[논문]균열 아크릴 시편의 기체 확산계수와 균열폭의 관계

이도근; 임민혁; 신경준

doi:10.14190/jrcr.2018.6.4.245

균열 아크릴 시편의 기체 확산계수와 균열폭의 관계
Relationship between Crack Width and Gas Diffusion Coefficient of Cracked Acrylic Specimens 원문보기

Journal of the Korean Recycled Construction Resources Institute = 한국건설순환자원학회 논문집, v.6 no.4, 2018년, pp.245 - 251

이도근 (충남대학교 토목공학과) , 임민혁 (충남대학교 토목공학과) , 신경준 (충남대학교 토목공학과)

초록
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최근 구조물의 유지관리의 중요성이 부각되면서 자기치유 콘크리트 기술 분야의 연구가 활발히 이루어지고 있다. 이에 반해서 자기치유 성능을 평가하기 위한 척도는 부족한 실정이다. 균열폭을 측정하기 위한 방법으로 시각적인 방법이 1차적으로 사용되고 있으나 시편 내부의 균열폭을 관찰하기가 어려우며, 비균질한 균열특성으로 인해 표면에 대한 국부적인 측정만 할 수 있는 단점이 있다. 균열에 대한 간접적인 평가 방법으로 투수실험이 널리 활용되고 있지만 물의 점성으로 인한 문제가 있으며, 또한 실험 중 시편내부 물질의 용출될 가능성이 존재한다. 본 연구에서는 기체확산 특성을 활용한 균열폭 평가 방법을 제안하고자 하였다. 아크릴로 이상화된 직선균열을 제작하여 균열폭, 두께에 따른 시편의 확산계수를 분석하였다. 실험결과를 통하여 균열폭과 확산계수는 선형관계에 있음을 보였고, 두께와 확산계수는 역수의 관계에 있음을 증명하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Recently, as the importance of structural maintenance has been increased, studies on self - healing concrete technology are being actively carried out. On the other hand, test for evaluating the self-healing performance is not standardized yet. Although visual test is used as a basic method for measuring crack widths, it is difficult to observe the crack width inside the specimen, and there is a disadvantage that only the local measurement of the surface can be measured due to the inhomogeneous cracking characteristics. Although permeability test has been widely used as an indirect method for measuring crack width, there is a problem due to the viscosity of water, and also a possibility that the internal material of the specimen may be eluted during the test. In this study, we propose a crack width evaluation method using gas diffusion characteristics. Idealized straight cracks were fabricated by acrylic and the diffusion coefficients of specimens were analyzed with respect to crack width and thickness. The experimental results show that the crack width and the diffusion coefficient are in a linear relationship and that the thickness and diffusion coefficient are inversely related.

주제어

표/그림 (10)

그림 Fig. 1. Oxygen permeability test of none cracking specimen
그림 Fig. 2. Experiment device
그림 Fig. 3. Measuring device for oxygen gas concentration
표 Table 1. Specimen information
그림 Fig. 4. Oxygen concentration change of C series with respect to measuring time
표 Table 2. Diffusion coefficient of C series specimens
그림 Fig. 5. Relationship between diffusion coefficient and crack width for C series specimens
그림 Fig. 6. Relationship between diffusion coefficient and specimen thickness for T series specimens
그림 Fig. 7. Oxygen inflow of T series specimens
표 Table 3. Oxygen Inflow through a crack for T series specimens

AI 본문요약
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문제 정의

콘크리트 및 모르타르의 경우, 폭이 일정한 균질한 형태의 균열을 발생시키기 힘들기 때문에 균열폭 대비 확산계수의 관계를 정확히 파악하기에는 어려움이 있다. 따라서 균열폭과 확산 계수의 관계를 정확하게 측정하여 분석하기 위한 본 연구의 목적에 따라 아크릴을 활용하여 이상화된 직선균열을 가진 시편을 제작하였다. Fig.
따라서, 기존 투수 시험법의 단점을 극복하기 위하여 기체의 확산 특성을 응용하여 모르타르 및 콘크리트의 균열폭 및 치유성능을 추정하는 기법을 개발하고자 하였으며, 이에 대한 기본 검증을 위하여 본 연구에서는 이상화된 직선 균열을 가지고 있는 아크릴 시편에 대해 기체 확산실험을 수행하였고, 균열폭과 확산특성의 상관관계를 분석하였다. Fick’s Law를 기반으로 시편의 두께 및 균열폭에 따른 확산·유출되는 산소량의 관계를 나타내었으며, 실제 콘크리트 및 모르타르 시편에 대한 적용 가능성을 타진하였다.
본 연구에서는 균열을 통과하는 산소기체의 양을 파악하기 위해 공기중의 산소농도와 시편에 부착된 밀폐용기 내부의 산소 농도를 측정하였다. 간편한 측정을 위하여 Fig.
본 연구에서는 직선균열을 포함하는 아크릴 시편을 대상으로 균열폭과 산소기체 확산계수의 상관관계에 대한 분석을 수행하였으며, 실험 결과를 통해 다음과 같은 결론을 얻었다.

