본문내용
1. 시멘트 개요
1.1. 시멘트의 정의 및 특성
시멘트는 무기질의 경화성 있는 물질로, 구조재료나 접합재료로 사용된다. 그 경화작용은 주로 물로 이긴 니상질에서 생긴 것으로, 그 경화기구는 건조와 수화결합의 두 가지로 구분된다."
건조에 의하여 경화되는 것에는 점토류와 소석회가 있다. 점토는 콜로이드적 성질에 의하여 강도가 생기는 것으로 큰 강도는 기대할 수 없다. 소석회는 건조해서 새로운 결정이 석출하기 때문에 결합되어 경화하는 것이고, 또한 공기 중의 탄산가스를 흡수하여 탄산석회로 변화하면서 경화가 진행된다.
수화결합에 의하여 경화하는 것에는 옛적부터 쓰이던 석고(gypsum), 화산재와 석회 혼합물이 있고, 근세에 와서 쓰이게 된 포틀랜드 시멘트, 알루미나 시멘트, 마그네시아 시멘트 등이 있다. 이러한 여러 가지 시멘트 중에서 현재 가장 많이 쓰이고 있는 것은 포틀랜드 시멘트이다."
1.2. 시멘트의 역사 및 발전
시멘트의 역사 및 발전은 다음과 같다.
시멘트의 기원은 고대 이집트와 그리스 문명에서 찾을 수 있다. 이미 기원전 2500년경 이집트에서는 석회 모르타르를 사용하여 피라미드를 축조하였으며, 기원전 500년경 그리스인들도 석회와 화산재를 혼합한 결합재를 사용하였다. 이처럼 오래전부터 건축을 위한 결합재가 사용되어 왔다.
중세 시대에 들어서는 수도원을 중심으로 시멘트 유사 물질의 제조와 사용이 발전하였다. 이 당시에는 주로 석회와 화산재, 또는 찰흙을 혼합하여 사용하였다. 이후 18세기 중반 영국의 존 스미튼(John Smeaton)이 석회와 화산재를 결합한 수중 콘크리트를 개발하면서 근대 시멘트의 발전이 시작되었다.
1824년 영국의 조셉 아스핀(Joseph Aspdin)이 포틀랜드 시멘트를 특허 출원하면서 본격적인 시멘트 산업이 발전하기 시작했다. 아스핀은 석회석과 점토를 소성하여 포틀랜드 시멘트를 제조하는 방법을 개발하였다. 이는 현대 포틀랜드 시멘트의 시초가 되었다.
19세기 후반에는 알루미나와 규사를 원료로 하는 알루미나 시멘트가 개발되었으며, 마그네슘을 함유한 마그네시아 시멘트도 등장하였다. 이처럼 다양한 원료와 배합비를 통해 다양한 특성의 시멘트가 개발되었다.
20세기에 들어서는 시멘트 제조 기술의 발전과 함께 콘크리트 기술도 크게 발전하였다. 콘크리트펌프, 레미콘 등의 등장으로 콘크리트 사용이 확대되었고, 고강도 시멘트와 다양한 혼화재 개발로 콘크리트 품질도 향상되었다.
현대에는 환경 문제에 대한 관심 증가로 에너지 절감형 시멘트, 저탄소 시멘트 등 친환경 시멘트 기술이 발전하고 있다. 이와 함께 3D 프린팅 기술을 활용한 시멘트 적용 등 새로운 기술도 등장하고 있다.
이처럼 시멘트 기술은 고대부터 현대에 이르기까지 지속적으로 발전해왔다. 건축 기술의 발전과 더불어 시멘트 기술도 발전해왔으며, 최근에는 환경과 신기술 등을 반영하며 새로운 방향으로 나아가고 있다.
1.3. 시멘트의 제조 공정
시멘트의 제조 공정은 크게 원료 조합, 소성 공정, 제품 공정의 3단계로 구성된다.
먼저 채광한 원료인 석회석, 점토, 철광석 등을 1차 조쇄하여 준비한다. 그 후 각 원료를 적절한 비율로 배합하고 2차 조쇄를 거쳐 균질한 원료 혼합물을 만든다. 이렇게 만들어진 원료 혼합물은 원료 사일로에 보관된다.
다음으로는 소성 공정이 이루어진다. 원료 혼합물을 예열 또는 가소 분쇄 과정을 거친 뒤, 약 1450도의 고온 소성 킬른에서 소성한다. 이 과정에서 원료들이 화학 반응을 일으켜 클링커라는 제품이 생성된다. 생성된 클링커는 냉각기를 거쳐 냉각된 후 클링커 사일로에 저장된다.
마지막으로 제품 공정에서는 클링커에 적절량의 석고를 첨가하여 분쇄기로 최종 분쇄한다. 이렇게 제조된 시멘트는 시멘트 사일로에 저장되었다가 출하된다.
