AE기법에 의한 압축력을 받는 고인성 섬유보강 시멘트 복합체의 손상 평가 Assessment of the Damage in High Performance Fiber-Reinforced Cement Composite under Compressive Loading Using Acoustic Emission원문보기
고인성 섬유보강 시멘트 복합체는 시멘트 매트릭스 내 보강된 섬유의 계면부착응력에 의해 다수의 미세균 열분산 및 손상저항성능을 갖게 되나, 이를 구조물에 적용하기 위해서는, 고인성 섬유보강 시멘트 복합체의 파괴거동을 규명함과 동시에 보강섬유에 따른 시멘트 매트릭스의 마이크로 파괴메커니즘에 대한 이해가 요구된다. 이 연구에서는 단조 및 반복가력시 고인성 섬유보강 시멘트 복합체의 파괴특성 및 음향방출신호특성을 규명하기 위하여 총 4 시리즈의 시험체가 사용되었으며, 주요 실험변수는 섬유의 종류(PE, PVA, SC), 혼입률, 하이브리드 타입, 가력방법(단조, 반복)이다. 실험결과, 고인성 섬유보강 시멘트 복합체의 압축거동에 따른 손상진전은 섬유의 혼입률 및 하이브리드에 따라 상이하게 나타났다. 또한 음향방출신호로부터, 각 하중단계의 2, 3번째 사이클에서의 진폭 감소 특성이 나타났으며, 이는 각 사이클별 변형률 증가와의 관련성을 보여 이를 이용한 강도 예측이 가능할 것으로 판단된다. 또한 최대강도의 80%까지 펠리시티 효과 및 카이저 효과가 나타났으며, 하이브리드 섬유 혼입시 매크로 균열 제어로 인해 손상의 복원 및 분산능력이 뛰어난 것으로 나타났다.
고인성 섬유보강 시멘트 복합체는 시멘트 매트릭스 내 보강된 섬유의 계면부착응력에 의해 다수의 미세균 열분산 및 손상저항성능을 갖게 되나, 이를 구조물에 적용하기 위해서는, 고인성 섬유보강 시멘트 복합체의 파괴거동을 규명함과 동시에 보강섬유에 따른 시멘트 매트릭스의 마이크로 파괴메커니즘에 대한 이해가 요구된다. 이 연구에서는 단조 및 반복가력시 고인성 섬유보강 시멘트 복합체의 파괴특성 및 음향방출신호특성을 규명하기 위하여 총 4 시리즈의 시험체가 사용되었으며, 주요 실험변수는 섬유의 종류(PE, PVA, SC), 혼입률, 하이브리드 타입, 가력방법(단조, 반복)이다. 실험결과, 고인성 섬유보강 시멘트 복합체의 압축거동에 따른 손상진전은 섬유의 혼입률 및 하이브리드에 따라 상이하게 나타났다. 또한 음향방출신호로부터, 각 하중단계의 2, 3번째 사이클에서의 진폭 감소 특성이 나타났으며, 이는 각 사이클별 변형률 증가와의 관련성을 보여 이를 이용한 강도 예측이 가능할 것으로 판단된다. 또한 최대강도의 80%까지 펠리시티 효과 및 카이저 효과가 나타났으며, 하이브리드 섬유 혼입시 매크로 균열 제어로 인해 손상의 복원 및 분산능력이 뛰어난 것으로 나타났다.
High Performance Fiber-reinforced Cement Composite (HPFRCC) shows the multiple crack and damage tolerance capacity due to the interfacial bonding of the fibers to the cement matrix. For practical application, it is needed to investigate the fractural behavior of HPFRCC and understand the micro-mecha...
