Effects of Cement Fineness Modulus (CFM) on the Fundamental Properties of Concrete

(1)

Journal of the Korea Institute of Building Construction, Vol. 12, No. 3

http://dx.doi.org/10.5345/JKIBC.2012.12.3.284

www.jkibc.org

시멘트 입도계수(CFM)가 콘크리트의 기초적 특성에 미치는 영향

Effects of Cement Fineness Modulus (CFM) on the Fundamental

Properties of Concrete

노 상 균¹ 한 천 구^2*¹⁾

Noh, Sang-Kyun¹ Han, Cheon-Goo^2*

Department of Building Environment Technology, Korea Conformity Laboratories, Ohchang-eup, Cheongwon-gun, 363-883, Korea ¹

Department of Architectural Engineering, Cheong-ju University, Naedoekdong, Cheongju-si, 360-170, Korea ²

Abstract

Cement Fineness Modulus (CFM) is a method of expressing the distribution of particle sizes of cement in numeric form. If CFM is controlled through crush process of cement without modifyingthe chemical components or mineral composition of cement, it is judged to be able to produce a cement satisfying various requirements because it is estimated to enable various approaches to cement such as high early strength, moderate heat, low heat cement and so on. Therefore, in this study, as basic research for manufacturing special cement utilizing the controls of CFM, the intention was to review the impacts of CFM on the fundamental properties of concrete. To summarize the result, as mixture characteristics of fresh concrete, ratio of small aggregate and unit quantity were gradually increased, securing greater fluidity, with an increase in CFM, while the amount of AE and SP were reduced gradually. In addition, setting time was delayed as CFM increased. Furthermore, compression strength was relatively high during initial aging as CFM became smaller, but as time passed, compression strength became smaller, and it showed the same level of strength as aging time passed about three years.

Keywords : cement fineness modulus, mix proportion, setting time, compressive strength, later-age strength

1. 서 론

시멘트는 콘크리트를 구성하는 중요한 결합재(Matrix)로 서 콘크리트의 특성은 시멘트의 화학성분, 광물조성 및 입 도분포 등 각종 요인에 의하여 영향을 받는다[1,2].

그런데 그동안 우리나라의 시멘트 산업구조는 급속한 경 제성장에 따라 언제나 수요가 많고, 공급이 적었으므로 수

Received : December 2, 2011 Revision received : January 26, 2012 Accepted : February 17, 2012

* Corresponding author : Han, Cheon-Goo [Tel: 82-43-229-8480, E-mail: [email protected]]

요자의 요구에 따르는 다품종 소량생산보다는 공급자의 편 익에 따르는 소품종 대량생산의 체제로 발전하여 왔다. 그 러나 최근의 경우 수요와 공급이 역전된 상황에서의 소품종 대량생산 체제는 다양한 수요자의 요구에 부응하기 어려운 실정이다. 따라서 시멘트의 화학성분이나 광물조성을 변화 시키지 않는 현재의 설비나 방식을 그대로 이용하고, 시멘 트 분쇄과정의 조정만으로 입도분포(분말도)를 변화시킨다 면 조강, 중용열 및 저열 시멘트 등으로의 다양한 접근이 가 능할 것으로 추측된다[3].

즉, 시멘트 입도계수(Cement Fineness Modulus : 이

하 CFM)란 시멘트의 입자크기 분포를 정수로 표현하는 방

법으로 아래와 같은 식으로 계산된다[4].

(2)

Effects of Cement Fineness Modulus (CFM) on the Fundamental Properties of Concrete

CFM = {80 ㎛ 체에 남는 량의 누계(이하 R) % + 40 ㎛R % + 20 ㎛R % + 10 ㎛R %}/100 일반적으로 CFM이 작게 되면 시멘트 입자 크기는 작아 지는 효과로 초기강도 증가에는 유리하나, 수화열 저감에는 불리하고, 반대로 CFM이 크게 되면 시멘트 입자 크기가 커 지는 효과로 초기강도 증가에는 불리하나, 수화열 저감에는 유리하게 된다.

