KR100440356B1 - 콘크리트의 조기강도를 추정하기 위한 시험체 양생장치 및 이를 이용한 조기강도판정기법 - Google Patents
콘크리트의 조기강도를 추정하기 위한 시험체 양생장치 및 이를 이용한 조기강도판정기법 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 마이크로파를 이용한 콘크리트의 조기강도를 추정하기 위한 시험체 양생장치 및 이를 이용한 조기강도판정기법에 관한 것으로, 건설현장에서 콘크리트의 강도나 품질을 조기에 미리 예측하여 공정관리에 반영함으로써 신뢰성이 높은 시공품질로 부실공사를 방지하고, 건축물의 구조안정성을 확보하며, 경화가 완료된 후의 철거 및 재시공의 우려를 해소하여 공사가 원활하게 진척될 수 있도록 하여 공기단축, 인력절감, 비용절감 등을 가져오는 마이크로파를 이용한 콘크리트의 조기강도를 추정하기 위한 시험체 양생장치 및 이를 이용한 조기강도판정기법에 관한 것이다.
본 발명의 콘크리트의 조기강도를 추정하기 위한 시험체 양생장치는, 시멘트, 혼합수, 세골재를 혼합한 콘크리트를 비빈 후 시료를 채취하여 양생되는 촉진강도용 시험체(10); 상기 촉진강도용 시험체(10)를 양생시키는 몰드로서, 상기 촉진강도용 시험체(10)를 위한 시료를 채웠을 때 구속, 밀폐시킬 수 있는 구조를 갖는 플라스틱 몰드(20); 상기 촉진강도용 시험체(10)를 위한 시료를 채운 상기 몰드(20)를 가열양생하는 장치로서, 마이크로파를 이용한 촉진양생장치(30); 그리고 냉각양생장치(40);를 포함하는 것을 특징으로 한다.
Description
본 발명은 마이크로파를 이용한 콘크리트의 조기강도를 추정하기 위한 시험체 양생장치 및 이를 이용한 조기강도판정기법에 관한 것으로, 건설현장에서 콘크리트의 강도나 품질을 조기에 미리 예측하여 공정관리에 반영함으로써 신뢰성이 높은 시공품질로 부실공사를 방지하고, 건축물의 구조안정성을 확보하며, 경화가 완료된 후의 철거 및 재시공의 우려를 해소하여 공사가 원활하게 진척될 수 있도록 하여 공기단축, 인력절감, 비용절감 등을 가져오는 마이크로파를 이용한 콘크리트의 조기강도를 추정하기 위한 시험체 양생장치 및 이를 이용한 조기강도판정기법에 관한 것이다.
건축생산에 있어 콘크리트는 가장 일반적이며 보편화된 주요구조재로 폭넓게 사용되고 있으며, 성능의 향상 및 안정적인 품질관리에 대한 연구가 활발하게 진행되고 있다. 특히 콘크리트 구조물에 있어서 강도는 구조물의 안정성을 평가하는 기본적인 요소로서 소요의 강도를 확보하고 균질성을 유지하는 것은 구조물 자체의 안정성을 확보하는데 필수적이며 다른 여러 가지 성질을 평가할 수 있는 기본적인 기준이 된다. 이러한 콘크리트의 강도는 품질관리상 가장 중요하게 다루어지고 있으나, 콘크리트의 품질관리는 주로 표준양생한 재령28일 강도를 기준으로 하고 있기 때문에 공사의 진행속도와 강도평가시기 사이에는 시간적 차이가 생기므로 이미 경화한 콘크리트의 품질시험 결과는 공사에 신속하게 반영할 수 없으며, 소요의 강도가 과부족일 경우 안전의 문제뿐만이 아니라 경제적·행정적 손실을 부담해야 하는 등 강도상의 문제가 발생할 때에는 처리가 곤란하게 된다.
건설현장에서 이러한 강도평가의 문제점이 지적되면서 콘크리트의 품질을 조기에 평가하고자 하는 요구가 급증하고 있으며, 콘크리트의 고성능화가 가속화되는 최근의 추세에 비추어 볼 때, 품질검사 및 조기강도 판정방법의 개선은 시급한 과제라 할 수 있다.
콘크리트의 품질이나 강도를 조기에 추정할 수 있는 방법들은 매우 오래 전부터 개발사용되어 왔으나, 주로 물리적, 화학적, 역학적 방법, 전기음파이용방법 등으로 나누어 개발되고 있다. 물리적 방법의 일종인 씻기분석방법은 1931년 발표되어 아직 굳지 않은 콘크리트의 각 재료를 구하는 방법을 처음으로 제안되어 ASTM에 규격화되었으나, 실험이 복잡하고 물-시멘트비의 추정오차가 큰 것 단점이 있기 때문에 현재는 폐지되었다. 그러나, 우리 나라와 일본에서는 KS 및 JIS규격으로 제정되어 실험오차가 적게 되도록 개량시켜 아직도 존재하고 있다. 또한 국내에서도 1980년대부터 PH Meter에 의한 조기강도의 추정, 산중화방법에 의한 조기강도의 추정 등이 소개되었으나 실효를 거두지 못하였다. 1990년대 들어서면서부터 부실시공의 원인중의 하나인 레미콘의 조기강도를 추정하기 위하여 방사성동위원소, 비중계법, 급속경화법 등을 이용하는 방법을 실험적으로 도출하기도 하였다. 이렇듯이 지금까지 콘크리트 조기강도 판정방법은 여러 가지가 제안되어 있으나 정확성과 실험소요시간에 대한 문제점이 상존하여 제한적으로 사용되고 있는 형편이다.
이에 본 발명자는 많은 방법중에서 신뢰성이 매우 높은 마이크로파를 이용하여 콘크리트의 28일 강도를 조기에 판단할 수 있는 판정 방법 및 그에 적합한 시험체 양생장치를 개발하여 공동주택현장 등 건설현장에서의 콘크리트의 품질을 용이하고 편리하게 관리하여 부실공사를 방지하고 건축물의 구조안정성을 확보하여 사회적인 건설공사 불신을 해소시키고 막대한 사회적, 경제적 손실을 줄이고자 한다.
본 발명은 건설현장에서 콘크리트 타설 전에 콘크리트의 강도를 즉시 확인할 수 있도록 하여, 부실공사에 대한 판정이 확실하고 용이하고, 조기강도 확인에 따라 품질보증을 확보할 수 있어, 건설업 전반에 걸쳐서 대두되고 있는 콘크리트 구조체의 품질관리를 체계화시킬 수 있는 마이크로파를 이용한 콘크리트의 조기강도를 추정하기 위한 시험체 양생장치 및 이를 이용한 조기강도판정기법을 제공하는데 목적이 있다.
또한 본 발명은 콘크리트 강도의 조기확인이 가능함에 따라 공사중의 품질관리 등을 위한 강도확인과정이 생략됨으로써 공기절감은 물론이고, 기존의 양생 후 강도부족에 따른 철거 및 재타설로 인한 공기지연, 비용소모에 따른 손실을 사전에 예방함으로써 골조공사비의 5%이상 예산절감이 가능한 마이크로파를 이용한 콘크리트의 조기강도를 추정하기 위한 시험체 양생장치 및 이를 이용한 조기강도판정기법을 제공하는데 목적이 있다.
또한 본 발명의 콘크리트의 조기강도를 추정하기 위한 시험체 양생장치는 이동과 조작이 용이하고 가격이 저렴하여, 콘크리트 구조물을 생산하는 전 시공현장에서 활용이 용이하며, 품질관리상 검사가 사후검사가 아닌 사전확인이 되므로 품질관리의 기본에 부합하는 마이크로파를 이용한 콘크리트의 조기강도를 추정하기 위한 시험체 양생장치 및 이를 이용한 조기강도판정기법을 제공하는데 목적이 있다.
제1a도는 본 발명의 촉진강도용 시험체를 구속, 밀폐시키는 플라스틱 몰드의 구체예에 대한 제작도이며, 제1b도는 상기 제1a도의 제작도로 제작완성된 몰드 형태에 대한 단면도이다.
제2a도는 상기 제1a도의 제작도에 따라 실제 제작한 몰드1세트 구성재료에 대한 사진(분해모습)이며, 제2b도 및 제2c도는 상기 제2a도의 몰드구성재료를 조립완성한 상태를 보인 사진이다.
제3a도는 제작완료된 몰드에 다짐봉을 이용하여 콘크리트를 다져넣는 상태를 보인 사진이고, 제3b도는 상기 제3a도로 콘크리트를 다져넣은 후 다 채운 모습을 보이는 사진이며, 제3c도는 상기 제3b도를 밀폐구속시킨 상태의 사진이다.
