응력파 기반 비파괴 검사법을 이용한 콘크리트의 압축강도 추정 및 공기량 영향에 관한 실험적 연구

Abstract

건물의 고층화와 함께 진동, 소음, 내화 등에 유리한 콘크리트 구조물은 더욱 늘어나고 있다. 그러나 최근에 와서 기존 콘크리트 구조물의 노후화와 각종 기능저하 현상이 증대됨에 따라 콘크리트의 품질관리에 대한 문제점들이 나타나고 있으며 구조물을 안전하고 사용가능한 상태로 유지하기 위해서는 신축공사의 품질관리부터 기존 구조물의 노후화에 대하여 종합적인 유지관리가 필요하다. 이에 비파괴검사의 활용도가 높아지고 있으며 콘크리트 품질평가의 대표적 지표인 압축강도 추정을 위한 다양한 비파괴 검사법들이 연구되고 있다. 현장에서 구조물의 콘크리트 압축강도는 시공 시 제작한 공시체나 실 건축물에서 채취한 코어공시체를 이용하여 압축강도 시험을 실시하여 직접 알아내는 방법과 슈미트 햄머법에 의한 반발경도법과 초음파 속도법의 비파괴 검사법이 주로 사용되고 있다. 그러나 공시체의 경우 실 건축물과 콘크리트 양(mass)에서 차이가 있어 수화반응이나 양생조건이 동일하다고 보기 어렵기 때문에 기존의 압축강도 추정 방법은 한계성을 가지고 있다. 또한 비균질성 복합재료인 콘크리트는 공기량, 수분함유량, 양생조건 등 여러 인자들의 영향으로 추정된 압축강도와 실제의 압축강도는 다소 오차가 발생한다. 이에 본 연구에서는 응력파를 이용한 비파괴 검사법을 기반으로 한 충격반향기법과 SASW기법 그리고 자유단 공진시험을 이용하여 비파괴 실험용 모의부재를 통해 응력파 속도와 압축강도의 상관관계를 분석하고 콘크리트의 영향인자 중 공기량이 응력파 속도와 압축강도에 미치는 영향에 관해 연구하였다. 강도추정 모의부재의 설계기준강도를 18, 21, 24, 27, 30, 35, 40, 50, 60MPa로 하여 제작하고 모의부재와 공시체로 재령 16시간, 20시간, 24시간, 2일, 3일, 7일, 28일에 대해 모의부재는 비파괴시험 중 표면파기법과 충격반향기법으로 시험하고, 공시체는 압축강도를 시험하였다. 다양한 모의부재에서의 비파괴 실험은 콘크리트의 압축강도와 응력파 속도의 상관관계를 이용하여 콘크리트 압축강도를 추정하기 위함이다. 또한 공기량과 응력파와의 상관관계를 알아보기 위하여 AE제 혼입량을 달리하여 각각 0%, 0.15% 0.3%, 0.7%, 1.5%를 혼입한 모의부재를 제작하였다. 공기량을 변수로 이용한 실험에서는 공시체를 이용하여 자유단 공진시험을 추가로 실시하였다. 실험을 통해 얻은 결과를 분석하여 다음과 같은 결론을 얻었다. (1) 충격반향기법과 표면파기법을 통해 재령에 따른 압축파속도(VP) 및 표면파속도(VR)와 압축강도와의 상관관계를 통하여 콘크리트 강도추정에 대한 비파괴 실험의 적용 가능성을 확인하였다. (2) 모의부재의 강도 추정 실험을 통해 압축파속도와 압축강도와의 관계는 로 나타났으며 표면파속도와 압축강도와의 관계는 의 나타났다. (3) 공기량 약 4%이후부터는 AE제에 의해 늘어난 연행공기가 천이대의 강도 개선에 영향을 주어 공기량 증가에 따른 압축강도 저감 폭이 줄어드는 것으로 사료되며 응력파 역시 비슷한 경향을 보였다. 이는 공기량이 강도뿐만 아니라 응력파에도 많은 영향을 미치는 결과로 볼 수 있다. (4) 응력파 속도와 압축강도와의 관계식을 이용한 공기량 변화에 따른 압축강도 추정 시 AE제 혼입율 0.3%의 일반적인 연행공기 형성 범위 이후부터는 신뢰도가 높은 압축강도 추정이 가능함을 알 수 있다. 공기량이 콘크리트의 강도에 미치는 영향을 응력파 속도를 이용하여 상호 연관성이 있음을 확인하였지만 보다 정확한 상관관계 도출을 위해서는 경화 후 정확한 공극율 분석이 필요할 것으로 판단되며 다양한 변수의 실험을 통해 더 많은 데이터를 취득하여야 할 것으로 판단된다.; This research is focused on predicting concrete compressive strength and the influence of Air-contents of concrete slab using Impact Echo (IE) method, Spectral Analysis of Surface Wave(SASW) method and Free-Free Resonance(FFR) test, which are one of the Non-destructive Test (NDT) methods. The method for predicting the strength of concrete slab are derived from the relationship between compressive strength and stress wave velocity. Compressive strength of concrete parameters are 18, 21, 24, 27,30, 35, 40, 50, 60MPa. The nondestructive tests, the Impact Echo method and SASW method have been applied on the concrete slab specimens and cylinder tests have been applied to predict concrete compressive strength for the corelation of nondestructive test results and cylinder test results. Furthermore, the influence of air ratio to the stress wave velocity and the compressive strength has been analyzed using specimens that have been prepared based on the variable of air entrained agent mix ratio which are 0%, 0.15%, 0.3%, 0.7% and 1.5% by weight. The conclusion of this research is as follows 1) As the concrete compressive strength increases, the stress wave velocity increases non-linearly. There is a correlativity between the concrete compressive strength and the stress wave velocity. Thus the nondestructive test based on stress waves showed a feasibility for the estimation of concrete compressive strength in concrete structures. 2) The relationship between concrete compressive strength and stress wave velocity shows the equations are following. Vp = 1675.7f_(ck)^(0.2362) Vr = 901.93f_(ck)^(0.2486) 3) The reduction range of compressive strength and stress wave velocity has been decreased after reaching the air ratio of 4%. 4) Predicting compressive strength based on stress wave velocity leads to the results of an average error 4.9% in compressive wave velocity and 2.2% in surface wave velocity except for non-AE concrete.