1. 서론

슈미트 햄머에 의한 반발경도 강도 추정식 연구

Estimation Function of Compressive Strength of  Concrete Using

Schmidt hammer

○ 노 윤 기*      박 현 수**      정     란***

No, Yun-Ki   Park, Hyun-Su     Chung, Lan

........................................................................................................................................................................................................

Abstract

The purpose of this research is to obtain a practical expression for estimating the compressive strength of concrete using non-destructive testing method such as rebound Schmidt hammer and ultrasonic pulse velocity and to discuss its applicability to the evaluation of the compressive strength of concrete members or structures.

Experimental investigation were carried out to examine the effects of factors such as water-cement ratio, curing conditions, age of concrete and shape of specimens. The results of this study are as follows,

rebound hardness method                [eqn: &_S f_c ~=~ 13.5 R_o ~-~ 188] □□□□□□□□□□□□<standard water curing>

[eqn: &_A f_c ~=~12.1 R_o ~-~ 177] □□□□□□□□□□□□□□□□□□<air dried curing>

ultrasonic pulse velocity method         [eqn: &_S f_c ~=~ 219.0V_p ~-~703] □□□□□□□□□□□□<standard water curing>

[eqn: & -_A f_c ~=~242.0V_p ~-~771] □□□□□□□□□□□□□□□□□□<air dried curing>

The equations are applied for evaluating the strength distribution in a concrete member and in an existing concrete building.

........................................................................................................................................................................................................

키워드 : 압축강도, 비파괴시험

Keyword : Compressive Strength, Repulsive Test

........................................................................................................................................................................................................

*  정회원, 단국대학교 대학원 석사과정

**  정회원, 신흥대학 건축공학과 조교수, 공학박사

*** 정회원, 단국대학교 건축공학과 교수, 공학박사

콘크리트의 강도추정을 위한 비파괴 시험법으로 가장 많이 사용하는 방법으로는 슈미트 햄머를 사용하는 반발도법, 구조체에서 콘크리트를 통하여 전달되는 초음파를 이용하는 초음파 전파속도법 그리고 반발도법과 초음파 전파속도법에 의한 복합법이 있다. 이러한 비파괴시험법에 있어서 강도를 추정하는 방법은 미리 구하여 둔 강도와 비파괴시험 값의 상관관계표나 상관식을 이용하여 강도를 추정하는 방법과 측정 대상 구조물에서 코어를 채취하여 코어의 파괴실험을 통하여 강도를 추정하는 방법이 있다.

이러한 강도추정법에 대한 국내의 활용 실태를 보면, 구조물 안전진단 등의 분야에서 콘크리트 강도의 추정을 위한 비파괴시험법이 많이 도입·사용되고 있으며, 강도를 추정하기 위한 방법으로는 코어를 채취하지 않고 기존의 강도추정식을 이용하는 방법이 많이 사용되고 있다. 이 경우 이용되는 강도추정식은 외국에서 이미 제안된 식이 그대로 사용되고 있다. 그러나, 이러한 강도추정식은 동일한 비파괴 시험값에 대하여 추정강도가 각각 다르게 나타날 수 있다. 왜냐하면 외국의 사용재료나 기후 등이 우리나라와 다르기 때문이다.

따라서 본 연구는 전라지역에서 채취한 안산암 골재를 사용한 콘크리트 구조물의 비파괴 강도추정식의 표준화를 위하여 실제 압축강도와 비파괴 시험값과의 상관관계를 강도추정식으로 제안하는데 연구의 목적이 있다

2. 실험계획 및 방법

2.1 실험 계획

본 연구의 실험계획으로 W/C는 40∼70%까지 10%간격으로 4개의 변수로 하고, 목표슬럼프치와 공기량은 각각 15±1□, 4.5±1.0%를 만족시키는 범위로 한다. 양생 조건은 표준양생과 기중양생으로 하고, 실험사항은 굳지않은 콘크리트에서는 슬럼프 및 공기량을 측정하며, 경화 콘크리트에서 3, 7, 14, 28, 90, 180일 재령에서 압축강도, 반발도 및 초음파 속도를 측정한다. 콘크리트의 배합사항은 표 1과 같다.

