KR101556688B1 - 슬럼프형 실험을 이용한 시멘트계 건설재료의 유동특성 측정방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 시멘트계 건설재료의 유동특성과 슬럼프형 실험의 시간-직경 관계의 상호연관성을 파악하여, 슬럼프형 실험만으로 시멘트계 건설재료의 유동특성을 정량적으로 파악할 수 있도록 한 슬럼프형 실험을 이용한 시멘트계 건설재료의 유동특성 측정방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 슬럼프형 실험을 이용한 시멘트계 건설재료의 유동특성 측정방법은, 시멘트계 건설재료의 유동특성 범위를 변수로 하여 슬럼프형 실험에 대한 유동해석을 수행하는 단계; 상기 유동해석 결과로부터 각 유동특성 변수에 대한 직경과 시간의 관계 곡선을 얻는 단계; 시멘트계 건설재료의 유동특성과 슬럼프형 실험의 시간-직경 관계의 연관성을 파악하는 단계; 상기 유동특성 변수에 대한 직경과 시간의 관계 곡선 곡선과 유동특성을 직접 연관시킬 수 있는 간편식을 도출하는 단계; 실제 슬럼프형 실험 및 시간에 따른 직경의 변화를 촬영하는 단계; 촬영된 영상의 이미지에 대한 영상처리(image processing)를 통해 시간-직경 관계를 도출하는 단계; 상기 측정된 시간-직경 관계에 대해 이미 찾아낸 연관 관계식을 적용한 회귀분석을 수행하는 단계; 및 상기 회귀분석결과 얻은 변수(parameter)로부터 유동특성을 정량적으로 파악하는 단계로 이루어짐을 특징으로 한다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 슬럼프형 실험을 이용한 시멘트계 건설재료의 유동특성 측정방법은, 시멘트계 건설재료의 유동특성 범위를 변수로 하여 슬럼프형 실험에 대한 유동해석을 수행하는 단계; 상기 유동해석 결과로부터 각 유동특성 변수에 대한 직경과 시간의 관계 곡선을 얻는 단계; 시멘트계 건설재료의 유동특성과 슬럼프형 실험의 시간-직경 관계의 연관성을 파악하는 단계; 상기 유동특성 변수에 대한 직경과 시간의 관계 곡선 곡선과 유동특성을 직접 연관시킬 수 있는 간편식을 도출하는 단계; 실제 슬럼프형 실험 및 시간에 따른 직경의 변화를 촬영하는 단계; 촬영된 영상의 이미지에 대한 영상처리(image processing)를 통해 시간-직경 관계를 도출하는 단계; 상기 측정된 시간-직경 관계에 대해 이미 찾아낸 연관 관계식을 적용한 회귀분석을 수행하는 단계; 및 상기 회귀분석결과 얻은 변수(parameter)로부터 유동특성을 정량적으로 파악하는 단계로 이루어짐을 특징으로 한다.
Description
본 발명은 슬럼프형 실험을 이용한 시멘트계 건설재료의 유동특성 측정방법에 관한 것으로, 특히 현장에서 슬럼프형 실험을 통해 시멘트계 건설재료의 유동특성을 정량적으로 파악할 수 있는 슬럼프형 실험을 이용한 시멘트계 건설재료의 유동특성 측정방법에 관한 것이다.
일반적으로 시멘트계 건설재료의 유동성을 평가하는 방법으로 슬럼프 및 슬럼프 플로우 실험이 전 세계적으로 널리 사용되고 있다.
그러나 이 측정방법은 간편하기는 하나 작업성이 좋다, 나쁘다 등의 정성적 평가만이 가능하다.
시멘트계 건설재료의 종류가 다양해지고 유동특성을 시공조건에 따라 제어할 수 있는 기술이 개발되면서 유동성을 보다 정확하고 정량적으로 측정할 필요성이 증가하고 있다.
시멘트계 건설재료의 유동특성을 측정하기 위해서는 Rheometer 또는 Viscometer라는 장비를 사용해야 한다.
하지만, 이들 장비는 고가이며, 장비의 크기로 인해 현장에서 사용하기에는 어려운 점이 있다.
