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스마트 콘크리트 연구 개발?
피로 효과, 부식 효과, 재질 노화 등 불리한 요인의 영향으로 구조는 불가피하게 손상 누적, 항력 감쇄, 심지어 의외의 사고를 초래할 수 있다. 의외의 사고를 효과적으로 피하기 위해 구조의 수명을 연장하기 위해서는 이러한 구조에 대한 실시간' 건강' 모니터링과 시기 적절한 수리가 필요하다. X-레이 및 C-스캔의 음향 검사와 같은 기존의 무손실 감지 방법은 질적 검사만 할 수 있고, 정량적이고 디지털화할 수 없으며, 더 중요한 것은 실시간 모니터링을 할 수 없다는 것입니다. 따라서 구조의 내부 상태를 모니터링하고 손상을 추정하는 것은 어렵거나 불가능할 수 있습니다. 전통적인 콘크리트 구조 수리 방법은 주로 손상된 부위를 외부적으로 보강하는 반면, 손상된 기존 구조, 특히 구조 내부의 손상을 복구하는 것은 비교적 어렵다. 현대사회가 지능화로 발전함에 따라 수동적이고 계획적인 패턴에 머물러 있는 이 감지 및 복구 모델은 더 이상 현대의 다기능 지능형 건물의 콘크리트 재료에 대한 요구를 충족시킬 수 없습니다. 따라서 구조 자체 진단, 자체 조정, 자체 복구 및 복구 기능을 갖춘 지능형 콘크리트를 연구하고 개발하는 것이 구조와 기능 통합 (지능) 의 발전 추세 [1] 가 되었습니다.
1 지능형 콘크리트의 정의 및 개발 이력
스마트 소재란 "환경 조건을 감지하고 그에 따라 행동" 할 수 있는 소재입니다. 그것은 생명 시스템을 모방할 수 있으며, 동시에 인식과 인센티브의 이중 기능을 갖추고 있어 외부 환경의 변화 요인을 감지하고 자동으로 시기적절한 결정을 내릴 수 있다. 반응이 민감하고 적절하며 자체 진단, 자체 조정, 자가 복구 및 수명 예측 기능을 갖추고 있습니다. 스마트 콘크리트는 콘크리트의 원래 성분을 바탕으로 스마트 성분을 결합하여 콘크리트가 자기감지, 기억, 적응, 자기복구 등의 특성을 가진 다기능 소재입니다. 이러한 특성에 따라 콘크리트 재질의 내부 손상을 효과적으로 예측하고, 구조 자체의 안전 검사 요구를 충족시키며, 콘크리트 구조의 잠재적 바삭한 손상을 방지하고, 테스트 결과에 따라 콘크리트 구조를 자동으로 복구하여 콘크리트 구조의 안전성과 내구성을 크게 높일 수 있습니다. 앞서 언급했듯이 스마트 콘크리트는 자의식, 자기기억, 적응성을 갖추고 있다. 자가 복구 등의 기능이 없어서는 안 되며, 현재의 기술 수준으로 완벽한 스마트 콘크리트 재료를 준비하는 것은 상당히 어렵다. 그러나 최근 몇 년 동안 손상 자체 진단 콘크리트와 온도 자체 조절 콘크리트가 나타났다. 바이오닉 자기 치유 콘크리트 및 기타 일련의 지능형 콘크리트가 차례로 등장했습니다. 스마트 콘크리트 연구를 위한 견고한 기초를 다졌다.
1..1손상 자체 진단 콘크리트
자체 진단 콘크리트는 압력 민감성과 온도 민감성 등 자체 감지 기능을 갖추고 있다. 일반 콘크리트 재료 자체는 자감 기능이 없지만 콘크리트 기판에 다른 재료 성분을 결합하여 콘크리트 자체에 내재적인 자감 기능을 제공합니다. 현재 일반적으로 사용되는 재료 성분은 중합체, 탄소, 금속, 광섬유입니다. 그중에서 탄소, 금속, 광섬유가 가장 많이 사용된다. 다음은 현재 연구에서 비교적 유행하는 두 가지 손상 자체 진단 콘크리트를 주로 소개한다.