High Performance Fiber-reinforced Cement Composite (HPFRCC) shows the multiple crack and damage tolerance capacity due to the interfacial bonding of the fibers to the cement matrix. For practical application, it is needed to investigate the fractural behavior of HPFRCC and understand the micro-mechanism of cement matrix with reinforcing fiber. This study is devoted to the investigation of the AE signals in HPFRCC under monotonic and cyclic uniaxial compressive loading, and total four series were tested. The major experimental parameters include the type and volume fraction of fiber (PE, PVA, SC), the hybrid type and loading pattern. The test results showed that the damage progress by compressive behavior of the HPFRCC is a characteristic for the hybrid fiber type and volume fraction. It is found from acoustic emission (AE) parameter value, that the second and third compressive load cycles resulted in successive decrease of the amplitude as compared with the first compressive load cycle. Also, the AE Kaiser effect existed in HPFRCC specimens up to 80% of its ultimate strength. These observations suggested that the AE Kaiser effect has good potential to be used as a new tool to monitor the loading history of HPFRCC.
High Performance Fiber-reinforced Cement Composite (HPFRCC) shows the multiple crack and damage tolerance capacity due to the interfacial bonding of the fibers to the cement matrix. For practical application, it is needed to investigate the fractural behavior of HPFRCC and understand the micro-mechanism of cement matrix with reinforcing fiber. This study is devoted to the investigation of the AE signals in HPFRCC under monotonic and cyclic uniaxial compressive loading, and total four series were tested. The major experimental parameters include the type and volume fraction of fiber (PE, PVA, SC), the hybrid type and loading pattern. The test results showed that the damage progress by compressive behavior of the HPFRCC is a characteristic for the hybrid fiber type and volume fraction. It is found from acoustic emission (AE) parameter value, that the second and third compressive load cycles resulted in successive decrease of the amplitude as compared with the first compressive load cycle. Also, the AE Kaiser effect existed in HPFRCC specimens up to 80% of its ultimate strength. These observations suggested that the AE Kaiser effect has good potential to be used as a new tool to monitor the loading history of HPFRCC.
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문제 정의
따라서 이 연구에서는 HPFRCC를 구조물의 주요 내진 부재에 적용하기 위한 연구의 일환으로, 가장 기초적인 재료의 역학적 특성인 압축거동특성 평가에 AE 기법을 사용하였다. 이 때 단조 및 반복압축하중 하에서 섬유종류 및 혼입률에 따른 성능 및 내부의 미시적 변형상태를 평가함으로써 손상단계별 파괴특성을 규명하고자 한다.
제안 방법
4에 나타난 바와 같이 공시체의 세로축 중앙부 측면에 4개의 AE 센서를 설치하여 실험 종료시까지 AE 신호를 측정하였다. AE 센서(SE900, DECI 사)는 100~900 kHz의 광대역 센서이고 이를 프리앰프(20dB, Vallen system)를 통해 상용 AE 장비(Vallen AMSY4)를 사용하여 측정하였다.
Fig. 2에 나타난 바와 같이 2,000 kN 용량의 UTM을 사용하여 중심축력을 단조(monotonic) 및 반복(repeated) 가력하였다. 반복 가력은 Thomas 등15)의 콘크리트 손상 단계에 관한 연구 결과에 따라 Fig.
이 연구에서는 폴리에틸렌(polyethylene, PE), 폴리비닐알코올(polyvinyl alcohol, PVA) 등 마이크로 섬유와 매크로 섬유인 강섬유(steel cord, SC)를 동시에 혼입한 HPFRCC의 반복압축성능 및 손상특성을 AE 기법을 통해 평가하고자 Table 1과 같이 설계기준압축강도 50MPa로 배합설계하였다. 공시체 제작 후 초기 건조수축을 방지하기 위해 수중 양생을 실시하였으며, 실험체 제작에 사용된 PE, PVA 및 SC의 특성은 Table 2, 형상은 Fig. 1에 각각 나타내었다.
압축가력시 UTM과의 부착마찰에 의한 구속효과를 고려하여 중앙부 100 mm 구간을 축변형률 측정범위로 하였으며, KS F 2405(콘크리트의 압축강도 시험방법)에 준하여 실험을 실시하였다. 또한 가력시 콘크리트 공시체의 손상발생에 따른 AE 신호 특성을 계측하기 위하여 Fig. 4에 나타난 바와 같이 공시체의 세로축 중앙부 측면에 4개의 AE 센서를 설치하여 실험 종료시까지 AE 신호를 측정하였다. AE 센서(SE900, DECI 사)는 100~900 kHz의 광대역 센서이고 이를 프리앰프(20dB, Vallen system)를 통해 상용 AE 장비(Vallen AMSY4)를 사용하여 측정하였다.
