[논문]굳지 않은 모르타르의 채널 플로와 레올로지 특성의 상관관계

신태용; 이진현; 김재홍; 김명규

doi:10.5762/kais.2016.17.7.237

[국내논문] 굳지 않은 모르타르의 채널 플로와 레올로지 특성의 상관관계
Correlation between Channel-Flow Test Results and Rheological Properties of Freshly Mixed Mortar 원문보기

한국산학기술학회논문지 = Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, v.17 no.7, 2016년, pp.237 - 244

신태용 (울산과학기술원 도시환경공학부) , 이진현 (울산과학기술원 도시환경공학부) , 김재홍 (울산과학기술원 도시환경공학부) , 김명규 (경남과학기술대학교 기계공학과)

초록
AI-Helper

모르타르를 포함한 건설재료의 작업성은 시공 품질을 결정짓는 중요한 요소 중 하나이다. 콘크리트 등 건설재료의 작업성을 정량적으로 표현할 수 있는 레올로지 특성은 상용화된 레오미터를 통해 측정할 수 있지만, 경제적 또는 공간적 제약으로 인해 실제 시공현장에서의 사용에는 한계가 있다. 많은 건설현장에서는 콘크리트 또는 모르타르의 작업성을 평가하기 위해 슬럼프 플로 시험 등을 통해 정성적으로 재료의 시공성능을 평가하고 있다. 이 논문에서는 시공현장에서 간편하게 모르타르의 레올로지 특성을 측정할 수 있는 채널 플로 시험과 레올로지 특성과의 상관관계식을 제안하고자 한다. 이를 위해서 VOF기법을 이용한 유동 해석을 진행하였으며, 유동 시뮬레이션 결과를 로그함수 모델로 일반화하여 채널 플로 길이와 정지시간을 데이터베이스화 하였다. 수립된 데이터베이스를 기준으로 최소 자승법을 이용한 회귀분석을 진행하였고, 결과적으로 6개의 매개변수로 구성된 모르타르의 채널 플로 시험 결과와 레올로지 특성의 상관관계식을 도출하였다. 또한, 상용 레오미터로 측정한 레올로지 특성과 채널 플로 실험결과로부터 예측된 레올로지 특성을 비교검증 함으로써 제안된 상관관계식의 현장적용 가능성을 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

The workability of mortar determines its construction performance in a structure showing its designed resistance to external loads. Measuring the rheological properties of mortar is one way of quantifying its workability, but its field-applications are limited due to economical and spatial issues. The robustness of the slump flow test allows its use for evaluating the workability of mortar, even though it is a rather qualitative test method. This paper proposes a channel flow test and develops a correlation between its result and the rheological properties of mortar. The volume-of-fluid simulation for the channel flow test was accomplished, and a numerical database for the correlation was composed. A correlation model to estimate the rheological properties of mortar using the results of the channel flow test as inputs is proposed.

Keyword

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

본 연구에서는 고유동 모르타르의 채널 플로 시험을 제안하고, 이에 대한 해석적인 분석을 통해 정량적인 레올로지 특성 추정식을 도출하고자 한다. 해석적인 분석은 VoF(Volume-of-Fluid)기법을 이용하여 채널 플로 과정을 시뮬레이션하였다.

가설 설정

재료부피분율의 계산값이 특정 임계값보다 클 때, 유체가 공간을 채운다고 가정하여 단일유체의 경계면을 예측할 수 있다. 본 연구에서는 일반적으로 적용되는 C=0.
시뮬레이션을 위한 주요한 입력변수는 유체의 항복응력과 소성점도, 그리고 유체의 밀도이다. 유체의 밀도는 일반적인 모르타르의 밀도인 2,200 kg/m³로 동일하게 가정하였으며, 또한 모르타르를 빙햄모델(Bingham Model)로 가정하여 항복응력과 소성점도를 입력하였다.