표 1. 배합사항

W/C %	배합량 (□)	물 (□/□)	시멘트 (□/□)	잔골재 (□/□)	굵은골재 (□/□)	혼화제 (□/□)
40	1	185.0	462.5	792.5	843.5	0.085
	0.02	3.70	9.25	15.85	16.87	0.0017
	0.055	10.18	25.44	43.59	46.39	0.00468
50	1	188.0	376.0	813.0	883.0	0.035
	0.02	3.76	7.52	16.26	17.66	0.0007
	0.055	10.34	20.68	44.72	48.57	0.00193
60	1	198.0	330.0	764.0	932.0	0.04
	0.02	3.96	6.6	15.25	18.65	0.0008
	0.055	10.89	18.15	42.02	51.26	0.0022
70	1	185.0	264.0	877.0	880.0	0.025
	0.02	3.71	5.3	17.5	17.6	0.0005
	0.055	10.18	14.52	48.24	48.4	0.00138

2.2 사용재료

실험에 사용되는 시멘트는 전라권 지역에서 많이 사용되고 쉽게 구할 수 있는 것으로 결정하였다. 참고로 표 2는 주택공사에서 행한 실험에 사용된 A사에서 제조한 KSL 5201에 1종으로 규정된 보통 포틀랜드 시멘트로 그 화학적 조성 및 물리적 성능을 나타낸 것이다.

표 2. 시멘트의 화학적 조성 및 물리적 성능

화학성분			물리적 성질
MgO (%)	SO3 (%)	Ig- loss (%)	분말도 (□/g)	비중	안정도 (%)	응결시간 (길모어)		압축강도 (□f/□)
						초결 (분)	종결 (시간)	3일	7일	28일
2.66	2.38	1.24	3,310	1.15	0.07	241	5:41	212	285	373

굵은골재는 전라권의 특성 구분에 맞는 최대골재치수 25□ 이하의 쇄석을 사용하였다. 실험에 앞서 굵은 골재는 미리 체로 쳐서 25□를 초과하는 부분을 제거한 후 다시 물을 뿌리면서 5□체로 쳐서 5□미만의 잔골재를 제거하였다.

잔골재는 전라권에서 쉽게 구할 수 있는 강모래를 사용하되, 실험에 앞서 5□체로 쳐서 5□를 초과하는 부분을 제거하여 사용하였다.

혼화제는 리그닌계 감수제와 공기연행제로서 배합직전에 감수제에 대하여 중량비 2%로 공기연행제를 혼합하여 시멘트 중량에 대하여 0.2%의 양을 사용하였다.

2.3 실험 방법

콘크리트의 혼합은 강제식 팬믹서를 사용하여 자갈, 모래, 시멘트의 순서로 재료를 투입한 후 1분간에 걸쳐 건비빔을 행하고, 미리 혼화제를 희석한 물을 투입한 후 3분간 비빔을 한다. 비빔이 끝난 콘크리트는 미리 물기를 주어 습윤케 한 강제 비빔판에 받은 후 균일한 배합이 되도록 다시 손비빔을 하고, 비빔이 끝난 콘크리트는 KS F 2402에 의한 슬럼프 시험과 KS F 2421에 따라 공기량을 측정한다.

공시체의 제작은 동일배합에 대하여 수회의 비빔이 필요하므로 각 비빔간에 동일한 콘크리트가 얻어지도록 관리하는 것이 매우 중요하다. 비빔이 끝난 콘크리트에 대하여 KS F 2402 및 KS F 2421에 의한 슬럼프와 공기량을 측정하여 슬럼프는 15±1cm, 공기량은 4.5±1.0% 이하의 오차범위를 통과하는 콘크리트를 사용하여 공시체를 성형하고, 오차범위를 벗어나는 경우에는 목표로 하는 배합의 콘크리트와 다른 것으로 판단하여 공시체를 성형하지 않고 폐기한다.

슬럼프 및 공기량의 측정을 통과한 콘크리트는 KS F 2403에 의거 공시체를 제작하고, 이때 다짐방법은 봉다짐으로 하되, 원주공시체의 경우는 지름 16mm의 봉으로 두층으로 나누어 각각 11회씩 다지는 것으로 하고, 입방공시체의 경우는 같은 방법으로 각각 58회 다지 것으로 한다.

경화 콘크리트의 압축강도시험은 KS F 2405규정에 의해 □10×20□ 공시체로 실시하고, 반발도와 초음파속도측정은 20×20×20□ 공시체로 반발도의 측정은  Schmidt hammer NR형을 사용하며, 초음파 전파속도의 측정은 영국 C.N.S사의 PUNDIT를 사용한다.

3. 실험 결과 및 분석

3.1 굳지않은 콘크리트

굳지않은 콘크리트의 실험결과는 표 3과 같이 목표한 결과치를 나타내었다.

표 3. 굳지않은 콘크리트의 실험결과

W/C (%)	40	50	60	70
슬럼프(□)	15.5	15.8	15.0	14.6
공기량(%)	5.5	4.8	5.3	5.0

3.2 경화 콘크리트

3.2.1 반발도와 압축강도의 관계

표준양생과 기건양생 등 양생조건에 따라 파괴실험에 의한 압축강도와 반발경도 측정에 의한 결과를 비교하였다. 표준양생의 경우 값의 편차가 너무 크게 나타나는 일본건축학회식과 김무한 제안식을 제외하고는, 전체적으로 반발 경도가 파괴실험에 의한 압축강도보다 작게 나타났다. 기건양생의 경우에는 대부분의 시험체가 압축강도값과 큐브시험체의 반발경도가 거의 비슷하게 나타났으며 표준양생에 의한 반발도값보다 대체적으로 크게 나타났다. 이는 기건양생의 경우 표면부터 수분이 적어지면서 경도가 높아져서 이러한 결과가 나타난 것으로 판단된다.

