An Experimental Study on Electromagnetic Properties in Early-Aged Cement Mortar under Different Curing Conditions

콘크리트工學

第28卷 第5A 號·2008年 9月 pp. 737 ~ 746

양생조건에 따른 초기재령 시멘트 모르타르의 전자기 특성에 대한 실험적 연구

An Experimental Study on Electromagnetic Properties in Early-Aged Cement Mortar under Different Curing Conditions

권성준*·송하원**·Maria, Q., Feng***

Kwon, Seung-Jun

·

·

···

Abstract

Recently, NDTs (Non-Destructive Techniques) using electromagnetic(EM) properties are applied to the performance evaluation for RC (Reinforced Concrete) structures. Since nonmetallic materials which are cement-based system have their unique dielectric con- stant and conductivity, they can be characterized and changed with different mixture conditions like W/C (water to cement) ratios and unit cement weight. In a room condition, cement mortar is generally dry so that porosity plays a major role in EM properties, which is determined at early-aged stage and also be affected by curing condition. In this paper, EM properties (dielectric constant and con- ductivity) in cement mortar specimens with 4 different W/C ratios are measured in the wide region of 0.2 GHz~20 GHz. Each spec- imen has different submerged curing period from 0 to 28 days and then EM measurement is performed after 4 weeks. Furthermore, porosity at the age of 28 days is measured through MIP (Mercury Intrusion Porosimeter) and saturation is also measured through amount of water loss in room condition. In order to evaluate the porosity from the initial curing stage, numerical analysis based on the modeling for the behavior in early-aged concrete is performed and the calculated results of porosity and measured EM properties are analyzed. For the convenient comparison with influencing parameters like W/C ratios and curing period, EM properties from 5 GHz to 15

GHz are averaged as one value. For 4 weeks, the averaged dielectric constant and conductivity in cement mortar are linearly

Keywords : NDT, dielectric constant, conductivity, early age, curing condition, porosity, saturation

···

요 지

최근 들어 비파괴기술이 발달함에 따라, 콘크리트 구조물의 건전성 평가에 전자기 특성을 이용한 평가기법이 적용되고 있다.

시멘트 건설재료와 같은 절연성 재료는 고유한 유전상수 또는 전도율을 가지므로 특성화될 수 있는데, 이러한 전자기 특성은 물-시멘트비, 단위 시멘트 량과 같은 배합조건에 따라 변화하게 된다. 실내조건에 노출된 시멘트 모르타르는 일반적으로 수분 에 포화되지 않으므로, 공극률이 전자기특성에 큰 영향을 미치는데, 이러한 공극률은 주로 초기재령에서 결정되어지며, 양생조 건에 따라 매우 민감하게 변화한다. 본 연구에서는 4가지 종류의 물-시멘트비를 가진 시멘트 모르타르를 대상으로, 전자기 특 성(유전상수, 전도율)을 광범위 대역인 0.2 GHz~20 GHz 범위에서 측정하였다. 각 시편은 배합 후 0일에서 28일까지 총 5가 지의 다른 수중양생기간을 가지도록 하였으며, 28일 이후, 실내노출상태에서 전자기 특성을 측정하였다. 한편 28일 재령시, 수 은압입법을 통하여 공극률을 분석하였으며, 실내상태의 수분손실을 측정하여 포화도를 평가하였다. 양생초기부터 변화하는 공 극률을 평가하기 위해, 초기재령 콘크리트의 거동 평가 프로그램을 이용하여 시멘트 모르타르의 공극률 변화를 분석하였으며, 측정된 전자기 특성의 변화를 분석하였다. 전자기 특성을 영향인자(재령, 물-시멘트비)와 쉽게 비교하기 위해서,

5 GHz~20 GHz

영역의 값을 하나의 평균값으로 도출하였다. 초기재령에서 평균화된 유전상수와 전도율은 물-시멘트비의 감소

에 따라서 선형으로 증가하였으며, 4주의 양생기간동안 물-시멘트비에 관계없이 양생기간의 제곱근에 비례하여 증가하였다.

