SHCC는 섬유와 시멘트 메트릭스 계면의 부착작용으로 인해 높은 에너지 흡수능력을 보여준다. 서로 다른 종류의 섬유로 보강된 SHCC는 혼입되는 섬유자체가 가지는 재료적 특성에 의해 서로 다른 특성을 나타내기 때문에 시멘트 메트릭스와 혼입되는 섬유의 상호작용에 의한 손상진전에 따른 미세적 파괴 메카니즘에 대한 평가가 필요할 것으로 판단된다. 이에 본 연구에서는 AE기법을 사용하여 단독섬유와 하이브리드 섬유를 혼입한 시멘트 복합체의 직접인장특성을 평가하고자 하였다. 이러한 목적으로 본 실험에서는 PET2.0%, PET1.5%+PE0.5%, PET1.5%+PVA0.5%의 세 종류의 단독섬유 및 하이브리드 섬유를 혼입하여 실험을 실시하였으며, 실험에서 나타난 AE신호와 직접인장실험결과를 상호비교 분석하였다. 직접인장실험결과, 같은 혼입율에서 PET만을 단독혼입한 시험체에 비해 PET-PE시험체에서 최대 강도에서 약 2.7배 높게 나타났으며. 손상진전에 따른 AE신호결과, 혼입되는 섬유의 재료적 특성에 따라 AE이벤트수와 누적에너지에서 상이한 특성을 나타내었다.
SHCC는 섬유와 시멘트 메트릭스 계면의 부착작용으로 인해 높은 에너지 흡수능력을 보여준다. 서로 다른 종류의 섬유로 보강된 SHCC는 혼입되는 섬유자체가 가지는 재료적 특성에 의해 서로 다른 특성을 나타내기 때문에 시멘트 메트릭스와 혼입되는 섬유의 상호작용에 의한 손상진전에 따른 미세적 파괴 메카니즘에 대한 평가가 필요할 것으로 판단된다. 이에 본 연구에서는 AE기법을 사용하여 단독섬유와 하이브리드 섬유를 혼입한 시멘트 복합체의 직접인장특성을 평가하고자 하였다. 이러한 목적으로 본 실험에서는 PET2.0%, PET1.5%+PE0.5%, PET1.5%+PVA0.5%의 세 종류의 단독섬유 및 하이브리드 섬유를 혼입하여 실험을 실시하였으며, 실험에서 나타난 AE신호와 직접인장실험결과를 상호비교 분석하였다. 직접인장실험결과, 같은 혼입율에서 PET만을 단독혼입한 시험체에 비해 PET-PE시험체에서 최대 강도에서 약 2.7배 높게 나타났으며. 손상진전에 따른 AE신호결과, 혼입되는 섬유의 재료적 특성에 따라 AE이벤트수와 누적에너지에서 상이한 특성을 나타내었다.
SHCC shows the high energy tolerance capacity due to the interfacial bonding of the fibers to the cement matrix. For effective material design and application of SHCC, it is needed to investigate the damage process and micro-fracture mechanism of cement matrix reinforced with different types of fibe...
SHCC shows the high energy tolerance capacity due to the interfacial bonding of the fibers to the cement matrix. For effective material design and application of SHCC, it is needed to investigate the damage process and micro-fracture mechanism of cement matrix reinforced with different types of fibers. The objective of this paper is to investigate the direct tensile response of cement composites reinforced with single and hybrid fibers using acoustic emission(AE) technique. In this study, the correlations between AE signal and result of the direct tensile response of SHCC. For these purposes, three kinds of fibers were used: PET1.5%, PET1.0+PE0.5%, PET1.0%+PVA0.5%. The result of the direct tensile response of SHCC, for the same volume fraction of fibers, ultimate strength of PET-PE specimen was 2.7 times higher than specimens with PET fibers. And from AE signal value, AE event numbers and cumulative energy were different according to kind of fiber because of the different material properties of reinforced fiber.
