시멘트 개론

시멘트 槪論

Ⅰ. 시멘트(Cement)란?

시멘트의 어원은 라틴어의 Caeder(부순돌)에서, 시작하여 Caedimentum을 거쳐 Cementum으로 변하여 오늘날 영어의 Cement, 독일어의 Zement로 쓰게 되었고 우리나라에서는 시멘트라 부르게 되었다.

넓은 의미의 시멘트는 물질을 접착시키는 모든 물질을 말하나 보통 말하는 시멘트는 수분과 열에 의하여 일부가 화학적으로 결합하여 시간이 경과될수록 경화하는 성질을 가진 수경성(Hydraulicity)인 물질중에서 많이 쓰이는 석회질 수경성 시멘트의 대표적인 포틀랜드 시멘트(Portland Cement)를 의미한다.

여기에서 포틀랜드 시멘트란 주로 석회질 원료과 점토질 원료를 적당한 비율로 충분히 섞어 그 일부가 용융할 때까지 소성해서 얻어진 클링커(Clinker)에 적당량의 석고를 가해 분쇄해서 얻어진 것이라 정의되며 한마디로 말하면 이 포틀랜드 시멘트에 다른 물질을 혼합해서 만든 혼합 시멘트와 구별해서 혼합물이 없는 시멘트라할 수도 있다.

1824년 영국의 벽돌공인 죠셉 아스프딘(Josepe Aspdin)은 "인조석 제조방법의 개량"이란 표제로서 특허를 얻었다.

그 내용은 경칠석회석을 구워 얻어진 생석회를 미분쇄한 소거회에다 점토를 혼합하여 제소성하여 만들어진 시멘트 제법과 이용법이었다.

이와같이 제조된 시멘트의 굳어진 모양이 포틀랜드섬에서 산출되는 건축용 석회석과 유사하여 이것을 포틀랜드 시멘트라 명명하였다.
 

Ⅱ. 시멘트의 연혁

시멘트의 기원은 상당히 오래되었으며 그 대표적인 것을 추려보면 다음과 같다.

1. 이집트에서 피라미드의 의장용 모르터(Mortar)로써 석쇠와 석로를 혼합한 시멘트 물질을 사용했다.

2. 기원전 그리스에서는 석회에다 산토린(Santorin)섬에서 재취한 산토린토를 혼합한 모르터를 사용했다.

3. 로마시데에는 포죠리(Pozzuoli)지방에서 산출되는 질좋은 화산회인 Pozzolana을 석회와 혼합하여 수중공사에 사용하였고 같은 시대에 독일의 라인강에서 산출되는 화산회인 트라스(Trass)를 석회와 섞어 모르터를 만들었다.

4. 영국의 죤 스미톤(John Smeaton)은 1756년 이지스톤(Eddystone)등대를 재건할 때 각종 석회를 구워서 실험하였는데 점토분이 1/14~1/17 함유된 석회석에서 물질이 수경성이 크다는 것을 알게 되었다.

5. 제임스 파아커(James Parker)는 1796년 점토중에 석회석의 세맥이 있는 원료를 석회로에 구워 분쇄한 것인 급경성 시멘트를 로오만(Roman Cement)란 이름으로 특허를 얻었다.

6. 영국의 벽돌공인 죠셉 아스프딘(Joseph Aspdin)은 1824년 "인조석 제조방법의 개량"이란 표제로서 특허를 얻었다. 그 내용은 경질 석회석을 구워 얻어진 생석회를 미분화한 소석회에다 점토를 혼합하여 시멘트를 제조하였다.

7. 죤슨(I.C Johnson)은 원료의 배합의 정확정도, 소성온도 등에 관하여 시멘트 제조기술을 발전시키는 지침을 제시하였고 그 후 소성로, 분쇄기 등의 기계의 출현과 배합, 소성, 냉각 등의 기술발전으로 현재와 같은 우량품이 생산되었다.
 

Ⅲ. 결합재의 분류

결합재라 함은 물질간을 접착, 결합시키는 재료를 말하며 광의로는 시멘트도 이 분류에 속한다.