따라서 원료광물 조성변화 및 소성온도 조절과 같은 별도 의 추가공정 없이 수요자의 다양한 요구에 부응하는 맞춤형 시멘트를 생산할 수 있을 것으로 판단되며, 본 연구에서는 CFM 변화를 활용한 특수 시멘트의 제조를 위한 기초적 연 구로서 시멘트 입도계수(CFM)가 콘크리트의 기초적 특성에 미치는 영향에 대하여 검토하고자 한다.

2. 실험계획 및 방법

2.1 실험계획

본 연구의 실험계획은 Table 1과 같고, 배합사항은 Table 2와 같다.

먼저, 배합사항으로 W/C는 고강도 영역과 일반강도 영역 으로 나누어 30 % 및 50 %의 2수준으로 계획하였다. W/C 30 %의 경우는 목표 슬럼프 플로우 600±100 mm, 목표 공기량 3.0±1.0 %로 하였고, W/C 50 %의 경우는 목표 슬 럼프 120±25 mm, 목표 공기량 4.5±1.5 %로 하였으며, CFM은 1.12, 1.26, 1.40, 1.54 및 1.68의 5수준으로 변화 시켜 총 10배치를 배합설계하는 것으로 실험계획하였다.

Factors Levels

Mixture

W/C(%) 30 50

Target flowability

(mm) 600±100

(Slump flow) 120±25 (Slump) Target air

content(%) 3.0±1.0 4.5±1.5

Cement Fineness

Modulus(CFM) 1.12, 1.26, 1.40, 1.54, 1.68

Experi- ment

Fresh concrete ․ Slump, ․Slump flow

․ Air content, ․ Unit volume weight

․ Setting time

Hardened concrete ․ Compressive strength(1, 3, 7, 28,91, 180 days, 1, 2, 3 years) Table 1. Experimental plan

한편, CFM 변화와 관련한 시멘트는 보통 포틀랜드 시멘 트의 생산과정 중 시멘트 분쇄기(Tube Mill)에서 1차로 분 쇄되어 나오는 상대적인 조립분의 굵은 입자 시멘트(CFM 1.68)를 보통 포틀랜드 시멘트(CFM 1.12)에 비례적으로 치환하여 제조하였다.

W/C(%) CFM S/a

(%) W

(kg/m³) SP/C (%) AE/C

(%) Absolute volume(ℓ/m³)

OPC CC S G

30

1.12 48 165 0.80 0.035 175 - 295 320

1.26 48 180 0.60 0.040 143 48 281 304

1.40 48 185 0.55 0.020 98 98 276 299

1.54 52 185 0.50 0.020 49 147 299 276

1.68 52 195 0.45 0.020 - 206 288 266

50

1.12 46 178 0.51 0.018 113 - 305 359

1.26 46 178 0.51 0.020 85 28 305 359

1.40 46 180 0.49 0.019 57 57 304 357

1.54 46 185 0.48 0.019 29 88 300 352

1.68 46 195 0.35 0.019 - 124 293 343

Table 2. Mixture proportion

2.2 사용재료

본 연구에 사용한 재료의 물리적 성질 및 화학조성은 Table 3~6 및 Figure 1과 같다.

CFM Density (g/cm³) Blaine

(cm²/g)

Setting time

(Minute) Compressive strength(MPa) Initial time Final time 3

days 7 days 28

days

1.12 3.15 3 302 208 351 20.4 29.4 38.7

1.26 3.15 2 954 217 362 17.8 26.3 35.6

1.40 3.15 2 605 225 372 15.1 23.3 32.5

1.54 3.15 2 257 234 383 12.5 20.2 29.4

1.68 3.15 1 908 242 393 9.8 17.1 26.3

Table 3. Physical properties of cement

CFM Chemical components(%)

LSF SM IM LOI SiO2 Al2O3Fe2O3 CaO MgO SO3 K2O

1.12 0.35 21.88 5.02 3.66 64.18 2.01 1.83 0.92 90.44 2.52 1.37 1.26 0.31 21.96 5.06 3.70 64.25 2.02 1.66 0.91 90.34 2.51 1.37 1.40 0.27 22.03 5.10 3.74 64.31 2.03 1.49 0.90 90.24 2.50 1.36 1.54 0.22 22.11 5.13 3.78 64.38 2.04 1.31 0.88 90.13 2.48 1.36 1.68 0.18 22.18 5.17 3.82 64.44 2.05 1.14 0.87 90.03 2.47 1.35 LOI : Loss on ignition, LSF : Lime saturation factor

