Deep geological disposal of high-level radioactive wastes (HLW) critically requires prediction and monitoring of long-term changes in the mechanical properties and behaviors of surrounding rocks and engineered barrier systems to ensure the structural integrity of the disposal system. The acoustic emission (AE) method is considered as one of the ways to diagnose and monitor the mechanical damage progress in rocks and concrete. The objectives of this dissertation are (a) to identify the AE characteristics emitted from concretes as concrete materials under different types of loading, (b) to suggest AE parametric criteria to determine loading types and estimate the failure stage, and finally (c) to examine the feasibility of using AE method for real-time monitoring of geologic disposal system of HLW. This study performs a series of the mechanical experiments on concrete samples simultaneously with AE monitoring, including the uniaxial compression test (UCT), Brazilian tensile test (BTT) and punch through shear test (PTST). These mechanical tests are chosen to explore the effect of loading types on the resulting AE characteristics. This study selects important AE parameters which includes the AE count, average frequency (AF) and RA value in the time domain, and the peak frequency (PF) and centroid frequency in the frequency domain. The result reveals that the cumulative AE counts, the maximum RA value and the moving average PF show their potentials as indicators to damage progress for a certain loading type. The observed trends in the cumulative AE counts and the maximum RA value show three unique stages with an increase in applied stress: the steady state stage (or crack initiation stage; < 70% of yield stress), the transition stage (or damage progression stage; 70–90% of yield stress) and the rising stage (or failure stage; >90% of yield stress). In addition, the moving average PF of PTST in the early damage stage appears to be particularly lower than that of UCT and BTT. The loading in BTT renders distinctive responses in the slope of the maximum RA–cumulative AE count (or tan Θ). The slope value shows a sudden increase to ~0.48 when the stress is close to 90% of yield stress in BTT; for rest the slope mostly remains less than 0.25 in all tests. This dissertation advances our understanding on AE responses of concrete materials with well-controlled laboratory-scale experimental AE data, and provides insights into further development of AE-base real-time diagnostic monitoring of structures made of rocks and concretes.
고준위 방사성 폐기물의 심지층처분장은 구조적 건전성을 담보하기 위해 주변 암반 및 공학적 방벽 시스템의 장기적인 역학적 특성 변화의 예측과 감시를 필요로 한다. 고준위 방사성 폐기물 심층처분장의 암석 또는 콘크리트의 역학적 손상도를 진단하고 감시하는 방법 중 한 가지로 음향방출 기법이 고려되고 있다. 본 학위논문은 (a) 다양한 하중 조건 하 콘크리트 시편의 음향방출 특성을 파악하고, (b) 하중 조건과 파괴 단계 평가를 위한 음향방출 인자의 기준을 제시하고, (c) 콘크리트 및 암석 손상도의 실시간 감시 방법으로써 음향방출 기법의 활용 가능성을 연구하였다. 본 연구에서는 하중조건의 영향을 탐구하기 위해 일축압축시험, 간접인장시험, 뚫림전단시험을 콘크리트 시편에 대해 수행하고 동시에 음향방출 특성을 모니터링 하였다. 음향방출 주요 인자로써 시계열 상의 AE count, average frequency, RA value, 그리고 주파수 계열 상의 peak frequency(PF), centroid frequency를 선정했다. 누적 AE count, 최대 RA value 및 PF 이동 평균값은 특정 하중 조건에 대한 손상도 지표로써 가능성을 확인했다. 특히, 누적 AE count와 최대 RA value는 하중 증가와 함께 정상 단계(균열 시작 단계; 항복응력의 70% 이하), 진행 단계(손상 진행 단계; 항복응력의 70–90%) 그리고 상승 단계(파괴 단계; 항복응력 90% 이상), 세 단계의 추세를 나타내었다. 또한, 균열 시작 단계에서의 뚫림전단강도시험 PF 이동 평균값은 일축압축시험과 간접인장시험보다 낮음을 확인했다. 최대 RA value–누적 AE count 기울기는 대부분 0.25 이하의 값을 보여주었으나, 간접인장시험에서는 항복응력 90% 지점에서 약 0.45의 상대적으로 큰 값을 나타냈다. 본 학위논문은 실험실 규모에서 얻은 결과로 콘크리트 재료의 음향방출 반응에 대한 이해를 높이고, 추후 음향방출 기반 암석 및 콘크리트 구조물 실시간 진단의 발전에 기여할 것으로 예상한다.