1. 유기질 결합재

*천연수지나 단백질류

*합성수지(Plastics)

2. 무기질 결합재

*기경성 결합재

*수경성 결합재

[기경성 결합재]

·석회 : 공기중에 노출되면 경화

·석고 : 물과 결합하여 경화

[수경성 결합재]

물과 반응하여 경화하며, 경과후에는 불용성

·포틀랜드 시멘트

·혼합 시멘트

·알루미나 시멘트
 

Ⅳ.제조공정

Ⅴ.포틀랜드 시멘트의 화학성분 및 화합물조성

시멘트의 3주성분은 점토에 포함된 시리카[Silica(SiO₂)]알루미나[Alumina(Al₂O₃)]와 석회[Calcium Oxide(CaO)]이다.

그밖의 소량의 산화철(Fe₂O₃), 마그네시아(MgO), 아황산(SO₃), 알카리(K₂O+Na₂O)와 탄산가스(CO₂)등이 포함되어 있다.

화학적인 분석결과에 의하면 시멘트의 종류, 제조회사에 의한 차이는 있으나 그성분의 범위는 <표1>과 같다.

<표1>에서 보는 바와 같이 시멘트의 중요성분은 CaO, SiO₂, Al₂O₃, Fe₂O₃이며 이들의 조합 비율은 시멘트의 품질을 감정하는 데 기준으로 되고 있다. 특히 그 대표적인 것이 다음에 표시한 수경율(Hydraulic Modulus : HM)이다.
 

석고에 포함된 SO₃는 필요하나 다른 성분은 필요치 않다. 그러나 MgO는 석회석으로부터, 알카리는 점토에 의하여 연행된다.
중요한 4성분에서 CaO는 염기 성분이고 다른 3성분은 산기성분이며, 이들은 소성과정에서 결합하여 조성광물을 만들고 나머지는 조성광물의 사이를 메꾸어 주는 유리질 물질로 존재한다.

<표1> 포틀랜드 시멘트 화학성분(%)
 

시멘트 크링커(Clinker)의 조성광물은 1883년 프랑스의 레 샤텔리엘(Le Chatelier)에 의하여 4가지가 있는 것이 발견되었고 1897년 독일의 톨네본(Tornebohn)에 의하여 알리트(Alite), 베리트(Belite), 세리트(Celite), 훼리트(Felit)로 이름지워졌다.

현미경으로 관찰하면 알리트는 백색, 베리트는 황색, 세리트는 흑색, 훼리트는 흰 결정으로 구별된다고 한다. 그밖에 시멘트 크링커는 약10~25%의 유리질부분이 존재한다.

<표2> 포틀랜드 시멘트의 조성광물의 비유(%)
 

Ⅵ. 포틀랜드 시멘트의 화합물의 특성

우리나라에서 생산되는 시멘트에 포함된 4가지 조성광물의 명칭. 분자식 및 기호를 적어보면 다음과 같다.

1. 알리트 : 규산3석회(3CaO, SiO₂) [C₃S]

2. 베리트 : 규산2석회(2CaO, SiO₂ ) [C₂S]

3. 세리트 : 알민산3석회(3CaO, Al₂O₃) [C₂S]

4. 훼리트 : 알민산철4석회(4CaO, Al₂O₃ , Fe₂O₃)

1. 조성광물의 특징

C₃S 와 C₂S가 차지하는 양은 70~80%으로써 이들이 강도의 태반을 지배한다.
C₃S의 양이 많으면 조강성을 나타내고 C₂S의 양이 많으면 강도의 발현이 늦고 수화열(Hydration Heat)의 양이 적다.

(1)알리트 : C₂A보다는 수화작용이 늦으나 오래 지속되므로 강도의 발휘가 크고 수화열도 C₃A 다음으로 높다. 이 때문에 중용열 시멘트에서는 이 양을 50%로 제한하고 있다.

(2)베리트 : C₃S 보다 수화가 늦고 장기적인 강도의 발휘를 가져온다 이 때문에 베리트의 양이 많은 시멘트는 장기 강도가 크다.

(3)세리트 : 수화작용이 대단히 빠르다. 물과 접촉하면 몇분사이에 응결하는 순결성을 가지고 있다. 이 때문에 석고의 필요성이 있다. 또한 수화열도 가장 높아서 중용열 시멘트에서는 이양을 8%로 제한하고 있다. 경화과정에 있어서 수축량이 대단히 크므로 시멘트의 균열현상을 일으켜 안정성을 해치고 있으나 시멘트의 제조시 소성공정에서는 반드시 필요하다.

