A Study on the Properties of Materials Affecting the Strength of Concrete in Summer

Abstract

The aim of this study is to accurately show the cause of repeated concrete strength decrease in summer and to help establish appropriate countermeasures. The evaluation results of seasonal cement (n=16) conducted jointly by SSANGYONG-clients from 2019 to 2022 were analyzed. As a result, it was confirmed that the chemical compositions, physical properties, and concrete performance of the seasonal cement were all at the same level. Through the evaluation of each concrete manufacturing condition considering the temperature conditions, the cause of the decreasing strength in summer was estimated and the improvement plans were reviewed.

Keywords: Concrete strength in summer, Quality distribution, Seasonal cement

서론

기온이 상승하는 하절기에는 콘크리트의 슬럼프 저하 및 경시변화가 급격하게 발생한다.[1] 이러한 콘크리트의 작업성 저하가 발생하게 되면 대다수의 현장에서는 가수(加水) 조치를 통해 콘크리트의 소요 작업성을 확보하는게 일반적이다.[2] 하지만 시방배합의 단위수량 이상으로 배합수를 추가하는 가수(加水) 조치는 콘크리트의 W/C를 증가시켜 콘크리트 강도 저하의 직접적인 요인이 된다.[3,4]

또한, 하절기에는 콘크리트 강도 관련 품질문제가 빈번히 발생하게 된다. 일부에서는 하절기 콘크리트의 강도 저하 원인으로 앞서 서술한 강도저하 요인은 배제하고, 계절별 시멘트의 품질 편차가 직접적인 원인인 것으로 오판하는 사례가 빈번히 보고되고 있다.[5] 이를 해소하고자 해당 현상에 대한 원재료 영향, 특히 계절별 출하시멘트의 품질 차이가 통계적으로 유의한지 확인하고자 본 연구를 진행하게 되었다.

본 연구에서는 2019년부터 당사-레미콘 8개사와 공동으로 진행한 계절별(비하절기, 하절기) 출하시멘트의 기초특성 및 콘크리트 평가 결과를 분석하였다. 이를 통해 계절별 출하시멘트의 품질 영향을 확인하였다. 또한 하절기 온도조건을 고려한 콘크리트 제조조건별 평가를 통해 하절기 강도저하 원인 추정 및 개선방안에 대해서 검토하였다.

평가 개요

2.1 사용재료

평가에 사용된 시멘트는 당사에서 생산, 출하하는 포틀랜드시멘트(1종)이며, 콘크리트 평가를 진행하는 각 레미콘 공장으로 계절별(비하절기_3∼4월, 하절기_6∼8월)로 입고된 시멘트(이하, CE 표기)를 샘플링하여 사용하였다. 또한, 콘크리트 평가에 사용된 시멘트 외 원재료 및 콘크리트 배합은 각 레미콘사에서 평가시기에 일반적으로 사용 중인 것을 적용하였다.

2.2 평가방법

계절별 출하시멘트의 품질 확인을 위해 하절기 콘크리트 강도 저하 문제가 빈번히 발생하는 전국의 레미콘 8개사들을 대상으로 당사-레미콘사 공동 콘크리트 평가를 진행하였다. 또한, 해당 콘크리트 평가에 사용된 시멘트에 대해서는 KS L 5201(포틀랜드시멘트)의 인용표준에 의거하여 화학성분 및 물리성능을 평가하였으며, 평가 개요는 Table 1과 같다. 콘크리트 평가는 각 레미콘사에서 사용하는 원재료 및 배합을 적용하고 시멘트만 달리하여 각 레미콘사의 시험실에서 진행하였다. 또한 시멘트 평가는 당사 시험실에서 표준온도조건(20℃±2℃)으로 평가를 진행하였다.

Table 1.

Evaluation Overview of Seasonal Cement (2019∼2022)

Step	1) Cement Sampling	2) Concrete Evaluation	3) Cement Evaluation
Time	Spring(March∼ April), Summer(July∼ August)	Summer(July∼ August)	Summer(July∼ August)
Place	Remicon Factory	Remicon Factory	Ssangyong Resarch Center
Tester	SSangyong-Remicon	SSangyong-Remicon	SSangyong
Content	Sampling/seal	Slump/Air/Strength	Chemical/Physical Property
Content	(Keep in Remicon Factory)	(Use Remicon Materials/Mixture)	(Apply KS L 5201)

하절기 콘크리트의 강도저하 원인 추정 및 개선 방안 검토를 위해 Table 4와 같이 하절기 온도조건 및 제조조건별 콘크리트 평가를 진행해 초기물성 및 강도특성을 검토하였다.

실험 결과

3.1 계절별 출하시멘트(CE)의 기초특성 비교

레미콘사(A사∼ H사)에서 채취한 계절별 출하시멘트(n=16)에 대한 물리성능 및 화학성분의 분석결과는 Table 2, 3과 같다.