1..1.1탄소 섬유 스마트 콘크리트
탄소섬유는 강도, 탄력성, 전도성이 높은 재료이다. 시멘트 기반 재료에 적당량의 탄소섬유를 첨가하면 강도와 인성을 크게 높일 수 있을 뿐만 아니라 물리적 성능, 특히 전기적 성능도 크게 개선할 수 있다. 그것은 센서로서 자신의 응력과 내부 손상을 전기 신호 출력으로 반영할 수 있다. 콘크리트 재질에 특정 모양, 크기 및 사용량의 짧은 탄소 섬유를 추가하면 콘크리트가 내부 응력, 변형 및 작동 정도를 자동으로 감지할 수 있습니다. 관찰을 통해 시멘트 기반 복합 재료의 저항 변화는 내부 구조 변화에 대응하는 것으로 밝혀졌다. 구조 부재의 탄성 단계에서 탄소 섬유 시멘트 기반 재질의 저항 변화율은 내부 응력에 따라 선형으로 증가하며, 구성요소의 극한 하중에 접근할 때 저항력이 점차 증가하여 구성요소가 곧 파괴될 것임을 나타냅니다. 기준 시멘트 기반 재료의 전도율은 거의 변하지 않고, 파괴에 가까워질 때까지 저항 변화율이 급격히 증가하여 콘크리트의 응력-변형률 관계를 반영한다. 섬유 콘크리트의 이러한 특징에 따라 섬유 콘크리트의 작동 상태를 테스트함으로써 구조의 작동 상태를 온라인으로 모니터링할 수 있습니다 [2]. 탄소 섬유 손상 자체 진단 콘크리트에서 탄소 섬유 콘크리트 자체는 인장, 압축, 굽힘 정적 하중 및 동적 하중과 같은 외부 요인에 따른 콘크리트의 탄성 변형, 소성 변형 및 손상 균열을 모니터링하는 센서입니다. 그라우트에 적당량의 탄소섬유를 첨가하여 응변 센서의 감도가 일반 저항응변판보다 훨씬 높다는 것을 발견했다. 피로 실험에서 스트레칭이든 압축이든 탄소 섬유 콘크리트의 체적 전도율은 피로 횟수가 증가함에 따라 되돌릴 수 없는 것으로 나타났다. 따라서 이 현상은 콘크리트 재료의 피로 손상을 모니터링하는 데 사용될 수 있다. 이 자각 콘크리트를 보정함으로써 연구원들은 임피던스와 부하 사이의 관계를 결정하여 자각 콘크리트로 만든 도로의 차량 방향, 부하, 속도 등의 매개변수를 결정하여 교통 관리의 지능화를 위한 물질적 기반을 제공할 수 있다.
탄소섬유 콘크리트는 압력에 민감할 뿐만 아니라 온도에 민감하다. 즉 온도 변화로 인해 저항 변화 (온도 저항) 와 탄소섬유 콘크리트 내부의 온도차가 전위차를 일으키는 열전기 (세베이커 효과) 이다. 실험에 따르면 최대 온도 70 C 와 최대 온도차 65438 05 C 범위 내에서 열전세 (E) 와 온도차 T 사이에 양호하고 안정적인 선형 관계가 있는 것으로 나타났다. 탄소 섬유 함량이 임계치에 도달하면 열전기 전동률이 가장 높고 감도가 높기 때문에 이 재질을 사용하여 건물 내부 및 주변 환경의 변화를 실시간으로 모니터링할 수 있습니다. 또한 온도 제어 및 화재 경보 요구 사항이 있는 스마트 콘크리트 구조 (예: 열 요소 및 화재 경보) 에서 사용할 수 있는 대용량 콘크리트 온도의 자체 모니터링을 수행할 수 있습니다.
자감 기능 외에도 탄소 섬유 콘크리트는 산업 정전기 방지 구조에도 사용할 수 있다. 도로 노면과 공항 활주로 제빙 제설. 철근 콘크리트 구조물의 철근 음극 보호. 주택과 농장 등의 전열 구조.