SM : Silica modulus, IM : Iron modulus

Table 4. Composition of chemical components of cement

(3)

Kinds Density

(g/cm³) Fineness

modulus Absorption

rate(%) Passing ratio of 0.08 mm sieve (%)

Fine aggregate 2.59 2.67 1.11 1.12

Coarse aggregate 2.71 7.01 1.18 0.11

Kinds Shape Basis Color pH Density

(g/cm³) SP agent Liquid Polycarbonic acid Milky white 6.5 1.06 AE agent Liquid Anionic acid Milky white - 1.04

Table 6. Physical properties of agent

Figure 1. Grading curve of cement

즉, 시멘트는 국내 A사제의 시멘트를 사용하였고, 골재로 서 잔골재는 국내 B사의 강모래 및 부순 모래를 50 : 50으 로 혼합한 잔골재, 굵은 골재는 국내 B사의 5∼10 mm 및 10∼25 mm 골재를 35 : 65로 혼합한 부순 굵은 골재를 사용하였다. 혼화제로 SP제는 국내 E사의 폴리칼본산계, AE제는 국내 E사의 음이온계를 사용하였다.

2.3 실험방법

본 연구의 실험방법으로 콘크리트의 혼합은 강제식 2축 믹서를 사용하여 혼합하였다. 굳지 않은 콘크리트의 실험으 로 슬럼프는 KS F 2402, 슬럼프 플로우는 KS F 2594, 공 기량 및 단위용적질량은 KS F 2421, 응결시간은 KS F 2436에 의거 측정하였다. 경화 콘크리트의 실험으로 압축 강도는 수중양생에 의한 표준온도조건에서 계획된 재령까지 양생한 후 KS F 2405에 의거 측정하였다.

3.1 굳지 않은 콘크리트 특성

3.1.1 CFM 변화에 따른 배합특성

Figure 2는 CFM 변화에 따른 잔골재율 및 단위수량을 나타낸 그래프이고, Figure 3은 CFM 변화에 따른 AE제 및 SP제 혼입율을 나타낸 그래프이며, Table 7은 굳지 않 은 콘크리트의 실험결과를 나타낸 표이다.

CFM이 커질수록 목표 유동성을 확보하기 위해 잔골재율 및 단위수량은 점차 증가시켜 주어야 하고, AE제 및 SP제 사용량은 감소시켜 주어야 하는 것으로 나타났다. 이는 CFM이 커질수록 굵은 입자의 낮은 분말도로 인하여 물과 접촉할 수 있는 표면적이 작아져 점성이 저하함에 따라 점 성을 확보하기 위하여 잔골재율 및 단위수량은 증가시켜 주 어야 했다. 또한, CFM이 커질수록 시멘트 평균입경이 커지 게 되어 시멘트 입자수가 감소하므로 AE제 및 SP제 사용 량은 감소시켜 주여야 했다.

Figure 2. Fine aggregate ratio and unit water content according to CFM

(4)

Figure 3. Mixing ratio of agent according to CFM

W/C(%) CFM Slump(mm) Slump

(mm)flow contensAir

(%)

volumeUnit weight (kg/m³)

Setting time Initial (Hour)time

Final (Hour)time

30

1.12 250 645 2.7 2 379 6.8 9.0

1.26 234 557 3.7 2 345 7.2 9.5

1.40 220 518 2.9 2 365 7.6 9.8

1.54 43 212 3.6 2 328 7.9 9.9

1.68 56 218 3.8 2 308 8.7 10.8

50

1.12 140 240 3.1 2 335 7.9 10.5

1.26 134 235 5.1 2 267 8.1 10.8

1.40 110 220 3.9 2 289 8.3 11.1

1.54 116 227 3.3 2 364 8.7 11.3

1.68 130 231 4.4 2 277 8.9 11.8

Table 7. Experiment result of fresh concrete

3.1.2 CFM 변화에 따른 응결시간

Figure 4는 CFM 변화에 따른 응결시간을 나타낸 그래프 이다.