Table 2.

Physical Property Evaluation Results of Seasonal Cement

Remicon Factory (Evaluation Year)		Compressive Strength (7D, MPa)			Compressive Strength (28D, MPa)
Remicon Factory (Evaluation Year)		Spring CE^*)(①)	Summer CE^*)(②)	①-②	Spring CE^*)(①)	Summer CE^*)(②)	①-②
Data	A (2019)	46.3	45.5	+0.8	57.4	57.7	-0.3
	B (2019)	45.6	43.5	+2.1	57.9	56.1	+1.8
	C (2019)	44.4	42.9	+1.5	55.0	54.5	+0.5
	D (2020)	45.7	46.3	-0.6	55.1	56.6	-1.5
	E (2021)	46.4	45.7	+0.7	58.9	57.8	+1.1
	F (2021)	43.2	43.1	+0.1	57.1	56.8	+0.3
	G (2021)	44.6	45.4	-0.8	54.4	57.2	-2.8
	H (2022)	45.1	46.8	-1.7	58.8	59.2	-0.4
AVE. (MPa)		45.2	44.9	+0.3	56.8	57.0	-0.2
STD. (MPa)		-	-	1.26	-	-	1.46
RSE. (%)^**)		-	-	2.79	-	-	2.57
P-Value (Paired T-test)		0.	.575	-	0.	.762	-

^* CE: Cement,

^** RSE(Relative Standard Error, %): (①-②)'s Std / Spring CE's Ave. × 100

Table 3.

Chemical Composition Evaluation Results of Seasonal Cement

Remicon Factory (Evaluation Year)		MgO (%)		SO₃ (%)		LOI (%)
Remicon Factory (Evaluation Year)		Spring CE^*)	Summer CE^*)	Spring CE^*)	Summer CE^*)	Spring CE^*)	Summer CE^*)
Data	A (2019)	3.82	3.77	2.46	2.63	3.06	2.45
	B (2019)	3.80	3.98	2.67	2.51	2.75	2.20
	C (2019)	3.96	3.98	2.68	2.52	2.65	2.11
	D (2020)	3.77	3.87	2.64	2.44	2.54	2.36
	E (2021)	3.94	3.97	2.47	2.57	2.72	2.67
	F (2021)	3.73	4.04	2.68	2.49	2.90	2.98
	G (2021)	4.07	4.05	2.34	2.61	2.60	2.51
	H (2022)	3.97	3.94	2.57	2.47	2.67	2.72
P-Value (Paired T-test)		0.167		0.622		0.052

몰탈 압축강도(KS L ISO 679 의거)는 각 재령별 비하절기 및 하절기 출하시멘트의 압축강도가 유사하며, 계절별 시멘트의 강도 차이값은 상대표준오차(RSE.)가 3% 이하로 계절별 품질 변동이 적은 것으로 확인되었다.

또한 계절별 출하시멘트의 품질차이에 대한 통계적 유의성 판단을 위해 Paired T-test 결과, P-Value가 물리성능은 0.575∼0.762, 화학성분은 0.052∼0.622 수준으로 분석되었다. 이는 품질 차이가 유의하다는 기준(P-Value 0.05 이하) 보다 크므로 계절별 출하시멘트간의 품질 차이는 통계적으로 유의하지 않음을 의미한다. 이를 통해 당사 계절별 출하시멘트의 화학성분 및 물리성능은 동등 품질인 것으로 확인되었다.

3.2 계절별 출하시멘트(CE)의 콘크리트특성 비교

각 레미콘사별 평가된 콘크리트 초기물성(슬럼프, 공기량) 및 압축강도(7일강도, 28일강도) 결과는 Fig. 1, 2와 같다.

Fig. 1.

Evaluation Results of Fresh Concrete Properties by Remicon Factory

Fig. 2.

Evaluation Results of Compressive Strength by Remicon Factory

초기물성 검토 결과, 각 레미콘사별 채취한 비하절기 및 하절기 출하시멘트를 적용한 콘크리트의 슬럼프는 허용오차 범위 ± 25 mm 이내, 공기량은 허용오차 범위 ± 1.5% 이내로 동등수준을 나타냈다.

압축강도 검토 결과, 비하절기 대비 하절기 출하시멘트의 압축강도는 재령에 관계없이 ± 10% 이내이며, 계절별 시멘트의 강도 차이값은 상대표준오차(RSE.)가 3.38∼4.89% 수준으로 콘크리트 평가에서도 계절별 시멘트의 강도는 동등수준인 것으로 나타났다.

