KR102515087B1 - 콘크리트 시편의 투기계수 측정용 시험장치 및 이를 이용한 시험방법 - Google Patents

콘크리트 시편의 투기계수 측정용 시험장치 및 이를 이용한 시험방법 Download PDF

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Abstract

초고속 튜브철도용 콘크리트 운송관에 대한 콘크리트 재료의 물리적 특성으로서 투기계수를 정량적으로 측정하기 위하여, 콘크리트 강도 및 두께를 변수로 하는 콘크리트 시편을 활용하여 시간에 따른 기압변화 속도와 일정한 기압에 도달하는 시간을 측정함으로써, 투기성능을 비교하여 정량적 투기계수를 산출할 수 있으며, 또한, 진공측 챔버의 체적이 일정한 체적을 유지하도록 구성함으로써 대기압 챔버로부터 콘크리트 시편을 투과하여 진공측 챔버로 이동하는 공기의 기압변화를 콘크리트 시편의 두께에 상관없이 측정할 수 있고, 또한, 진공측 챔버 및 대기압 챔버 전체를 감싸는 밀폐형 원통부재를 통해 콘크리트 시편의 측면을 밀폐함으로써 콘크리트 시편 두께가 커도 측면으로 유입되는 기체를 차단할 수 있는, 콘크리트 시편의 투기계수 측정용 시험장치 및 이를 이용한 시험방법이 제공된다.

Description

콘크리트 시편의 투기계수 측정용 시험장치 및 이를 이용한 시험방법 {TEST APPARATUS FOR MEASURING AIR PERMEABILITY COEFFICIENT OF CONCRETE SPECIMEN, AND TEST METHOD USING THE SAME}
본 발명은 콘크리트 시편의 투기계수 측정용 시험장치에 관한 것으로, 보다 구체적으로, 하이퍼루프 튜브(Hyperloop Tube)와 같은 초고속 이동체계(High Speed Transportation System)용 콘크리트 운송관의 내부와 외부 사용환경과 콘크리트 부재를 통한 기압변화 특성을 고려하여 콘크리트 시편(Concrete Specimen)의 투기계수를 측정하는, 콘크리트 시편의 투기계수 측정용 시험장치 및 이를 이용한 방법에 관한 것이다.
통상적으로, 초고속 튜브 트레인은 기존의 자기부상열차가 갖는 속도의 한계를 극복하기 위하여 튜브(Tube)라는 밀폐된 공간을 아진공(Partial Vacuum) 상태로 만들어 주행하는 튜브철도 시스템으로서, 철도의 궤도를 튜브로 감싼 후 진공 또는 아진공 상태로 만들어 공기저항을 최소화함으로써 동일 출력으로 더 큰 속도를 낼수 있다.
예를 들면, 초고속 튜브 트레인은 궤도를 튜브로 감싸고, 예를 들면, 0.05∼0.4기압의 아진공 상태에서 시속 700㎞ 이상으로 주행할 수 있다.
기존의 자기부상열차는 공기저항 및 점착 구동방식의 한계로 인하여 열차의 초고속화에 어려움이 있지만, 초고속 튜브 트레인 시스템은 튜브 구조물을 만들고, 그 내부에서 아진공 상태를 유지하여 공기저항을 줄이며, 선형 전동기를 이용하여 비점착(No-adhesive) 구동함으로써 700㎞/h 이상의 초고속 운행을 가능하게 한다.
이러한 초고속 튜브 트레인 시스템은 튜브 내부를 진공 또는 아진공 상태로 유지하므로 고도의 공기역학적 설계 및 정밀 제어 기술이 요구되며, 예를 들면, 기존의 초고속 튜브 트레인에서 튜브의 직경은 4.5m~10m 정도일 수 있다.
이러한 초고속 튜브 트레인 시스템의 차량은 초고속 자기부상열차가 유력하며, 가이드웨이 상에서 자기력으로 일정한 간격을 유지하면서 차량을 지지하고 선형전동기로 추진하는 구조이다.
최근 개발중인 하이퍼루프(Hyperloop)와 같은 초고속 이동체계는 진공에 가깝게 조성된 지름 3.2m 터널을 만들고, 28인승 기차 1량이 그 내부를 주행하는 시스템이다. 이러한 하이퍼루프 초고속 이동체계는 이론상 최대시속은 1223㎞로서, 780㎞ 정도인 여객기의 2배에 달한다.
이러한 초고속 이동체계는 도시화로 인한 인구집중, 교통정체, 교통사고, 환경 등의 문제 해결을 위한 것으로, 진공 또는 아진공 상태의 아진공 운송관을 개발하여 이동체계에 공기저항을 최소화시킴으로써 초고속으로 주행하는 지속가능한 미래 교통수단이라고 할 수 있다.
구체적으로, 이러한 하이퍼루프 초고속 이동체계는 열차 하부에는 자석을 부착하고, 터널 바닥은 자기장이 흐르도록 설계한다.
이때, 마찰을 최대한 줄이기 위해서 열차가 살짝 뜬 상태로 달려야 하며, 이를 위해 열차 뒤에 설치된 팬과 압축기로 터널 속에 남은 공기를 빨아들여 밑으로 뿜어냄으로써 공중에 뜬 상태를 유지한다. 이러한 방식을 통해, 예를 들면, 30t 무게의 열차를 시속 1200㎞ 이상으로 움직이게 한다.
또한, 자기장을 발생시키는데 필요한 전기를 공급하기 위해 진공 터널 외벽에 태양광 패널을 설치하고, 주위에 풍력 발전기를 설치할 수 있다. 이러한 하이퍼루프 초고속 이동체계의 건설비는 고속철도 대비 10분의 1밖에 되지 않아 운임도 낮출 수 있다.
도 1은 하이퍼루프 초고속 이동체계를 설명하기 위한 도면이다.
도 1의 a)에 도시된 바와 같이, 하이퍼루프 초고속 이동체계는 두 역 사이에 튜브를 설치하고, 진공펌프를 사용하여 튜브 속의 기압을 0.1기압 이하로 낮춰 공기저항을 최소화함으로써, 진공에 가까운 아진공 튜브 내부를 최고 시속 1,200㎞까지 주행할 수 있다.
이러한 하이퍼루프 초고속 이동체계의 운송체는 열차처럼 생기긴 했지만, 실제 작동 방식은 기존 열차와 상이하며, 또한, 기본적으로 진공튜브(20) 내부에서 운송체(10)를 이동시키는 형태의 운송수단으로서, 진공튜브(20) 내부에서 자기장을 이용해 운송체(10)의 추진력을 얻고, 바닥으로 공기를 분사해 마찰력을 줄일 수 있다.
한편, 도 2는 종래의 기술에 따른 초고속 튜브철도용 튜브 구조물을 나타내는 도면이다.
종래의 기술에 따른 초고속 튜브철도용 튜브 구조물은, 도 2의 a) 및 b)에 도시된 바와 같이, 폐합된 원형의 튜브(20)가 궤도(30a, 30b)를 각각 감싸도록 시공되며, 강관을 연속적으로 접합하여 구성된 원형단면의 튜브 내부를 포드 형태의 운송체가 아음속으로 주행할 수 있게 한다.
하지만, 종래의 기술에 따른 초고속 튜브철도용 튜브 구조물은, 강재 튜브 운송관으로서, 중공 원형의 튜브(또는 운송관) 단면은 I형 또는 박스형 단면에 비해 단면 2차모멘트가 상대적으로 작아 휨 거동이 주된 거동 형태인 교량 구조에서는 불리한 형상이며, 또한, 원형 강관과 궤도 구조간의 합성을 유도하기 위한 별도의 연결재를 두어야 한다.
특히, 튜브(또는 운송관) 교체가 필요한 경우, 부분적으로 강관과 궤도구조 전체를 절단해야 하는 문제가 있다.
또한, 휨에 취약한 중공 원형 단면의 휨강성을 확보하기 위해 후프(Hoop) 형태의 보강재를 두어야 하며, 휨강성 확보를 위해 경간을 짧게 구성해야 하므로 비용이 증가하는 문제점이 있다.
한편, 초고속 이동체계용 아진공 운송관에서 가장 요구되는 성능은 1/1000 atm을 유지할 수 있는 기밀성으로, 종래에는 주로 강재를 대상으로 기초 연구들이 수행되었고, 시멘트를 기반으로 하는 콘크리트 운송관을 제작한 사례는 아직까지 없는 실정이다.
또한, 일반 강도를 갖는 콘크리트는 침매터널 등과 같이 수밀성을 확보할 수 있으나, 1/1000 atm과 같은 환경에서 기밀성 확보가 매우 어렵고 비경제적이다. 이를 확보하기 위해서는 피복 두께를 두껍게 해야 하나의 진공을 유지하기 위한 기밀성은 확보하기 어렵고, 확보하기 위해서는 매우 두꺼운 피복 두께를 유지하기 위한 콘크리트 외측에 10mm 정도 두께를 갖는 강재 거푸집이 필요하며, 일반 콘크리트는 자기충전성이 없기 때문에 원형으로 제작하기가 매우 어렵고,
또한, 일부 단면에서는 콘크리트 타설이 불량할 수 있어 기밀성을 확보하기가 어려우므로, 이에 대한 대책이 필요한 실정이다.
특히, 초고속 이동체계의 아진공 운송관은 시공이음 및 운송관 세그먼트 연결부 등 불연속 구간을 포함하고 있기 때문에 운송관 세그먼트 자체의 기밀성도 중요하지만 운송관 세그먼트를 연결함에 있어서 연결부에서 기밀성이 무엇보다도 중요한 것으로 알려져 있다.
이러한 콘크리트 운송관의 경우, 콘크리트 자체의 투기계수(air permeability)는 강도에 반비례하고 이음부가 많을수록 구조물의 등가투기계수가 높아지는 경향을 나타내므로,
예를 들면, 일체형 콘크리트 튜브의 내부 기압이 초기 10kPa에서 20kPa로 두 배 증가하는데 약 4~5시간이 소요되는 것으로 나타났다.
이러한 점은 일반적인 콘크리트를 사용하여 내부의 아진공을 유지하는 것이 어렵기 때문에 보다 양호한 기밀성능을 갖는 재료가 필요한 실정이며, 예를 들면, 초고성능 콘크리트가 그 대안이 될 수 있지만,
현재까지 초고성능 콘크리트(UHPC)를 사용한 초고속 이동체계용 아진공 운송관은 없으며, 아직까지 콘크리트 진공튜브를 이용한 초고속 이동체계는 실현되지 않고 개념만 제안되거나 연구가 진행 중인 상태이다.
한편, 도 3a 및 도 3b는 각각 종래의 기술에 따른 재료 투수성 측정을 위한 시험장치를 나타내는 도면들이다.
도 3a 및 도 3b에 도시된 바와 같이, 종래의 기술에 따른 재료 투수성(또는 투기성) 측정을 위한 시험장치로서, 예를 들면, Proceq사의 콘크리트 투기성 측정을 위한 시험장치(Torrent 시험기)의 경우, 2중 고무 실링재를 구비한 진공 흡착부 내에서의 기압변화를 측정하여 투기계수를 결정할 수 있다.
하지만, 종래의 기술에 따른 재료 투수성(또는 투기성) 측정을 위한 시험장치는 1/10기압의 진공 수준에서 측정하기 때문에, 전술한 바와 같이 1/1000 기압 수준의 하이퍼루프 운송관의 투기성 평가에는 부적합하며, 단지 재료 특성간의 투기성능 차이를 비교하는 경우에만 활용할 수 있을 뿐이다.