(4)훼리트 : 수화작용이 늦으며 수화열도 낮다. 조기자 장기나 강도는 낮으며 수축율이 적은 강점도 있어서 도로, 댐(Dam)에 쓰이는 시멘트는 이것이 많이 포함된 것이 좋다. (약12~13%) 또한 내산성을 위시한 내구성이 강한 장점이 있다.

2. 그밖의 화합물

(1)마그네시아(MgO) : 마그네시아는 석회석이나 점토둥의 불순물로 혼입되는 것으로 시멘트 크링커의 냉각과정에서 유리질속에 포함되므로 시멘트 특유의 암갈색을 띄게하는 장용하는 하며 시멘트 경화체에 별로 큰 영향을 주지는 않으나 장기후 팽창되어 균열을 가져온다. 이 때문에 보통 중요성 시멘트는 4.0%, 조강시멘트는 0.5%를 한도로 하고 있다.

(2)산화철(Fe₂O₃): 이것은 MgO의 공동작용으로 시멘트의 색깔을 좌우한다. 이 때문에 백색시멘트는 훼리트 (C₄AF)의 양을 0.5%로 제한하고 있다.

(3)아황산(SO₃): 석고에 따라서 혼입되며 이 양이 많으면 시멘트 경화체의 안정성을 해친다

(4)유리석회(Free Lime) : 원료의 화학적 성분의 비율이 적당치 않든가 소성이 불충분하며 4대 조성광물로 결합치 못한 유리석회(CaO)가 많은 시멘트 크링커가 된다. 이렇게 만들어진 시멘트 크링커는 안정성이 나쁘고 이상 응결을 일으키며 장기강도가 낮다.

(5) 알칼리(Na₂O 및 K₂O): 이것은 주로 점토질원료에서 혼입된다. 적은 양으로도 콘크리트 속의 골재의 성질에 따라 이와 반응하여 시멘트 경화체는 팽창시키는 역할을 한다.

(6) 불용해진분 : 이것은 시멘트가 풍화작용과 탄산화 작용을 받은 정도를 나타내는 척도이다. 풍화작용은 시멘트가 수분을 흡수하면 일어나고 탄산화작용은 수분과 함께 공기중의 탄산가스(CO₂)에 노출되면 일어난다.

Ⅶ. 시멘트의 분류

넓은 의미의 시멘트는 앞에서 설명한 바와 같이 모든 무기질 결합재를 의미하고 또한 그 종류도 대단히 많아서 그것을 완전히 분류하는 것은 곤란하다. 지금까지의 대표적인 분류법으로는 엑켈(E.Eckel)의 분류, 퀴일(H.Kuhl)의 분류, 스핀델(M.Spindel)의 분류등이 있으나 시멘트의 화학적인 관점으로 보아 스핀델의 분류가 가장 잘 되어진 것으로 학계에서도 넓게 사용되어지고 있다.

스핀델에 의한 시멘트의 분류는 다음과 같다.

1. 기경성 시멘트(대기중에서 경화하는 것)

(1) 석회(소석회) 및 마그네시아 질석회(도로마이트, 프라스타)

(2) 석고(소석고)

(3) 마그네시아 시멘트

2. 수경성 시멘트(대기 및 수중에서 경화하는 것)

(1) 단미 시멘트

(가) 수경성 시멘트

(나) 로만 시멘트

(다) 천연 시멘트

(라) 포틀랜드 시멘트

a. 보통 포틀랜드 시멘트(Normal-Portland Cement)

b. 중용열 포틀랜드 시멘트(Moderate heat of Hardening portland Cement)

c. 조강 포틀랜드 시멘트(High early strength Cement)

d. 저열 포틀랜드 시멘트(Low heat Cement)

e. 내황산염 포틀랜드 시멘트(Sulfate Resisting Cement)

