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문제 정의
- 또 치핑 작업을 하기 전의 열화한 콘크리트의 열화정도나 열화심도 등을 조사하는 방법도 충분이 확립되어 있지 않다. 이러한 사실에 기초하여 본 연구에서는 암석이나 콘크리트 등의 취성재료의 손상을 평가하는 분석방법을 제안한다.
제안 방법
- 3DMA를 3D X-ray CT 이미지 분석에 적용하여 콘크리트의 손상에 의한 균열의 정량적 평가를 수행하였다. 이를 위해 동일한 조건으로 시편을 만들기 위해 콘크리트 블록을 만들어 치핑작업을 실시하여 손상을 가한 후, 코어링을 통해서 시료를 준비했다.
- 3과 같이 400×400×110 mm의 콘크리트 블록을 3주간 공기중에서 양생하여, 핸드브레이커를 이용하여 300×300×10 mm의 치핑작업을 수행하였다. 그 후, Fig. 4a와 같이 코어링으로 직경 50 mm, 길이 100 mm의 원주형 시편 총5개(A, B, C, D, E)를 채취하여 X-ray CT 촬영한 후 분석하였다.
- 이를 위해 동일한 조건으로 시편을 만들기 위해 콘크리트 블록을 만들어 치핑작업을 실시하여 손상을 가한 후, 코어링을 통해서 시료를 준비했다. 그 후, 손상 받은 시료를 X-ray CT 촬영하여 3D CT 이미지로 재구성한 후, 치핑에 의한 손상 깊이를 저정량평가하였다. 3DMA의 파라메타 중 손상 평가에 유효한 파라메타인 공극률 지표(Porosity index), Burn number, Medial axis를 이용하여 분석한 결과, 치핑 충격에 의해 콘크리트가 손상을 받을 수 있는 깊이는 3~4 cm 정도로 나타났다.
- 먼저 Fig. 3과 같이 400×400×110 mm의 콘크리트 블록을 3주간 공기중에서 양생하여, 핸드브레이커를 이용하여 300×300×10 mm의 치핑작업을 수행하였다.
- 본 연구에서는 콘크리트를 대상으로 핸드브레이커로 치핑공법을 수행한 후 분석을 수행하였다. Table 1은 본 시험편에 사용한 콘크리트 시편의 배합이며, 시멘트는 경화 및 강도증진율이 빠른 조강시멘트를 사용하였다.
- 이러한 여러 가지 재료의 손상 평가 방법을 조사한 후, 본 연구에서는 비파괴로 3D 평가가 가능한 X-ray CT법을 이용하여 콘크리트의 손상을 평가하였다. 이를 위해 시료를 X-ray CT 장비로 촬영하여 얻은 3D CT 이미지에 3DMA (3Dimensional Medial axis Analysis) (Lindquist, 1996; Lindquist and Venkatarangan, 1999)을 적용하였다.
- 3DMA를 3D X-ray CT 이미지 분석에 적용하여 콘크리트의 손상에 의한 균열의 정량적 평가를 수행하였다. 이를 위해 동일한 조건으로 시편을 만들기 위해 콘크리트 블록을 만들어 치핑작업을 실시하여 손상을 가한 후, 코어링을 통해서 시료를 준비했다. 그 후, 손상 받은 시료를 X-ray CT 촬영하여 3D CT 이미지로 재구성한 후, 치핑에 의한 손상 깊이를 저정량평가하였다.
- 치핑작업에 의한 충격으로 균열이 콘크리트 내부의 어디까지 발생하는지 분석하기 위하여 먼저 Fig. 4b와 같이 콘크리트 시편의 치핑면으로부터 바닥까지 8개의 부분(Part①∼Part⑧)으로 나누어 분석을 수행하였다.
- 분석한 시편의 각 파트의 높이는 11 mm이며 시편의 바닥으로부터 10 mm까지는 분석대상에서 제외하였다. 한편 코어채취로 인해 손상받은 균열을 배제하기 위하여 Fig. 5와 같이 CT 이미지 중 가장자리를 제외하고 사각형으로 표시된 부분만을 분석하였다.
대상 데이터
- CT 이미지는 1024×1024 픽셀(1 픽셀의 1변의 길이는 0.05 mm)과 슬라이스 두께 0.05 mm를 가지는 정육면체 복셀로 구성되어 있다.
- 본 연구에서는 콘크리트를 대상으로 핸드브레이커로 치핑공법을 수행한 후 분석을 수행하였다. Table 1은 본 시험편에 사용한 콘크리트 시편의 배합이며, 시멘트는 경화 및 강도증진율이 빠른 조강시멘트를 사용하였다. 먼저 Fig.