한편, 도 4a 및 도 4b는 각각 종래의 기술에 따른 콘크리트 투기성 시험장치를 나타내는 도면들이다.
도 4a 및 도 4b에 도시된 바와 같이, 종래의 기술에 따른 콘크리트 투기성 시험장치의 경우, 100㎜ 직경 및 5㎜ 두께의 원형 디스크 형태의 시편을 이용한 가압형 투기성능 측정 장치로서, 구체적으로, 0.65MPa(대기압의 약 6배)로 가압하여 공기 투과에 따른 압력 변화를 측정할 수 있다.
하지만, 종래의 기술에 따른 콘크리트 투기성 시험장치의 경우, 고압의 가압에 따른 시멘트 페이스트 미세 구조의 손상 가능성이 있고, 또한, 전술한 바와 같이 내부 및 외부 기압 차이가 0.1MPa인 하이퍼루프 운송관의 투기성 평가에는 부적합하다는 문제점이 있다.
한편, 콘크리트의 기체확산계수 측정과 관련된 선행기술로서, 대한민국 등록특허번호 제10-444545호에는 "콘크리트의 기체확산계수 측정장치 및 측정방법"이라는 명칭의 발명이 개시되어 있는데, 도 5를 참조하여 설명한다.
도 5는 종래의 기술에 따른 콘크리트 내 기체확산계수 측정장치에 구비된 확산셀 유닛의 구성을 설명하기 위한 단면도로서, 도 5의 a)는 제1 시험을 나타내고, 도 5의 b)는 제1 시험에 비해 콘크리트 공시체의 두께가 확장된 제2 시험을 각각 나타낸다.
도 5의 a) 및 b)에 도시된 바와 같이, 종래의 기술에 따른 콘크리트 내 기체확산계수 측정장치에 구비된 확산셀 유닛(40)은 밀폐용기로 구성된다.
확산셀 유닛(40)의 내부에는 기체확산계수를 측정하려는 대상인 콘크리트 공시체(48)가 위치하며, 콘크리트 공시체(48)의 양측면에는 각각 제1 챔버(41)와 제2 챔버(42)가 형성되어 있다.
제1 챔버(41)에는 제1 기체 발생원으로부터 제1 기체가 공급되는 제1 기체 공급라인(44)과, 콘크리트를 통하여 확산되어 혼합된 기체가 배출되는 제1 기체 배출라인(46)이 각각 연통되어 있다.
제2 챔버(42)에도 제2 기체 발생원으로부터 제2 기체가 공급되는 제2 기체 공급라인(45)과, 콘크리트를 통하여 확산되어 혼합된 기체가 배출되는 제2 기체 배출라인(47)이 각각 연통되어 있다.
제1 및 제2 기체 공급라인(44, 45)을 통하여 콘크리트 공시체(48)의 양 측면에 형성된 제1 및 제2 챔버(41, 42)에 제1 기체와 제2 기체를 각각 흘려보내 콘크리트 공시체(48)를 통하여 제1 기체와 제2 기체가 각각 확산되도록 한다.
여기서, 제1 기체는 이산화탄소 또는 산소이며, 제2 기체는 질소일 수 있다.
제1 및 제2 챔버(41, 42) 각각으로 공급된 제1 기체 및 제2 기체는 콘크리트 공시체(48)를 통과하여 확산됨으로써 서로 혼합되는데, 혼합된 상태에서 제2 기체 내의 제1 기체의 농도를 측정하게 된다. 여기서, 도면부호 43은 압력계를 나타낸다.
종래의 기술에 따른 콘크리트 내 기체확산계수 측정장치에 따르면, 콘크리트 내에서의 특정 기체의 확산계수를 콘크리트 공시체를 이용하여 정확하게 측정할 수 있다. 특히, 콘크리트의 중성화, 철근의 부식에 영향을 주는 산소, 이산화탄소 등의 콘크리트 내에서의 확산계수를 정확하게 측정할 수 있다.
또한, 콘크리트 내에서의 특정 기체(산소, 이산화탄소 등)의 확산계수는 콘크리트의 내구성 저하 과정을 분석하거나 콘크리트 내의 철근 부식 정도를 예측, 그리고 그에 근거한 철근콘크리트 구조물의 수명 예측을 위한 자료로서 중요하게 활용될 수 있다.
하지만, 종래의 기술에 따른 콘크리트 내 기체확산계수 측정장치의 경우, 제1 및 제2 챔버 사이에 들어가는 시편의 크기에 따라 챔버의 체적이 달라질 수 있다.
따라서, 제1 시험 및 제2 시험에서 제1 및 제2 챔버의 압력을 동일하게 유지하여도 실제로는 제1 및 제2 챔버 내부의 기체 분자량이 다르므로 시험조건이 일정한 상태가 아니며, 또한, 시편의 두께 변수에 따라 시험조건이 달라질 수 있다는 한계가 있다.
종래의 기술에 따른 콘크리트 내 기체확산계수 측정장치의 경우, 제1 챔버에 각각 기체 공급라인이 있어 각각 압력을 인위적으로 조절하고, 압력차가 일정하게 유지되기 때문에, 후술하는 바와 같이 대기측에서 진공측으로 기체가 이동하여 진공측 기압변화가 포화상태에 도달하는 특성은 파악할 수 없다.
한편, 다른 선행기술로서, 대한민국 등록특허번호 제10-1298043호에는 "판상형 시편의 개스 투과율 측정장치"라는 명칭의 발명이 개시되어 있는데, 도 6을 참조하여 설명한다.
도 6은 종래의 기술에 따른 판상형 시편의 개스 투과율 측정장치의 개스 투과율 측정 동작을 보여주기 위한 도면이다.
도 6을 참조하면, 종래의 기술에 따른 판상형 시편의 개스 투과율 측정장치(50)는,
일측에 배치되어 판상형 시편의 일면이 접하도록 하고, 외부로부터 측정용 개스가 주입되는 개스 챔버(51);
타측에 배치되어 판상형 시편의 타면이 접하도록 하고, 개스 챔버(51)와 이웃하여 판상형 시편을 통과한 측정용 개스를 수용하는 측정 챔버(52);
측정 챔버(52)와 연통되게 설치되고, 측정 챔버(52)로 유입된 측정용 개스를 측정하는 개스 분석기(53);
개스 챔버(51)와 측정 챔버(52)를 외부에서 연결하고, 관로 상에 개폐밸브가 설치되는 바이패스 관체(54); 및
바이패스 관체(54)로부터 이격된 위치에서 측정 챔버(52)와 연통되게 설치되고, 개스 챔버(51)와 측정 챔버(52)를 진공압 상태로 만드는 진공펌프(55)를 포함하고,
측정 챔버(52), 바이패스 관체(54), 개스 챔버(51)가 직렬로 연결되면서 진공펌프(55)에 의해 측정 챔버(52)와 개스 챔버(51)에 순차적으로 진공압이 만들어지게 한다.
또한, 측정 챔버(52)에 배치되어 판상형 시편(60)의 타면을 지지하는 지지편(56)이 구비되도록 하여, 진공압의 순차적인 생성에 따라 개스 챔버(51)보다 상시적으로 낮은 압력 상태에 있는 측정 챔버(52) 방향으로 가해지는 작용력에 의해 지지편(56)이 측정 챔버(52) 방향으로 휘어지거나 파손되는 것이 방지할 수 있다. 또한, 지지편(56)은 복수개의 통공이 형성되고 평판 형상으로 이루어진 다공성 판(56a)일 수 있다.
통기 관체(58)는 바이패스 관체(54)와 연결되고, 통기 관체(58)의 관로 상에 통기 밸브통기 밸브가 설치된다. 여기서, 도면부호 57은 진공 실링재를 나타낸다.
종래의 기술에 따른 판상형 시편의 개스 투과율 측정장치(50)의 경우, 측정 챔버(52)와 개스 챔버(51)의 압력이 0.00001 torr 이하로 떨어지면,
도 6에 도시된 바와 같이, 개폐밸브(54a)와 통기 밸브(58a)를 폐쇄시켜 바이패스 관체(54)가 폐쇄되도록 하고, 헬륨기체 탱크(59)와 연결된 개스 주입관체(59a)의 개스 주입용 개폐밸브(59b)를 천천히 개방하여 헬륨기체가 개스 챔버(51)로 주입한다.
여기서, 바이패스 관체(54)가 폐쇄된 상태에서 측정 챔버(52)만 계속해서 진공펌프(55)에 의해 진공 배기되도록 함으로써 측정 챔버(52)와 개스 챔버(51) 간 높은 압력차가 발생되도록 한다.
개스 챔버(51)로 주입된 헬륨기체는 바이패스 관체(54)가 폐쇄되어 있음에 따라 판상형 시편(60)을 투과하여 측정 챔버(52)로 유입된다. 개스 분석기(53) 중 헬륨 디텍터(53a)는 측정 챔버(52)로 유입된 헬륨기체의 양을 측정하여 판상형 시편(60)의 개스 투과율을 검출하게 된다.
종래의 기술에 따른 판상형 시편의 개스 투과율 측정장치에 따르면, 진공압 상태의 높은 압력차에 의해 개스 투과가 유도되고 미세한 개스 투과량에 대한 분해능이 현저하게 향상되어 개스 투과율이 극히 낮은 시편에 대한 정밀하고 정확한 개스 투과율 측정이 이루어질 수 있고,
시편에 작용하는 힘의 방향이 일정하게 유지되는 구조의 제공으로 시편의 손상/파손 방지를 위한 구성이 단순화될 수 있다.
하지만, 종래의 기술에 따른 판상형 시편의 개스 투과율 측정장치의 경우, 가스 챔버에 인위적으로 가압을 하여 기체의 투과를 강제로 유도한 것으로, 시편이 큰 경우에는 측면을 통해 유입되는 기체를 차단할 수 없는 장치이고,
또한, 부재 면을 통해 유입되는 기체량만을 측정하기 위해서는 헬륨 등의 특수한 종류의 기체를 사용하고 별도의 검출기(헬륨 디텍터)가 필요하다는 한계가 있다.
한편, 전술한 바와 같이, 하이퍼루프 기술은 폐단면의 원형 튜브 내부를 대기압의 1/1000~1/100 범위인 아진공 상태로 하여 공기 저항을 줄임으로써 튜브 내부에서 주행속도 1200㎞/h 급의 초고속 철도차량이 운행할 수 있도록 하는 기술이며, 운송관 내부의 기압을 진공에 가까운 수준으로 일정한 범위 내에 있도록 유지하기 위하여 외부로부터의 공기 유입을 차단하고 밀폐 성능을 확보하는 것이 관건이다.
이때, 운송관을 콘크리트로 제작하는 경우, 콘크리트는 다공성 재료로서 재료 강도, 두께 등의 물리적 특성에 따라 부재 단면을 통한 공기 투과성능이 달라지며, 이러한 다공성 재료를 이용하여 제작된 원형 튜브의 내부 및 외부의 기압차로 인한 공기 투과성능을 평가함으로써 재료 강도에 따라 적정한 두께로 운송관 단면을 설계해야 한다.
하지만, 현재는 콘크리트 재료의 공기투과 특성을 평가할 수 있는 시험방법이 없으며, 특히, 콘크리트 재료를 이용하여 일정한 형태를 갖는 구조체의 기밀 성능을 평가하기 위한 시험방법이 존재하지 않는 실정이다.
