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Maintenance Technology

- 시멘트 복합재료의 특성 연구 및 기술 개발

  • 극한온도 환경에서 시멘트 복합체의 충격파괴 실험

  • 1

    기본강도 실험 결과

  • 압축강도에 대한 휨강도비 (fcu/fr)

  • PVA 섬유보강 시멘트복합체 : 1/8.0 정도

  • VAE 분말 폴리머 시멘트복합체 : 1/7.1, 보통 모르타르 : 1/10.2 정도

  • 휨강도의 증가량은 PVA 섬유 〉VAE 분말 폴리머 〉일반 모르타르 순으로 나타내었음.

  • 2

    휨 거동 분석

  • PVA 섬유보강 시멘트복합체의 경우 변위가 크게 증가하였음

  • VAE 분말 폴리머와 보통 모르타르는 최대 휨응력 이후 급작스럽게 떨어지고 최대 휨응력 이후 변위가 거의 없었음

(a) PVA fiber

(a) PVA fiber

(b) VAE polymer

(b) VAE polymer

(c) Plain mortar

(c) Plain mortar

〔휨응력과 변위 곡선〕

  • 3

    온도변화에 따른 충격파괴거동 분석

  • 충격 파괴에너지 분석

  • PVA 섬유보강 시멘트복합체 시편이 다른 시편에 비해 가장 높은 충격파괴에너지를 갖으며, 상대적으로 일반 모르타르의 시편은 충격파괴에너지가 현저하게 저하되었음

  • 상대적으로 일반 모르타르의 시편은 충격파괴에너지가 현저하게 저하되었음 · 충격파괴에너지는 PVA 섬유 〉VAE 분말 폴리머 〉일반 모르타르 순으로 PVA 섬유보강 시멘트복합체의 경우 가장 높게 나타내었음

  • 4

    SEM 통한 미세구조 분석

  • PVA 섬유보강 시멘트복합체는 계면결합력이 가장 우수하다는 것을 확인

(a) PVA 섬유

(a) PVA 섬유

b) VAE 분말 폴리머

b) VAE 분말 폴리머

(c) 보통 모르타르

(c) 보통 모르타르

〔SEM 촬영〕

  • 내진성능 향상을 위한 친수성 탄소섬유 보강시멘트(CFRC) 복합재료 개발

  • 1

    CFRC의 기본물성 실험

탄소섬유는 주로 우주항공, 자동차산업, 스포츠 레저 분야 등에 주로 사용되어 왔으며, 경제적인 어려움으로 토목, 건축구조물 적용에 어려움이 있었으나, 섬유의 기게적 특성 및 안정성이 높아 콘크리트 보강용으로 이용할 경우 중량의 감소, 높은 강도와 탄성율로 이의 활용이 증가하고 있다. 따라서 본연구는 탄소섬유 보강시멘트 복합재료의 기본물성 실험을 진행한다. 이에 대한 연구내용 및 범위는 다음과 같다.

  • 섬유혼입량 및 섬유길이 변화에 따른 기본물성 검토

  • 최적의 배합비 도출

  • 굳지 않은 상태의 재료역학적 특성

  • flow 값, 단위용적중량 등

  • 굳은 상태의 재료역학적 특성 및 내충격성 검토

  • 압축강도및 휨강도

  • 내충격성 · 시편 충돌 후 파괴유형

(a) 원사 롤

(a) 원사 롤

(b) 컷 섬유(chopped fiber)

(b) 컷 섬유(chopped fiber)

(c) 기계적 성질

(c) 기계적 성질

〔 탄소섬유 제품의 모습 및 재료특성〕

  • 2

    뭉침방지를 위한 탄소섬유 코팅 실험

최근에는 콘크리트의 취성파괴 등을 방지하기 위하여 유기섬유, 무기섬유 등과 같은 콘크리트 보강용 섬유를 콘크리트에 균일하게 혼입하여 인장강도, 휨강도 및 전단강도 등 역학적 성능과 내충격성 및 균열 저항성능이 향상된 섬유보강 콘크리트가 활용되고 있다. 섬유보강 콘크리트는 성능을 높이기 위해 섬유를 다량으로 사용하더라로 콘크리트 내부에 이들을 균등하게 분산시키는 것이 무엇보다 중요하다. 그러나 섬유보강 콘크리트에서 봉 진동다짐 등의 내부 진동기를 사용하더라도 타설작업 시 한쪽 방향으로만 다짐이 되므로 섬유가 회전되어 수평방향으로 섬유가 배치되기 때문에 섬유를 혼입한 효과가 저하되는 경우가 대부분이다. 즉 다짐작업이 과도할 때는 비중이 큰 섬유는 내려 앉고 비중이 작은 섬유는 콘크리트 표면으로 떠오르는 등의 현상이 발생해 섬유를 혼입한 효과가 저하되는 일이 발생 할 수 있다. 이러한 문제를 해결하기 위해서 탄소섬유에 코팅막 형성으로 뭉침방지를 위한 실리카 기반의 친수성 코팅실험을 진행한다. 더불어 SEM 사진에 의한 섬유의 구조와 섬유를 혼입한 시멘트 페스트의 표면 조직을 평가하여 종합적인 자료를 제시하고자 한다. 이에 대한 연구내용 및 범위는 다음과 같다.

