2019-12-13 Fri
 
시멘트의 수화열에 대하여 (2)
2019-11-05 09:06 22

엊그제 제야의 종소리를 들었던 것 같은데... 벽에 달력 1장만 남은 것을 확인하는 순간 세월은 총알과 같다는 말을 정말 실감하게 되었다. 그러고 보면 올해도 숨 가쁘고 바쁘게 돌아간 한해 임이 틀림없다. 지난해 교수들이 뽑은 사자성어가 任重道遠(임중도원)이라고 한 것이 생각이 난다. 교수신문 발표에 의하면 2018년 12월 5일부터 14일까지 전국 대학교수 878명을 대상으로 설문 조사를 해서 결과로 341명(38.8%)이 임중도원을 꼽았다고 한 것이다. 전호근 경희대 교수는 한반도 평화 구상과 여러 국내 정책이 뜻대로 이뤄지기 위해서는 해결해야 할 난제가 아직 많이 남아 있어서, 굳센 의지로 잘 해결해 나가기를 바라는 마음에서 선택했다고 추천 이유를 밝혔는데 지금 생각해 봐도 잘 선택한 것 같다. 현재 우리가 처한 여건들이 모두 어렵지만, 우선순위를 잘 세워 순리적으로 차근차근 착오 없이 진행하여 국민들이 모두 공감하는 부분들을 꽉꽉 채워주기를 기대해본다. 또한, 교수들이 선정한 2위 고사성어는 밀운불우(密雲不雨)였다. 구름만 끼어 있고 비는 내리지 않는다는 뜻인데 임중도원은 日暮途遠(일모도원)과 비슷하거나 같은 의미의 사자성어라고 생각된다. 사자성어에는 깊은 뜻이 담겨 있다. 4자의 글자에 그토록 깊은 뜻을 담을 수 있다니 말이다. 그래서 나는 장황한 글보다 좋아서 가끔 인용하곤 한다.
각설하고, 이번 호에서는 전 호(2월호)에 이어 계속해서 시멘트의 수화열의 내용 중 수화열을 규정하는 이유, 시멘트 수화열 시험 방법과 수화열 규격의 변천과 해외규격에 대하여 알아보려고 한다.


2. 왜 시멘트 수화열이 규정되어 있는가?
콘크리트에 물을 가하면 시멘트는 곧바로 수화열에 의해 그 온도가 상승하고, 열팽창계수에 따라서 팽창 또는 수축한다. 이 과정에서 체적변화가 내부 또는 외부로부터 구속되면 콘크리트가 인장 응력이 발생하여 균열이 생기기 쉽게 된다. 이와 같은 온도 균열을 방지하기 위하여 단위시멘트량의 감소나 타설 온도의 조절 등 다양한 대책이 수립된다. 이 대책의 하나로 수화열의 발생량이 적은 시멘트의 선정을 들 수가 있다. 일반적으로 단위시멘트량이 많은 매스 콘크리트에 있어서는 특히, 온도상승이 크게 되는 경향이 있다. 이 때문에 온도상승에 배려가 필요한 용도에 대해서는 발열량이 적은 중용열 포틀랜드시멘트(Type 2 cement) 나 저열 포틀랜드시멘트(Type 4 cement)를 이용하여 온도상승의 문제에 대응한다. 이들 시멘트는 수화열이 높은 C3S 및 C3A 함유량이 적고, 한편 수화열이 적은 C2S 함유량을 증대한 것으로 수화열이 규격 값을 초과하지 않도록 설계하고 있으며, 특히 JIS에서는 C3S, C2S 및 C3A의 함유량이나 수화열의 상한값이 규정되어 있다. 이처럼 시멘트의 수화열을 규정하는 것은 콘크리트의 온도균열을 방지하고, 내구성을 향상하는 측면에서 필요하다고 생각된다.