f. 고산화철형 포틀랜드 시멘트

g. 백색 포틀랜드 시멘트

(2) 혼합시멘트

(가) 고로 시멘트(Slag Cement) : 혼합재로서 고로수냉 광재를 사용

(나) 실리커 시멘트(Silica Cement) : 혼합재로서 화산회, 규산백토등 실러커질 혼합재 사용

(다) 플라이애쉬 시멘트(Flyash Cement) : 혼합재로서 플라이애쉬를 사용

(라) 메이손리 시멘트(Masonry Cement) : 혼합재로서 석회석, 돌로 마이트 등을 사용

(마) 팽창성 시멘트 : 혼합재로서 광재, 석고등을 사용

(바) 착색 시멘트 : 백색시멘트를 주재로 각종 안료를 혼합한 것

(3) 특수 시멘트

(가) 내산 시멘트

(나) 치과용 시멘트

위에 열거한 여러 종류의 시멘트 중에서 시멘트 공업상 실제적으로 중요한 것은 단미 포틀랜드 시멘트 , 혼합 시멘트중 중요한 것은 단미 포틀랜드 시멘트 및 혼합 시멘트중 고로 시멘트, 실러커 시멘트, 플라이애쉬 시멘트라 할 수 있다.

1. 보통 포틀랜드 시멘트

보통의 콘크리트 공사용으로 널리 사용되어지고 우리가 일반적으로 포틀랜드 시멘트라고 할 때는 이 보통 포틀랜드 시멘트를 가르킨다.

2. 조강 포틀랜드 시멘트

C₃S의 양이 가능한한 최대로 하고 C₃A는 그 장점과 단점과 고려하여 적절히 조절한 시멘트이며 또한 그 구성화합물의 균등한 분포를 목표로하여 제조되어진 시멘트이다.

그 특성으로는

(1) 초기 높은 강도를 나타내고 장기적으로 강도의 증진이 계속된다. 즉, 보통 포틀랜드 시멘트와 비교하면 1일강도의 약3배, 3일 강도의 약2배, 7일강도의 1.5배 28강도의 약1.2배가 되어 공사 기간의 단축이 가능하게 된다.(거푸집회수 및 양생기간이 단축된다.)

(2)굽힘(Bending) 강도가 크다.

(3) 콘크리트의 수밀성이 높다. 수밀성이 높은고로 건축물의 수명을 늘리고, 또한 지하실등의 방수에 대단히 좋고 해수나 유산염등의 화학적 임식에 대한 저항성이 크다.

(4) 낮은 온도에 있어서도 강도의 발현성이 크다. 따라서 종절기공사에 좋다.

(5) 수축이 적다. 따라서 조강성 굽힘강도가 강하여 도로용에 좋다. 이상과 같은 특성이 있어 도로, 수중공사등 단기간에 공사의 완결을 필요로 하는 것, 높은 강도를 필요로 하는 콘크리트 제폼 등에 많이 쓰여진다.

3. 중용열 포틀랜드 시멘트

중용열 시멘트에 있어서 가장 중요한 조건은 수화열 및 강도발열비로서 이들의 조건도 구축물의 크기, 시공법, 시공속도, 시공계절 등에 의하여 똑같지는 않다.

중용열 포틀랜드 시멘트는 주문생산에 의하는 것이 통례이다. 화합물을 수화열의 점으로 보면 다음과 같은 특질이 있다.

C₃S : 수화열이 상당히 높다. : 120cal/g

C₂S : 수화열이 극히 낮다. : 60cal

C₄AF : 수화열이 극히 낮다. : 100cal/g

C₃A : 수화열이 제일 높아

C₃S의 약2배의 발열 : 320cal/g

여기서 중용열 포틀랜드 시멘트는 C₃A와 C₃S를 적제하고 또 한편 C₃S, C₄AF를 높이기 위해 석회 및 알루미나를 줄이고 산화철 및 실리커를 높이기 위해 석회 및 말루미나를 줄이고 산화철 및 실리커를 늘리도록 원료를 조합하여 엄중한 관리하에 제조하게 된다.

(C₃ A 8%이하, C₃ S 50%이하)중용열 포틀랜드 시멘트의 특성으로는,

(1) 수화열이 낮다.

물과 화합하는 경우에 발생하는 수화열이 보통 포틀랜드 시멘트보다 낮고 또한 그 기간은 장기간에 걸쳐 지속된다.