제안 방법

해석적인 분석은 VoF(Volume-of-Fluid)기법을 이용하여 채널 플로 과정을 시뮬레이션하였다. 모르타르의 채널 플로-유동은 로그함수 모델로 일반화하여 채널 플로 시험결과에 대한 데이터베이스를 수립하였다. 이러한 데이터베이스를 기반으로 회귀분석을 통해 빙햄유체(Bingham Fluid)로 가정한 모르타르의 항복응력(Yield Stress)과 소성점도 (Plastic Viscosity)를 추정할 수 있는 상관관계식을 도출하였다.
채널 플로 시뮬레이션을 위한 모델링은 실제 시험기 크기와 동일하나 효율적 해석을 위해 1/2 대칭모형으로 모델링하였으며, 모델 상부는 개방하고 하부와 양 측면을 전단구속하여 경계조건을 설정하였다. 요소의 크기는 해석시간을 최소화 하면서 비교적 정확한 값을 얻을 수있는 10 mm로 설정하였고, 사용된 요소의 총 개수는 2,700개 이다[8].
1 sec로 설정하였다. 즉, 초당 10 프레임씩 총 650 프레임의 채널 플로에서의 유체의 거동을 해석하였다. 참고로, 채널 플로 시뮬레이션의 계산 시간은 4 thread Intel Core i5-4670 3.
시뮬레이션을 위한 주요한 입력변수는 유체의 항복응력과 소성점도, 그리고 유체의 밀도이다. 유체의 밀도는 일반적인 모르타르의 밀도인 2,200 kg/m³로 동일하게 가정하였으며, 또한 모르타르를 빙햄모델(Bingham Model)로 가정하여 항복응력과 소성점도를 입력하였다.
시간에 따른 흐름곡선에 대한 데이터베이스를 구성하기 위해 지수함수(Exponential Function) 또는 로그함수 (Logarithmic Function)를 이용하여 매개변수화를 시도 하였다[9]. Fig.
최종적으로 모르타르의 채널 플로 시뮬레이션은 항복 응력 0-60 Pa, 소성점도 1-100 Pa·s 범위에서 총 48 종류의 레올로지 특성에 대해 진행하였다.
일반적으로 콘크리트의 슬럼프 플로(흐름의 최종 길이)는 재료의 항복응력과, 흐름의 정지 시간은 소성점도와 관련이 있다고 알려져 있다[10-11]. 이러한 상관관계는 채널 플로 시험에 대해서도 유효하였으며, 정량적인 분석을 위해 Fig. 4에 레올로지 특성과 채널 플로 시뮬레이션 결과를 비교하여 도시하였다.
제안된 상관관계식의 실험적 검증을 위해 다양한 유동성을 보이는 모르타르 샘플을 준비하였다. 모르타르 샘플은 물, 시멘트, 모래의 배합비를 질량 비 0.35:1:1.5로 제조하였으며, 유동성은 폴리카본산계 고성능 감수제를 시멘트 질량 대비 0.10%~0.16%를 사용하여 제어하였다. 사용한 시멘트의 종류는 1종 포틀랜드 시멘트이며, 모래는 시멘트 강도 측정 용 표준사를 사용하였다.
고성능 감수제의 사용량과 측정 시간을 적절히 조절하여, Table 2와 같이 총 14개 샘플의 채널 플로와 정지 시간을 측정하였다.
또한, 실내 실험실에서 사용 가능한 모르타르용 레오미터를 사용하여 샘플의 레올로지 특성을 측정하였다. 사용된 레오미터는 회전형 레오미터로 내부 용기의 내경은 74 mm이고, 회전을 전달하는 베인의 직경은 50 mm 이다.
채널 플로 시험은 현장에서 모르타르의 유동성을 간편하게 측정할 수 있는 방법이다. 본 연구에서는, 채널 플로 시험에 대한 VoF 시뮬레이션을 통해 시험 결과와 재료의 레올로지 특성의 상관관계식을 도출하였다. 이 예측식을 이용하면, 채널 플로 시험으로 측정되는 흐름 길이와 정지 시간으로부터 모르타르의 항복응력과 소성 점도를 계산할 수 있다.

대상 데이터

최적화된 채널 플로 시험기는 Fig. 1과 같이, 너비와 높이가 100 mm이고 길이가 800 mm 개수로 형태이다. 한쪽 변에 위치한 가로, 세로, 높이가 모두 100 mm인 몰드에 모르타르 재료를 채운 후(사용된 샘플 부피 1 L), 게이트를 개방하여 자중에 의한 모르타르의 흐름을 유도하는 실험이다.
채널 플로 시뮬레이션을 위한 모델링은 실제 시험기 크기와 동일하나 효율적 해석을 위해 1/2 대칭모형으로 모델링하였으며, 모델 상부는 개방하고 하부와 양 측면을 전단구속하여 경계조건을 설정하였다. 요소의 크기는 해석시간을 최소화 하면서 비교적 정확한 값을 얻을 수있는 10 mm로 설정하였고, 사용된 요소의 총 개수는 2,700개 이다[8]. 총 해석시간(Step Time)은 65 sec이고 시간 증분(Time Increment)는 0.
제안된 상관관계식의 실험적 검증을 위해 다양한 유동성을 보이는 모르타르 샘플을 준비하였다. 모르타르 샘플은 물, 시멘트, 모래의 배합비를 질량 비 0.
16%를 사용하여 제어하였다. 사용한 시멘트의 종류는 1종 포틀랜드 시멘트이며, 모래는 시멘트 강도 측정 용 표준사를 사용하였다.
또한, 실내 실험실에서 사용 가능한 모르타르용 레오미터를 사용하여 샘플의 레올로지 특성을 측정하였다. 사용된 레오미터는 회전형 레오미터로 내부 용기의 내경은 74 mm이고, 회전을 전달하는 베인의 직경은 50 mm 이다. 용기 내에 샘플을 약 130 mm 높이까지 채워 측정을 하므로, 측정에 사용되는 샘플의 부피는 0.

