In this study, an S2HCC incorporating steel fibers and multiwalled carbon nanotubes (MWCNTs) was developed and tested. Its effect on strain detection and self-sensing performance was evaluated via monotonic compression and repetitive compressive stress. Additionally, the piezoresistive responses of S2HCC -based sensors embedded in the flexural compressive zone of notched SFRC beams under monotonic and repeated loadings were investigated in this study. Two types of flexural loadings were applied to investigate the range and stability of the strain-detecting capacity of the embedded S2HCC-based sensors. The results of this study may be used to improve the health monitoring of concrete structures under complex stress conditions.
산업화와 더불어 다양한 대규모 사회기반시설물의 수요가 증대되어져 왔고 최근 이러한 시설물이 노후화됨에 따라 기능 유지를 위한 유지관리 비용이 급격하게 증가하고 있는 추세에 있다. 사회기반시설물의 예상치 못한 기능 상실은 산업유통망뿐만 아니라 산업구조의 원활한 순환을 단절하여 경제적으로 큰 피해와 혼란을 유발할 수 있다. 현재와 같은 복잡한 산업구조내에서 사회기반시설의 원할한 기능유지 및 수명연장은 특히 사회안전 보장과 탄소중립 측면에서 중요한 의미를 갖게 된다. 이러한 의미에서 건축물을 포함한 사회기반시설물의 모니터링에 대한 관심이 고조되고 있으며 시설물의 모니터링에 있어서 변형감지 센서는 시설물의 상태평가를 위하여 요구되는 정보를 취득하는 중요한 요소이다. 변형감지 센서는 측정 부위에 직접 매립하거나 표면에 부착하여 상시 또는 특정한 시기에 국부적인 부위에서의 변형에 대한 정보를 제공하고 이러한 정보를 활용하여 사회기반시설물의 상태평가 및 건전도를 평가할 수 있도록 하고 있다. 현재 사용되고 있는 변형률 게이지는 내구성 및 사회기반시설물의 주요한 구성재료인 콘크리트와의 이질재라는 재료적 특성의 문제점을 내포하고 있다.따라서 대부분의 사회기반시설물의 주요한 구성재료인 콘크리트와 동일한 시멘트 기반 복합재료 기반의 센서를 활용한 변형감지를 통하여 시설물의 전체적인 거동 및 상태를 모니터링할 수 있는 기술에 대한 연구에 대한 관심이 높아지고 있다. 최근 압축 및 인장하에서 높은 변형능력을 갖는 시멘트 복합체인 변형경화형 시멘트 복합체 (Strain-Hardening Cement-based Composite, SHCC) 기반의 변형감지 센서에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.이 연구에서는 선행연구에서 개발된 폴리에틸렌 합성섬유와 강섬유를 혼입한 SHCC에 자기감지 성능을 부여하기 위하여 전도성의 액상형 다중벽 탄소나노튜브 (Multi-Walled Carbon NanoTube, MWCNT)를 3% 혼입하여 변형감지 센서를 제작하였다. 액상형 MWCNT의 분산방법에 따른 센서의 변형감지능력 및 변형감지 안정성을 평가하기 위하여 액상형 MWCNT의 초음파 분산방법의 적용 여부에 따른 압축 및 반복압축하에서 변형감지능력 및 안정성을 평가하였다. 또한 콘크리트 부재내에서 변형감지를 위한 적용 가능성을 평가하기 위하여 중앙보에 노치를 갖는 강섬유 보강 콘크리트 보의 3점 단조 및 반복재하시 휨 압축부에 매입된 센서의 변형감지능력을 평가하였다. SHCC 기반 변경감지 센서의 단조압축 시험결과, 압축응력이 증가됨에 따라 수직변형률이 증가되고 길이방향의 전기적 저항변화률 (Fractional Change in Resistance, FCR)은 감소하는 것으로 나타났다. 특히 초음파에 의해 분산이 진행되지 않은 MWCNT를 3% 혼입한 3개의 SHCC 기반 변형 감지 센서 수직변형률과 FCR 관계 곡선은 압축강도의 약 70%에 이를 때까지 선형적인 특성을 보였으나 각 센서별로 게이지 계수(Gauge Factor, GF)는 다소 차이를 보였다. 반면 초음파에 의해 분산된 MWCNT를 혼입한 3개 센서에서는 선형적인 수직변형률과 FCR 관계 곡선의 기울기로 평가되는 GF는 큰 차이를 보이지 않고 안정된 값을 보였다. 반복압축하에서 변형감지 센서에 작용된 반복압축응력의 수준이 증가됨에 따라 전기저항의 변화도 따라 증가하는 것으로 나타났다. MWCNT를 초음파 분산하지 않은 센서의 경우 압축강도의 약 50% 수준의 반복압축응력하에서 전기저항변화는 비가역성을 보였으나 초음파로 분산된 MWCNT를 혼입한 센서는 압축강도 70% 수준의 반복압축응력하에서도 전기저항변화는 가역적인 특성을 보였다. 강섬유 보강된 콘크리트 보 부재의 휨 압축부에 매입된 SHCC 기반 센서의 변형감지 성능 평가를 위하여 반복 3점 재하시험 결과, 휨 압축응력이 증가함에 따라 센서의 압축변형률도 유사하게 증가하였으며 FCR값은 감소하는 것으로 나타났다. 센서 단일체에 대한 단조 및 반복압축 재하시 나타난 변형률과 FCR 관계는 유사한 특성을 보였다. 또한 강섬유 보강 콘크리트 보의 중앙부에서 휨 인장균열 발생시점에 FCR값이 크게 감소하기 시작하였으며 중앙부의 재하하중이 증가됨에 따라 균열 폭은 점차 증가하며, FCR값은 균열 발생 전보다 크게 감소하였다. 이상과 같은 결과로부터 초음파로 분산된 액상형 MWCNT의 3% 혼입시 안정된 성능을 갖는 SHCC 기반의 센서 제작이 가능하며 이러한 센서는 센서의 압축강도 약 70% 압축응력하에서 변형감지가 가능하며 또한 콘크리트 부재의 손상감지에 활용 가능성을 확인할 수 있었다.