핵심용어

비파괴기술, 유전상수, 전도율, 초기재령, 양생조건, 공극률, 포화도

···

1. 서 론

최근들어, 전자기 특성을 이용하여 시멘트계 건설재료의 성

능을 평가하려는 연구가 시도되고 있다. 이러한 연구는 기본 적으로 절연성을 가지고 있는 재료를 통과하는 유전상수와 손실계수에 기본을 두고 있는데, 이러한 전자기 특성은 절연

*정회원·교신저자·UCI 토목공학과 객원연구원 (E-mail : [email protected])

**정회원·연세대학교사회환경시스템공학부교수 (E-mail : [email protected])

***UCI 토목공학과 객원연구원 (E-mail : [email protected])

성 재료에서 특성화될 수 있기 때문이다(Rhim and Buyuko-

zturk, 1998).

전자기 특성은 주로 콘크리트 또는 모르타르를

통과하는 전자기 특성변화에 대하여 연구가 진행되고 있으 며(Soutsos et al., 2001; Wittmann, 1975; Chrisp et al.,

로 제조된 콘크리트 뿐 아니라 혼화재료를 사용한 콘크리트의 전자기 특성변화에 대해서도 연구가 진행되고 있다(McCarter

이러한 평가기법은 RC 구조물의 건전 성 평가에도 적용되고 있으며(Rhim, 2001; Halabe 2000), 염화물 이온의 확산성 또는 투수성과 같은 내구성 분야에도 다양하게 적용되고 있다(Shi et al, 1998; Glanvile and

기존의 전자기 특성 모델링에 대한 연구를 분석해보면(Feng and Sen, 1985;

Halabe et al., 1993; Halabe 2000),

전자기파가 통과하는 영역에서의 공극률과 포화도는 매우 중요한 영향인자가 된 다. 이는 고체상태의 시멘트 겔과 공극을 통과하는 유전상수 및 전도율에서 큰 차이가 발생하기 때문이다. 한편, 콘크리 트내의 수분 역시, 전자기파를 흡수하고 전파시키는 주된 매 질이므로, 가장 큰 영향인자라고 할 수 있다(임홍철과 정성 훈, 2000; Rhim and Buyukozturk, 1998). 콘크리트의 배 합 영향인자(물-시멘트비, 공기량, 시멘트량 등) 또는 배합시 에 유입되는 염화물량은 콘크리트를 통과하는 전자기 특성 에 큰 영향을 줄 뿐 아니라(Halabe et al., 1993), 공극률과 수화물의 형성에 지배적인 영향을 미치게 되며, 이는 초기재 령 특성과 밀접한 관련이 있다. 시멘트 입자가 물과 접촉하 게 되면, 수화물을 형성하게 되고 지속적인 수분과 온도의 영향으로 수화물이 성장하게 된다. 생성된 수화물은 시멘트 내 적, 외적으로 팽창하게 되어 콘크리트 구체내의 공극을 감소시 키게 되고, 이는 밀실한 콘크리트를 제조하는 주된 원인이라 할 수 있다(Maekawa et al., 1999; Ishida and Maekawa,

2003).

그러나 좋은 배합조건을 가졌다 하더라도, 제조과정에

서 충분한 양생과 적절한 시공법이 따르지 않으면, 좋은 품 질의 콘크리트를 제조할 수 없게 된다. 이를 위해 모든 시 방서에서는 최소양생기간을 규정하고 있으며, 양생기간의 변 화에 따라 변화하는 콘크리트의 강도 특성 및 내구적 특성 에 대해서 많은 연구가 진행되어 왔다(Khandaker and

2008).

