시멘트 제조와 종류

시멘트 (요약) 모르타르 또는 콘크리트를 만들기 위해 골재를 결합한 재료. 시멘트는 원래 ＜굳히다, 접합하다, 결합하다＞라는 뜻을 가지고 있으나, 이것이 현재 사용되고 있는 시멘트로서 일반화된 것은 19세기 초부터이다.   (내용) 모르타르 또는 콘크리트를 만들기 위해 골재를 결합한 재료. 시멘트는 원래 ＜굳히다, 접합하다, 결합하다＞라는 뜻을 가지고 있으나, 이것이 현재 사용되고 있는 시멘트로서 일반화된 것은 19세기 초부터이다. 시멘트에는 소석회(消石灰;수산화칼슘)·석고·마그네시아시멘트 등과 같은 기경성(氣硬性)시멘트(굳은 것은 물 속에서 사용할 수 없다)와, 토목건축공사용이나 치과용과 같은 수경성(水硬性)시멘트(굳은 것은 물 속에서도 사용할 수 있다)가 있다. 현재 보통 시멘트라고 하면 토목건축공사용으로 사용되는 수경성시멘트를 말하며, 대표적인 것으로 포틀랜드시멘트가 있다. 이 밖에 고로(高爐)시멘트·실리카시멘트·플라이애시시멘트와 같은 혼합시멘트 및 알루미나시멘트·콜로이드시멘트·오일웰시멘트·지열시멘트·내산(耐酸)시멘트 등과 같은 특수시멘트가 있다.     1. 역사 BC 5000년 경 이집트에서는 피라미드 석재의 메지에 구운 석고가 사용되었다. 이것이 최초로 사용된 기경성시멘트이며, 고대 그리스·로마시대의 유적에서는 석회석을 구워 만든 소석회를 사용한 유물이 많이 발견되고 있다. 로마시대부터 18세기 중엽까지의 약 2000년 간의 시멘트는 소석회시대로 어떠한 진보도 볼 수 없었는데, 1756년 영국의 석조등대 에디스톤의 건조시 J. 스미턴이 점토가 섞인 석회석을 구워 시멘트로 사용, 성공한 것이 오늘날 일반적으로 시멘트라고 부르는 수경성시멘트의 시초이다. 그 후 96년에 영국의 J. 파커가 로망시멘트(점토가루가 포함된 석회석을 석회가마에서 구운 후 분쇄하여 만든 시멘트)를 고안하였고, 1818년에 프랑스의 L.J. 비카가 고급로망시멘트(석회석과 점토를 가늘게 분쇄하여 섞은 것을 고온에서 소성한 뒤 분쇄해서 만든 시멘트)를 고안했으며, 또한 24년에 영국의 J. 애습딘이 석회석과 점토를 주원료로 하여 현재의 포틀랜드시멘트를 발명하였다. 이 포틀랜드시멘트는 25년부터 공장에서 생산되었으나, 당시 다른 시멘트공장에서 생산되고 있던 고급로망시멘트와 품질적으로는 큰 차이가 없었다. 포틀랜드시멘트가 로망시멘트를 몰아낸 것은 40년 이후의 일로서, 50년 무렵부터 포틀랜드시멘트의 전성시대가 시작되었다. 포틀랜드시멘트는 1848년 프랑스, 52년 독일, 71년 미국에서 차례로 제조되기 시작하였다. 고로시멘트는 82년 독일에서, 알루미나시멘트는 1908년 프랑스에서 각각 발명되었다. 현재 한국에서는 대부분 보통포틀랜드시멘트를 생산하고 있다.     2. 제조 포틀랜드시멘트의 원료는 석회석과 점토이고, 그 밖에 성분을 조정하기 위하여 규석(珪石)이나 산화철 원료(슬래그)가 사용된다. 석회석과 점토를 무게비 4:1로 혼합해서 미분쇄하고 약 1400℃로 소성해서 얻어지는 회흑색의 입자상태물질이 시멘트클링커(cement clinker)이다. 클링커를 냉각한 뒤, 무게의 약 3％ 정도의 석고를 넣고 미분쇄하면 시멘트를 만들 수 있다. 석고를 넣는 것은 시멘트와 물의 반응이 초기에 급속하게 일어나지 않도록 응결속도를 조절하기 위해서이다. 