또한, 골재 또는 섬유가 포함되는 경우 재료의 비균질성으로 인해 동일 재료에 대한 실험이라도 레오미터(Rheometer) 종류에 따라 그 측정값이 다르다는 문제점이 있다.
종래의 시멘트계 건설재료의 작업성 측정방법인 슬럼프형 실험은 최대 직경이나 특정 시간에서의 직경을 측정하고 있다.
하지만 최대 직경이나 특정 시간에서의 직경 크기만으로는 유동특성, 즉 점성(viscosity)과 항복응력(yield stress)을 파악할 수는 없다.
슬럼프형 실험은 콘을 들어 올리면서부터 직경이 시간에 따라 변화하며, 이 직경의 시간에 따른 변화는 유동특성에 따라 달라진다.
이 직경과 시간에 따른 변화로부터 역으로 유동특성을 찾아낼 수 있다면, Rheometer와 같은 고가의 장비 없이 종래의 방법만으로 정량적인 유동특성의 측정이 가능하게 된다.
이에, 본 발명은 상기한 바와 같은 제문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 시멘트계 건설재료의 유동특성과 슬럼프형 실험의 시간-직경 관계의 상호연관성을 파악하여, 슬럼프형 실험만으로 시멘트계 건설재료의 유동특성을 정량적으로 파악할 수 있도록 한 슬럼프형 실험을 이용한 시멘트계 건설재료의 유동특성 측정방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 슬럼프형 실험을 이용한 시멘트계 건설재료의 유동특성 측정방법은, 시멘트계 건설재료의 유동특성 범위를 변수로 하여 슬럼프형 실험에 대한 유동해석을 수행하는 단계; 상기 유동해석 결과로부터 각 유동특성 변수에 대한 직경과 시간의 관계 곡선을 얻는 단계; 시멘트계 건설재료의 유동특성과 슬럼프형 실험의 시간-직경 관계의 연관성을 파악하는 단계; 상기 유동특성 변수에 대한 직경과 시간의 관계 곡선 곡선과 유동특성을 직접 연관시킬 수 있는 간편식을 도출하는 단계; 실제 슬럼프형 실험 및 시간에 따른 직경의 변화를 촬영하는 단계; 촬영된 영상의 이미지에 대한 영상처리(image processing)를 통해 시간-직경 관계를 도출하는 단계; 상기 측정된 시간-직경 관계에 대해 이미 찾아낸 연관 관계식을 적용한 회귀분석을 수행하는 단계; 및 상기 회귀분석결과 얻은 변수(parameter)로부터 유동특성을 정량적으로 파악하는 단계로 이루어짐을 특징으로 한다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 슬럼프형 실험을 이용한 시멘트계 건설재료의 유동특성 측정방법은, 시멘트계 건설재료의 유동특성과 슬럼프형 실험의 시간-직경 관계의 상호연관성을 파악하여, 슬럼프형 실험만으로 시멘트계 건설재료의 유동특성을 정량적으로 파악할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 슬럼프형 실험을 이용한 시멘트계 건설재료의 유동특성 측정 방법을 도시한 순서도.
도 2는 시멘트계 건설재료의 유동특성을 변수로 한 유동해석과 해석결과로부터 시간-직경관계 곡선을 얻는 방법을 도시한 도면.
도 3은 유동해석 결과로부터 도출한 시간-직경관계 곡선 및 log scale 변환과정을 도시한 도면.
도 4는 시간-직경 관계와 유동특성과의 연관성 파악 및 간편식을 도시한 도면.
도 5는 실제 슬럼프형 실험으로부터 유동특성을 파악하는 방법을 도식화한 순서도.
도 6은 슬럼프형 실험시 시간에 따른 시멘트계 건설재료 직경의 변화를 도시한 도면.
도 7은 실제 슬럼프형 실험을 통한 유동특성 파악을 위한 단계별 영상처리 과정을 도시한 도면.
도 8은 본 발명 과정에서 수행한 4가지 배합의 시멘트계 건설재료에 대한 슬럼프형 실험 결과와 회귀분석 결과를 나타낸 도면.