2에 나타난 바와 같이 2,000 kN 용량의 UTM을 사용하여 중심축력을 단조(monotonic) 및 반복(repeated) 가력하였다. 반복 가력은 Thomas 등15)의 콘크리트 손상 단계에 관한 연구 결과에 따라 Fig. 3에 나타난 바와 같이 단조 가력시 측정된 압축강도의 30%, 50%, 80%, 100% 단계로 각각 계획하였으며, 동일하중의 반복가력시 강성저하특성 및 펠리시티(felicity) 효과16) 등과 같은 AE 신호특성을 평가하기 위하여 손상단계별로 각각 3회씩 반복 가력하도록 하였다.
이 연구에서는 보강섬유 종류 및 하이브리드에 따른 HPFRCC의 단조/반복압축응력 작용시 손상 진전 및 AE 신호특성을 분석한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.
이 연구에서는 폴리에틸렌(polyethylene, PE), 폴리비닐알코올(polyvinyl alcohol, PVA) 등 마이크로 섬유와 매크로 섬유인 강섬유(steel cord, SC)를 동시에 혼입한 HPFRCC의 반복압축성능 및 손상특성을 AE 기법을 통해 평가하고자 Table 1과 같이 설계기준압축강도 50MPa로 배합설계하였다. 공시체 제작 후 초기 건조수축을 방지하기 위해 수중 양생을 실시하였으며, 실험체 제작에 사용된 PE, PVA 및 SC의 특성은 Table 2, 형상은 Fig.
이론/모형
따라서 이 연구에서는 HPFRCC를 구조물의 주요 내진 부재에 적용하기 위한 연구의 일환으로, 가장 기초적인 재료의 역학적 특성인 압축거동특성 평가에 AE 기법을 사용하였다. 이 때 단조 및 반복압축하중 하에서 섬유종류 및 혼입률에 따른 성능 및 내부의 미시적 변형상태를 평가함으로써 손상단계별 파괴특성을 규명하고자 한다.
압축가력시 UTM과의 부착마찰에 의한 구속효과를 고려하여 중앙부 100 mm 구간을 축변형률 측정범위로 하였으며, KS F 2405(콘크리트의 압축강도 시험방법)에 준하여 실험을 실시하였다. 또한 가력시 콘크리트 공시체의 손상발생에 따른 AE 신호 특성을 계측하기 위하여 Fig.
성능/효과
0 시험체에서는 Fig. 15(a)에 나타난 바와 같이 두 번째 사이클에서의 FR값이 0.60 및 0.73을 보여 다른 시험체에 비해 첫 번째 사이클에서의 손상이 심각한 것으로 판단되었으며, 하중단계별 첫 사이클인 4, 7 사이클에서는 모든 시험체가 0.92 이상의 값을 보여 HPFRCC에서도 카이저 효과가 존재함을 알 수 있었다. 또한 모든 시험체에서 7회째 사이클 이후 FR값이 급격히 감소되는 등 Ⅲ단계 이후의 손상 정도가 심각한 것으로 나타났다.
1) 각 시험체에서 측정된 AE 신호의 하중 단계별 사이클 반복에 따른 진폭 감소량은 각 시험체에서의 사이클별 변형률 증가량과 유사한 것으로 나타났으며, 이를 이용한 재료의 손상예측이 가능할 것으로 사료된다. 또한 진폭이 높은 신호일수록 낮은 하중 및 변형률에서는 거의 나타나지 않다가 손상이 진전됨에 따라 점점 높은 진폭을 갖는 신호가 발생되는 특성을 보였으며, 하이브리드 섬유를 혼입한 경우 SCPE1.
