Wireless flexural crack monitoring using MWNT/cement composites

Abstract

본 연구는 전기저항측정기법을 이용하여 다중벽 탄소나노튜브(MWNT)가 혼입된 시멘트 복합체의 균열 감지 성능을 평가함으로써, 콘크리트 구조물에 적용될 수 있는 균열 센서를 개발하는 것에 목적이 있다. MWNT/시멘트 균열 센서로 사용된 MWNT/시멘트 복합체는 낮은 플로우 조건하에서 제조하여 MWNT가 시멘트 모재 내에서 고르게 분산될 수 있었으며, 이로인해 높은 전기전도도를 확보할 수 있었다. MWNT/시멘트 복합체 센서의 휨 균열 감지성능을 평가하기 전에, 복합체 내 MWNT 혼입율이 0, 0.1, 0.2, 0.3, 그리고 0.6 % 로 증가함에 따른 복합체의 전기적, 기계적 특성을 평가하였다. 복합체의 전기적 특성 평가는 크게 침투임계값 (Percolation threshold) 평가, 압저항 특성 평가로 나눌 수 있다. 그리고 MWNT/시멘트 복합체 센서는 모체가 되는 구조물과의 접착특성이 양호해야 휨 균열 센서로서 기능을 할 수 있으므로, MWNT/시멘트와 일반 모르타르와의 접착특성을 평가하였다. 이 접착특성 평가는 모체가 되는 물질을 MWNT/시멘트 복합체로 하는 경우와 일반 모르타르를 모체로 하는 경우로 나누어 수행하였다. 마지막으로, MWNT/시멘트 복합체를 가느다란 막대 형태의 센서로 제작하고 이를 보 형태의 모르타르와 콘크리트 재료에 각각, 매립하여 복합체 센서의 휨 균열 감지성능을 평가하였다. 복합체 센서는 보 형태로 제작된 모르타르와 콘크리트 재료 내부의 인장응력 발생 부위, 측면 부위, 보강철근의 하단부, 압축응력 발생 부위에 각각 매립되었다. MWNT/시멘트 복합체 센서의 전기적 특성 측정 결과, 침투임계값은 0.15 %인 것을 알 수 있었으며, MWNT/시멘트 복합체의 기계적 특성 측정결과, 0.6 %의 MWNT 혼입으로 압축강도가 36.07 %, 휨강도가 17.72 % 각각 향상되는 것을 알 수 있었다. MWNT/시멘트 복합체의 압저항 센싱 성능을 평가한 결과, 다양한 MWNT의 혼입률 중, 혼입률0.6 %에서 양호한 변형률 센싱, 손상 센싱 성능을 얻을 수 있었으며, 균열 센싱 성능은 모든 혼입률의 경우보다 혼입률 0.6 % 의 경우가 우수하였다. MWNT/시멘트 복합체의 접착 성능 평가 결과, 다른 MWNT 혼입률의 복합체 센서보다 MWNT 0.6 %의 복합체 센서가 낮은 접착성능을 보였다. 그러나 MWNT 혼입률이 0.6 % 이고 휨 하중을 받는 보에 매립된 복합체 센서의 센싱성능 결과를 고려할 때, 상대적으로 낮은 접착력이 균열 감지에는 문제가 되지 않음을 알 수 있었다. 마지막으로, MWNT/시멘트 복합체를 모르타르 또는 콘크리트 재료에 매립하여 균열 감지 성능을 평가한 결과, 균열 발생에 따른 현저한 저항 변화를 측정할 수 있었다. 복합체의 균열 감지 성능은 저항변화율 측정과 카메라 촬영을 통해 평가할 수 있었다. 본 연구는 일련의 실험을 통하여, MWNT/시멘트 복합체의 구조물 균열 감지 성능을 입증할 수 있었다. 이 MWNT/시멘트 복합체 균열 센서는 광섬유 센서보다 콘크리트 재료에의 적용성이 우수하고, 초음파 또는 음파 비파괴 검사법이 감지할 수 있는 영역보다 넓은 면적의 균열상태를 지속적으로 감지할 수 있는 장점이 있어 앞으로 전도유망한 센서로 활용될 것으로 기대한다.