Advances in smart materials have attracted interests among researchers to develop new non-destructive evaluation and monitoring techniques. One such technique that has made much progress in the last decade is the electromechanical impedance (EMI) approach, which employs piezoelectric transducers. These transducers exhibit piezoelectric effects which means they can produce a voltage difference across its top and bottom faces when compressed (direct effect), and conversely, they can physically change shape when an external electric field is applied (converse effect). Experimental implementations for damage detection in concrete structures using the EMI approach have been successfully demonstrated by many researchers. Since then, constant researches in the field of structural health monitoring (SHM) of civil infrastructures have been carried out by various researchers.
The EMI sensing technique offers many advantages. Piezoelectric transducers are lightweight, non-intrusive and can be used for monitoring inaccessible locations. The main advantage of this technique is that it is very sensitive to local minor changes. The advancement in impedance measurement chip has also motivated researchers to develop low cost wireless-based monitoring system for this technique. Overall, the aim of this research project is to further develop the application of the EMI method using the low cost piezoceramic (PZT) transducers for monitoring and evaluation of concrete structures. The research works in this dissertation can be summarized as (1) Monitoring strength development of concrete, (2) Non-destructive assessment of concrete quality, (3) Monitoring early-age development of steel-concrete bond, and (4) development of improved monitoring technique using reusable PZT transducers.
In this dissertation, the background of study on inspection and quality control tools for assessing integrity of concrete structures, literature review on SHM using piezoelectric materials and scopes and objectives of the research works are presented first. Properties of piezoelectric materials have been studied and characterized by resonant method. Principle of EMI is also studied and EMI measurement and data processing technique are discussed.
The practicality of the EMI sensing technique for in situ monitoring of concrete strength gain have been further investigated through a series of experiments in the first part of the research works. Using an established empirical relationship, the relative strength gain of concrete can be predicted. The strength gain of concrete for all the mixtures shows an increasing exponential trend with increasing resonant frequency shift. The quantitative approach based on the statistical metrics such as RMSD, MAPD and CCD can also be a reliable indicator for monitoring strength development in concrete.
The second part of the research works presents a new concept of using PZT transducers as a non-destructive testing (NDT) tool for evaluating quality of concrete based on the EMI approach. Good agreement is found between the RMSD values yielded between the EMI signatures for concrete specimens in dry and saturated states with the concrete specimens’ compressive strength and permeable voids. A quality index is introduced for predicting the quality of concrete in comparison with a reference specimen.
The third part of the research works presents a new adaptation of the EMI approach using embedded PZT transducers for non-destructive monitoring of bonding between steel rebar and concrete. The main advantage of the technique is that it meets the health monitoring requirements of concrete from the fresh to the hardened state. From the experimental results, the gradual bonding between steel rebar and concrete could be attributed to the setting and hardening of concrete, which are gradual changes controlled by hydration process.
The improved monitoring technique using reusable PZT transducers is introduced in the final part of the research works. The proposed reusable setup have been implemented in experimental studies to monitor characteristics of cement mortar from plastic to solid state and to assess drying and progressive damages in a hardened mortar specimen.
스마트 재료의 발전은 새로운 비파괴 측정기술과 모니터링 기술을 발전시키기 위해 연구자들의 주목을 받아왔다. 이러한 기술 중 하나인 PZT 센서를 이용한 전기기계적 임피던스(Electromechanical impedance, EMI) 기법이 지난 10년 동안 큰 발전을 이루어왔다. 이러한 센서는 압전효과를 나타내는데 이는 센서가 압력을 받았을 때, 그 윗면과 아랫면에 이르는 전압차를 만들고(direct effect), 반대로, 외부의 전기장이 작용하였을 때, 물리적인 모양변화를 일으키는 것(converse effect)을 의미한다. 콘크리트 구조물의 결함검사를 위한 EMI 기법을 이용한 실험이 많은 연구자들 사이에서 성공적으로 이루어져 왔으며, 토목구조물 건전도 모니터링(Structural Health Monitoring, SHM)분야의 연구들이 많은 연구자들에 의해 지속적으로 진행되어왔다.
EMI 센싱 기술은 PZT 센서의 경량성, 비간섭적이며 접근이 어려운 장소의 모니터링에 유용하다는 장점을 지니고 있으며, 국부적인 작은 변화에도 매우 민감하게 반응한다는 것이 가장 큰 이점이다. 임피던스 측정 칩의 발전은 연구자들에게 저렴한 무선 모니터링 시스템을 개발하는데 동기를 부여하였다.
이 연구의 목적은 콘크리트 구조물의 모니터링과 측정을 위한 저렴한 PZT 센서를 이용한 EMI 기법의 적용을 더 발전시키기 위함이다. 본 논문에서 다루는 연구는 다음 네 가지로 요약할 수 있다. (1) 콘크리트 양생 과정에서의 강도발현 모니터링, (2) 콘크리트 품질의 비파괴 평가, (3) 철근-콘크리트 결합의 초기증진 모니터링, 마지막으로 (4) 재사용 가능한 PZT 센서를 이용한 모니터링 기술의 향상이다.
본 논문에서는 콘크리트 구조물의 상태진단에 대한 검사 및 품질관리 기술의 연구배경, 압전재료를 이용한 구조물 건전도 모니터링 검토와 그 범위 및 목표를 먼저 소개하였다. 압전재료의 특성은 공진기법을 통해 연구되었으며 EMI의 원리를 포함하여 EMI 측정과 데이터 처리기술도 논의되었다.
콘크리트 강도발현의 현장 모니터링을 위한 EMI 센싱 기술의 실용성은 이 연구의 첫 부분에서 연속적인 실험을 통해 심도있게 연구되었다. 확립된 실증적인 관계를 통해, 콘크리트의 상대적인 강도발현을 예상할 수 있었다. 모든 종류의 배합에서 콘크리트의 강도발현은 공진 주파수 이동의 증가와 함께 증가하는 지수동향을 보였다. RMSD, MAPD, CCD와 같은 통계적인 기법을 바탕으로 한 정량적인 기법은 콘크리트의 강도발현 모니터링을 위한 신뢰성 높은 지표가 될 수 있다.
이 연구의 두 번째 부분에서는 EMI 기법을 기본으로 한 콘크리트의 품질을 측정하기 위한 비파괴 테스팅 도구(Non-Destructive Testing, NDT)로써 PZT 센서를 이용한 새로운 개념을 소개하였다. 건조상태와 포화상태에서의 콘크리트 시편의 EMI 시그니처로부터 구한 RMSD 값들과 콘크리트의 압축강도와 투수공극 간의 일정한 관계를 구할 수 있었다. 품질지표(Quality Index)는 표본시편과 비교하여 콘크리트의 품질을 예측하기 위해 소개되었다.
철근-콘크리트 결합의 비파괴 모니터링을 위한 내장형 PZT 센서를 이용한 EMI 기법의 새로운 적용이 세 번째 연구부분에서 다루어졌다. 이 기술의 주요 이점은 양생 전·후 모든 콘크리트의 건전도 모니터링 요구사항을 충족시킬 수 있다는 것이다. 실험결과를 통해, 철근과 콘크리트 사이의 점진적인 결합은 콘크리트의 응결과 수화작용에 의한 경화에 영향을 받음을 알 수 있었다.
재사용 가능한 PZT 센서를 이용한 모니터링 기술이 이 연구의 마지막에 다루어졌다. 위에서 제안되어진 재사용 가능한 PZT 센서장치는 양생 전??후 상태의 시멘트 모르타르의 특성을 모니터하고 경화된 모르타르의 건조와 점진적인 결함을 평가하기 위해 연구되었다.
