2.2.1. 응력파의 종류 및 특성

매질을 따라 전파하는 응력파는 매질 내부를 따라 전파하 는 체적파(P파, S파)와 매질 표면을 따라 전파하는 표면파로 나눌 수 있다. 이러한 파의 구별은 파의 전파 속도와 파가 전파 되는 매질 입자의 거동 특성에 의해 구별된다. P파는 매질의 전단 변형 없이 체적 변형만을 일으키며 매질 입자의 운동 방 향은 파의 전파 방향과 같다. 측방향 변위가 구속되어 있는 경 우 P파의 속도 V_p 는 매질의 탄성계수와 밀도에 의해서 다음 식 (1)과 같이 결정된다.

만약, 측방향 변위가 허용되는 봉(bar)과 같은 형태의 매질 을 따라 전파하는 경우, 다음 식에 의하여 P파 속도, V_C를 식 (2)와 같이 결정할 수 있다.

S파는 P파와 달리 매질의 체적변형 없이 전단 변형만을 일 으키며, 매질 입자의 운동 방향은 파의 전파 방향과 수직을 이 룬다. S파의 속도 V_S는 식 (3)과 같이 매질의 전단탄성계수 값 과 밀도에 의해서 결정된다.

두 식을 비교하면, P파와 S파의 상대속도는 시험 대상 재료 의 포아송비(ν)에 따라 다르다. 예를 들어 일반적으로 콘크리 트의 포아송비를 0.2로 가정하면 S파의 속도는 P파 속도의 약 61%가 된다.

2.2.2. 충격반향기법

충격반향기법은 탄성 충격에 의해 생성 된 일시적인 응력 파의 사용을 기반으로 한다. 표면에 기계적 충격을 가하면 구 형의 파면을 가지고 실험체 내부로 전파되는 체적파(P, S파) 와 실린더 형태의 파면을 가지고 실험체 표면을 따라 전파되 는 표면파(R파)가 발생한다. 이때 체적파는 균열, 공동과 같 은 불연속체나 이질 매질층간의 경계면을 만나면 반사되어 응력파가 발생한 표면으로 돌아온다. 균열, 공동과 같은 매질 내의 불연속체나 이질 매질층간의 경계면에서 반사된 P파에 의한 표면변위가 S파에 의한 표면변위 보다 훨씬 크기 때문에 표면에서 감지되는 파형은 반사된 P파에 의한 파형으로 볼 수 있다.

충격반향기법을 이용해 매질내의 결함이나, 경계면의 위치 를 파악 가능하고 실험체의 치수를 알고 있을 경우 콘크리트 의 불량도 추정가능하다. 또한 P파의 전파속도를 알 경우, 반 사파의 도달시간을 측정하여 실험체 내부의 연속면 위치를 파악할 수 있다. Fig. 1은 충격반향기법의 개념도이다.

일반적으로 시간영역(Time domain)의 데이터를 고속 푸리 에 변환(Fast Fourier Transform, FFT)을 통하여 주파수영역 (Frequency domain)의 데이터로 변환하여 Fig. 2와 같은 데이 터를 해석하게 된다.

변화된 데이터에서 첫 번째 모드의 주파수가 최대공진주파 수가 되어 주파수 영역 데이터에서 공진주파수를 찾는 것이 용 이한 것을 알 수 있다. 슬래브 구조에 대한 반사경계면까지의 거리 : d, 압축파속도 : υ_p, 공진주파수 : f로 파속도와 공진주파 수를 이용하여 슬래브 두께를 식 (4)와 같이 추정할 수 있다.