SHCC shows the high energy tolerance capacity due to the interfacial bonding of the fibers to the cement matrix. For effective material design and application of SHCC, it is needed to investigate the damage process and micro-fracture mechanism of cement matrix reinforced with different types of fibers. The objective of this paper is to investigate the direct tensile response of cement composites reinforced with single and hybrid fibers using acoustic emission(AE) technique. In this study, the correlations between AE signal and result of the direct tensile response of SHCC. For these purposes, three kinds of fibers were used: PET1.5%, PET1.0+PE0.5%, PET1.0%+PVA0.5%. The result of the direct tensile response of SHCC, for the same volume fraction of fibers, ultimate strength of PET-PE specimen was 2.7 times higher than specimens with PET fibers. And from AE signal value, AE event numbers and cumulative energy were different according to kind of fiber because of the different material properties of reinforced fiber.
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문제 정의
본 연구에서는 혼입되는 섬유의 종류에 따른 시멘트 복합체의 파괴과정에 따라 나타나는 AE신호를 측정 및 평가 위하여 PET섬유만을 단독혼입한 물-시멘트비 45%인 PET시험체를 기준시험체로 하여 PE(Polyethylene) 및 PVA (Polyvinyl alcohol) 섬유를 0.5%씩 대체 혼입하여PET-PE 및 PET-PVA시험체를 각각 제작하여 인장강도 및 균열발생특성을 평가하고자 하였다. 각 시험체의 배합표는 표 1에 나타내었으며, 실험에 사용된 각 섬유의 형상비, 인장강도 및 탄성계수 등과 같은 기계적 특성과 섬유의 형상은 표 2 및 그림 1에 각각 나타내었다.
이에 본 연구에서는 AE기법3)을 이용하여 직접인장하에서 동일수준의 혼입율에서 혼입되는 섬유의 종류에 따른 SHCC의 인장거동시 내부 매트릭스의 손상 및 거동특성을 비교·분석하였다. 이러한 결과를 근거로 하여 직접인장하에서의 SHCC의 외형적 손상수준과 매트릭스 내부에서 발생되는 AE신호특성과의 연관성을 분석함으로써 SHCC의 미시적 파괴메커니즘에 관해 규명하고자 하였다.
제안 방법
또한 가력시 손상발생에 따른 AE 신호 특성을 계측하기 위하여 그림 3과 같이 AE 센서를 4개 설치하여 실험 종료시까지 AE 신호를 측정하였으며, 문턱값(Threshold)은 33dB로 정하였다. AE 센서(SE900, DECI 사)는 100～900 kHz의 광대역 센서이고, 이를 프리앰프(20dB, Vallen system)에 연결하여 상용 AE 장비(Vallen AMSY4)를 사용하여 측정하였다.
HPFRCC의 직접인장거동시 발생하는 AE신호특성을 분석하기 위하여 그림 2에 나타난 바와 같이 최대 100kN 용량의 직접인장실험장치를 이용하여 시험체를 가력하였고, 시험체 양측면에 설치한 변위계를 통해 시험체의 균열발생으로 인한 변위값을 측정하였다. 또한 가력시 손상발생에 따른 AE 신호 특성을 계측하기 위하여 그림 3과 같이 AE 센서를 4개 설치하여 실험 종료시까지 AE 신호를 측정하였으며, 문턱값(Threshold)은 33dB로 정하였다.
HPFRCC의 직접인장거동시 발생하는 AE신호특성을 분석하기 위하여 그림 2에 나타난 바와 같이 최대 100kN 용량의 직접인장실험장치를 이용하여 시험체를 가력하였고, 시험체 양측면에 설치한 변위계를 통해 시험체의 균열발생으로 인한 변위값을 측정하였다. 또한 가력시 손상발생에 따른 AE 신호 특성을 계측하기 위하여 그림 3과 같이 AE 센서를 4개 설치하여 실험 종료시까지 AE 신호를 측정하였으며, 문턱값(Threshold)은 33dB로 정하였다. AE 센서(SE900, DECI 사)는 100～900 kHz의 광대역 센서이고, 이를 프리앰프(20dB, Vallen system)에 연결하여 상용 AE 장비(Vallen AMSY4)를 사용하여 측정하였다.
