1. 서 론

사회기반시설물의 설계·시공 및 유지관리 과정에서 암석이나 콘크리트와 같은 구조재료의 일축압축강도를 보다 정확하고 효율적으로 평가할 수 있는 시험기법의 개발은 매우 중요한 과제이다. 재료의 압축강도를 직접적으로 측정하는 방법은 실제 강도를 가장 정확하게 파악할 수 있다는 장점이 있으나, 압축하중 장비가 필요하고 시험 절차가 복잡하며, 시간과 비용이 많이 소요되는 한계를 지닌다. 이에 비해 간접적인 방법에 해당하는 비파괴시험법(예: 슈미트해머 시험, 초음파시험 등)은 시험이 간편하고 신속하며 비용 부담이 적다는 장점으로 인해 현장에서 널리 활용되고 있다. 그러나 이러한 비파괴시험법은 일반적으로 직접압축강도 시험에 비해 강도 추정의 정확성과 신뢰성이 상대적으로 낮다는 단점을 가진다. 그럼에도 불구하고 시험 대상에 손상을 가하지 않으면서 빠르고 손쉽게 적용할 수 있다는 특성으로 인해 비파괴시험법은 실무에서 지속적으로 활용되고 있다. 현재 암석이나 콘크리트 재료의 압축강도를 추정하기 위해 가장 보편적으로 사용되는 비파괴시험법 중 하나인 슈미트해머 시험은 원래 재료의 강도가 아닌 표면 경도를 측정하기 위해 개발된 방법이다(Schmidt, 1951). 이후 반발경도와 압축강도 간의 경험적 상관관계에 기반하여 재료의 압축강도를 예측하는 용도로 널리 사용되고 있다. 슈미트해머 반발경도와 콘크리트의 직접압축강도 간의 관계에 대해서는 다수의 연구가 수행되어 왔으나, 그 상관성은 연구자 및 조건에 따라 큰 편차를 보이는 것으로 보고되고 있다. 이러한 편차의 원인으로는 시험자의 숙련도에 따라 결과가 달라질 수 있는 주관성 문제와, 단일 타격에 의해 측정된 반발값이 재료 표면의 국부적 경도만을 반영함으로써 전체 강도를 정확히 대변하지 못한다는 점을 들 수 있다. 또한 슈미트해머 시험은 비교적 큰 타격에너지를 사용하기 때문에, 콘크리트 내부에 미세균열을 유발하거나 시험체 자체의 손상을 초래할 가능성이 있다는 문제점도 지적되고 있다. Goktan & Gunes(2005)는 슈미트해머 시험 절차가 아직 충분히 표준화되지 않았음을 지적하였으며, FHWA(1997)와 IAEA(2002)는 반발경도와 재료 강도 사이에 명확한 이론적 근거가 존재하지 않는다고 보고한 바 있다. 일반적으로 슈미트해머 시험을 통해 예측된 압축강도의 정확도는 약 60~70% 수준으로 평가되고 있다(Malhotra, 1991; FHWA, 1997).

한편, 시험체 내 두 지점 사이의 초음파 전달 속도를 이용하여 강도를 추정하는 초음파시험법(Naik & Malhotra, 1991; FHWA, 1997)은 균열, 공극, 박리, 부식 등 시험체의 내부 결함이나 균질성 평가에 효과적으로 활용되고 있다. 그러나 초음파 속도는 센서의 접촉 상태, 온도 및 습도 조건, 시험체의 비균질성, 초음파 전파 경로 등 다양한 요인의 영향을 받기 때문에 강도 예측의 불확실성이 존재한다. 국제원자력기구(IAEA, 2002)는 기존 경험적 그래프에 의존한 초음파시험 결과 해석이 부정확할 수 있으며, 초음파 속도와 압축강도 간의 상관관계가 실무 적용에 충분한 신뢰성을 제공하지 못한다고 보고하였다.