다양한 물-시멘트비를 가진 콘크리트에 대한 전자기

특성 평가에 대한 연구는 주로 강도 또는 공극률과 같은 물 리량과 비교되는 것이 아니라, 일정 주파수에서 평가된 전자 기특성과 재령, 혼입된 염화물량 등과의 정성적인 비교에 불 과하다(Haddad and Al-Qadi, 1998). 시멘트 페이스트의 물 리적 성질과 전자기 특성을 직접 비교하려는 시도 역시

모델링을 위한 변수도출 에 국한되어 있으며, 실제적인 물리량과의 비교는 수행되지 않았다. 강도와 같이 물리량과 전자기 특성값을 비교한 연구

(Rhim et al., 2004)

에서도, 정확한 배합상황이나 특성을 알

수 없으며, 물-시멘트비에 따른 특성값의 변화역시, 일정 주 파수에서 경화에 따라 정성적인 감소만을 나타내고 있을 뿐 이다(Wittmann, 1975).

본 연구는 서로 다른 수중양생기간을 거친 OPC로 제조된

시멘트 모르타르 시편을 대상으로 광범위한 0.2 GHz~20

영역에서 전자기 특성을 평가하였다. 상대적으로 변화 하는 공극률을 평가하기 위해 MIP(Mercury Intrusion

Porosimeter, MIP)

실험과, 초기재령 콘크리트 거동 해석기

법 결과를 이용하였으며, 전자기 측정결과와의 분석을 수행 하였다. 본 논문에서는 양생조건 및 배합조건에 따라 변화하 는 전자기 특성이 분석될 것이며, 이는 공극률과 밀접한 관 련이 있음을 알 수 있다.

2. 양생조건에 따른 전자기 특성 측정

2.1

전자기 기본 이론

유전율과 전도율은 전자기 특성(Electromagnetic properties)을 대표하므로 많은 연구에서 이용되고 있다. 모든 절연성 재료 는 독립적인 두가지 변수로 특성화될 수 있는데 복소유전율

과 복소투자율( )로 나타내어 진다(Rhim and Buyuko-

zturk, 1998).

물체의 유전율과 투자율을 나타내기 위해서는

일반적으로 4개의 독립적인 매개변수가 필요한데, 시멘트계 재료와 같은 절연재료의 경우, 투자율은 진공상태의 투자율

( : Henry/meter)

과 거의 같게 된다. 그러므로 복

소유전율( )는 식(1)과 같이 나타내어 질 수 있다.

(1)

여기서 는 복소유전율의 실수부를, 는 복소유전율의 허 수부를, 그리고 을 나타낸다. 진공중의 유전율

(ε0: Farad/m)

를 고려하면 식(1)은 식(2)와 같

이 나타낼 수 있다(Rhim and Buyukozturk, 1998; Rhim

(2)

여기서, 는 복소 비유전율이고, 는 유전율 또는 유전 상수(Dielectric constant)를, 는 손실계수(Loss factor)를 나타낸다. 복소 비유전율의 실수부 는 매질내에서 전자기가 흡수되어지는 정도를 나타내며, 허수부(

는 전자기가 매질내에서 어느 정도로 소산되어지는 가를 나타낸 다. 전도율(conductivity:

은 복소 비유전율의 허수부를 포 함한 함수로 나타나는데, 식(3)과 같이 나타낼 수 있다

(3)

여기서,

는 전도율(mhos/m)를,

는 각속도(rad/sec)를,

는 loss tangent로서 매질내에서 소산된 에너지와 흡수 된 에너지의 비를, f는 주파수(Hz)를 나타내고 있다. 이러한 전자기 특성은 일정한 것이 아니라, 주파수, 온도, 습도, 수 분함유량, 염화물 이온량, 콘크리트의 배합비등에 따라 다르게 변화한다. 본 논문에서, 전자기 특성(EM)은 주어진 주파수대 역에서 유전상수(Dielectric constant)와 전도율(Conductivity) 로 정의하였다.

