슈미트 해머 비파괴 시험(콘크리트 반발경도 시험)

by GoldenRain 2021. 11. 10. 16:52

콘크리트의 압축강도는 공시체를 이용해서 측정합니다. 이미 지어진 건물의 압축강도를 정확하게 측정하려면 콘크리트 벽면 등을 공시체 형상으로 뚫어서 시험체를 채취한 후 시험을 합니다.

그런데 그렇게 하면 건축물에 구멍을 뚫어야 하기 때문에 손상을 입히게 됩니다. 당연히 손상을 입히지 않고 압축강도를 측정하면 좋겠죠? 그 방법을 1948년 스위스의 E. Schmidt 라는 사람이 개발했다고 하는데 지금까지 사용하고 있습니다.

콘크리트 압축 강도 추정을 위한 반발 경도 시험

KS F 2730에 규정된 슈미트 해머(Schmidt hammer) 시험의 공식 명칭은 "콘크리트 압축 강도 추정을 위한 반발 경도 시험"입니다. 국제적으로 널리 이용되고 있는 콘크리트 비파괴 시험입니다.

콘크리트를 파괴하지 않고 압축강도를 추정하려면 압축강도와 밀접한 관련이 있는 인자를 찾아야만 합니다. 슈미트라는 사람은 콘크리트의 강도가 표면의 경도와 관련이 있다는 점을 활용했습니다. 즉 콘크리트 표면이 딱딱할수록 압축강도가 높다는 상관관계를 이용한 것입니다. 그래서 이 장치로 측정하는 것은 경도 즉, 표면의 딱딱한 정도입니다.

위 사진을 보면 슈미트 해머의 앞쪽에 해머가 약간 튀어나와 보이는데요, 이 해머에는 스프링 장치가 되어 있습니다. 이 스프링 장치를 이용해서 콘크리트 표면을 해머로 때리면 표면의 경도에 따라 튕겨 나오는 정도가 달라지겠죠? 그래서 해머로 콘크리트 표면에 충격을 준 후 스프링 복귀력을 측정하여 반발 경도(Rebound hardness)를 측정하는 것입니다.

반발 경도는 콘크리트의 탄성 계수와 비례 관계가 있고, 강도는 탄성 계수와 관계가 있기 때문에 반발 경도와 압축 강도의 관계식을 활용할 수 있습니다.

그런데 표면의 반발 경도는 환경에 따라 크게 달라집니다. 예를 들어 콘크리트 표면에 페이트 칠 같은 것이 묻어 있다면 표면의 경도가 제대로 측정이 되지 않습니다. 또 타격한 지점에 딱딱한 골재가 면해 있다면 반발 경도는 커질 수 있습니다. 이처럼 환경 조건에 따라 실험결과가 크게 달라질 수 있기 때문에 콘크리트 표면을 깨끗하게 드러낸 후 여러 곳(20개소 이상)을 타격해서 측정합니다.

시험 부위

시험할 콘크리트 부재는 두께가 최소 100mm 이상이 되어야 하고, 하나의 구조체에 고정되어 있어야 합니다. 그리고 여러 곳을 타격해야 하기 때문에 시험 영역의 지름은 150mm 이상이 되어야 합니다.

그리고 다공질 표면 등 반발 경도를 제대로 측정할 수 없는 곳은 피하고 오염된 콘크리트 면을 연삭 숫돌로 갈아서 평활하게 연마합니다.

타격 방법

타격점을 무작위로 하는 것보다는 300mm × 300mm를 넘지 않는 범위에서 20개 점을 타격해야 합니다. 따라서 30mm나 50mm 간격으로 된 격자선을 가로 세로 각각 4 × 5로 그려서 20개 점을 표시하고 타격하는 것이 좋습니다.

타격 위치는 가장자리로부터 100mm 떨어져야 하고, 서로 30mm 이내로 접근하지 않도록 해야 합니다.

타격할 때는 가급적 수직으로 타격해야 합니다.

시험결과의 정리

타격이 끝나면 20개 이상의 반발 경도값을 구할 수 있습니다. 우선 모든 반발 경도값의 산술 평균값을 구합니다. 그리고 나서 오차가 20% 이상이 되는 시험값을 버리고 나머지 시험값을 평균을 구합니다. 특정한 지점에 경도가 높은 골재가 맞닿아 있어서 반발 경도가 오차가 생기는 지점의 값들을 버리는 것입니다.

그런데 이렇게 범위를 벗어나는 시험값이 4개 이상인 경우에는 시험을 다시 해야 합니다. 위치를 옮겨서 다시 시험합니다.