이와 같이 다양한 비파괴시험법이 재료 물성 평가를 위해 제안되고 활용되고 있음에도 불구하고, 기존 방법들은 압축강도 예측의 정확성이 충분하지 않거나 적용성에 한계가 있음이 다수의 선행 연구와 보고서를 통해 지적되고 있다. 이에 따라 암석이나 콘크리트와 같은 구조재료의 압축강도를 보다 신뢰성 높고 효율적으로 추정할 수 있는 새로운 시험기법의 개발이 요구되고 있다. 기존 시험법의 한계를 보완하고 문제점을 최소화하면서 압축강도 예측 정확도를 향상시킬 수 있는 새로운 비파괴시험법을 제시하는 것은 매우 중요한 연구 과제라 할 수 있다.

본 연구는 기존의 직접 및 간접 강도 측정 기법이 갖는 여러 한계를 극복하고, 암석 및 콘크리트 재료의 비파괴 압축강도를 보다 신뢰성 있게 평가할 수 있는 방법을 제안하기 위해 다양한 크기의 콘크리트 시험체를 대상으로 수행되었다. 이와 관련하여 Son & Kim(2017)은 사운드 응답신호를 이용한 비파괴 압축강도 산정 기법을 제안한 바 있으며, Son & Seong(2023)은 수평 방향 타격장치를 활용한 새로운 비파괴 압축강도 평가 방법을 보고한 바 있다.본 연구에서는 사운드 신호를 활용하지 않고 자유낙하 방식의 타격 메커니즘을 적용하여 강도 및 크기가 서로 다른 재료에 대한 초기 타격과 반발에 의해 발생하는 연속적인 반복 타격 과정에서의 타격력 응답신호를 모두 측정하였다. 또한 이러한 응답신호를 누적하여 산정한 전체 타격력 신호에너지를 기반으로 재료의 비파괴 압축강도 산정 가능성을 검토하였으며, 이를 위해 강도 및 크기가 상이한 콘크리트 공시체를 대상으로 실험을 수행하였으며, 그 결과를 제시하고자 한다.

2. 실험방법 및 절차

2.1 서로 다른 강도특성 및 크기를 가지는 콘크리트 시험공시체 제작

재료의 비파괴 압축강도 평가 가능성을 다양한 조건에서 검토하기 위하여, 크기와 설계강도가 서로 다른 콘크리트 시험 공시체를 제작하였다. 공시체의 치수는 두 가지 유형(75×150mm, 100×200mm)으로 구분하였으며(Fig. 1), 압축강도 수준 또한 저강도, 보통강도, 고강도의 세 단계로 구분하여 시험체를 준비하였다. 제작된 콘크리트 공시체에 관하여 Table 1에 정리하여 나타냈다. 콘크리트 공시체는 제작 후 공기 중에서 양생하였으며, 재령일이 102 – 204일 된 것들을 사용하였다.

Fig. 1

Concrete test specimens of two different sizes

2.2 시험 공시체의 타격력 응답신호 분석 및 신호에너지 산정

제작된 콘크리트 시험 공시체는 타격력 신호의 발생 및 분석을 위해 개발된 실험 장치(Fig. 2)를 이용하여 시험을 수행하였다. 각 공시체의 중앙부에 초기 타격을 가한 후, 타격 에너지가 완전히 소산될 때까지 발생하는 반발에 의한 연속 타격 과정에서의 타격력 응답신호를 측정하였으며, 이로부터 전체 타격력 신호에너지를 산정하였다.

