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문제 정의
- 본 연구에서는 노후화된 구조물의 손상 정도를 평가하기 위해 실험실에서 제작되어 5년 이상 경과된 콘크리트 재료를 대상으로 물성을 파악하여 상관성을 비교하였고, 콘크리트 재료에 충격을 가하여 충격 후의 탄성파속도를 측정하고 손상도를 산출하여 다음과 같은 결론을 도출하였다.
- 주 부재가 노후화되거나 내부 손상을 입게 되면 강성의 변화로 순간적인 붕괴에 이르게 될 수도 있다. 본 연구에서는 노후화된 콘크리트 구조물의 손상 정도를 평가하기 위해 실험실에서 제작되어 5년 이상 경과된 무근 콘크리트 재료를 대상으로 압축강도 산출 및 성분 함량 분석을 하여 물성을 평가하였고, 재료에 직접적인 충격을 가하여 충격 후 측정된 탄성파속도 값으로 손상도 변화 양상을 도시하였으며, 재료의 물성과 충격에너지에 따른 손상도를 비교하였다.
제안 방법
- Table 6은 산출된 샘플의 충격에너지 값을 보여 주고 있다. NC-1, NC-2는 Round당 75.46 Joules의 충격에너지와 15번의 충격횟수로 충격을 가하였고, NC-3은 Round당 75.46 Joules의 충격에너지와 25번의 충격횟수로 충격을 가하였다. 또한, 1번의 충격에 따른 최대 충격력은 NC-1과 NC-2는 8.
- 특히, 건물해체공사 및 발파공사로 발생하는 비석에 의한 직접 충격과 충격에 의한 진동은 주 부재에 대한 손상에 영향을 주게 되며, 이러한 직접적인 충격이나 충격에 의한 진동은 충격에너지와 밀접한 관계에 있다. 따라서, 콘크리트 재료에 직접적인 충격에너지를 가하여 충격 후의 손상도를 비교하였다. 콘크리트 재료의 손상도는 초음파 탐상 시험의 직접 투과법(입정방부, 1997)에 의한 탄성파 속도 값으로 도출하였다.
- 실험에 사용된 SEM기기는 일본 Jeol사의 JSM-5900이며, X선 회절 분석에 사용된 분말 샘플을 가지고 상 분석을 실시하였다. 또한, 상 분석 데이터를 통해 샘플의 주 원소인 Si원소와 Ca원소에 대한 함량(%) 분석도 실시하였다. Fig.
- SiO2성분이 대부분을 차지하였고, CaCO3성분은 주 회절각에서만 뚜렷하였다. 또한, 정성 분석을 실시한 샘플들의 성분 파형으로 정량 분석을 실시하였다. Fig.
- 초음파 탐상 시험으로 구조물의 음속, 판 두께, 균열 깊이, 피복 두께, 내부공극 및 강도를 측정할 수 있다(입정방부, 1997). 본 연구에서는 직접 투과법으로 초음파 통과시간을 측정하여 각 위치별 탄성파 속도를 추정하고, 동일한 충격 포인트에 충격을 가한 후의 탄성파 속도를 산출하여 콘크리트 재료의 손상 정도를 파악하였다
- 따라서, 현재 시설물 및 건축물의 안전 진단을 위한 비파괴검사의 한 방법으로 압축강도를 산출해 내기 위한 반발경도가 이용되고 있다(권영웅, 1992; 이규동 외, 2006). 본 연구에서는 현장 적용성이 용이한 반발경도로 압축강도를 추정하였고, X선회절 및 상 분석(Phase analysis)으로 콘크리트 재료의 성분을 분석하여 상관성을 규명하였다.
- Table 4는 샘플들의 원소 함량 분석을 나타낸 것이다. 원소 함량 분석은 Si와 Ca의 두 원소를 대상으로 수행되었으며, 감응도(Intensity)에 따른 백분율(%)로 분석하였다. 여기서, cps는 count per second로서 감응도의 표준 단위이다.
- 충격에너지는 콘크리트 재료의 동일 포인트에 1m 높이에서 낙하하는 구형 Steel ball의 위치에너지로 산정하였다. 충격에너지의 산정은 다음의 식 (3)으로 산출하였다.
- 콘크리트 재료의 성분을 분석하기 위해 각각의 샘플 표면에서 분말을 채취하여 XRD(X-Ray Diffraction) 및 SEM(Scanning Electron Microscope)분석을 수행하였다. 보통 포틀랜트 시멘트의 주성분은 CaO(석회)로서 60~70%를 차지하고, SiO2(규산)가 15~25%정도이다.