제3d도 및 제3e도는 상기 제3c도의 몰드+콘크리트 시험체를 전자레인지에 가열하는 사진이다.
제4도는 시험체를 온수조에서 냉각 및 양생하는 과정을 보인 사진이다.
제5도는 촉진강도용 시험체의 형상을 보이는 사진이다.
제6도는 촉진강도용 시험체의 압축강도를 측정하는 상태를 보이는 사진이다.
제7a도는 촉진강도용 시험체(모르터)의 마이크로파 가열시간에 따른 압축강도변화를 도시하는 그래프이고, 제7b도는 촉진강도용 시험체(모르터)의 급결제 첨가량에 따른 압축강도변화를 도시하는 그래프이며, 제7c도는 촉진강도용 시험체(모르터)의 50℃ 수중양생시간에 따른 압축강도변화를 도시하는 그래프이다.
제8a도 내지 제8c도는 슬럼프 8cm인 경우 마이크로파의 가열시간과 물시멘트비에 따른 강도발현 성상을 나타낸 그래프이다.
제9a도 내지 제9c도는 슬럼프 15cm인 경우 마이크로파의 가열시간과 물시멘트비에 따른 강도발현 성상을 나타낸 그래프이다.
제10a도 내지 제10c도는 슬럼프 8cm인 경우 냉각시간에 따른 촉진강도 성상을 나타낸 그래프이다.
제11a도 내지 제11c도는 슬럼프 15cm인 경우 냉각시간에 따른 촉진강도 성상을 나타낸 그래프이다.
제12a도 내지 제12d도는 슬럼프 8cm인 경우 물시멘트별 마이크로파의 가열시간에 따른 촉진강도를 나타낸 그래프이다.
제13a도 내지 제13d도는 슬럼프 15cm인 경우 물시멘트별 마이크로파의 가열시간에 따른 촉진강도를 나타낸 그래프이다.
제14a도 내지 제14c도는 슬럼프 8cm 시험체의 가열시간 6분과 온수조에서 양생한 시험체의 촉진압축강도와 표준양생한 시험체의 압축강도와의 상관관계를 나타낸 그래프이다.
제15a도 내지 제15c도는 슬럼프 8cm 시험체의 가열시간 9분과 온수조에서 양생한 시험체의 촉진압축강도와 표준양생한 시험체의 압축강도와의 상관관계를 나타낸 그래프이다.
제16a도 내지 제16c도는 슬럼프 8cm 시험체의 가열시간 12분과 온수조에서 양생한 시험체의 촉진압축강도와 표준양생한 시험체의 압축강도와의 상관관계를 나타낸 그래프이다.
제17a도 내지 제17c도는 슬럼프 15cm 시험체의 가열시간 6분과 온수조에서 양생한 시험체의 촉진압축강도와 표준양생한 시험체의 압축강도와의 상관관계를 나타낸 그래프이다.
제18a도 내지 제18c도는 슬럼프 15cm 시험체의 가열시간 9분과 온수조에서 양생한 시험체의 촉진압축강도와 표준양생한 시험체의 압축강도와의 상관관계를 나타낸 그래프이다.
제19a도 내지 제19c도는 슬럼프 15cm 시험체의 가열시간 12분과 온수조에서 양생한 시험체의 촉진압축강도와 표준양생한 시험체의 압축강도와의 상관관계를 나타낸 그래프이다.
상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 마이크로파를 이용한 콘크리트의 조기강도를 추정하기 위한 시험체 양생장치는, 시멘트, 혼합수, 세골재를 혼합한 콘크리트를 비빈 후 시료를 채취하여 양생되는 촉진강도용 시험체(10); 상기 촉진강도용 시험체(10)를 양생시키는 몰드로서, 상기 촉진강도용 시험체(10)를 위한 시료를 채웠을 때 구속, 밀폐시킬 수 있는 구조를 갖는 플라스틱 몰드(20); 상기 촉진강도용 시험체(10)를 위한 시료를 채운 상기 몰드(20)를 가열양생하는 장치로서, 마이크로파를 이용한 촉진양생장치(30); 그리고 냉각양생장치(40);를 포함하는 것을 특징으로 하며, 상기 시험체 양생장치를 이용한 콘크리트의 조기강도판정기법은, 촉진강도용 시험체(10)의 시료를 채취하고, 상기 시료를 플라스틱 몰드(20)에 콘크리트를 채운 후, 플라스틱 몰드를 체결장치를 사용하여 밀폐ㆍ구속시키는 제1단계; 상기 제1단계의 플라스틱 몰드를 마이크로파를 이용한 촉진양생장치에 넣어 시료를 가열양생하는 제2단계; 상기 제2단계로 가열양생된 시료를 몰드에 구속된 채로 냉각양생장치에 넣어 냉각양생하는 제3단계; 상기 제3단계로 양생된 시료를 몰드에 구속된 채로 대기중에서 냉각시키는 제4단계; 상기 제4단계로 양생이 완료된 시료를 몰드에서 탈형하여 압축강도를 측정하는 제5단계; 그리고 상기 촉진양생강도를 이용하여 28일 강도를 추정하는 제6단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이하, 본 발명의 주요구성부가 되는 촉진강도용 시험체(10), 플라스틱 몰드(20), 마이크로파를 이용한 촉진양생장치(30) 및 온수조(40)에 대한 개념 및 구체적인 발명내용을 첨부도면을 참고하여 설명한다.
우선, 본 발명의 핵심요체가 되는 마이크로파에 대해 간략히 설명한다.
마이크로파(Microwave, Super high frequency)는 파장이 센티미터 단위인 전자파의 총칭으로 공간중을 직교하는 전계와 자계가 교번하면서 전파해가며, 보통 300MHz∼300GHz의 주파수 대역을 가진 전자파이다. 이러한 마이크로파에 의한 가열은 복사에 해당하는 열이동기구를 가지며 물질 속을 침투하는 특성이 있다. 마이크로파는 비접촉(non contact) 에너지원으로 물질에 흡수되면, 마이크로파 에너지가 빠르게 물질 내부에 침투하게 된다. 물질이 가진 전기적 특성에 따라 선택적으로 가열할 수 있으며, 전기적 특성이 다른 물질들의 혼합물에서는 열적 구배를 형성할 수 있고, 높은 2300K 이상의 최종온도까지 대기중에서 물질에 따라 급격한 가열을 할 수 있다. 대상물질의 빠른 가열과 장치의 소규모와 가열 콘트롤의 빠른 응답, 빠른 시작, 높은 생산량을 얻을 수 있으며 침투깊이에 따른 다른 물질을 사용하여 에너지를 적재적소에 사용하여 공정단계의 감소 등의 이득을 볼 수 있다. 내부에서 가열되는 현상으로 표면의 온도와 내부의 온도가 낮은 온도 구배를 형성할 수 있는 장점이 있고, 대상물질에 대한 선택적인 산화/환원에 필요한 분위기 같은 주변환경에 대한 조절이 가능하여 생산품(product)의 균일한 질을 형성시킬 수 있다. 재래식 가열방법은 표면으로부터 열을 흡수하고 내부로 전도에 의해 가열하는 방법이다. 그러나, 마이크로파는 물질 전체적으로 침투하여 물질 자체의 발생하는 열을 이용하고 있다. 마이크로파의 적용효과는 (1)열전도를 필요하지 않고 내부에서부터 단시간에 가열할 수 있고, (2)열풍 건조기 등은 내부로 열이 전달되기 어려우므로 외부가 연소될 때까지 열을 가하더라도 내부까지 골고루 가열되지 않지만, 마이크로파가열의 경우에는 중앙부부터 가열이 시작되어 균일하게 가열되고, (3)복잡한 형상의 물체도 내부에서부터 가열할 수 있고, (4)목적물을 선택적으로 가열할 수있고(용기나 포장재료 등의 외부에서 조사할 수 있다), (5)온도의 상승이 단시간에 일어나므로 건조시간이 대폭 단축되어 생산성이 향상되고, (6)마이크로파 건조는 외부의 온도, 습도의 영향을 받지 않으므로 일정한 건조율을 얻을 수 있으며 수분율을 조정할 수가 있고, (7)각종 센서(온도, 습도 등)의 적용이 용이하고 자동화가 용이하고, (8)마이크로파 건조기는 기존의 열풍건조기와 같은 블로우어(blower), 열교환기 등이 필요없으며 일반 상용전원을 사용하기 때문에 관리가 간편하고 소음, 열기, 배기가스 등을 배출하지 않고 청결한 환경에서 작업할 수 있고, (9)가열 온도의 제어가 용이하고, (10)밀폐가열이 가능하여 임의의 분위기 혹은 진공중에서 가열이 용이하고, (11)마이크로파 건조기는 기존의 열풍 건조기에 비하여 열에너지가 대폭 절감되고, (12)마이크로파 건조기의 국산화에 의한 수입대체 및 저가의 국산 건조기 공급효과를 기대할 수 있다. 이러한 마이크로파는 가정용 전자레인지의 형태로 가장 널리 이용되며, 목재건조, 식품, 종이류 등의 건조기, 의료용 살균기, 고무의 가황장치, 산업폐기물 처리장치, 플라즈마 발생장치 등으로 여러 분야에서 사용되고 있다. 이에 본 발명자는 마이크로파를 이용한 본 발명의 콘크리트 양생을 촉진시키는 촉진양생장치(30)로 일반적이고 용이하게 적용이 가능한 가정용 전자레인지를 구체적인 실시예로 채택하였다.