Fig. 2

Impact force signal measurement system

본 연구에 적용된 타격 시스템은 타격 높이 조절 장치, 타격봉(길이 200mm, 직경 2mm), 타격구(직경 15mm), 그리고 타격력 측정 센서(Dytran 1053V4)로 구성되어 있다. 타격봉의 한쪽 끝에는 타격력 측정 센서가 결합되어 있으며, 그 전면에 타격구가 순차적으로 연결된 구조로 제작되었다. 타격봉의 반대쪽 끝은 타격 높이 조절대에 힌지 방식으로 연결되어 회전 자유낙하 운동이 가능하도록 설계되었으며, 이를 통해 시험체에 초기 타격이 가해진 이후 반발에 의한 연속적인 반복 타격이 자연스럽게 발생하도록 하였다. 시험체에 가해진 타격으로부터 발생하는 타격력 응답신호의 측정 및 분석은 타격력 측정 센서, 센서 신호를 케이블을 통해 수집하는 신호 획득 장치(SpectraDAQ-200), 그리고 수집된 데이터를 분석하는 신호 분석 소프트웨어(SpectraPLUS-SC)를 통해 수행되었다. 시험에 앞서, 타격이 이루어지는 시험 공시체의 표면은 연마석을 이용하여 평탄하게 정리하였다. 이후 연마된 공시체 중앙부에 대해 동일 조건에서 3회 반복 타격을 실시하여 응답신호를 측정하였으며, 분석에는 이들의 평균값을 사용하였다. 각 시험에서의 초기 타격은 타격봉이 공시체 상단면과 약 89°의 각도를 이루는 위치에서 회전 자유낙하 운동에 의해 가해졌으며, 초기 충돌 이후 타격구의 반발 작용으로 발생하는 연속적인 반복 타격이 자연적으로 감쇠되어 소멸될 때까지의 전 과정에 대해 타격력 응답신호를 측정하였다(Fig. 3).

Fig. 3

Measured impact force signals (time vs force) from 3 times impacts for a granite test specimen

각 공시체별로 3회 측정된 응답신호로부터 산정된 타격력 신호에너지의 평균값을 해당 공시체의 타격력 신호에너지로 정의하였다.타격력 신호에너지는 발생신호 전체에 대한 전체 타격력 신호에너지(TIFSE: Total Impact Force Signal Energy)로서 정의하고 아래와 같이 계산하였다(Fig. 4 참조).

여기서, t1: 신호 시작시간, t2: 신호 종결시간, y²: 진폭(타격력)의 제곱

Fig. 4

Schematic view of total impact force signal energy calculation

2.3 시험공시체에 대한 직접 압축강도 측정

타격력 응답시험이 완료된 콘크리트 시험 공시체에 대해서는, 타격력 응답신호로부터 산정된 전체 타격력 신호에너지와 재료의 실제 압축강도 간의 상관성을 분석하기 위하여 직접압축강도시험을 추가로 수행하였다. 이를 통해 각 공시체별 직접압축강도를 측정하였다. Fig. 5는 직접압축강도 시험에 사용된 시험 장비와 시험 수행 장면을 나타낸 것이다.

Fig. 5

Universal test machine for measuring direct compressive strength

직접압축강도 시험은 최대 용량 2,000ton의 만능시험기(UTM: Universal Testing Machine)를 이용하여 수행하였으며, 하중 제어 방식으로 분당 1MPa의 하중 증가율을 적용하여 압축강도를 측정하였다. 이와 같은 절차를 통해 동일한 시험 공시체에 대해 타격력 신호에너지와 직접압축강도라는 두 가지 물리량을 동시에 확보하였다.

이러한 시험 과정을 모든 콘크리트 시험 공시체에 대해 반복 수행함으로써, 타격력 신호에너지와 직접압축강도에 대한 실험 데이터를 축적하였으며, 이를 바탕으로 두 변수 간의 상관관계를 체계적으로 분석하였다.

