시멘트의 응결 및 경화(초결시간과 종결시간) 개요 및 의미
시멘트와 물을 반죽한 것을 시멘트 페이스(cement paste)라고 하고, 시멘트 페이스트에 세골재(입경 5mm이하의 모래)를 넣은 것을 모르타르(mortar)라고 한다. 또한, 모르타르에 조골재(자갈)를 넣은 것을 콘크리트(concrete)라고 부른다. 이때 시멘트와 물이 만나 응결과 경화과정을 거치면서 초결시간과 종결시간에 대해 나오는데 이 초결시간과 종결시간이 어떤 의미를 가지는 지 포스팅합니다.
응결과 초결시간
포틀랜드 시멘트에 물시멘트비 0.3~0.7의 물을 넣어 혼합하면, 약간의 발열과 함께 시멘트페이스트로 되는데, 처음 어느 기간 동안(휴지기 : dormant period)은 거의 변화가 없다가 어느 시점부터 점차 부드러움을 잃게 되어 단단하게 됩니다. 이것은 시멘트 입자를 구성하고 있는 클링커 광물이 물과 반응하여 새로운 조직을 발달시키기 때문인데, 이와 같은 단계를 '응결'이라고 합니다. 페이스트가 아직 부드러운 상태임에도 불구하고 유동성이 없어지는 단계를 '초결'(initial set)이라 하고, 이때의 시간을 '초결시간'(initial setting time)이라고 합니다.
종결시간과 경화
시간이 경과하여 응고를 계속하여 마치 고체와 같은 상태가 나타나는데, 이 단계를 '종결'(final set)이라고 하고 이때의 시간은 '종결시간'(final setting time)이라고 한다. 이렇게 해서 생긴 고체를 경화시멘트페이스트라고 부르고, 시간이 지남에 따라 강도를 더해가는데 이와 같은 과정을 '경화'라고 부르고 있다.
초결시간과 종결시간의 의미
초결시간과 종결시간은 실용적인 면에 있어서 중요한 의미를 가지고 있다. 초결시간은 콘크리트가 워커블하며 유동성을 유지하고 있는 기간, 즉 사용에 지장을 가져오지 않는 기간을 결정한다. 한편 콘크리트 성형 후 적당한 시간 내에 건설작업을 계속하기 위해서는 종결시간이 너무 길어서는 안된다.
응결의 정도를 알기 위해서는 표준주도(standard consistence)를 나타내는 물량으로 혼합된 페이스트에 일정 중량의 침을 가하여 들어가는 정도를 측정한다. 보통 포틀랜드 시멘트의 응결은 물과 혼합하기 시작한 시점으로부터 2시간 전후에 시작하여 4시간 정도에서 끝나지만, 되도록이면 초결이 느리고 종결이 빠를 수록 사용하기에 편리하다.
골재는 오랜기간 동안 경화가 진행하여 건조에 의해 시멘트 겔 중의 수분이 없어 질 때, 수축을 완화하는 역할을 가지고 있다. 물시멘트비를 유동성을 유지하는데 필요한 최소한도로 억제하려는 것도 건조수축의 저감에 큰 역할을 한다.
콘크리트의 응결과 경화과정
시멘트에 물을 가하여 섞으면 우선 시멘트입자는 수중에서 분산하고 그 과포화 용액으로부터 비표면적이 큰 겔상 수화물이 침전되기 시작하고 이 침전입자의 크기는 10마이너스7승에서 10마이너스6승cm정도로 콜로이드 분산계이다.
시멘트페이스트가 유동성을 띄고 있는 동안은 콜로이드 입자가 분산되어 브라운 운동을 행하고 있는 상태로 점차 물을 흡수하여 머금은 후 서로 접촉하기 시작한다. 입자 표면의 액상들이 물리적 흡착력에 의해 겔상으로 응집하고 페이스트의 가소성 증대에 기여하는 것이다.
수화개시 후 30분후 에는 그의 약 5%가 수화하고 일정두께의 수화물 겔막이 시멘트입자를 덮고, 이후 2~4시간이 지나면 유도기가 끝나고 페이스트는 유동성을 잃어굳어져간다. 이 단계에서 시멘트 입자를 덮고 있는 수화물 층은 내측과 외측과의 이온의 침투압 차이에 으해 부셔져 재차 내측의 미수화 부분의 수화가 활발하게 증대하고 물을 흡수하면서 시멘트 입자간의 공공을 채우고 박편상, 섬유상, 침상의 미결정으로 성장하고 큰 표면에너지로 상호 응집하여 응결기를 거치는 것이다. 시멘트의 응결, 경화의 과정은 아래 그림 4단계의 모델로 설명할 수 가 있다.
경화된 페이스트 조직
시멘트 경화체는 시멘트와 물의 혼합물로부터 수화에 의해 물을 흡수하여 생상한 시멘트 겔에 의해 구성된다. 이 시멘트 겔은 상당히 미세한 결정집합체이며, 시멘트 입자의 약 700배라는 큰 표면적을 가지며, 시멘트의 약 2배의 체적으로 팽창해 물이 차지하고 있던 공간을 보충하여 밀도가 높은 경화체를 만드는 것이다.
포틀랜드 시멘트가 완전히 수화했을 때 의 수분은 결합수가 25%, 겔 공극중에 포함된 수분이 15%로 전체 40%라고 알려져 있다. 모세관 공극중에 있는 수분은 건조에 의해 저감될 수 있지만, 겔 공극중에 있는 수분은 제올라이트수와 같은 형태로 겔과 약한 결합력으로 결합되어 있기 때문에 증발하기는 어렵다.
참고자료
콘크리트의 응결과 경화, 그리고 초결시간과 종결시간이 갖는 의미에 대해서 포스팅하였습니다. 아래 참고자료를 통해 작성하였으니 콘크리트의 수화과정에 대해 이해하고 싶은 분들은 가볍게 일독해보시기 바랍니다.
- 고강도 콘크리트 기둥, 보의 내화성능기준 및 관리기준, 시험방법 등
- 콘크리트 철근의 가공 및 조립, 허용오차 및 철근가공의 검사방법
- 경화된 콘크리트 강도 시험의 종류와 콘크리트 구조물의 비파괴시험 종류 및 특성
- 아파트 지하 주차장 균열 원인 및 대책 (무근 콘크리트의 슬래브 컬링 현상)
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- [KCS 14 20 10 : 2021] 콘크리트의 받아들이기 품질검사 최신 기준
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