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문제 정의
- 본 연구는 기포제 혼입률에 따른 시멘트 페이스트의 역학적 성능을 평가하기 위한 실험으로써, 단면 화상 이미지를 통한 FEM 해석을 하여 비교 및 검증을 하였다. Table 2는 본 실험의 배합을 나타내었다.
- 본 연구에서는 구조용 경량 기포 콘크리트의 역학적 성능을 평가하고 FEM 해석을 통해 검증을 하기 위한 선행 연구로써 기포제 혼입률에 따른 시멘트 페이스트를 제작하여 압축강도, 탄성계수, 단위 용적 질량 등 역학적 성능 평가를 실시하였다. 그 후 화상 이미지를 이용한 기포제 혼입 시멘트 페이스트 내부를 FEM 해석을 실시하여 역학적 성능 비교 및 검증을 실시하였다.
- 본 연구에서는 기포제 혼입률에 따른 시멘트 페이스트의 역학적 성능을 평가하고 화상 이미지를 이용한 FEM 해석을 통해 검증을 실시한 결과 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
가설 설정
- 각각 시험체의 탄성계수와 포아송비를 측정하여 해석 데이터의 페이스트 부분의 탄성계수와 포아송비로 사용하였다. 공극의 탄성계수는 공극이 이상기체라고 가정하였으며 이상기체 상태방정식과 Taylor expansion을 이용하여 식(4)를 도출하였다. 공극의 포아송비는 하중이 가해져도 하중 방향과 수직인 방향으로의 변위가 없기 때문에 0으로 하였다.
제안 방법
- 3) FEM 해석 : Mesh가 생성된 이미지를 이용하여 FEM 해석을 실시한다. 응력과 변형률이 이미지에 표시되며 각각 이미지의 응력과 변형률 값의 평균을 이용하여 응력-변형률 그래프를 표현하고 이를 이용하여 탄성계수를 구한다.
- 4) 화상 입력 및 화상 처리 : 표면 연마한 시험체를 화상 현미경과 카메라를 이용하여 촬영을 실시한다. 시험체 단면을 촬영한 화상은 프로그램에서 Color과 Brightness, Contrast 조절을 하여 공극 부분이 최대한 분석되도록 한다.
- Figure 3과 같이 무게의 측정이 0.1g까지 가능한 전자저울을 이용하여 1000㎖ 메스실린더에 시멘트 페이스트를 1000㎖ 눈금까지 붓고 용기의 중량을 뺀 시료의 중량(w1)을 측정하였다. 기포제 혼입 시멘트 페이스트의 단위 용적 질량은 다음 (1)식을 이용해 3회의 평균값으로 하였다.
- 각각 시험체의 탄성계수와 포아송비를 측정하여 해석 데이터의 페이스트 부분의 탄성계수와 포아송비로 사용하였다. 공극의 탄성계수는 공극이 이상기체라고 가정하였으며 이상기체 상태방정식과 Taylor expansion을 이용하여 식(4)를 도출하였다.
- Table 3은 본 연구의 역학적 성능 평가 실험의 측정 항목을 나타낸다. 경화 되지 않은 기포제 혼입 시멘트 페이스트에서는 플로 시험을 하였고 경화된 시멘트 페이스트에서는 압축강도, 탄성계수와 콘크리트 간극계수 측정하기 위한 화상카메라로 페이스트와 공극을 구별할 수 있는 이미지 촬영을 실시하였다. 공통적으로 단위 용적 질량을 측정하였다.
- 기포제가 혼입된 시멘트 페이스트는 혼입량에 따라 내부 공극의 크기 및 개수가 증가하기 때문에 압축강도가 감소하며 이에 따라 탄성계수도 감소한다. 공극의 크기 및 개수에 따른 탄성계수를 확인하기 위하여 FEM 해석을 실시하여 실험 데이터와 비교 및 검증을 하였다.
- 경화 되지 않은 기포제 혼입 시멘트 페이스트에서는 플로 시험을 하였고 경화된 시멘트 페이스트에서는 압축강도, 탄성계수와 콘크리트 간극계수 측정하기 위한 화상카메라로 페이스트와 공극을 구별할 수 있는 이미지 촬영을 실시하였다. 공통적으로 단위 용적 질량을 측정하였다. 압축강도 시험 및 단위 용적 질량을 측정하기 위해 Φ 50×100mm 시험체와 단면 이미지 촬영을 위한 40×40×160mm 시험체를 제작하였다.
