콘크리트 벽체의 변형 및 손상평가를 위한 바이오차–다중벽탄소나노튜브를 혼입한 시멘트 복합체 센서의 활용 가능성 평가

초록

본 연구에서는 Fe 개질 바이오차와 다중벽 탄소나노튜브(MWCNT)를 혼입하여 시멘트 복합체 기반 변형감지 센서(FBMC)를 개발하였으며, 이를 콘크리트 전단벽에 매입한 후 반복 횡하중을 적용하여 실구조물 적용 가능성을 평가하였다. 구조 부재의 변형 및 손상 수준에 대한 감지 성능은 상업용 변형률 게이지와의 비교를 통해 정량적으로 분석되었다. MWCNT는 시멘트 중량 대비 1 %의 비율로 혼입되었으며, 초음파 처리를 통해 매트릭스 내에 균일한 전도성 네트워크를 형성하였다. 반복 압축 하중 조건에서 센서의 전기 저항 변화율(FCR), 응답 선형성, 게이지 계수(GF)를 기반으로 성능을 분석한 결과, FBMC 센서는 Fe 개질 바이오차 단독 센서(FBC)보다 우수한 반복 응답 안정성과 감지 정밀도(R2=0.913)를 나타냈다. 전단벽 실험에서는 FBMC 센서를 경계 영역에 매입하고, 센서의 FCR 응답을 수직 철근 변형률, 손상지수(DI), 에너지 소산 계수(η)와 비교하였다. 그 결과, FBMC 센서는 층간변위비 1.7 %에서 최대 FCR 응답을 나타내며, 수직 철근보다 넓은 손상 감지 범위를 확보함을 확인하였다. 또한, DI 및 η와의 강한 상관관계를 통해 구조 손상 진행을 정량적으로 추적할 수 있는 센서의 능력을 입증하였다. FBMC 센서는 반복하중 조건에서도 높은 민감도와 응답 안정성을 유지하여 실시간 구조 건전성 모니터링(SHM)에 적합한 센서로 평가되었다. 그러나 센서 균열 이후 전도성 네트워크의 단절로 인한 신호 감쇠 현상이 관찰되었습니다.

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