포틀랜드시멘트의 제조방식에는 건식법(乾式法)과 습식법(濕式法)이 있다. 건식법은 원료를 건조시켜서 조합하고 분쇄·혼합해서 소성하는 방법이고, 습식법은 원료에 물을 넣은 슬러리(slurry;분쇄물의 진한 현탁액) 상태에서 분쇄하여 소성하는 방법이다. 최근에 시멘트 제조의 대부분은 건식법에 따르고 있다. 시멘트의 소성에는 회전가마가 사용된다. 회전가마도 기술의 발달과 함께 많은 변천을 보여왔으나, 현재로서는 서스펜션 프리히터(suspension preheater)가 달린 킬른(Kiln;SP킬른)이나 뉴서스펜션프리히터가 달린 킬른(NSP킬른) 등 효율적이고 경제적인 최신식 회전가마가 주로 이용되고 있다. 시멘트클링커의 분쇄에는 볼밀(ball mill)이나 롤러밀(roller mill) 등 마무리용 밀을 사용한다. 시멘트 분쇄에 사용되는 에너지는 전력으로서, 시멘트 1t을 분쇄하는 데 약 120㎾가 소비된다. 혼합시멘트의 경우, 고로시멘트나 실리카시멘트는 포틀랜드시멘트 클링커와 고로수쇄슬래그 또는 실리카질혼합재를 동시에 혼합·분쇄해서 만들지만, 플라이애시시멘트는 포틀랜드시멘트에 어떤 일정량의 플라이애시(연소에 의해서 생성되는 분진)를 혼합하면 만들 수 있다. 그 밖의 시멘트 제조 방법은 시멘트의 종류를 참조한다.     3. 성질 포틀랜드시멘트에 물을 넣으면 시멘트입자는 물과 반응하여 수화(水和)가 진행된다. 수화 초기에는 시멘트입자 표면에 얇은 수화물의 막이 생겨서 일시적으로 수화가 저지되어 시멘트 페이스트는 유동성을 유지한다. 속도를 응결 속도를 조절하는 석고가 알루민산칼슘으로 변화함과 동시에 규산칼슘의 수화가 활발해져 수화가 급속히 진행된다(알루민산칼슘이나 규산칼슘은 시멘트 속의 화합물의 일부이다). 시멘트입자로부터 분리된 수화물에 의해 시멘트입자가 서로 결합하여 외부에서 힘을 가해도 입자가 서로 움직이기 어려우며, 또한 시간이 지남에 따라 시멘트입자 사이가 수화물로 메꾸어져서 더욱 단단해진다. 보통포틀랜드시멘트와 중용열포틀랜드시멘트(moderate heat PC)는 장기간에 걸쳐서 발현하는 규산이칼슘은 많고 단기간에 강도를 나타내는 규산삼칼슘은 적다. 시멘트가 수화되면서 수화열을 내는데, 이 수화열은 알루민산삼칼슘이 많을수록 높아지기 때문에 저열(低熱)시멘트라고 하는 중용열시멘트에는 알루민산삼칼슘이 적다. 또한 조강포틀랜드시멘트(high early strength PC) 및 초조강포틀랜드시멘트(ultra high early strength PC)는 단기간에 강도를 보여주는 시멘트로 규산삼칼슘이 다른 시멘트에 비해 많다.     4. 용도 시멘트의 종류는 많지만, 시멘트가 사용되는 장소나 목적에 따라 알맞은 특성을 지닌 시멘트를 선택해서 사용해야 한다. 보통포틀랜드시멘트는 콘크리트공사에 사용되는 가장 일반적인 시멘트이다. 조강포틀랜드시멘트는 단기간에 고강도를 보여주는 특성을 살려서 겨울철의 공사, 공사기간 단축을 필요로 하는 공사를 비롯, 증기양생(蒸氣養生) 특성을 활용하여 콘크리트 2 차제품 제조에 사용되고 있다. 