KR102683859B1 - 흐름저항과 토크점성의 실시간 산출이 가능한 콘크리트 배합기를 이용한 콘크리트 혼합물의 흐름저항과 토크점성 산출방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 콘크리트 배합기를 이용하여 콘크리트 혼합물의 흐름저항과 토크점성 산출방법으로서, 상기 토크미터가 교반축에 작용하는 토크(T)를 감지하고 이를 제어부로 전송하는 단계; 상기 속도계에서 교반축의 회전속도(N)를 감지하고 이를 제어부로 전송하는 단계; 및 상기 제어부에 의해 상기 토크 값과 속도 값을 이용하여 상기 토크 값을 상기 속도 값에 대한 선형적인 일차 함수 식으로 나타내는 단계;를 포함하는, 콘크리트 혼합물의 흐름저항과 토크점성 산출방법을 제공한다.

Description

흐름저항과 토크점성의 실시간 산출이 가능한 콘크리트 배합기를 이용한 콘크리트 혼합물의 흐름저항과 토크점성 산출방법{calculating method for flowresistance and torque using concrete mixing apparatus capable of calculating real time flowresistance and torque }

본 발명은 콘크리트의 혼합을 시행하는 장치로서, 혼합 장치 내부의 혼합 블레이드는 생산플랜트와 같은 모양과 방식으로 나선형 모양으로 콘크리트 혼합물을 상하좌우로 이동시키면서 혼합을 진행하는 장치이며, 특히, 혼합 블레이드의 축의 일측에 토크미터와 속도계를 연결해 콘크리트의 혼합 중에 축과 블레이드에 걸리는 토크값을 실시간으로 측정할 수 있고 자체 소프트웨어를 설치한 외부PC와 연결하여 이를 수치 그래프로 추출할 수 있고, 이를 통해 콘크리트 혼합물의 항복응력과 소정점도 값을 알 수 있고 그 결과 콘크리트의 성형성과 콘크리트 혼합물의 흐름성을 실시간 파악할 수 있게 하는 기술에 대한 것이다.

콘크리트는 시멘트, 모래, 자갈 등을 적절한 비율로 배합된 것으로서, 많은 양의 콘크리트를 배합하기 위해서는 여러가지 구조의 배합장비를 사용하여 배합하게 된다.

그리고, 현장에서 적절한 특성을 갖는 콘크리트 혼합물을 공급하여 시공의 품질을 향상시키기 위해서는, 콘크리트 배합 중에 콘크리트의 유변학적 특성을 파악하고 이를 제어할 필요가 있다. 이를 통해 현장에서 필요한 품질의 콘크리트 혼합물의 공급이 가능하기 때문이다.

그러나, 종래의 기술을 보면, 대부분의 현존하는 유변학적 특성 파악을 위한 시험 및 장비들은 콘크리트의 배합이 종료된 후에야 그 값들의 측정이 가능한 구조이어서 콘크리트 배합(혼합)이 이루어지는 과정 중에 이들 값을 측정할 수 없는 구조이었다.

즉, 현재 시중에 존재하는 레오미터들은 대부분 시멘트 페이스트나 모르타르만을 측정가능하다. 또한 배합이 완료된 80mm 이상의 고슬럼프의 콘크리트 혼합물만을 측정 가능하다.

등록특허 10-1416293 "콘크리트 배합 설계 정보 제공 장치 및 방법"

본 발명은, 상기 문제점을 해결하기 위한 것으로, 콘크리트 배합 과정 중에 실시간으로 토크값과 스피드값을 표기하는 것이 가능하고, 이들 값들로 흐름저항(G)과 토크점성(H) 또는 항복응력() 값과 소성점도() 값을 산출해낼 수 있어서, 콘크리트의 현재 유변학적 특성을 파악이 가능하고, 따라서 유변학적 특성을 실시간으로 파악 및 적용하여 원하는 품질의 콘크리트를 바로바로 생산해낼 수 있도록 하는 것을 목적으로 한다.