다음으로 상기 전술한 마이크로파를 이용한 촉진양생장치(이하, 전자레인지)를 이용하여 콘크리트의 양생을 하는데 적합한 플라스틱 몰드(20)의 개발내용에 대해 설명한다.
기존 생산, 시판되는 원형몰드는 전자레인지를 이용하기에는 다음과 같은 문제점이 있음을 알 수 있었다. ①원형몰드에 콘크리트를 채워 전자레인지에 가열하기에는 중량이 커서 사용할 수 없었고, ②금속제 몰드의 경우 마이크로파를 투과시키지 못하고 반사시키므로 사용할 수 없었고, ③현재 시판되는 플라스틱 몰드의 재질(ABS수지)은 마이크로파의 투과성은 높은 반면 마이크로파를 조사한 경우 열변형으로 인해 형상을 유지하지 못하는 단점이 있었고, ④현재 시판되는 종이 몰드의 경우 마이크로파의 투과성은 높은 반면 플라스틱과 같이 열변형이 발생하였고 밀폐ㆍ구속시키는데 불리한 점이 있었다. 또한 현재 생산, 시판되는 큐빅 몰드는 금속제로 제조되어 마이크로파를 투과시키지 못하는 특성이 있어 기성제품은 실험대상으로 적합하지 않았다. 또한 중량이 크기 때문에 콘크리트를 채웠을 경우 전자레인지에서 마이크로파를 촉진가열하기에는 문제가 있는 것으로 나타났다.
상기와 같이 기존 몰드를 실험, 검토한 결과 마이크로파를 이용하여 콘크리트를 촉진양생 시키기 위한 몰드는 ①콘크리트를 채웠을 경우 구속, 밀폐시킬 수 있는 구조이어야 하고, ②마이크로파의 투과성이 높아야 하며, ③콘크리트를 채웠을 경우 전자레인지에서 회전 가열시키기 위한 중량이 고려되어야 하며, ④몰드 내부의 열응력에 대한 변형이 발생하기 않아야 하며, ⑤조작이 용이하여야 하며, ⑥반복사용 가능하여 경제성이 있어야 하는 조건을 기본적으로 만족해야 함을 알 수 있었다.
이에 본 발명자는 본 발명에 적합한 몰드의 재질은 고성능 플라스틱이 가장 적합한 것을 알고, 그 최적의 재질 및 적합한 형상을 개발하게 되었다.
플라스틱은 크게 분류하면 열가소성수지와 열경화성수지로 나뉘고, 열가소성수지는 범용플라스틱(폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리스틸렌 등)과 엔지니어링플라스틱(폴리아미드, 폴리아세탈, 폴리카보네이트 등)과 슈퍼엔지니어링플라스틱(폴리술폰, 폴리에테르술폰 등)으로 다시 나눌 수 있고 열경화성수지에는 페놀, 요소, 메라민, 알키드, 에폭시, 폴리우레탄 등이 있다. 이러한 다양한 플라스틱을 그 제조방법, 성질, 특성, 용도 등을 검토해 본 결과 본 발명의 몰드의 조건을 만족하는 플라스틱으로, 열가소성 수지 중 범용플라스틱은 열변형온도가 낮아 검토항목에서 제외하였으며, 열변형온도가 높은 엔지니어링플라스틱, 슈퍼엔지니어링플라스틱이 적합한 것으로 나타났고, 또한 열경화성수지 중 페놀수지가 적합한 것으로 나타났다.
검토결과를 바탕으로 제1a도 및 제1b도와 같은 형태로 몰드를 제작하여 각각의 재질에 대해 재검토를 하였다.
우선 열경화성수지인 페놀수지에 대한 검토를 위하여 전자레인지에서 회전 가열시킬 수 있는 가장 적절한 크기인 8x8x8㎝ (두께 15㎜, 20㎜, 25㎜)의 정육면체의 형상을 유지할 수 있는 페놀수지 몰드를 제작한 후 콘크리트를 채워 체결장치인 볼트와 너트로 구속, 밀폐시킨 후 전자레인지에서 20분, 30분, 40분 동안 가열하는 실험을 하였다. 그 결과, 두께 15㎜인 경우 전자레인지에서 30분 가열하였을 때 몰드 내부온도가 134.7℃까지 상승하였고 밀폐구속된 내부 콘크리트의 수분이 증발하면서 변형이 발생하였고 높은 온도로 인해 몰드가 부분적으로 용융되었고 측면에 찢어짐 등의 변형이 발생하는 것으로 나타났다. 두께 20㎜인 경우는 몰드 내부온도가 125.8℃까지 상승하는 것으로 나타나 두께가 두꺼울수록 마이크로파의 투과율이 미세하게 낮아지는 것을 알 수 있었으며, 두께 15㎜의 경우와 마찬가지로 변형이 발생하였다. 또한 두께 25㎜의 경우는 몰드 내부온도가 122.3℃까지 상승하는 것으로 나타났고 역시 몰드 내부의 열응력과 압력으로 인해 위의 두 경우와 유사한 결과가 나타났다. 이상의 실험으로 페놀수지는 마이크로파에 의한 가열로 인해 발생하는 내부압력과 열응력으로 변형이 발생하여 마이크로파를 이용한 콘크리트의 조기강도 추정용 몰드의 재질로서 적합하지 않은 것으로 사료되며, 두께가 두꺼울수록 마이크로파의 투과성이 저하됨을 알 수 있었다.
다음으로, 슈퍼엔지니어링플라스틱은 열변형 온도에 대한 저항성은 강한 것으로 나타나고 있으나 국내외 제품의 조사결과 대부분의 제품이 외국에서 수입되는 것으로 나타났으며 수입되는 제품도 1∼2㎜의 구형의 원자재 형태로 수입이 되어 판재로 성형하기 위해서는 금형을 새로 제작해야 하는 등 경제성이 없는 것으로 나타났다. 특히 폴리페닐렌설파이드수지(PPS)는 열변형 온도가 260℃ 이상으로 상당히 우수한 성능을 가지고 있는 것으로 나타났지만, 국내에서는 제작이 불가능하고 일본에서 생산되는 완제품 수입시 상당히 고가로써 경제성이 없는 것으로 나타났다. 그러나, 우리나라에서 제품이 개발되어 저렴한 가격으로 실용화되게 되면 슈퍼엔지니어링 플라스틱은 본 발명에서 유용하게 채택될 수 있을 것이다.
엔지니어링플라스틱에 대한 국내외 제조제품의 조사 결과 폴리카보네이트가 판재로 성형이 용이하고, 열변형온도가 높으면서 현재 다양한 치수로 양산, 시판되는 장점이 있어 실험용 몰드의 재질로 적절한 것으로 판단되었다. 전술한 페놀수지와 같은 방식으로 폴리카보네이트를 가공하여 제2a도 내지 제2d도와 같이 몰드를제작한 후 제3a도 내지 제3e도와 같이 콘크리트를 채워 마이크로파에 가열하는 실험을 실시하였다. 실험결과 폴리카보네이트도 페놀수지와 마찬가지로 콘크리트를 채운 뒤 마이크로파를 20분 이상 조사하게 되면 변형이 발생하는 것으로 나타났다. 따라서 보통 콘크리트의 마이크로파의 투과시간을 저정하는 것이 필요함을 알 수 있었다.
전술한 바와 같이 페놀수지, 엔지니어링플라스틱(폴리카보네이트) 몰드에 대한 실험결과로 다음과 같은 결론은 얻을 수 있었다.