  • 탄소섬유에 코팅막 형성으로 실리카 기반의 친수성 코팅 수행

  • 시멘트 복합재료의 제조 시 뭉침현상 최소화 및 분산성 확보

  • 친수성 코팅도막 FTIR 분석과 전자주사현미경(SEM)을 이용한 탄소섬유 표면 분석

〔탄소섬유의 화학적 정성분석〕

〔탄소섬유의 화학적 정성분석〕

〔SEM 이미지〕

〔SEM 이미지〕

  • 3

    코팅된 CFRC의 재료역학적 특성 및 내진성능 평가

시멘트 콘크리트는 압축에는 강하나 인장 및 충격강도가 낮고 에너지 흡수능력이 적은 취성적 성질을 나타내며, 이러한 결함을 개선하기 위하여 보강섬유로서 오래전 부터 철근, 강섬유 및 석면 등을 보강하여 구조 및 비 구조부재로 사용되어 왔다. 그러나 이들 또한 강재부식에 의한 구조 성능저하와 석면에 의한 건강장애 등 발암물질로 문제가 발생하여 이와 같은 문제를 해결하기 위한 섬유보강 콘크리트에 대한 연구가 활발히 이루어지고 있다. 따라서 본 연구에서는 코팅처리된 탄소섬유를 이용하여 CFRC의 재료역학적 기본물성 실험과 내진성능 평가 실험을 진행한다. 이에 대한 연구내용 및 범위는 다음과 같다.

  • 굳지 않은 상태의 역학적 특성 : 플로우, 단위용적중량 등

  • 굳은 상태의 역학적 특성 : 압축강도, 휨강도 및 내충격성 등

  • 거동 분석 : 휨거동, 내충격성 평가, 시편 충돌 후 파괴유형 검토

  • 내진 보수, 보강 등 전단보강능력 향상방안 제시

- 비접촉식 균열감지 센서를 이용한 구조물의 균열정도 및 패턴 분석 연구

사회기반 시설물의 유지관리를 위해 비파괴시험을 이용한 정기적인 점검과 안전진단을 수행중이나 점검자의 주관적인 경험에 근거한 판단으로 점검자의 주관적인 판단결과에 따라 다른 진단결과 도출의 문제점이 발생하고 있다. 또한 매립식 또는 접촉식 센서들을 이용한 콘크리트 구조물의 균열 또는 손상을 모니터링 하는 경우 구조물의 손상을 센서가 부착된 위치에서만 파악이 가능하고, 센서들의 수명이 구조물과 비교하여 매우 짧아서 연속적인 모티너링이 불가능한 단점이 있다. 따라서 센서의 교체가 필요 없이 연속적으로 사용할 수 있으며 시설물의 구조적 성능에 악영향을 미치지 않고 구조물의 균열 및 손상정도 등을 전체적으로 파악할 수 있다. 제3세부에서 과제개발로 비접촉식 균열감지 센서를 기반으로한 콘크리트 구조물의 균열원인 및 손상에 대한 연구를 진행한다. 이에 대한 연구내용 및 범위는 다음과 같다.

  • 구조물 균열발생 등 영상데이터 확보

  • 비접촉 균열 감지 센서를 이용한 구조물의 외관상태 변화 추이 분석

  • 균열폭, 균열깊이, 균열길이 등

  • 외관조사망도 작성을 위한 손상 데이터 수집

〔구조물의 내부결함 검사 방법 및 시스템〕

- 또한, 본 개발을 통해 시설물의 안전진단 및 유지관리를 위해 구조물 성능에 악영향을 주지 않고, 밀리파 영상 잡음 발진기를 이용한 비접촉식 구조물의 결함(공동, 균열, 철근 부식 등) 측정방법을 개발하고, 유연성이 뛰어난 미세 탐침자를 이용한 균열 깊이 및 진행성 균열 측정을 정확하게 산정하고 정밀도를 얻을 수 있는“미세균열 계측 센서 시스템”을 개발한다. 종국적으로는 실무적으로 적용 가능한 균열의 정도를 계측하고, 내구손상을 탐지할 수 있는 기술로부터 개발되는 시설물의 진단 업무에 매우 유용하게 활용할 수 있도록 구조물의 완전 자동화 균열 탐지 시스템을 개발하여 사업화 하고자 한다.

〔새로운 기술의 구조물 미세균열 계측 및 공동탐지 시스템 개념도〕

〔새로운 기술의 구조물 미세균열 계측 및 공동탐지 시스템 개념도〕

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