시험값의 보정

반발 경도는 다양한 요인에 영향을 받습니다. 따라서 이러한 요인을 감안해서 시험 결과값을 보정해야 합니다.

◆ 콘크리트 내부의 온도가 0℃ 이하라면 정상상태보다 반발 경도값이 높게 나타납니다. 물이 얼기 때문이겠죠? 따라서 콘크리트 내부가 완전히 용해된 후에 다시 시험합니다.

◆ 콘크리트 표면의 함수 상태에 따라 시험값이 달라집니다. 함수율이 증가하면 강도가 저하되고 반발 경도도 떨어지기 때문에 표면이 젖어 있지 않은 상태에서 시험을 해야 합니다. 제조사의 보정치를 이용할 수 있는데 일반적으로

- 완전히 젖은 경우 : R = R + 5

- 타격점이 흑색인 경우 : R = R + 3

을 적용할 수 있습니다.

◆ 구조물이 오래 되어 콘크리트가 탄산화되면 콘크리트의 반발 경도가 증가합니다. 탄산화가 특별히 심한 경우는 탄산화된 부분을 연마해서 제거하고 굵은 골재를 피해서 시험해야 합니다. 그 외에는 보정 계수로 탄산화로 인한 반발 경도값을 수정해서 사용할 수 있습니다.

◆ 타격 방향은 수평으로 타격할 때 가장 안정된 값을 보이기 때문에 수평으로 타격하는 것을 원칙으로 합니다. 벽면이라면 수평으로 타격하는 것이 수월하기도 합니다. 다만 슬래브나 경사진 계단 등은 수평으로 타격할 수 없기 때문에 장치에 따라 보정해서 사용해야 합니다.

일본재료학회의 보정값은 다음과 같습니다.

반발 경도(R)	타격 방향에 따른 보정값
반발 경도(R)	+90˚	+45˚	-45˚	-90˚
10			+2.4	+3.2
20	-5.4	-3.5	+2.5	+3.4
30	-4.7	-3.1	+2.3	+3.1
40	-3.9	-2.6	+2.0	+2.7
50	-3.1	-2.1	+1.6	+2.2
60	-2.3	-1.6	+1.3	+1.7
상향 수직 : +90˚, 상향 경사 : +45˚, 하향 경사 : -45˚, 하향 수직 : -90˚

압축강도의 추정(반발 경도와 압축 강도의 상관 관계)

반발 경도와 압축 강도의 상관관계는 통계적 방법에 의한 반발 경도와 압축 강도의 상관성을 분석하는 것을 원칙으로 합니다. 보통은 성형 표본이나 코어 표본에 의한 강도 추정식을 이용합니다.

일본재료학회의 반발 경도 관계식을 이용한다면 다음과 같이 압축강도를 추정할 수 있습니다.

F(N/mm²) = 0.098 × (-184 + 13 × R)

콘크리트는 타설 후 시간이 지날수록 강도가 증가합니다. 따라서 타설일로부터 경과일수에 따라 다음 표를 이용하여 재령계수를 곱하면 재령 28일의 강도를 추정할 수 있습니다. 이 표는 일본재료학회에서 제시하는 것입니다.

F(N/mm²) = 0.098 × (-184 + 13 × R) × 재령보정계수

재령	4일	5일	6일	7일	8일	9일	10일	11일	12일	13일
재령보정계수	1.90	1.84	1.78	1.72	1.67	1.61	1.55	1.49	1.45	1.40
재령	14일	15일	16일	17일	18일	19일	20일	21일	22일	23일
재령보정계수	1.36	1.32	1.28	1.25	1.22	1.18	1.15	1.12	1.10	1.08
재령	24일	25일	26일	27일	28일	29일	30일	32일	34일	36일
재령보정계수	1.06	1.04	1.02	1.01	1.00	0.99	0.99	0.98	0.96	0.95
재령	38일	40일	42일	44일	46일	48일	50일	52일	54일	56일
재령보정계수	0.94	0.93	0.92	0.91	0.90	0.89	0.87	0.87	0.87	0.86
재령	58일	60일	62일	64일	66일	68일	70일	72일	74일	76일
재령보정계수	0.86	0.86	0.85	0.85	0.85	0.84	0.84	0.84	0.83	0.83
재령	78일	80일	82일	84일	86일	88일	90일	100일	125일	150일
재령보정계수	0.82	0.82	0.82	0.81	0.81	0.80	0.80	0.78	0.76	0.74
재령	175일	200일	250일	300일	400일	500일	750일	1000일	2000일	3000일
재령보정계수	0.73	0.72	0.71	0.70	0.68	0.67	0.66	0.65	0.64	0.63