2.2

실험개요

본 실험에서는 4개의 물-시멘트비로 제조된 시멘트 모르타 르를 대상으로 실험을 수행하였다. 콘크리트를 사용할 경우,

ε

μ

μ

×

ε

ε

ε ′ j

ε ″

ε′ ε ″

j= –1 8.854 10

×

ε

ε

′ j

ε

″ ε′

ε

ε ″

ε

= =

ε

ε

′

ε

″

ε

′ 1.0 >

( )

ε

″ 1.0 >

σ ε

″ ω

( ε

′ ε

δ ) 2 ( π

)

굵은 골재로부터 직접적으로 반사되어 측정되는 전자기 특 성은 시멘트 모르타르와 다를 수 있으므로 본 실험에서는 시멘트 모르타르를 대상으로 하였다. Table 1에서는 대상시 편의 배합표 및 골재의 물리적 성능을 나타낸다.

양생조건은 각 시편을 배합직후 28일동안 기중양생시킨 경 우, 3일 수중양생후 4주까지 기중양생을 수행한 경우, 1주일 수중양생한 경우, 2주 수중양생한 경우, 4주 수중양생한 경 우로 분류하였다. 기중양생은 상대습도 55~60% 조건, 온도

20~22^oC

조건에서 수행하였으며, 수중양생이 끝난 시편도 측

정시 2일간 기중양생 조건(실내조건)에 존치한 뒤 전자기 측 정을 수행하였다. 1, 2, 그리고 4주차의 압축강도 실험을 위 하여 실린더 시편(10 cm×20 cm)이 사용되었고, 모든 재령 별 전자기특성을 평가하기 위해서는 직육면체 시편(8 cm×15

cm×4 cm)

형태의 시편이 사용되었다. Table 2에서는 시편의

측정시간와 양생기간등을 요약하여 나타내었다.

기존의 연구에 의하면(임홍철과 정성훈, 2000), 두께는 5

이상의 모르타르 시편의 경우, 반사되는 전자파와의 간섭 은 없는 것으로 평가되었으므로 본 실험에서의 사용된 시편 의 두께는 충분하다고 할 수 있다.

2.3

양생조건에 따른 전자기 특성의 변화

2.3.1

사용 장비의 개요

본 논문에서 사용된 장비(Agilent 8722ES)는 개방형 동축 선로측정기(Open Ended Coaxial Probe: OECP)와 네트워 크 분석기 등으로 구성되어 있다. OECP는 송출되는 전선의 단면모양이며, 측정 대상시편의 표면 또는 액체의 침지상태 에서 반사되는 전자기파를 측정하도록 구성되어 있다. 네트 워크 분석기는 범용인터페이스버스(General Purpose Interface

Bus: GPIB)

를 통해서 노트북에 연결되어 있으며 이를 통해

측정된 전자기 특성을 평가하게 된다. 네트워크 분석기는

0.2 GHz~20 GHz

의 주파수 대역을 가지고 있는데, 측정 장

비의 구성과 실험사진을 Fig. 1에 나타내었다.

2.3.2

보정

일반적으로 OECP를 사용한 시스템에서, 장비의 보정은 그 특성이 잘 알려진 매질을 이용하여 수행된다(Nyshadham

본 연구에서는 측정전에 25

의 물과 공기에 대해서 보정을 수행하였는데, Fig. 2과 같이 나타낼 수 있으 며 기존의 측정값과 잘 일치하고 있었다(Rhim and

2.3.3

전자기 특성 측정(유전상수 및 전도율)

동일 시편에 대하여 유전상수 및 전도율을 10회를 측정하 여, 그 평균값을 주파수 영역(0.2~20 GHz)에 도시하였다.