대한민국 등록특허번호 제10-2312771호(등록일: 2021년 10월 7일), 발명의 명칭: "초고속 이동체계용 콘크리트 운송관의 기밀성능 평가 시스템 및 그 방법" 대한민국 등록특허번호 제10-444545호(등록일: 2004년 8월 5일), 발명의 명칭: "콘크리트의 기체확산계수 측정장치 및 측정방법" 대한민국 등록특허번호 제10-1298043호(등록일: 2013년 8월 13일), 발명의 명칭: "판상형 시편의 개스 투과율 측정장치" 대한민국 공개특허번호 제2010-72571호(공개일: 2010년 7월 1일), 발명의 명칭: "진공 챔버 내부 대기압 환경 조성장치"
전술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 초고속 튜브철도용 콘크리트 운송관에 대한 콘크리트 재료의 물리적 특성으로서 투기계수를 정량적으로 측정하기 위하여, 콘크리트 강도 및 두께를 변수로 하는 콘크리트 시편을 활용하여 시간에 따른 기압변화 속도와 일정한 기압에 도달하는 시간을 측정할 수 있는, 콘크리트 시편의 투기계수 측정용 시험장치 및 이를 이용한 방법을 제공하기 위한 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는, 진공측 챔버의 체적이 일정한 체적을 유지하도록 구성함으로써 대기압 챔버로부터 콘크리트 시편을 투과하여 진공측 챔버로 이동하는 공기의 기압변화를 콘크리트 시편의 두께에 상관없이 측정할 수 있는, 콘크리트 시편의 투기계수 측정용 시험장치 및 이를 이용한 방법을 제공하기 위한 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 또 다른 기술적 과제는, 진공측 챔버 및 대기압 챔버 전체를 감싸는 밀폐형 원통부재를 통해 콘크리트 시편의 측면을 밀폐함으로써 콘크리트 시편 두께가 커도 측면으로 유입되는 기체를 차단할 수 있는, 콘크리트 시편의 투기계수 측정용 시험장치 및 이를 이용한 방법을 제공하기 위한 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 또 다른 기술적 과제는, 콘크리트 재료의 물리적 특성 및 제원에 따른 기밀성능 측정이 가능함으로써 성능 측정결과를 이용하여 경제적이고 최적화된 단면을 설계할 수 있는, 콘크리트 시편의 투기계수 측정용 시험장치 및 이를 이용한 방법을 제공하기 위한 것이다.
전술한 기술적 과제를 달성하기 위한 수단으로서, 본 발명에 따른 콘크리트 시편의 투기계수 측정용 시험장치는, 초고속 이동체계용 콘크리트 운송관의 투기계수 측정용 시험장치에 있어서, 상부 개방형 원통형 챔버로서, 하부에 거치되고, 진공펌프에 의해 진공을 유지하는 진공측 챔버; 상기 진공측 챔버와 동일한 체적을 갖는 하부 개방형 챔버로서, 상기 진공측 챔버의 상부에 거치되어 외부 공기가 유입되는 대기압 챔버; 상기 진공측 챔버의 상단부 및 상기 대기압 챔버 하단부 사이에 거치된 콘크리트 시편을 밀폐시키는 밀폐용 원통부재; 및 진공펌프 연결배관을 통해 상기 진공측 챔버 및 상기 대기압 챔버 내부를 진공 상태로 형성하는 진공펌프;를 포함하되, 상기 콘크리트 시편은 콘크리트 운송관에 대한 시편으로서, 콘크리트 강도 및 두께를 변수로 하는 상기 콘크리트 시편을 활용하여 투기성능을 비교하고 정량적 투기계수를 산출하며, 상기 밀폐용 원통부재는, 상기 진공측 챔버의 상단부 및 상기 대기압 챔버의 하단부 외주면을 감싸서 밀폐시키도록 결합되는 원통부재 하우징; 상기 원통부재 하우징의 외주면 일측에 형성되어 상기 진공펌프와 연결되는 제3 진공펌프 연결 배관; 및 상기 제3 진공펌프 연결 배관을 개폐시키는 제3 밸브를 포함하도록 하게 된다.
여기서, 상기 진공측 챔버를 진공 상태로 유지하고 상기 대기압 챔버에 공기를 비가압으로 주입하고, 주입된 공기가 상기 콘크리트 시편을 통과시, 상기 대기압 챔버 및 상기 진공측 챔버의 시간에 따른 압력변화량을 측정한 후, 상기 콘크리트 시편의 시간당 투기율을 결정할 수 있다.
여기서, 상기 콘크리트 시편의 두께가 달라도 상기 진공측 챔버 및 대기압 챔버의 체적을 동일하게 유지하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 콘크리트 시편은 30㎝의 지름을 갖는 원판형 시편으로서 50~250㎜ 범위의 두께가 조절될 수 있다.
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여기서, 상기 대기압 챔버는, 하면이 개방된 원통형의 상부 하우징; 상기 상부 하우징의 외주면에 형성되어 상기 진공펌프와 연결되는 제2 진공펌프 연결 배관; 상기 제2 진공펌프 연결 배관을 개폐시키는 제2 밸브; 상기 상부 하우징의 외주면에 형성되어 외부 공기가 유입되는 제2 공기유입 배관; 상기 상부 하우징의 외주면에 형성되어 압력을 측정하는 제2 압력 게이지; 및 상기 제2 공기유입 배관을 개폐시키는 제2 공기유입 밸브를 포함할 수 있다.
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여기서, 상기 콘크리트 시편을 상기 진공측 챔버 및 대기압 챔버 사이에 거치시 상기 콘크리트 시편의 밀폐를 위해 도브테일 홈에 삽입되는 제1 실링부재; 및 상기 진공측 챔버 및 대기압 챔버의 밀폐를 위해 상기 밀폐용 원통부재 내주면에 삽입되는 제2 실링부재를 추가로 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 콘크리트 시편의 투기계수 측정용 시험장치는, 상기 제1 및 제2 실링부재는 고무재질의 오링인 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 콘크리트 시편의 투기계수 측정용 시험장치는, 상기 밀폐용 원통부재 외주면에 형성되어 상기 콘크리트 시편이 거치되도록 볼트로 조이면서 상기 제1 실링부재를 압착하여 밀폐시키는 시편 어댑터 모듈를 추가로 포함할 수 있다.
한편, 전술한 기술적 과제를 달성하기 위한 다른 수단으로서, 본 발명에 따른 콘크리트 시편의 투기계수 측정용 시험장치를 이용한 시험방법은, 초고속 이동체계용 콘크리트 운송관의 투기계수 측정용 시험장치를 이용한 시험방법에 있어서, a) 진공측 챔버, 대기압 챔버, 밀폐용 원통부재 및 진공펌프로 이루어진 투기계수 측정용 시험장치의 밀폐용 원통부재 내에 콘크리트 시편을 거치하는 단계; b) 상기 콘크리트 시편이 초기에 갖고 있는 공기량을 제거하도록 공기를 배출하는 아웃개싱을 수행하는 단계; c) 아웃개싱 완료후 진공펌프를 사용하여 진공측 챔버는 진공 상태로 하고 대기압 챔버는 외부 공기를 유입하는 단계; 및 d) 상기 콘크리트 시편을 통해 대기압 챔버로부터 진공측 챔버로 공기를 투과시키면서 압력 변화를 측정하고 투기계수를 산출하는 단계;를 포함하되, 상기 콘크리트 시편은 콘크리트 운송관에 대한 시편으로서, 콘크리트 강도 및 두께를 변수로 하는 상기 콘크리트 시편을 활용하여 투기성능을 비교하고 정량적 투기계수를 산출하며, 상기 a) 단계의 상기 밀폐용 원통부재는, 상기 진공측 챔버의 상단부 및 상기 대기압 챔버 하단부 사이에 거치된 콘크리트 시편을 밀폐시키는 것으로서, 진공측 챔버의 상단부 및 상기 대기압 챔버의 하단부 외주면을 감싸서 밀폐시키도록 결합되는 원통부재 하우징; 상기 원통부재 하우징의 외주면 일측에 형성되어 상기 진공펌프와 연결되는 제3 진공펌프 연결 배관; 및 상기 제3 진공펌프 연결 배관을 개폐시키는 제3 밸브를 포함하게 된다.
본 발명에 따르면, 초고속 튜브철도용 콘크리트 운송관에 대한 콘크리트 재료의 물리적 특성으로서 투기계수를 정량적으로 측정하기 위하여, 콘크리트 강도 및 두께를 변수로 하는 콘크리트 시편을 활용하여 시간에 따른 기압변화 속도와 일정한 기압에 도달하는 시간을 측정함으로써, 투기성능을 비교하여 정량적 투기계수를 산출할 수 있다.
본 발명에 따르면, 진공측 챔버의 체적이 일정한 체적을 유지하도록 구성함으로써 대기압 챔버로부터 콘크리트 시편을 투과하여 진공측 챔버로 이동하는 공기의 기압변화를 콘크리트 시편의 두께에 상관없이 측정할 수 있다.
본 발명에 따르면, 진공측 챔버 및 대기압 챔버 전체를 감싸는 밀폐형 원통부재를 통해 콘크리트 시편의 측면을 밀폐함으로써 콘크리트 시편 두께가 커도 측면으로 유입되는 기체를 차단할 수 있고, 별도의 특수 기체를 사용하지 않고 압력 변화만으로 콘크리트 시편의 투기 특성을 파악할 수 있다.
본 발명에 따르면, 콘크리트 재료의 물리적 특성 및 제원에 따른 기밀성능 측정이 가능함으로써 성능 측정결과를 이용하여 경제적이고 최적화된 단면을 설계할 수 있다.
본 발명에 따르면, 초고속 튜브철도용 콘크리트 운송관의 기밀성능 측정을 위한 표준적인 시험장치, 시험방법 및 분석결과를 통해 신뢰성 있는 투기성능을 측정할 수 있다.
도 1은 하이퍼루프 초고속 이동체계를 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 종래의 기술에 따른 초고속 튜브철도용 튜브 구조물을 나타내는 도면이다.
도 3a 및 도 3b는 각각 종래의 기술에 따른 재료 투수성(투기성) 측정을 위한 시험장치를 나타내는 도면들이다.
도 4a 및 도 4b는 각각 종래의 기술에 따른 콘크리트 투기성 시험장치를 나타내는 도면들이다.
도 5는 종래의 기술에 따른 콘크리트 내 기체확산계수 측정장치에 구비된 확산셀 유닛의 구성을 설명하기 위한 단면도이다.
도 6은 종래의 기술에 따른 판상형 시편의 개스 투과율 측정장치의 개스 투과율 측정 동작을 보여주기 위한 도면이다.
도 7은 종래의 기술에 따른 초고속 이동체계용 콘크리트 운송관의 기밀성능 평가 시스템의 구성도이다.
도 8은 종래의 기술에 따른 초고속 이동체계용 콘크리트 운송관의 기밀성능 평가 시스템에서 기밀성능 평가 실험장치의 전경을 나타내는 도면이다.
도 9는 종래의 기술에 따른 초고속 이동체계용 콘크리트 운송관의 기밀성능 평가 시스템에서 기밀성능 평가 실험장치를 나타내는 사시도이다.
도 10은 종래의 기술에 따른 투기성능 시험 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 11은 본 발명의 실시예에 따른 콘크리트 시편의 투기계수 측정용 시험장치의 조립도이다.
도 12는 본 발명의 실시예에 따른 콘크리트 시편의 투기계수 측정용 시험장치의 세팅 개념을 나타내는 도면이다.
도 13은 본 발명의 실시예에 따른 콘크리트 시편의 투기계수 측정용 시험장치의 밸브, 제1,2 압력게이지 및 진공게이지의 연결을 나타내는 도면이다.
도 14는 본 발명의 실시예에 따른 콘크리트 시편의 투기계수 측정용 시험장치를 예시하는 사시도 및 사진이다.