데이터처리

모르타르의 채널 플로-유동은 로그함수 모델로 일반화하여 채널 플로 시험결과에 대한 데이터베이스를 수립하였다. 이러한 데이터베이스를 기반으로 회귀분석을 통해 빙햄유체(Bingham Fluid)로 가정한 모르타르의 항복응력(Yield Stress)과 소성점도 (Plastic Viscosity)를 추정할 수 있는 상관관계식을 도출하였다.

이론/모형

본 연구에서는 고유동 모르타르의 채널 플로 시험을 제안하고, 이에 대한 해석적인 분석을 통해 정량적인 레올로지 특성 추정식을 도출하고자 한다. 해석적인 분석은 VoF(Volume-of-Fluid)기법을 이용하여 채널 플로 과정을 시뮬레이션하였다. 모르타르의 채널 플로-유동은 로그함수 모델로 일반화하여 채널 플로 시험결과에 대한 데이터베이스를 수립하였다.
따라서 동일한 시험의 신뢰성을 확보하면서, 시험 샘플의 부피를 줄일 수 있다. 채널 플로 시험은 그라우트 유동성 시험법인 EN 13395-2 규격에 착안하여, 자중에 의한 층류를 유도하도록 설계되었다.
채널 플로-유동 데이터베이스 수립을 위한 채널 플로의 시뮬레이션은 VoF기법을 이용하여 진행하였다[7]. 연속방정식과 운동방정식을 지배방정식으로 하는 비압축성 유체의 거동은 다음과 같은 Navier-Stokes 방정식으로 속도장(v)을 구성한다.
채널 플로-유동 데이터베이스 수립을 위한 채널 플로의 시뮬레이션은 VoF기법을 이용하여 진행하였다[7]. 연속방정식과 운동방정식을 지배방정식으로 하는 비압축성 유체의 거동은 다음과 같은 Navier-Stokes 방정식으로 속도장(v)을 구성한다.
두 지배방정식의 해는 유한요소법, 즉 오이러리안 요소 내 속도장과 재료부피분율이 두 미분방정식으로 표현되도록 가중잔여법(Weighted Residual Method)을 이용하여 구할 수 있다.
56 L이다. 토크-회전속도 관계를 측정한 후 Reiner-Riwlin 식을 이용하여 샘플의 항복응력과 소성점를 계산하였다. 모르타르용 레오미터를 이용한 측정방법과 레올로지 특성 계산 과정은 사전 연구[12]를 참고하고, 그 결과를 정리하면, Table 2와 같다.

성능/효과

결과적으로 샘플의 항복응력은 흐름의 정지시간과 상관없이 오직 채널 플로(C_f)만으로 결정된다(Fig. 4(a) 참조):
비교 그래프 Fig. 6(a)를 통해, 이 논문에서 제안한 항복응력 예측식과 레오미터를 이용한 측정식은 결정계수 0.9 이상으로 유사한 경향성을 가짐을 확인할 수 있다. 만약 다른 형태의 모르타르용 레오미터를 사용한다면, 이 경향성은 달라진다.
(1) 모르타르의 항복응력은 채널 플로 흐름 길이와 지수함수의 관계를 가지며 정지 시간과는 무관하다.
(2) 소성점도의 경우에는 채널 플로 흐름 길이와 정지 시간에 모두 영향을 받고, 대체적으로 정지 시간에 따라 증가한다.
(3) 다양한 모르타르 샘플의 채널 플로 시험 결과와 상용 레오미터로 측정한 결과를 비교한 결과, 상용 레오미터로 측정한 항복응력과 소정점도는 이론값과 편향된 결과를 보였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	모르타르란?	모르타르는 물, 시멘트, 잔 골재를 배합하여 생산하는 건설재료의 종류로, 긴장재 쉬스관 충전, 교좌 받침 부 타설 등 응력집중이 발생할 수 있는 부분에 주로 사용되고 있다. 또한, 최근 개발된 초고성능 콘크리트(Ultrahigh Performance Concrete, UHPC) 등에서는 섬유보강된 형태의 모르타르로 최고 180 MPa까지 배합 설계되고 있다.
	슬럼프 플로 시험의 경우 어떻게 측정하는가?	콘크리트의 유동성 측정을 위해 주로 사용하는 슬럼프 플로 시험(KS F 2594, ASTM C 1611)의 경우, 상단 지름 100 mm, 하단 지름 200 mm, 높이 300 mm의 원기둥 형태 샘플이 퍼져나가는 지름을 측정한다. 샘플의 부피는 약 5.
	모르타르를 사용할 때 장점은?	그에 반해 모르타르의경우 굵은 골재를 사용하지 않으므로, 골재 최대 치수는5 mm로 줄어든다. 따라서 동일한 시험의 신뢰성을 확보하면서, 시험 샘플의 부피를 줄일 수 있다. 채널 플로 시험은 그라우트 유동성 시험법인 EN 13395-2 규격에 착안하여, 자중에 의한 층류를 유도하도록 설계되었다.

참고문헌 (12)

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용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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