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문제 정의
- 본 연구에서는 동결 융해 작용을 받는 모르타르 시편의 동탄성계수 및 porosity 변화를 예측하기 위해 초음파 속도 측정(Ultrasonic Pulse Velocity) 실험을 수행하였다. 실험에는 Table 1과 같은 배합비로 제작한 모르타르 시편을 이용하였으며, 잔골재로는 최대 지름 크기 5mm의 강모래를 사용하였다.
- 본 연구에서는 초음파 속도 측정(Ultrasonic Pulse Velocity) 방법을 이용하여 동결 융해 작용을 받는 모르타르 시편의 공극 구조 변화를 예측하기 위한 연구를 수행하였으며, MIP 실험을 통해 예측 결과를 검증하였다. 또한 동결융해에 의한 porosity 변화에 따른 콘크리트의 diffusion coefficient 변화를 확인하였다.
- 본 연구에서는 초음파 측정 시험을 이용하여 동결융해 작용이시멘트 복합체의 동탄성계수 및 porosity 변화에 미치는 영향을 분석하였다. 먼저 초음파 측정 결과로부터 동탄성 계수 및 porosity를 계산하기 위한 이론식을 제시하였으며, 문헌 조사를 통해 얻은 데이터를 이용하여 이론식이 타당하다는 것을 확인하였다.
제안 방법
- 챔버의 온도는 KS F 2456 급속 동결 융해에 대한 콘크리트의 저항 시험 방법에 제시되어 있는 방법을 토대로 최저 -18°C에서 최고 +4°C 사이를 왕복하도록 조절하였다.
- 2의 Mercury Intrusion Porosimeter(Autopore IV)를 이용하였다. 동결 융해 시험 중 매 30cycle 마다 MIP 실험을 수행하였다.
- 동결 융해 실험은 온도를 조절할 수 있는 챔버에서 수행하였다. 챔버의 온도는 KS F 2456 급속 동결 융해에 대한 콘크리트의 저항 시험 방법에 제시되어 있는 방법을 토대로 최저 -18°C에서 최고 +4°C 사이를 왕복하도록 조절하였다.
- 본 연구에서는 초음파 속도 측정(Ultrasonic Pulse Velocity) 방법을 이용하여 동결 융해 작용을 받는 모르타르 시편의 공극 구조 변화를 예측하기 위한 연구를 수행하였으며, MIP 실험을 통해 예측 결과를 검증하였다. 또한 동결융해에 의한 porosity 변화에 따른 콘크리트의 diffusion coefficient 변화를 확인하였다.
- 시편의 크기는 76mm× 76mm×412mm 각주형 시편으로 제작하였으며, 이는 KS F 2456 급속 동결 융해에 대한 콘크리트 저항 시험 방법에 따른 것이다. 시편 제작 후 실험을 수행하기전 28일간 수중 양생하였으며, 초음파 속도는 매 30cycle 마다 측정하였다. 초음파 측정에 의한 porosity 예측 결과를 분석하기 위한 MIP test를 수행하였다.
- 는 통과하는데 소요된 시간을 의미한다. 초음파 속도 측정은 동결 융해 시험 챔버에서 꺼낸 직후 측정하였다.
- 초음파 속도는 모르타르 시편의 길이 방향으로 측정을 수행하였으며, 동결융해 cycle에 따른 공극구조 변화를 측정하기 위해 동결융해 실험 시작 전에 첫 초음파 속도 측정을 하였다. 동결융해 실험 중 매 30cycle 마다 시편을 꺼내 초음파 측정 실험을 수행하였으며, 초음파 속도는 식 (1)을 이용하여 계산하였다.
- 실험에는 모르타르 시편을 이용하였으며, KS F 2456에 제시된 방법을 참조하여 동결 융해 온도 및 cycle 당 시간을 결정하였다. 최종적으로 300cycle 동안 동결 융해 실험을 수행하였는데, 동결 융해 실험 중 30cycle 마다 초음파 속도 측정 및 MIP를 이용한 porosity 측정을 수행하였다. 초음파 속도 측정 결과 cycle이 증가함에 따라 초음파 속도가 감소하는 것을 확인할 수 있었으며, 이론식에 대입하여 동탄성계수 및 porosity를 계산할 수 있었다.
대상 데이터
- 시편의 크기는 76mm× 76mm×412mm 각주형 시편으로 제작하였으며, 이는 KS F 2456 급속 동결 융해에 대한 콘크리트 저항 시험 방법에 따른 것이다.
- MIP는 콘크리트 내부 공극의 pore size distribution을 측정하는 방법으로 동결 융해 전후의 공극 구조 변화를 확인하기 위해 수행되었다. 실험에는 Fig. 2의 Mercury Intrusion Porosimeter(Autopore IV)를 이용하였다. 동결 융해 시험 중 매 30cycle 마다 MIP 실험을 수행하였다.
