1. 서 론

레미콘 공장에서 시멘트와 같은 원자재를 트럭에 적재한 채 실시하는 인수검사는 신속성이 중요하다. 따라서 이 경우는 모든 품질 항목의 검사보다는 대표적인 한두 가지 항목을 간단한 방법으로 평가하여 판단하는 것이 필요한데, 시멘트와 같은 분체는 수화반응속도와 연관하여 분말도가 가장 중요시 된다. 이때 분말도는 경험이 풍부한 사람이라면 입자를 손가락으로 잡고 비벼보아도 어느 정도 판단할 수는 있지만 과학적이지 못하므로, 대부분의 레미콘 공장에서는 시멘트 제조사의 성적서로 갈음하고 있다(Song and Han 2017).

그러나 시멘트 제조사의 성적서는 로트 별 샘플링 검사에 의해 시험된 것으로 실제 납품된 시멘트의 분말도와는 많은 차이가 있는 것으로 보고되고 있다(Lee et al. 2017). 시멘트의 분말도는 KS L 5106(Blain 공기 투과 장치)을 이용하는 것이 표준적인 방법인데 이 장비는 고가이고, 조작이 번잡스러움에 레미콘 공장에는 비치되어 있지 않는 경우가 대부분이다.

그러므로, 본 연구에서는 종전의 액체밀도계(Hydrometer)를 이용하여 콘크리트 강도의 조기 추정(Han 1988)에 이용되었던 원리 및 방법을 활용하여 플라이애시(Song and Han 2017), 고로슬래그 미분말(Joo and Han 2018)에 이어 시멘트에 대하여, 그중에서도 분말도 평가에 가장 크게 영향을 미치는 것으로 알려진 액체 온도(Lee et al. 2017)와 다중상관 분석을 통해 얻어진 회귀식을 시멘트 인수검사 시 분말도 신속 추정법으로 제안하고자 한다.

2. 실험계획 및 방법

2.1 실험계획

본 연구의 실험계획은 Table 1과 같다. 먼저, 메스실린더와 결합재량은 선행연구에서 최적으로 결정된 것으로, 메스실린더의 용량은 1 000 cc, 시멘트 시료량은 100 g으로 하였다. 여기서 실험 변수로 시멘트의 분말도 변화는 A사에서 제조되는 시멘트 조분(1 744 cm²/g), OPC(3 507 cm²/g), 미분(5 368 cm²/g)의 3종류에 조분과 미분을 OPC와 5:5 비율로 혼합하여 조분+OPC(2 752 cm²/g), 미분+OPC(4 527 cm²/g)로 분말도에 변화를 주어 총 5수준을 실험 계획하였다. 또한, 혼탁액의 밀도 값에 큰 영향을 미치는 요인으로 용액 온도를 선택 10, 15, 20, 25, 30 °C의 5수준으로 변화를 주어 실험을 진행하였다.

측정 사항으로는 액체밀도계의 밀도 값이 1.000 g/cm³ 이 될 때까지 매 1분 간격의 밀도 측정과 밀도 측정이 끝난후의 혼탁액 온도 변화를 3회 측정하는 것으로 계획하였다.

Table 1. Experimental plan

Factor			Levels
Experiment variable	Cement fineness (cm2/g)	5	· 5 368 · 4 527 · 3 507 · 2 752 · 1 744
	Temperature of solution (°C)	5	· 10, 15, 20, 25, 30
	Measuring cylinder (cc)	1	· 1 000
	Cement weight (g/L)	1	· 100
	Number of up and down reversal (time)	1	· 15
Tests		2	· Hydrometer density
			· Temperature

2.2 사용재료

본 실험에 사용한 재료로써, 먼저 시멘트는 국내산 A사에서 제조되는 것을 사용하였는데, 그 물리 · 화학적 성질은 Table 2와 같다. 용액은 일반적인 상수도를 사용하였으며, 액체밀도계는 표준밀도계 6호로 모델명 200-DK-6의 A-type으로 밀도 측정 범위 1.000~1.060 g/cm³ 까지 측정 가능한 것을 사용하였다.

