가하고 분석하였다. 실험체는 PVA 섬유를 0, 1.
또한 휨 실험체의 경우 손상을 평가하기 위하여 calm ratio, b-value 및 felicity ratio를 사용하였다. 이 연구의 목적은 섬유보강 시멘트 복합체의 손상을 평가하는데 있어 음향방출 기법을 활용한 정량적 손상평가 방법의 적용 가능성을 평가하고 차후 연구를 위한 기본 데이터를 확보하고자 한다.
제안 방법
AE 센서는 Fig. 3(a) 에서 보는 바와 같이 공시체 측면 중앙부 주변에 원형으로 4개의 센서를 설치하였으며, 컴프레스미터를 설치하여 LVDT로 부터 공시체의 변형량을 측정하였다. 휨실험체의 경우 200 kN 용량의 만능재료시험기(UTM)를 사용하여 4점가력 하였으며, 중앙부의 처짐을 측정하기 위하여 중앙부 측면에 LVDT를 각각 설치하였다.
3에 나타난 바와 같이 실험체를 설치하였으며, 압축실험체의 경우 2, 000 kN 용량의 UTM을 사용하여 반복 가력 하였다. 가력수준은 단조가력 시 측정된 압축강도의 30%, 50%, 80%, 100%로 계획하였으며, 카이저(Kaiser effect) 및 펠리시티(Felicity effect)효과와 같은 AE 신호특성을 평가하기 위하여 각 손상단계별로 3회씩 반복가력 하였다. AE 센서는 Fig.
손상의 범위는 3단계로 구분하여 정의 하였으며 손상수준이 가장 작은 damage degree 1부터 손상 수준이 가장 큰 damage degree 3 으로 나누었다. 그러나 Ohtsu 등3)의 실험체와 비교해 볼 때 이 연구에서는 섬유 혼입에 의한 영향으로 인해 calm ratio의 범의를 재설정할 필요가 있어 Fig. 9에서 보는 바와 같이 calm ratio 의 범위를 0~0.2까지 설정하였으며, 0.05를 경계로 손상단계를 구분하였고, RTRI의 경우 Ohtsu 등10)과 동일하게 설정하였지만, 각 사이클에서 손상정도의 분석을 통하여 경계를 0.8이 아닌 0.6으로 낮추어 평가하였다.
0%를 치환한 총 4개의 실험체를 계획하였다. 기존 연구의 경우 기본적인 AE 신호에 의한 분석 방법을 제시하고 있으나 이 연구에서는 이전 연구자들에 의해 제시되었던 음향방출 기법을 이용한 정량적 손상평가를 섬유보강 시멘트 복합체에 적용하여 분석하였다. 펠리시티비에 의한 손상평가의 경우 기존 연구 결과와 같이 모든 실험체에서 카이저 효과와 함께, 펠리시티비가 0.
본 연구에서는 FRCC의 섬유혼입률에 따른 파괴 메커니즘을 분석하기 위하여 Fig. 3에 나타난 바와 같이 실험체를 설치하였으며, 압축실험체의 경우 2, 000 kN 용량의 UTM을 사용하여 반복 가력 하였다. 가력수준은 단조가력 시 측정된 압축강도의 30%, 50%, 80%, 100%로 계획하였으며, 카이저(Kaiser effect) 및 펠리시티(Felicity effect)효과와 같은 AE 신호특성을 평가하기 위하여 각 손상단계별로 3회씩 반복가력 하였다.
보강섬유는 마이크로 섬유인 PVA 섬유로써 인발과정에서 주위의 시멘트 경화물에 의해 섬유표면이 거칠게 되어 겉보기상 마찰부착 강도가 크게 되는 현상이 나타나는 것으로 보고된 바 있다. 섬유의 분산성능 및 시공성 확보를 위하여 플라이애쉬 및 실리카퓸을 첨가하였다. FRCC의 배합비는 Table 1에 나타내었고, 사용된 섬유와 잔골재의 입형, 물리적 특성 및 혼화재의 물리적 특성은 그림 Figs.
8을 경계로 damage degree를 구분하였다. 손상의 범위는 3단계로 구분하여 정의 하였으며 손상수준이 가장 작은 damage degree 1부터 손상 수준이 가장 큰 damage degree 3 으로 나누었다. 그러나 Ohtsu 등3)의 실험체와 비교해 볼 때 이 연구에서는 섬유 혼입에 의한 영향으로 인해 calm ratio의 범의를 재설정할 필요가 있어 Fig.