그림 1. 반발도와 압측강도의 비교

물-시멘트비가 큰 범위인 60%와 70%의 시험체의 경우 물-시멘트비가 40%와 50%의 시험체 실험결과와 비교했을 때 압축강도의 값과 반발경도에 의한 추정식 값의 차이가 크게 나타났다. 따라서 물 시멘트값이 클 경우 기존제안식에 의한 추정값에 보정이 필요한 것으로 판단된다. 기건의 경우 그 차이가 크게 나타나는데 이는 함수율이 큼으로 인해 수분이 빠져나간 후 표면의 경도와 내부의 경도가 다름으로 인한 결과인 것으로 판단된다.

물-시멘트비가 70%인 시험체의 경우를 제외하고는 재령이 3일, 7일인 시험체의 경우 압축강도와 반발도에 의한 추정값의 차이가 큰 반면, 재령 28일 시험체는 그 차이가 적어 거의 비슷한 값을 나타내었다. 따라서 초기 재령에는 공시체 속의 수분이 반발도에 큰 영향을 주는 것으로 판단된다.

그림 2는 그림 1의 결과를 재령 및 양생조건별의 회귀식을 서로 비교하고, 또한, 반발도을 이용한 강도 추정회귀식을 도출한 것이며, 표 4는 재령별, 양생조건별 반발도에 의한 압축강도추정의 회귀식을 나타낸 것이다.

그림 2. 반발도법 강도추정

표 4. 반발도법을 이용한 강도 추정식

양생 조건	재령(일)	회귀식	상관계수
표준 양생	3	[eqn: &_s f_3 ~=~ 13.5 R_3 ~-~ 182]	0.914
	7	[eqn: &_s f_7 ~=~ 12.1 R_7 ~-~ 160]	0.988
	28	[eqn: &_s f_28 ~=~ 8.3 R_28 ~-~ 54]	0.914
	90	[eqn: &_s f_90 ~=~ 14.7 R_90 ~-~ 242]	0.805
	180	[eqn: &_s f_180 ~=~ 19.7 R_180 ~-~ 353]	0.952
	종합	[eqn: &_s f_c ~=~ 13.5 R_o ~-~ 188]	0.929
기건 양생	3	[eqn: &_A f_3 ~=~17.6 R_3 ~-~ 269]	0.988
	7	[eqn: &_A f_7 ~=~19.3 R_7 ~-~ 364]	0.935
	28	[eqn: &_A f_28 ~=~26.8 R_28 ~-~ 599]	0.956
	90	[eqn: &_A f_90 ~=~15.1 R_90 ~-~ 277]	0.926
	180	[eqn: &_A f_180 ~=~22.2 R_180 ~-~ 541]	0.965
	종합	[eqn: &_A f_c ~=~12.1 R_o ~-~ 177]	0.905

3.2.2 초음파속도와 압축강도의 관계

초음파의 속도 측정 방법에 따른 콘크리트의 압축강도를 기존에 제시된 식에 의해 추정해 보았다. 전체적으로 파괴에 의한 압축강도 측정값보다 비파괴(초음파 속도에 의한) 추정값이 대체적으로 크게 나타났다.

초음파 속도에 의한 비파괴 강도와 압축강도를 양생조건별로 비교한 결과 전체적으로 양생조건에 따라 표준양생이 기건양생보다 초음파 속도가 빠르게 나타났다. 이는 시험체 내부의 건조에 따른 함수상태 변화에 따른 영향으로 전파속도의 차이가 나타나는 것으로 판단된다.

물-시멘트비가 40%이고 재령이 90일이 되면 추정값과 파괴실험에 의한 압축강도값이 거의 일치하게 나타났다. 이는 콘크리트의 수분 함유율이 적어지면서 측정값의 정확도가 높아지기 때문으로 판단된다. 그러나 w/c 50%∼70% 까지는 재령이 90일에 이르러도 그 값의 차이가 크게 나타났다. 이는 w/c비가 커서 수분이 줄어들어도 내부의 공극에 의해 측정값에 차이가 생기기 때문으로 판단된다.

그림 4. 초음파속도법 강도추정

그림 4는 초음파 속도법을 이용한 강도추정식만을 재령 및 양생조건별로 회귀식을 서로 비교하고, 또한 초음파속도법을 이용한 강도 추정회귀식을 도출한 것이며, 표 5는 재령 및 양생조건별 초음파속도법에 의한 강도추정식을 나타낸 것이다.