가설 설정

한편 두께별 실험 결과 역시 시간에 따른 농도 변화가 곡선에 가까운 비정상상태의 현상이라는 것을 알 수 있다. 그러나, 측정시간을 30분으로 하였을 경우, 모든 시편에서 농도변화 그래프가 일차함수와 상관관계계수 0.99이상인 직선형태 임을 알 수 있었으며, 균열폭 변수에 대한 실험과 마찬가지로 두께변수에 대한 실험도 정상상태 확산을 가정하여 분석을 수행하였다.

제안 방법

따라서 균열폭과 확산 계수의 관계를 정확하게 측정하여 분석하기 위한 본 연구의 목적에 따라 아크릴을 활용하여 이상화된 직선균열을 가진 시편을 제작하였다. Fig. 2(a)와 같이 각각 10mm, 20mm, 30mm, 40mm의 두께와 90mm⨯45mm의 폭과 너비를 가지고 있는 아크릴의 옆면 양 가장자리에 Thickness gauge를 삽입 후, 같은 형태의 아크릴을 부착하여 특정 균열폭의 직선균열을 포함하는 시편을 제작하였다.
본 연구에서는 균열을 통과하는 산소기체의 양을 파악하기 위해 공기중의 산소농도와 시편에 부착된 밀폐용기 내부의 산소 농도를 측정하였다. 간편한 측정을 위하여 Fig. 3과 같은 블루투스통신을 활용한 무선센서를 제작하여 사용하였다.
균질한 직선형태의 균열을 목표로 시편을 제작하였지만, 제작시의 수작업으로 인한 오차가 발생할 수밖에 없기 때문에 시편의 평균균열폭을 측정하였다. 광학현미경으로 균열의 양 끝지점과 중앙점에서 균열폭을 측정하였고, 상하면 모두에서 측정하였다. 시편 하나당 총 6개의 지점에서 취득한 균열폭의 산술평균을 평균균열폭으로 사용하였다.
균열폭에 따른 산소 기체 확산 특성을 분석하기 위하여 두께가 20mm로 일정한 아크릴 시편에 0.1~0.5mm의 Thickness gauge를 각각 삽입하여 두께 및 균열깊이 방향의 균열면이 일정한 시편을 제작하였다. 또한 시편 두께에 따른 산소기체 확산 특성의 분석을 위하여 균열폭은 약 0.
균질한 직선형태의 균열을 목표로 시편을 제작하였지만, 제작시의 수작업으로 인한 오차가 발생할 수밖에 없기 때문에 시편의 평균균열폭을 측정하였다. 광학현미경으로 균열의 양 끝지점과 중앙점에서 균열폭을 측정하였고, 상하면 모두에서 측정하였다.
시험용 산소기체가 농도차에 의하여 균열을 통과하는 시험 조건을 만들기 위하여, 시편의 한쪽 면은 공기중에 노출하였고, 다른 한편에는 밀폐용기를 부착하였다. 내부 치수가 125mm⨯125mm⨯60mm인 밀폐용기를 사용하였고, 시편과의 부착면은 10mm⨯80mm로 천공하여 균열을 통하여 확산현상이 일어나도록 제작하였다.
5mm의 Thickness gauge를 각각 삽입하여 두께 및 균열깊이 방향의 균열면이 일정한 시편을 제작하였다. 또한 시편 두께에 따른 산소기체 확산 특성의 분석을 위하여 균열폭은 약 0.3mm이고 두께가 다른 3종의 아크릴 시편을 제작하여 실험을 수행하였다.
산소기체 확산 실험은 온도 20±1℃, 상대습도 60±5%로 유지되는 항온항습실에서 실시하였으며, 질소 주입 후 약 7시간 정도 측정을 하였다.
시험용 산소기체가 농도차에 의하여 균열을 통과하는 시험 조건을 만들기 위하여, 시편의 한쪽 면은 공기중에 노출하였고, 다른 한편에는 밀폐용기를 부착하였다. 내부 치수가 125mm⨯125mm⨯60mm인 밀폐용기를 사용하였고, 시편과의 부착면은 10mm⨯80mm로 천공하여 균열을 통하여 확산현상이 일어나도록 제작하였다.
실험은 다음 절차로 진행되었다. 우선 시편에 부착된 밀폐 용기내부에 질소를 주입하여 산소농도가 0%에 근접하게 만들었고, 이후 내외부의 산소농도차에 의해 용기 내외부 산소 기체의 확산현상이 발생하게 되며, 이를 산소농도 센서를 이용하여 측정하였다. 산소기체 확산 실험은 온도 20±1℃, 상대습도 60±5%로 유지되는 항온항습실에서 실시하였으며, 질소 주입 후 약 7시간 정도 측정을 하였다.
이상화된 직선 균열과 기체확산 특성에 대한 실험을 위하여 Table 1과 같이 균열폭과 시편두께를 실험 변수로 설정하였다.
한편 시편의 확산속도를 측정하기 위해 시멘트계 재질의 물질과 반응성이 보고되지 않은 기체 중 독성이 없고 질소 가스를 통해 쉽게 농도조절이 가능하며 측정이 용이한 산소를 사용하였다. 사용된 산소센서는 광학식 센서로써 산소의 소모나 수명 감소가 없어 산소 농도의 정확한 이력 측정이 가능하며, 0.