이 연구에서는 섬유보강 시멘트 복합체의 파괴거동을 평가하기 위하여, 반복압축, 휨하중 하에서 음향방출 기법에 의한 섬유보강 시멘트 복합체의 손상을 평가하고 분석하였다. 실험체는 PVA 섬유를 0, 1.0, 1.5, 2.0%를 치환한 총 4개의 실험체를 계획하였다. 기존 연구의 경우 기본적인 AE 신호에 의한 분석 방법을 제시하고 있으나 이 연구에서는 이전 연구자들에 의해 제시되었던 음향방출 기법을 이용한 정량적 손상평가를 섬유보강 시멘트 복합체에 적용하여 분석하였다.
이 연구에서는 PVA(polyvinyl alcohol) 섬유로 보강된 FRCC에 있어서 PVA 보강 섬유 혼입률을 변수로 휨 및 압축 실험체를 제작하였으며, 혼입률에 따른 FRCC의 섬유와 골재 사이의 손상 메커니즘과 파괴특성을 AE 기법을 사용하여 분석하였다.
대상 데이터
본 연구에서는 AE 신호특성을 이용하여 FRCC의 섬유 혼입률에 의한 파괴 메커니즘을 분석하기 위하여, 단면 100 X 100 x400mm의 휨실험체와 F100x200의 반복 압축 실험체를 섬유를 혼입하지 않은 PVA-0-SP 실험체와, 1.0, 1.5, 2.0%를 혼입한 PVA-1.0-SP, PVA-1.5-SP, PVA- 2.0-SP의 총 네 개의 실험체를 설계기준강도 50 MPa인 FRCC 를 사용하여 제작 하였다. 보강섬유는 마이크로 섬유인 PVA 섬유로써 인발과정에서 주위의 시멘트 경화물에 의해 섬유표면이 거칠게 되어 겉보기상 마찰부착 강도가 크게 되는 현상이 나타나는 것으로 보고된 바 있다.
이론/모형
AE 센서 (SE900, D사)는 Fig. 3 (b)에 나타낸 바와 같이, 실험체 측면에 삼각형 탐사기법 (triangle method)을 적용하여 부착하였으며, AE 센서는 100~900 kHz의 광대역 센서를 사용하였고, 측정된 신호는 프리앰프(20dB, Vallen system)로 신호를 증폭시킨 후 AMSY4를 이용하여 측정하였으며, 문턱값 (threshold)은 34 dB을 사용하였다.
1 로 나타나 펠리시티비에 의한 섬유보강 시멘트 복합체의 손상 정도를 평가 할 수 있을 것으로 판단된다. 또한 휨 실험체의 경우 손상을 평가하기 위하여 calm ratio, b-value 및 felicity ratio를 사용하였다. 이 연구의 목적은 섬유보강 시멘트 복합체의 손상을 평가하는데 있어 음향방출 기법을 활용한 정량적 손상평가 방법의 적용 가능성을 평가하고 차후 연구를 위한 기본 데이터를 확보하고자 한다.
있다. 손상의 구분에 관한 내용은 NDIS-242111) 에서 설명하고 있으며, 본 연구에서는 Luo 등9)이 적용한 calm, RTRI ratio를 적용하여 반복압축하중 하에서 damage degree를 평가하였다. 여기서 calm ratio와 RTRI ratio의 정의를 Fig.
성능/효과
1) 펠리시티비에 의한 반복 압축 실험체의 손상도를 평가한 결과 이전 연구자의 연구 결과와 같이 섬유보강 실험체에서도 카이저 효과가 나타났다. 또한 4사이클에서 모든 실험체의 경우 1.
2) Calm ratio에 의한 반복압축 실험체의 손상평가의 경우 calm ratio의 범위를 수정하여 0~0.2까지 설정하였으며, 0.05를 경계로 손상 단계를 구분하였고, RTRI값은 경계를 0.8이 아닌 0.6으로 낮추어 평가할 경우, 섬유보강 시멘트 복합체에서 손상이 가장 큰 3단계에서 1단계까지 정량적 평가가 가능한 것으로 나타났다.
3) 휨하중 하에서 손상평가는 b-value의 범위를 1.0, 1.2, 1.7 로 구분하여 정의 하였으나 섬유보강 시멘트 복합체의 경우 손상의 구분 범위가 크기 않기 때문에 1.2, 1.3, 1.4 로 수정 적용 하였으며, 또한 손상에 의한 매크로 균열이 발생하게 되는 0 < b-value < 1.2 범위의 경우 a값에 의한 손상을 구분하여 평가하였으며, Table 6에서 보는바와 같이 이 연구에서 구분한 손상평가를 섬유보강 시멘트 복합체에 적용하여 단계별 손상 평가가 가능할 것으로 판단된다.