- 탄성파속도는 콘크리트 재료 측면의 36개 측정 포인트에서 초음파측정기 (E46, 60Hz)의 송·수진기로 측정한 초음파 통과 시간으로 산출되었고, 충격 후의 탄성파속도는 콘크리트 재료 표면의 충격 포인트에 동일한 충격에너지를 가한 후 동일 측정 포인트에서 측정한 초음파 통과 시간으로 산출되었는데, 이전의 연구(송정언 외, 2009)에서 산출된 탄성파 속도 값을 사용하여 콘크리트 재료의 손상 정도를 평가하였다.
대상 데이터
- 반발경도 시험에 사용된 샘플은 양생 후 5년 이상 경과된 노후 콘크리트 재료로서, 재령계수(α)는 0.65로 산정하였다(기술표준원, 2008).
- 성분의 형태로 잔재하게 된다. 본 연구에 사용된 콘크리트 재료는 5년 이상 된 무근 콘크리트로서, 콘크리트 탄산화가 진행되어 가고 있어 시멘트 주성분이 CaO성분이 아닌 CaCO3성분 형태로 나타나게 된 것이라 사료된다. XRD기기의 정성ㆍ정량 분석에서도 시멘트 주성분인 CaO성분은 분석되지 않았고, CaCO3성분으로 분석되었다.
- 시험에 사용된 콘크리트 재료는 150×150×600mm 규격의 무근콘크리트로서, Table 1에서 나타내고 있는 시멘트:모래:물 배합비를 가진 3개의 샘플로 반발경도 시험을 실시하였으며, 각각의 샘플은 NC-1, NC-2, NC-3으로 표기하였다.
- 실험에 사용된 SEM기기는 일본 Jeol사의 JSM-5900이며, X선 회절 분석에 사용된 분말 샘플을 가지고 상 분석을 실시하였다. 또한, 상 분석 데이터를 통해 샘플의 주 원소인 Si원소와 Ca원소에 대한 함량(%) 분석도 실시하였다.
- X선 회절은 물질 중에 원자가 어떻게 배열되어 있는가를 연구하는 실험 방법 중 하나로 회절에 사용되는 X선의 파장이 원자의 크기와 비슷하여, 각 원자에 의해 만들어지는 산란파가 서로 간섭하여 회절을 일으킨다. 실험에 사용된 XRD기기는 일본 Rigaku사의 D/Max-2500이며, Jade9.1 program으로 샘플의 정성ㆍ정량 분석을 하였다. 샘플의 정성 분석으로 SiO2성분의 주 회절각은 26.
이론/모형
- 65로 산정하였다(기술표준원, 2008). Table 2는 산출된 압축강도이며, 평균 압축강도 추정을 위해 (1)일본 재료학회식, (2)동경도 재료시험소식, (3)일본 건축학회식을 사용하였다. NC-1은 241.
- 반발경도 시험은 한국산업규격 KS F2730 규정(기술표준원, 2008)에 의거하여 각 샘플 당 3cm 간격으로 34개의 반발경도 값(R0)을 얻어 중심값으로부터 ±20%이상 상회하는 값을 제거한 후 추정식에 의한 압축강도(Fc)를 산출하였다.
- 7은 샘플의 탄성파 속도 측정 포인트를 도시한 것이다. 손상된 콘크리트 재료에 대한 손상도의 평가는 일반적으로 손상역학에서 사용되는 손상도 평가식을 사용하였다(Kim et al., 1998).
- 따라서, 콘크리트 재료에 직접적인 충격에너지를 가하여 충격 후의 손상도를 비교하였다. 콘크리트 재료의 손상도는 초음파 탐상 시험의 직접 투과법(입정방부, 1997)에 의한 탄성파 속도 값으로 도출하였다. 탄성파속도는 콘크리트 재료 측면의 36개 측정 포인트에서 초음파측정기 (E46, 60Hz)의 송·수진기로 측정한 초음파 통과 시간으로 산출되었고, 충격 후의 탄성파속도는 콘크리트 재료 표면의 충격 포인트에 동일한 충격에너지를 가한 후 동일 측정 포인트에서 측정한 초음파 통과 시간으로 산출되었는데, 이전의 연구(송정언 외, 2009)에서 산출된 탄성파 속도 값을 사용하여 콘크리트 재료의 손상 정도를 평가하였다.