3. 수화열의 시험 방법
시멘트의 수화열을 측정하는 방법에는 대표적인 것으로서 용해열 법(溶解熱法)과 전도 열량계(伝導熱量計法)이 있다. JIS R5203 : 2015
『시멘트의 수화열 측정 방법(용해열 법)』에는 포틀랜드시멘트, 고로시멘트 및 플라이애시시멘트의 수화열 측정 방법으로서, 용해열 법이 규정되어 있다. 이 방법의 Hess의 법칙(열역학 제1 법칙)에 기초하여 미 수화시멘트 및 소정의 기간 양생한 수화시멘트를 각각 산용액(酸容液)으로 완전히 용해하여, 그 용해열의 차이로부터 수화열을 구하는 것이다(그림1). 용해열 법은 열량계(사진2)에 시멘트를 투입한 것으로부터 소정의 시간이 지나간 때의 산용액의 온도를 이용하여 산출한다. 산용액 온도의 측정 시간은 시멘트 품종에 따라 다르며, 플라이애시시멘트에서는 포틀랜드시멘트, 고로시멘트보다 용해 시간이 길게 설정되어 있다. 이것은 플라이애시에 산용액에의 용해도가 적은 성분이 함유되어 있기 때문이다. 용해열 법은 수화시멘트 및 미 수화시멘트의 산용액에의 용해열을 이용한 간접적인 방법이며, 장기 재령에 있어서 수화열의 측정에 적합하다. 전도 열량계 법은 사진3의 컨덕션 칼로리메타
(전도 열량계)를 이용해서, 발열 속도의 경시적인 거동을 연속해서 측정하는 것이 가능하다. 측정 방법으로는 사진4에 나타낸 측정기구를 열량계에 세팅하고, 시멘트의 주 수 직후부터 측정기구의 용기 외부로 방출된 열을 직접 측정한다. 용해열 법에서는 어느 재령까지의 기간에 발생한 열량의 총합을 측정하는 데 반해서 전도 열량계 법에서는 알루미네이상이나 알라이트 등의 광물마다 발열의 시기나 크기를 아는 것이 가능하기 때문에 시멘트의 수화반응과정을 아는 측면에서 중요한 방법이 되고 있다.


4. 수화열 규격의 변천과 해외규격
일본공업규격으로서 처음 시멘트 수화열 측정 방법이 제정된 것은, 1953년경이다. 이 시점에서는 적용 범위가 포틀랜드시멘트 및 고로시멘트만 알려졌지만, 그 후 개정이 되어 플라이애시시멘트가 적용 범위에 추가되었다. 또한, 측정정밀도 향상을 위하여 열량계의 개량이나, 안전성을 고려해서 산용액에 첨가한 시약의 변경 등이 행해졌다. 2015년 개정에서는 대응 국제규격인 ISO 29582-1 : 2009와 부합화를 하였고, 현재의 규격에 이르렀다. 표1에 대표적인 해외의 규격에서 시멘트의 수화열의 규격 값을, JIS와 함께 표시하였다. JIS에서는 중용열 포틀랜드시멘트 및 저열 포틀랜드시멘트의 재령 7일, 28일에서 수화열이 규정되어 있다. 한편, 해외규격은 JIS와 비교해서 적용 범위나 측정 방법, 규격 값이 다르다. 미국재료시험협회(ASTM)가 책정하는 규격에서는 MH (Moderate Heat of Hydration), LH (Low Heat of Hydration)형의 포틀랜드시멘트 및 혼합시멘트에 수화열이 규정되어 있다. 유럽 통일 규격인 EN 규격에서는 재령 7일에서 LH형 및VLH (Very Low Heat of Hydration)형의 포틀랜트시멘트 나 혼합시멘트 등 (CEM Ⅰ~Ⅴ)에 수화열의 규정이 있다. 또한, 수화열의 측정 방법으로서, JIS에 규격화되어 있지 않은 전도 열량계 법은 ASTM 규격에서는 규정되어 있다. 이상으로 2회에 걸쳐 기술한 시멘트 수화열을 마치고자 한다. (이상)

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