본 발명은, 하부프레임(110)과, 상부프레임(120)과, 상부프레임에 구비되어 회전력을 발생시키는 모터(130)와, 상기 모터의 축에 연결되어 회전하는 교반축(140)과, 상기 교반축의 일측에 구비되어 콘크리트 혼합물을 교반하는 블레이드;를 구비하는 콘크리트 배합기로서, 상기 교반축에 구비되되, 상기 모터와 블레이드 사이에 구비되는 토크미터; 상기 교반축에 구비되어 교반축의 회전속도를 측정하는 속도계;를 더 포함하는, 흐름저항과 토크점성의 실시간 산출이 가능한 콘크리트 배합기를 제공한다.

상기 토크미터에서 측정되는 토크(T, 단위 Nm)와 상기 속도계에서 측정되는 회전속도(N, 단위 RPS)의 관계를 그래프 상에 선형적인 직선으로 도시하고, 상기 직선 그래프에서 아래 (식 1)을 도출한 후, 직선 그래프의 Y절편에 해당하는 값을 흐름저항(G)으로 구하고, 직선 그래프의 기울기를 토크점성(H)으로 구한다.

(식 1) T=G+HN

본 발명은 또한 콘크리트 배합기를 이용하여 콘크리트 혼합물의 흐름저항과 토크점성 산출방법으로서, 상기 토크미터가 교반축에 작용하는 토크(T)를 감지하고 이를 제어부로 전송하는 단계; 상기 속도계에서 교반축의 회전속도(N)를 감지하고 이를 제어부로 전송하는 단계; 및 상기 제어부에 의해 상기 토크 값과 속도 값을 이용하여 상기 토크 값을 상기 속도 값에 대한 선형적인 일차 함수 식으로 나타내는 단계;를 포함하는, 콘크리트 혼합물의 흐름저항과 토크점성 산출방법을 제공한다.

일차 함수식으로 (식 1) T=G+HN 을 도출하는 단계;와, Y절편에 해당하는 값을 흐름저항(G)으로 구하고, 일차 함수 식의 기울기 값을 토크점성(H)으로 구하는 단계;를 더 포함한다. 그리고, 상기 토크점성(H)과 흐름저항(G)의 값들을 이용하여 항복응력 값과 소성점도의 값을 구하는 단계;를 더 포함할 수 있다.

본 발명은, 상기 구성을 통해서 현장에서 이루어지는 콘크리트 혼합물의 항복응력과 소정점도 값을 즉시 알 수 있고, 이를 이용하여 콘크리트의 성형성과 콘크리트 혼합물의 흐름성을 실시간 파악할 수 있어서, 콘크리트 혼합물의 품질관리에 매우 유용한 효과가 발생한다.

본 발명은 콘크리트 혼합물의 배합이 끝난후에 측정하는 것이 아니라, 배합 중에 실시간 측정이 가능하여 다른 장비들보다 빠른 시간에 콘크리트의 유변학적 특성을 파악할 수 있고 본 중력식 배합기의 경우 80mm 이하 보다 낮은 저슬럼프의 콘크리트들도 측정이 가능한 장점이 있다.

도 1은 본 발명에 따른 흐름저항과 토크점성의 실시간 산출이 가능한 콘크리트 배합기의 외관 모습이며,
도 2에 도시된 그래프는, 콘크리트 배합기에서 종래 위치(P2)에 토크미터를 위치시키고 구한 유변학적 특성 평가 결과이며,
도 3에 도시된 그래프는, 본 발명에 따른 콘크리트 배합기에 토크미터를 새로운 위치(P1)에 위치시키고 구한 유변학적 특성 평가 결과이며,
도 4은 유변학적 특성 평가 결과 그래프에서 흐름저항(G) 값과 토크점성(H)의 값을 도출하는 모습이며,
도 5는 항복 응력에 이를 때까지의 탄성 고체의 거동을 보여주는 모델이이며, 이 모델에 도 3에서 구한 토크점성(H)과 흐름저항(G)의 값을 적용시켜서 항복응력() 값과 소성점도() 값을 도출하는 모습을 보여준다.