- 본 연구에서는 구조용 경량 기포 콘크리트의 역학적 성능을 평가하고 FEM 해석을 통해 검증을 하기 위한 선행 연구로써 기포제 혼입률에 따른 시멘트 페이스트를 제작하여 압축강도, 탄성계수, 단위 용적 질량 등 역학적 성능 평가를 실시하였다. 그 후 화상 이미지를 이용한 기포제 혼입 시멘트 페이스트 내부를 FEM 해석을 실시하여 역학적 성능 비교 및 검증을 실시하였다.
- Table 2는 본 실험의 배합을 나타내었다. 기포제 혼입 시멘트 페이스트의 내부 공극의 변화를 파악하기 위해 기포제 혼입률을 0, 0.2, 0.4, 0.6, 0.8, 1.0, 1.2%의 7 수준으로 정하였다. 추 후 구조용 경량 기포 콘크리트에 관한 연구를 진행하기 위해 물-결합재비는 고강도 배합인 20%로 실시하였다.
- Figure 10은 화상분석기를 이용하여 기포제 혼입 시멘트 페이스트의 재령 28일 표면 이미지와 공극만 인식된 이미지를 나타낸 것이다. 기포제 혼입률이 증가함에 따라 시험체 단면의 공극 개수 및 크기가 증가하였고 이를 토대로 FEM 해석을 실시하였다.
- Table 5는 본 실험에서 사용한 기포제의 물리적 특성을 나타낸다. 기포제는 S사의 액상화된 합성 기포제를 사용하여 균질성 문제와 믹싱 문제를 해결하였다. 혼화제는 D사의 폴리카르본산계 고성능감수제를 사용하였다.
- 기포 투입 방식은 소포 발생에 의한 체적 변화를 최소화 및 현장 적용성이 높은 후기포 방식을 사용하였다. 또한 믹싱 후 즉시 플로 및 단위 용적 질량 시험을 실시하였으며 동시에 시험체를 제작하였다.
- 추 후 구조용 경량 기포 콘크리트에 관한 연구를 진행하기 위해 물-결합재비는 고강도 배합인 20%로 실시하였다. 또한 양생 온도는 20℃로 하였으며 양생 조건은 타설 직후부터 탈형 전(24시간)까지 밀봉 양생을 하였고 그 후 압축강도 시험일인 3일, 7일, 14일, 28일 까지 수중양생을 실시하였다. 기포 투입 방식은 소포 발생에 의한 체적 변화를 최소화 및 현장 적용성이 높은 후기포 방식을 사용하였다.
- 수중양생이 끝난 시험체의 물기를 제거하여 표건 상태의 무게(ws)를 측정하였고 그 후 건조로에 105±5℃로 24시간 건조시킨 후 실온이 될 때 까지 냉각하여 절건 상태의 무게(wd)를 측정하였다.
- 4) 화상 입력 및 화상 처리 : 표면 연마한 시험체를 화상 현미경과 카메라를 이용하여 촬영을 실시한다. 시험체 단면을 촬영한 화상은 프로그램에서 Color과 Brightness, Contrast 조절을 하여 공극 부분이 최대한 분석되도록 한다.
- 3) FEM 해석 : Mesh가 생성된 이미지를 이용하여 FEM 해석을 실시한다. 응력과 변형률이 이미지에 표시되며 각각 이미지의 응력과 변형률 값의 평균을 이용하여 응력-변형률 그래프를 표현하고 이를 이용하여 탄성계수를 구한다.
- 2%의 7 수준으로 정하였다. 추 후 구조용 경량 기포 콘크리트에 관한 연구를 진행하기 위해 물-결합재비는 고강도 배합인 20%로 실시하였다. 또한 양생 온도는 20℃로 하였으며 양생 조건은 타설 직후부터 탈형 전(24시간)까지 밀봉 양생을 하였고 그 후 압축강도 시험일인 3일, 7일, 14일, 28일 까지 수중양생을 실시하였다.
- 콘크리트는 대표적인 비선형 재료이지만 본 연구에서는 해석 프로그램의 한계로 인하여 선형으로 FEM 해석을 실시하였다.
- Table 7은 FEM 해석의 모델링을 나타낸 표이다. 화상 분석기를 이용하여 공극만 인식된 이미지를 바탕으로 NIST사의 Object-Oriented Finite elements(OOF)[6] 프로그램을 통해 기포제 혼입 시멘트 페이스트 내부 이미지에 대한 FEM 해석을 실시하였다.