대상 데이터

한편 시편의 확산속도를 측정하기 위해 시멘트계 재질의 물질과 반응성이 보고되지 않은 기체 중 독성이 없고 질소 가스를 통해 쉽게 농도조절이 가능하며 측정이 용이한 산소를 사용하였다. 사용된 산소센서는 광학식 센서로써 산소의 소모나 수명 감소가 없어 산소 농도의 정확한 이력 측정이 가능하며, 0.01%의 분해능을 가진 센서이다.

데이터처리

광학현미경으로 균열의 양 끝지점과 중앙점에서 균열폭을 측정하였고, 상하면 모두에서 측정하였다. 시편 하나당 총 6개의 지점에서 취득한 균열폭의 산술평균을 평균균열폭으로 사용하였다.

성능/효과

1) 아크릴 균열 시편의 기체확산 실험에서 확산되는 기체의 농도변화는 시간이 경과할수록 둔화되는 곡선 형태의 그래프를 그린다. 하지만 측정시간이 짧아질수록 확산속도는 일정해지며 부분적으로 정상상태 확산으로 간주할 수 있다.
2) 시편의 확산계수는 균열폭에 정비례하는 것으로 나타났다. 다만 확산계수는 측정시작농도 및 측정기간 등에 영향을 다소 받는 것으로 나타났다.
3) 아크릴 시편을 대상으로 한 실험 결과 균열폭과 기체확산계수는 0.97 이상의 높은 상관관계를 가지는 것으로 나타났으며, 기체확산 실험을 모르타르 시편에 적용할 경우도 유효한 결과는 나타낼 것으로 예상되나, 시편의 수분상태나 수분의 포화도 등의 영향에 대한 검증이 필요할 것이다.
예상한 바와 같이 밀폐용기 내부의 산소농도는 시간에 따라 대기중의 산소농도로 수렴하는 것을 확인할 수 있었다. 균열폭이 증가할수록 시간에 따른 산소농도 변화량은 큰 것으로 나타났다. 이는 균열을 통하여 이송되는 산소의 량이 이동통로의 크기에 해당하는 균열폭과 밀접한 관계가 있는 것으로 볼 수 있다.
5에 나타내었다. 모든 구간과 범위에서 시편의 확산계수는 균열폭에 정비례하는 것으로 나타났으며, 그 기울기는 측정시간과 측정시작농도에 따라 다소 변화가 있음을 관찰하였다. 따라서, 균열폭과 산소기체 확산계수는 아주 높은 상관관계가 있음을 알 수 있으며, 정해진 조건에서 실험을 한다면 산소기체 확산실험을 활용하여 균열폭 추정을 일관되게 할 수 있을 것으로 판단된다.
그러나, 균열폭이 클수록 농도이력은 곡선 형태를 나타내었다. 실험 결과에 따르면 모든 시편에서측정시간이 짧아질수록 시편내부의 산소농도변화량은 일차함수에 근접하게 되며, 측정시간을 30분으로 하였을 경우, 모든 표본에서 측정결과와 일차함수와의 상관관계계수가 0.97 이상의 일치도를 보였다. 이는 측정시간이 짧아질수록 확산속도가 시간에 독립적임이며, 시간에 따라 확산하는 기체의 양이 일정한 정상상태 확산으로 간주할 수 있음을 의미한다.
4에 나타내었다. 예상한 바와 같이 밀폐용기 내부의 산소농도는 시간에 따라 대기중의 산소농도로 수렴하는 것을 확인할 수 있었다. 균열폭이 증가할수록 시간에 따른 산소농도 변화량은 큰 것으로 나타났다.
이를 통하여 시편 두께에 따라 약간의 편차가 나타날 수는 있지만 균열을 통한 산소기체의 확산속도가 시편의 두께에 반비례한다는 것을 확인하였다.
그러나 측정시작농도와 상관없이 동일한 측정기간에서는 균열폭에 따른 확산계수의 비는 일정하게 나타났다. 한편, 시편을 통한 산소기체의 확산량은 시편 두께에 반비례하는 것으로 나타났다.