2) 보강 섬유의 비중, 직경, 인장강도, 탄성계수 등과 같은 물리적 특성에 따라 발생하는 손상의 AE 신호특성은 상이하게 나타났으며, 상대적으로 보강섬유의 혼입률이 증가한 PE1.0 및 PVA2.0 시험체에서 4 ms 이상의 지속시간을 갖는 신호가 발생함(II, III단계)과 동시에 에너지에 대한 지속시간의 기여분이 비교적 작게 나타나는 등 최종파괴강도 및 변형능력에 영향을 미치는 초기 손상 이후의 미세균열 제어능력이 상이하게 나타났다.
3) 인장 및 변형능력을 개선시키기 위하여 보강섬유를 단독 및 하이브리드하여 혼입한 HPFRCC에서도 콘크리트에서 관찰되는 카이저 효과 및 펠리시티 효과를 확인할 수 있었으며, 모든 시험체에서 반복하중의 크기 증가시 FR값이 0.92~1.01을 나타내는 등 카이저 효과에 가까운 수치를 보여 시멘트 복합체 내 보강된 섬유로 인해 발생하는 균열을 제어하여 응력을 재분배함으로써 제하시 시험체의 손상을 복원시키는 역할을 하는 것으로 판단되었다. 또한 하이브리드 섬유를 혼입한 경우 사이클 진전에 따른 손상이 점진적으로 나타나 단일 섬유를 혼입한 것에 비해 손상제어 및 분산능력이 뛰어난 것으로 판단되었다.
10(e)~(h)에 나타난 바와 같이 마이크로 섬유를 단독으로 혼입한 경우와 유사하게 60~70 dB의 신호가 가장 많은 분포를 보였다. 그러나 SCPE1.0 시험체를 제외하고 50~60 dB의 진폭을 갖는 신호가 최대 하중의 약 80%까지 측정되는 것으로 보아 SC의 혼입에 따른 매크로 균열 제어 및 마이크로 섬유의 혼입률 증가에 기인한 것으로 사료된다.
5는 마이크로섬유만을 혼입한 시험체의 응력-변형률 관계곡선을 나타낸 것이다. 그림에 나타난 바와 같이 단조 가력시에는 PVA1.0 시험체에서 초기탄성계수가 가장 높게 나타났으며 PE1.0 시험체에서 가장 낮은 값을 보였으나 모든 시험체에서 최대강도시까지 유사한 특성을 보였다. 한편, 반복 가력시에는 단조 가력시 강도의 약 80%(III단계)에서 모두 파괴되었으며, 특히 PVA2.
6은 마이크로 섬유 및 SC를 동시에 혼입한 HPFRCC의 응력-변형률 관계곡선을 나타낸 것이다. 그림에 나타난 바와 같이 단조 가력시에는 SCPE1.0 시험체를 제외하고 모든 시험체에서 유사한 강도를 보인 반면, 반복 가력시에는 SCPE1.0 시험체의 최대 변형률이 가장 크게 나타났다.
92 이상의 값을 보여 HPFRCC에서도 카이저 효과가 존재함을 알 수 있었다. 또한 모든 시험체에서 7회째 사이클 이후 FR값이 급격히 감소되는 등 Ⅲ단계 이후의 손상 정도가 심각한 것으로 나타났다. 한편, 하이브리드 섬유를 혼입한 경우에는 Fig.
8(e)~(h)에 나타난 바와 같이 하이브리드를 섬유를 혼입한 경우에는 각 하중단계별 사이클이 진행됨에 따라 AE 신호는 첫 번째 사이클에서 가장 높은 진폭을 보였으며, 두 번째 사이클에서 각 시험체별로 20% 정도의 평균진폭 감소를 보였다. 또한 세 번째 사이클에서는 두 번째 사이클에 비해 약 5~7% 감소를 보이는 등 첫 번째 사이클에서의 손상이 가장 큰 것으로 나타났으며, 특히 최대하중의 30%(I단계) 가력시 AE 신호의 진폭은 PE 및 SC를 하이브리드하여 혼입한 시험체에서 PVA를 혼입한 시험체보다 높게 나타나 초기의 미세균열 발생시 PE 섬유가 PVA 섬유에 비해 미세균열을 효과적으로 제어하였기 때문인 것으로 사료된다. 이러한 AE 신호의 사이클별 진폭 감소량은 보강섬유의 하이브리드 여부에 관계없이 각 시험체에서의 사이클별 변형률 증가량과 유사한 것으로 나타났다.