- X-ray CT법은 X선 투과법을 이용하여, 피험체에 X선을 조사하여 물체투과 전후의 X선 에너지 감쇄비로부터 투과한 물체내부의 X선 흡수율의 공간분포를 수치적(CT 값)으로 구한 값을 이미지화하는 실용화된 역해석수법이다. 본 연구에서 사용한 장치는 일본 쿠마모토 대학에 설치된 것으로, 도시바(Toshiba)에서 제작한 마이크로 포커스 X-ray CT 스캐너(Fig. 1)이다. 본 연구를 위해 촬영한 콘크리트 CT 이미지는 Fig.
이론/모형
- 3DMA에서 평가되는 여러 파라메타 중 본 해석에서 콘크리트 손상을 평가하기 위해 사용한 파라메타는 공극률 지표(Porosity index), Burn number, medial axis이다. 이들은 Kawamoto (2011)에 의해 손상으로 발생된 균열 양상 및 그 변화의 평가에 유효한 파라메타로 밝혀졌다.
- 이러한 여러 가지 재료의 손상 평가 방법을 조사한 후, 본 연구에서는 비파괴로 3D 평가가 가능한 X-ray CT법을 이용하여 콘크리트의 손상을 평가하였다. 이를 위해 시료를 X-ray CT 장비로 촬영하여 얻은 3D CT 이미지에 3DMA (3Dimensional Medial axis Analysis) (Lindquist, 1996; Lindquist and Venkatarangan, 1999)을 적용하였다.
성능/효과
- 그 후, 손상 받은 시료를 X-ray CT 촬영하여 3D CT 이미지로 재구성한 후, 치핑에 의한 손상 깊이를 저정량평가하였다. 3DMA의 파라메타 중 손상 평가에 유효한 파라메타인 공극률 지표(Porosity index), Burn number, Medial axis를 이용하여 분석한 결과, 치핑 충격에 의해 콘크리트가 손상을 받을 수 있는 깊이는 3~4 cm 정도로 나타났다. 또한 치핑면에 가까울수록 균열이 폭은 미소균열이 다수 발견되었다.
- 한편, 비파괴진단법의 하나인 X-ray CT법은 X선을 투과시켜 재료 내부의 공극이나 균열등의 결함을 조사하는 것이 가능하다. 또한 X-ray 촬영을 통해 얻은 CT 이미지를 재구성하면 재료를 파괴하거나 손상없이 3D로 재료 내부의 가시화, 그리고 손상에 의해 정량적 평가가 가능하다는 장점이 있다. X-ray CT가 활용된 연구는 암석, 콘크리트의 내부구조를 관찰한 Otani and Obara (2003), 화강암의 풍화에 따른 3차원 공극분포를 분석한 Jeong and Takahashi (2010), 반복재하에 의한 콘크리트의 열화특성을 정량분석한 Obara et al.
- 또한 풍화 후 유효공극의 크기는 20~30 µm로 풍화전의 25~35 µm와 비교하여 미세하게나마 더 작아진 결과를 나타내었는데, 이는 본 논문에서 치핑면에 가까울수록 붉은 Medial axis 즉, burn number 1에 해당하는 미세균열이 증가한 것과 유사한 결과로 볼 수 있다.
- 이 논문의 분석결과, 풍화 전의 공극의 분포와 유효공극의 크기는 각각12~70 µm, 25~35 µm이다.
- 이상과 같은 연구 결과는 콘크리트의 수복을 위해 치핑 후 새로운 콘크리트로 오버레이 공정을 한 콘크리트에서는 기존의 콘크리트와 새롭게 수복된 콘크리트의 부착강도가 낮아지는 문제가 발생할 수 있으므로, 이에 대한 대책이 필요하다는 것을 시사한다. 이상으로 본 논문에서는 이러한 3D CT 이미지 분석을 통하여 콘크리트 내부에 발생한 균열의 정략적 평가가 가능한 것을 확인하였다. 이러한 CT 이미지 분석 방법은 지질공학에서 주료 사용되는 재료인 토양이나 암석에 대해서도 균열을 포함한 내부구조의 정량적 평가, 그리고 가시화 등에 적용가능하며, 많은 연구가 수행되고 있다.
- 이는 그 부분에 비교적 큰 골재가 자리잡고 있어, 상대적으로 손상영향을 덜받은 것으로 판단된다. 이상으로부터 시편에 의해 차이는 있으나, 전체적으로 보면, 치핑면으로부터 약3~4 cm 부분까지 치핑 충격에 의해 균열이 발생된 것으로 판단된다.
후속연구
- 또한 치핑면에 가까울수록 균열이 폭은 미소균열이 다수 발견되었다. 이상과 같은 연구 결과는 콘크리트의 수복을 위해 치핑 후 새로운 콘크리트로 오버레이 공정을 한 콘크리트에서는 기존의 콘크리트와 새롭게 수복된 콘크리트의 부착강도가 낮아지는 문제가 발생할 수 있으므로, 이에 대한 대책이 필요하다는 것을 시사한다. 이상으로 본 논문에서는 이러한 3D CT 이미지 분석을 통하여 콘크리트 내부에 발생한 균열의 정략적 평가가 가능한 것을 확인하였다.
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