시멘트의 분말도 측정 - 블레인 공기 투과 장치

시멘트의 수화반응은 입자의 표면에서 시작해서 내부로 침투하는 방식으로 진행된다고 했습니다. 시멘트 입자 표면에 수화물이 생성되면 물이 시멘트 입자 내부로 침투하기가 어려워지고 이론적으로 보면 15㎛ 정도밖에 침투하지 못합니다.

 

따라서 시멘트 입자의 크기는 30㎛ 이하가 되게 만들어야 하고, 클링커 화합물을 분쇄해서 시멘트를 만들었다면 입자의 크기가 적절한지 검사를 해야 합니다. KS L 5106(공기 투과 장치에 의한 포틀랜드 시멘트의 분말도 시험방법)에 규정된 시멘트 분말도 시험을 살펴보겠습니다.

 

블레인 투과 시험기

 

블레인 투과 시험의 원리

시멘트 입자는 매우 작기 때문에 직접적으로 입자의 크기를 재기는 어렵습니다. 그래서 간접적인 방법을 사용하는데 그 원리는 '시멘트 입자 사이로 공기가 통과하기 어려운 정도'를 이용하는 것입니다.

 

 

위 그림처럼 일정한 기공률을 갖도록 관 속에 시멘트 입자를 채웠다고 생각해보겠습니다. 이것을 시멘트 베드라고 합니다. 만일 그림의 오른쪽 처럼 시멘트 입자의 크기가 크다면 시멘트 입자 사이로 공기가 수월하게 빠져나갈 것입니다. 

 

반대로 왼쪽 그림처럼 시멘트 입자의 크기가 작다면 공기는 시멘트 입자 사이를 지나가기가 수월하지 않아서 시간이 더 걸릴 것입니다. 

 

양쪽 다 동일한 부피이지만 입자의 크기가 작아지면 표면적이 늘어나게 됩니다. 입자를 사용하는 경우에 이 원리는 매우 중요합니다. 콘크리트를 제조할 때도 굵은골재를 더 굵은 것을 쓰면 표면적이 작아지기 때문에 시멘트량을 줄일 수 있습니다. 철근을 배치할 때도 지름이 가는 것을 사용하면 콘크리트와 부착면적이 늘어나서 정착길이를 줄일 수 있습니다.

 

▶ 인장 이형철근의 정착길이 계산

 

정리하면, 일정한 기공률을 갖도록 만든 시멘트 베드 안의 구멍의 수와 크기는 시멘트 입자 크기에 따라 달라집니다. 그래서 베드를 통과해서 흐르는 공기의 속도를 결정하게 됩니다. 

 

또 하나 기억해야 할 것은 분말도의 측정단위입니다. 분말도는 cm²/g으로 측정합니다. 즉 단위 중량(g)일 때 이 입자의 표면적(cm²)이 얼마인지를 측정한 것입니다. 앞에서 말한 것처럼 부피가 같더라도 입자의 크기가 작아지면 표면적이 늘어나게 됩니다. 따라서 입자의 크기가 작다면 분말도의 값이 크게 됩니다. 헷갈리기 쉽겠지요? 반대로 말하면 분말도가 크다는 말은 입자의 크기가 작다는 뜻이 됩니다. 분말도의 측정 개념과 측정 단위를 이해해야 헷갈리지 않습니다.

 

시멘트 분말도의 표준은 다음과 같습니다.

포틀랜드 시멘트의 종류	분말도 기준 - 비표면적(Blaine) (cm²/g)
1종 : 보통 포틀랜드 시멘트 2종 : 중용열 포틀랜드 시멘트 3종 : 조강 포틀랜드 시멘트 4종 : 저열 포틀랜드 시멘트 5종 : 내황산염 포틀랜드 시멘트	2800 이상 2800 이상 3300 이상 2800 이상 2800 이상

3종 조강 포틀랜드 시멘트는 긴급공사 등에 사용할 수 있도록 조기에 강도가 발현되는 콘크리트입니다. 보통 포틀랜드 시멘트의 3일 강도를 대략 하루만에 발현할 수 있습니다. 이렇게 수화반응이 빨리 일어나게 만들려면 시멘트 입자의 크기를 작게 해서 물과 만나는 면적을 크게 해야 합니다. 그래서 다른 시멘트보다 분말도 값을 크게 하도록 규정하고 있습니다.