1..1.2 광섬유 감지 스마트 콘크리트
광섬유 감지 스마트 콘크리트 [3], 즉 콘크리트 구조의 핵심 부분에 광섬유 센서 또는 어레이를 장착하여 탄화 및 하중 중 콘크리트의 내부 응력 변형 변화를 감지하고 외부 힘 및 피로로 인한 변형, 균열 및 팽창 손상을 실시간으로 모니터링합니다. 광섬유 전송 과정에서 빛은 온도, 압력, 전기장, 자기장의 변화와 같은 외부 환경 요인에 쉽게 영향을 받아 광 강도, 위상, 주파수 및 편광 상태의 변화를 일으킨다. 따라서 광파의 변화를 측정할 수 있다면 광파의 변화를 일으키는 온도, 압력, 자기장 등 물리량의 크기를 알 수 있다. 그래서 광섬유 감지 기술이 등장했습니다. 최근 몇 년 동안 국내외에서 철근 콘크리트 구조 및 건물 검사에 광섬유 센서를 적용하여 응력, 변형 및 균열 발생과 같은 콘크리트 구조의 내부 상태를 연구한 광섬유 센서 기술 (콘크리트 경화 과정의 모니터링 및 구조의 장기 모니터링 포함) 을 연구했습니다. 센서에 광섬유를 적용하면 토목 구조의 지능화와 내부 상태를 실시간으로 온라인 무손실 감지 수단을 제공하여 구조의 안전 모니터링, 전체 평가 및 유지 관리에 도움이 됩니다. 지금까지 광섬유 센서는 캐나다 Caleary 가 건설한 BeddingtonTail 이라는 이중 교차 고속도로 교량의 내부 변형 상태 모니터링과 같은 많은 엔지니어링에서 사용되었습니다. 미국 Winooski 모 수력발전소 댐 진동 모니터링: 국내 프로젝트에는 중장고속도로 홍초방대교 모니터링, 순호장대교 장기 모니터링 및 안전평가시스템 등이 있습니다.
1.2 자체 조정 스마트 콘크리트
자체 조정 스마트 콘크리트는 전기 효과와 전열 효과가 있다. 정상적인 하중 외에도 태풍 지진 등 자연재해에서 콘크리트 구조가 자신의 운반 능력을 조정하고 구조의 진동을 늦출 수 있기를 희망하고 있다. 그러나 콘크리트 자체는 불활성 재료이기 때문에 자체 조정 목적을 달성하기 위해서는 모양 메모리 합금 (SMA), 전류 변액 (er) 과 같은 구동 기능이 있는 구성 요소 재료를 합성해야 합니다. 모양 기억 합금은 모양 기억 효과가 있다. 실온에서 탄성 범위를 초과하는 인장 소성 변형을 받는 경우 최소한 상전이 온도를 초과할 때까지 가열하면 원래의 잔여 변형이 사라지고 원래 크기로 복구될 수 있습니다. 모양 기억 합금을 콘크리트에 넣고 모양 기억 합금의 온도에 대한 민감성과 서로 다른 온도에서 해당 모양을 복원하는 기능을 이용한다. 콘크리트 구조물이 비정상적인 하중에 의해 교란될 때, 기억 합금의 모양 변화를 통해 콘크리트 구조물의 내부 응력을 재분배하여 어느 정도의 사전 응력을 발생시켜 콘크리트 구조물의 하중 용량을 높인다. 전류 변액은 점도, 탄성 등의 유변 특성을 외부 전기장을 통해 제어할 수 있는 현탁액입니다. 전류변액은 외부 전기장의 작용으로 0. 1ms 내에서 체인형 또는 메쉬 구조로 결합될 수 있는 고체 젤로, 그 초기 정도는 외부 전기장이 증가함에 따라 완전히 응고되고, 외부 전기장이 제거된 후에도 유변 상태를 회복할 수 있다. 콘크리트 구조물이 태풍과 지진의 습격을 받았을 때, 콘크리트의 전류변액과 결합해 콘크리트 구조의 유변 특성을 조절하고, 구조의 자진주파수와 감쇠 특성을 변화시켜 구조의 진동을 늦추는 목적을 달성할 수 있다.