(2) 단기강도는 보통 포틀랜드 시멘트보다 약간 낮으나 장기강도는 보통 포틀랜드 시멘트와 같거나 또는 이를 능가한다.

(3) 수축이 적다

(4) 내침식성과 내구성이 대단히 크다.

(5) 다른 종류의 시멘트에 비하여 적은 수량으로 Workable한 콘크리트가 얻어진다.

4. 실리커 시멘트

가용성의 실리커 및 알루미나 시멘트가 수화할 때 발생하는 수산화석회[Ca(OH)₂]와 결합하여 시멘트 광물 [예를 들면 CaO, SiO₂, n(H₂O)]를 생성시킨다.
이 작용을 Pozzolanic 작용이라고 하며 이로인해 포틀랜드 시멘트의 성질을 개선되어지고 수밀성이 좋아져 장기 강도가 증진된다. 이러한 이유로 실리커 시멘트는 포틀랜드 시멘트 크링커에 화산회, 응회암 기타 특수 반응성 규산질을 적당히 조합한 규산질 혼합제를 첨가하여 미쇄해서 만들어지고 그 특성으로서는,

(1) 단기강도는 보통 포틀랜드 시멘트보다 낮으나 장기강도 높다.

(2) 보통 포틀랜드 시멘트에 비하여 화학적 저항성이 강하고 또한 내수 및 내함성이 우수하다.

(3) 수밀성이 높다.

이와같은 특성이외에 가격도 보통 포틀랜드 시멘트보다 싸고 일반건축이외 댐공사, 해수공사(방파제 호안등), 공장이나 광산의 배수공사, 하천공사, 터널공사 등에 쓰인다.

5. 고로 시멘트

광재(Slag)는 대부분 유리질로 되어 SiO₂, Al₂O₃, CaO, MgO를 주성분으로 하고 있다. 그리하여 이 화학성분의 비율이 적당하면 잠재수경성을 발휘하여 시멘트 혼합재로서 적당하게 된다. 이와같은 이유로 고로 시멘트는 포틀랜드 시멘트의 클링커에 광재를 혼합하여 분쇄하거나 또는 포틀랜드 시멘트에 분쇄한 광재(Slag)을 혼합하여 만들기도 한다. 그 특성으로는,

(1) 장기 강도가 크다.

고로 시멘트에 혼합되어 있는 광재는 잠재수경성이 있으므로 장기간에 걸친 강도의 증진이 크다.

(2) 화학적 저항력이 크다.

슬라그의 존재로 인하여 산이나 해수, 하수, 지하수 등의 화헉적 침식에 대하여 큰 저항성을 나타낸다.

(3) 수화열이 적다.

(4) 내열성이 크다.

(5) 수밀성이 높다.

이와같은 특성이외에 가격도 보통 포틀랜드 시멘트보다 저렴하고 하천, 항만등의 일반 토목공사에는 물론 도로나 건축공사 등에도 넓게 쓰여진다.

6. 플라이 애쉬 시멘트

미분탄 연소 보일러의 연도가스로부터 집진기로 채취한 재(Ash)를 일반적으로 플라이 애쉬(Fly Ash)라고 부른다. Fly Ash의 주성분은 SiO₂ 와 Al₂O₃로서 그 화학성분은 쓰여진 석탄재의 화학 성분에의해 지배된다. 미립자의 구형으로서 불완전 연소에 의한 탄소의 잔분이 적은 플라이 애쉬는 유효한 수화물을 생성하여 이것이 시멘트의 경화를 돕게 된다.

이와같은 이유로 플라이 애쉬 시멘트는 포틀랜드 시멘트의 클링커에 광재를 혼합하여 분쇄하거나 또는 포틀랜드 시멘트에 분쇄한 광재를 혼합하여 만들기도 한다.
그 특성으로서는

(1) 유동성이 좋다.

(2) 건조 수축이 적다.

(3) 수화열이 낮다.

(4) 탈수성이 좋다.

(5) 3개월 이후의 장기강도는 보통 포틀랜드 시멘트와 같거나 또는 능가한다. 이러한 여러 가지 특성이외에 가격면에서 보통 건축공사에 넓게 사용 되어지고 있다.

