본문내용
1. 시멘트 개요
1.1. 시멘트의 개념
넓은 뜻으로 "시멘트"는 물질과 물질을 접착하는 물질을 말하나, 일반적으로는 토목·건축용의 물 또는 염류용액으로 반죽하였을 때 경화하는 무기질 교착재료를 통칭하는 것으로서, 주성분이 규산(SiO2), 알루미나(Al2O3), 산화철(Fe2O3) 및 산화칼슘(CaO)으로 구성되어 있다. 시멘트는 주요 건설자재로서 콘크리트 또는 시멘트를 주 원료로 한 2차 제품용에 사용한다. 슬레이트·기와·기포(氣泡) 콘크리트 등 생활주변에서 시멘트 제품을 볼 수 있다.
1.2. 시멘트의 역사
시멘트의 역사는 오래전부터 시작되었다. 이집트의 '피라미드'와 사런던 서남쪽 플리머스의 '에디스톤 등대'에서 시멘트의 흔적을 찾아볼 수 있다. 시멘트의 어원은 라틴어 부순돌이라는 뜻인 aementum이 cement로 바뀌었으며, 넓은 의미의 시멘트란 물질과 물질을 접합시키는 성질을 가진 모든 재료를 말한다.
피라미드에 사용된 석회와 석고를 혼합한 시멘트와 로마시대에 석회와 화산재를 혼합한 시멘트는 기경성 시멘트로서 18세기경까지 사용되었다. 수경성 시멘트는 1756년~1759년 영국의 에디스톤 등대를 건설할 때 기사 J.스미턴이 점토질을 가지는 석회석을 구워서 얻은 시멘트가 수경성을 가진다는 것을 발견한데서 시작되었으며, 이는 시멘트 연구의 기초를 이루었다. 이후 1796년 영국의 J.파커는 같은 방법으로 로만 시멘트를 만들었고, 1818년에는 프랑스 J.비카가 석회석과 점토를 혼합 소성하여 천연 시멘트를 만들었다.
1824년 영국의 벽돌공 J.애스프딘이 석회석과 점토를 혼합한 원료를 구워서 시멘트를 만들었는데, 겉모양, 빛깔 등이 포틀랜드섬의 천연석과 비슷하다고 하여 포트랜드 시멘트라 이름이 지어졌다. 이후 포틀랜드 시멘트에 대한 많은 연구가 이루어지면서 우수한 성질이 인정되고 전 세계로 급속히 보급되어 오늘날의 시멘트가 되었으며, 다양한 특성의 시멘트와 특수용도에 쓰이는 시멘트도 개발되었다.
이처럼 시멘트의 역사는 오래전부터 시작되었으며, 시간이 지남에 따라 다양한 발전을 거듭해 왔다. 특히 포틀랜드 시멘트는 건설 산업에 큰 기여를 해왔다고 볼 수 있다.
1.3. 시멘트의 제조과정
1.3.1. 화학성분 및 구성화합물
포틀랜드 시멘트의 주성분은 석회 CaO, 실리카 SiO2, 알루미나 Al2O3 및 산화철 Fe2O3 등이다". 포틀랜드 시멘트 클링커의 구성화합물은 규산삼석회 3CaO·SiO2, 규산이석회 2CaO·SiO2, 알루민산삼석회 3CaO·Al2O3 및 철(鐵)화합물 4CaO·Al2O3·Fe2O3이다". 3CaO·SiO2를 주로 하고 약간의 Al2O3·MgO 등을 고용한 고용체를 앨라이트(alite), 2CaO·SiO2 중 β형의 것을 주로 한 고용체를 벨라이트(belite)라 한다".
1.3.2. 시멘트의 제조방법
시멘트의 제조방법은 건식법, 습식법, 반습식법으로 구분된다.
건식법은 시멘트 제조에 필요한 석회석, 점토, 슬래그 등의 원료를 각각 함수량 1% 이하로 건조한 이후 적당한 비율로 조합하여 원료 분쇄기로 균일하게 분쇄한 다음 배합하여 소성하는 방법이다. 건식법으로 생산한 시멘트는 습식법으로 생산한 시멘트보다 품질이 다소 낮지만, 사용되는 에너지 소비량이 비교적 적으며 생산량이 가장 많은 경제적인 방법이기 때문에 현대 우리나라 대부분의 시멘트 제조공정이 건식법으로 이루어지고 있다.
습식법은 원료 분쇄기에서 약 40%의 물을 첨가하여 원료를 반죽상태로 만들어 분쇄기 내에서 분쇄 및 혼합, 균질화하여 회전로에 넣어 소성하는 방법이다. 습식법은 원료에 물을 첨가한 상태로 반죽을 만드는 과정으로 인해 비교적 에너지가 많이 소모되어 비경제적이라는 단점이 있지만, 원료 배합이 매우 균일하고 우수하여 조강 포틀랜드 시멘트와 같은 고급 시멘트의 제조에 사용된다.