도 9는 등록특허 제10-0836464호에서 등록된 슬럼프 플로 촬영 장치를 도시한 도면.
도 10은 본 발명에 따른 슬럼프형 실험 촬영 장치를 도시한 예시도.
도 11은 여러 대의 카메라를 이용하여 촬영할 경우 합성 방법을 도시한 도면.
도 2는 시멘트계 건설재료의 유동특성을 변수로 한 유동해석과 해석결과로부터 시간-직경관계 곡선을 얻는 방법을 도시한 도면.
도 3은 유동해석 결과로부터 도출한 시간-직경관계 곡선 및 log scale 변환과정을 도시한 도면.
도 4는 시간-직경 관계와 유동특성과의 연관성 파악 및 간편식을 도시한 도면.
도 5는 실제 슬럼프형 실험으로부터 유동특성을 파악하는 방법을 도식화한 순서도.
도 6은 슬럼프형 실험시 시간에 따른 시멘트계 건설재료 직경의 변화를 도시한 도면.
도 7은 실제 슬럼프형 실험을 통한 유동특성 파악을 위한 단계별 영상처리 과정을 도시한 도면.
도 8은 본 발명 과정에서 수행한 4가지 배합의 시멘트계 건설재료에 대한 슬럼프형 실험 결과와 회귀분석 결과를 나타낸 도면.
도 9는 등록특허 제10-0836464호에서 등록된 슬럼프 플로 촬영 장치를 도시한 도면.
도 10은 본 발명에 따른 슬럼프형 실험 촬영 장치를 도시한 예시도.
도 11은 여러 대의 카메라를 이용하여 촬영할 경우 합성 방법을 도시한 도면.
이하, 본 발명을 상세히 설명한다.
본 발명에 따른 슬럼프형 실험을 이용한 시멘트계 건설재료의 유동특성 측정방법은, 시멘트계 건설재료의 유동특성과 슬럼프형 실험의 시간-직경 관계의 상호 연관성을 파악하여, 슬럼프형 실험만으로 유동특성을 평가하는 방법을 제안하는 것이다.
이하에서는 그 구체적인 언급을 생략하겠으나, 본 발명에 따른 시멘트계 건설재료는 시멘트 페이스트, 모르타르, 콘크리트, 혼화제 및 혼화재 사용 콘크리트, 섬유보강 콘크리트를 포함하는 모든 시멘트계 건설재료를 포함하는 것으로 이해함이 바람직하다.
도 1을 참조하여 본 발명의 슬럼프형 실험을 이용한 시멘트계 건설재료의 유동특성 측정 방법에 대한 전체적인 단계와, 각 단계에 따른 상세한 설명은 아래와 같다.
먼저, 시멘트계 건설재료의 유동특성 범위를 변수로 하여 슬럼프형 실험에 대한 유동해석을 수행한다(S10).
이어서, 유동해석 결과로부터 각 유동특성 변수에 대한 직경과 시간의 관계 곡선을 도출한다(S20).
뒤이어, 시멘트계 건설재료의 유동특성과 슬럼프형 실험의 시간-직경 관계의 연관성을 파악한다(S30).
이어서, 유동특성 변수에 대한 직경과 시간의 관계 곡선 곡선과 유동특성을 직접 연관시킬 수 있는 간편식을 도출한다(S40).
뒤이어, 실제 슬럼프형 실험 및 시간에 따른 직경의 변화를 촬영한다(S50).
이어서, 촬영된 영상의 이미지에 대한 영상처리(image processing)를 통해 시간-직경 관계를 도출한다(S60).
뒤이어, 상기 측정된 시간-직경 관계에 대해 기 도출한 연관 관계식을 적용한 회귀분석을 수행한다(S70).
그리고, 상기 회귀분석에서 얻은 변수(parameter)로부터 유동특성을 정량적으로 파악한다(S80).
이하, 각 단계별 상세한 설명을 살피면 아래와 같다.