일부 건물에는 실내 습도에 대한 엄격한 요구 사항이 있는데, 예를 들면 각종 전시장, 박물관, 미술관 등이 있다. 안정적인 습도 제어를 위해 많은 습도 센서, 제어 시스템 및 복잡한 배선이 필요한 경우가 많으며, 비용과 유지 관리 비용이 높습니다. 일본 학자들이 개발한 주변 온도를 자동으로 조절하는 콘크리트 재료는 실내 환경 습도를 감지하고 필요에 따라 조절할 수 있다. 환경 습도 자동 조절 기능을 갖춘 이 콘크리트 재료의 핵심 성분은 비석가루이다. 그 메커니즘은 제올라이트의 규산칼슘에 (3-9) x 10- 10m 의 기공이 함유되어 있다는 것이다. 이 구멍들은 수분, NOx, S0x 가스를 선택적으로 흡착할 수 있다. 끓는 돌의 종류를 선택하면 환경 습도를 자동으로 조절하는 콘크리트 복합재를 준비할 수 있다. 그것은 다음과 같은 특징을 가지고 있다: (1) 우선 흡착수; 수증기 압력이 낮은 곳은 흡습성이 크다. 흡습과 탈습은 온도와 관련이 있어 온도가 높아지면 수분을 방출하고 온도가 내려가면 수분을 흡수한다.
1.3 자가 치유 스마트 콘크리트
콘크리트 구조물의 사용 과정에서 대부분의 구조는 이음새와 함께 작동합니다. 콘크리트 균열은 강도를 낮출 뿐만 아니라 공기 중의 CO2, 산성비, 염화물도 균열을 통해 콘크리트 내부에 쉽게 침투하여 콘크리트를 탄화시키고 콘크리트 속의 철근을 부식시키는 등 지하 구조나 위험물이 함유된 처리시설에 특히 불리하다. 콘크리트에 균열이 생기면 검사하고 수리하기가 어렵다. 자가 치유 콘크리트는 이러한 요구에 따라 생성됩니다. 인간의 현실 생활에서, 우리는 피부가 잘려진 후, 시간이 지나면 자연히 잘 자라며, 매끄럽게 보수되는 것을 볼 수 있다. (윌리엄 셰익스피어, 햄릿, 희망명언) 뼈가 부러진 후에는 바느질만 잘하면 부러진 뼈가 자동으로 아물게 된다. 자가 치유 콘크리트 [4] 는 생체 조직을 모방하여 부상 부위에 어떤 물질을 자동으로 분비하여 부상 부위를 치유하는 기능이다. 지능형 생체 자기 치유 신경망 시스템은 액체 코어 섬유 또는 바인더가 함유 된 캡슐과 같은 콘크리트 전통 성분의 특성 성분을 결합하여 콘크리트에 형성되어 동물의 뼈 조직 구조와 외상 후 재생 및 복구 메커니즘을 모방합니다. 접착재료와 기체 재질을 결합하여 재질 손상 후 자가 치유 및 재생 기능을 갖춘 새로운 복합 재질을 만들어 재질 성능을 회복하거나 향상시킬 수 있습니다. 일본에서는 동북대 교수 Hirofumi Mitsuhashi 가 이끄는 일본 학자들이 접착제가 들어 있는 캡슐이나 중공유리섬유를 콘크리트 재료에 섞는다. 콘크리트가 외부 힘의 작용으로 갈라지면 일부 캡슐이나 중공 유리 섬유가 끊어지고 접착액이 흘러나와 깊은 균열이 생긴다. 접착액은 콘크리트 균열을 다시 아물게 할 수 있다. 미국 일리노이 대학의 CarolynDry 는 1994 에서 비슷한 방법을 사용하여 인아세탈의 중합체 용액을 중공 유리섬유에 접착제로 주입하고 인체 콘크리트에 묻어 콘크리트를 자가 치유 기능을 제공합니다. 이를 바탕으로 CarolynDry 는 동물 골격의 구조와 형성 메커니즘에 따라 바이오닉 콘크리트 재질을 준비하려고 합니다. 기본 원리는 인산 칼슘 시멘트 (단량체 포함) 를 매트릭스 재료로 다공성 직물 섬유망을 추가하는 것이다. 시멘트 수화 경화 과정에서 다공성 섬유는 중합 개시제와 단량체를 중합하여 고중합체로 만들고, 중합반응에 의해 남겨진 물은 시멘트 수화에 참여한다. 이렇게 하면 섬유망의 표면에 대량의 유기와 무기물질이 형성되는데, 이 물질들은 서로 침투하여 서로 접착한다. 최종 복합 재질은 동물의 골격 구조와 유사한 무기 및 유기 재질의 조합이며 강도와 연성이 뛰어납니다. 그리고 재료를 사용하는 동안 손상이 발생하면 다공성 유기섬유가 중합체를 방출하여 손상을 치유한다.