3. 전체 타격력 신호에너지와 일축압축강도 비교·분석

서로 다른 강도로 배합되고 서로 다른 크기로 제작된 시험공시체에 대한 공시체별 타격력 신호특성 분석 결과로 산정된 전체 타격력 신호에너지와 직접 측정된 일축압축강도 결과를 바탕으로 그 상관성을 분석하였다. Figs. 6-7은 저강도, 보통강도, 고강도를 포함한 모든 콘크리트 시편을 대상으로, 시편 크기에 따른 전체 타격력 신호에너지와 일축압축강도 간의 상관관계를 나타낸 것이다. 그림에서 보는바와 같이 공시체 크기에 관계없이 전체 신호에너지가 증가함에 따라 압축강도가 함께 증가하는 뚜렷한 경향이 확인되었다. 이는 타격에 의해 발생하는 전체 신호에너지가 콘크리트의 압축강도 수준을 효과적으로 반영하고 있음을 의미한다. 강도 수준별로 살펴보면, 저강도 시편은 낮은 신호에너지와 낮은 압축강도 영역에 집중적으로 분포하였으며, 중강도 시편은 그 중간 영역에서 비교적 연속적인 증가 추세를 보였다. 고강도 시편의 경우 가장 높은 신호에너지 구간에 분포하며, 압축강도 역시 상대적으로 높은 값을 나타내어 중·저강도 시편과 명확히 구분되는 경향을 보였다. 이러한 결과는 전체 신호에너지를 통해 콘크리트 강도 등급의 구분이 가능함을 시사하는 결과로 해석될 수 있다. 또한 공시체 크기가 75×150mm에서 100×200mm로 증가함에 따라 신호에너지의 절대적인 분포 범위에는 일부 차이가 나타났으나, 신호에너지와 압축강도 간의 기본적인 상관관계는 두 경우 모두에서 유사하게 유지되었다. 이는 본 연구에서 적용한 신호에너지 기반 평가 방법이 특정 공시체 크기에 크게 의존하지 않으며, 다양한 크기의 콘크리트 시편에도 적용 가능함을 의미한다. 이를통해 신호에너지와 압축강도 사이에 일관된 증가 관계가 확인되었으며, 이를 통해 전체 타격력 신호에너지가 콘크리트 압축강도를 비파괴적으로 평가하는 데 유효한 지표가 될 수 있음을 알 수 있다. 사용된 공시체는 모두 재령 102 - 204일 범위에 해당하며, 충분한 양생이 이루어진 것으로 판단되어 재령일에 따른 별도의 분석은 수행하지 않았다.

Fig. 6

Comparison between total impact force signal energy and measured compressive strength (Specimen size: 75mm ×150mm)

Fig. 7

Comparison between total impact force signal energy and measured compressive strength (Specimen size: 100mm × 200mm)

콘크리트 공시체를 크기별로 구분하여 전체 타격력 신호에너지와 직접압축강도 간의 상관관계를 회귀분석을 통해 검토하였으며, 그 결과를 Figs. 8-9에 나타냈다.

Fig. 8

Relationship between total impact force signal energy and measured compressive strength (Specimen size: 75mm × 150mm)

Fig. 9

Relationship between total impact force signal energy and measured compressive strength (Specimen size: 100mm × 200mm)

콘크리트 공시체를 대상으로 수행한 타격력 응답실험 결과와 회귀분석을 바탕으로 두 공시체 크기 모두에서 전체 신호에너지와 압축강도 사이에 뚜렷한 선형적 관계가 확인되었으며, 신호에너지가 증가함에 따라 압축강도 역시 증가하는 경향을 보였다. 먼저 공시체 크기 75×150mm의 경우, 회귀식은 신호에너지 증가에 따른 압축강도의 증가를 비교적 명확하게 설명하고 있으며, 결정계수(R²)가 약 0.86 수준으로 나타나 두 변수 간의 상관성이 매우 높은 것으로 평가된다. 이는 전체 타격력 신호에너지가 해당 크기의 공시체에서 압축강도를 효과적으로 반영하는 지표임을 의미한다. 공시체 크기 100×200mm에 대한 회귀분석 결과에서도 유사한 경향이 관찰되었다. 회귀 직선의 기울기는 75×150mm 공시체와 큰 차이를 보이지 않았으며, 결정계수(R²) 역시 약 0.88 수준으로 나타나 높은 설명력을 보였다. 이는 공시체 크기가 증가하더라도 전체 신호에너지와 압축강도 간의 기본적인 관계가 유지됨을 시사한다.

두 회귀분석 결과를 종합하면, 공시체 크기에 따라 절편이나 회귀계수에 일부 차이는 존재하지만, 전체 타격력 신호에너지와 압축강도 사이의 선형 상관관계는 일관되게 나타난다. 이러한 결과는 본 연구에서 제안한 신호에너지 기반 평가 방법이 특정 공시체 크기에 크게 의존하지 않으며, 크기가 다른 콘크리트 공시체에도 적용 가능함을 보여준다.