이에 본 연구에서는 AE기법3)을 이용하여 직접인장하에서 동일수준의 혼입율에서 혼입되는 섬유의 종류에 따른 SHCC의 인장거동시 내부 매트릭스의 손상 및 거동특성을 비교·분석하였다.
성능/효과
그림 6에서는 실험종료시의 시간으로 무차원화 시켜 시간에 따른 이벤트수와 누적에너지의 관계를 나타낸 것이다. 그림에서 보는 바와 같이 보는 바와 같이 PET시험체는 인장실험장치와 시험체가 밀착되는 시점에서 이벤트수 증가를 보인 후 2단계 변형경화구간의 최초균열시점에서 가장 496개로 가장 높은 이벤트 수를 나타내었으나, 다른 섬유에 비해 낮은 부착 및 손상흡수 능력으로 인해 최대강도시까지 이벤트수가 지속적으로 감소하는 경향을 나타내었다. 반면 PET-PVA시험체는 최초균열시점까지 PET시험체와 유사한 경향을 나타내었으나, 2단계인 변형경화구간에서 다른 섬유에 비해 PVA섬유의 상대적으로 큰 직경으로 인해 부착력이 저하되어 혼입된 섬유가 인발 및 파단으로 인해 이벤트수의 증감이 지속적으로 나타났다.
PET-PE시험체는 2단계에서 이벤트수가 증가하는 경향을 보였으나, 시멘트 매트릭스와의 부착력이 상대적으로 높은 PE섬유가 높은 파단에너지로 인해 파단되면서 이벤트수의 증감은 거의 나타나지 않았다. 또한 모든 시험체에서 2단계인 변형경화시점까지 누적에너지의 증가는 나타나지 않았으며, 최대강도이후 급격한 누적에너지의 증가를 나타내었으나, PET만을 단독 혼입한 시험체는 다른 시험체에 방출되는 누적에너지가 약 40%정도로 낮게 나타나는 등 PE 및 PVA 섬유를 하이브리드 함으로써 혼입되는 섬유의 종류에 따라 방출되는 누적에너지가 상이하게 나타났다.
후속연구
1) 혼입되는 섬유종류에 따른 직접인장거동특성을 비교·분석한 결과, 단독섬유만을 혼입한 PET시험체에 비해 PE섬유를 하이브리드 하여 혼입한 시험체에서 PE섬유의 높은 인장강도로 인해 최대강도에서도 약 2.7배 높게 나타나는 등 뛰어난 강도증진성능을 나타내었으며, 차후 응력의 효과적인 재분배를 위해 하이브리드 되는 섬유의 혼입율에 관한 연구가 지속적으로 이루어져야 할 것으로 사료된다.
2) 시험체별 AE신호특성을 비교한 결과, PE 및 PVA에 섬유를 하이브리드 한 시험체에서 최초균열 시점이후 최대강도 시까지 지속적인 이벤트수의 증가를 나타내었으며, 누적에너지에서도 PET시험체에 비해 높게 나타나는 등 혼입되는 섬유의 종류에 따른 재료특성에 따라 AE신호특성이 상이한 특성을 보이는 것으로 판단되며, 향후 AE기법을 이용한 SHCC의 인장거동특성평가가 지속적으로 이루어 져야 할 것으로 사료된다.
7배 높게 나타났으나, 최초균열이 발생하는 시점에서 균열면의 파괴에너지가 다른 시험체에 비해 높게 나타나 높은 파괴에너지로 인해 섬유의 파괴모드가 파단의 형태로 나타나면서 급격한 내력저하를 나타내었다. 반면 그림 5에서 보는 바와 같이 모든 시험체에서 실험종료 시까지 미세균열의 확산현상이 거의 나타나지 않았으며, 이는 섬유의 재료적 성능이 현저히 낮은 PET섬유에 비해 상대적으로 성능이 높은 PE 및 PVA섬유의 혼입율이 다소 낮기 때문인 것으로 판단되며, 향후 SHCC의 하이브리드 되는 섬유의 혼입율에 관한 연구가 지속적으로 이루어져야 할 것으로 사료된다.
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