2 지능형 응고 연구 현황 및 주목해야 할 문제
위에서 언급한 자체 진단, 자체 조정, 자체 복구 콘크리트는 스마트 콘크리트 연구의 초급 단계입니다. 스마트 콘크리트의 몇 가지 기본 특성만 갖추고 있으며 스마트 콘크리트의 단순화된 형태입니다. 그래서 스마트 콘크리트라고 부르는 사람들도 있습니다. 그러나 이 기능이 단일한 콘크리트는 스마트 콘크리트의 역할을 할 수 없다. 현재 사람들은 두 가지 이상의 기능을 조립하는 이른바 스마트 조립 콘크리트 재료의 연구에 주력하고 있다. 콘크리트 재료의 지능형 조립은 자체 감지, 자체 경화, 자체 복구 성분이 있는 재료를 콘크리트 기판과 결합하고 구조의 필요에 따라 배열하여 콘크리트 구조물의 내부 손상에 대한 지능형 자체 진단, 자체 복구 및 내진 감진을 실현하는 것입니다.
스마트 콘크리트는 광범위한 응용 전망을 가지고 있지만, 새로운 기능성 재료로서 실제 공사에 투입되면 탄소섬유 콘크리트의 저항률 안정성, 전극 배치, 내구성 등 더 연구해야 할 문제들이 많다. 광섬유 콘크리트 광섬유 센서 어레이의 최적화된 배치: 자체 치유 콘크리트 복구용 접착제 선택. 봉인의 방법과 치유 후 콘크리트의 내구성 향상. 이러한 문제를 해결하는 것은 스마트 콘크리트의 미래 발전에 큰 영향을 미칠 것이다. 스마트 콘크리트 연구의 원활한 전개를 촉진하기 위해서는 다음과 같은 점들에 대해 * * * 인식이 필요하다.
(1) 개발은 목표적이어야 한다. 목표성이란 콘크리트 성능 저하와 구조적 손상에 대해 서로 다른 지능형 방법을 고려하는 것이다. 이런 현상들에 대해 이런 모든 상황에 대처할 수 있는 수단을 개발하는 것은 상상하기 어렵다. 따라서 지능의 범위를 좁히고 특정 기능을 목표로 상대적으로 가장 적합한 방법을 개발해야 한다.
(2) 시행상 실행 가능해야 한다. 콘크리트 주입은 시공 현장에서 많이 진행되기 때문에 스마트 콘크리트의 시공 방법으로 기술 공예 요구가 너무 높아서는 안 된다. 우리는 원래의 과정을 기초로 비교적 간단한 방법을 개발해야 한다. 선택한 재료는 화학적 안정성을 갖추어야 하며, 안전한 사용에 유리하며, 자극적인 냄새나 기타 유해 물질을 휘발하지 않으며, 용도가 광범위하고 비용이 저렴합니다.
(3) 디자인은 포괄적이어야 한다. 지능을 이용하면 재료의 내구성을 높일 수 있지만 부정적인 영향도 가져올 수 있다. 어떤 재질을 사용하면 어떤 열화 현상을 통제하고 개선할 수 있지만 강도 등 다른 성능에 영향을 미칠지 여부는 판단과 설계에서 종합적으로 고려하고 평가해야 한다.
3 결론
스마트 콘크리트는 스마트 시대의 산물이다. 중대 민간 인프라의 변변 모니터링, 손상 무손실 평가, 시기 적절한 복구, 태풍과 지진의 영향 완화 등에 큰 잠재력을 가지고 있어 건물의 안전과 장기적 내구성을 보장하는 데 큰 의미가 있다.
이상의 소개를 거쳐 스마트 콘크리트의 연구 개발에 대해 이미 어느 정도 이해하게 되었다고 믿습니다. 자세한 내용은 Zhongda 컨설팅에 오신 것을 환영합니다.
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