포틀랜드 시멘트

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포틀랜드 시멘트(영어: Portland cement), OPC(영어: Ordinary Portland Cement)는 주성분인 석회, 실리카, 알루미나산화철을 함유하는 원료[1]를 적당한 비율로 충분히 혼합하고, 그 일부가 용융하여 소결된 클링커석고를 첨가해 분말로 한 것이다.[2][3] 오늘날 쓰이고 있는 보통 시멘트 형태이며, 전 세계적으로 콘크리트, 모르타르, 스투코그라우트 등의 기본 재료로 널리 쓰인다.

시멘트 운반 전용 알루미늄 사이로가 얹힌 화물 철도

역사[편집]

1824년 영국의 벽돌공 조지프 아습딘(Joseph Aspdin, 1779 ~ 1855)이 “인조석 제조법의 개량”으로 특허를 얻어 포틀랜드 시멘트란 이름을 붙인 것에서 유래하였다. 당시 건축용 석재로 쓰이던 영국 남단부의 포틀랜드 섬의 석회석인 포틀랜드 석재(Portland stone)의 색이 회백색으로 비슷해서 포틀랜드 시멘트란 이름을 붙였다.[4][5]

특허[편집]

이 특허는 석회석을 분쇄한 후 구워서 생석회로 만들어 일정한 비율로 점토를 섞고 물을 넣어 미분쇄하여 건조한 것을 다시 소성로에 넣어, 석회석 중의 탄산가스가 완전히 없어질 때까지 800 °C 까지 소성하여 클링커로 만든 다음 미분쇄하여 시멘트를 만드는 공법이다. 이렇게 하면 과거의 석회 모르타르 또는 천연 시멘트보다 균질이면서 고강도를 발휘할 수 있어 널리 보급되었다. 그러나 아습딘의 특허 제품은 소성온도가 낮아 클링커의 품질이 좋지 못해서, 1845년 이삭 존슨(Issac Johnson)은 소성온도를 높게 유지하는 조건을 밝함으로써 근대 포틀랜드 시멘트로 개량했다.[6]

변천[편집]

초기에 생산되었던 포틀랜드 시멘트의 품질은 현대에 까지 많은 변화가 있었다. 1840년에는 재령 28일 압축강도가 5 MPa 정도였으나, 1880년대 후반에는 화학성분의 관리와 입자의 미분말화에 따라 10 ~ 20 MPa 정도로 높아졌다. 그 후 1900년대에 들어 회전로에 소성하게 됨에 따라 25 ~ 30 MPa 정도로 높아졌으며, 1950년대에는 SP(suspension preheater), NSP(new suspension preheater)를 중심으로 폐회로분쇄에 따라 압축강도가 35 ~ 65 MPa로 크게 증진되었다.[4]

쌓여있는 25 kg 단위 포장 시멘트

성분[편집]

전형적인 포틀랜드 시멘트의 화학성분은 CaO 60 ~ 67 %, SiO2 17 ~ 25 %, AI2O3 3 ~ 8 %, Fe2O3 0.5 ~ 6 %, MgO 0.1 ~ 4.0 %, NaO+K2O 0.2 ~ 1.3 %, SO3 1 ~ 5 % 의 범위를 갖고 있으며, 에라이트(Alite), 벨라이트(Belite), 알루미네이트(Aliminate),[주 1] 페라이트(Ferrite)의 클링커 광물로 이루어져 있고, 미량 성분으로 알칼리(알칼리 서페이트, NaSO4, K2SO4), 유리석회 등 몇 개의 다른 상이 있다.

지구에 있는 원소 구성으로 본 시멘트의 주성분(O2, Si, Al, Fe, Ca)은 약 91 %에 상당하고 미량성분(Na, K, Mg, H, S)까지 포함하면 약 99 % 까지 늘어난다. 따라서 포틀랜드 시멘트는 지구에서 가장 풍부한 원소를 활용하여 제조되는 결합재이다.[4] 한편 미량성분이라고 해서 중요치 않은 것이 아니다. 예컨대 미량 성분 중 하나인 산화나트륨, 산화칼슘알칼리염으로써 알칼리 골재 반응을 일으키는 원인이 되므로 주의깊게 살펴보아야 한다.[1]