4) 섬유보강 시멘트 복합체를 펠리시티비와 b-value에 의해 분석한 결과 일반적인 섬유보강 시멘트 복합체의 손상과 상관관계가 있는 것으로 판단된다. 또한 철근콘크리트 실험체와의 차이에서 나타나는 영향을 고려하여 기존연구의 정량적 분석방법을 섬유보강 시멘트 복합체의 손상평가에 적용할 경우 음향방출 기법에 의한 정량적 손상평가가 가능할 것으로 판단되며 평가방법의 적용에 관한 세부적인 연구가 필요할 것으로 판단된다.
Fig. 9는 calm ratio와 RTRI ratio의 상관관계를 나타낸 것으로 섬유를 혼입하지 않은 PVA-0-SP 실험체의 경우 1사이클에서 손상이 가장 큰 damage degree 3을 나타내었으며, 2, 3사이클에서 damage degree 2로 최대응력의 30%에서 손상이 지배적으로 발생하였고, 섬유를 혼입한 실험체의 경우 PVA-0-SP 실험체와는 달리 1단계에서 damage degree 2를 나타내었으며, PVA-1.0-SP, PVA-2.0- SP 실험체의 경우 damage degree 2가 지배적으로 나타났다. 또한 PVA-2.
최대하중 이후 균일한 균열의 분포와 매크로 균열의 진전으로 손상지수 4가 나타났고, 이후 최종 파괴 시점에서 손상지수 1의 낮은 AE-b값을 보이며 최종 파괴되었다. PVA-2.0-SP 실험체의 경우 섬유의 가교 작용에 의해 2, 3단계에서 마이크로 균열이 지배적으로 나타나는 손상지수 5가 나타났으며, 이후 4단계에서 손상지수 1로, 손상에 의한 매크로 균열이 진전되며 최종 파괴되었다.
또한 4사이클에서 모든 실험체의 경우 1.0 이상의 높은펠리시티비를 보이고 있으며 섬유를 1.5% 이상 혼입한 실험체의 경우 7사이클에서도 카이저 효과가 나타나, 이전 연구 결과와 비교해 볼 때 펠리시티비에 의한 손상평가를 섬유보강 시멘트 복합체에 적용 가능할 것으로 판단된다.
0-SP 실험체의 경우 계획하였던 압축강도에 못 미치는 30 MPa의 최대응력을 나타내었다. 또한 섬유의 혼입률이 많을수록 최대 변형률이 증가하는 경향을 나타내었으며, 섬유혼입률 1.0 과 1.5 를 경계로 강성의 차이를 보이고 있다. Fig.
2단계에서 초기균열 이후 변형경화 이전 시점까지 섬유의 가교작용에 의해 마이크로 균열이 발생하는 상지수 3을 보이고 있으며, 이후 손상단계 3인 변형 경화 시점에서 손상에 의한 매크로 균열이 발생하는 손상지수 2가 나타났으며 이때의 a값은 4이상으로 1단계와 차이를 보이고 있다. 최대하중 이후 균일한 균열의 분포와 매크로 균열의 진전으로 손상지수 4가 나타났고, 이후 최종 파괴 시점에서 손상지수 1의 낮은 AE-b값을 보이며 최종 파괴되었다. PVA-2.
기존 연구의 경우 기본적인 AE 신호에 의한 분석 방법을 제시하고 있으나 이 연구에서는 이전 연구자들에 의해 제시되었던 음향방출 기법을 이용한 정량적 손상평가를 섬유보강 시멘트 복합체에 적용하여 분석하였다. 펠리시티비에 의한 손상평가의 경우 기존 연구 결과와 같이 모든 실험체에서 카이저 효과와 함께, 펠리시티비가 0.4〜1.1 로 나타나 펠리시티비에 의한 섬유보강 시멘트 복합체의 손상 정도를 평가 할 수 있을 것으로 판단된다. 또한 휨 실험체의 경우 손상을 평가하기 위하여 calm ratio, b-value 및 felicity ratio를 사용하였다.
후속연구
또한 철근콘크리트 실험체와의 차이에서 나타나는 영향을 고려하여 기존연구의 정량적 분석방법을 섬유보강 시멘트 복합체의 손상평가에 적용할 경우 음향방출 기법에 의한 정량적 손상평가가 가능할 것으로 판단되며 평가방법의 적용에 관한 세부적인 연구가 필요할 것으로 판단된다.
0을 넘는 카이저 효과가 나타났고, damage degree 3의 범위에 속하는 10사이클의 경우 펠리시티비 역시 낮게 나타났다. 펠리시티비와 calm ratio 에 의한 손상평가의 경우 calm 에 의한 damage degree 3 의 범위에 속하는 사이클에서의 손상은 펠리시티비에 의한 손상평가와 상관성을 보이고 있으며 두 기법의 상관관계를 분석하기 위하여 차후 더 많은 연구가 필요할 것으로 판단된다.
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