- 본 연구에서는 동결 융해 작용을 받는 모르타르 시편의 동탄성계수 및 porosity 변화를 예측하기 위해 초음파 속도 측정(Ultrasonic Pulse Velocity) 실험을 수행하였다. 실험에는 Table 1과 같은 배합비로 제작한 모르타르 시편을 이용하였으며, 잔골재로는 최대 지름 크기 5mm의 강모래를 사용하였다. 시편의 크기는 76mm× 76mm×412mm 각주형 시편으로 제작하였으며, 이는 KS F 2456 급속 동결 융해에 대한 콘크리트 저항 시험 방법에 따른 것이다.
데이터처리
- 시편 제작 후 실험을 수행하기전 28일간 수중 양생하였으며, 초음파 속도는 매 30cycle 마다 측정하였다. 초음파 측정에 의한 porosity 예측 결과를 분석하기 위한 MIP test를 수행하였다.
이론/모형
- 콘크리트의 확산계수는 Choi et al.(2017) 이 제시한 porosity와 골재의 혼입량으로부터 염소이온 확산계수 산정하는 방법을 이용하였다.
- 동결융해에 의한 내구성능 변화를 확인하기 위해서 Choi et al.(2017)이 제시한 porosity와 확산계수의 관계식을 이용하여 확산계수를 계산해보았다. 동결 융해 cycle이 증가함에 따라 확산계수가 큰 폭으로 증가하는 것을 확인할 수 있었으며, 초기 확산계수 대비 약 6배 정도 증가하는 것을 확인할 수 있었다.
- 실험에는 모르타르 시편을 이용하였으며, KS F 2456에 제시된 방법을 참조하여 동결 융해 온도 및 cycle 당 시간을 결정하였다. 최종적으로 300cycle 동안 동결 융해 실험을 수행하였는데, 동결 융해 실험 중 30cycle 마다 초음파 속도 측정 및 MIP를 이용한 porosity 측정을 수행하였다.
성능/효과
- 하지만 전체적인 경향을 살펴보면 cycle이 증가할수록 전체 porosity가 증가하는 것을 확인할 수 있다. calculated data는 measured data에 비해 변동폭은 작았으나 동결융해 cycle이 증가함에 따라 porosity가 증가하는 경향은 동일한 것으로 확인되었다. calculated data의 경우에도 measured data와 유사하게 60cycle에서의 90cycle로 넘어가면서 porosity가 감소하는 것으로 나타났는데, 감소량은 크지 않았으며, 이는 90cycle을 측정한 시편의 문제로 판단된다.
- calculated data의 경우에도 measured data와 유사하게 60cycle에서의 90cycle로 넘어가면서 porosity가 감소하는 것으로 나타났는데, 감소량은 크지 않았으며, 이는 90cycle을 측정한 시편의 문제로 판단된다. 결과적으로 measured data와 calculated date 모두 동결 융해 cycle 증가에 따라 porosity가 증가하는 경향을 동일하게 확인되었다.
- 그래프를 보면 동결 융해 cycle이 증가함에 따라 염소이온 확산 계수가 증가하는 것을 확인할 수 있었는데, 90cycle 이전에는 확산계수 변화 폭이 작았으나, 90cycle 이후에는 큰 폭으로 증가하는 것을 확인할 수 있었다. 확산계수의 증가 폭은 porosity에 비해 상당히 큰 폭으로 증가하는 것을 확인할 수 있었는데, porosity는 초기 값 대비 약 30% 가량 증가한 반면 확산계수는 600% 이상 증가한 것으로 나타났다.
- 7은 동결 융해 작용을 받기 전 후의 pore size distribution 을 나타내는 그래프이다. 그래프를 보면 동결 융해를 반기 전에 비해 동결 융해를 받은 이후의 pore size가 전체적으로 증가한 것을 확인할 수 있는데, 특히 10nm 이하의 pore는 거의 없어졌으며, 동결 융해를 받기 전 가장 높은 비율을 차지했던 10~20nm의 pore는 60cycle의 동결 융해 이후 크게 줄어드는 것으로 나타났다. 또한 최대 pore 크기도 약 20,000nm에서 40,000nm로 증가하였는데, 이를 통해 동결 융해에 의해 전체 porosity가 증가하였음을 알 수 있다.
- (2017)이 제시한 porosity와 확산계수의 관계식을 이용하여 확산계수를 계산해보았다. 동결 융해 cycle이 증가함에 따라 확산계수가 큰 폭으로 증가하는 것을 확인할 수 있었으며, 초기 확산계수 대비 약 6배 정도 증가하는 것을 확인할 수 있었다.