초조강포틀랜드시멘트는 조강포틀랜드시멘트보다 더 빠른 강도발현이 요구되는 공사나 시멘트입자의 미세함을 이용한 그라우팅(grouting;모르타르를 틈새에 주입하는 것)용시멘트, 연중시공(年中施工)용 시멘트, 증기양생 없이 콘크리트 2 차제품을 만드는 시멘트 등에 사용된다. 중용열포틀랜드시멘트는 수화열이 작은 특성을 이용해서 댐이나 원자력발전소 등의 큰 단면구조나 포장용 시멘트로서 사용된다. 내황산염포틀랜드시멘트(sulfate resisting PC)는 화학저항성이 뛰어나 해양구조물·지중매설구조물·공장배수시설 등의 콘크리트용 시멘트로 사용되고 있다. 그 밖에 백색포틀랜드시멘트(white PC)는 착색시멘트용·콘크리트 2 차제품용으로, 알루미나시멘트는 긴급공사·내화물용으로, 콜로이드시멘트는 암반그라우팅용으로, 오일웰시멘트나 지열시멘트는 고온·고압용으로 사용되고 있다.     5. 종류 시멘트를 한국공업규격(KS)의 품질규정에 따라 분류하면 포틀랜드시멘트· 혼합시멘트· 특수시멘트로 나뉜다. 포틀랜드시멘트(KSL 5201)는 1종(A급·B급), 2종(A급·B급), 3종(A급·B급)이 있으며 1종은 보통포틀랜드시멘트, 2종은 중용열포틀랜드시멘트, 3종은 조강포틀랜드시멘트에 해당한다. 이 밖에도 백색포틀랜드시멘트(KSL 5204) 등이 있다. 혼합시멘트에는 고로시멘트(고로슬래그시멘트, KSL 5210), 플라이애시시멘트(KSL 5211), 포촐란시멘트(A·B·C종, KSL 5401)가 있다. 특수시멘트로는 알루미나시멘트가 있다. 이 밖에 한국공업규격에 품질이 규정되어 있는 특수시멘트로서 초조강포틀랜드시멘트·팽창시멘트·AE포틀랜드시멘트 등이 있다. 여러 종류의 시멘트에 대한 자세한 특성은 다음과 같다.   1) 알루미나시멘트(aluminous cement, fused cement) 알루민산칼슘을 주성분으로 하는 시멘트로, 1908년 프랑스의 비가 발명하였다. 보크사이트와 석회석을 배합하여 용융 또는 소성해서 만든다. 포틀랜드시멘트의 재령(材齡) 28일 강도(시멘트 시험기준으로 시공 28일 후의 강도)를 1일 이내에 발휘할 정도로 매우 빨리 굳으며 내약품성도 있으나 가격이 비싸며 생산량도 적다. 내화물·긴급공사·한랭지공사와 내약품성을 요하는 장소의 공사 등에 사용된다.   2) 마그네시아시멘트 옥시클로라이드시멘트의 하나이며 기경성시멘트로, 1867년 프랑스의 소렐이 발명하였다. 화학조성이 MgO·MgCl·HO인 복염(double salt)이다. 활성마그네시아와 염화마그네슘용액을 혼합하여 페이스트상태로 사용한다. 강도가 크고 응결이 빠르다. 흰색 반투명하고 착색이 가능하며 장식성이 높다. 목재와 잘 접착하나 내수성·내열성이 떨어진다. 골재와 섞어 인조석으로 이용된다. 기타 벽재·상재(床材)로도 이용된다.   3) 실리카시멘트 혼합시멘트의 하나이며 가용성 실리카가루가 많은 백토·응회암·규조토·화산재 등과 포틀랜드시멘트를 혼합하여 만든다. 또 실리카질 혼합재를 총칭하여 포틀랜드라 한다. 가용성 실리카가 수화시 생기는 수산화칼슘 Ca(OH)₂와 포촐란반응을 일으켜서 규산칼슘수화물을 만들고 이에 의해 내화성이나 장기강도(長期强度)가 증대하는 등 시멘트성질이 개선된다. 댐 등 대형 콘크리트나 기타 토목건축공사의 구조재로 쓰인다.   4) 고로시멘트 포틀랜드시멘트에 고로수쇄슬래그분말을 섞은 혼합시멘트이다. 