도 15a 내지 도 15d는 각각 본 발명의 실시예에 따른 콘크리트 시편의 투기계수 측정용 시험장치를 구체적으로 나타내는 도면들이다.
도 16은 본 발명의 실시예에 따른 콘크리트 시편의 투기계수 측정용 시험장치에서 제1 및 제2 실링부재의 연결을 나타내는 도면이다.
도 17은 본 발명의 실시예에 따른 콘크리트 시편의 투기계수 측정용 시험장치에서 실링부재의 밀폐 및 공기 투과 유입경로를 나타내는 도면이다.
도 18은 본 발명의 실시예에 따른 콘크리트 시편의 투기계수 측정용 시험장치의 체적별 기압변화를 나타내는 도면이다.
도 19는 본 발명의 실시예에 따른 콘크리트 시편의 투기계수 측정용 시험장치가 콘크리트 시편의 두께가 달라져도 동일한 체적을 유지하는 것을 나타내는 도면이다.
도 20은 본 발명의 실시예에 따른 콘크리트 시편의 투기계수 측정용 시험장치에서 콘크리트 시편의 두께가 다른 경우의 기압변화를 나타내는 도면이다.
도 21은 본 발명의 실시예에 따른 콘크리트 시편의 투기계수 측정용 시험장치에서 콘크리트 시편의 공극 변화에 따른 기압변화 양상을 나타내는 도면이다.
도 22는 본 발명의 실시예에 따른 콘크리트 시편의 투기계수 측정용 시험장치를 이용한 시험방법을 나타내는 동작흐름도이다.
도 23은 본 발명의 실시예에 따른 콘크리트 시편의 투기계수 측정용 시험장치를 이용한 시험방법을 구체적으로 나타내는 도면이다.
도 24는 본 발명의 실시예에 따른 콘크리트 시편의 투기계수 측정용 시험장치를 이용한 시험방법에서 시간 경과에 따른 하부 진공측 챔버의 기압변화를 나타내는 그래프이다.
도 25는 본 발명의 실시예에 따른 콘크리트 시편의 투기계수 측정용 시험장치를 이용한 시험방법에서 아웃개싱 측정 양상을 나타내는 도면이다.
도 26은 본 발명의 실시예에 따른 콘크리트 시편의 투기계수 측정용 시험장치를 이용한 시험방법에서 공기 투과 측정 양상을 나타내는 도면이다.
도 27a 내지 도 27c는 각각 본 발명의 실시예에 따른 콘크리트 시편의 투기계수 측정용 시험장치를 이용한 시험방법의 실험결과를 나타내는 그래프들이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
먼저, 본 발명의 출원인 및 발명자에 의해 특허출원되어 등록된 대한민국 등록특허번호 제10-2312771호에는 "초고속 이동체계용 콘크리트 운송관의 기밀성능 평가 시스템 및 그 방법"이라는 명칭의 발명이 개시되어 있는데, 도 7 내지 도 10을 참조하여 설명하며, 본 명세서 내에 참조되어 본 발명의 일부를 이룬다.
도 7은 종래의 기술에 따른 초고속 이동체계용 콘크리트 운송관의 기밀성능 평가 시스템의 구성도이다.
도 7을 참조하면, 초고속 이동체계용 콘크리트 운송관의 기밀성능 평가 시스템(300)은, 고강도 콘크리트, 고성능 콘크리트 또는 초고성능 콘크리트를 사용한 초고속 이동체계용 콘크리트 운송관의 기밀성능 평가 시스템으로서,
콘크리트 운송관 실험체(310), 기밀성능 평가 실험장치(320), 감압장치(330), 압력센서(340), 타이머(350) 및 기밀성능 평가 단말(360)을 포함하며,
기밀성능 평가 단말(360)는 기압변화 그래프 도출부(361), 기압하중 산출부(362) 및 공기유입률 산출부(363)를 포함할 수 있다.
콘크리트 운송관 실험체(310)는 초고속 이동체계용 운송관으로 사용할 수 있도록 콘크리트를 타설 및 경화시켜 원통 형상으로 형성된다.
이때, 콘크리트 운송관 실험체(310)는 표면의 미세공극을 충전재(Filler)로 충전하고, 충전재를 경화시킨 후 마감재로 표면 처리되며, 예를 들면, 콘크리트 운송관 실험체(310)는 상하 개방된 단면의 표면을 에폭시 또는 진공 실리콘으로 마감하여 표면에 있는 미세한 요철이 제거된다.
기밀성능 평가 실험장치(320)는 콘크리트 운송관 실험체(310)의 기압변화에 따른 기밀성능을 평가하도록 콘크리트 운송관 실험체(310)가 거치되고, 콘크리트 운송관 실험체(310)를 밀폐시킨 상태에서 아웃개싱(Outgassing) 및 본실험 과정이 수행된다.
이때, 측정 결과의 신뢰성을 높이기 위한 실험 절차로서, 콘크리트 운송관 실험체(310) 자체에 내재된 공기량 영향을 최소화하기 위한 초기 안정화 단계(Outgassing Phase)를 수행한다.
예를 들면, 콘크리트 운송관 실험체(310)가 가지고 있던 공기량을 제거하기 위해 콘크리트 운송관 실험체(310) 내부를 1/1000기압으로 3번 감압(아웃개싱)시킨다.
감압장치(330)는 진공펌프로서, 기밀성능 평가 실험장치(320)의 외부에 설치되어 기밀성능 평가 실험장치(320)에 거치된 콘크리트 운송관 실험체(310)의 내부를 기설정된 범위에 따라 감압시킨다.
압력센서(340)는 콘크리트 운송관 실험체(310)의 내부의 압력을 측정하도록 기밀성능 평가 실험장치(320)의 일측에 설치된다.
타이머(350)는 콘크리트 운송관 실험체(310)의 내부의 기압이 변화하는 시간을 측정한다.
기밀성능 평가 단말(360)은 기밀성능 평가 실험장치(320)의 아웃개싱 및 본실험 과정에서의 기압변화 측정결과에 따라 콘크리트 운송관 실험체(310)의 기밀성능을 평가한다.
예를 들면, 콘크리트 운송관 실험체(310)를 20시간 이상 방치하고, 콘크리트 운송관 실험체(310)로 공기 유입에 의한 기압변화를 압력센서(340)를 이용하여 계측한 후, 기밀성능 평가 단말(360)은 기압하중 및 공기유입률을 계산하여 기밀성을 평가할 수 있다.
구체적으로, 기밀성능 평가 단말(360)의 기압변화 그래프 도출부(361)는 기밀성능 평가 실험장치(320)를 이용한 콘크리트 운송관 실험체(310) 내의 아웃개싱 및 본실험 과정에서의 기압변화 측정결과에 따라 콘크리트 운송관 실험체(310) 내의 기압변화 그래프를 도출한다.
기밀성능 평가 단말(360)의 기압하중 산출부(362)는 기압변화 그래프로부터 콘크리트 운송관 실험체(310)의 체적 내부로 유입되는 단위 시간당 공기량을 산출한다.
기밀성능 평가 단말(360)의 공기유입률 산출부(363)는 콘크리트 운송관 실험체(310)의 표면적당 공기유입 비율을 산출한다.
종래의 기술에 따른 초고속 이동체계용 콘크리트 운송관의 기밀성능 평가 시스템(300)은, 원형의 콘크리트 운송관 실험체(310)의 기밀성능 측정을 위하여 콘크리트 운송관 실험체(310)의 양단을 밀폐하고, 또한, 콘크리트 운송관 실험체(310)의 내부를 1/1000 기압 상태로 감압할 수 있다.
이때, 콘크리트 운송관 실험체(310)의 개방된 단면을 디스크 형태의 하부 강재마감판 및 상부 강재마감판으로 막아 밀폐하기 위해 고무링을 배치함으로써, 경계부에서의 공기 유입을 차단하고, 또한, 여러 줄의 고무링을 두어 콘크리트 운송관 실험체의 직경이 다른 경우에도 적용할 수 있다.
또한, 디스크 형태의 하부 강재마감판 및 상부 강재마감판으로 콘크리트 운송관 실험체(310)의 양단을 막음으로써 콘크리트 운송관 실험체(310)의 의 원주방향 표면을 통해 유입되는 공기량과 그에 의한 압력 변화만을 측정할 수 있다.
한편, 도 8은 종래의 기술에 따른 초고속 이동체계용 콘크리트 운송관의 기밀성능 평가 시스템에서 기밀성능 평가 실험장치의 전경을 나타내는 도면이며,
도 9는 종래의 기술에 따른 초고속 이동체계용 콘크리트 운송관의 기밀성능 평가 시스템에서 기밀성능 평가 실험장치를 나타내는 사시도이다.
도 8 및 도 9를 참조하면, 종래의 기술에 따른 초고속 이동체계용 콘크리트 운송관의 기밀성능 평가 시스템에서 기밀성능 평가 실험장치(320)는,
하부 강재마감판(321), 고무링(322a, 322b, 322c), 실험체 인양고리(323), 상부 강재마감판(324), 다수의 마감판 고정볼트(325), 다수의 볼트 설치 관통홀(326), 다수의 워셔(327), 다수의 고정너트(328) 및 강재 마감판 인양고리(329a, 329b)를 포함한다.
하부 강재마감판(321)은 디스크 형태의 강판으로서 콘크리트 운송관 실험체(310)가 거치된다.
고무링(322a, 322b, 322c)은 콘크리트 운송관 실험체(310)의 실링(Sealing)을 위해 하부 강재마감판(321)의 상부 및 상부 강재마감판(324)의 하부에 적어도 하나 이상 배치된다.
실험체 인양고리(323)는 콘크리트 운송관 실험체(310)를 인양할 수 있도록 콘크리트 운송관 실험체(310)의 양 측면에 형성된 돌출부에 결합한다.
이때, 기밀성능 평가 실험장치(320)의 실험체 인양고리(323)와 체결될 수 있도록 콘크리트 운송관 실험체(310)의 외주면 양측에 돌출부와 체결홀이 형성된다.
상부 강재마감판(324)는 디스크 형태의 강판으로서, 하부 강재마감판(321) 상에 거치된 콘크리트 운송관 실험체(310)의 상부를 덮도록 거치된다.
다수의 마감판 고정볼트(325)은 하부 강재마감판(321)의 단부에 수직 방향으로 연장 설치되고, 상측 단부에 나사산이 형성된다.
이에 따라, 하부 강재마감판(321) 및 상부 강재마감판과 콘크리트 운송관 실험체(310)를 서로 구속시킬 수 있다.
다수의 볼트 설치 관통홀(326)은 다수의 마감판 고정볼트(325) 각각이 관통할 수 있도록 상부 강재마감판(324) 단부에 각각 형성된다.
다수의 워셔(327)는 다수의 볼트 설치 관통홀(326)을 각각 관통하는 다수의 마감판 고정볼트(325) 상에 배치된다.
다수의 고정너트(328)는 워셔(327)가 다수의 마감판 고정볼트(325) 상에 배치된 상태에서 다수의 마감판 고정볼트(325)에 각각 체결된다.
강재 마감판 인양고리(329a, 329b)는 하부 강재마감판(321) 및 상부 강재마감판(324)을 인양할 수 있도록 하부 강재마감판(321)의 양측 단부 및 상부 강재마감판(324)의 중앙에 설치된다.
종래의 기술에 따른 초고속 이동체계용 콘크리트 운송관의 기밀성능 평가 시스템(300)에서 기밀성능 평가 실험장치(320)의 경우, 콘크리트 운송관 실험체의 재료 특성 및 크기 등을 고려할 수 있고, 특히, 시편 단위가 아닌 구조물 부재 단위의 투기성능을 측정할 수 있다.