측정 주파수가 증가할수록 전도율은 증가하였으며, 유전상수 는 감소하였는데, 이러한 경향은 기존의 실험결과와 유사한 경향을 보이고 있다(Rhim and Buyukozturk, 1998; Rhim

에서는 초기 기중노출, 3일 수중양 생, 1주일 수중양생, 2주 수중양생, 4주 수중양생에 대한 결 과를 나타내고 있다. 각 시편은 28일 의 양생기간(기중 및

1:3.125) W/C

(%)

Cement (kg/25liter)

Sand (kg/25liter)

Water (kg/25liter)

Flow (cm)

40 8.5 25 3.4 25

50 8.5 25 4.25 30

55 8.5 25 4.68 33

60 8.5 25 5.1 36

−

Table 2. The curing period and measuring time for tests

Fig. 1 Network analyzer and test setup

수중)을 거친 뒤, 2일간 더 실내상태에 존치되었으며 그 이 후에 전자기 측정을 수행한 것이다.

각각의 시편은 물-시멘트비가 낮아질수록, 그리고 수중존 치기간이 길어질수록 전자기특성(conductivity and dielectric

constant)

값이 증가함을 알 수 있었는데, 이는 감소하는 공극

률과 매우 밀접한 관계가 있다고 할 수 있다.

2.4

양생조건에 따른 시멘트 모르타르의 강도특성 변화 재령 1, 2, 4주차에서 시편의 압축강도를 평가하였는데(KS

Fig. 3 EM properties (air curing for 28 days)

Fig. 4 EM properties (submerged curing for 3 days and air curing for 25days)

Fig. 5 EM properties (submerged curing for 7 days and air curing for 21 days)

F2405),

물시멘트비 증가에 따라 감소하고 재령에 따라 증가 하는 전형적인 강도곡선을 나타내고 있었다. 양생기간이 증 가하고, 물-시멘트비가 감소하면 수화물 생성이 많아지고 이 에 따라 공극률이 감소하게 되는데, 이러한 공극률감소는 강 도변화와 밀접한 관계가 있다(Neville, 1998). 각 재령에 대

하여 압축강도 시편은 3개가 제조되었으며, 그 평균값을

Fig. 8

과 같이 나타내었다.

3. 평균화 기법을 이용한 전자기 특성 평가 및 상관

관계 도출

3.1

배합 및 양생조건에 따른 전자기 특성 평가

2

장의 유전상수 및 전도율 측정결과는 주파수 영역에서 하 나의 선으로 도시되므로 양생 및 배합조건 에 따라 정량적 인 분석이 어렵다. 5 GHz~20 GHz 영역에서는 비교적 측 정값의 경향이 선형을 보이고 있으므로 하나의 평균값으로 나타내면 각각의 측정값(유전상수, 전도율)과 양생 및 배합조 건과의 상관관계 분석이 더욱 수월해진다. Fig. 9에서는 수 중양생일수와 평균화된 전자기 특성의 비교를 나타내고 있다.

Fig. 9

에서 알 수 있듯이, 물-시멘트비가 높아질수록 전자

기 측정값(유전상수 및 전도율)은 낮게 평가되었으며, 이는 각 재령에서 동일한 경향을 보이고 있다. 수중 양생일수와 측정된 전자기 평균값을 분석하면 Fig. 10과 같이 나타낼 수 있다. 수중존치기간이 증가할수록 전자기 특성이 증가함 을 알 수 있는데, 선형이 아닌 와 같은 형태로 증가하 였으며, 최종적으로는 일정한 값에 수렴되리라 예상된다. 아 주 작은 수준이더라도, 수화 반응에 따라 공극률 감소는 발 생하게 된다. 본 연구는 4주 이하의 초기재령상태에서 양생 조건 및 기간에 따라 변화하는 공극률과 전자기 특성을 평 가하는데 그 목적이 있다. 본 연구에서는 전자기 특성이 일 정해지는 기간을 91일로 가정하였으며, 이에 대한 결과를 같 이 수록하였다. 기존의 연구에서는 보통 170~180의 양생시 간(hour)을 측정하였으며(Zhang et al., 1995; Gorur et al.,

T Fig. 6 EM properties (submerged curing for 14 days and air

curing for 14 days)

Fig. 7 EM properties (submerged curing for 28 days)

Fig. 8 Compressive strength in cement mortar

1982),

유전상수의 변화를 평가하기 위해 80일까지 측정한 연구 결과가 있다(Haddad and Al-Qadi, 1998). 본 연구에 서는 이보다 좀 더 긴 기간을 고려한 것이며, 91일 이후 기중양생에서의 공극률 변화는 매우 작다는 것을 가정한 것 이다.