반습식법은 조립기 내부에서 건식법으로 배합된 원료에 약 10~20% 가량의 수분을 첨가해 원료를 소립자의 모양으로 만드는 방법이다. 조립기를 통해 만들어진 원료를 다시 예열실로 투입해 약 1000℃의 온도로 열처리를 한 후 회전로에 넣어 소성하게 된다.
따라서 시멘트의 제조방법은 원료의 처리 및 배합 과정에 따라 건식법, 습식법, 반습식법으로 나뉘며, 각각의 방법에 따라 소요 에너지, 원료 균질화 정도, 제품 품질 등이 다르게 나타난다고 할 수 있다.
2. 시멘트의 특성
2.1. 시멘트의 수화
시멘트의 수화는 포틀랜드 시멘트를 물로 반죽하면 얼마 후 유동성을 잃고 굳어지는데, 이 과정을 응결(設)이라 한다. 그 후 강도를 가지게 되는 과정을 경화라고 하며, 시멘트의 구성화합물 중 규산삼석회는 수화(水和)가 빠르며, 강도 발현도 좋아 조기강도에 기여한다.
규산이석회는 수화속도가 늦고, 장기에 걸쳐 강도를 증진시킨다. 알루민산삼석회는 다른 구성화합물보다 수화속도가 빨라, 물과 급격히 반응하여 굳는다. 이때 석고가 있으면 석고와의 반응으로 응결시간이 조절된다.
철 화합물(4CaO·Al2O3·Fe2O3)은 알루민산삼석회 보다 수화속도가 늦으며, 석고 존재 시는 알루민산삼석회와 비슷한 반응을 한다. 시멘트의 구성화합물은 수화 시 수화열을 발생한다. 수화열은 알루민산삼석회가 가장 크며, 규산삼석회가 그 다음이다.
따라서 조기강도를 요하는 조강(早强) 시멘트에는 규산삼석회의 양이 많은 것이 요구되며, 댐과 같은 대형 구조물에 쓰이는 시멘트에는 알루민산삼석회나 규산삼석회의 양이 제한된다.
2.2. 시멘트의 분말도
시멘트의 분말도란 시멘트 1g이 차지하는 표면적을 말한다"" 이것은 시멘트의 성질 파악뿐만 아니라 모르타르나 콘크리트의 제 특성을 추정할 수 있게 해준다"" 분말도가 높은 시멘트를 사용하면 수화속도가 빨라 응결이 추진되어 조기강도가 증가되고, 수화열이 높아지게 된다"" 이는 워커빌리티가 좋아지게 하지만, 단점으로는 블리딩이 감소되어 소요의 강도를 얻기 위한 단위수량이 적어져 건조수축이 크게 되고 풍화에 대한 영향이 크게 된다""
2.3. 시멘트의 응결
시멘트를 물과 반죽하면 얼마 후 유동성을 잃고 굳어지는데, 이 과정을 응결(setting)이라 한다. 응결은 시멘트의 구성화합물이 물과 반응하면서 일어나는 화학적 변화에 의해 발생한다.
시멘트를 물과 반죽하면 규산삼석회(3CaO·SiO2)는 수화(水和)가 빠르며, 강도 발현도 좋아 조기강도에 기여한다. 규산이석회(2CaO·SiO2)는 수화속도가 늦고 장기에 걸쳐 강도를 증진시킨다. 알루민산삼석회(3CaO·Al2O3)는 다른 구성화합물보다 수화속도가 빨라, 물과 급격히 반응하여 굳는다. 이때 석고가 있으면 석고와의 반응으로 응결시간이 조절된다. 철 화합물(4CaO·Al2O3·Fe2O3)은 알루민산삼석회 보다 수화속도가 늦으며, 석고 존재 시는 알루민산삼석회와 비슷한 반응을 한다.
시멘트의 응결과정은 크게 초기 응결과 최종 응결로 나뉜다. 초기 응결은 물을 첨가한 후 시간이 지남에 따라 시멘트 반죽이 서서히 경화되어 가는 현상이며, 최종 응결은 시멘트 반죽이 더 이상 유동성을 잃고 경화가 완료되는 상태를 말한다.
응결시간은 시멘트의 품질과 용도에 따라 달라지며, KS 규격에서는 초기 응결은 시간이 지나면서 반죽이 굳기 시작하여 약 1시간 이상 ~ 10시간 이내가 되어야 하고, 최종 응결은 약 3시간 이상 ~ 18시간 이내가 되어야 한다고 규정하고 있다. 응결시간이 너무 빠르면 콘크리트 타설 시 작업성이 떨어지고, 너무 느리면 강도 발현이 지연되어 공사에 지장을 줄 수 있다.
응결시간에 영향을 미치는 요인으로는 시멘트의 화학조성, 물-시멘트비, 온도,...
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