9(a)~(d)에 나타난 바와 같이 두 번째 사이클에서 각 시험체별로 12~17% 정도의 평균진폭 감소를 보였다. 또한 세 번째 사이클에서는 두 번째 사이클에 비해 약 8~12%의 진폭 감소를 보이는 등 첫 번째 사이클에서의 손상이 가장 큰 것으로 나타났다. 특히 최대하중의 30%(I단계) 가력시 첫 번째 사이클에서 AE 신호의 진폭은 PVA1.
0 시험체를 제외하고 모든 시험체에서 60~70 dB의 신호가 최종 파괴시까지 측정되었다. 또한 진폭이 높은 신호일수록 낮은 하중 및 변형률에서는 거의 나타나지 않다가 손상이 진전됨에 따라 점점 높은 진폭을 갖는 신호가 발생되는 특성을 보였다. 한편, 하이브리드 섬유를 혼입한 시험체에서는 Fig.
1) 각 시험체에서 측정된 AE 신호의 하중 단계별 사이클 반복에 따른 진폭 감소량은 각 시험체에서의 사이클별 변형률 증가량과 유사한 것으로 나타났으며, 이를 이용한 재료의 손상예측이 가능할 것으로 사료된다. 또한 진폭이 높은 신호일수록 낮은 하중 및 변형률에서는 거의 나타나지 않다가 손상이 진전됨에 따라 점점 높은 진폭을 갖는 신호가 발생되는 특성을 보였으며, 하이브리드 섬유를 혼입한 경우 SCPE1.0 시험체를 제외하고 50~60 dB의 진폭을 갖는 신호가 최대하중의 약 80%까지 측정되는 등 SC의 혼입에 따른 매크로 균열 제어로 인한 AE 신호의 진폭 감소가 나타났다.
01을 나타내는 등 카이저 효과에 가까운 수치를 보여 시멘트 복합체 내 보강된 섬유로 인해 발생하는 균열을 제어하여 응력을 재분배함으로써 제하시 시험체의 손상을 복원시키는 역할을 하는 것으로 판단되었다. 또한 하이브리드 섬유를 혼입한 경우 사이클 진전에 따른 손상이 점진적으로 나타나 단일 섬유를 혼입한 것에 비해 손상제어 및 분산능력이 뛰어난 것으로 판단되었다.
이는 HPFRCC에 보강 섬유 혼입시 시멘트 체적비에 의해 혼입률을 결정하나, 혼입률과 동시에 직경 및 비중과 같은 섬유 고유의 물리적 특성에 따라 시멘트 매트릭스와의 부착응력으로 인해 인장저항성능이 상이하기 때문인 것으로 판단된다. 또한 하이브리드 섬유를 혼입한 시험체의 경우 SCPE0.5 시험체를 제외하고 80 dB 이상, 200 kHz 이하의 신호가 측정되어 마이크로 섬유와 매크로 섬유를 하이브리드한 경우 마이크로 섬유의 물리적 특성 및 계면부착성능에 따라 초기에서 파괴시까지의 미세균열에 대한 제어능력이 상이하게 나타났다.
15에 나타내었다. 모든 시험체에서 카이저 효과가 소멸되는 시기인 제하과정에서도 AE 신호가 측정되었으며, 이는 하중 제거 단계에서 보강섬유가 탄성 복원력으로 인해 수축함으로써 섬유와 시멘트 복합체 계면에서 미세한 마찰력이 유발되었기 때문인 것으로 판단된다. 마이크로 섬유를 단독 혼입한 시험체 중 PE1.