7. 백색 포틀랜드 시멘트

포틀랜드 시멘트의 회록색은 클링커에 포함되어 있는

Fe₂O₃ 와 MgO에 기인한다. 따라서 Fe₂O₃의 함유량이 적은 시멘트를 만들면 백색인 시멘트가 얻어진다. 이러한 이유로서 시멘트 중에 포함되어 있는 Fe₂O₃가 0.5%이하가 되도록 원료를 조합하는데 점토대신에 백토를, 융제(Flux)로는 형석을 사용하고 또한 석탄회중의 Fe₂O₃의 혼입을 피하기 위하여 연료로는 중유를 사용하여 산화에 의한 황색화를 막기 위하여 물속에 급냉하여 만들어진다. 이렇게 만들어진 백색 포틀랜드 시멘트는 보통 포틀랜드 시멘트에 비하여 초기강도는 낮으나 기타의 성질은 대체로 같다. 따라서 포틀랜드 시멘트가 갖고 있는 고강도, 내구성등과 함께 안정된 백색성을 구비하고 있어 종래로부터 건축물의 내외면의 도장, 각종 가공품, 인조대리석, 테라 조등의 장식용, 채광용, 표지용등에 쓰여지고 있다.
 

Ⅷ. 포틀랜드 시멘트의 수화작용

1. 시멘트 응결 및 경화

포틀랜드 시멘트에 적당한 물을 첨가하여 비빈 시멘트풀(Cement Paste)은 시간이 경과함에 따라 점차 유동성을 상실하여 응고한다. 이 현상을 수화작용이라 하고 시멘트 풀이 응고는 하였으나 충분한 소성(Plasticity)을 나타내는 상태를 응결(Setting)이라하며 이 시기에는 발휘하는 강도는 거의 없다.
이 시멘트 풀이 굳어지기 시작하는 상태를 응결의 끝이라 하고 차차 조직이 굳어져가는 상태를 경화(Hardening)라 말하고 있다.
 

여러나라의 공업규격은 그 나라의 사정에 따라 <표3>과 같이 응결의 시작(Initial Setting)과 응결의 끝(Final Setting)시간을 규정하고 있다.

시멘트의 수화작용은 C₃S 및 C₃S 의 반응, C₃A의 반응, C₄AF의 반응으로 생각할 수 있다.

(1) C₃S 및 C₂S 의 반응은

3CaO·SiO₂(C₃S) + 6H₂O = 3CaO·2SiO₂ ·3H₂O + 3Ca(OH)₂

3CaO·SiO₂ = 규산3석회 = Tricalcium Silicate

3CaO·SiO₂ ·3H₂O = Tobermolite Gel

3Ca(OH)₂ = 수산화석회 = Calcium Hydroxide

2(2CaO·SiO₂) + 4H₂O = 3CaO·2SiO₂ ·3H₂ O+Ca(OH)₂

윗식에서 보는 바와 같이 C₂S 및 C₂S 의 가수분해에서 많은 양의 수산화석회가 생긴다. 여기서 시멘트 성분의 약75%를 차지하고 있는 C₃S 및 C₂S 에서 30%인 석회가 탄산석회로 되며 그것의 1.3배인 약40%가 유리되어 콜로이드(Colloid)모양에서 결정으로 되어 시멘트의 경화에 도움을 주고 있다.

(2) C₄AF 의 반응

4CaO·Al₂O₃ ·Fe₂O₃ + 10H₂ O+2Ca(OH)₂ =6CaO·Al₂O₃ ·Fe₂O₃ ·12H₂O

4CaO·Al₂O₃ ·Fe₂O₃ = Tetracalcium Aluminoferrite

6CaO·Al₂O₃ ·Fe₂O₃ ·12H₂ O = Calcium Aluminoferrite Hydrate

가장 늦고 수화로서 분해되는 것으로 보고 있다.

(3) C₃A의 반응은 수화작용이 가장 빠르고 C₃ A가 물과 접촉하면 다음의 반응을 한다.