- 화상 이미지 분석법은 공극 간격계수를 구하기 위한 장치이지만 본 연구에서는 여기서 얻어지는 공극 내부 화상 이미지를 이용하여 기포제 혼입 시멘트 페이스트의 FEM 해석을 통한 역학적 특성 평가 및 검증을 하기 위해 이 장치를 이용하였다.
대상 데이터
- 압축강도 시험 및 단위 용적 질량을 측정하기 위해 Φ 50×100mm 시험체와 단면 이미지 촬영을 위한 40×40×160mm 시험체를 제작하였다.
- 기포제는 S사의 액상화된 합성 기포제를 사용하여 균질성 문제와 믹싱 문제를 해결하였다. 혼화제는 D사의 폴리카르본산계 고성능감수제를 사용하였다.
데이터처리
- 5) FEM 해석 : 얻어진 화상 이미지를 바탕으로 FEM 해석을 실시하여 응력-변형 곡선 및 탄성계수를 구하고 실험 데이터와 비교한다.
- 기포제 혼입률에 따른 유동성을 평가하기 위해 KS F 2476에 준하여 Figure 2와 같이 기포제 혼입 시멘트 페이스트의 플로를 가장 퍼진 상태와 그와 직교한 방향의 지름을 측정한 평균값으로 하였다.
이론/모형
- 또한 양생 온도는 20℃로 하였으며 양생 조건은 타설 직후부터 탈형 전(24시간)까지 밀봉 양생을 하였고 그 후 압축강도 시험일인 3일, 7일, 14일, 28일 까지 수중양생을 실시하였다. 기포 투입 방식은 소포 발생에 의한 체적 변화를 최소화 및 현장 적용성이 높은 후기포 방식을 사용하였다. 또한 믹싱 후 즉시 플로 및 단위 용적 질량 시험을 실시하였으며 동시에 시험체를 제작하였다.
- 기포제 혼입 시멘트 페이스트의 압축강도 시험 재령은 3, 7, 14, 28일로 하였고, 압축강도 시험방법은 KS F 2405에 준하여 3회를 실시하여 그 평균값으로 하였다.
- 탄성계수 및 포아송비는 KS F 2438에 준하여 재령 28일의 시험체에 스트레인 게이지를 횡방향 및 종방향으로 부착하여 3회를 측정한 평균값으로 하였다.
성능/효과
- 1) 기포제 혼입률이 증가 할수록 플로 값은 감소하며 0.8% 이상에서는 변화가 없었다. 이는 기포제가 혼입됨에 따라 기포제 혼입 시멘트 페이스트의 내부에 공극이 발생하여 유동성에 영향을 주기 때문인 것으로 사료된다.
- 2) 기포제 혼입률이 0.8%에서 모든 상태의 단위 용적 질량이 최소가 되었으며 기포제가 0.8% 이상 혼입되면 기포제 혼입 시멘트 페이스트 내부의 독립 기포가 깨지거나 상호간 연결이 되어 오히려 단위 용적 질량이 증가하는 것을 확인하였다.
- 3) 기포제 혼입률이 증가할수록 기포제 혼입 시멘트 페이스트의 공극률은 증가하였다. 또한 공극률이 증가할 때 압축강도는 선형적으로 감소하였으며 추 후 공극률을 이용하여 압축강도를 추정할 것으로 판단된다.
- 4) 기포제 혼입률이 0.8%까지 증가할수록 탄성계수 및 압축강도가 감소함을 확인하였으며 기포제 혼입률이 0.8% 이상에서는 뚜렷한 경향성을 보이지 않았다. 추 후 탄성계수를 이용하여 압축강도를 추정할 것으로 판단된다.
- 6) 콘크리트는 대표적인 비선형 재료이나 본 연구에서는 선형 구간에서만 FEM 해석을 실시하였으며 이러한 이유로 인하여 실험 탄성계수와 해석 탄성계수가 오차가 발생하였다. 추 후 비선형 FEM 해석을 실시한다면 탄성계수 간 오차가 좁혀질 것으로 판단된다.
- Figure 9는 재령 28일 압축강도에 따른 탄성계수를 나타낸 것이다. 기포제 혼입량이 0.8% 까지 증가할수록 압축강도와 탄성계수가 감소함을 확인하였다. 그러나 기포제 혼입량이 0.
- Figure 7은 재령 28일 공극률에 따른 압축강도의 관계를 나타낸 것이다. 기포제 혼입률이 0.8%까지 증가할수록 공극률은 증가하였고 이와 반대로 압축강도는 감소하였으며 또한 공극률이 증가함에 따라 압축강도는 거의 선형적으로 감소함을 확인하였다. 기포제 혼입률이 0.