2.2.3. 초음파속도법

콘크리트의 초음파 속도법은 Fig. 3에 나타난 바와 같이 경 화된 콘크리트 내부로 전달되는 초음파의 전달속도로 일반적 으로 콘크리트의 일정 거리를 통과하는 발신자와 수신자 사 이의 통과 시간으로부터 초음파 속도를 구하는 것이다. 콘크 리트의 밀도가 불균질하고 불특정하기 때문에 초음파는 많은 요인의 영향을 받게 되므로 초음파만으로 콘크리트의 압축강 도를 양호하게 추정하는 것은 곤란한 경우가 많다. 다만 주요 조건이 비슷한 경우는 초음파과 강도 사이에 일정한 상관성 을 나타내고 있어 어느 정도의 강도추정은 가능하다. 따라서 본 시험은 취성재료의 시험에 가장 적합한 50~60 kHz의 펄스 를 사용하여 재료의 밀도, 탄성 정도, 균질성, 공극이나 공동 의 유무, 화학적 손상 및 노후화에 의한 열화 및 탄산화 현상 등을 측정할 수 있으며 콘크리트 강도시험에 적용할 수 있다.

초음파 펄스 속도를 측정하여 재료들의 특성을 평가하고자 할 때, 측정 정밀도는 높아야 한다. 이는 적절한 펄스를 생성 하고 실험재료를 전파하는 시간을 정확하게 측정할 수 있는 실험기구를 사용해야 함을 의미한다. 펄스들이 재료 내에서 전파하는 거리를 측정하면 식 (5)와 같이 펄스 속도를 계산 할 수 있다.

3.2.1. 압축강도

황토콘크리트 압축강도 추정용 실험체의 압축강도와 초음 파속도의 상관관계를 파악하기 위해 Fig. 5(a)의 만능시험기 로 파괴실험으로 압축강도를 측정한다. 황토콘크리트의 압축 강도는 KS F 2405에 준하여 실시하였으며, 제작한 공시체 5 개 중 가장 낮은 값과 높은 값을 제외하였다.

3.2.2. 초음파속도법

황토콘크리트 압축강도 추정을 위해 비파괴검사법 중 초음 파속도법을 사용하여 초음파속도를 측정하였다. 본 실험에 사 용된 장비는 미국 Olson사의 Freedom Data PC에 가진원과 발 진원의 Tracsducers(54 kHz)를 UPV Cables(3 Pin MS to Phone Plug)에 연결하여 KS F 2731에 준하여 실시하였고, KS F 2731 에 언급된 바와 같이 1회당 20번 측정한 값의 평균으로 3회 실 시하였다.

3.3.1. 압축강도시험을 통한 압축강도 측정

압축강도시험 결과는 Table 2와 같이 나타났으며, 재령에 따라 압축강도가 증가하는 것을 Fig. 6과 같이 나타났다. 재령 28일 강도가 약 18 MPa로 설계강도 21 MPa의 90% 수준까지 강도가 정상적으로 발현되었다.

3.3.2. 초음파속도법을 이용한 파속도 측정

초음파속도 측정 결과는 Table 3과 같이 나타났으며, 재령 에 따라 파속도가 현저히 증가하다 어느 지점을 도달한 순간 부터 일정하게 유지되는 것을 알 수 있었다.

3.3.3. 충격반향기법을 이용한 포장두께 추정

초음파속도법을 이용하여 취득한 황토콘크리트의 매질 속 도를 기반으로 충격반향기법에 적용하여 포장두께를 추정하 였다. 포장두께 변수는 100 mm, 150 mm, 180 mm, 200 mm로 계획하여 실험체를 제작하였다. Table 4와 Fig. 7에 나타난 바 와 같이 재령 28일 기준으로 각 두께에 따른 평균 오차율은 6.3%로 비교적 정확한 추정이 가능함을 알 수 있었다. 재령 7일 의 경우 평균 오차율은 9.4%, 재령 3일의 경우 평균 오차율은 9.5%, 재령 2일의 경우 평균 오차율은 12.8%로 재령 28일의 경우가 포장두께 추정의 정확도가 높음을 알 수 있었다.

3.3.4. 황토콘크리트 압축강도 추정

황토콘크리트의 재령에 따른 압축강도와 초음파속도의 상 관관계를 도출하여 압축강도 추정식을 식 (6)과 제안하였으며, 황토콘크리트의 압축강도와 초음파속도의 상관관계를 Fig. 8 과 같이 나타내었다.