Structural health monitoring is essential for assessing the serviceability of the civil structures, whose structural integrity needs to be evaluated for a long period. Recently, electrically conductive composites are widely used as sensors for structural health monitoring by means of the electrical resistance measurement method. The objective of this study is to develop a cement based conductive composite for flexural crack monitoring, as cement based composites are found more compatible with the structural members. In this study, multi-walled carbon nanotube (MWNT)/cement composites, which show high electrical properties due to the existence of MWNT, were used for flexural crack monitoring. The composite was fabricated at a low flow condition ranging from 120 to 140 mm to improve the dispersion characteristics of MWNT within the cement matrix.
Before the ultimate application, i.e., flexural crack sensing in a host structure, of the MWNT/cement composite, the electrical and mechanical properties of the composite were investigated. Additionally, the bonding behavior between MWNT/cement composite and the mortar was studied. For the bonding behavior study, two different casting schemes, i.e., pre-fabricated sensor scheme and pre-fabricated mortar scheme, were considered. Furthermore, the wireless flexural crack sensing was performed in an RC beam by using MWNT/cement composite. According to the results, the maximum increases of 36.07% and 18.11% were obtained in the compressive and flexural strength of the composite, respectively. The composite with 0.6 wt.% MWNT showed the finest stress and crack sensing capability while adequate damage sensing capability. In the bond behavior study, the bonding strength of 0.6 wt.% MWNT pre-fabricated sensor scheme was found to be the lowest, which was found to be satisfactory by further investigation. The seven sensors embedded in the RC beam for wireless flexural crack sensing fairly detected the crack generation. The detection capability of the seven sensors was verified with the visual inspection carried out during the testing process. Flexural crack sensing capability of the MWNT/cement composite demonstrated that it is a new type of advanced structural health monitoring sensor, which is promising to be utilized for the structural health monitoring of buildings and infrastructures.
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.