3.2

공극률과 포화도에 따른 전자기 특성의 분석

전자기 특성은 시편의 공극률과 포화도에 밀접한 관계를 가지고 있는데, 이는 수분의 유전상수 및 전도율이 고체상의 모르타르에 비하여 매우 크기 때문이다(Halabe et al.,

1993).

본 연구에서 전자기 측정은 실내조건(상대습도

55~60%,

온도 20~22

에서 2일간 존치 후 수행되었으므로,

일 수중양생 후 해당시편의 포화도와 공극률을 분석한 것 이다. 포화도의 경우는 식(4)에 의하여 시간에 따른 포화도 를 분석하였으며, 공극률은 28일 경과후의 시편을 대상으로

실험을 통하여 분석하였다.

(4)

여기서, S는 포화도 (%), W

는 측정시의 무게, W

는 포 화상태의 무게로 일주일 침지후 시편의 무게변화가 없을 경 우를 기준으로 하였다. W

는 절대건조상태에서의 무게로

에서 24시간 존치후의 중량을 나타낸다. Fig. 11(a)에 서는 포화도와 존치기간과의 관계를, Fig. 11(b)에서는 수분 중량변화와 존치기간과의 관계를 나타내고 있다. 물-시멘트비 가 낮은 배합일수록 공극구조가 조밀해지고, 비교적 작게 형 성된 공극에 존치하는 자유수는 수분발산이 늦게 되므로 포 화도가 천천히 감소하고 있음을 알 수 있다. 이러한 결과는

기존의 실험에서도 쉽게 확인할 수 있다(Song et al.,

S

(

×

)

( )

---

=

×

Fig. 9 Averaged EM properties and different W/C ratios

Fig. 10 EM properties and different curing periods

Fig. 11 Changed saturation and water loss with exposed time

한편 MIP 실험조건은 Table 3에 나타나 있으며, 실험결과 는 Fig. 12 및 Table 4에 나타나 있다. 물-시멘트비가 낮을 수록 수화반응시 참여하는 수분이 작아지므로 이에 따라 감 소되는 공극률을 확인할 수 있다.

28

일간 수중 양생시킨 시멘트 모르타르에 대해, 전자기 측 정조건과 동일한 실내 환경(상대습도 55~60%, 온도

20~22^oC)

에서 2일간 존치시킨 후, 평가된 실험결과는 다음과

같다. 물-시멘트비의 증가에 따라 포화도는 감소를, 공극률은 증가를 나타내고 있었는데, Fig. 13(a)에서는 물-시멘트비에 따라 변화하는 포화도 및 공극률의 변화를 선형회귀분석결 과와 함께 나타내었으며, Fig. 13(b)에서는 포화도와 전자기 특성의 관계를, Fig. 13(c)에서는 공극률과 전자기특성과의 관계를 회귀분석과 함께 도시하였다.

실제로 고체상의 수화물(콘크리트)의 유전상수는 대략 5~8 정도로 알려져 있는데, 이 값은 물의 유전상수인 78(0.2G

인 경우에 비해, 매우 작으며, 콘크리트와 같은 다공성 매체가 포화되어 있을 경우, 전자기 특성은 크게 증가하게 된다. 이는 배합마다 차이가 있을 수 있는데, 기존의 실험값 에서(Halabe et al., 1933), 공극률이 0.15, 염화물 농도 52

일 경우, 포화도가 1.0이 되었을때, 0.0인 상태에 비해서

배의 유전상수의 증가를 나타내고 있다. 한편 오히려 표 면에 수분이 젖어있는 경우는 값이 더욱 크게 증가하는데, 유전상수의 경우 5배이상, 전도율의 경우 10배 이상 증가하 는 실험결과를 보이기도 한다(Rhim et al., 2004).