본 발명의 목적, 특정한 장점들 및 신규한 특징들은 첨부된 도면들과 연관되는 이하의 상세한 설명과 바람직한 실시예로부터 더욱 명백해질 것이다. 또한, 사용된 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로써, 이는 사용자 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서의 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 흐름저항과 토크점성의 실시간 산출이 가능한 콘크리트 배합기의 외관 모습이며, 도 2와 도 3에 도시된 그래프는, 콘크리트 배합기에서 토크미터의 위치를 달리하여 구한 유변학적 특성 평가 결과이며, 도 4은 유변학적 특성 평가 결과 그래프에서 흐름저항(G) 값과 토크점성(H)의 값을 도출하는 모습이며, 도 5는 항복 응력에 이를 때까지의 탄성 고체의 거동을 보여주는 모델이이며, 이 모델에 도 3에서 구한 토크점성(H)과 흐름저항(G)의 값을 적용시켜서 항복응력() 값과 소성점도() 값을 도출하는 모습을 보여준다.

도 1에 도시된 본 발명의 콘크리트 배합기를 보면, 배합기의 구조를 이루는 하부프레임(110)과 상부프레임(120) 그리고 배합기에 회전력을 발생시키는 모터(130)와 상기 모터의 축에 연결되어 회전하는 교반축(140)과 교반축이 위치하는 곳으로 콘크리트 혼합이 일어나는 배합하우징(150) 등을 구비한다. 그리고, 상기 교반축에는 블레이드(미도시)가 구비되어 콘크리트 등 혼합물을 교반하여 배합하게 된다.

상기 콘크리트 배합기에서 모터(120)에 의해 회전하는 교반축(130)에는 토크미터와 속도계를 부착하여 교반축의 회전하는 속도(RPS)와 토크를 측정하게 한다.

본 발명에서는 토크미터를 도 1의 그림에서 오른쪽 붉은 색 원으로 표시한 부분(P1, 모터와 블레이드 사이)에 구비하여 교반축에 작용하는 토크를 측정하도록 하였다.

콘크리트 배합기에서 도 1 그림에서의 교반축의 왼쪽 끝(블레이트의 타측)에 토크미터를 달아서 계측을 시도하게 되면, 계측시 토크값이 블레이드에 걸리는 저항값을 측정하는 것이 아니라 단순히 모터에 의해 회전하는 축의 회전 토크값만을 측정해서 배합기 내의 혼합물의 변화에도 영향을 받지 않고 토크값이 거의 일정한 모습을 보여주었다.

본 발명은 이를 해결하고자 토크미터의 위치를 오른쪽의 모터와 블레이드 사이에 위치하도록 하였는데, 그 결과 블레이드와 교반축에 걸리는 제대로 된 저항값들을 측정가능하게 되었다. 이를 통해, 콘크리트 배합기 내의 혼합물에 변화가 생기면 즉각적인 토크변화로 혼합물의 변화 여부 판단이 가능하게 되었다.

도 2에 도시된 그래프는 토크미터를 P2에 위치시킨 상태에서 배합기에 구비된 토크미터와 회전속도를 이용하여 구한 유변학적 특성 평가 결과인데, 그래프 결과값들은 배합기 내의 혼합물의 유동변화에 거의 영향을 받지 못하는 모습을 보여준다.

도 3에 도시된 그래프는, 본 발명에 따른 콘크리트 배합기에에서 토크미터를 P1에 위치시킨 상태에서 토크미터와 회전속도를 이용하여 구한 유변학적 특성 평가 결과이며, 이를 보면 그래프에 도시된 결과값들은 유동변화에 따라 영향을 받는 모습을 보여주고 있다(그래프가 선형적으로 변화하는 모습을 보여줌).