단계별 상세 설명에서는 이해를 돕기 위해서, 본 발명 과정에서 수행한 미니 슬럼프콘 실험에 대해 유동특성을 찾아낸 과정을 예로 들었다. 따라서 상세 설명에서 나타낼 유동해석 결과, 그리고 유동특성과 시간-직경 관계의 연관성 파악 및 관계식 제안에서 표현된 수식 등에 관한 내용은 미니 슬럼프콘 실험에만 해당되는 것이며, 이와 같은 과정에 따라서 슬럼프 플로 실험에 대해서도 유동특성을 측정할 수 있다.
(1) 유동특성을 변수로 한 유동해석(S10) 및 시간-직경관계 곡선 산출(S20).
도 2는 시멘트계 건설재료의 유동특성을 변수로 한 유동해석과 해석결과로부터 시간-직경관계 곡선을 얻는 방법을 도식화하여 나타낸 것이다.
도 2에 도시된 바와 같이 시멘트계 건설재료의 유동특성을 변수로 하여 슬럼프형 실험에 대한 유동해석을 수행하고, 유동해석 결과로부터 각 유동특성 변수에 대한 직경과 시간의 관계 곡선을 도출할 수 있다.
(2) 유동특성과 시간-직경관계의 연관성 파악 및 연관 관계식 도출(S30 및 S40)
도 3은 미니 슬럼프콘 실험의 유동해석 결과로부터 얻은 시간-직경관계 곡선의 일부로, 기존의 측정방식의 문제점 및 유동특성과 시간-직경관계의 연관성 파악 단계를 설명하기 위해 나타낸 것이다.
도 3에서 첫 번째 해석 결과를 살펴보면, 점성(Viscosity)과 항복응력(Yield Stress)이 다름에도 불구하고 특정 시간에서 직경이 겹치는 부분이 있는 것을 확인할 수 있다. 이는 기존의 측정방법인 특정 시간에서의 직경의 크기 측정을 통한 유동특성 측정 방법으로는 점성과 항복응력을 파악하는 데 한계가 있다는 사실을 확인할 수 있다.
또한, 시간-직경관계 곡선의 시간축을 log scale로 하여 항복응력이 0인 경우 점성의 변화에 따른 직경 변화, 점성이 일정한 경우 항복응력의 변화에 따른 직경의 변화를 살펴보면, 점성과 항복응력의 변화가 직경 변화에 어떻게 영향을 미치는 지를 파악할 수 있다.
점성 및 항복응력과 시간-직경관계 곡선의 연관성 및 연관 관계식에 대한 자세한 내용은 도 4를 통해 나타내었다.
도 4의 (a)는 점성과 시간-직경 관계곡선의 연관성을 나타낸 것이다. 항복응력이 0인 경우, 점성의 증가에 따라 흐름이 시작되기까지의 지연시간(retardation time)이 증가하는 특성을 보이고 있다. 또한 흐름이 시작된 후에는 점성의 크기에 상관없이 직경의 변화가 일정한 증가 기울기를 갖는 것으로 나타났다. 따라서 흐름이 시작되기까지의 지연 시간(retardation time)이 점성을 결정하는 변수로 사용될 수 있으며, 이러한 특성을 고려하여 다음과 같은 식으로 점성변화에 따른 시간-직경관계는 [수학식 1]과 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 1]
[수학식 1]에서, D는 직경을 의미하며 단위는 mm이다. 변수 
는 시간-직경관계 곡선을 수직으로 이동시키는 역할을 하며, 
는 일정 시간 후 직경이 증가하는 기울기를 나타내는 상수이며, 점성의 크기에 상관없이 일정한 값을 갖는다. 
는 점성의 함수이며, 지연시간(retardation time)을 나타내고 점성과 직접적으로 연관되는 변수이다. 
는 시간을 의미하며 단위는 초(second)이다.