Table 2. Physical and chemical properties of cement

Blain (cm2/g)	L.O.I (%)	Chemical components (%)
		SiO2	Al2O3	Fe2O3	CaO	MgO	SO3
5368	0.86	21.07	5.13	3.42	62.77	1.95	3.50
4 527	0.57	21.26	5.21	3.45	63.42	1.95	2.54
3 507	0.51	21.40	5.23	3.55	63.52	2.03	2.42
2 752	0.43	21.50	5.34	3.61	63.49	2.01	2.13
1 744	0.32	21.81	5.33	3.62	63.87	2.04	1.75

2.3 실험 방법

본 연구의 실험방법으로 액체밀도계에 대한 밀도 측정은 1 000 cc 메스실린더에 500 cc 정도 물을 넣은 후 시멘트 시료 100 g을 메스실린더에 넣는다. 여기서 메스실린더에 먼저 물을 500 cc 정도 넣는 이유는 시멘트를 먼저 넣어 혼합할 경우 시멘트와 물이 완전히 혼합되지 않고 시멘트가 메스실린더 벽면에 고착될 우려가 있기 때문이다. 이후 메스실린더에 1 000 cc 만큼 물을 채워 넣은 후 메스실린더의 입구를 랩으로 감싼 후 손바닥으로 물이 흐르지 않도록 감싼 뒤 15회 뒤집어 흔드는 상하반전운동을 주어 혼합시킨다. 혼합 완료 후 바로 액체밀도계를 용액 중간에 띄워 액체면과 만나는 액체밀도계의 눈금을 매 1분 마다 측정하고, 밀도 측정이 끝난 15분에서 봉상형 알콜온도계로 혼탁액 온도를 측정한다. Fig. 1은 액체밀도를 측정하는 과정의 모습이다.

3. 실험 결과 및 분석

3.1 시간경과에 따른 밀도

Figs. 2~6은 용액 온도 별 분말도를 달리하는 시멘트에 대하여 액체밀도계법에 의한 밀도 값을 1분 간격으로 측정하여 나타낸 것이다. 전반적으로 분말도가 작은(굵은 입자) 경우 액체밀도계가 빠른 시간에 침하하여 밀도 값이 신속히 저하하는 반면 분말도가 큰(작은 입자) 경우는 천천히 침하하여 밀도 값이 서서히 저하하는 결과를 나타내었다.

먼저 용액 온도 10 °C에서 분말도가 가장 작은 1 744 cm²/g의 경우는 초기 밀도 값 1.049 g/cm³로 시작하여 7분에 완전한 침하가 이루어졌다. 분말도 5 383 cm²/g의 경우는 초기 밀도 값 1.054 g/cm³로 시작하여 12분에 완전한 침하가 이루어졌다. 즉, 고 분말도는 작은 분말도에 비해 침하 시간이 지연되는 것으로 나타났다.

이에 비해 용액 온도 30 °C를 사용한 경우 분말도 1 744 cm²/g에서는 초기 밀도 값 1.040 g/cm³으로 시작하여 4분에 완전히 침하하였고, 분말도 5 383 cm²/g의 경우는 초기 밀도 값 1.051 g/cm³에서 시작하여 7분에 완전히 침하함으로써 용액 온도 10 °C 사용 보다 액체밀도계는 빠른 침하속도를 나타내었다. 이는 혼탁액 온도가 높아질수록 혼탁액의 밀도는 낮아지므로 점성저하에 따라 분말입자의 침하속도가 빨라진 것으로 판단된다.

따라서 혼탁액의 온도가 저온이거나 고온이 되면 밀도 값이 달라지므로 정확한 분말도 추정이 어려울 수 있다. 그러므로 온도를 정확히 20 °C로 맞추어 실험을 진행하거나 혹은 온도 변화에 상응하는 밀도 변화에 대한 보정을 도입할 필요가 있음을 알 수 있다.

3.2 혼탁액 온도 변화에 따른 밀도

Figs. 7~9는 측정시간 1, 3, 5분에 있어 시멘트 분말도 별 혼탁액 온도 변화에 다른 액체밀도계의 밀도 값을 나타낸 그래프이다.

전반적으로 전술한 경향과 같이 분말도가 작을수록(입자가 굵을수록), 또한 혼탁액 온도가 고온이 될수록 낮은 밀도치를 나타내었다. 즉, 분말도는 동일하더라도 혼탁액 온도가 고온이 되면 밀도치는 낮아지는 것을 확인할 수 있었다. 또한, 동일한 분말도에서 1분과 같은 초기 값에서는 큰 차이가 나타나지 않았지만, 3분과 5분의 경우 혼탁액 온도가 고온이 되면 동일한 분말도임에도 밀도 값은 크게 저하하는 큰 차이를 나타내었다.