성능/효과
- 1) 반발경도로 측정한 콘크리트 재료의 압축강도와 콘크리트 재료의 성분 함량을 비교하기 위해 X선 회절 및 상 분석을 실시한 결과, NC-1이 241.3kgf/cm2로 가장 큰 압축강도 값을 나타냈고, 콘크리트 재료의 시멘트 주성분인 CaCO3성분의 함량과 Ca원소의 함량도 NC-1이 26.5%, 28.85%로 가장 높게 나타났다. 또한, NC-2는 각각 149.
- 2) 콘크리트 재료의 손상도를 평가하기 위해 측정 포인트에서 충격 후의 탄성파 속도를 측정하여 산출된 손상도를 비교한 결과, NC-1의 평균 손상도는 1Round 충격 후 0.0189, 2Round 충격 후 0.0214, NC-2의 평균 손상도는 1Round 충격 후 0.0431, 2Round 충격 후 0.0597, NC-3의 평균 손상도는 1Round 충격 후 0.0211, 2Round 충격 후 0.0413의 값을 보였으며, NC-1이 NC-2, NC-3보다 가장 작은 손상도를 나타냈다. 또한, NC-1은 충격 포인트에서 가장 가까운 측정 포인트에서 손상도 변화 양상이 두드러졌으며, NC-2와 NC-3은 전반적인 손상도 증가 양상을 나타냈다.
- 3) 콘크리트 재료의 물성과 충격에너지에 따른 손상도를 비교한 결과, 압축강도가 크고 시멘트 주성분인 CaCO3성분이 높은 NC-1이 NC-2보다 작은 손상도를 나타냈고, 압축강도, CaCO3성분 및 충격 에너지의 양은 유사하지만 최대 충격력이 큰 NC-2가 NC-3보다 손상도가 크게 나타났다. 동일한 충격에너지가 가해질 때 서로 다른 물성을 가진 콘크리트 재료는 압축강도와 성분 함량에 따라 손상도가 달라지고, 동일한 물성의 콘크리트 재료 일지라도 재료 표면에 가해지는 최대 충격력이 크면 재료에 더 큰 손상을 줄 수 있다고 판단된다.
- Round는 충격에너지의 총 양에 따른 총 충격횟수를 나타낸다. NC-1과 NC-2는 0.22kg, 0.44kg, 0.88kg의 질량을 가진 구형 추를 가지고 총 15회의 충격을 가하였고, NC-3은 0.22kg, 0.28kg, 0.44kg의 질량을 가진 구형 추를 가지고 총 25회의 충격을 가하였으며, NC-1, NC-2, NC-3 모두 Round당 충격 에너지의 총 양은 75.46 Joules로 동일하였다. NC-1은 1Round 충격 후 평균 손상도가 0.
- 46 Joules로 동일하였다. NC-1은 1Round 충격 후 평균 손상도가 0.0189, 2Round 충격후 평균 손상도가 0.0214로 산출되었고, NC-2는1Round 충격 후 평균 손상도가 0.0431, 2Round 충격 후 평균 손상도가 0.0597로 산출되었으며, NC-3은 1Round 충격 후 평균 손상도가 0.0211, 2Round 충격 후 평균 손상도가 0.0413으로 산출되었다. 또한, 충격을 가장 직접적으로 받는 25~26번 측정 포인트에서 가장 큰 손상도를 보였는데, NC-1은 1Round 충격 후의 손상도보다 2Round 충격 후의 손상도가 소폭 증가하는 것으로 나타났고, NC-2와 NC-3의 경우2Round 충격 후의 손상도가 1Round 충격 후의 손상도보다 2배 정도 증가하는 것으로 나타났다.
- NC-1은 1Round 충격을 가했을 때 보다 2Round 충격을 가했을 때 충격 포인트에서 아래로 손상도의 증가가 뚜렷한 것으로 나타났지만, 콘크리트 재료의 전반적인 손상도를 보았을 때 우측면으로의 손상도 변화는 큰 차이를 보이지 않았다. NC-2와 NC-3은 1Round 충격을 가했을 때 보다 2Round 충격을 가했을 때 더욱 큰 손상도 변화를 보였고, 전반적으로 콘크리트 재료의 충격 포인트에 가해진 충격의 증가가 손상도 증가로 이어졌다.