콘크리트를 채운 뒤 20분 이상 마이크로파를 조사하게 되면 몰드에 변형이 발생하는 것으로 나타났다. 단지 변형방지를 위해서는 슈퍼엔지니어링플라스틱을 사용해야 될 것으로 사료되나 앞에서 언급한 것처럼 슈퍼엔지니어링플라스틱은 현재 국내에서 생산되지 않고 있으며 수입제품은 판재로 성형하기 위한 제반비용 및 원료의 비용도 너무 고가이므로 경제성이 없으며 또한 몰드 내부의 온도가 120℃ 이상 올라가므로 열응력에 의한 콘크리트 내부의 균열이 예상되어 가열시간을 줄이는 방법을 모색하였다. 이러한 고려사항을 바탕으로 콘크리트의 강도성상을 유지하면서 몰드의 변형을 발생시키지 않는 사항에 대한 실험결과로 ①가열시간은 15분 이내로 선정하고, ②강도성상을 유지시키기 위해 적정량의 급결제를 혼합하고, ③몰드의 치수는 8x8x8㎝의 정방형으로 선정하고, ④몰드의 재질은 폴리카보네이트로 선정한다는 것이 바람직하다는 결과를 얻었다.
다음으로 전술한 본 발명의 마이크로파를 이용한 촉진양생장치(30, 전자레인지)와 플라스틱 몰드(20)를 사용한 콘크리트 시험체(10)에 대해서 설명한다.
좋은 콘크리트란 요구되는 강도, 내구성, 경제성을 지닌 콘크리트를 말한다. 이 중에서도 콘크리트의 품질을 대표하는 성질인 콘크리트의 강도가 가장 중요하다. 그러나, 콘크리트의 강도라는 표현이 갖는 내용은 매우 복잡하다. 즉, 압축, 인장, 휨, 전단, 지압 등의 강도, 철근과의 부착강도, 조합응력에 따른 강도, 충격강도, 지속하중 및 반복하중하에서의 시간과 관련된 피로강도 등이 모두 포함된 함축성 있는 용어이기 때문이다. 이러한 콘크리트의 품질을 평가하는 방법에는 물리적, 화학적, 역학적 방법 및 전기/음파를 이용하는 방법이 있다. 이들 중 어느 것도 완전한 방법이라고는 할 수 없지만 콘크리트를 타설한 후 단기간에 품질을 시험하여 28일 후의 품질을 예측토록 하는 데에는 어느 정도 한계가 있다고 볼 수 있다.
콘크리트의 조기강도 추정방법의 종류에는 비중계법에 의한 콘크리트강도의 조기판정, 급속경화법에 의한 콘크리트강도의 조기판정, 물리적 방법(씻기분석 실험법, 자동씻기분석 RAM에 의한 방법, 원심탈수법, 비중계법 등), 화학적 방법(염산용해열법, 역적정법, 색차법, pH Meter법, 산중화법 등), 역학적 방법(온수법, 자비법, 자기발열 양생방법, 역력과 열에 의한 방법, 급결촉진양생법, 초기재령 공시체의 강도시험에 의한 추정법 등), 전기저항법, 초음파속도법 등의 방법이 있다.
이에, 본 발명자는 조기에 콘크리트의 강도를 판정할 수 있는 방법 중 마이크로파를 이용한 조기강도 판정법을 연구, 개발하여 각 시험체별 신뢰도 및 효과적인 강도판정 방법에 의한 자료를 제시하게 되었다.
본 발명자는 예비실험으로 마이크로파의 촉진양생시간을 6분, 9분, 12분, 15분, 20분으로 하여 적절한 촉진시간을 파악한 후(제7a도 참조), 또한 급속경화제(급결제)를 시멘트량의 3%에서 21%까지 3%씩 7단계로 첨가한 예비배합을 통하여 급결제의 적정 혼합량을 조사하고(제7b도 참조), 기준 냉각양생시간을 결정하기 위해서 10분에서 40분까지 5분 간격으로 7단계에 대해 50℃ 온수조의 양생시간에 대한 실험(제7c도 참조)을 실시하였다.
급결제는 NATM 공법에서 굴삭면이나 노출면 등에 건식배합된 콘크리트재료와 물을 압축공기로 뿜어붙이는 숏크리트와 같은 순간적인 응결과 경화가 요구되는 경우에 사용한다. 본 발명에서 급결제를 사용한 이유는 모르터를 보다 빠르게 수화 및 경화반응케하여 시멘트 모르터의 강도발현속도를 증대시키기 위해 사용하였다. 급결을 나타내는 물질에는 무기계의 염화칼슘(CaCl2), 탄산나트륨(Na2Co3), 수산화알루미늄(Al(OH)3) 등의 염화물이나 알칼리 탄산염, 알칼리 알루민산염의 하소명반석, 물유리, 무수석고, 반수석고 등이 있으며 시멘트 광물계로는 칼슘알루미네이트계류 (C12A7, C11A7CaF2), 칼슘설포알루미네이트 등이 있으며 유기계로는 글리세린이나 트리에탄올아민(TEA) 등이 알려져 있다. 실제 널리 쓰이는 것은 무기계가 많다. 현재 시판되고 있는 급결제는 <표1>과 같으며 대부분 앞에서 설명한 물질들을 조합하여 제조한 것이다. A, B와 D종은 알칼리 알루민산염이나 탄산염이 주성분이며 D종은 액상으로서 최근에 사용하고 있는 습식주입 콘크리트용 급결제이다.
표 1: 콘크리트 급결제의 분류와 특징
| 종류 | 주성분 | 비 중 | 분말도 | 표준첨가량 | 사용범위 | 특징 | |
| 겉보기 | 진 | C x % | C x % | ||||
| A | 무기염계 | 0.7∼0.9 | 2.4 | 1000∼2400 | 3 | 3∼5 | 고알칼리형 |
| B | 무기염계 | 0.7∼0.9 | 2.4 | 1000∼2400 | 5 | 4∼6 | 저알칼리형 |
| C | 시멘트계 | 0.8 | 2.6 | 4200 | 5 | 4∼10 | 용수에 강함 |
| D | 무기염계 | 0.9 | 1.3 | 5 | 4∼6 | 습식주입용 | |
| E | CAS계 | 1.0 | 2.9 | 5400 | 10 | 10∼30 | 저알칼리,안정형 |
| F | 천연광물 | 0.8∼1.0 | 2.4 | 7500 | 5 | 4∼7 | 강도저하가 낮음 |
급결제 A종은 비교적 경제적이고 첨가량이 적으며 가장 많이 보급되어 있으며, B종은 알칼리성을 억제하여 개량한 것이고, C종은 급결력을 강화시키고 반발을 감소시켜 용수부에도 가능하고, D종은 압송호스의 폐색이 없고 젖은 모래를 많이 사용하는 곳에 적합하고, E종은 알칼리성이 낮으며 고강도가 필요한 습식법에 사용한다. 본 발명의 실시예에 사용된 급결제는 D종으로 최근에 많이 쓰이는 것으로 선정하였다.
본 발명자의 상기 예비기초실험의 분석내용 및 결과는 다음 <실시예1>∼<실시예3>과 같다.
<실시예 1 : 촉진시간에 따른 모르터의 압축강도 발현 성상>
물시멘트비(W/C비) 45%, 플로우 160mm인 모르터의 마이크로파 가열시간에 따른 강도 발현성상은 제7a도와 같다.(냉각시간 20분) 제7a도에 나타난 것처럼 가열시간 6분의 경우 촉진강도가 약 38㎏/㎠정도인데 반해 9분 가열한 경우에는 강도발현이 급속하게 진행되어 55㎏/㎠정도의 강도를 나타내었다. 그러나 가열시간을 9분 이상으로 한 시험체에서는 강도발현이 오히려 9분 가열한 시험체보다 낮게 나타나고 있어 가열시간은 9분으로 하는 것이 적절할 것으로 판단된다. 이러한 경향은 9분 이상 마이크로파를 가열시키게 되면 모르터 내부의 급격한 온도상승에 따른 열응력에 의한 내부균열로 인해 시험체 내부의 조직이 약화되어 강도를 저하시키기 때문으로 판단된다.
<실시예 2 : 급결제 첨가량에 따른 모르터의 압축강도 발현 성상>
물시멘트비(W/C비) 45%, 플로우 160mm인 모르터를 제조하여 마이크로파로 9분간 가열한 후 냉각시간을 20분으로 한 경우에 대하여 급결제의 첨가량에 따른 모르터의 강도발현성상을 제7b도에 나타내었다. 그림에 나타난 것처럼 급결제량 15%까지는 급결제의 첨가량이 증가할수록 촉진강도도 증가하였지만 급결제량 15%이상의 시험체에서는 오히려 강도가 저하되는 것으로 나타났다. 이러한 경향은 급결제가 적정량 이상 혼입되면 모르터의 강도는 급격한 발열을 일으켜 모르터 내부의 열응력에 따른 균열로 인해 시험체 내부의 조직이 약화되기 때문으로 판단된다. 또한 급결제의 첨가(시멘트×15%)에 따른 28일 강도는 급결제를 첨가하지 않은 시험체와 거의 같은 강도발현을 나타내었다.