 

블레인 투과 장치(Blaine Air-Permeability Apparatus)

블레인 투과 장치의 기본 구조는 다음과 같습니다.

 

 

 

 

블레인 투과 시험을 하려면 시멘트 베드를 만들어야 하는데, 위 그림에서 맨 위쪽에 있는 셀을 이용해서 그 속에 시멘트 베드를 만듭니다. 

 

셀 아래족에 A 표선 부터 D 표선까지 있는데 각 지점의 거리는 다음과 같습니다. 

A표선과 B표선 간의 거리 : 40±1mm

B표선과 C표선 간의 거리 : 55.0±0.2mm

C표선과 D표선 간의 거리 : 15±1mm

 

U자형으로 된 관속(마노미터)에 액체(마노미터액)를 채운 다음, 오른쪽에 달린 고무구를 이용해서 이 마노미터액을 A표선까지 끌어올리고 콕을 닫으면 시험 준비가 된 상태입니다.

 

마노미터액은 시멘트와 반응하지 않는 액체를 사용해야 합니다. 디부틸프탈레이트나 경질 광유와같은 점도나 밀도가 낮고, 비휘발성, 비흡습성인 액체를 사용합니다.

 

마노미터액을 A표선까지 끌어올린 상태에서 콕을 닫으면 시멘트 베드 속에 있는 시멘트 입자 사이를 뚫고 공기가 지나가야만 마노미터액이 아래로 내려갈 수 있습니다. 시멘트 입자의 크기에 따라 이 마노미터액이 아래로 내려가는 속도가 달라지겠죠? 그래서 A표선에서 시작해서 마노미터액이 내려가는 것을 지켜보면서 B점과 C점 사이를 내려오는 시간을 측정하는 것입니다. 0.5초의 정밀도로 측정합니다.

 

만일 시멘트의 분말도가 크다면(입자의 크기가 작다면) 시간이 오래 걸릴 것이고, 분말도가 작다면(입자의 크기가 크다면) 더 빨리 내려올 것입니다. 이 시간을 기준식에 대입해서 분말도를 계산합니다.

 

표준식은 표준시료의 비표면과의 관계를 이용해서 계산합니다.

만일 시멘트의 밀도가 3.15g/cm³이고, 시멘트 베드의 부피가 1.828cm³이고, 시멘트 베드의 기공률이 0.500라고 하면 교정용 표준시료의 비표면적(So)은 2500cm²/g이 될 것입니다. 이 표준시료가 B점과 C점 사이를 내려오는 시간(to)는81.0초 정도 걸립니다.

 

만일 어떤 시멘트를 시험했을 때 B점과 C점 사이를 내려오는 시간이 80.0초로 측정되었다면, 표준시료보다 시간이 덜(-1초) 걸린 것이기 때문에 입자의 크기가 크다고 볼 수 있습니다. 비표면적을 계산할 때는 두 시간 사이의 관계를 다음과 같이 반영합니다.

 

 

 

만일 보통 포틀랜드 시멘트를 사용했다면 비표면적은 다음과 같이 계산합니다.  

S = SoT

 

조강 포틀랜드 시멘트라면

S = 1.006SoT

 

중용열 포틀랜드 시멘트나 내황산염 포틀랜드 시멘트는

S = 0.984SoT

 

보통 포틀랜드 시멘트를 시험했을 때  B점과 C점 사이를 내려오는 시간이 80.0초로 측정되었다면 분말도값(S = SoT)은2485cm²/g로 계산됩니다. 표준시료에 해당하는 2500cm²/g보다 값이 작은 것을 알 수 있습니다. 그래서 분말도가 작으면 입자의 크기가 큰 것입니다.

 

시멘트에 대해 정리한 내용입니다.

■ 시멘트/콘크리트 관련 표준 용어 모음

■ 시멘트의 제조와 화학성분

■ 포틀랜드 시멘트의 종류와 특성

■ 시멘트의 품질 시험 - 비중, 강열 감량

 

■ 시멘트의 표준 주도(Consistency) - 반죽 질기

■ 시멘트의 응결 시간 - 비카트

 

■ 시멘트의 수화반응(Hydration)

■ 시멘트의 풍화(Aeration)

 

 

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