포틀랜드 시멘트의 주요 성분

화합물 화학식 시멘트 산업에서 사용하는 약자 일반적인 중량 범위(%) 비고
규산 3석회 3CaO·SiO2 C3S 45-60 물과의 빠른 반응. 시멘트 페이스트의 종결 시간과 초기강도 발현에 영향[7]
규산 2석회 2CaO·SiO2 C2S 15-30 많이 포함되면 콘크리트 극한강도 상승[8]
알루민산 3석회 3CaO·Al2O3 C3A 6-12 물과의 빠른 반응, 많은 열 발생시킴.[9]
철알루민산 4석회 4CaO·Al2O3·Fe2O3 C4AF 6-8
C : 산화칼륨
S : 이산화규소
A : 산화알루미늄
F : 산화철

종류[편집]

한국산업표준[편집]

한국산업표준 KS L 5201 포틀랜드 시멘트의 종류

구분 종류 비고
1 종 보통 포틀랜드 시멘트
2 종 중용열 포틀랜드 시멘트
3 종 조강 포틀랜드 시멘트
4 종 저열 포틀랜드 시멘트
5 종 내황산염 포틀랜드 시멘트
  • 저알칼리형 포틀랜드 시멘트의 전 알칼리 함량 % = 0.6 이하
R2O = Na2O + 0.658 K2O
여기서,
R2O: 시멘트 중의 전 알칼리 질량 %
Na2O: 시멘트 중의 산화나트륨 질량 %
K2O: 시멘트 중의 산화칼륨 질량 %

ASTM[편집]

미국의 ASTM 기준에 따르면 포틀랜드 시멘트는 다음과 같이 구분한다.[10]

종류 이름 비고
1종 보통 * 가장 많이 사용
2종 중용 내황산염 * 두 번째로 많이 사용.
* 1종에 비해 황산염 저항성을 키우기 위해 C3A 함유량 낮춤
3종 조강 * 1종과 화학적 조성 비슷하나 3종이 비표면적이 훨씬 큼
4종 저열 * 수화속도 제한을 위해 C3S, C3A 함유량 제한
5종 고 내황산염 * 1종에 비해 황산염 저항성을 키우기 위해 C3A 함유량 낮춤

위 비고에 따라 종별 조성물 비율과 분말도를 살펴보면 다음과 같다. 붉은색 칠한 부분이 종별로 확인할 수 있는 특징적인 성분변화값이다.[11]

종류 최대 조성물 비율(%) Blaine 분말도(m2/kg)
C3S C2S C3A C4AF
1종 보통 55 19 10 7 370
2종 중용 내황산염 51 24 6 11 370
3종 조강 56 19 10 7 540
4종 저열 28 49 4 12 380
5종 고 내황산염 38 43 4 9 380

같이 보기[편집]

내용주[편집]

  1. 알루미네이트는 실리케이트에 비해 빠른 수화반응을 한다. 알루미네이트의 수화반응 속도를 조절하기 위해 섞는 것이 석고이다. 석고가 용액 속에서 황산염 이온을 생성, 알루미네이트의 용해성을 떨어뜨리는 원리로 반응속도를 조절한다.

각주[편집]

  1. Michael S. Mamlouk & John P. Zaniewski 2016, 240쪽.
  2. “한국산업표준”. 국가표준인증종합정보센터. 2011년 12월 23일. 2012년 6월 8일에 확인함. 
  3. Michael S. Mamlouk & John P. Zaniewski 2016, 239쪽.
  4. 《최신 콘크리트공학》. 한국콘크리트학회. 
  5. Michael S. Mamlouk & John P. Zaniewski 2016, 238쪽.
  6. 한국콘크리트학회 (2005). 《최신콘크리트공학》. 14쪽. ISBN 8970866655. 
  7. Michael S. Mamlouk & John P. Zaniewski 2016, 244쪽.
  8. Michael S. Mamlouk & John P. Zaniewski 2016, 243쪽.
  9. Michael S. Mamlouk & John P. Zaniewski 2016, 242쪽.
  10. Michael S. Mamlouk & John P. Zaniewski 2016, 251쪽.
  11. Michael S. Mamlouk & John P. Zaniewski 2016, 253쪽.

참고 문헌[편집]

  • Michael S. Mamlouk; John P. Zaniewski (2016). 《실험과 함께하는 건설재료학》. 동화기술. ISBN 9788942590896.