- X선 회절에 의한 재료의 정량 분석 결과로 보듯이, CaCO3성분의 함량(%)이 가장 높은 NC-1이 압축강도도 가장 크게 나타났고, NC-2와 NC-3은 CaCO3성분의 함량(%)이 ±1%이내의 오차 범위에서 유사하게 나타났으며, 압축강도 또한 ±3.15kgf/cm2이내의 오차 범위에서 거의 유사하게 나타났다.
- 노후 콘크리트 재료의 손상도를 평가하기 위하여 직접 투과법으로 탄성파 속도를 측정하여 손상도를 산출한 결과, NC-1의 평균 손상도는 1Round 충격 후 0.0189, 2Round 충격 후 0.0214로 나타났고, NC-2의 평균 손상도는 1Round 충격 후 0.0431, 2Round 충격 후 0.0597로 나타났으며, NC-3의 평균 손상도는 1Round 충격 후 0.0211, 2Round 충격 후 0.0413으로 나타났다. 충격 포인트에서 가장 가까운 25~26번 측정 포인트에서의 손상도는 NC-1이 최대 0.
- NC-2와 NC-3은 2장에서 도출된 결과와 같이 유사한 압축강도와 시멘트 성분 함량을 가지고 있는 콘크리트 재료이다. 따라서, NC-2와 NC-3은 동일한 콘크리트 재료로 간주하고 동일한 물성을 가질 때 Round당 충격에너지의 양도 75.46 Joules로 같지만 최대 충격력이 다른 두 샘플의 손상도를 비교하였다. 전반적으로 충격횟수는 적지만 최대 충격력이 큰 NC-2의 손상도가 NC-3보다 크게 나타났고, 충격 포인트에서 가장 가까운 25~26번 측정 포인트에서는 2배 정도의 손상도 차이를 보였다
- 46 Joules의 충격에너지와 25번의 충격횟수로 충격을 가하였다. 또한, 1번의 충격에 따른 최대 충격력은 NC-1과 NC-2는 8.62kgf, NC-3는 4.31kgf로 산출되었다.
- 0413의 값을 보였으며, NC-1이 NC-2, NC-3보다 가장 작은 손상도를 나타냈다. 또한, NC-1은 충격 포인트에서 가장 가까운 측정 포인트에서 손상도 변화 양상이 두드러졌으며, NC-2와 NC-3은 전반적인 손상도 증가 양상을 나타냈다.
- 0kgf/cm2의 평균 압축강도를 나타냈다. 또한, X선 회절 및 상 분석 결과, 콘크리트 재료의 시멘트 주성분인 CaCO3성분의 함량(%)이 NC-1은 26.5%, NC-2는 15.2%, NC-3은 14.0%로 분석되었고, 콘크리트 재료의 주원소인 Ca원소 함량(%)이 NC-1은 28.85%, NC-2는 25.53%, NC-3은25.45%로 분석되었다. X선 회절에 의한 재료의 정량 분석 결과로 보듯이, CaCO3성분의 함량(%)이 가장 높은 NC-1이 압축강도도 가장 크게 나타났고, NC-2와 NC-3은 CaCO3성분의 함량(%)이 ±1%이내의 오차 범위에서 유사하게 나타났으며, 압축강도 또한 ±3.
- 0413으로 산출되었다. 또한, 충격을 가장 직접적으로 받는 25~26번 측정 포인트에서 가장 큰 손상도를 보였는데, NC-1은 1Round 충격 후의 손상도보다 2Round 충격 후의 손상도가 소폭 증가하는 것으로 나타났고, NC-2와 NC-3의 경우2Round 충격 후의 손상도가 1Round 충격 후의 손상도보다 2배 정도 증가하는 것으로 나타났다.
- 0825로 나타났다. 또한, 콘크리트 재료에 따라 1Round 및 2Round 충격 후의 손상도를 도시한 결과, NC-1은 충격 포인트 아래의 측정 포인트에서만 큰 손상도 변화 양상을 보였고, NC-2와 NC-3은 전체적인 손상도 증가 양상을 보였다. 콘크리트 재료의 물성과 충격에너지에 따라 손상도를 비교한 결과, 압축강도가 크고 콘크리트 재료의 시멘트 주성분인 CaCO3성분의 함량이 높은 NC-1이 NC-2보다 손상도가 작게 나타났고, 동일한 재료 상에서 충격에너지의 양은 Round당 75.
