ZEMCH 2019 International Conference Proceedings April.2020 | Page 117

1. Introduction 
An energy consumption has been emerged as social problem. According to several researches [1‐
3], the building energy consumption takes about 40 % of total energy consumption. To reduce an issue 
of  building  energy  consumption,  several  efforts are  made  by  BIPV [4‐6],  PV [7, 8],  Geothermal  heat 
pump [9‐11], which are mainly for reducing end energy use.   
These  days,  new  approach  has  been  introduced  as  the  use  of  high‐efficiency  components  in 
construction.  Phase  change  materials  (PCM)  has  been  investigated  as  a  possible  application  to 
construction materials in the concept of zero energy [12‐14]. In this paper, we investigate the application 
of PCM to concrete with light weight aggregate shape (PCM‐LWA), which possibly mitigates leakage 
problem [14].   
To validate PCM‐LWA as construction materials, several researches have been performed [15‐17]. 
Kim et al. evaluate thermal characteristics of mortar, wherein PCM behaves as heat storage in building 
[15]. Besides monitoring thermal capacity of PCM, more importantly mechanical behaviors are studies 
numerically [16] and physically [17]. While numerical efforts suggest theoretical analysis of material 
behaviors,  physical  experiments  guide  a  proper  use  of  the  material.  However,  the  mechanical 
experiment might occur some damages on the component [18] or fully destroy it [19, 20]. In addition, 
these methods have limitation on numbers of data based on samples.   
To  overcome  this  problem,  while  at  the  same  time  making  use  of  the  advantages  provided  by 
physical  experiment,  non‐destructive  testing  is  used  in  this  work.  Among  the  non‐destructive 
evaluation testing methods, ultrasonic methods are not harmful, which is different from X‐ray method 
[21].  Especially,  fully  contactless  ultrasonic  method  is  applied  to  evaluate  mortar  plates  with  PCM‐
LWA  samples,  which  provides  mechanical  behaviors  of  the  materials  in  real  time  without  physical 
contact [22]. 
In this study, we evaluate the change of Rayleigh waves from the PCM‐LWA mortar plates, which 
simulate a radiant floor heating (RFH) system of apartments in Korea. The results possibly represent 
the change of elastic modulus under various thermal condition, which provides a better understanding 
of material behavior in use. 
2. Experimental Method   
2.1. Experimental set‐up 
The  contactless  ultrasonic  system  consists  of  three  parts;  Transducer  (ultrasonic  emission), 
Receiver  (Micro‐electro‐mechanical  systems  (MEMS)),  and  Supporter  (steel  frame).  The  schematic 
drawing of this system is as shown Figure 1. The transducer emits acoustic waves into the PCM‐LWA 
mortar plates, and transmitted waves are measured by MEMS sensor. Mechanical waves propagate the 
medium based on its physical properties such as density, Poisson’s ratio and elastic modulus. In this 
regard, we measure the leaky portion of Rayleigh waves, which contains mechanical properties of the 
PCM‐LWA plates while it is measured in air.   
The signal data are obtained by NI 6366‐USB through Signal Express, where sampling rate and 
number of samples are set to 2 MHz and 2000, respectively. Additionally, time‐averaging is conducted 
at 100 times in order to improve signal‐to‐noise ratio. Mainly 50kHz narrow‐band ultrasonic transducer 
(PID‐615089,  Senscamp)  and  8ch  MEMS  sensors  (SPU0410LR5H,  Knowles  Acoustics)  are  used.  The 
spacing of MEMS sensor is 5 mm. The transducer and MEMS sensors are placed 35 mm above from the 
sample,  and  the  incident  angle  of  the  transducer  set  to  5  degrees.  The  distance  between  center  of 
transducer  and  first  channel  of  MEMS  is  230  mm.  In  addition  to  the  contactless  ultrasonic  system, 
thermal imaging camera (FL‐IR T 420) is used for validating a thermal performance of the PCM‐LWA 
mortar plates, where the size of pixels is 320 by 240. The thermal images are automatically obtained 
every 30 minutes during the experiments. 
In  order  to  control  stable  thermal  condition,  experiment  and  data  measurement  are  conducted 
inside thermal controlled room, which is surrounded by 30 and 150 mm thickness thermal insulation 
Evaluation of PCM-LWA Mixed Plates Using Contactless Ultrasonic Method
106