또한 세 번째 사이클에서는 두 번째 사이클에 비해 약 8~12%의 진폭 감소를 보이는 등 첫 번째 사이클에서의 손상이 가장 큰 것으로 나타났다. 특히 최대하중의 30%(I단계) 가력시 첫 번째 사이클에서 AE 신호의 진폭은 PVA1.0 시험체에서 가장 높게 나타났으나 두 번째 사이클 가력시 진폭 감소량이 25.81%를 보여 I단계 하중에서의 손상이 다른 시험체에 비해 심각한 것으로 나타났다. Fig.
Table 3은 각 시험체의 압축강도특성을 단조 및 반복 가력에 따라 구분하여 정리한 것이다. 표에 나타난 바와 같이 단조 가력시 최대강도는 SCPVA1.0, SCPE0.5, SCPVA2.0, SCPE1.0, PE0.5, PVA1.0, PVA2.0, PE1.0 순으로 나타나 SC를 혼입한 시험체에서 단일섬유만을 혼입한 시험체보다 높은 강도를 보였으며, 최대강도시 변형률도 증가하는 경향을 나타내는 등 매크로섬유인 SC의 혼입으로 인해 강도와 연성이 증가한 것으로 판단된다.
0 시험체에서 가장 낮은 값을 보였으나 모든 시험체에서 최대강도시까지 유사한 특성을 보였다. 한편, 반복 가력시에는 단조 가력시 강도의 약 80%(III단계)에서 모두 파괴되었으며, 특히 PVA2.0 및 PE1.0 시험체에서는 Ⅳ단계의 첫 번째 사이클까지 진전되는 등 반복하중 하에서도 연성적인 거동을 보였다. Fig.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
고인성 섬유보강 시멘트 복합체의 특징은?
고인성 섬유보강 시멘트 복합체(high performance fiber-reinforced cementitious composite, HPFRCC)는 복합체 내 혼입된 섬유에 의해 균열분산능력 및 내구성 증진과 동시에 변형경화성능을 갖게 됨으로써 반복하중 하에서도 강도 및 강성의 현저한 저하 없이 연성적인 거동을 보이게 된다. 또한 최근에는 이러한 시멘트 복합체 내에 혼입되는 보강섬유 중 마이크로 섬유(직경 50 μm 이하) 및 매크로 섬유(직경 150 μm 이상)를 동시에 사용하여 미세균열(microcrack) 및 거시균열(macrocrack)을 동시에 제어하는 등 시멘트 복합체에 보다 연성적인 성능을 부여하고자 하는 연구가 진행되고 있다.
AE 기법은 언제부터 적용하기 시작하였나?
이와 같은 AE 기법은 1988년 Maji 및 Shah10) 등이 콘크리트의 손상도 평가를 위해 적용하기 시작하여, 최근 구조물의 건전성 평가(health monitoring)에 대한 관심이 증대됨에 따라 콘크리트 구조부재 내부의 파괴특성을 구명하기 위한 연구11,12)에도 점차 적용 범위를 확대하고 있다. 그러나 섬유를 혼입한 시멘트계 복합체의 경우, 보강섬유의 가교작용으로 인해 파괴시 다수의 미세균열 발생 및 응력의 재분배가 이루어져 그 미시적 손상 및 변형 특성이 일반 모르타르 및 콘크리트와 매우 상이하다.
AE 기법의 장점은?
이러한 비파괴검사방법 중 음향방출(acoustic emission, 이하 AE) 기법은 재료 내부에 발생하는 균열 등과 같은 결함 및 손상을 실시간으로 검출할 수 있는 장점을 가지고 있다. 최근 이러한 AE 기법은 콘크리트 재료의 파괴메커니즘 규명,8) 위치표정(source location)을 통한 균열의 위치 또는 균열의 진전과정 규명9)에 적용되고 있으며, AE 기법을 이용한 구조물의 손상 검출을 통해 건전성 평가 및 안전진단 등에도 일부 사용되고 있다.
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