건설재료 실험 기록: 동결융해 저항, 열팽창 계수, 압축 및 휨 강도

안녕하세요, 저의 블로그에 오신 것을 환영합니다. 이번 포스팅에서는 건설재료의 중요한 특성을 이해하기 위해 수행한 실험에 대한 기록을 공유하려고 합니다. 건설 분야에서 사용되는 콘크리트의 강도, 내구성, 열팽창 특성 등은 안전한 구조물을 건설하는 데 필수적입니다. 그래서 저는 이러한 특성을 실험을 통해 자세히 살펴보았습니다. 본 포스팅에서 다룰 내용은 다음과 같습니다.

• 동결융해 동결융해에 대한 con'c의 저항 시험방법: 건설 구조물이 추운 환경에서 얼어붙고 녹을 때 어떻게 동작하는지 이해하기 위한 실험입니다.
• 열팽창계수 시험방법: 열변형에 대한 건설재료의 반응을 측정하여 구조물의 열 변화에 어떻게 대응하는지 평가합니다.
• 압축 강도 시험: 콘크리트의 압축 강도를 측정하여 구조물이 얼마나 많은 하중을 지탱할 수 있는지 확인합니다.
• 휨 강도 시험: 구조물이 휨(굽힘)에 어떻게 저항하는지 측정합니다.

이 실험들을 통해 건설재료의 물리적 특성을 정량적으로 평가하고, 실제 구조물에서의 안전성을 예측하는 데 도움이 되는 중요한 정보를 얻었습니다. 실험을 통해 얻은 결과와 그에 따른 분석을 통해 건설 분야에서의 안전한 구조물 건설을 위한 중요한 통찰력을 얻을 수 있었습니다. 이제 각 실험의 세부 내용과 결과를 차례로 살펴보겠습니다. 함께 공부하며 건설재료에 대한 이해를 높여봅시다. 

동결융해

동결융해에 대한 con'c의 저항 시험방법 KSF2456

적용 범위 

동결 융해의 급속 반복 사이클에 대한 콘크리트 공시체의 저항

1. 수중급속 동결융해
2. 공기중 급속 동결, 수중 융해

장치

1. 동결 융해 장치
2. 공기를 열전달 매체로 사용할 경우 공시체 손상에 주의하여 해석

실험방법

1. 공시체는 14일간 양생 한 후 동결융해 시험을 시작한다.
2. 소정의 양생기간이 끝나면 즉시 공시체를 6 3℃ 상태로 옮겨 가로 1차 주파수 시험, 무게를 알고 KSF2437에 때라 측정한다.
3. 동결융해 싸이클이 35 사이클을 초과하지 않는 범위의 간격으로 융해상태에서 공시체를 꺼내 6 3℃의 온도조건하에 가로 1차 주파수 시험, 무게를 단 후 다시 시험장치 내로 옮긴다. 다시 넣을 때 양끝이 반대가 되도록 돌려놓는다.
4. 각 공시체는 특별한 제한이 없는 한 300 사이클이 될 때까지 또는 초기의 최초시험 시에 탄성계수의 60%가 될 때까지 시험을 계속한다.
5. 1차 진동 주파수 시험은 공시체마다 매번 행하며, 육안 관찰한 공시체 상태기록, 기록 지에 나타난 결점 평가도 기록한다.
6. 공시체의 길이가 급격히 저하될 우려가 있을 경우 초기동결융해 시의 가로 1차 진동 주파수 시험은 10 사이클이내에 실시한다.

열팽창계수

열팽창계수 시험방법(AASHTO TP60-00)

1. 콘크리트 시험은 100180 원주형 공시체로 23~25℃의 석회수에 약 48시간 동안 양생 후. 24시간을 주기로 꺼내어 처음 시편의 중량의 0.5%가 넘지 않도록 표면건조상태가 되도록 준비한다.
2. 수조에 물을 채운 후, LVDT를 설치하고 4개의 온도계를 설치하여 평균수온을 측정하며, 지지점과 LVDT 게이지에 그리스를 얇게 발라 시편이 측정기구와 붙는 것을 방지한다.
3. 시편을 꺼내어 실온에서의 시편의 길이를 측정하고, 다시 시편을 수조에 넣을 때, 시편이 LVDT에 정확하게 위치하게 하도록 한다.
4. 수조의 수온을 10±1℃로 맞추고, 시편의 온도가 이와 등온이 되었을 때, 30분 동안 10분 간격으로 시편의 길이를 측정한다. 이때, 시편이 LVDT에 편평하게 놓였는지 확인해야 한다.
5. 수조 내의 4개의 온도계와 LVDT의 값을 측정하며, 처음 측정치가 초기 측정값이 되고, ④,⑤를 반복하면서 측정치를 기록한다.