<실시예 3 : 50℃ 수중양생시간에 따른 모르터의 압축강도 발현 성상>
W/C비 45%, 플로우 160mm인 모르터를 제조하여 마이크로파로 9분간 가열한 후 50℃ 수중 양생시간에 따른 강도 발현성상을 제7c도에 나타내었다. 그림에 나타난 것처럼 50℃ 수중에서 양생시간이 긴 시험체일수록 큰 강도발현을 나타내고 있다. 그러나 양생시간 20분까지는 급격한 강도발현을 나타내고 있는 반면 20분 이상의 양생시간에서는 완만한 강도성상을 나타내고 있음을 알 수 있다. 따라서 조기강도측정의 목적을 살리려면 강도측정에 필요한 시간을 가능한 짧게 하는 것이 바람직함으로 적정 온수조 양생시간은 20분이 가장 적절한 것으로 판단된다.
마이크로파를 이용한 모르터의 조기강도 추정 실험을 통하여 다음과 같은 결론을 도출하였다. (1)마이크로파 가열시간에 따른 강도발현성상은 물시멘트비에 관계없이 9분 가열한 시험체에서 가장 높게 나타났으며, (2)마이크로파 조사 후 양생시간에 따른 강도발현성상은 양생시간이 길어질수록 강도발현이 크게 나타났고, 이러한 경향은 가열시간과 물시멘트비에 관계없이 거의 유사한 경향을 나타내었고, (3)물시멘트비에 따른 촉진강도성상은 물시멘트비가 높을수록 낮은 강도발현을 나타내었고 이러한 경향은 가열시간, 양생시간에 관계없이 거의 유사한 것으로 나타났다. 특히 9분간 마이크로파로 촉진가열시킨 후 50℃온수조에서 20분 양생한 시험체의 경우 28일 압축강도와의 결정계수가 0.945로 상당히 높은 신뢰성을 보여주고 있으며, (4)표준양생한 시험체의 압축강도는 물시멘트비가 증가할수록 강도발현이 저하하는 것으로 나타났다.
전술한 <실시예1>∼<실시예3>을 기초로 본 발명자는 마이크로파를 이용한 콘크리트의 조기강도 추정법을 제시하기 위한 구체적인 실험을 다음과 같이 실시하였다.
<실시예4 : 마이크로파를 이용한 콘크리트의 조기강도 추정법>
본 실시예에서는 전술한 실험내용을 바탕으로 몰드의 재질은 폴리카보네이트로 선정하였으며, 몰드의 크기는 8x8x8㎝로 산정하였고, 몰드를 밀폐, 구속시키기 위해 체결장치로 볼트와 너트를 사용하는 구조를 선택하였다. 마이크로파의 가열시간은 일반 가정용 전자레인지의 최대출력(2.45㎓)하에서 20분, 25분, 30분, 35분, 40분으로 하고, 냉각법의 경우 상온냉각, 보온서냉, 온수냉각 등의 방법 등으로 실험을 하였다. 선행실험결과 몰드의 변형을 방지하고 추정시간을 줄일 수 있는 방법으로 급속경화제(이하 급결제)를 시멘트량의 3%, 5%, 7%, 9%, 11%, 13%, 15%, 17%, 19%, 21%까지 첨가한 배합실험을 통하여 급결제의 적정 혼입량을 도출하였다. 또한, 급결제를 첨가함으로서 마이크로파의 조사시간을 6분, 9분, 12분, 15분, 20분으로 하여 적정 가열시간을 도출하였고, 냉각시간을 10분, 15분, 20분, 25분, 30분, 35분, 40분으로 하여 적정 냉각시간을 도출하였다. 실험 인자로는 물시멘트비를 40%, 45%, 50%, 55%로 하였고, 슬럼프는 8㎝, 15㎝로 설정하였다. 촉진강도용 시험체의 경우 마이크로파의 조사(가열)시간은 6분, 9분, 12분으로 하였고. 냉각시간은 50℃의 온수조에서 각각 15분, 20분, 25분으로 하였다.
기준 콘크리트를 W/C비 45%로 설정하여 배합 계획을 하였고, 콘크리트를 제조한 후 표준 수중 양생을 위한 공시체를 제작하였다. 굳지 않은 콘크리트에 급결제를 혼입하여 마이크로파를 이용한 조기강도 추정을 위해 개발 제작된 몰드에 콘크리트를 채워 촉진강도용 공시체를 제작하고 마이크로파로 촉진 양생 후 50℃로 가열한 온수에서 냉각시킨 후 압축강도를 측정하여 표준 양생한 공시체의 재령 7일과 28일 압축강도와 비교한다. <실시예4>의 인자는 <표2>와 같다.
표 2: 실험인자 및 수준
| 실 험 인 자 | 수 준 |
| W/C(%) | 40, 45, 50, 55 (4수준) |
| 슬럼프(㎝) | 8, 15 (2수준) |
| 급 결 제 | 시멘트량 × 7% |
| 양 생 법 | 수중, 마이크로파에 의한 촉진양생 (2수준) |
| 가열시간(분) | 6, 9, 12 (3수준) |
| 냉각시간(분) | 15, 20, 25 (3수준) |
콘크리트 배합에 사용되는 시멘트는 KS L 5201 규정에 적합한 국내산 보통 포틀랜드 시멘트로 하였으며, 혼합수는 KASS 5.2.3 규정에 따라 유해한 기름, 산, 알칼리, 염류 등을 함유하지 않은 상수도수를 사용하였으며, 세골재는 최대크기 5㎜이하로 입도조정한 잔골재와 최대치수 25㎜이하로 입도조정한 굵은 골재를 사용하였으며, 굵은 골재는 배합하기 1일전에 물을 가하여 표면건조 내부포수 상태인 재료를 사용하였다. 급속경화제는 전술한 바와 같다.
콘크리트의 배합은 물시멘트비(이하, W/C) 45%를 기준으로 하여 W/C를 40%, 50%, 55%를 설정하여 각각의 콘크리트를 예비 실험을 통하여 슬럼프 8㎝와 15㎝로 설정하였다. 촉진강도용 시험체의 제작시 결합재량 7%의 급결제를 혼입하여 공시체를 제작하였다.목표 공기량 4.0±1.0%로 설정하였고 만족하는 공기량을 얻기 위해 혼화제량을 조정하였다. 혼화제로는 국내 K사의 공기연행제로서 액상으로 암갈색이고 주성분은 나프타와 리그닌이다.
공시체 제작 및 양생에서, 콘크리트의 비빔은 KS F 2403에 의거하여 강제식 믹서로 기계비빔을 실시하였다. 비빔방법은 골재 및 시멘트를 넣고 1분간 건비빔을 실시한 후, 혼합수를 넣고 다시 2분간 본 비빔을 실시하였다. 비빔 완료 후 시료를 채취하여 KS F 2402의 규정에 따라 슬럼프를 측정하였고, 공기량 측정은 KS F 2421의 규정에 의거 공기실압력 방법에 따라 실시하였다. 촉진강도용 시료를 채취하여 급결제를 혼합한 뒤 다짐을 실시한 후 전자레인지에서 시간별 촉진양생을 실시하고, 온수조(50℃)에서 시간별 냉각을 실시하여 강도를 측정하였다. 표준공시체의 제작은 각 수준 및 인자별로 표준 강도를 측정하기 위한 원형공시체를 제작하여 1일 후 캐핑을 실시하고 2일째부터 소정의 재령까지 20±3℃에서 수중양생을 실시하였다.
콘크리트의 압축강도 실험 방법으로, 마이크로파로 촉진 양생한 공시체는 콘크리트를 비빈 후 시료를 채취하여 급결제를 첨가한 후 30초간 비빈 후 몰드에 1/3을 채운 뒤 다짐을 행하고 이러한 과정을 반복하여 몰드를 채운 뒤 윗면을 덮어 볼트와 너트를 이용하여 밀폐 구속한다. 콘크리트를 채운 몰드를 전자레인지에서 각각 6분, 9분, 12분 동안 가열한 뒤 50℃로 가열된 온수조에서 15분, 20분, 25분 동안 양생한다. 소요시간동안 양생이 끝난 몰드를 탈형하여 압축강도를 측정한다. 촉진 강도 측정에 사용한 시험기는 용량 10t의 인스트론(INSTRON)을 사용하였다. 원형 공시체는 소요 재령까지 수중 양생한 공시체를 KS F 2405의 규정에 따라 압축강도를 측정하였고, 강도측정에 사용한 시험기는 용량 150t의 U.T.M(만능시험기)을 사용하였다. 압축강도의 산정은 다음 식에 의하여 구한다.(σ : 압축강도(㎏/㎠), P : 파괴시의 최대하중(㎏), A : 공시체의 단면적(㎠))
〔실험결과 및 분석〕
마이크로파에 의한 촉진강도는 슬럼프에 관계없이 물시멘트비가 높아질수록촉진강도는 작게 나타났다. 가열시간에 의한 촉진강도의 경향을 보면 6분 가열한 시험체의 경우 수화반응의 미비로 강도발현이 9분, 12분에 크게 미치지 못하는 것으로 나타났다. 이러한 경향은 물시멘트비에 관계없이 모든 배합에서 같은 경향으로 나타났다. 그러나 12분 가열한 시험체의 경우 오히려 9분 가열한 시험체보다 낮은 강도발현을 나타내었다. 이러한 현상의 원인은 급속한 가열에 따른 콘크리트 내부의 열응력에 의한 균열로 인하여 강도가 저하하는 것으로 사료된다. 냉각시간에 의한 촉진강도의 경향을 살펴보면 냉각시간이 길어질수록 촉진강도는 높게 나타났다. 그러나 20분 냉각한 시험체와 25분의 냉각한 시험체의 경우 거의 유사한 강도발현 경향을 나타내었다. 따라서 촉진강도 추정시간 면에서는 냉각시간 20분이 유리할 것으로 판단된다.