이처럼 시멘트 제조 공정은 원료 준비, 소성, 제품 생산의 단계를 거쳐 이루어지며, 각 단계에서 다양한 장비와 기술이 활용된다. 이를 통해 균질하고 우수한 품질의 시멘트를 생산할 수 있다.
2. 시멘트의 화학 조성
2.1. 주요 구성 성분
포틀랜드 시멘트를 구성하는 주요 화학 성분은 산화칼슘(CaO), 이산화규소(SiO2), 산화알루미늄(Al2O3), 산화제2철(Fe2O3)이다. 이 4종류의 주요 화합물은 시멘트 중량의 약 90%를 차지한다. 나머지 10%는 소량의 산화마그네슘(MgO), 알칼리금속산화물(Na2O, K2O), 산화티탄(TiO2), 5산화인(P2O5) 및 석고(CaSO4·2H2O) 등의 부성분이다.
이러한 화학 성분들은 상호작용하여 4개의 주요 화합물을 구성한다. 규산제3칼슘(3CaO·SiO2)은 수화반응이 신속하고 초기강도에 크게 기여하며, 규산제2칼슘(2CaO·SiO2)은 장기강도 발현에 큰 역할을 한다. 알루민산제3칼슘(3CaO·Al2O3)은 초기 응결과 강도발현에 크게 영향을 미치나 내구성이 낮다. 테트라칼슘 알루미노 페라이트(4CaO·Al2O3·Fe2O3)는 수화반응이 빠르지만 강도발현에는 기여도가 작다.
이들 주요 화합물의 함량 비율을 변화시켜 다양한 종류의 포틀랜드 시멘트를 제조할 수 있다. 일반적으로 보통 포틀랜드 시멘트에서 Alite는 42-67%, Belite는 18-31%, Felite는 5-14%, Celite는 6-12% 정도 함유되어 있다.
2.2. 주요 화합물의 성질
규산3칼슘 (3CaO·SiO2) : C3S는 1,250 이하의 온도에서는 불안정하며 CaO-SiO2계의 평형도에 따르면 이 온도 이하에서는 C2S와 CaO로 분해한다. 단, 이 분해반응은 대단히 완만하므로 700 이하에서도 C3S는 약간 존재한다. C3S는 삼사정계가 3변태, 단사정계가 2변태, 삼방정계가 1변태로 총 6변태가 있다.
C3S의 성질은 물을 가하면 응결이 시작되며 수시간 내에 경화한다. 굳어진 고체는 주로 최초 1주간에 강도가 증대하여 최종 압축강도는 수백 kgf/㎠(수십 N/㎟)의 크기에 달한다. 시멘트 중에서는 순수한 형태로는 존재하지 않으며 고용체의 형태로 다른 산화물을 약간 함유하고 있다. 따라서 Alite는 Al2O3, Fe2O3, MgO, Na2O 및 K2O를 수 % 함유한 C3S의 불순한 형태로 존재한다. 불순물의 존재는 C3S의 성질에 영향을 미친다.
규산2칼슘 (2CaO·SiO2) : C2S는 4개의 변태가 있으며, 1420~1447 이상에서 안정하지만 냉각되면 가역적으로 'C2S로 변해 버린다. 'C2S는 800~1447 의 범위에서 안정하지만 650~670 로 냉각되면 C2S로 변화한다. 순수한 C2S는 약 520 로 냉각되면 C2S로 다시 변화한다. 그러나 불순물이 존재하면 전이 속도는 영향을 받아 늦어지거나 억제되어 확실히 나타나지 않는다. 포틀랜드 시멘트 중에 C2S가 존재하거나 실온에서 안정인 이유는 이러한 불순물의 효과 때문이다. C2S는 물을 가하면 비교적 소량의 발열량(약 60㎈/g)을 방출하면서 수화한다. 경화 페이스트는 수주간, 수개월에 걸쳐 서서히 완만하게 강도가 증진하며 최종적으로 C3S의 강도와 동일한 수준에 달한다.
알루민산 3칼슘 (3CaO·Al2O3) : C3A는 다량의 발열량(약 200㎈/g)을 동반하며 거의 순간적으로 물과 반응하여 순결한다. 보통의 응결은 석고를 15% 첨가하여 수량이 많은 배합으로 이루어진다. 습기중에서는 1일 내지 2일에 강도 발현이 완료한다. 단, 그 강도는 비교적 작다. 고화물은 수중에서 붕괴되어 버리므로 C3A는 수경성 시멘트로 간주될 수 없다. 포틀랜드 시멘트 중에서는 C3A는 불순한 상태에서 존재하며, 보통 시멘트중의 C3A량은 전체의 7%에서 15%를 점한다.
테트라칼슘 알루미노 페라이트 (4CaO·Al2O3·Fe2O3) : C4AF는 물과 급속히 반응하여 수분안에 응결한다. 수화시...
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