압축강도

• 공시체의 상하 끄면 및 상하의 가압판의 압축면을 청소한다.
• 공시체를 공시체 지름의 1% 이내의 오차에서 그 중심축이 가압판의 중심과 일치하도록 놓는다.
• 시험기의 가압판과 공시체의 끝면은 직접 밀착시키고 그 사이에 쿠션재를 넣어서는 안 된다. 다만, 원본드 캐핑에 의한 경우는 제외한다.
• 공시체에 충격을 주지 않도록 똑같은 속도로 하중을 가한다. 하중을 가하는 속도는 압축 응력도의 증가율이 매초 (0.6±0.4) MPa이 되도록 한다.
• 공시체가 급격한 변형을 시작한 후에는 하중을 가하는 속도의 조정을 중지하고 하중을 계속 가한다.
• 공시체가 파괴될 때까지 시험기가 나타내는 최대 하중을 유효 숫자 3자리까지 읽는다.

휨강도

1. 시험기는 시험 시의 최대 하중이 용량의 1/5에서 용량까지의 범위에서 사용한다. 같은 시험기에서 용량을 바꿀 수 있는 경우는 각각의 용량을 별개의 용량으로 간주한다.
2. 지간은 공시체 높이의 3배로 한다. (공시체의 높이는 공칭값을 사용한다.)
3. 공시체는 콘크리트를 몰드에 채웠을 때의 옆면을 상하면으로 하며, 베어링 나비의 중앙에 놓고 지간의 3등 분점에 상부 재하 장치를 접촉시킨다. 이 경우, 재하장치의 접촉면과 공시체 면과의 사이 어디에도 틈새가 없도록 한다. ( 재하 장치의 설치면과 공시체면과의 사이에 틈새가 생기는 경우는, 접촉부의 공시체 표면을 평평하게 갈아서 잘 접촉할 수 있도록 한다.
4. 공시체에 충격을 가하지 않도록 일정한 속도로 하중을 가한다. 하중을 가하는 속도는 가장자리 응력도의 증가율이 매초 0.06±0.04 MPa이 되도록 조정하고, 최대하중이 될 때까지 그 증가율을 유지하도록 한다.
5. 공시체가 파괴될 때까지 시험기가 나타내는 최대하중을 유효 숫자 3자리 까지 읽는다.

건조수축

1. 공시체 공시체는 KSF2403에 준한다. 공시체의 제작 및 양생 중의 온도는 표준으로서 20±3℃로 한다. 공시체는 거푸집 탈형까지 습윤 상태에서 양생 하여야 한다. 습윤 상태를 유지하면서 공시체를 포화증기 중에 둔다. 공시체의 몰드 탈형을 재령 7일로 한다.
2. 길이 측정 길이 측정 위치 : 자유수축변형률 및 구속 수축 변형률은 공시체의 상, 하면 또는 양측면의 직선부의 중앙 위치에서 200mm 이상의 위치에서 동일한 측정기를 이용하여 측정하여야 한다. 구속판의 변형률은 구속판의 중앙부를 지나 중심 위치를 통하는 4 측면에서 실시한다. 길이 측정 시점 : 공시체에 발생한 균열의 확인은 보통 매일 1회 한다.

탄성계수

1. 시험 편을 장치에 장착한다.
2. 스트레인 게이지를 측정기에 결선한다.
3. 하중 작용 위치에서 스트레인 게이지 위치까지 거리를 측정하여 데이터 기로지에 기록한다.
4. 단면의 폭과 두께를 마이크로미토로 측정한다.
5. 게이지 중심에서 보에 발생하는 표면응력이 100 MPa정도 되는 자유단에서의 하중 P를 계산해 둔다.
6. 하중을 10단계로 나누어서 점차로 증가시키면서 측정기의 변형률을 읽는다.
7. 하중을 내리면서도 같은 실험을 하여 결과를 기록한다.
8. 측정된 결과 값을 이용하여 탄성계수와 푸아송 비를 얻을 수 있다.

얻어진 DATA로부터 압축 강도 및 탄성계수 계산

1번 data결과(2번 제외 , 1-3번.)

