[전문연구세션] 공공안전연구소 (PSR) 2020 대한토목학회 정기학술대회 열 화상을 이용한 시멘트 모르타르 시편의 균열 형성 시각화 방법 Thermal images for visualizing crack forming processes in concrete bricks 박종건․허광희․이형․김정․손정영 Jong-gun Park․Gwanghee Heo․Hyoung Lee․Jung Kim․Jung-Young Son 열 화상은 만능 재료 시험기(UTM: Universal Testing Machine)을 이용한 휨 강도 측정 시, 열 화상을 통해 거의 선형적으로 증가하는 하중에 따른 콘크리트 시편의 균열 형성공정을 열 화상을 이용하여 시각화하는 데 이용된다. 콘크리트 시편의 표면 온도는 UTM의 하중의 증가에 따라 온도가 증가한다. 시편이 탄소섬유에 의해 보강된 경우, 제작된 시멘트 자체는 저항력이 없어지고 가해지는 힘은 비 균일하게 분포된 탄소섬유에 전해진 다. 탄소섬유에 힘이 가해질 때, 인장력이 발생하고 이에 따라 에너지 및 열이 발생하게 된다. 이 과정에서, 탄소 섬유의 온도 구배가 갑자기 증가하는 순간이 있다. 이 순간은 시편에서 균열의 시작을 나타내며 이러한 양상을 고해상도의 판크로매틱 카메라와 열화상 카메라의 영상에서 발견된다. 이러한 결과는 UTM을 통해 나타나는 응력의 최대치 이후 떨어지는 순간과도 일치한다. 이 갑작스러운 기울기 증가는 시편의 균열 발생 시간을 결정 하는 데 사용된다. 이러한 현상을 통해 콘크리트 시편 균열의 발생 순간을 예측하고 시각화할 수 있다. 핵심용어 : 열 화상(Thermal image), 시멘트 모르타르, 탄소섬유, 온도 구배, 균열 형성공정 시각화, 균열 발생 시간 1. 서 론 휨 강도는 응력으로 정의되며, 이는 물체에 파괴 가능한 균열을 생성한다. 휨 강도는 콘크리트 구조물 의 필수 품질 매개 변수이므로 사용하기 전에 강도를 측정해야 한다. 시멘트 모르타르 시편은 시멘트, 모 래, 물 및 공극이 혼합된 매우 불균일한 물체이다. 공기 공극과의 혼합물의 성질로 인해 휨 강도는 매우 높을 수 없다. 하지만, 탄소섬유를 혼입함으로써 휨 강도를 증가시킬 수 있다. 시편에 탄소섬유가 존재하면 휨의 응력에 대한 높은 저항으로 인해 강도가 증가할 수 있다고 알려져 있다. 휨 강도 측정은 항상 테스트 되는 시편의 균열을 동반하기 때문에 균열 형성공정을 시각화하면 강도를 높이면서 시편의 탄소섬유가 통 과하는 물리적 현상을 명확하게 이해하는 데 도움이 될 수 있다. 또한, 열 화상을 이용하여 힘을 받는 물 체의 응력 분포를 관찰할 수 있다. 응력은 단위 면적당 힘으로 정의되므로 단위 부피당 에너지와 동일하 다. 주어진 에너지에 대한 물체의 온도는 주어진 에너지에 대한 각 물체의 질량과 비열에 반비례합니다. 결과적으로 물체의 힘이 온도로 변형됩니다. 물체가 불균일한 경우, 물체의 각 결함 온도는 다른 결함 온도 와 다릅니다. 따라서 열 화상은 물체에 결함이 있는지 관찰하는 데 유용하다[1-4]. 이 논문에서는 열 화상과 고해상도 가시 영상을 이용하여 시편의 휨 강도의 온도와 시간의 상관관계를 분석하고, 측정을 위해 UTM에 의해 응력을 받을 때 시멘트 모르타르 시편의 균열 발생 과정과 공정에서 탄소섬유의 역할을 시각화하여 나타낸다. 또한, 시편에 함유된 탄소섬유 온도 구배의 급격한 증가를 통해 시편에서 균열의 시작 시점을 표시하여 나타낸다. 2. 실험 준비 및 결과 휨 강도는 측정에서 균열 형성 과정을 시각화하는 열 화상의 능력을 입증하기 위해 KS L ISO 679 (2016) 에 의거하여 160mm (길이) x 40mm (너비) x 40mm (높이)의 크기로 직육면체 시편을 제작하였다. 제작된 * ** *** ㆍ **** ***** 000 7