또한 계절별 출하시멘트의 품질차이에 대한 통계적 유의성 판단을 위해 비하절기, 하절기 출하시멘트의 콘크리트 평가결과를 대상으로 Paired T-test 검토 결과, P-Value가 슬럼프 0.094, 공기량 0.997, 7일강도 0.215, 28일강도 0.312로 산출되었다. 이는 품질 차이가 유의하다는 기준(P-Value 0.05 이하) 보다 크므로 계절별 출하시멘트를 적용한 콘크리트 품질 차이는 통계적으로 유의하지 않음이 확인되었다.

3.3 하절기 온도조건 고려한 콘크리트 품질개선안 검토

하절기 강도저하 원인 추정 및 개선 방안 검토를 위한 온도조건 및 제조조건별 콘크리트 배합표(Table 4) 및 평가결과(Fig. 3)는 다음과 같다.

Fig. 3.

Evaluation Results of Concrete by Summer Conditions

Table 4.

Proportion of Concrete Mixtures

Case (Mix Temperature)		W/C (%)	Unit Weight (kg/㎥)						Cost (%)
Case (Mix Temperature)		W/C (%)	W	CE^*	S1^***	S2^***	G	Ad	Cost (%)
Plain	(20℃)	52.0	175	337	632	265	935	2.70	100
Same Proportion	(30℃)	52.0	175	337	632	265	935	2.70	100
Increase CE	(30℃)	40.0	175	437	632	265	935	2.70	117
Increase W+CE	(30℃)	52.0	227	437	553	232	819	2.70	112
Increase CE+Ad	(30℃)	50.0	175	350	624	262	934	3.50	103

^* CE: Cement,

^*** S1: Crashed Sand, S2: Sea Sand

하절기 온도조건을 고려한 콘크리트 평가결과, Plain (20℃)과 배합은 동일하고 콘크리트 제조온도만 높인 경우(30℃_Same Proportion)에 비해 콘크리트 슬럼프 및 강도가 저하되며, 이로 인해 기온이 높아지는 하절기에 반복적으로 콘크리트 품질이 저하되는 것으로 추정된다.

하절기 이와 같은 품질 저하가 발생할 경우, 일부 레미콘사에서는 단위시멘트량만 증량하는 조치를 취하나(30℃_Increase CE), 이는 급격히 슬럼프를 저하시키게 된다. 레미콘 품질관리자 입장에서는 동등수준의 슬럼프 확보를 위해 추가적인 가수 조치(30℃_Increase CE+W)를 취하나, 이는 콘크리트의 W/C 증가로 이어져 적정 품질 확보를 위한 경제적인 방안이라 할 수 없다.

반면, 적정 품질 및 경제성을 확보하기 위해 배합인자 중 시멘트량과 혼화제량을 소폭 증량시킬 경우(30℃_Increase CE+Ad), Plain(20℃) 대비 동등수준의 작업성 및 강도 확보가 가능한 것으로 확인되었다.

결론

본 연구에서는 하절기 콘크리트 품질 저하 원인으로 오판될 수 있는 계절별 출하시멘트의 품질 산포를 확인하고자 2019년부터 당사-레미콘 8개사(n=16)와 공동 진행한 계절별 시멘트(비하절기, 하절기)의 평가결과를 분석하였다. 또한 하절기 온도조건 및 콘크리트 제조조건별 평가를 통해 하절기 강도 저하 원인 및 개선방안을 검토하였으며, 그 결과는 다음과 같다.

1) 계절별 출하시멘트의 몰탈 강도 차이값은 상대표준오차(RSE.)가 2.57∼2.79% 수준이며, 해당 시멘트의 화학성분 및 물리성능에 대한 통계분석 결과, P-Value 0.052∼0.762 수준으로 계절별 출하시멘트의 품질 차이는 통계적으로 유의하지 않았다. 이를 통해 당사 계절별 출하시멘트의 화학성분 및 물리성능은 동등수준임을 확인하였다.
2) 계절별 출하시멘트의 콘크리트 평가 결과, 초기물성(슬럼프, 공기량)은 허용오차 범위 내이며, 계절별 시멘트의 강도 차이값은 상대표준오차(RSE.)가 3.38∼4.89% 수준으로 동등 특성을 나타냈다. 또한, 재령별 압축강도에 대한 통계분석 결과에서도 P-Value 0.215∼0.312으로 분석되어 계절별 출하시멘트 간의 품질은 동등수준인 것으로 확인되었다.
3) 하절기 콘크리트 강도 저하 원인은 춘추절기 대비 높은 기온에 의한 작업성 저하 및 부적절한 조치에 의한 영향으로 판단된다. 따라서 적정 품질 및 경제성을 확보하기 위해서는 적절한 서중콘크리트 배합 대책(단위시멘트량 및 혼화제량 증량 포함)이 필요한 것으로 판단된다.