콘크리트의 재료 - 시멘트

안녕하세요.

오늘은 콘크리트의 재료인 시멘트에 대해서 알아보도록 하겠습니다.

 

콘크리트 재료(Concrete Materials)

- 시멘트(Cement)

 

 대부분 콘크리트는 포틀랜드 시멘트(Portland cement)를 사용해서 생산된다. 물과 작용하여 강도를 갖기 때문에 수경성 시멘트(hydraulic cement)라고 부르고, 포틀랜드라는 이름은 영국 남부의 Dorset에서 생산되는 포틀랜드 암과 색과 질이 비슷해서 붙여진 이름이다. 역사적으로 석회석 시멘트는 오래전부터 사용됐으나 포틀랜드 시멘트의 생산은 1824년 영국의 벽돌공 Joseph Aspdin 특허를 받는 것으로부터 시작되었다. 포틀랜드 시멘트를 생산하는 데 필요한 원재료는 대략 전체 원재료의 78%의 석회석, 15%의 점토, 약 3%의 규석과 약간의 광재와 석고가 필요하며, 제조공정은 건식법(dry process)이나 습식법(wet process)으로 원료를 요구하는 화학성분을 포함하도록 혼합하여 분쇄하고, 소성로(kiln)에서 1,400°C~1,650°C로 소성하면 돌 같은 성질의 클링커(clinker)가 되는데 이 클링커를 냉각하여 응결 지연제로 석고를 첨가하여 미세 분쇄하면 포틀랜드 시멘트가 생산된다.

 우리나라 공업규격 KS L(ASTM) 에는 표 2.1과 같은 5종류의 포틀랜드 시멘트가 있다. 5종류의 포틀랜드 시멘트는 점토(clay)와 석회석(limestone)과 같은 원재료의 함량을 변화시켜서 표 2.2와 같이 생산된 화합물을 용도에 맞게 조정하여 각각의 특징을 나타내도록 생산한다. 표 2.2는 CAC(Canadian Association of Cement)에서 제시한 전형적인 포틀랜드 시멘트 화합물의 함량을 제시하고 있다. KS L 5201의 포틀랜드 시멘트에서는 각 화합물의 함량을 제시하지는 않고 예를 들면 2종은 C3S 50% 이하, C3A 8% 이하로 4종의 경우는 C2S 40% 이상, C3A 6% 이하로 5종은 C3A 4% 이하로 규정하고 있다. 따라서 현재 국내에서 생산되는 포틀랜드 시멘트의 각 화합물의 함량은 회사마다 다를 수 있으며 또한 한 회사라도 공정에 따라 사용하는 원재료가 같지 않을 수 있으므로 변화가 있을 수 있다.

 

 포틀랜드 시멘트의 4종류 화합물은 재령에 따른 강도의 발달 속도가 다르므로 함량을 다르게 하여 각 포틀랜드 시멘트의 특징을 살릴 수가 있다. 예를 들어서 3종 조강 포틀랜드 시멘트에서 초기강도의 발달이 가장 빠른 C3S(일명 Alic = tricalcium silicate)의 함량을 많이 하고 분말도를 높여서 조기강도가 발달하도록 하고 있다. 각 시멘트 화합물 압축강도의 발달을 보면 포틀랜드 시멘트에서 조기강도(재령 21일~28일)는 대부분 C3S에 의해서 마련되고 장기강도는 2 규산(silicate) 화합물(C2S와 C3S)에 의해서 발달하는 것을 알 수 있다. 시멘트와 물의 반응으로 발생하는 수화열이 화합물들의 함량에 따라 좌우되는데 C3S와 C3A의 함량이 많으면 수화열을 많이 발생시킨다.

포틀랜드 시멘트에는 앞에서 다룬 5종류의 포틀랜드 시멘트 이외에도 KS L 5204에서 다루는 백색 포틀랜드 시멘트와 혼합 시멘트 그리고 특수시멘트가 있다. 백색 포틀랜드 시멘트는 일반 포틀랜드 시멘트에서 회색을 띠는 산화철을 제거하거나 백색 점토를 사용하여 생산하며 주로 장식용이나 도장용으로 사용된다. 혼합 시멘트에는 KS L 5210에서 다루는 고로슬래그 시멘트(Portland blast-furnace slag cement) KS L 5401에서 다루는 포틀랜드 포졸란 시멘트(Portland pozzolan cement)와 KS L 5211의 플라이애시 시멘트(Portland fly ash cement) 등이 있다. 특수시멘트에는 KS L 5205의 알루미나 시멘트(alumina cement), KS L 5217의 팽창성 수경시멘트(expansive cement), KS L 5129의 조적용 시멘트(masonry cement) 및 초속경 시멘트(regulated-set cement) 등이 있다.