CFM이 커질수록 비례적으로 응결시간은 지연되었는데,

이는 CFM이 커질수록 낮은 분말도로 인하여 물과 접촉할 수 있는 표면적이 작아져 수화반응이 지연된 결과로 판단된 다. 한편, W/C 변화는 W/C가 커질수록 단위시멘트량도 감 소하여 응결이 지연되었는데, 즉, W/C 50 %는 W/C 30 % 에 비해 종결시간이 1∼1.5 시간 정도 지연되었다.

Figure 4. Setting time according to CFM

3.2 CFM 변화에 따른 강도발현 특성

Figure 5는 CFM 변화에 따른 압축강도를 나타낸 그래프 이고, Figure 6은 재령 3년에 대한 CFM 변화에 따른 압축 강도비를 나타낸 그래프이며, Table 8은 재령 3년에 대한 CFM변화에 따른 압축강도비를 나타낸 표이다.

CFM이 커질수록 초기재령에서는 압축강도가 상대적으로

작았으나, 후기재령으로 갈수록 압축강도의 차이는 작아지

는 것으로 나타났다. 결국 CFM이 커질수록 재령경과에 따

른 강도발현율이 더 큰 폭으로 증가하였는데, 이는 Figure

7과 같이 초기재령에서는 높은 CFM의 낮은 분말도로 인하

여 물과 접촉할 수 있는 표면적이 작아서 수화반응이 천천

히 진행되나, 재령이 경과함에 따라 미수화 시멘트가 지속

적으로 수화반응되어 나타난 결과로 분석된다.

(5)

Figure 5. Compressive strength according to CFM

Figure 6. Compressive strength ratio according to CFM for three years

W/C(%)Cement Fineness Modulus(CFM)

Age day1 3

days 7 days 28

days 91 days 180

days 1 year

year2 s

year3 s

30

1.12 48.2 55.8 64.8 70.1 80.2 88.9 89.3 95.5 100 1.26 41.7 51.3 59.3 67.4 77.5 85.8 87.2 93.2 100 1.40 41.0 49.2 58.6 66.6 76.6 84.9 85.8 95.1 100 1.54 35.6 45.0 52.1 62.5 72.7 80.9 83.1 97.2 100 1.68 23.9 39.5 46.5 57.2 66.7 74.7 77.3 95.5 100

50

1.12 23.2 52.6 66.3 79.9 90.1 91.1 93.1 97.5 100 1.26 16.8 45.1 56.2 70.3 80.7 83.4 86.9 93.3 100 1.40 13.0 36.5 53.5 64.8 75.1 79.6 83.0 94.1 100 1.54 10.2 34.7 44.4 61.0 71.9 75.7 78.9 95.3 100 1.68 7.8 28.6 44.2 58.9 73.8 76.1 78.9 94.6 100 Existing literatures[10] - 25 45 80 90 - 95 - 100

three years

(Unit: %)

Figure 7. Mimetic diagram of hydrate according to CFM

이는 시멘트의 성분 및 단위시멘트량이 동일하다면 CFM 이 상이한 경우 초기강도는 상이할 지라도 결국 3년 정도 후기로 가면 동등한 수준으로 강도가 발현되는 것을 의미한 다.[5∼9] 또한, 기존 문헌[10]과 비교하면 재령 3일 및 7일 에는 CFM 1.68과 비슷한 경향을 나타내었고, 재령 28일 이후에는 CFM 1.12와 비슷한 경향을 나타내었다.

Figure 8은 CFM 변화 및 재령(일 : log scale)에 따른

압축강도를 3차원 그래프로 나타낸 것이고, Table 9는 3차

원 그래프를 바탕으로 CFM과 재령(일 : log scale)에 따른

(6)

압축강도를 추정하여 그 결과를 식으로 표현한 것이다.

압축강도를 추정하기 위해서 OriginPro 7.5 프로그램을 이 용하여 시멘트 입도계수와 재령(일 : log scale)을 독립변수 (Indepen dent)로 설정하고, 압축강도를 종속변수(dependent) 로 설정하여 다중회귀분석(Multiple regre- ssion)을 실시함으 로서 매개변수(Parameter)인 기울기 및 절편을 구하였다.