- Figure 5는 기포제 혼입률에 따른 재령 28일 플로 값을 나타낸 것이다. 기포제 혼입률이 0.8%까지 증가할수록 플로 값은 감소하며 0.8% 이상에서는 플로 값의 변화가 거의 없었다. 기포제가 혼입됨에 따라 페이스트 내부에 미세 공극이 증가하기 때문에 기포제 혼입 시멘트 페이스트의 유동성에 영향을 미치는 것으로 사료된다.
- 이는 시멘트 페이스트 내부의 미세 기포가 깨지거나 상호 연결이 되기 때문인 것으로 사료된다. 따라서, 본 실험을 통하여 기포제 혼입률이 0.8%에서 단위 용적 질량이 최소가 되는 최대 기포제 혼입률을 확인하였다.
- 3) 기포제 혼입률이 증가할수록 기포제 혼입 시멘트 페이스트의 공극률은 증가하였다. 또한 공극률이 증가할 때 압축강도는 선형적으로 감소하였으며 추 후 공극률을 이용하여 압축강도를 추정할 것으로 판단된다.
- Fresh, 표건 상태, 절건 상태 순으로 단위 용적 질량이 작았으며 Table 6과 같이 단위 용적 질량의 변동계수값을 통해 단위 용적 질량의 오차가 작은 것을 확인하였다. 또한 기포제 혼입률이 0.8% 까지 증가할수록 단위 용적 질량은 감소하였다. 그러나 기포제 혼입률이 0.
- 그 결과 Table 8과 같이 FEM 해석을 하기 위한 입력데이터를 지정하였다. 본 연구에서는 해석 프로그램의 한계로 인하여 선형으로 FEM 해석을 하였으며 콘크리트의 소성구간이 표현되지 않기 때문에 탄성계수를 비교 했을 때 약간의 오차가 발생했다. 추 후 비선형 FEM 해석을 실시한다면 탄성계수의 오차가 거의 없을 것으로 판단되며 정확한 탄성계수의 예측이 가능할 것으로 판단된다.
- Figure 11은 기포제 혼입 시멘트 페이스트의 재령 28일 응력-변형률 해석을 나타낸다. 실험 데이터와 마찬가지로 기포제 혼입률이 증가할수록 같은 변형률에 대해 응력값이 감소함을 확인하였다. Table 9와 Figure 12는 탄성계수의 실험 데이터와 해석 데이터를 비교한 것이다.
후속연구
- 5) FEM 해석을 실시한 결과 탄성계수의 실험 데이터와 해석 데이터가 거의 유사하였으며 추 후 화상 이미지를 이용하여 FEM 해석을 실시하고 탄성계수를 도출하여 압축강도를 추정할 수 있을 것으로 판단된다.
- 또한 Table 6과 같이 압축강도의 변동계수 값을 통해 압축강도의 오차가 작은 것을 확인하였으며 이를 통해 본 실험의 신뢰성을 확보하였다. 이를 통해 내부 공극을 이용하여 기포제 혼입 시멘트 페이스트의 압축강도 추정이 가능할 것으로 사료된다.
- 6) 콘크리트는 대표적인 비선형 재료이나 본 연구에서는 선형 구간에서만 FEM 해석을 실시하였으며 이러한 이유로 인하여 실험 탄성계수와 해석 탄성계수가 오차가 발생하였다. 추 후 비선형 FEM 해석을 실시한다면 탄성계수 간 오차가 좁혀질 것으로 판단된다.
- 본 연구에서는 해석 프로그램의 한계로 인하여 선형으로 FEM 해석을 하였으며 콘크리트의 소성구간이 표현되지 않기 때문에 탄성계수를 비교 했을 때 약간의 오차가 발생했다. 추 후 비선형 FEM 해석을 실시한다면 탄성계수의 오차가 거의 없을 것으로 판단되며 정확한 탄성계수의 예측이 가능할 것으로 판단된다.
- 선형 해석으로 인하여 실험 데이터와 해석 데이터가 약간의 오차가 발생하였으나 거의 일치하였다. 추 후 이미지를 통해 FEM 해석을 실시하여 탄성계수를 도출하고 이를 통하여 압축강도 추정이 가능할 것으로 사료된다.
- 8% 이후에서는 기포제 혼입 시멘트 페이스트 내부의 독립기포의 상호간 연결 현상으로 인해 공극률이 증가하면서 압축강도가 높아져 역전현상이 발생하였다. 추 후 최적 기포제 혼입량을 바탕으로 탄성계수를 이용하여 압축강도를 추정할 수 있을 것으로 사료된다.
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