4. 초기재령 거동 해석을 통한 모르타르의 공극률 변화와 전자기 특성과의 비교

본 절에서는 공극률의 변화와 전자기 특성과의 변화를 분 석하도록 한다. 수은압입법과 같은 실험을 통하여 각 재령 에 따른 공극률을 실험적으로 분석하는 것이 가장 바람직하 지만, 다수의 시편과 일정한 표본이 필요하므로, 본 연구에 서는 초기재령 모델링을 통한 유한요소해석결과를 이용하였 다. 존치기간에 따른 공극률을 평가하기 위해 Ducom이 사 용되었는데, 이 프로그램은 열역학 연성 방정식을 기초로, 수화발열모델, 수분이동모델, 공극형성모델등을 고려할 수 있도록 고안되었다. 관련 모델 및 해석 프로그램에 대해서 는 많은 연구성과가 축적되어 있으므로 기존의 연구성과를 참고하는 것이 바람직하다(Mabrouk et al., 2004; Maekawa

Fig. 14

에서는 Ducom모델의 개요를 그림으로 나타내었다.

Fig. 15(a)

에서는 해석결과에 따른 공극률의 변화를, Fig.

15(b)

에서는 양생조건에 따른 공극률의 감소율을 나타내고

있다.

해석결과 수중양생 존치기간의 증가에 따라 공극률은 감소 하고 있으며, 이는 시멘트 모르타르의 전자기 특성과 아주

Evacuation pressure

Evacuation time

Mercury filling

pressure Contact angle Hg surface

tension Hg density

50

μ

Fig. 12 Cumulative porosity with different W/C ratios Table 4. MIP test results

W/C (%) 40 50 55 60

cumulative porosity (%) 13.318 14.960 17.441 19.970

Fig. 13 Relationship between saturation, porosity and EM properties

밀접하게 변화하고 있음을 알 수 있다. 물-시멘트비의 증가 에 따라 공극률은 크게 평가되었는데, 이러한 영향은 직접적 으로 전자기 특성의 크기를 감소시킨다. 수중 양생기간에 따 른 전자기 특성 변화를 분석하기 위하여, 전자기 특성의 증 가율을

존치기간)에 대하여 회귀분석을 수행하였으며, 그 결과를 Fig. 16과 Table 5에 나타내었다.

Fig. 16

에서처럼 전도율의 경우는 재령의 증가에 따라

1.69~2.08

배 증가하였으며, 유전상수의 경우는 1.45~1.57배

증가함을 알 수 있다. 최대 및 최소 증가율은 각각 물-시멘 트비 40%와 60%로 평가되었는데, 낮은 물-시멘트비를 가진 배합일수록 수중존치기간에 민감하게 평가되었다. Ducom을 통한 해석결과에서, 공극률의 감소율 역시 물-시멘트비 40%

의 경우에 최대값을, 60%인 경우에 최소값을 가지고 있었다.

물-시멘트비의 변화에 따른 증가율의 기울기(A)는 Fig. 17에 나타내었는데, 물-시멘트비의 증가에 따라 각각의 전자기 특 성의 증가율이 감소하고 있음을 알 수 있다.