또한, 콘크리트 운송관 실험체 외부의 대기압 상태, 내부의 기압변화를 상관 관계를 고려할 수 있으며, 실제 구조물의 연속성을 고려하여 콘크리트 운송관 실험체 양단의 밀폐조건을 확보한다.
또한, 시간에 따른 공기 투과량으로 콘크리트 운송관 실험체의 내부 기압을 측정하고, 또한, 콘크리트 운송관 실험체 자체가 보유하고 있던 공기량을 배제하기 위한 아웃개싱을 수행한다.
다시 말하면, 종래의 기술에 따른 기밀성능 평가 실험장치의 경우, 콘크리트 투기성능 측정을 위해 튜브형 부재를 제작하고, 상하면을 덮개로 밀폐한 형태로 구성한 뒤, 내부 압력을 1/1000 기압의 진공 상태로 만들어 부재 면을 통해 유입되는 공기량에 의한 압력 변화 시간을 상대 비교하는 방법으로 상대 평가한다.
한편, 도 10은 종래의 기술에 따른 투기성능 시험 방법을 설명하기 위한 도면으로서, 도 10의 a)는 측면도이고, 도 10의 b)는 평면도이다.
종래의 기술에 따른 투기성능 시험 방법의 경우, 도 10에 도시된 바와 같이, 부재 단위로 실험을 진행하므로 실험체를 다루기 어렵고, 부재 면 전체에 일관됨 품질을 확보하기 어려우며, 체결된 상태의 미세한 결함에 의해서도 실험결과가 달라질 수 있다. 또한, 부재 크기에 따라 공기가 투과되는 면적이 달라져 상대 비교가 어렵다.
또한, 각 조건에 대해서 투기계수 물리량을 정량적으로 산출하기 어렵고, 각 조건에 대한 기압 증가속도, 즉, 일정한 기압에 도달하는 시간으로 성능을 상대 비교하므로, 실험결과를 신뢰하기 어렵다. 또한, 실험체 부재의 공극에 갇혀 있는 공기를 제거하는 초기화 작업이 어렵다는 한계가 있다.
전술한 문제점을 해결하기 위하여, 이하, 도 11 내지 도 21을 참조하여, 본 발명의 실시예에 따른 콘크리트 시편의 투기계수 측정용 시험장치를 설명하고, 또한, 도 22 내지 도 27을 참조하여, 본 발명의 실시예에 따른 콘크리트 시편의 투기계수 측정용 시험장치를 이용한 시험방법을 구체적으로 설명한다.
[콘크리트 시편의 투기계수 측정용 시험장치(100)]
먼저, 콘크리트의 투기계수 측정을 위해서는 다음과 같은 조건이 요구된다. 예를 들면, 크기가 큰 시편의 경우 시편의 품질 편차가 발생할 수 있으므로, 작은 시편 단위의 시험을 통해 품질 편차를 최소화하여야 한다.
또한, 공기가 투과되는 콘크리트 시편의 두께만 영향 변수로 작용하도록 일정 크기의 콘크리트 시편의 면을 통해 공기가 투과되어야 한다. 또한, 콘크리트 시편의 공극에 갇혀 있는 공기량의 영향을 배제할 수 있어야 한다.
이에 따라, 본 발명의 실시예에 따른 콘크리트 시편의 투기계수 측정용 시험장치(100)에서는 작은 콘크리트 시편 단위의 시험을 수행하고, 일정 크기의 콘크리트 시편의 면을 통해 공기가 투과되도록 챔버를 형성하며, 콘크리트 시편의 공극에 갇혀 있는 공기량의 영향을 배제하도록 아웃개싱을 수행할 수 있도록 장치를 구성한다.
도 11은 본 발명의 실시예에 따른 콘크리트 시편의 투기계수 측정용 시험장치의 조립도이고,
도 12는 본 발명의 실시예에 따른 콘크리트 시편의 투기계수 측정용 시험장치의 세팅 개념을 나타내는 도면이며,
도 13은 본 발명의 실시예에 따른 콘크리트 시편의 투기계수 측정용 시험장치의 밸브, 제1,2 압력게이지 및 진공게이지의 연결을 나타내는 도면이다.
도 11 내지 도 13을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 콘크리트 시편의 투기계수 측정용 시험장치(100)는, 초고속 이동체계용 콘크리트 운송관의 투기계수 측정용 시험장치로서,
진공측 챔버(110), 대기압 챔버(120) 및 밀폐용 원통부재(130)를 포함하되, 도 12에 도시된 바와 같이, 진공펌프(140)를 추가로 포함하며, 또한, 도 13에 도시된 바와 같이, 상기 진공측 챔버(110), 대기압 챔버(120) 및 밀폐용 원통부재(130)는 지지프레임(150)에 탑재되고, 투기계수 측정용 시험장치(100)의 이송을 위해 이동바퀴(160)가 상기 지지프레임 하부에 설치된다.
진공측 챔버(110)는 상부 개방형 원통형 챔버로서, 하부에 거치되고, 진공펌프(140)에 의해 진공을 유지한다.
구체적으로, 도 11에 도시된 바와 같이, 상기 진공측 챔버(110)는,
상단이 개방된 원통형의 하부 하우징(111); 상기 하부 하우징(111)의 외주면에 형성되어 상기 진공펌프(140)와 연결되는 제1 진공펌프 연결 배관(112); 상기 제1 진공펌프 연결 배관(112)을 개폐시키는 제1 밸브(113); 상기 하부 하우징(111)의 외주면에 형성되어 외부 공기가 유입되는 제1 공기유입 배관(114); 상기 하부 하우징(111)의 외주면에 설치되어 압력을 측정하는 제1 압력 게이지(115); 및 상기 제1 공기유입 배관(114)을 개폐시키는 제1 공기유입 밸브(116)를 포함하여 구성될 수 있지만, 이에 국한되는 것은 아니다. 또한, 도 13에 도시된 바와 같이, 진공게이지를 추가로 포함할 수 있다.
대기압 챔버(120)는 상기 진공측 챔버(110)와 동일한 체적을 갖는 하부 개방형 챔버로서, 상기 진공측 챔버(110)의 상부에 거치되어 외부 공기가 유입된다.
구체적으로, 상기 대기압 챔버(120)는,
하단이 개방된 원통형의 상부 하우징(121); 상기 상부 하우징(121)의 외주면에 형성되어 상기 진공펌프(140)와 연결되는 제2 진공펌프 연결 배관(122); 상기 제2 진공펌프 연결 배관(122)을 개폐시키는 제2 밸브(123); 상기 상부 하우징(121)의 외주면에 형성되어 외부 공기가 유입되는 제2 공기유입 배관(124); 상기 상부 하우징(121)의 외주면에 형성되어 압력을 측정하는 제2 압력 게이지(125); 및 상기 제2 공기유입 배관(124)을 개폐시키는 제2 공기유입 밸브(126)를 포함하여 구성될 수 있지만, 이에 국한되는 것은 아니다. 또한, 도 13에 도시된 바와 같이, 진공게이지를 추가로 포함할 수 있다.
밀폐용 원통부재(130)는 상기 진공측 챔버(110)의 상단부 및 상기 대기압 챔버(120) 하단부 사이에 거치된 콘크리트 시편(200)을 밀폐시킨다.
구체적으로, 상기 밀폐용 원통부재(130)는,
상기 진공측 챔버(110)의 상단부 및 상기 대기압 챔버(120)의 하단부 외주면을 감싸서 밀폐시키도록 결합되는 원통부재 하우징(131); 상기 원통부재 하우징(131)의 외주면 일측에 형성되어 상기 진공펌프(140)와 연결되는 제3 진공펌프 연결 배관(132); 및 상기 제3 진공펌프 연결 배관(132)을 개폐시키는 제3 밸브(133)를 포함하여 구성될 수 있지만, 이에 국한되는 것은 아니다.
진공펌프(140)는, 도 12에 도시된 바와 같이, 진공펌프 연결배관을 통해 상기 진공측 챔버(110) 및 상기 대기압 챔버(120) 내부를 진공 상태로 형성한다.
다시 말하면, 본 발명의 실시예에 따른 콘크리트 시편의 투기계수 측정용 시험장치(100)의 경우, 상하 동일한 내부 체적을 갖는 원통형의 진공측 챔버(110)와 대기압 챔버(120)를 구성하고, 각각의 챔버에는 펌프 연결 포트와 제1,2 압력게이지 설치 포트가 설치된다.
또한, 상하 진공측 챔버(110)와 대기압 챔버(120) 사이에 상기 콘크리트 시편(200)을 넣은 후 밀폐하기 위한 밀폐용 원통부재(130)가 설치된다. 이때, 상기 콘크리트 시편(200)은 30㎝의 지름을 갖는 원판형 시편으로서 50~250㎜ 범위의 두께가 조절될 수 있다.
이에 따라, 본 발명의 실시예에 따른 콘크리트 시편의 투기계수 측정용 시험장치(100)는, 상기 콘크리트 시편(200)은 콘크리트 운송관에 대한 시편으로서, 콘크리트 강도 및 두께를 변수로 하는 상기 콘크리트 시편(200)을 활용하여 투기성능을 비교하고 정량적 투기계수를 산출할 수 있다.
구체적으로, 상기 진공측 챔버(110)를 진공 상태로 유지하고 상기 대기압 챔버(120)에 공기를 비가압으로 주입하고, 주입된 공기가 상기 콘크리트 시편(200)을 통과시, 상기 대기압 챔버(120) 및 상기 진공측 챔버(110)의 시간에 따른 압력변화량을 측정한 후, 상기 콘크리트 시편(200)의 시간당 투기율을 결정할 수 있다.
이때, 상기 콘크리트 시편(200)의 두께가 달라도 상기 진공측 챔버(110)의 크기를 일정하게 유지하여 상기 콘크리트 시편(200)의 투기특성에 따라 투과 유입된 공기 분자량의 차이가 동일한 체적의 진공측 챔버(110) 내 기압변화에 영향을 주고, 상기 진공측 챔버(110) 체적이 동일하므로 상기 콘크리트 시편(200)의 기체 투과 특성이 직접 기압변화에 반영된다.
또한, 후술하는 도 15d에 도시된 바와 같이, 시편 어댑터 모듈(180)은 상기 밀폐용 원통부재(130) 외주면에 형성되어 상기 콘크리트 시편(200)이 거치되도록 볼트로 조이면서 상기 제1 실링부재(170a)를 압착하여 밀폐(Sealing)시킬 수 있다.
한편, 도 14는 본 발명의 실시예에 따른 콘크리트 시편의 투기계수 측정용 시험장치를 예시하는 사시도 및 사진이고,
도 15a 내지 도 15d는 각각 본 발명의 실시예에 따른 콘크리트 시편의 투기계수 측정용 시험장치를 구체적으로 나타내는 도면들로서,
도 15의 a)는 평면도이고,
도 15의 b)는 측면도이며,
도 15의 c)는 도 15의 b)에 도시된 A-A를 절개선으로 하는 단면도이고, 도 15의 d)는 도 15의 c)에 도시된 B 영역을 구체적으로 나타내는 도면이다.
본 발명의 실시예에 따른 콘크리트 시편의 투기계수 측정용 시험장치의 경우, 도 14에 도시된 바와 같이, 50㎜의 두께를 갖는 콘크리트 시편을 장착할 수 있는 제1 투기계수 측정용 시험장치(100a) 및 250㎜의 두께를 갖는 콘크리트 시편을 장착할 수 있는 제2 투기계수 측정용 시험장치(100b)를 각각 포함할 수 있고, 각각 진공펌프(140)에 선택적으로 연결될 수 있다.