(가) 3CaO·Al₂O₃ + 12H₂O + Ca(OH)₂ = 3CaO·Al₂O₃ ·Ca(OH)₂ ·12H₂O

(나) 3CaO·Al₂O₃ +10H₂O + CaSO₄ ·2H₂O = 3CaO·Al₂O₃ ·CaSO₄ ·12H₂O

(Etteringite)

접촉수량이 적으면 미세한 결정에서 드디어 무정형으로 되고 시멘트 풀은 빠르게 응고한다. 그러나 이때 석고가 들어있으면 (나)와 같은 반응을 하고 Etteringite라는 바늘모양의 미세한 결정이 나타난다. 이 반응이 응결지연작용을 하는 것이다. 이때 Etteringite가 시멘트 경화체안에 생기면 균열의 원인이 된다.

위의 네가지 광물의반응으로 미세결정 및 Gell이 만들어지는데 미세한 결정은 차층 생장되어 서로 엉키며 겔은 차츰 탈수하여 굳어지거나 결정으로 되어 경화를 촉진한다. 겔의 경화물의 체적은 시멘트와 물의 체적보다 적으므로 경화하면 수축한다.

시멘트의 수화작용은 표면에서 안쪽으로 침투하여 시간이 지남에 따라 그 속도는 느리고 장기간 지속된다. 포틀랜드 시멘트가 완전히 수화하기 위해 필요한 수량은 약 35~37%가 되며 재령 28일에서도 약 1/2정도의 수화작용이 진행된 것으로 본다.
 

Ⅸ. 시멘트의 풍화

시멘트의 풍화(Aeration)는 시멘트가 수분을 흡수하여 수화작용을 한 결과로 생긴 수산화석회와 공기중의 탄산가스가 작용하여 탄산칼슘(CaCO₃)을 생기게 하는 작용을 말한다.

풍화현상을 설명하면 시멘트속의 유리석회와 C₃S는 수분을 흡수하여 다음의 반응을 한다.

CaO + H₂O = Ca(OH)₂

2C₃S + 6H₂O = C₃S₂ ·3H₂O + 3Ca(OH)₂

위 두반응 모두 Ca(OH)₂를 생기게 하고 이들이 공기중의 탄산가스에 의하여 다음과 같은 반응을 하여 탄산석회가 생긴다.

Ca(OH)₂ +CO₂ =CaCO₃ + H₂O

또한 시멘트속의 C3A는 수화작용에 표시한 식에서 보는 바와 같이 석고와 물과 결합하여 시멘트 바질러스(Etteringite)를 만든다.
위와 같은 반응으로서 시멘트 입자의 표면은 반응으로 생긴 화합물의 피막으로 둘러싸이기 때문에 시멘트풀의 수화작용이 저지되며 반응에 따른 C₃A가 감소되므로 응결이 늦어지고 강도발휘에 필요한 조성광물이 탄화되어 있기 때문에 시멘트 경화물의 강도가 낮아진다. 이와같은 강도의 저하는 재령의 작을수록 크고 휨강도보다 압축강도쪽이 모르터보다 콘크리트쪽이 영향을 많이 받는다. 풍화된 시멘트는 비중의 자하와 강열 감량의 저하를 가져온다.

Ⅹ. 포틀랜드 시멘트의 성질

시멘트의 품질이 제물의 제조공정이나 품질에 미치는 영향이 크다. 최근 시멘트의 품질은 제조회사에따라 다소 차이는 있지만 충분히 신뢰할 수 있는 품질을 가지고 있다. 사용하는 시멘트의 품질을 잘 알고 가능한한 동일한 상표의 시멘트를 사용하여 취급상 풍화방지에 주의할 것과 간혹 이상응결을 나타내는 시멘트가 있으므로 주의를 요한다.

1. 물리적 성질

시멘트의 물리적 성지로서 비중, 분말도, 응결, 안정성 및 강도가 규격으로 정해져 있다.

