1 시멘트 1.1개요 (1) 시멘트의정의 - 석회석질, 점토질, 규석질, 철질등의원료혼합물을약 1,450 까지가열시켜얻은클링커에석고를가하여분쇄한것 - 표면부착에따라물질과물질을결합할수있는접착제의기능을갖는재료 (2) 근대시멘트의역사 Table 1.1 근대시멘트개발역사 년도

1 시멘트 1.1개요 (1) 시멘트의정의 - 석회석질, 점토질, 규석질, 철질등의원료혼합물을약 1,450 까지가열시켜얻은클링커에석고를가하여분쇄한것 - 표면부착에따라물질과물질을결합할수있는접착제의기능을갖는재료 (2) 근대시멘트의역사 Table 1.1 근대시멘트개발역사 년도 개발자 특징 비고 1756년 점토분을함유한석회를소성시수경성을가짐스미톤 - 수경성석회개발 ( 석회석가루 + 화산재 ) (Smeaton) 영국에디스톤 (Eddystone) 등대건설에사용 1796년 파커 스미톤방식을이용하여로만시멘트 (Roman Cement) (J. Parker) 발명 1818년 비카 석회석과점토를혼합, 소성한천연시멘트개발 (J. Vicat) 석회질점토의성분과소성온도에대한적정기준발표 1824 년 애스프딘 (J. Aspdin) 현대적시멘트제조성공 - 석회석 + 진흙을가열, 혼합후분말화해서사용 (3) Portland Cement 의생산 Table 1.2 세계 Portland Cement 생산의역사 년도 특징 비고 1830년 캐나다생산 1890년 미국생산 1900년 시멘트시험법표준화 1909년 에디슨이 Rotary Klin 특허, 석고첨가시작 한국생산 1919.12 - 오노다사에의해평남에시멘트공장준공 (6만톤/ 년 ) - 2000년현재 6,000만톤 / 년생산 - 세계 3위생산국 1.2 시멘트성분 (1) 시멘트제조법 1) 원료 : 석회석 ( )+ 진흙 (,,...)( 또는점판암 ) 2) 분쇄, 계량배합 3) 소성 (Clinkering) : 용융 (Melting) 직전 (1400-1600 ) -, 에의해약 500 낮아짐 4) 석고 (Gypsum ; ) 첨가 : 응결시간조절목적 5) 분쇄 (Grinding) - 1 -

(2) 산화물의성분 Table 1.3 산화물의성분 산화물 기호 이름 분량 (%) CaO C 석회 60 ~67 SiO 2 S 실리카 17 ~ 25 Al 2 O 3 A 알루미나 3 ~ 8 Fe 2 O 3 F 산화철 0.5 ~ 6.0 MgO M 산화마그네슘 1 0.1 ~ 4.0 SO 3 - S 무수황산 2 1 ~ 5 K 2 O K 0.6 알카리 3 Na 2 O N 0.3 계 98 ➀ 팽창반응의원인 (Free Lime-, MgO) - 5% 이하로제한, Unsoundness test로검증 - 수산화마그네슘으로전환됨으로써 1차적으로균열발생, 2차적콘크리트구조물파괴 - 팽창반응 : 수화반응속도둔화 ➁ 황산기반응 (Sulfate attack) 의원인 - 석고에서온성분 - 장기적팽창의원인이며 2.5%~5% 이하로상한한계를둠 ➂ 알칼리-골재반응 (Alkali-Aggregate Reaction) 의원인 - ph 12.5~12.7-0.6% 이하로제한 그림 1.1 석회 - 실리카 - 알루미나의 3 성분과시멘트의관계 - 2 -