2번 data 결과(1번 제외, 2-3번)

 

3번 data 결과(2번 제외, 1-3번)

압축강도 실험 결과로부터 인장 및 휨강도를 추정

휨강도 = 0.7~0.8 * 압축강도

직접 인장강도 = 0.. 4~0.7*압축강도

	1번 data	2번 data	3번 data
휨 강도(kg/cm2)	21.93793	24.930043	20.79201
직접인장강도(kg/cm2)	16.08781	18.282032	15.24748

• 휨 강도는 압축강도의 0.7~0.8배 이므로 그 중간 값인 0.75를 압축강도에 곱함.
• 직접인장강도는 압축강도의 0.4~0.7배 이므로 그 중간 값인 0.55를 압축강도에 곱함.

이번 실험에 대한 고찰

이번 실험은 하중을 가해 변형량을 측정하여 콘크리트의 압축강도를 구하는 실험이었다. 이 실험은 건설재료시간에 배운 내용으로, 콘크리트의 압축강도는 실무에서 큰 영향을 끼치기 때문에 매우 중요한 실험이다. 직접 시멘트와 골재를 옮겨서 기계로도 비벼보고 삽으로도 비벼보며 눈으로 그 과정을 살펴볼 수 있는 실험이었다. 본격적으로 압축강도 실험을 하기 전에 먼저 기초적인 실험인 슬럼프 테스트를 해보았다.

슬럼프 테스트는 다 같이 한 번만 해보았는데 W/C가 작았는지 슬럼프 양이 작게 나와 워커빌리티가 떨어진다는 것을 알 수 있었다. 슬럼프 테스트 이후 바로 공시체 제작에 들어갔다. 미리 정해진 배합설계대로 배합한 뒤 잘 다지면서 공시체를 만들었다. 공시체 만들기가 쉬워 보였지만 막상 만들어 보니 공시체가 층이 갈리거나 다짐이 잘 되지 않거나 하는 많은 실수가 나왔다. 그리하여 휨, 압축, 건조수축 등 여러 종류의 공시체를 만들었다.

사실 그 뒤에 기계로 측정하고 하는 실험도 직접 하고 싶었지만 시간과 여건상 우리의 실험은 여기서 끝나게 되었다. 나중에 나온 data를 가지고 결과를 보니 수업시간에 들은 내용과 많이 달라 당황도 했다. 특히 그래프 모양이 생각한 대로 나오지 않아서, 우리가 어떤 잘못을 하여 이렇게 오차가 커졌는지 생각해 보았다. 아마도 공시체의 제작이 가장 큰 오차를 발생시켰을 것이다. 배합설계대로 하기는 했지만 아주 정확하게 측정하지 않아서 오차가 생겼고, 또한 다짐을 하는 데 있어 제대로 되지 않아 공시체가 시험에 적합하지 않게 제조된 것 같다. 여기서 가장 큰 오차가 발생한 것 같다.

수업시간에 이론으로만 배우던 내용을 막상 직접 실험해보고 하니 더욱 배웠던 내용이 이해가 잘 가고 오래 기억이 남을 것 같다. 또 나중에 회사생활을 하면서도 더욱 도움이 될 것만 같았다. 다만 아쉬운 점은 실험시간이 따로 있는 것이 아니어서 많은 시간을 투자하여 여러 가지 실험을 하지 못하였고 배합설계부터 우리가 디자인하여 제작하고 data 측정까지 잠시나마라도 했었으면 더욱 좋았을 것이라고 생각한다.

또한 원하는 사람에 한하여 다른 실험도 할 수 있는 기회가 있었으면 한다. 이렇게 실험을 마치고 나니 우리가 건설재료라는 과목 속에서 무엇을 배우고 있는지 새삼 느끼게 되었으며, 다음에도 이런 실험을 더하였으면 좋겠다.

마무리 글

이러한 실험 경험은 미래에 건설 업계나 재료 과학 분야에서 일할 때 실용적인 지식과 능력을 기를 수 있도록 도움이 될 것입니다. 또한 실험의 중요성과 정확성을 강조하며, 실험 결과를 효과적으로 분석하고 해석하는 능력을 배울 수 있었습니다. 앞으로의 공부와 경험을 통해 더 많은 지식을 쌓고, 실무에서 활용할 수 있는 능력을 키워나갈 것입니다. 실험을 통해 얻은 귀중한 경험과 지식을 바탕으로 미래의 엔지니어로서 더 나은 성과를 이루고자 합니다.