한편, 도 4의(b)는 항복응력과 시간-직경 관계곡선의 연관성을 나타낸 것이다. 보이는 바와 같이 항복응력이 0이 아닌 경우, 항복응력이 0인 경우와 달리 시간이 지남에 따라 특정한 값으로 수렴하는 경향을 보이며, 시간이 지남에 따라 항복응력이 0인 경우와의 직경 차이도 증가하는 경향을 보인다. 항복응력이 0인 경우와의 직경 차이를 G(mm)로 정의하였으며, 일정한 점성에서 항복응력이 증가할수록 G의 크기도 증가하는 경향을 보인다. 이러한 특성을 고려하여 다음 [수학식 2]와 같은 간편식을 도출할 수 있으며, 회귀분석을 통하여 점성과 항복응력을 계산할 수 있다.
[수학식 2]
[수학식 2]에서 A는 점성과 항복응력의 함수이며, 시간-직경관계와 항복응력과의 관계를 직접적으로 연관 시킬 수 있는 변수이다. B와 C, 그리고 n은 수렴곡선을 표현하는 상수이다.
(3) 실제 슬럼프형 실험을 통한 유동특성 파악(S50)
도 5는 실제 슬럼프형 실험으로부터 유동특성을 파악하는 방법의 순서도를 도식화하여 나타낸 것이고, 도 6은 실제 슬럼프형 실험의 밑면에서 촬영된 영상을 도시한 도면이다.
슬럼프형 실험 수행 시 촬영 장치를 이용하여 시간에 따른 직경 변화를 포함하는 이미지를 획득한 이후, 촬영된 영상으로부터 여러 이미지의 영상처리(image processing)를 통해 시간-직경 관계 곡선을 얻는다.
각 단계별 영상처리 과정은 도 7에 자세히 나타내었다.
먼저, 원본영상을 통해 사진을 추출하고(도 7의 a), 원본 사진을 이진화하여 흑백으로 변환한다(도 7의 b). 그리고 노이즈를 제거(도 7의 c)한 뒤 흰색 영역의 외경을 구하여 평균을 구한다(도 7의 d).
그 후 측정된 시간-직경 관계에 대해 이미 찾아낸 연관 관계식을 적용한 회귀분석을 수행하고, 회귀분석결과에서 얻은 변수(parameter)로부터 유동특성을 정량적으로 파악할 수 있다.
한편, 도 8은 본 발명 과정에서 수행한 4가지 배합의 시멘트계 건설재료에 대한 슬럼프형 실험 결과와 회귀분석 결과를 나타낸 것이며, 회귀분석결과로부터 점도(viscosity)와 항복응력(yield stress)을 계산하였고, 계산내용은 [표 1]과 같다.
[표 1] 회귀분석 결과로부터 점성(viscosity) 및 항복응력(yield stress) 계산
추가적으로, 등록특허 제10-0836464호에서 등록된 슬럼프 플로 촬영 장치와 른 방식의 슬럼프형 실험 촬영 장치를 제안한다.
도 9는 종래의 등록특허에서 제안한 슬럼프 플로 측정 장치의 측면도이다. 도 9에서 11은 유동하는 콘크리트를 소정의 주기마다 촬영하는 디지털 카메라, 12는 실험 대상인 굳지 않은 콘크리트의 색상과 다른 색상을 가진 슬럼프판, 14는 고정용 스탠드, 13은 고정용 스탠드 위에 설치된 회동 가능한 스탠드이다.
여기서, 고정용 스탠드의 하단(14) 높이(H)는 디지털 카메라(11)를 통하여 슬럼프 판(12)의 바닥 전체가 다 보일 수 있을 만큼 충분히 높게 만들어져야 한다.
상기와 같이 기존 특허에서의 슬럼프 플로 촬영 방법은 슬럼프 플로를 위에서 촬영하고, 한 대의 디지털 카메라로 소정의 간격으로 사진을 촬영하도록 구성된다.
기존 특허에서 제안한 촬영 방법과 다르게, 본 발명에서는 슬럼프형 실험 시 시멘트계 건설재료의 밑면을 촬영하되, 직경이 큰 슬럼프콘 실험을 촬영하는 경우, 다수의 카메라를 통해 촬영거리의 조정이 가능함에 따라 장비 제작 및 실험을 편리하게 할 수 있다.