- 표를 보면 w/c 비 증가에 따라 초음포 속도가 감소하는 것을 확인할 수 있었으며, 이를 통해 porosity가 증가하는 것을 계산할 수 있었다. 또한 고강도 시멘트를 사용하는 경우 porosity 감소가 나타났으며, 잔골재 혼입량이 증가하는 경우 porosity 또한 감소하는 것을 확인하였다. Fig.
- 본 연구에서는 초음파 측정 시험을 이용하여 동결융해 작용이시멘트 복합체의 동탄성계수 및 porosity 변화에 미치는 영향을 분석하였다. 먼저 초음파 측정 결과로부터 동탄성 계수 및 porosity를 계산하기 위한 이론식을 제시하였으며, 문헌 조사를 통해 얻은 데이터를 이용하여 이론식이 타당하다는 것을 확인하였다.
- 확산계수의 증가 폭은 porosity에 비해 상당히 큰 폭으로 증가하는 것을 확인할 수 있었는데, porosity는 초기 값 대비 약 30% 가량 증가한 반면 확산계수는 600% 이상 증가한 것으로 나타났다. 이를 통해 porosity의 증가 폭이 작은 경우에도 확산계수는 큰 폭으로 증가할 수 있다는 것을 확인할 수 있었다.
- 그래프로부터 cycle이 증가함에 따라 relative dynamic modulus slope가 감소하는 것으로 나타났다. 초기 30cycle까지는 변화량이 작았으나, 90cycle 이후 급격하게 감소하여 실험이 종료되는 300cycle까지 지속적으로 감소하는 것을 확인할 수 있었다. 60cycle에서 90cycle까지 부분적으로 증가하는 것으로 확인되었는데, 이는 wave velocity 측정 상의 오차로 판단된다.
- 최종적으로 300cycle 동안 동결 융해 실험을 수행하였는데, 동결 융해 실험 중 30cycle 마다 초음파 속도 측정 및 MIP를 이용한 porosity 측정을 수행하였다. 초음파 속도 측정 결과 cycle이 증가함에 따라 초음파 속도가 감소하는 것을 확인할 수 있었으며, 이론식에 대입하여 동탄성계수 및 porosity를 계산할 수 있었다. 초음파 속도 측정 결과를 이론식에 대입하여 porosity를 계산한 결과 동결 융해 cycle이 증가함에 따라 증가하는 것으로 나타났으며, MIP를 통해 측정한 결과와도 유사한 경향을 보이는 것이 확인되었다.
- 초음파 속도 측정 결과 cycle이 증가함에 따라 초음파 속도가 감소하는 것을 확인할 수 있었으며, 이론식에 대입하여 동탄성계수 및 porosity를 계산할 수 있었다. 초음파 속도 측정 결과를 이론식에 대입하여 porosity를 계산한 결과 동결 융해 cycle이 증가함에 따라 증가하는 것으로 나타났으며, MIP를 통해 측정한 결과와도 유사한 경향을 보이는 것이 확인되었다. 동결융해에 의한 내구성능 변화를 확인하기 위해서 Choi et al.
- Table 3은 초음파 실험을 식에 대입하여 계산한 동탄성계수 및 porosity와 MIP를 통해 측정한 porosity, porosity를 이용하여 예측한 확산계수를 정리한 결과를 나타낸다. 표로부터 동탄성계수는 최종적으로 약 13% 감소한 것을 확인할 수 있었으며, porosity 측정 결과는 실험 결과와 예측 값이 약 6~30% 정도까지 차이를 보이는 것을 확인할 수 있었다.
- (2004)의 실험 결과로 시멘트 종류 및 잔골재율에 따른 초음파 속도 및 porosity를 나타낸다. 표를 보면 w/c 비 증가에 따라 초음포 속도가 감소하는 것을 확인할 수 있었으며, 이를 통해 porosity가 증가하는 것을 계산할 수 있었다. 또한 고강도 시멘트를 사용하는 경우 porosity 감소가 나타났으며, 잔골재 혼입량이 증가하는 경우 porosity 또한 감소하는 것을 확인하였다.
- 그래프를 보면 동결 융해 cycle이 증가함에 따라 염소이온 확산 계수가 증가하는 것을 확인할 수 있었는데, 90cycle 이전에는 확산계수 변화 폭이 작았으나, 90cycle 이후에는 큰 폭으로 증가하는 것을 확인할 수 있었다. 확산계수의 증가 폭은 porosity에 비해 상당히 큰 폭으로 증가하는 것을 확인할 수 있었는데, porosity는 초기 값 대비 약 30% 가량 증가한 반면 확산계수는 600% 이상 증가한 것으로 나타났다. 이를 통해 porosity의 증가 폭이 작은 경우에도 확산계수는 큰 폭으로 증가할 수 있다는 것을 확인할 수 있었다.
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