(3) 화합물의성분 Table 1.4 화합물의성분 화학식기호이름분량 (%) 반응속도발열량강도 3CaO ㆍ SiO 2 C 3 S 규산 3 석회 50 M M H 2CaO ㆍ SiO 2 C 2 S 규산 2 석회 25 S L L- 초기 H- 장기 3CaO ㆍ Al 2 O 3 C 3 A 알루민산 3 석회 12 F VH L 4CaO ㆍ Al 2 O 3 ㆍ Fe 2 O 3 C 4 AF 알루민산철 4 석회 8 M M L CaSO 4 ㆍ ½ H 2 O - CSH½ 석고 3.5 98.5 1.3 클링커의생성반응 (1) 시멘트의클링커 - 시멘트제조시화학반응에의해발생하는시멘트내의광물 ( 혼합물 ) (2) 클링커생성반응 Table 1.5 포틀랜드시멘트클링커의생성온도와생성반응의관계 온도 ( ) 반응 100~600 원료의부착수분, 점토의결정수탈수 700 탈탄산반응 ( 분해 ) 개시 800 생성개시 800~900 생성개시 900~1000, 생성개시, 열분해종료 1,100~1,200, 생성종료 ( 최대 ) 1,250 액상생성개시,, 의액상으로의용해 1,300~1,450 의생성, free 의소멸, 석출및액상이유리화하여최종생성물로생성 냉각 - ( 알라이트 ) - ( 벨라이트 ) - ( 알루미네이트상 ) - ( 페라이트상 ) 1.4 클링커광물과미량성분 (1) 알라이트 (Alite) - 클링커에서가장많은성분, 가주성분 - 액상을통해 와석회의고상반응에서클링커의최종반응으로생성 (2) 벨라이트 (Belite) - 클링커중알라이트다음많은성분, 가주성분 (3) 간극상 (Interstitial phase) - 클링커의생성반응온도가 1,300 이상일때생성되는액상이냉각되며만들어짐 - 알루미네이트상 : 가주성분 - 3 -

- 페라이트상 : 로나타내는 계고용체 (4) 미량성분 - 석고, 유리석회 ( ), 마그네시아 ( ), 알칼리금속산화물 (, ) 1.5 시멘트화합물의조성산출 - 시멘트중,,, 의화합물조성량계산 -> 알루미나와산화철의비가같거나 0.64이상인경우 -> 0.64보다작은경우 1.6 시멘트원료의조합및성분의관리 - 석회포화도 (L.S.F : Lime saturation factor), 규산율 (S.M : silica module), 철률 (I.M : iron module) - 석회포화도 (L.S.F) 가가장중요, LSF를높게하면클링커의소성은어려우나클링커광물중, 가증가되어압축강도를크게함 - 원료조정계수범위는 LSF 93~95, SM 2.4~2.5, IM 1.4~1.7정도로관리 1.7 수화반응 (1) 수화의정의 - 시멘트가물과반응하여가수분해되어수화물을생성하는것 (2) 수화반응식 2C 3 S + 6H ---> C 3 S 2 H 3 + 3CH (C-S-H gel) (Calcium Hydroxide) 2C 2 S + 4H ---> C 3 S 2 H 3 + CH (C-S-H gel) (Calcium Hydroxide) C 3 A + 3CSH 2 + 26H ---> C 6 ASH 32 (ettringite) (3) 수화및경화과정 (a) 반죽직후 (b) 수분후 (c) 수시간후 (d) 수일후 그림 1.2 시멘트의수화와경화과정개념도 Table 1.6 수화반응진행과정 과정 (a) (b) (c) (d) 반응특징 혼합수와접촉, 수화반응시작 혼합수의액상이급격하게수산화칼슘의과포화상태에도달 시멘트입자의내부와외부에수화물생성 시멘트입자주위에콜로이드상물질 ( 시멘트겔 ) 이서로접착 겔생성이증대되고, 시멘트입자사이가조밀해짐 강도발현 - 4 -