(1) 비중(Specific Gravity)

KS규격과 JIS규격에는 시멘트와 비중을 3.05이상으로 규정하고 있으나 보통 3.12~3.16으로 되어있고 여기에 나물질을 혼합하면 비중이 적어지고 혼합 포틀랜드 시멘트는 3.0이하가 된다.시멘트의 비중은 포틀랜드 시멘트에 혼합물의 유뮤판정, 풍화정도의 판정, 또는 몰탈이나 콘크리트에 있어서 시멘트의 절대용적의 산출에 쓰인다. 또한 비중에 관련하여 시멘트의 절대용적의 산출에 쓰인다. 또한 비중에 관련하여 시멘트의 단위용적량은 용기나 투입방법의 여하에 의하여서 어느 정도 차가 있지만 통상 1,500kg/m² 를 표준으로 한다. 포대에서 쏟아서 휘저어 흩어진 시멘트는 1,200kg/m²정도가 되는 경우가 있다.

(2) 분말도

시멘트의 입자가 미분이 될수록 질량에 대한 표면적이 크고 수화가 촉진되어 강도가 크고, 또한 조강성이 된다.

점성을 증가하여 투수성 및 블리이딩(Bleeding)이 감소하여 균질성이 증가하는 이점이 있는 반면 응결경화후의 수축이 크고 균열발생의 가능성을 높이는 원인이 된다. 습도(Humidity), 탄산가스(CO₂)가 흡착되기 쉽고 시멘트는 비표면적(Blaine방법)으로 분말도를 표시하며 KSL5201에서는 2,800㎠/g이상으로 규정하고 있으며 시멘트 가공제품은 시멘트의 분말도가 너무 높은 것은 바랄만한 것이 못되고 2,500 ~ 3,000㎠/g정도가 적당하다고 한다. 또는 시멘트의 분말도를 44μ표준체(No.325)에 의한 잔분율로 표시하는 방법도 있다.

(3) 응결

시멘트에 물을 넣고 반죽하면 최초에는 점성을 갖고 유동성을 나타내지만 곧 형태가 안정되어지는데 이 현상이 응결이다.

응결과 경화에 영향을 주는 ㉠ 시멘트 자신의 화학성분 ㉡ 혼합물질 ㉢ 온도 ㉣ 습도
㉤ 풍화의 정도 ㉥ 분말도 등이다.

혼합용수가 많으면 응결 경화가 늦고 온도와 습도가 높으면 응결 시간이 짧아지고 경화가 촉진된다. 시멘트의 분말도가 높으면 응결 경화가 빠르고 온도의 증가에 대한 응결 경화속도는 대수 함수의 관계가 있다. 시멘트에 따라서는 시멘트 풀이 물과 혼합하여 발열치않고 10~20분만에 굳어졌다가 다시 풀리면서 응결 현상이 나타날 수 있는데 이것을 위 응결(False Setting)또는 2중응결이라 한다.

<표4> 시멘트의 응결
 

시멘트 사용에 있어서 응결시간이 적당치 않으면 불편하므로 KS 규격에는 KSL 5108 (바이커침에 의한 시험범)과 KSL 5109 (길모어 침에 의한 시험법)의 규정에 따르는 것이 있다.

(4) 안정성

시멘트가 불안정하면 시멘트의 응결 경화중에 이상팽창을 일으키고 균열이 생기는 수가 있다. 이 수화작용중에 팽창 균열이 생기는 여부를 안정성이라고 한다.

이 원인은 시멘트 크링커 안에 유리석회, 마그네시아 및 아황산의 함유량이 초과한 것이다.

<표5> 시멘트의 안정도
 

우리나라에서는 KSL 5107의 규정에 의한 오오토클레이브(Autocalve)를 이용한 팽창도 시험 방법이 있고 <표5>와 같은 안정성의 한계를 정하고 있다.

(5) 강도

강도는 시멘트의 물리적 성질중에 가장 중요하다. 시멘트의 강도는 수화작용의 진행에 따라 일수의 경과와 같이 증진하는데 28일 정도까지는 급속하지만 그 이후는 원만한다.

콘크리트 공학상에서 시멘트 강도는 재령 28일의 것을 표준치로 한다.

시멘트의 강도는 KSL 5100에 정한 표준모래(Standard Sand)(주문진 향호리에서 채취한 것)을 사용하여 KSL 5104와 KSL 5105의 규정에 따라 실시한 모르터의 강도를 말한다.

<표6> 강도시험용 표준모래
 

시멘트의 강도에 영향을 주는 요인은 시멘트의 성분, 분말도, 사용수량, 풍화정도, 양생조건 및 시험방법 등이 있다.