[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․허 희․이형․김정․손정

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 선형 으로 증가하는 하 에 따른 콘크리트 시편의 균열 형성공정을 열 화상을 이용하여 시각화하는 데

이용된다. 콘크리트 시편의 표면 온도는 UTM의 하 의 증가에 따라 온도가 증가한다. 시편이 탄소섬유에 의해

보강된 경우, 제작된 시멘트 자체는 항력이 없어지고 가해지는 힘은 비 균일하게 분포된 탄소섬유에 해진

다. 탄소섬유에 힘이 가해질 때, 인장력이 발생하고 이에 따라 에 지 열이 발생하게 된다. 이 과정에서, 탄소

섬유의 온도 구배가 갑자기 증가하는 순간이 있다. 이 순간은 시편에서 균열의 시작을 나타내며 이러한 양상을

고해상도의 크로매틱 카메라와 열화상 카메라의 상에서 발견된다. 이러한 결과는 UTM을 통해 나타나는

응력의 최 치 이후 떨어지는 순간과도 일치한다. 이 갑작스러운 기울기 증가는 시편의 균열 발생 시간을 결정

하는 데 사용된다. 이러한 상을 통해 콘크리트 시편 균열의 발생 순간을 측하고 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 괴 가능한 균열을 생성한다. 휨 강도는 콘크리트 구조물

의 필수 품질 매개 변수이므로 사용하기 에 강도를 측정해야 한다. 시멘트 모르타르 시편은 시멘트, 모

래, 물 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 한 높은 항으로 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 물리 상을 명확하게 이해하는 데 도움이 될 수 있다. 한, 열 화상을 이용하여 힘을 받는 물

체의 응력 분포를 찰할 수 있다. 응력은 단 면 당 힘으로 정의되므로 단 부피당 에 지와 동일하

다. 주어진 에 지에 한 물체의 온도는 주어진 에 지에 한 각 물체의 질량과 비열에 반비례합니다.

결과 으로 물체의 힘이 온도로 변형됩니다. 물체가 불균일한 경우, 물체의 각 결함 온도는 다른 결함 온도

와 다릅니다. 따라서 열 화상은 물체에 결함이 있는지 찰하는 데 유용하다[1-4].

이 논문에서는 열 화상과 고해상도 가시 상을 이용하여 시편의 휨 강도의 온도와 시간의 상 계를

분석하고, 측정을 해 UTM에 의해 응력을 받을 때 시멘트 모르타르 시편의 균열 발생 과정과 공정에서

탄소섬유의 역할을 시각화하여 나타낸다. 한, 시편에 함유된 탄소섬유 온도 구배의 격한 증가를 통해

시편에서 균열의 시작 시 을 표시하여 나타낸다.

2. 실험 비 결과

휨 강도는 측정에서 균열 형성 과정을 시각화하는 열 화상의 능력을 입증하기 해 KS L ISO 679 (2016)

에 의거하여 160mm (길이) x 40mm ( 비) x 40mm (높이)의 크기로 직육면체 시편을 제작하 다. 제작된

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시편은 탄소섬유의 혼입률(체 비)에 따라 CF 0.0-1, CF 0.5-1, CF 1.0-1, CF 1.5-1, CF 2.0-1로 구분된다. 균

열 형성 과정을 찰하기 해 6.45의 픽셀 크기, 5568 x 3712 픽셀의 해상도 성능을 가지는 팬크로마틱 카

메라 Nikon D-5 모델과 640 x 480 픽셀의 해상도, 공간 해상도 0.03도의 성능을 가지는 열 화상 카메라 FLIR

T630SC 모델을 이용하여 벽돌 표면의 변화를 찰하고 시작 시 을 정확하게 측정한다.

그림 1은 UTM 기기의 힘에 따른 시편의 균열 ·후의 양상과 결과 그래 를 나타낸다. 그림 1-a의 상단

은 고해상도 팬크로마틱 카메라로 획득된 시편의 균열 모습을 나타내고 하단은 열화상 카메라를 이용하여

하 에 따른 온도 분포를 상으로 확인할 수 있다. 균열 경로를 따라 시편의 탄소섬유 다발의 존재를 명확

하게 보여 다. 그림 1-b는 그림 1-a의 각 시편에서 두 개의 흰색 으로 지정된 지 에서 온도 변화를 보

여 다. 각 시편의 쪽 흰색 은 탄소섬유 다발의 존재로 인한 최고 온도를 나타내는 과 시편 바닥에서

균열 시작 치에서 가장 가까운 의 온도를 나타낸다. 균열 경로를 따라 고온 역이 없어서 CF 0.0

CF 0.5-2에서 상부 백색 은 무작 로 선택된다. CF 0.0 CF 0.5-2의 상단(실선) 하단( 선) 흰색 의

온도는 거의 같은 증분으로 균일하게 변한다. 그러나, 다른 시편의 경우, 상기 언 된 3개의 시편에서와같이

하부 흰색 의 온도가 균일하게 증가하지만, 상부 흰색 의 온도는 특정 순간에 온도 구배의 격한 증가

를 기록하고 있다. 각 그래 의 화살표는 기울기 변경이 기록되는 시 을 나타낸다. 화살표의 왼쪽과 오른쪽

의 숫자는 변경 후의 기울기를 표시하 다.

그림 1. UT M 기기의 힘에 따른 시편의 균열 ·후의 양상 결과그래

4. 결 론

본 연구를 통해 시편에 혼입된 탄소섬유는 시편의 휨 강도를 증가시킬 뿐만 아니라, 균열 형성 과정에 수반되

는 물리 상을 시각화하고, 실제로 나타나는 것보다 더 일 균열 경로를 추정할 수 있게 한다. 한, 균열

경로를 따라 탄소섬유의 온도 분포 변화를 시각화하여 나타낼 수 있다. 온도 분포는 UTM에서 가해지는 힘으

로 탄소섬유와 시편 가열 패턴의 집계된 치를 나타낸다. 온도 변화는 고해상도 팬크로마틱 카메라로 얻는 시간

과 균열이 더 넓어짐에 따라 탄소섬유 다발의 활성화가 정확히 같은 균열 발생 시간에 나타남을 확인하 다. 이

균열 시작 시간은 UTM 기기의 힘이 최 치에서 격히 떨어지면서 실제로 균열이 나타나기 시작함을 나타낸다.

감사의

이 논문은 2020년도 정부(교육부)의 재원으로 한국연구재단의 지원을 받아 수행된 기 연구사업임(Grant

No. NRF-2018R1A6A1A03025542).

참고문헌

1. https://www.testresources.net/test-machines/universal-testing-machines.

2. Lewis J. Pinson, Electro-Optics, John Wiley and Sons, New York, 1985.

3. https://www.flir.com/browse/industrial/handheld-thermal-cameras/.

4. F. Grum and R. J. Becherer (1979), “Optical Radiation Measurements,” Radiometry , Academic Press

Inc., New York, Volume 1

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