기존의 연구(Gorur et al., 1982; Zhang et al.,

1995)

들은 수화반응 개시부터 경화되기까지 전자기적 특

성이 변화하는 것에 대한 연구가 지배적이다. 이러한 연 구는 전자기 특성이 수화에 따라서 변화하는 과정을 특성 화 한 것이므로, 공극률과 같은 구체적인 물성치(강도, 공 극률)와 연계시키지 못하였으며 양생조건 또는 배합조건을 고려하지 않은 결과이다. 한편 하나의 주파수만을 사용하 였으므로 광대역(0.2~20 GHz)에서 측정되는 평균화된 전 자기 특성값과 차이를 보인다. 본 연구는 전자기특성을 이용한 콘크리트의 성능평가를 위한 기초적인 연구로서, 노출환경의 영향(수분, 온도, 표면상태) 등을 고려하고 각 조건에 맞는 물리적 성능평가(강도, 공극률) 등이 수행된 다면, 다양한 품질을 가진 콘크리트에 적용할 수 있을 것 으로 예상된다.

5. 결 론

본 연구는 28일 양생 전, 초기재령의 시멘트 모르타르를 대상으로 전자기 특성을 평가한 것이며, 초기 양생조건이 공 극률 뿐 아니라 전자기 특성에서도 크게 영향을 미치고 있 음을 알 수 있었다. 양생조건에 따른 초기재령 시멘트 모르 타르의 전자기 특성에 대한 실험적 연구를 통해 도출된 연 구 성과는 다음과 같다.

1.

물-시멘트비의 변화에 따른 전자기 특성을 평가하기 위해,

5~20 GHz

주파수 영역의 유전상수 및 전도율 측정값을

하나의 값으로 평균화하였는데, 이 특성값들은 W/C가 낮 아질수록 모두 증가하였다. 유전상수의 경우, 물-시멘트비

Fig. 14 the Scheme of FE analysis from Ducom (Ishida et al., 2007)

Fig. 15 Changed porosity with time and W/C ratios (simulated results)

가 60%에서 40%로 감소할 경우, 최대 57%가 증가하였 으며, 전도율의 경우 46%가 증가하였다.

2.

동일한 물-시멘트비라도 초기재령시 수중양생기간에 따라 많은 변화를 보이고 있었다. 초기 기중양생에 비하여 28 일 수중양생을 할 경우, 전도율에 대해서는 1.69~2.08배의 증가를 보였으며, 유전상수의 경우 1.46~1.57배 정도 증가 하였다.

3.

각각의 전자기파 평균값은 수중존치기간의 제곱근에 비례 하여 증가하였는데, 단위 시멘트량이 많은 배합(W/C

40%)

에서 유전상수 및 전도율의 증가율이 가장 크게 나 타났으며, W/C 60% 배합에서는 가장 낮은 증가율이 평 가되었다. 이러한 결과는 수분 함유량의 영향이 비교적 적 은 실내조건에서는 전자기특성이 주로 공극률에 의해 영 향을 받는 것으로 판단된다. 해석을 통해서 도출된 각 배 합별 공극률 변화도 전자기파의 실험값 변화와 비슷한 경 향을 나타내고 있었다. 한편 각 배합에서 전자기파 증가율 과 측정값과의 상관성은 유전상수보다 전도율에서 더욱 명 확하게 나타났다.

4.

수중양생 일수에 따라, 측정된 전자기파 증가율의 기울기 를 분석하였는데, 기울기는 물-시멘트비의 증가에 따라 감 소하였다. 이는 낮은 물-시멘트비를 가진 시멘트 모르타르 인 경우, 수중 양생기간에 더욱 민감하다는 것을 알 수 있다.

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Fig. 16 Changed ratio of EM properties and porosity with curing period of submerged condition Table 5. Results of regression analysis

W/C ratios EM is increasing ratio of the measurements

A is gradient constant of increasing ratio, is exposed period (day)

A of conductivity and R² A of dielectric constant and R²

40% 0.1926 0.9490 0.1099 0.9477

50% 0.1476 0.9155 0.0907 0.9042

55% 0.1368 0.9136 0.0776 0.8255

60% 0.1079 0.8421 0.0670 0.7245

EM=A

⋅

Fig. 17 Gradient of increasing ratio with W/C ratios

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(

접수일: 2008.3.20/심사일: 2008.4.29/심사완료일: 2008.8.18)