도 10의 (a)는 실험 장치의 대략적인 형태를 나타낸 모식도이고, 도 10의 (b)와 도 10의 (c)는 실제 촬영 장치의 모습을 나타낸 것이다. 도 10의 (b) 및 도 10의 (c)와 같이, 제작한 투명 아크릴 판위에서 실험을 진행하고, 밑면에서의 시간에 따른 직경의 변화를 촬영한다.
한편, 여러 대의 카메라를 설치하여 촬영을 하였을 경우, 도 11과 같이 각각의 분할된 영역들을 합성하여 직경을 구할 수 있다.
아울러, 본 발명에 따른 슬럼프콘은, 전체적으로 상면의 폭이 하면의 폭에 비해 좁은 상협하광의 단면형상으로 형성되거나, 전체적으로 상면의 폭이 하면의 폭에 비해 넓은 상광하협의 단면형상으로 형성될 수 있다.
이상으로 본 발명의 기술적 사상을 예시하기 위한 바람직한 실시 예와 관련하여 설명하고 도시하였지만, 본 발명은 이와 같이 도시되고 설명된 그대로의 구성 및 작용에만 국한되는 것이 아니며, 기술적 사상의 범주를 일탈함이 없이 본 발명에 대해 다수의 변경 및 수정이 가능함을 당업자들은 잘 이해할 수 있을 것이다. 따라서 그러한 모든 적절한 변경 및 수정과 균등 물들도 본 발명의 범위에 속하는 것으로 간주되어야 할 것이다.
Claims (5)
- (a) 시멘트계 건설재료의 유동특성 범위를 변수로 하여 슬럼프형 실험에 대한 유동해석을 수행하는 단계;
(b) 상기 유동해석 결과로부터 각 유동특성 변수에 대한 직경과 시간의 관계 곡선을 얻는 단계;
(c) 시멘트계 건설재료의 유동특성과 슬럼프형 실험의 시간-직경 관계의 연관성을 파악하는 단계;
(d) 상기 유동특성 변수에 대한 직경과 시간의 관계 곡선 곡선과 유동특성을 직접 연관시킬 수 있는 간편식을 도출하는 단계;
(e) 실제 슬럼프형 실험 및 시간에 따른 직경의 변화를 촬영하는 단계;
(f) 촬영된 영상의 이미지에 대한 영상처리(image processing)를 통해 시간-직경 관계를 도출하는 단계;
(g) 상기 도출된 시간-직경 관계에 대해 이미 찾아낸 연관 관계식을 적용한 회귀분석을 수행하는 단계; 및
(h) 상기 회귀분석결과 얻은 변수(parameter)로부터 유동특성을 정량적으로 파악하는 단계로 이루어짐을 특징으로 하는 슬럼프형 실험을 이용한 시멘트계 건설재료의 유동특성 측정방법. - 제1항에 있어서,
상기 (c) 단계는,
유동해석으로부터 얻은 시간-직경관계 곡선의 시간축을 log scale로 변환하여 유동특성과 시간-직경관계의 상호연관성을 파악하는 것을 특징으로 하는 슬럼프형 실험을 이용한 시멘트계 건설재료의 유동특성 측정방법. - 제1항에 있어서,
상기 (e)단계는,
상기 시멘트계 건설재료의 밑면을 촬영하되,
촬영시 다수의 카메라를 통해 촬영거리의 조정이 가능한 것을 특징으로 하는 슬럼프형 실험을 이용한 시멘트계 건설재료의 유동특성 측정방법. - 제3항에 있어서,
상기 시멘트계 건설재료를 슬럼프형 실험하는 데 사용되는 슬럼프콘은,
전체적으로 상면의 폭이 하면의 폭에 비해 좁은 상협하광의 단면형상으로 형성되는 것을 특징으로 하는 슬럼프형 실험을 이용한 시멘트계 건설재료의 유동특성 측정방법. - 제3항에 있어서,
상기 시멘트계 건설재료를 슬럼프형 실험하는 데 사용되는 슬럼프콘은,
전체적으로 상면의 폭이 하면의 폭에 비해 넓은 상광하협의 단면형상으로 형성됨을 특징으로 하는 슬럼프형 실험을 이용한 시멘트계 건설재료의 유동특성 측정방법.
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