동아대, 콘크리트 상태 읽는 압전센싱 기술 개발

물성 4종 자동 산출해 변화 연속 관찰
품질관리·손상 탐지 활용 가능성 제시

동아대학교 건설시스템공학과 전동호 교수 연구팀이 개발한 압전센서(PZT) 기반 콘크리트 동적 특성 실시간 측정 기법 개요도.(사진=동아대학교 제공)

콘크리트의 양생 상태를 확인하거나 거푸집을 제거할 시점을 판단하는 데 활용할 수 있는 자동 계측법이 개발됐다. 하나의 센서로 재료의 물성 네 가지를 연속해서 살피는 기술이다.

동아대 건설시스템공학과 전동호 교수 연구팀은 시멘트계 재료 표면에 압전센서를 붙여 동탄성계수와 동적 푸아송비, 전단계수, 체적탄성계수를 산출하는 다중모드 PZT 센싱 방식을 고안했다.

이 방식은 한 차례의 주파수 계측에서 축방향과 휨 방향의 진동 정보를 함께 얻는다. 수집한 여러 공진값을 역산해 시간에 따른 물성 변화를 자동으로 계산하는 원리다.

진동 모드별로 시험을 따로 해야 했던 기존 공진법과 달리 반복 타격이 필요하지 않다. 푸아송비를 일정한 수치로 가정하지 않고 변화 과정 자체를 추적할 수 있다는 점도 차이다.

연구팀은 시멘트 페이스트와 모르타르의 굳음·건조 과정을 관찰했다. 그 결과 내부의 수분 이동과 미세구조 변화가 축방향과 휨 진동에 각기 다른 형태로 나타났다.

재료의 강성이 달라지는 현상은 단순한 무게 감소보다 상대습도와 공극구조에 따른 내부 수분 재배치와 더 밀접한 것으로 분석됐다.

기술을 현장에 적용하면 양생 품질 확인과 초기 미세손상 탐지, 구조물에 하중을 가하는 시점 결정 등에 이용할 수 있다. 센서를 부착한 채 상태 변화를 자동 관찰할 수 있어 구조물 건전성 감시와 디지털 트윈 유지관리로의 확장 가능성도 제시됐다.

임태정 박사가 논문 제1저자를, 전동호 교수가 교신저자를 맡았다. 황진호 박사와 변예림 석사과정생, 박현우 교수도 참여했다. 연구 성과는 국제학술지 'Cement and Concrete Composites'에 실렸다.

전 교수는 "실제 콘크리트 부재와 건설 현장에서 쓸 수 있도록 계측 기술을 고도화하겠다"고 말했다.

부산=김성욱 기자