Figure 8. Compressive strength according to CFM and age

W/C(%) Prediction equations R

30 f¹⁾=-17.84C²⁾+13.39*log(D)³⁾+51.28 0.974 50 f¹⁾=-10.75C²⁾+10.01*log(D)³⁾+24.93 0.948 주, 1) Compressive strength(MPa), 2) CFM, 3) Age(day)

Table 9. Compression strength prediction equations

앞에서 설명한바와 같이 압축강도는 CFM이 커질수록 저 하하였고, 재령이 늘어날수록 증가하였다. 따라서 W/C별로 CFM과 재령(일 : log scale)을 해당 식에 대입할 경우 압축 강도를 추정할 수 있게 되는데, 본 연구에서 얻어진 추정식 은 결정계수 0.948 이상의 양호한 상관성을 갖는 것으로 나 타났다.

4. 결 론

본 연구에서는 시멘트의 입자크기 분포를 정수로 표현한 시멘트 입도계수(CFM)의 변화로 특수 시멘트의 제조 가능 성을 분석하기 위하여 CFM 변화가 콘크리트의 기초적 특성 에 미치는 영향에 대하여 검토하였는데, 그 결과를 요약하 면 다음과 같다.

1) 굳지 않은 콘크리트의 배합특성으로 CFM이 커질수록 시멘트 평균입경이 커지므로 콘크리트의 점성이 저하 하여 목표 유동성을 확보하기 위해 잔골재율 및 단위 수량은 증가시켜 주어야 하고, AE제 및 SP제 사용량 은 감소시켜 주어야하는 것으로 나타났다.

2) 응결시간은 CFM이 커질수록 낮은 분말도에 기인하여 물과 접촉할 수 있는 표면적이 작아져 비례적으로 지 연되었다.

3) 압축강도는 CFM이 커질수록 초기재령에서는 상대적 으로 낮았으나, 후기재령으로 갈수록 차이는 작아졌 다. 또한, 초기재령에서 높은 CFM의 낮은 분말도는 물과 접촉할 수 있는 표면적이 작아서 수화반응이 천 천히 진행되나, 재령이 경과함에 따라 미수화 시멘트 가 지속적으로 수화반응을 진행하여 3년이 경과하면 동등한 수준의 압축강도가 발현되었다.

본 연구를 통하여 시멘트 분쇄과정의 조정으로 CFM을 변화시켜 CFM을 OPC 보다 낮출 경우 거푸집 탈형 시기를 단축시킬 수 있는 조강 시멘트로의 활용이 가능할 것으로 사료되고, 역으로 CFM을 OPC 보다 높일 경우 중용열 및 저열 시멘트로의 활용이 가능할 것으로 사료된다.

그러므로 어느 시간 때와 기상조건에서 어느 정도의 강도 를 수요자가 요구하게 되면, 시멘트 생산 시 분쇄과정의 조 정으로 CFM을 변화시켜 레미콘을 출하하는 것이 가능하게 되고, 결국 수요자의 다양한 요구에 부응하는 맞춤형 시멘 트로의 활용이 가능할 것으로 판단된다.

요 약

시멘트 입도계수(CFM)란 시멘트의 입자크기 분포를 정수

로 표현하는 방법으로서 시멘트의 화학성분이나 광물조성은

변화시키지 않고, 시멘트 분쇄과정의 조정으로 CFM을 변화

시킨다면 조강, 중용열 및 저열 등의 다양한 시멘트로의 접

(7)

변화를 활용한 특수 시멘트의 제조 가능성을 분석하기 위한 기초적 연구로서 CFM이 콘크리트의 기초적 특성에 미치는 영향에 대하여 검토하고자 하였다. 그 결과를 요약하면 굳 지 않은 콘크리트의 배합특성으로 CFM이 커질수록 목표 유 동성을 확보하기 위해 잔골재율 및 단위수량은 증가시켜 주 어야 하고, AE제 및 SP제 사용량은 감소시켜 주어야 했다.

응결시간은 CFM이 커질수록 지연되었고, 압축강도는 초기 재령에서는 상대적으로 낮았으나, 후기재령으로 갈수록 압 축강도의 차이는 작아져 3년 정도가 되면 동등한 수준의 압 축강도가 발현되었다.

키워드 : 시멘트 입도분포, 배합설계, 응결시간, 압축강 도, 장기강도

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