또한, 도 15에 도시된 바와 같이, 시편 두께에 따라 중간에 설치되는 시편 어댑터 모듈(180) 및 벨로우즈의 길이를 변동시킬 수 있다. 이에 따라, 도 15의 d)에 도시된 바와 같이, 시편 어댑터 모듈(180)은 볼트를 조이면서 실링부재인 오링을 실링시킬 수 있다.
한편, 도 16은 본 발명의 실시예에 따른 콘크리트 시편의 투기계수 측정용 시험장치에서 제1 및 제2 실링부재의 연결을 나타내는 도면이고, 도 17은 본 발명의 실시예에 따른 콘크리트 시편의 투기계수 측정용 시험장치에서 실링부재의 밀폐 및 공기 투과 유입경로를 나타내는 도면으로서, 도 17의 a)는 실링부재의 밀폐를 나타내는 도면이고, 도 17의 b)는 공기 투과 유입경로를 나타내는 도면이다.
도 16에 도시된 바와 같이, 제1 실링부재(170a)는 상기 콘크리트 시편(200)을 상기 진공측 챔버(110) 및 대기압 챔버(120) 사이에 거치시 상기 콘크리트 시편(200)의 밀폐를 위해 도브테일 홈에 삽입된다.
제2 실링부재(170b)는 상기 진공측 챔버(110) 및 대기압 챔버(120)의 밀폐를 위해 상기 밀폐용 원통부재(130) 내주면에 삽입된다. 이때, 나사볼트를 조이면 제2 실링부재(170b)가 눌려 변형되면서 챔버에 밀착되어 밀폐를 확보할 수 있다.
여기서, 여기서, 상기 제1 및 제2 실링부재(170a, 170b)는 고무재질의 오링일 수 있다.
또한, 도 17의 a)에 도시된 바와 같이, 제1,2 실링부재(170a, 170b)에 의해 밀폐될 수 있으며, 도 17의 b)에 도시된 바와 같이 대기압 챔버(120)로부터 진공측 챔버(110)로의 공기 투과 유입경로가 형성된다.
구체적으로, 상기 콘크리트 시편(200)이 장착되는 상하의 진공측 챔버(110) 및 대기압 챔버(120)는 고무 오링으로 시편에 밀착되고, 상기 콘크리트 시편(200) 측면은 밀폐용 원통부재(130)로 상하의 진공측 챔버(110) 및 대기압 챔버(120)를 감싸는 형태로 오링으로 밀착되며,
이때, 기체의 유입경로는 콘크리트 시편(200)의 상부 면을 통해 유입되는 경로 외에는 모든 경로는 차단된다.
한편, 하이퍼루프 튜브용 콘크리트 운송관은 튜브형 운송관 내부를 진공 상태로 만들었을 때, 외부는 대기압 상태이고 내부는 대기압의 1/1000의 압력 상태인 튜브형 운송관 내부 및 외부의 압력차에 의해 외부 공기가 콘크리트 부재의 외주면을 투과하여 내부로 유입되어 내부 기압이 서서히 증가하게 된다
이때, 튜브형 운송관 내부의 진공 상태를 유지하기 위해서는 콘크리트 부재의 공극을 통해 외부에서 내부로 유입되는 공기량을 최소화할 필요가 있으며, 콘크리트 부재의 기체 투과 특성은 콘크리트의 강도와 두께에 따라 다르고, 내부 및 외부의 압력차에 따라서도 달라지므로, 이를 고려해야 한다.
즉, 낮은 강도의 콘크리트는 공극이 많아서 기체 투과량이 많으므로 두께 증가 필요하고, 높은 강도는 밀도가 높아서 기체 투과량이 적으므로 두께 감소가 가능하다. 따라서, 튜브형 운송관 내부의 진공도를 유지하는 데 필요한 적정한 강도와 두께의 조합을 찾아서 설계에 반영할 필요가 있다.
이에 따라, 본 발명의 실시예의 경우, 다양한 강도와 두께를 조합한 콘크리트 시편(200)을 대상으로 동일한 조건으로 시험을 수행할 수 있다.
전술한 바와 같이, 콘크리트 시편(200)은, 배합에 따라 강도를 다양하게 설정할 수 있고, 크기는 지름 300㎜로 일정하며, 또한 두께를 철근 배근 등을 고려한 최소 두께인 최소 50㎜에서 튜브 제작 경제성을 고려한 최대 두께인 최대 250㎜까지 다양한 조건으로 제작된다. 여기서, 상기 콘크리트 시편(200)의 변수로서 강도와 두께를 고려한다.
본 발명의 실시예에 따른 콘크리트 시편의 투기계수 측정용 시험장치의 경우, 동일한 시험조건으로서, 먼저 시험 전에 콘크리트 시편(200) 자체의 공극 내에 갇혀 있는 공기를 제거하고, 이후 상기 콘크리트 시편(200)을 기준으로 일정한 압력차를 만든 상태에서 투과시험을 시작하며,
다음으로 상기 진공측 챔버(110)의 체적을 상기 콘크리트 시편(200)의 두께에 상관없이 일정하게 하여 기압변화를 측정한다. 여기서, 상기 진공측 챔버(110)의 체적을 일정하게 유지하는 이유는 진공측 챔버(110)의 체적에 따라 동일한 콘크리트 시편(200)이라도 기압변화의 속도가 달라지기 때문이다.
여기서, 기체 압력은 일정한 체적의 공간에 존재하는 기체 입자의 분자량에 의해 결정되므로, 동일한 시편인 경우 유입되는 기체 입자의 분자량이 동일하므로 진공측인 챔버의 체적에 따라 계측되는 기압변화 양상은 다르게 나타날 수 있다.
도 18은 본 발명의 실시예에 따른 콘크리트 시편의 투기계수 측정용 시험장치의 체적별 기압변화를 나타내는 도면이다.
도 18에 도시된 바와 같이, 강도와 두께가 같은 콘크리트 시편에 대해서 공기 투과량이 동일하더라도 챔버의 체적이 다르면 기압 증가속도가 달라지고,
도 18의 a)에 도시된 체적 A인 장치의 콘크리트 시편이
도 18의 b)에 도시된 체적 B인 장치의 콘크리트 시편보다 공기 투과성이 더 좋다고 잘못된 평가를 할 수 있다. 실제로는 동일한 콘크리트 시편이지만 실험결과만으로는 틀린 분석을 할 수 있으므로, 진공측 챔버(110)의 체적을 일정하게 유지하는 것이 중요하다.
한편, 도 19는 본 발명의 실시예에 따른 콘크리트 시편의 투기계수 측정용 시험장치가 콘크리트 시편의 두께가 달라져도 동일한 체적을 유지하는 것을 나타내는 도면이고, 도 20은 본 발명의 실시예에 따른 콘크리트 시편의 투기계수 측정용 시험장치에서 콘크리트 시편의 두께가 다른 경우의 기압변화를 나타내는 도면이다.
도 19에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 콘크리트 시편의 투기계수 측정용 시험장치가 콘크리트 시편의 두께가 달라져도 동일한 체적을 유지하도록 구성할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 콘크리트 시편의 투기계수 측정용 시험장치는, 도 20의 a) 및 b)에 도시된 바와 같이, 상기 콘크리트 시편(200)의 두께가 달라도 상기 진공측 챔버(110)의 크기를 일정하게 유지하여 시편의 투기특성에 따라 투과 유입된 공기 분자량의 차이가 동일한 체적의 챔버 내 기압변화에 영향을 주게 된다. 이때, 상기 진공측 챔버(110)의 체적이 동일하므로 콘크리트 시편(200)의 기체 투과 특성이 직접 기압변화에 반영된다.
한편, 도 21은 본 발명의 실시예에 따른 콘크리트 시편의 투기계수 측정용 시험장치에서 콘크리트 시편의 공극 변화에 따른 기압변화 양상을 나타내는 도면이다.
도 21의 a) 및 b)에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 콘크리트 시편의 투기계수 측정용 시험장치(100)에서, 시편 A가 밀도는 낮고 공극이 큰 경우이고, 시편 B는 밀도가 높고 공극이 작은 경우로서,
도 21의 c)에 도시된 바와 같이, 시편 A의 기압변화는 진공측이 완전히 대기압 상태에 도달할 때까지 기체를 유입하며, 또한, 시편 B의 기압변화는 대기압보다 낮은 기압 수준에서 부재를 통해 기체를 더는 빨아들이지 못하는 평형상태(포화상태)를 이루는 것을 알 수 있다.
이에 따라, 본 발명의 실시예에 따른 콘크리트 시편의 투기계수 측정용 시험장치(100)의 경우, 콘트리트 시편(200)의 공극 특성에 따른 기압변화 양상과 포화상태를 이루는 압력을 비교하여 파악할 수 있다.
다시 말하면, 본 발명의 실시예에 따른 콘크리트 시편의 투기계수 측정용 시험장치에 따르면, 하이퍼루프 튜브용 콘크리트 운송관의 내부는 진공을 유지하고, 외부는 대기압 조건인 사용 환경과 콘크리트 부재를 통한 기압변화의 특성, 즉, 내부 진공압이 일정한 수준 이상 증가하지 않는 포화상태를 이루는 특성을 고려한 장치라고 할 수 있다.
구체적으로, 사용환경 측면을 고려하여 별도의 가압을 하거나 특수한 기체를 사용하지 않고, 대기압과 1/1000 기압 수준의 아진공 상태에서의 조건에서 대기중의 기체가 진공측으로 유입되는 시험 조건을 구현할 수 있다.
또한, 아진공 튜브 내부는 기체 유입으로 기압이 증가하다가 일정 수준에서 안정된 포화상태를 이루게 된다. 이것은 콘크리트 내부의 공극이 오리피스와 같은 역할을 하여 내부와 외부의 압력차가 일정한 수준에 도달하면 공극에서의 저항으로 더 이상 기체가 투과하지 못하기 때문이며, 콘크리트 시편(200)의 밀도에 대응하는 강도와 두께에 따라 포화상태를 이루는 압력 수준이 다르게 나타난다.
결국, 본 발명의 실시예에 따른 콘크리트 시편의 투기계수 측정용 시험장치의 경우, 초고속 튜브철도용 콘크리트 운송관에 대한 콘크리트 재료의 물리적 특성으로서 투기계수를 정량적으로 측정하기 위하여, 콘크리트 강도 및 두께를 변수로 하는 콘크리트 시편을 활용하여 시간에 따른 기압변화 속도와 일정한 기압에 도달하는 시간을 측정함으로써, 투기성능을 비교하여 정량적 투기계수를 산출할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 진공측 챔버의 체적이 일정한 체적을 유지하도록 구성함으로써, 대기압 챔버로부터 콘크리트 시편을 투과하여 진공측 챔버로 이동하는 공기의 기압변화를 콘크리트 시편의 두께에 상관없이 측정할 수 있다.
[콘크리트 시편의 투기계수 측정용 시험장치를 이용한 시험방법]
도 22는 본 발명의 실시예에 따른 콘크리트 시편의 투기계수 측정용 시험장치를 이용한 시험방법을 나타내는 동작흐름도이고, 도 23은 본 발명의 실시예에 따른 콘크리트 시편의 투기계수 측정용 시험장치를 이용한 시험방법을 구체적으로 나타내는 도면이다.
도 22를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 콘크리트 시편의 투기계수 측정용 시험장치를 이용한 시험방법은,
먼저, 초고속 이동체계용 콘크리트 운송관의 투기계수 측정용 시험장치를 이용한 시험방법으로서, 진공측 챔버(110), 대기압 챔버(120), 밀폐용 원통부재(130) 및 진공펌프(140)로 이루어진 투기계수 측정용 시험장치(100)의 밀폐용 원통부재(130) 내에 상기 콘크리트 시편(200)을 거치한다(S110).