가열시간에 따른 강도 발현에 대해 마이크로파의 가열 시간과 물시멘트비에 따른 강도발현 성상을 슬럼프 8㎝의 경우를 제8a도∼제8c도에, 슬럼프 15㎝의 경우를 제9a도∼제9c도에 각각 나타내었다. 도면에 나타난 것처럼 냉각시간에 관계없이 6분 가열한 경우는 강도발현이 거의 이루어지지 않은 것으로 나타났고, 9분에서 가장 양호한 강도발현이 이루어지는 것으로 나타났다. 12분 가열한 시험체의 경우는 6분보다는 높은 강도발현을 나타내었으나 9분보다는 낮은 강도발현을 나타내고 있다.가열시간 12분의 경우는 오히려 9분 가열한 시험체보다 오히려 강도가 떨어지는 경향을 나타내고 있는데 이것은 앞에서도 언급했듯이 급격한 온도상승으로 인한 콘크리트 내부의 열 응력으로 인한 균열 때문으로 판단된다. 또한 이러한 경향은 슬럼프의 차이에 관계없이 동일한 것으로 나타났다.
냉각시간에 따른 강도 발현에 대해 슬럼프 8㎝의 시험체의 촉진강도성상을 제10a도∼제10c도에 슬럼프 15㎝ 시험체의 촉진강도성상을 제11a도∼제11c도에 각각 나타내었다. 도면에 나타난 것처럼 냉각시간이 길어질수록 강도발현이 커지는 경향을 보이고 있다. 그러나 강도 발현 경향은 냉각시간 20분과 25분이 거의 유사한 것으로 나타났다. 이러한 경향은 마이크로파의 가열시간과 물시멘트비와 슬럼프에 관계없이 모든 시험체에서 같은 경향을 보이는 것으로 나타났다.
물시멘트별 강도발현에 대해서는 제12a도∼제12d도에 슬럼프 8㎝ 콘크리트의 물시멘트별 마이크로파의 가열시간에 따른 촉진강도를 나타내었고, 제13a도∼제13d도에 슬럼프 15㎝ 콘크리트의 물시멘트별 마이크로파의 가열시간에 따른 촉진강도의 경향을 나타내었다. 도면에 나타난 것처럼 마이크로파 가열시간을 9분으로 하였을 경우 가장 양호한 강도발현을 나타내는 것으로 나타났고, 냉각시간이 길수록 촉진강도발현도 양호한 것으로 나타났다. 이러한 경향은 슬럼프와 물시멘트비에 관계없이 모든 배합에서 동일한 경향으로 나타났다.
표준 수중 양생한 시험체의 압축강도를 살펴본 결과, 마이크로파 촉진 양생한 시험체의 경우와 거의 유사한 강도발현을 나타냈다. 즉, 물시멘트비가 높아질수록 강도발현성상은 낮게 나타났고, 슬럼프가 적은 시험체일수록 높은 강도발현성상을 보여주고 있다.
〔촉진강도와 표준강도의 압축강도 상관성〕
그 영향인자별로 촉진강도와 표준양생 압축강도와의 비교·분석하는 방법으로 1차 회계식을 사용하였다. 상관관계식 중 재령 3일 압축강도는 상관관계식 및결정계수가 낮으므로, 본 분석에서는 제외시켰으며 7일 및 28일 압축강도와의 상관관계식을 나타내었다.
슬럼프 8㎝ 시험체의 마이크로파를 가열한 촉진강도와 표준 양생한 시험체의 압축강도와의 관계는 <표3>과 같다.
표 3: 촉진강도와 표준양생한 시험체의 압축강도
| 가열시간(분) | 양생시간(분) | W/C(%) | 압축강도(㎏/㎠) | W/C(%) | 압축강도(㎏/㎠) | ||||
| 슬럼프 8㎝ | 슬럼프 8㎝ | ||||||||
| 촉진강도 | 재령7일 | 재령28일 | 촉진강도 | 재령7일 | 재령28일 | ||||
| 6 | 16 | 40 | 16.9 | 350 | 437 | 50 | 14.2 | 280 | 347 |
| 20 | 29.4 | 311 | 430 | 25.7 | 249 | 337 | |||
| 24 | 31.1 | 311 | 421 | 25.9 | 244 | 339 | |||
| 9 | 16 | 32.6 | 334 | 426 | 26.4 | 264 | 351 | ||
| 20 | 62.5 | 322 | 423 | 44.4 | 270 | 365 | |||
| 24 | 63 | 302 | 410 | 45.1 | 273 | 337 | |||
| 12 | 16 | 31 | 318 | 426 | 26 | 264 | 339 | ||
| 20 | 51 | 324 | 423 | 40.3 | 243 | 334 | |||
| 24 | 58.3 | 324 | 431 | 42 | 241 | 362 | |||
| 6 | 16 | 45 | 14.6 | 284 | 367 | 55 | 15.5 | 201 | 334 |
| 20 | 26.6 | 275 | 360 | 21.1 | 230 | 335 | |||
| 24 | 26.6 | 295 | 351 | 22 | 237 | 332 | |||
| 9 | 16 | 30 | 286 | 394 | 25 | 261 | 327 | ||
| 20 | 53.9 | 318 | 391 | 35 | 264 | 320 | |||
| 24 | 54 | 293 | 391 | 37 | 221 | 328 | |||
| 12 | 16 | 29 | 309 | 411 | 21.9 | 257 | 325 | ||
| 20 | 49 | 289 | 382 | 33.3 | 238 | 331 | |||
| 24 | 51 | 262 | 371 | 34 | 220 | 340 |
가열시간 6분과 온수조에서 양생한 시험체의 촉진압축강도와 표준양생한 시험체의 압축강도와의 상관관계를 제14a도∼제14c도에 나타내었다. 도면에 나타난 것처럼 가열시간 6분에 온수조 양생시간이 16분의 경우의 촉진강도와 28일 강도와의 결정계수는 0.59로 매우 낮은 상관신뢰도를 나타냈으며, 온수조양생시간 20분 및 24분의 결정계수는 0.66, 0.83으로 나타났다. 촉진가열시간 6분에서는 온수조 양생시간 24분에서의 결정계수가 가장 높은 것으로 나타났다. 가열시간 6분과 온수조 양생시간 16분 및 20분 촉진가열한 시험체는 마이크로파의 촉진양생강도가 낮게 발현되어 콘크리트의 강도 추정에 필요한 특성이 충분히 발현되지 못하였기에 낮은 결정계수가 나타났다. 그러나 온수조 양생시간 24분 시험체의 경우는 16분과 20분에 비하여 약 30%정도 강도가 더 발현되어서 결정계수가 16분과 20분에 비하여 좀 더 높게 나타나는 것으로 사료된다. 가열시간 9분과 온수조에서 양생한 시험체의 촉진압축강도와 표준양생한 시험체의 압축강도와의 상관관계를 제15a∼제15c도에 나타내었다. 도면에 나타난 것처럼 가열 후 16분 양생한 시험체와 7일, 28일 압축강도와의 결정계수는 0.72 및 0.79로 나타났다. 그러나 20분, 24분 양생한 시험체의 경우 28일 압축강도와의 결정계수가 0.93, 0.88로 높은 신뢰성을 보여주고 있다. 이러한 원인은 9분 가열 후 온수조에서 20분, 24분 양생한 시험체의 촉진압축강도가 6분 가열한 시험체보다 높은 강도발현과 함께 표준편차의 비가 약 10%정도로 고른 강도발현으로 인하여 결정계수가 높게 나타나는 것으로 판단된다. 또한 물시멘트비간의 강도발현성상을 살펴보면 다른 시험체보다는 고른 강도분포를 보이고 있음을 알 수 있다. 가열시간 12분과 온수조에서 양생한 시험체의 촉진압축강도와 표준양생한 시험체의 압축강도와의 상관관계를 제16a도∼제16c도에 나타내었다. 도면에 나타난 것처럼 가열시간 12분에 온수조 양생시간 16분, 20분, 24분과 표준양생 28일 압축강도와의 결정계수 값은 0.87, 0.83, 0.85로 대부분 고르고 안정적인 상관신뢰성을 나타내었다. 그리고, 가열시간 6분보다는 20%이상 높게 나타났으나, 9분보다는 낮은 신뢰수준을 나타내고 있다. 이러한 원인은 촉진강도 시험체의 급속한 가열이 지속됨으로 인한 열응력 균열로 인하여 시험체의 강도가 저하됨과 동시에 강도의 표준편차의 비가 약 20%정도로 불균일한 강도발현이 상관신뢰도를 9분보다 더 낮게되는 원인으로 판단된다.