도 2와 도 3에 도시된 선은 상기 교반축에 설치된 토크미터와 속도계를 이용하여 구한, 교반축(130)의 회전 스피드에 따른 토크값의 변화를 나타내는 그래프이다. 그리고, 색깔 및 모양이 다른 그래프들은 측정된 변수의 농도에 따른 차이를 나타낸 것이며, 그래프에서 나타낸 식에서 R^2 은 그래프의 식뢰도 %를 나타내고 있으며, 위의 선의 경우 스피드에 따른 토크값의 변화 나타냅니다.

본 발명에서는 도 3에 도시된 교반축(130)의 회전 스피드에 따른 토크값의 변화를 나타내는 그래프인데, 여기서 토크점성(H) 값과 흐름저항(G) 값을 구할 수 있다. 즉, 중력식 배합기로 토크, 배합속도, 배합시간, 전류, 전압의 값들을 얻어낼 수 있고 이 값들을 통해 토크점성(H)의 값과 흐름저항(G)의 값들을 구할 수 있다.

도 4에서는 유변학적 특성 평가 결과 그래프에서 흐름저항(G) 값과 토크점성(H)의 값을 도출하는 모습인데, 토크(T, 단위 Nm)와 회전속도(N, 단위 RPS)의 관계는 선형적인 직선 그래프에서 일차 함수의 식으로 아래 (식 1)과 같이 나타낼 수 있다.

(식 1) T=G+HN

즉, 토크와 회전속도의 일차 함수의 직선식에서의 Y절편에 해당하는 값이 흐름저항(G)이 되고, 직선의 기울기가 토크점성(H)이 된다.

[흐름저항과 토크점성을 구하는 이유]

흐름저항(G)과 토크점성(H)을 구하는 원초적인 이유는 콘크리트의 유변학적 특성을 파악하기 위해서이다. 콘크리트 혼합물의 유변학적 특성을 알고 그것을 컨트롤 할 수 있게 되면 콘크리트의 품질을 원하는 상태로 만들기가 가능하기 때문이다. 따라서 이러한 유변학적 특성을 파악하기위해 여러 시험들이 존재하지만 현존하는 유변학적 특성 파악을 위한 시험 및 장비들은 콘크리트의 배합이 종료된 후에야 그 값들의 측정이 가능한 단점이 있었다.

본 발명의 중력식 배합기의 경우 배합과정 중에 실시간으로 토크값과 속도값을 측정할 수 있게 되고 이를 활용하여 흐름저항(G)과 토크점성(H) 또는 항복응력() 값과 소성점도()의 값을 산출해낼 수 있고, 이를 기초로 콘크리트의 현재 유변학적 특성을 파악이 가능해진다.

위와 같이 구한 토크점성(H)와 흐름저항(G)의 값들을 구해 아래의 (식 2)을 적용시키면 항복응력() 값과 소성점도()의 값을 구할 수 있다. 이 값들로 각각 항복응력()을 통해 콘크리트 혼합물의 성형성을 파악할 수 있고 소성점도() 값을 구해 콘크리트 혼합물의 흐름성을 파악할 수 있게 되는 것이다. 항복응력 와 소성점도 의 값은 도 5에 도시된 그래프와 같이 나타낼 수 있다.

(식 2)

본 발명에 따르면 실시간으로 파악되는 이러한 유변학적 특성을 실시간으로 적용이 가능하며 이로 인해 원하는 품질의 콘크리트를 바로바로 생산해낼 수 있게 되는 이점이 발생하게 된다. 즉, 유변학적 특성을 실시간으로 파악함으로써 콘크리트의 품질을 컨트롤 할 수가 있고 따라서 콘크리트를 각각의 현장에 알맞은 물성으로 조절이 가능해진다. 현장마다 알맞은 품질의 콘크리트를 사용할 경우 콘크리트의 강도증진과 기대수명 증가의 효과를 발휘하게 된다.

본 발명품은 먼저 위에서 언급했듯이 콘크리트 혼합물의 배합이 끝난후에 측정이 아닌 배합 중에도 측정이 가능하여 다른 장비들보다 빠른시간에 유변학적 특성을 파악할 수 있고 현재 상용되는 레오미터 장비들의 경우 콘크리트의 슬럼프가 80mm 이하일 경우 장비의 과부화로 측정할 수 없지만. 본 중력식 배합기의 경우 80mm 이하 보다 낮은 저슬럼프의 콘크리트들도 측정이 가능한 장점이 있습니다.