3.3 밀도 값과 혼탁액 온도의 다중상관

Figs. 10~14는 액체밀도계 1분~5분의 밀도 값과 혼탁액 온도를 복합한 다중상관관계로부터 시멘트 분말도를 추정하는 그래프를 나타낸 것이고, Table 3은 Fig. 10~14의 다중회귀분석한 실험결과를 정리한 것이다.

전반적인 경향은 전술한 바와 같이 동일 시간대에서는 액체밀도계의 밀도 값이 클수록, 온도가 높을수록 큰 시멘트 분말도로 추정되는 경향을 나타내었다. 액체밀도계 밀도 값 1~5분의 상관관계 중에서는 4분의 밀도 값에서 R² = 0.9148로 가장 높은 결정계수를 나타내었다. 즉, 실무에서 시멘트의 분말도 인수검사 시 액체밀도계 4분 밀도 값과 혼탁액 온도를 복합한 다중상관관계의 회귀식으로 식 (1)을 활용할 경우 시멘트 분말도가 신속하게 추정될 수 있는 가능성을 확인하였다.

y = 154 638x₁ + 162.71x₂ - 157346    (1)

여기서 y = 시멘트 분말도(cm²/g)

x₁ = 액체밀도계 밀도 값(g/cm³)

x₂ = 혼탁액 온도(°C)

Table 3. Regression equation of result

Multiple correlation between hydrometer density and suspending solution temperature
y = ax1 + bx2 + c
Type	a	b	c	R	R2
1 min.	384 010	85.46	- 401 560	0.8606	0.7407
2 min.	267 663	144.03	- 277 723	0.8705	0.7578
3 min.	161 257	149.80	- 165 413	0.9054	0.8198
4 min.	154 638	162.71	- 157 346	0.9564	0.9148
5 min.	168 060	167.28	- 169 813	0.9261	0.8577

종합적으로 본 연구에서는 레미콘 공장에서 실시하는 인수검사 시 시멘트 분말도에 관한 새로운 품질관리 방법으로 액체밀도계를 이용한 분말도 신속 추정법을 제안하고자 하였는데, 그 절차는 Fig. 15의 플로 챠트의 방법과 같다.

4. 결 론

본 연구에서는 레미콘 공장에서 실시하는 분체계 재료의 인수검사 중 특히 시멘트의 분말도를 신속하게 평가할 수 있는 방법으로 액체밀도계의 밀도 값과 용액온도를 복합하는 다중상관법을 제안하고자 하였는데, 본 연구의 범위 내에서 다음과 같은 결론을 얻었다.

1) 본 실험방법에 따른 액체밀도계법의 밀도치는 시간이 경과할수록 저하하였는데, 분말도가 클수록 천천히 저하하여 동일한 시간대에서는 큰 밀도 값을 나타내었다.

2) 용액의 온도와 분말도는 용액의 온도가 높을수록 용액의 밀도가 작아져 점성이 저하하므로 빠른 입자 침하를 나타내었다. 따라서 동일 시간대에 일정한 밀도 값이라면 큰 시멘트 분말도로 추정되는 영향인자가 됨을 알 수 있었다.

3) 액체밀도계의 밀도 값과 용액의 온도를 다중상관분석으로 시멘트의 분말도를 추정하는 회귀식은 4분에서 가장 결정계수가 큰 값으로 나타났는데, 그 회귀식은 다음과 같다.

y = 154 638x₁ + 162.71x₂ - 157 346

여기서

y = 시멘트 분말도(cm²/g)

x₁ = 액체밀도계 밀도 값(g/cm³)

x₂ = 혼탁액 온도(°C)

4) 레미콘 공장에서 시멘트 분말도를 신속하게 추정하기 위한 방법으로는 본문 중 Fig. 15의 플로 챠트 방법을 제안한다. 이 방법에 의하면 시멘트 도착 후 10분 이내에 결정계수 0.9 이상의 양호한 정밀도로 시멘트의 분말도를 신속하게 추정 및 평가할 수 있을 것으로 분석되었다.