슬럼프 15㎝ 시험체의 마이크로파를 가열한 촉진강도와 표준 양생한 시험체의 압축강도와의 관계는 <표4>와 같다.
표 4: 촉진강도와 표준양생한 시험체의 압축강도
| 가열시간(분) | 양생시간(분) | W/C(%) | 압축강도(㎏/㎠) | W/C(%) | 압축강도(㎏/㎠) | ||||
| 슬럼프 8㎝ | 슬럼프 8㎝ | ||||||||
| 촉진강도 | 재령7일 | 재령28일 | 촉진강도 | 재령7일 | 재령28일 | ||||
| 40 | 6 | 16 | 18.1 | 294 | 422 | 50 | 12.5 | 249 | 321 |
| 20 | 29.4 | 311 | 405 | 21.1 | 251 | 326 | |||
| 24 | 30.6 | 309 | 404 | 21.1 | 229 | 330 | |||
| 9 | 16 | 29.2 | 327 | 411 | 27.1 | 241 | 330 | ||
| 20 | 44.4 | 320 | 403 | 32 | 245 | 337 | |||
| 24 | 45 | 314 | 400 | 34.7 | 249 | 376 | |||
| 12 | 16 | 28.9 | 330 | 420 | 18.5 | 251 | 335 | ||
| 20 | 43.8 | 316 | 427 | 28 | 259 | 321 | |||
| 24 | 44 | 312 | 415 | 31.7 | 256 | 376 | |||
| 45 | 6 | 16 | 13.8 | 283 | 386 | 55 | 12.2 | 238 | 316 |
| 20 | 22.2 | 288 | 343 | 18.5 | 240 | 306 | |||
| 24 | 22.2 | 287 | 370 | 18.5 | 236 | 301 | |||
| 9 | 16 | 28 | 291 | 370 | 19.4 | 245 | 321 | ||
| 20 | 38.9 | 287 | 365 | 28.1 | 248 | 327 | |||
| 24 | 38.9 | 300 | 400 | 31.2 | 249 | 340 | |||
| 12 | 16 | 22.2 | 307 | 390 | 18.1 | 229 | 315 | ||
| 20 | 35 | 298 | 408 | 23.5 | 234 | 316 | |||
| 24 | 38 | 307 | 402 | 26.4 | 222 | 313 |
가열시간 6분과 온수조에서 양생한 시험체의 촉진압축강도와 표준양생한 시험체의 압축강도와의 상관관계를 제17a도∼제17c도에 나타내었다. 도면에 나타난 것처럼 가열시간 6분에 온수조양생시간 16분과 7일 및 28일 압축강도와의 결정계수는 0.73 및 0.83으로 슬럼프 8㎝에서 보다 높은 결정계수가 나타났다. 온수조 20분과 24분에서의 결정계수도 0.89, 0.85로 꽤 높은 상관신뢰도가 나타남을 알 수 있었다. 슬럼프 8㎝와 동일한 조건이었지만 이렇게 신뢰도에서 많은 차이가 나는 것은 많지 않은 데이터에 비하여 8㎝시험체 보다 표준편차의 비가 약 16%로 좀 더 안정적인 강도 발현이 원인인 것으로 사료된다. 9분 가열한 시험체의 촉진강도와 표준시험체와의 압축강도의 상관관계를 제18a도∼제18c도에 각각 나타내었다. 도면에 나타난 것처럼 양생시간 16분의 시험체의 경우 표준양생한 시험체와의 결정계수가 0.43 및 0.55로 매우 낮은 상관신뢰도가 나타났다. 온수조에서 16분간 양생이 강도발현에 충분한 기여가 되지 못하여 강도발현분포가 상당히 불균질한 것으로 나타나는 것이 주원인인 것으로 사료된다. 그러나 20분 양생한 시험체의 경우 재령 7일 및 28일에서는 결정계수가 0.93 및 0.97로 매우 높은 신뢰지수를 나타내고 있으며, 또한 표준편차의 비가 8%로 고른 강도발현성상을 나타냄으로서 높은 상관신뢰성이 나타났음을 알 수 있다. 원인을 살펴보면 적절한 가열시간과 적정한 온수조 양생시간으로 인한 균일한 강도발현 및 높은 촉진압축강도가 상관신뢰도를 높게 하는데 많은 영향을 미치는 것으로 판단된다. 24분 양생한 시험체의 경우 결정계수가 0.87 및 0.76으로 16분 양생한 시험체보다는 약 20% 높은 신뢰지수를 나타내고 있지만 20분 양생한 시험체보다는 낮은 경향을 나타내고 있다. 12분 가열한 촉진강도와 표준 양생한 시험체 압축강도의 상관성을 제19a도∼제19c도에 각각 나타내었다. 도면에 나타난 것처럼 12분 가열에 온수조 양생시간 16분, 20분, 24분과 28일 압축강도와 결정계수 값은 0.88, 0.81, 0.79로 나타났다. 이 시험체는 양생시간과 재령에 관계없이 촉진강도와 압축강도와의 상관성은 9분 가열한 시험체와 비슷하게 나타났으며, 12분 가열한 시험체의 경우는 대체적으로 슬럼프 8㎝의 시험체와 거의 유사한 경향을 나타내고 있다. 그리고, 가열시간 6분보다는 20%이상 높은 상관신뢰성을나타났으나, 9분보다는 낮은 신뢰수준을 나타내고 있다. 이러한 원인은 촉진강도 시험체의 급속한 가열이 지속됨으로 인한 열응력 균열로 인하여 시험체의 강도가 저하됨과 동시에 강도의 표준편차의 비가 약 20%정도로 불균일한 강도발현이 상관신뢰도를 9분보다 더 낮게되는 원인으로 판단된다.
영향인자별 표준양생강도와 촉진강도와의 상관관계식을 살펴보면 다음과 같다.
각각의 영향인자를 적용한 촉진강도(x)와 표준강도(y)와의 압축강도 상관관계식 및 결정계수를 <표5>에 정리하여 나타내었다.
표 5: 영향인자별 촉진강도와 표준강도와의 상관관계식 및 결정계수
| 영향인자 | 상관관계식 | 결정계수(R2=) | |
| 가열 및 양생시간 | 슬럼프(㎝) | ||
| 가열 6분 - 양생 16분 | 8 | y=29.6x-82 | 0.59 |
| 15 | y=17.3x+115 | 0.84 | |
| 가열 6분 - 양생 20분 | 8 | y=10.4x+95 | 0.66 |
| 15 | y=7.3x+185 | 0.89 | |
| 가열 6분 - 양생 24분 | 8 | y=10x+95 | 0.83 |
| 15 | y=7.9x+167 | 0.84 | |
| 가열 9분 - 양생 16분 | 8 | y=6.7x+188 | 0.79 |
| 15 | y=6.9x+179 | 0.55 | |
| 가열 9분 - 양생 20분 | 8 | y=2.94x+225 | 0.93 |
| 15 | y=4.6x+192 | 0.97 | |
| 가열 9분 - 양생 24분 | 8 | y=2.9x+216 | 0.87 |
| 15 | y=4.2x+222 | 0.76 | |
| 가열 12분 - 양생 16분 | 8 | y=11.4x+66 | 0.87 |
| 15 | y=9.1x+165 | 0.88 | |
| 가열 12분 - 양생 20분 | 8 | y=4.8x+156 | 0.83 |
| 15 | y=5.3x+189 | 0.82 | |
| 가열 12분 - 양생 24분 | 8 | y=3.4x+218 | 0.85 |
| 15 | y=4.9x+200 | 0.79 |
마이크로파의 가열시간 6분과 온수조 양생한 시험체의 결정계수는 0.59∼0.89로 규칙적이지가 않으며, 타 조건들에 비하여 너무 낮은 상관신뢰가 나타나고 있음을 알 수 있다. 그리고, 마이크로파의 가열시간 12분과 온수조에서 양생한 시험체의 결정계수가 대부분 80%가 넘는 높은 신뢰도가 나와 믿을 수 있는 데이터이지만, 9분 가열 - 20분간 온수조에서 양생한 시험체가 휠씬 더 높은 90%이상의 신뢰도가 도출되어 이 조건의 시험체가 가장 신뢰할 수 있는 적정의 가열시간 및 온수조 양생시간임을 알 수 있다. 향후 실험에서도 9분간 가열-20분간 온수조에서 양생한 마이크로파를 이용한 조기강도추정실험의 기법으로 좀 더 많은 시험체를 이용하는 것이 바람직하다고 사료된다.