- 15kgf/cm2이내의 오차 범위에서 거의 유사하게 나타났다. 상 분석에 의한 원소 함량(%) 분석 결과를 비교하더라도, NC-1이 NC-2와 NC-3보다 Ca원소 함량(%)이 다소 높게 나타났고, NC-2와 NC-3은 거의 유사하게 나타났다. 콘크리트 재료의 압축강도는 재료의 배합비에 따라 달라지는데, 시멘트:모래:물 비에서 시멘트의 배합량에 따라 강도의 척도를 가늠할 수 있지만, Table 1에서 보여 주듯이 초기 콘크리트 재료의배합비에서 시멘트 배합비와 성분 분석에 의한 성분 함량은 다소 차이가 있었는데, 이는 콘크리트 재료의 노후화 진행에 따른 콘크리트 재료의 탄산화로 인한 것이라 사료된다.
- 여기서, cps는 count per second로서 감응도의 표준 단위이다. 샘플의 Ca원소 함량(%)이 NC-1은 28.85%, NC-2는 25.53%, NC-3은 25.45%로 분석되었고, Si원소 함량(%)이 NC-1은 71.15%, NC-2는 74.47%, NC-3은 74.55%로 분석되었다.
- Table 3은 샘플들의 XRD 정량 분석 결과를 나타낸 것이다. 시멘트의 주성분인 CaCO3성분의 함량(%)이 NC-1은 26.5%, NC-2는 15.2%, NC-3은 14.0%로 분석되었고, 모래의 주성분인 SiO2성분의 함량(%)이 NC-1은 73.5%, NC-2는 83.8%, NC-3은 86.0%로 분석되었다.
- 46 Joules의 동일한 충격에너지가 가해진 콘크리트 재료는 물성에 따라 다른 손상도를 나타냈다. 압축강도가 크고 콘크리트 재료의 시멘트 성분 함량이 높은 NC-1이 NC-2보다 작은 손상도를 보이는 것으로 나타났다.
- 46 Joules로 같지만 최대 충격력이 다른 두 샘플의 손상도를 비교하였다. 전반적으로 충격횟수는 적지만 최대 충격력이 큰 NC-2의 손상도가 NC-3보다 크게 나타났고, 충격 포인트에서 가장 가까운 25~26번 측정 포인트에서는 2배 정도의 손상도 차이를 보였다
- 0413으로 나타났다. 충격 포인트에서 가장 가까운 25~26번 측정 포인트에서의 손상도는 NC-1이 최대 0.0839로 나타났고, NC-2는 최대 0.1463, NC-3은 최대 0.0825로 나타났다. 또한, 콘크리트 재료에 따라 1Round 및 2Round 충격 후의 손상도를 도시한 결과, NC-1은 충격 포인트 아래의 측정 포인트에서만 큰 손상도 변화 양상을 보였고, NC-2와 NC-3은 전체적인 손상도 증가 양상을 보였다.
- 또한, 콘크리트 재료에 따라 1Round 및 2Round 충격 후의 손상도를 도시한 결과, NC-1은 충격 포인트 아래의 측정 포인트에서만 큰 손상도 변화 양상을 보였고, NC-2와 NC-3은 전체적인 손상도 증가 양상을 보였다. 콘크리트 재료의 물성과 충격에너지에 따라 손상도를 비교한 결과, 압축강도가 크고 콘크리트 재료의 시멘트 주성분인 CaCO3성분의 함량이 높은 NC-1이 NC-2보다 손상도가 작게 나타났고, 동일한 재료 상에서 충격에너지의 양은 Round당 75.46 Joules으로 같지만 최대 충격력이 큰 NC-2가 NC-3 보다 손상도는 크게 나타났다. 콘크리트 재료의 손상도는 재료의 압축강도와 성분 함량에 따라 달라진다는 것을 알 수 있었고, 콘크리트 재료에 가해지는 충격 에너지의 총 양 뿐만 아니라 충격의 크기와도 관련이 있는 것으로 사료된다.
- 46 Joules으로 같지만 최대 충격력이 큰 NC-2가 NC-3 보다 손상도는 크게 나타났다. 콘크리트 재료의 손상도는 재료의 압축강도와 성분 함량에 따라 달라진다는 것을 알 수 있었고, 콘크리트 재료에 가해지는 충격 에너지의 총 양 뿐만 아니라 충격의 크기와도 관련이 있는 것으로 사료된다.
후속연구
- 15kgf/cm2, 성분 함량 오차 값은±1%이내였다. 콘크리트 재료의 압축강도와 성분 함량에 대한 관계는 상관성이 있는 것으로 판단 되지만, 측정 값의 정확성 및 오차 값의 축소를 위해 더 많은 연구가 요구된다.
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