고로수쇄슬래그는 용융슬래그를 물에서 급랭한 생석회 CaO, 실리카 SiO, 알루미나 A1O을 주성분으로 하는 유리질이며, 그 자체로는 굳지 않지만 소석회·석고·포틀랜드시멘트 등을 혼합하면 수경성을 발휘하게 된다(잠재수경성). 포틀랜드시멘트를 자극제로 한 것이 고로시멘트이다. 슬래그의 양에 따라 3종이 있다. 내수성·장기강도가 크고 하수·해수에 대한 내식성이 있으며 내열성이 높고 수화열이 낮은 것 등의 특성이 있다. 댐 등의 대형 콘크리트, 하천·항만공사 등에 사용한다.   5) 플라이애시시멘트 포틀랜드시멘트에 플라이애시를 혼합한 시멘트이다. 플라이애시는 미분탄을 연소시킨 공모양의 재로, 알루미나와 실리카가 주성분이다. 인공포촐란의 일종이며 응고시 반응은 실리카시멘트와 같다. 장기강도가 크며 하수·해수에 대한 내식성이 있다. 증량용(增量用)·항만공사 등에 이용된다.   6) 내황산염포틀랜드시멘트 포틀랜드시멘트 속에 3CaO·AlO(CA)의 함유량을 4％ 이하(보통포틀랜드시멘트 속에는 9％)로 제한하여 황산염에 대한 저항성을 크게 한 것이다. 토양 속의 황산염 외에 하수·배수·지하수·해수 속의 황산염에 높은 저항성을 나타낸다. 하수시설, 공장배수시설, 항만시설, 해양구조물, 화산지의 토목공사 등에 이용된다.   7) 조강포틀랜드시멘트 포틀랜드시멘트 속에 3CaO·SiO(CS)의 함유량을 67％(보통포틀랜드시멘트에는 50％)로 최대한 유지하여 조강성을 발휘시킨 시멘트이다. 보통포틀랜드시멘트에 비해 재령 1일에서 3배, 3일에서 2배의 강도를 낸다. 그 밖에 내수성·강도·수화열이 크다는 등의 특징이 있다. 긴급공사·동계공사·시멘트 2 차제품 등에 이용된다.   8) 초조강포틀랜드시멘트 제트시멘트라고도 한다. 조강포틀랜드시멘트보다도 CS를 68％로 더욱 증대하고 2CaO·SiO(CS)를 9％에서 6％로 줄이며, 또 반응성을 높이기 위해 미분화해서 비표면적을 보통포틀랜드시멘트의 1.8배 정도로 조강성을 높였다. 조강포틀랜드시멘트의 재령 3일의 강도를 하루에 낸다. 긴급공사·동계공사·시멘트 2 차제품용으로 사용된다.   9) 중용열포틀랜드시멘트 포틀랜드시멘트 속에 수화발열이 큰 CS를 50％ 이하로, C₃A를 8％ 이하로 억제하고 CS를 증가시킨 것이다. 수화열량은 7일에 70cal/g 이하, 28일에 83cal/g 이하로 규징되어 있다. 또한 수화열량을 7일에 60cal/g, 28일에 70cal/g 이하로 규정한 것을 저열포틀랜드시멘트라 부른다. 초기강도는 낮지만 장기강도는 보통이다. 건조수축이 적고 내화학성이 있는 등의 특징을 가진다. 댐·거대구조물의 기초 등 대형콘크리트용으로 사용된다.   10) 백색포틀랜드시멘트 포틀랜드시멘트의 회록색은 FeO과 MgO 때문이다. 보통 3％ 정도 함유되는 FeO을, 원료를 선택해서 분쇄공정에서의 철분의 혼입을 방지하여 0.3％ 이하로 낮춤으로써 흰색을 띠게 된 것이다. 안료를 첨가하여 착색이 가능하다. 성능적으로는 보통포틀랜드시멘트와 같아서 장식·도장(塗裝)·인조석·예술 등에 이용된다.   11) 팽창시멘트(expansive cement) 팽창재를 넣어 콘크리트의 건조수축에 따른 균열을 방지하거나 철근과의 긴장력을 발생시키는 케미컬 프리스트레스용 혼합시멘트이다. 팽창재로는 석회계·알루민산칼슘계·석고계 등이 있다.