마이크로파를 이용한 콘크리트의 조기강도 추정방법을 개발하기 위한 실험을 통하여 다음과 같은 결론을 도출하였다. (1)마이크로파 가열시간에 따른 콘크리트 시험체의 강도발현성상은 슬럼프와 물시멘트비에 관계없이 가열시간 9분에서 높은 강도발현을 나타내고, (2)마이크로파 가열 후 온수조 양생시간에 따른 콘크리트 시험체의 강도는 가열시간과 물시멘트비, 슬럼프에 관계없이 양생시간이 길수록 높아지지만 추정시간단축을 고려하여 적정한 온수조양생시간은 20분으로 판단되며, (3)물시멘트비에 따른 촉진강도성상은 물시멘트비가 높을수록 낮은 강도발현을 나타내었고 이러한 경향은 슬럼프와 가열시간, 냉각시간에 관계없이 거의 유사한 것으로 나타났으며, (4)표준양생한 시험체의 압축강도는 같은 물시멘트비에서 슬럼프가 클수록 작은 값을 나타내었고, 물시멘트비가 클수록 강도발현은 저하하는 것으로 나타났고, (5)촉진강도와 표준양생시험체의 상관성을 분석한 결과 마이크로파가열시간 9분, 온수조 양생시간 20분의 경우가 가장 높고, 높은 상관신뢰도를 나타내었으며, 상관관계식은 슬럼프 8㎝가 y=2.94x+225(결정계수 0.94), 슬럼프 15㎝가 y=4.6x+192(결정계수 0.97)로 나타났다.
본 발명자의 상기 실시예를 통하여 확인하여 본 결과, 상기 실시예에 의하여 제안된 방법은 다른 조기강도 추정에 관한 방법과는 달리 마이크로파에 의한 경화된 시험체로 모르터 강도를 직접측정한 것으로, 타 방법에 비해 신뢰성이 훨씬 높으며, 상기 압축강도 추정식을 참고로 하여 재령 28일 콘크리트 압축강도를 조기에 추정할 수 있을 것으로 판단되며, 본 실시예를 통하여 마이크로파를 이용하여 모르터나 콘크리트의 강도를 평가하는데 신뢰성을 확보함으로서 건설현장에서 콘크리트 품질평가와 경제적이고 안정적인 관리에의 응용이 가능하리라 기대된다.
본 발명의 마이크로파를 이용한 콘크리트의 조기강도를 추정하기 위한 시험체 양생장치 및 이를 이용한 조기강도판정기법으로, 건설현장에서 콘크리트 타설 전에 콘크리트의 강도를 즉시 확인할 수 있도록 하여 부실공사에 대한 판정이 확실하고 용이하고, 조기강도 확인에 따라 품질보증을 확보할 수 있어, 건설업 전반에 걸쳐서 대두되고 있는 콘크리트 구조체의 품질관리를 체계화시킬 수 있는 효과를 가져온다.
또한 본 발명의 마이크로파를 이용한 콘크리트의 조기강도를 추정하기 위한 시험체 양생장치 및 이를 이용한 조기강도 판정기법으로 콘크리트 강도의 조기확인이 가능함에 따라 공사중의 품질관리 등을 위한 강도확인과정이 생략됨으로써 공기절감은 물론이고, 기존의 양생 후 강도부족에 따른 철거 및 재타설로 인한 공기지연, 비용소모에 따른 손실을 사전에 예방함으로써 골조공사비의 5%이상 예산절감이 가능한 효과를 가져온다.
또한 본 발명의 마이크로파를 이용한 콘크리트의 조기강도를 추정하기 위한 시험체 양생장치 및 이를 이용한 조기강도판정기법으로 콘크리트의 조기강도를 추정하기 위한 시험체 양생장치는 이동과 조작이 용이하고 가격이 저렴하여, 콘크리트 구조물을 생산하는 전 시공현장에서 활용이 용이하며, 품질관리상 검사가 사후검사가 아닌 사전확인이 되므로 품질관리의 기본에 부합하는 효과를 가져온다.
Claims (8)
- 시멘트, 혼합수, 세골재를 혼합한 콘크리트를 비빈 후 시료를 채취하여 양생되는 촉진강도용 시험체(10);상기 촉진강도용 시험체(10)를 양생시키는 몰드로서, 상기 촉진강도용 시험체(10)를 위한 시료를 구속, 밀폐시킬 수 있는 구조를 갖는 플라스틱 몰드(20);상기 촉진강도용 시험체(10)를 위한 시료를 채운 상기 몰드(20)를 가열양생하는 장치로서, 마이크로파를 이용한 촉진양생장치(30); 그리고,냉각양생장치(40);를 포함하여 구성되고,상기 촉진강도용 시험체(10)는 급속경화제 또는 목표 슬럼프와 공기량을 얻기 위한 공기연행제인 혼화제가 더 첨가되는 것을 특징으로 하는 콘크리트의 조기강도를 추정하기 위한 시험체 양생장치.
- 삭제
- 제1항에서, 상기 플라스틱 몰드(20)는 정방형으로 제작하고, 몰드의 재질은 마이크로파를 투과시키면서 마이크로파의 조사에 의한 열변형이 발생하지 않는 폴리카보네이트 또는 슈퍼엔지니어링플라스틱인 것을 특징으로 하는 상기 촉진강도용 시험체(10)는 급속경화제 또는 목표 슬럼프와 공기량을 얻기 위한 공기연행제인 혼화제가 더 첨가되는 것을 특징으로 하는 콘크리트의 조기강도를 추정하기 위한 시험체 양생장치.
- 제1항에서, 상기 마이크로파를 이용한 촉진양생장치(30)는 가정용 전자레인지로, 마이크로파 주파수 2∼3㎓의 조건하에서 가열양생시간이 8∼11분간인 것을 특징으로 하는 콘크리트의 조기강도를 추정하기 위한 시험체 양생장치.
- 제1항에서, 상기 냉각양생장치(40)는 20∼60℃ 온수조로, 온수조에서 20∼40분간 서냉하도록 하는 것을 특징으로 하는 콘크리트의 조기강도를 추정하기 위한 시험체 양생장치.
- 촉진강도용 시험체(10)의 시료를 채취하고, 상기 시료를 플라스틱 몰드에 콘크리트를 채운 후, 몰드를 체결장치를 사용하여 밀폐ㆍ구속시키는 제1단계;상기 제1단계의 플라스틱 몰드를 마이크로파를 이용한 촉진양생장치에 넣어 시료를 가열양생하는 제2단계;상기 제2단계로 가열양생된 시료를 몰드에 구속된 채로 냉각양생장치에 넣어 냉각양생하는 제3단계;상기 제3단계로 양생된 시료를 몰드에 구속된 채로 대기중에서 냉각시키는 제4단계;상기 제4단계로 양생이 완료된 시료를 몰드에서 탈형하여 압축강도를 측정하는 제5단계; 그리고,상기 촉진양생강도를 이용하여 28일 강도를 추정하는 제6단계;를 포함하여 이루어지고,상기 제2단계의 마이크로파를 이용한 촉진양생장치의 가열양생시간은 마이크로파 주파수 2∼3㎓의 조건하에서 8∼11분간으로 하고;상기 제3단계의 냉각양생장치는 20∼60℃ 온수조로, 온수조에서의 냉각양생시간은 20∼40분으로 하는 것을 특징으로 하는 마이크로파를 이용한 콘크리트의 조기강도판정기법.
- 삭제
- 제6항에서, 상기 제5단계 및 제7단계의 강도추정에서 마이크로파의 가열시간 9분, 온수조 양생시간 20분의 경우 촉진양생강도X와 표준양생압축강도Y의 상관관계식은 슬럼프 8㎝가 Y=2.94X+225(결정계수 0.94), 슬럼프 15㎝가 Y=4.6X+192(결정계수 0.97)인 것을 특징으로 하는 마이크로파를 이용한 콘크리트의 조기강도판정기법.
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