후속연구

모든 구간과 범위에서 시편의 확산계수는 균열폭에 정비례하는 것으로 나타났으며, 그 기울기는 측정시간과 측정시작농도에 따라 다소 변화가 있음을 관찰하였다. 따라서, 균열폭과 산소기체 확산계수는 아주 높은 상관관계가 있음을 알 수 있으며, 정해진 조건에서 실험을 한다면 산소기체 확산실험을 활용하여 균열폭 추정을 일관되게 할 수 있을 것으로 판단된다.
그러나 자기치유 콘크리트 시험체 등과 같이 균열이 명확하게 발생한 시편을 대상으로 한 실험에서는 기존 연구와 같이 복잡한 실험장치를 활용하여 압력차를 발생시키지 않고 농도차에 의해서만도 충분히 균열을 통한 기체의 확산현상이 나타날 것으로 예상된다. 따라서, 본 연구에서는 이상화된 직선균열을 모사한 아크릴 시험체를 활용하여 균열폭과 시편 두께에 따른 산소기체 확산속도 변화를 관찰하고자 하였으며, 이는 향후 추가 연구를 통하여 궁극적으로 콘크리트의 균열폭 추정 및 자기치유성능의 평가 등을 위한 새로운 시험 방법의 개발을 위한 기본 검증 및 자료가 될 것이다.
그러나, 아크릴 시편과 달리 모르타르 시편은 모르타르 내의 공극, 시편의 포화도 등이 확산속도에 영향을 줄 수도 있을 것으로 예상된다. 따라서, 향후 모르타르 시편을 대상으로 실험을 확대하여 기체확산 실험을 통한 균열폭 추정에 대한 활용성 검토를 수행할 예정이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	콘크리트란?	콘크리트는 가장 보편적으로 사용되고 있는 건설재료이지만, 콘크리트가 경화되는 과정에서 수화열의 발생과 수분의 증발로인해 균열이 발생하기 쉽다(Mehta and Monteiro 2014). 콘크리트구조물에 균열이 발생하면 수분 및 화학물질이 침투하여 구조물의 내구 성능을 저하시키며 구조물의 사용성 저하, 유지관리 비용 상승의 원인이 되기 때문에 균열을 제어하기 위한 대책이 요구된다(Wang et al.
	콘크리트의 균열을 측정하는 시각적 분석의 한계는?	한편 콘크리트의 균열은 면을 따라 비균질하게 발생하므로, 동일한 균열 내에서도 위치에 따라 상이한 균열폭이 관찰된다. 미세구조분석이나 광학현미경 등 시각적인 분석은 측정 위치에 따라 편차가 있으며, 시편 내부의 균열폭을 관찰하는데 어려움이 있기 때문에 국부적인 표면에서 치유효과를 관찰하는 용도로 활용되고 있다(Choi et al. 2017).
	콘크리트의 문제점은?	콘크리트는 가장 보편적으로 사용되고 있는 건설재료이지만, 콘크리트가 경화되는 과정에서 수화열의 발생과 수분의 증발로인해 균열이 발생하기 쉽다(Mehta and Monteiro 2014). 콘크리트구조물에 균열이 발생하면 수분 및 화학물질이 침투하여 구조물의 내구 성능을 저하시키며 구조물의 사용성 저하, 유지관리 비용 상승의 원인이 되기 때문에 균열을 제어하기 위한 대책이 요구된다(Wang et al.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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