[회전 레오미터 원리]

참고로, 본 발명의 중력식 배합기에 적용된 회전 레오미터의 원리를 보면 다음과 같다. 회전 레오미터는 단일 재료 샘플에 지속적 전단응력을 적용할 수 있다. 전단응력과 전단 속도의 일련의 조합을 측정하여 유동 곡선을 결정할 수 있다. 또한 다양한 전단 속도와 다양한 전단응력을 부과하여 결과 전단 속도를 측정할 수 있다.

동축 실린더 레오미터에 대한 방정식을 보면, 동축 실린더 레오 미터의 평면도는 아래 그림과 같다. 내부 실린더와 외부 실린더 사이의 공간만 고려되며 실린더 또는 콘크리트 시편의 상단 또는 하단에 있는 모든 효과는 무시된다. 파생은 층류가 발생하고 관성 효과를 무시할 수 있으며 원통 표면과 접촉하는 재료의 속도가 해당 원통의 속도와 같다고 가정한다.

실린더 내의 모든 지점에서 속도 구배는 반경에 대한 속도의 미분으로 정의되며 속도 구배는 각속도(w) 및 전단 속도의 합이 된다.

전단 속도와 속도 구배는 반경 전체에 걸쳐 다른데 특정 전단 속도에서 생성된 토크는 위 그림에서 점선으로 표시된 것처럼 반경 r의 가상 원통으로 작용하는 것으로 간주되고, 이 토크 값 T는 가상 원통의 표면적의 곱이고, 전단응력은 원통의 표면적에 대해 작용한다.

따라서 어느 지점에서나 전단응력은 단순히 토크를 가상 실린더의 면적으로 나눈 값이다.

본 발명은 이러한 레오미터의 원리를 중력식 배합기에 적용시켜 배합이 끝난 콘크리트 혼합물이 아닌 배합 중인 콘크리트 혼합물에서도 측정이 가능하게 한 것이며, 80mm 이하의 저슬럼프 콘크리트 혼합물도 측정이 가능하도록 한 것이다. 이로 인해 현장 적용성이 매우 뛰어나며 콘크리트의 품질관리에 용이하다.

이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.

Claims (6)

1. 하부프레임과, 상부프레임과, 상부프레임에 구비되어 회전력을 발생시키는 모터와, 상기 모터의 축에 연결되어 회전하는 교반축과, 상기 교반축의 일측에 구비되어 콘크리트 혼합물을 교반하는 블레이드와, 상기 교반축에 구비되되, 상기 모터와 블레이드 사이에 구비되는 토크미터와, 상기 교반축에 구비되어 교반축의 회전속도를 측정하는 속도계를 포함하는 콘크리트 배합기를 이용하여 콘크리트 혼합물의 흐름저항과 토크점성 산출방법으로서,
   상기 토크미터가 교반축에 작용하는 토크(T)를 감지하고 이를 제어부로 전송하는 단계;
   상기 속도계에서 교반축의 회전속도(N)를 감지하고 이를 제어부로 전송하는 단계;
   상기 제어부에 의해 상기 토크 값과 속도 값을 이용하여 상기 토크 값을 상기 속도 값에 대한 선형적인 일차 함수 식으로 나타내는 단계;
   일차 함수식으로 아래 (식 1)을 도출하는 단계;
   (식 1) T=G+HN
   상기 (식 1)에서 Y절편에 해당하는 값을 흐름저항(G)으로 구하고, 일차 함수 식의 기울기 값을 토크점성(H)으로 구하는 단계; 및
   상기 토크점성(H)과 흐름저항(G)의 값들을 이용하여 항복응력 값과 소성점도의 값을 구하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는, 콘크리트 혼합물의 흐름저항과 토크점성 산출방법.
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