표 5. 초음파속도법을 이용한 강도추정식

양생 조건	재령	회귀식	상관계수
표준 양생	3	[eqn: &_S f_3 ~=~ 226.3V_p ~-~723]	0.885
	7	[eqn: &_S f_7 ~=~ 203.9V_p ~-~663]	0.884
	28	[eqn: &_S f_28 ~=~ 272.9V_p ~-~968]	1.0
	90	[eqn: &_S f_90 ~=~ 220.4V_p ~-~684]	0.905
	180	[eqn: &_S f_180 ~=~ 232.7V_p ~-~728]	0.731
	종합	[eqn: &_S f_c ~=~ 219.0V_p ~-~703]	0.786
기건 양생	3	[eqn: &_A f_3 ~=~ 255.2V_p ~-~835]	0.912
	7	[eqn: &_A f_7 ~=~ 272.0V_p ~-~910]	0.645
	28	[eqn: &_A f_28 ~=~ 308.9V_p ~-~1078]	0.781
	90	[eqn: &_A f_90 ~=~ 195.5V_p ~-~566]	0.950
	180	[eqn: &_A f_180 ~=~ 250.8V_p ~-~754]	0.994
	종합	[eqn: & -_A f_c ~=~242.0V_p ~-~771]	0.841

4. 결 론

전라권 지역에서 채취한 안산암 골재를 사용한 콘크리트의 재령 및 양생조건, 물-시멘트비 등을 변수로 하여 콘크리트 압축강도에 관한 실험을 수행하고 분석된 결과를 요약하면 다음과 같다.

(1) 기존에 제안된 추정식을 이용하여 실험결과 값과 비교한 결과 반발경도법에 의한 추정강도는 일본재료학회식과 동경도 건축재료검사소식은 대체적으로 일치하는 반면 일본건축학회식과 김무한식은 다소 큰 차이를 나타내었다. 기존 제안된 초음파속도법에 의한 추정강도는 실제 압축강도 값보다 약 1.4배 정도 크게 나타났다.

(2) 동일한 재령일 경우 물-시멘트 비가 높은 60%, 70%의 경우 반발경도법과 초음파속도법에 의한 추정강도식은 실제 압축강도와 비교하여 다소 큰 편차를 보여 주었다. 따라서 함수율이 큰 경우, 기존제안식에 의한 강도추정 값은 보정이 필요한 것으로 판단된다.

(3) 동일 물-시멘트비에 대한 반발경도 값은 기건양생의 경우가 표준양생 값보다 높게 나타났다. 이는 기건양생의 경우 표면부터 수분이 적어지면서 표면경도가 높아지기 때문으로 판단된다.

(4) 동일한 반발도 값에 의한 추정압축강도는 표준양생이 기건양생 보다 약 15% 크게 나타난 반면 초음파속도법은 같은 속도에 의한 추정강도는 표준양생이 기건양생보다 약 11% 작게 나타났다.

(4) 안산암 골재를 사용한 콘크리트의 압축강도 추정식을 제안하면 다음과 같다.

반발도법

[eqn: &_S f_c ~=~ 13.5 R_o ~-~ 188] □□□□□□ <표준양생>

[eqn: &_A f_c ~=~12.1 R_o ~-~ 177] □□□□□ <기건양생>

초음파 속도법

[eqn: &_s f_c ~=~ 219.0V_p ~-~703] □□□□ <표준양생>

[eqn: & -_A f_c ~=~242.0V_p ~-~771] □□□□ <기건양생>

감사의 글

이 연구는 1998년도 한국 표준과학 연구원에서 수행한 과제의 일환으로 진행되었음을 밝히며 이에 감사를 드립니다.

참고문헌

1. 한국전력공사 기술연구원 □콘크리트 강도측정을 위한 비파괴검사의 신뢰도 향상에 대한 연구□ 1988.8

2. 이리형 외 7인 □콘크리트 구조물의 비파괴검사 및 안전진단□ 한국콘크리트학회, 1995.

3. 대한건축학회, □건축공사 표준시방서,□ 1994

4. 연길환, 윤석천, 송인춘, □반발도법과 초음파속도법의 복합법에 의한 콘크리트 압축강도의 추정,□ 대한건축학회지, 1987. 6, pp.161-169

5. 구봉근, 오병환, 김영의, 김태봉, 한승환, □비파괴시험에 의한 기존 콘크리트 구조물의 압축강도 추정,□ 콘크리트학회지, 1994. 12, pp.159-172

6. Anderson, D.A. & Seals, R. K., "Pulse velocity as a predictor of 28 and 90 day strength," Journal of ACI, Vol.78, Mar., 1981, pp116-122

7. I. Facaoaru ; Non-destructive testing of concrete in Romania, Architecture and city planning/Building research Institute, 1968.