또한 비교적 높은 결정계수는 전체 신호에너지가 콘크리트 압축강도를 예측하는 데 있어 신뢰성 있는 설명변수로 활용될 수 있음을 의미하며, 향후 비파괴 압축강도 평가 모델 구축의 기초 자료로서 유의미한 결과로 판단된다. 그럼에도 불구하고 본 연구는 제한된 수의 콘크리트 시편을 통한 분석으로서 후 시험 시편 수가 증가함에 따라 상관성은 보다 명확해질 것으로 판단된다.

4. 결 론

재료의 압축강도를 정량적으로 평가하는 데 있어 기존 비파괴시험법에는 한계가 존재하므로, 본 연구에서는 이를 보완하기 위해 타격력 응답신호를 기반으로 한 비파괴 압축강도 산정 기법을 제안·적용하였다. 본 연구를 통해 다음과 같은 결론을 얻었다.

(1) 암석 및 콘크리트와 같은 재료에 타격을 가할 때 발생하는 타격력 응답신호를 분석하고, 이를 비파괴 강도 평가 기법으로 활용할 수 있는 가능성을 검토하기 위하여 본 연구에서는 우선 타격력 생성 메커니즘을 설계하고 이에 대응하는 타격신호 계측 시스템을 구축하였다. 본 연구에서 개발한 타격 장치는 회전 자유낙하 운동을 이용하여 재료에 초기 충격을 가한 후, 반발 현상에 의해 연속적인 반복 타격이 자연스럽게 발생하도록 구성함으로써 재료의 에너지 감쇠 거동을 보다 효과적으로 반영할 수 있도록 하였다.

(2) 서로 다른 강도로 배합되고 서로 다른 크기로 제작된 콘크리트 공시체를 대상으로 타격력 응답 실험을 수행하고, 공시체별 전체 타격력 신호에너지와 직접 측정한 일축압축강도 간의 상관성을 분석하였다. 그 결과, 공시체 크기와 강도 수준에 관계없이 전체 신호에너지가 증가함에 따라 압축강도가 함께 증가하는 일관된 경향이 확인되었으며, 이는 타격에 의해 발생하는 전체 신호에너지가 콘크리트 압축강도 수준을 효과적으로 반영할 수 있음을 알 수 있었다.

(3) 강도 수준별 분석 결과, 저강도·중강도·고강도 시편은 전체 신호에너지–압축강도 관계에서 서로 구분되는 분포 특성을 나타내었으며, 이를 통해 전체 신호에너지를 기반으로 콘크리트 강도 등급을 구분할 수 있는 가능성이 확인되었다. 또한 공시체 크기가 75×150mm에서 100×200mm로 증가함에 따라 신호에너지의 절대적인 분포 범위에는 일부 차이가 나타났으나, 신호에너지와 압축강도 간의 기본적인 상관관계는 유사하게 유지되어, 본 평가 방법이 특정 공시체 크기에 크게 의존하지 않음을 확인하였다.

(4) 회귀분석 결과, 두 공시체 크기 모두에서 전체 신호에너지와 압축강도 사이에 뚜렷한 선형 관계가 나타났으며, 결정계수(R²) 또한 높은 설명력을 보였다. 이는 전체 타격력 신호에너지가 콘크리트 압축강도를 예측하기 위한 신뢰성 있는 설명변수로 활용될 수 있음을 의미한다. 따라서 본 연구에서 제안한 신호에너지 기반 방법은 콘크리트 압축강도를 비파괴적으로 평가하기 위한 기초적이고 유효한 접근법으로 판단되며, 향후 비파괴 압축강도 평가 모델 개발 및 현장 적용을 위한 기반 자료로 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

(5) 본 연구는 타격력 응답신호를 기반으로 재료의 압축강도를 비파괴적으로 평가할 수 있는 적용 가능성을 검토하는 데 목적을 두고 수행되었다. 한편, 재료 유형별 압축강도 산정식을 도출하는 문제는 시험 조건, 시편의 개수 및 크기 등 다양한 변수를 포괄하는 추가 실험과 충분한 데이터 축적이 선행된 이후에 수행되어야 할 향후 연구 과제로 제시하고자 한다.