즉, 도 23의 a)에 도시된 바와 같이, 상하 동일한 크기의 상기 진공측 챔버(110) 및 대기압 챔버(120) 사이에 거치된 콘크리트 시편(200)을 밀폐용 원통부재(130)로 밀폐시키되, 후술하는 제1 및 제2 실링부재(170a, 170b)를 통해 완벽히 밀폐시킨다.
구체적으로, 상기 투기계수 측정용 시험장치(100)는, 상부 개방형 원통형 챔버로서, 하부에 거치되고, 진공펌프(140)에 의해 진공을 유지하는 진공측 챔버(110); 상기 진공측 챔버(110)와 동일한 체적을 갖는 하부 개방형 챔버로서, 상기 진공측 챔버(110)의 상부에 거치되어 외부 공기가 유입되는 대기압 챔버(120); 상기 진공측 챔버(110)의 상단부 및 상기 대기압 챔버(120) 하단부 사이에 거치된 콘크리트 시편(200)을 밀폐시키는 밀폐용 원통부재(130); 및 진공펌프 연결배관을 통해 상기 진공측 챔버(110) 및 상기 대기압 챔버(120) 내부를 진공 상태로 형성하는 진공펌프(140);를 포함하여 구성된다.
이때, 상기 콘크리트 시편(200)의 두께가 달라도 상기 진공측 챔버(110) 및 대기압 챔버(120)의 체적을 동일하게 유지한다.
예를 들면, 상기 콘크리트 시편(200)은 30㎝의 지름을 갖는 원판형 시편으로서 50~250㎜ 범위의 두께를 조절할 수 있다. 즉, 상기 콘크리트 시편(200)의 크기는 지름 300㎜로 고정하고, 두께를 50~250㎜까지 변화시킬 수 있어 상기 콘크리트 시편(200)의 두께 변화에 따른 투기성능 변화를 측정할 수 있다.
다음으로, 제1 실링부재(170a)를 사용하여 콘크리트 시편(200)을 밀폐시키고, 제2 실링부재(170b)를 사용하여 진공측 챔버(110) 및 대기압 챔버(120)를 밀폐시킨다(S120).
여기서, 상기 제1 실링부재(170a)는 상기 콘크리트 시편(200)을 상기 진공측 챔버(110) 및 대기압 챔버(120) 사이에 거치시 상기 콘크리트 시편(200)의 밀폐를 위해 도브테일 홈에 삽입되고,
상기 제2 실링부재(170b)는 상기 진공측 챔버(110) 및 대기압 챔버(120)의 밀폐를 위해 상기 밀폐용 원통부재(130) 내주면에 삽입된다. 예를 들면, 상기 제1 및 제2 실링부재(170a, 170b)는 고무재질의 오링일 수 있다. 또한, 상기 투기계수 측정용 시험장치(100)는, 상기 밀폐용 원통부재(130) 외주면에 형성되어 상기 콘크리트 시편(200)이 거치되도록 볼트로 조이면서 상기 제1 실링부재(170a)를 압착하여 밀폐시키는 시편 어댑터 모듈(180)을 추가로 포함할 수 있다.
다음으로, 상기 콘크리트 시편(200)이 초기에 갖고 있는 공기량을 제거하도록 공기를 배출하는 아웃개싱(Outgassing)을 수행한다(S130).
이때, 상기 진공측 챔버(110)의 제1 밸브(113) 및 상기 대기압 챔버(120)의 제2 밸브(123)를 각각 개방(On)시키고 진공펌프(140)를 사용하여 진공 상태로 만든다.
즉, 도 23의 b)에 도시된 바와 같이, 상기 콘크리트 시편(200)이 밀폐된 상태에서 상하의 진공측 챔버(110) 및 대기압 챔버(120) 내부의 공기를 상기 진공펌프(140)로 빼내어 내부를 진공 상태로 만들고, 상기 콘크리트 시편(200) 내부 공극의 공기를 배출한다.
다음으로, 아웃개싱 완료후 진공펌프(140)를 사용하여 진공측 챔버(110)는 진공 상태로 하고 대기압 챔버(120)는 외부 공기를 유입시킨다(S140).
즉, 도 23의 c)에 도시된 바와 같이, 아웃개싱이 완료된 상태에서 상부의 대기압 챔버(120)의 제2 공기유입 밸브(126)를 열어 대기압 상태로 만들고, 상부의 대기압 챔버(120)는 대기압 상태가되게 하고, 하부의 진공측 챔버(110)는 진공 상태로 만들어 기압차를 갖게 한다.
다음으로, 상기 콘크리트 시편(200)을 통해 상기 대기압 챔버(120)로부터 상기 진공측 챔버(110)로 공기를 투과시키면서 압력 변화를 측정하고, 투기계수를 산출한다(S150).
즉, 도 23의 d)에 도시된 바와 같이, 기압차로 인해 상부의 대기압 챔버(120)의 공기 입자가 상기 콘크리트 시편(200)을 통해 하부의 진공측 챔버(110)로 이동하며, 이때, 압력 게이지를 통해 하부의 진공측 챔버(110)의 기압변화를 기록한다.
구체적으로, 상기 진공측 챔버(110)를 진공 상태로 유지하고 상기 대기압 챔버(120)에 공기를 비가압으로 주입하고, 주입된 공기가 상기 콘크리트 시편(200)을 통과시, 상기 대기압 챔버(120) 및 상기 진공측 챔버(110)의 시간에 따른 압력변화량을 측정한 후, 상기 콘크리트 시편(200)의 시간당 투기율을 결정할 수 있다.
이에 따라, 본 발명의 실시예에 따른 콘크리트 시편의 투기계수 측정용 시험장치를 이용한 시험방법은, 상기 콘크리트 시편(200)은 콘크리트 운송관에 대한 시편으로서, 콘크리트 강도 및 두께를 변수로 하는 상기 콘크리트 시편(200)을 활용하여 투기성능을 비교하고 정량적 투기계수를 산출할 수 있다.
한편, 도 24는 본 발명의 실시예에 따른 콘크리트 시편의 투기계수 측정용 시험장치를 이용한 시험방법에서 시간 경과에 따른 하부 진공측 챔버의 기압변화를 나타내는 그래프이다.
도 24에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 콘크리트 시편의 투기계수 측정용 시험장치를 이용한 시험방법에서 시간 경과에 따른 하부 진공측 챔버의 기압변화는 아웃개싱 단계인 초기 감압 단계 이후, 투기실험을 실시하며, 후속적인 계측 데이터의 분석 방법은 다음과 같다.
도 25는 본 발명의 실시예에 따른 콘크리트 시편의 투기계수 측정용 시험장치를 이용한 시험방법에서 아웃개싱 측정 양상을 나타내는 도면이고, 도 26은 본 발명의 실시예에 따른 콘크리트 시편의 투기계수 측정용 시험장치를 이용한 시험방법에서 공기 투과 측정 양상을 나타내는 도면이다.
압력 변화 계측 데이터의 양상에 따라, 챔버 상단 및 하단의 각각의 제1,2 압력게이지(115, 125)를 통해 압력 변화를 각각 계측한다.
이때, 상기 콘크리트 시편(200)의 투기 특성으로서 밀도에 따라 압력 변화 양상이 다르게 나타난다.
도 25는 아웃개싱(Out-gassing) 과정에서의 압력 변화 그래프를 나타내며, 도 26은 공기 투과(투기) 과정에서의 압력 변화 그래프로서, 상부의 대기압 챔버를 대기압 상태로 하였을 때 콘크리트 시편의 밀도에 따른 하부의 진공측 챔버의 압력 변화 그래프를 나타내며, 상기 콘크리트 시편(200)의 투기 특성으로서 밀도에 따라 압력 변화 양상이 다르게 나타나는 것을 알 수 있다.
한편, 실험결과로부터 얻은 시간-기압변화 곡선을 이용하여 실제 콘크리트 시편(200) 고유의 물리적 특성치를 산출하는 방법은 다음과 같다.
도 27a 내지 도 27c는 각각 본 발명의 실시예에 따른 콘크리트 시편의 투기계수 측정용 시험장치를 이용한 시험방법의 실험결과를 나타내는 그래프들이다.
먼저, 기압 하중(Gas Load)은 콘크리트 시편(200)의 체적 내부로 유입되는 단위시간당 공기량을 말한다. 실험결과에 따라, 도 27a에 도시된 바와 같이, 기압하중(
Figure 112022131119611-pat00001
)은 다음의 수학식 1과 같이 계산된다.
이때, 측정 그래프로부터 다음의 수학식 1과 같이 시간당 기압하중(
Figure 112022131119611-pat00002
)[단위: torr.㎤/sec]의 변화량을 계산함으로써 투기계수를 산출할 수 있다.
[수학식 1]
Figure 112022131119611-pat00003
여기서,
Figure 112022131119611-pat00004
는 일정시간 간격(
Figure 112022131119611-pat00005
)에 대한 압력 변화량을 나타내며,
Figure 112022131119611-pat00006
는 챔버 체적을 나타낸다.
다음으로, 투기율(Outgassing Rate)은 콘크리트 시편 표면적당 공기유입 비율로 나타낼 수 있으며, 도 27b에 도시된 바와 같이, 공기유입율(
Figure 112022131119611-pat00007
)은 투기계수(
Figure 112022131119611-pat00008
)를 콘크리트 시편 내부 표면적으로 나누어 산출할 수 있다.
[수학식 2]
Figure 112022131119611-pat00009
여기서,
Figure 112022131119611-pat00010
는 기압 증가 기울기로서,
Figure 112022131119611-pat00011
로 주어진다.
다음으로, 도 27c에 도시된 바와 같이, 투기계수(
Figure 112022131119611-pat00012
)[단위: ㎡]는 다음의 수학식 2와 같이 산출된다.
[수학식 3]
Figure 112022131119611-pat00013
여기서,
Figure 112022131119611-pat00014
는 기체의 점도로서, 20℃의 대기압에서 1.81 × 105 Pa.sec로 주어진다. 또한, Z는 시편의 높이[단위: m)를 나타내며, V는 장치의 체적[단위: m3]을 나타내고, A는 기체 단면적으로서, π× r2[단위: ㎡]으로 주어지며, 이때, r은 시편의 반지름을 나타낸다. 또한,
Figure 112022131119611-pat00015
은 대기 압력으로서, 1.325kPa로 주어진다.
결국, 본 발명의 실시예에 따르면, 초고속 튜브철도용 콘크리트 운송관의 기밀성능 측정을 위한 표준적인 시험장치, 시험방법 및 분석결과를 통해 신뢰성 있는 투기성능을 측정할 수 있고, 또한, 콘크리트 재료의 물리적 특성 및 제원에 따른 기밀성능 측정이 가능함으로써 성능 측정 결과를 이용하여 경제적이고 최적화된 단면을 설계할 수 있다.
