Evaluation of microstructural change and damage of concrete after exposure to high temperature using nonlinear resonance vibration method

Abstract

콘크리트 구조물이 화재 등 고온에 노출될 경우 물리적, 화학적 변화에 따른 콘크리트 내 미세구조의 변화 및 균열이 발생하므로, 구조물의 재사용 및 보수보강 여부를 판단하기 위한 콘크리트의 미시적 분석과 손상 평가가 필요하다. 본 논문에서는 고온에 노출된 콘크리트의 미세구조 변화를 평가하고, 손상 정도의 평가를 수행하기 위한 비선형 공진 기법의 개발 및 적용을 수행하였다. 비선형 공진 기법은 기존 탄성파 기반 손상 기법에 비해 미세구조의 변화 및 미세균열에 매우 민감한 특성을 가지며, 물질의 응력-변형률 비선형성과 유한 진폭파의 전달에 기반을 둔다. 먼저 고온 노출 후 콘크리트의 미세구조 변화를 상세 규명하기 위해 콘크리트 및 시멘트 페이스트 시편에 대한 SEM 분석 및 XRD 분석을 수행하였다. 이를 통해 콘크리트 구성물질 간 발생하는 미세균열과 균열의 심화를 SEM 분석 결과를 토대로 시각적으로 규명하였으며, 고온 노출 및 손상 후 양생 조건에 따른 시멘트 페이스트의 결정 구조 및 화학적 변화를 XRD 분석 결과로부터 확인하였다. 한편, 비선형 공진기법의 개발을 통해 손상 평가 인자인 비선형 인자(hysteretic nonlinearity parameter)를 측정하고, 고온 노출 시 발생하는 미세손상을 보다 민감하게 평가하기 위한 연구를 수행하였다. 개발된 기법은 통해 배합비 및 노출 온도 별 콘크리트의 손상 평가를 수행하였으며, 측정된 결과를 토대로 기존 탄성파 기반 손상 평가 기법에 비해 고온 노출에 따른 손상을 민감하게 평가 가능한 것으로 검증되었다. 개발된 비선형 공진 기법을 통한 콘크리트의 잔존 재료물성 평가를 위해 고온 열화 콘크리트의 비선형 인자와 인장강도를 측정하였으며, 두 측정값 간 관계식을 도출하였다. 해당 관계식의 검증을 위해 한 면 가열로부터 온도 구배가 발생한 콘크리트 시편의 추가 실험을 수행하였다. 이를 통해 주어진 실험 조건인 콘크리트의 배합비, 노출 온도, 손상 후 보관기간, 온도 구배에 상관없이 비선형 인자의 측정을 통한 잔존 재료물성의 평가에 활용될 수 있음을 확인하였다. 최종적으로, 열손상 이후 콘크리트의 양생 조건에 따른 영향을 분석하기 위한 연구를 수행하였다. 이를 위해 양생 기간 및 상대 습도가 서로 다른 손상 후 양생 조건을 도입하였으며, 양생 전 후 콘크리트의 길이, 무게, 인장 강도, 비선형 인자에 대한 측정을 수행하였다. 얻어진 결과로부터 상대적으로 높은 습도의 양생 조건에서 재수화 반응으로 인한 미세구조 및 재료물성의 회복이 발생 가능함을 확인하였으며, 비선형 인자와 인장 강도 간 관계식의 적합성을 검증하였다.