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
100: 투기계수 측정용 시험장치
100a: 제1 투기계수 측정용 시험장치(50㎜ 두께 시편용)
100b: 제2 투기계수 측정용 시험장치(250㎜ 두께 시편용)
200: 콘크리트 시편
110: 진공측 챔버
111: 하부 하우징 112: 제1 진공펌프 연결 배관
113: 제1 밸브(M/V) 114: 제1 공기유입 배관
115: 제1 압력 게이지 116: 제1 공기유입 밸브
120: 대기압 챔버
121: 상부 하우징 122: 제2 진공펌프 연결 배관
123: 제2 밸브 124: 제2 공기유입 배관
125: 제2 압력 게이지 126: 제2 공기유입 밸브
130: 밀폐용 원통부재
131: 원통부재 하우징 132: 제3 진공펌프 연결 배관
133: 제3 밸브 140: 진공펌프
150: 지지프레임 160: 이동바퀴
170a, 170b: 제1,2 실링부재(고무재질 오링)
180: 시편 어댑터 모듈

Claims (19)

  1. 초고속 이동체계용 콘크리트 운송관의 투기계수 측정용 시험장치에 있어서,
    상부 개방형 원통형 챔버로서, 하부에 거치되고, 진공펌프(140)에 의해 진공을 유지하는 진공측 챔버(110);
    상기 진공측 챔버(110)와 동일한 체적을 갖는 하부 개방형 챔버로서, 상기 진공측 챔버(110)의 상부에 거치되어 외부 공기가 유입되는 대기압 챔버(120);
    상기 진공측 챔버(110)의 상단부 및 상기 대기압 챔버(120) 하단부 사이에 거치된 콘크리트 시편(200)을 밀폐시키는 밀폐용 원통부재(130); 및
    진공펌프 연결배관을 통해 상기 진공측 챔버(110) 및 상기 대기압 챔버(120) 내부를 진공 상태로 형성하는 진공펌프(140);를 포함하되,
    상기 콘크리트 시편(200)은 콘크리트 운송관에 대한 시편으로서, 콘크리트 강도 및 두께를 변수로 하는 상기 콘크리트 시편(200)을 활용하여 투기성능을 비교하고 정량적 투기계수를 산출하며,
    상기 밀폐용 원통부재(130)는, 상기 진공측 챔버(110)의 상단부 및 상기 대기압 챔버(120)의 하단부 외주면을 감싸서 밀폐시키도록 결합되는 원통부재 하우징(131); 상기 원통부재 하우징(131)의 외주면 일측에 형성되어 상기 진공펌프(140)와 연결되는 제3 진공펌프 연결 배관(132); 및 상기 제3 진공펌프 연결 배관(132)을 개폐시키는 제3 밸브(133)를 포함하는 콘크리트 시편의 투기계수 측정용 시험장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 진공측 챔버(110)를 진공 상태로 유지하고 상기 대기압 챔버(120)에 공기를 비가압으로 주입하고, 주입된 공기가 상기 콘크리트 시편(200)을 통과시, 상기 대기압 챔버(120) 및 상기 진공측 챔버(110)의 시간에 따른 압력변화량을 측정한 후, 상기 콘크리트 시편(200)의 시간당 투기율을 결정하는 것을 특징으로 하는 콘크리트 시편의 투기계수 측정용 시험장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 콘크리트 시편(200)의 두께가 달라도 상기 진공측 챔버(110) 및 대기압 챔버(120)의 체적을 동일하게 유지하는 것을 특징으로 하는 콘크리트 시편의 투기계수 측정용 시험장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 콘크리트 시편(200)은 30㎝의 지름을 갖는 원판형 시편으로서 50~250㎜ 범위의 두께가 조절되는 것을 특징으로 하는 콘크리트 시편의 투기계수 측정용 시험장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 진공측 챔버(110)는,
    상면이 개방된 원통형의 하부 하우징(111);
    상기 하부 하우징(111)의 외주면에 형성되어 상기 진공펌프(140)와 연결되는 제1 진공펌프 연결 배관(112);
    상기 제1 진공펌프 연결 배관(112)을 개폐시키는 제1 밸브(113);
    상기 하부 하우징(111)의 외주면에 형성되어 외부 공기가 유입되는 제1 공기유입 배관(114);
    상기 하부 하우징(111)의 외주면에 설치되어 압력을 측정하는 제1 압력 게이지(115); 및
    상기 제1 공기유입 배관(114)을 개폐시키는 제1 공기유입 밸브(116)를 포함하는 콘크리트 시편의 투기계수 측정용 시험장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 대기압 챔버(120)는,
    하면이 개방된 원통형의 상부 하우징(121);
    상기 상부 하우징(121)의 외주면에 형성되어 상기 진공펌프(140)와 연결되는 제2 진공펌프 연결 배관(122);
    상기 제2 진공펌프 연결 배관(122)을 개폐시키는 제2 밸브(123);
    상기 상부 하우징(121)의 외주면에 형성되어 외부 공기가 유입되는 제2 공기유입 배관(124);
    상기 상부 하우징(121)의 외주면에 형성되어 압력을 측정하는 제2 압력 게이지(125); 및
    상기 제2 공기유입 배관(124)을 개폐시키는 제2 공기유입 밸브(126)를 포함하는 콘크리트 시편의 투기계수 측정용 시험장치.
  7. 삭제
  8. 제1항에 있어서,
    상기 콘크리트 시편(200)을 상기 진공측 챔버(110) 및 대기압 챔버(120) 사이에 거치시 상기 콘크리트 시편(200)의 밀폐를 위해 도브테일 홈에 삽입되는 제1 실링부재(170a); 및
    상기 진공측 챔버(110) 및 대기압 챔버(120)의 밀폐를 위해 상기 밀폐용 원통부재(130) 내주면에 삽입되는 제2 실링부재(170b)를 추가로 포함하는 콘크리트 시편의 투기계수 측정용 시험장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 실링부재(170a, 170b)는 고무재질의 오링(O-ring)인 것을 특징으로 하는 콘크리트 시편의 투기계수 측정용 시험장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 밀폐용 원통부재(130) 외주면에 형성되어 상기 콘크리트 시편(200)이 거치되도록 볼트로 조이면서 상기 제1 실링부재(170a)를 압착하여 밀폐시키는 시편 어댑터 모듈(180)를 추가로 포함하는 콘크리트 시편의 투기계수 측정용 시험장치.
  11. 초고속 이동체계용 콘크리트 운송관의 투기계수 측정용 시험장치를 이용한 시험방법에 있어서,
    a) 진공측 챔버(110), 대기압 챔버(120), 밀폐용 원통부재(130) 및 진공펌프(140)로 이루어진 투기계수 측정용 시험장치(100)의 밀폐용 원통부재(130) 내에 콘크리트 시편(200)을 거치하는 단계;
    b) 상기 콘크리트 시편(200)이 초기에 갖고 있는 공기량을 제거하도록 공기를 배출하는 아웃개싱(Outgassing)을 수행하는 단계;
    c) 아웃개싱 완료후 진공펌프를 사용하여 상기 진공측 챔버(110)는 진공 상태로 하고 상기 대기압 챔버(120)는 외부 공기를 유입하는 단계; 및
    d) 상기 콘크리트 시편(200)을 통해 상기 대기압 챔버(120)로부터 진공측 챔버(110)로 공기를 투과시키면서 압력 변화를 측정하고 투기계수를 산출하는 단계;를 포함하되,
    상기 콘크리트 시편(200)은 콘크리트 운송관에 대한 시편으로서, 콘크리트 강도 및 두께를 변수로 하는 상기 콘크리트 시편(200)을 활용하여 투기성능을 비교하고 정량적 투기계수를 산출하며, 상기 a)단계의 상기 밀폐용 원통부재(130)는, 상기 진공측 챔버(110)의 상단부 및 상기 대기압 챔버(120) 하단부 사이에 거치된 콘크리트 시편(200)을 밀폐시키는 것으로서, 진공측 챔버(110)의 상단부 및 상기 대기압 챔버(120)의 하단부 외주면을 감싸서 밀폐시키도록 결합되는 원통부재 하우징(131); 상기 원통부재 하우징(131)의 외주면 일측에 형성되어 상기 진공펌프(140)와 연결되는 제3 진공펌프 연결 배관(132); 및 상기 제3 진공펌프 연결 배관(132)을 개폐시키는 제3 밸브를 포함하는것을 특징으로 하는 콘크리트 시편의 투기계수 측정용 시험장치를 이용한 시험방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 d) 단계에서, 상기 진공측 챔버(110)를 진공 상태로 유지하고 상기 대기압 챔버(120)에 공기를 비가압으로 주입하고, 주입된 공기가 상기 콘크리트 시편(200)을 통과시, 상기 대기압 챔버(120) 및 상기 진공측 챔버(110)의 시간에 따른 압력변화량을 측정한 후, 상기 콘크리트 시편(200)의 시간당 투기율을 결정하는 것을 특징으로 하는 콘크리트 시편의 투기계수 측정용 시험장치를 이용한 시험방법.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 콘크리트 시편(200)의 두께가 달라도 상기 진공측 챔버(110) 및 대기압 챔버(120)의 체적을 동일하게 유지하는 것을 특징으로 하는 콘크리트 시편의 투기계수 측정용 시험장치를 이용한 시험방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 콘크리트 시편(200)은 30㎝의 지름을 갖는 원판형 시편으로서 50~250㎜ 범위의 두께가 조절되는 것을 특징으로 하는 콘크리트 시편의 투기계수 측정용 시험장치를 이용한 시험방법.
  15. 제11항에 있어서, 상기 투기계수 측정용 시험장치(100)는,
    상부 개방형 원통형 챔버로서, 하부에 거치되고, 진공펌프(140)에 의해 진공을 유지하는 진공측 챔버(110);
    상기 진공측 챔버(110)와 동일한 체적을 갖는 하부 개방형 챔버로서, 상기 진공측 챔버(110)의 상부에 거치되어 외부 공기가 유입되는 대기압 챔버(120);
    상기 진공측 챔버(110)의 상단부 및 상기 대기압 챔버(120) 하단부 사이에 거치된 콘크리트 시편(200)을 밀폐시키는 밀폐용 원통부재(130); 및
    진공펌프 연결배관을 통해 상기 진공측 챔버(110) 및 상기 대기압 챔버(120) 내부를 진공 상태로 형성하는 진공펌프(140);를 포함하는 콘크리트 시편의 투기계수 측정용 시험장치를 이용한 시험방법.
  16. 제11항에 있어서,
    상기 b) 단계를 수행하기 전에 제1 실링부재(170a)를 사용하여 콘크리트 시편을 밀폐시키고, 제2 실링부재(170b)를 사용하여 진공측 챔버(110) 및 대기압 챔버(120)를 밀폐시키는 것을 특징으로 하는 콘크리트 시편의 투기계수 측정용 시험장치를 이용한 시험방법.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 제1 실링부재(170a)는 상기 콘크리트 시편(200)을 상기 진공측 챔버(110) 및 대기압 챔버(120) 사이에 거치시 상기 콘크리트 시편(200)의 밀폐를 위해 도브테일 홈에 삽입되고, 상기 제2 실링부재(170b)는 상기 진공측 챔버(110) 및 대기압 챔버(120)의 밀폐를 위해 상기 밀폐용 원통부재(130) 내주면에 삽입되는 것을 특징으로 하는 콘크리트 시편의 투기계수 측정용 시험장치를 이용한 시험방법.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 실링부재(170a, 170b)는 고무재질의 오링인 것을 특징으로 하는 콘크리트 시편의 투기계수 측정용 시험장치를 이용한 시험방법.
  19. 제17항에 있어서,
    상기 투기계수 측정용 시험장치(100)는, 상기 밀폐용 원통부재(130) 외주면에 형성되어 상기 콘크리트 시편(200)이 거치되도록 볼트로 조이면서 상기 제1 실링부재(170a)를 압착하여 밀폐시키는 시편 어댑터 모듈(180)을 추가로 포함하는 콘크리트 시편의 투기계수 측정용 시험장치를 이용한 시험방법.
KR1020220168952A 2022-12-06 2022-12-06 콘크리트 시편의 투기계수 측정용 시험장치 및 이를 이용한 시험방법 KR102515087B1 (ko)

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