(4) 수화발열속도 Table 1.7 수화반응의단계별특징 유도기 가속기 감속기 수화발열속도 제 1 Peak (Ⅰ) 유도기 (Ⅱ) 제 2 Peak (Ⅲ) 제 3 Peak (Ⅳ) 제 3 Peak 이후 (Ⅴ) 특징 약 15 분이내 석고가알루미네이트상과반응하며발열 2~4 동안수화가진행되지않고페이스트성상도변화히지않는상태 알루미네이트입자와알라이트입자는각각불용성에트린자이트막과불용성칼슘실리케이트막에둘러싸여수화억제 칼슘실리케이트수화물막이내부침투압으로팽창파괴 알라이트의수화가다시시작 에트린자이트막이팽창압으로파괴 내부의 가수화를시작하며발열 알라이트, 벨라이트는생성한칼슘실리케이트수화물에의해둘러싸임 수화속도는점차느려지지만수화물간의접착으로경화시작 그림 1.3 수화반응단계 (5) 시멘트화합물의수화 그림 1.4 성분별수화반응속도 Time (days) 그림 1.5 시멘트성분과압축강도와의관계 - 5 -

1) 규산칼슘 (, ) 의수화 - 수중에서가수분해로수산화칼슘과염기성규산칼슘수화물생성 - 규산칼슘수화물의겔은재령, 온도, 물-고체비에따라조성이나구조변화 - 수산화칼슘수화물은경화체의알칼리분위기형성 - 환경조건에따라내구성을유지하는매개성분으로작용 2) 알루미네이트 ( ) 의수화 - 는석고와반응하여에트린자이트생성 - 미수화 와에트린자이트의반응에의한모노설페이트의생성 - 모노설페이트와 의고용체생성 3) 펠라이트의수화 - 수화초기석고와반응하여고황산염설퍼알루미네이트와설퍼페라이트로이루어진고형체의침상결정생성 - 황산이온이소진되면저황산염형알루미노페라이트고용체로변환 1.8 응결과경화 (1) 응결과경화의정의 - 응결 : 시멘트입자를구성하는클링커광물이물과반응하여새로운조직을발달하는반응시기 - 경화 : 응결이후서서히굳으면서강도가발현되는단계 (2) 경화체의성분과구조 A : 미수화시멘트 B : C-S-H(Ⅱ) C : C-S-H(Ⅰ) D : 수산화칼슘 E : 모노설페이트 F : 에트린자이트 CS : 모세관공극 GS : 겔공극 그림 1.6 시멘트경화체의구성성분과조직구조 (3) 공극과강도 - 물-시멘트비의영향이큼 - 물-시멘트비를작게하면공극률과공극의크기가작아지며강도가커짐 - 물-시멘트비가너무작을경우유동성이저하되어작업성이떨어짐 (4) 이상응결 - 응결이 1~10시간을벗어나는경우 - 시멘트에석고의양이충분하지않아발생하는현상 - 위응결 - 석고를첨가한시멘트가비정상적으로빨리응결되는현상 - 시멘트의장기저장으로인한풍화등의영향 - 6 -

(5) 강도발현 1) 시멘트의조성 -, : 수화속도는크지만강도에많은기여못함 -, : 수화율에따라강도발현에큰영향 그림 1.7 시멘트조성에따른강도발현 2) 분말도 - 시멘트의수화속도는시멘트와물의접촉면적에좌우되므로일반적으로비표면적으로나타냄 - 분말도가크면단기간에많은양의수화로초기재령강도증가 - 시멘트가너무미세하면석고의소비가빨라져석고의첨가량증가유발 3) 물 - 시멘트비 - 강도는물 - 시멘트비에반비례 - 물 - 시멘트비가크면결함수가많아져치밀한구조체가되기어려움 그림 1.8 물 - 시멘트비와콘크리트강도특성 4) 양생조건 Table 1.8 양생조건별특징 양생법습윤양생증기양생고압증기양생 특징 장기간에걸쳐강도발현, 대기중방치시강도증진감소 대기중방치된구조물을재습윤양생시재령경과에따라강도증가 5~40 의범위에서양생온도가높을시강도발현효과큼 최적온도 55~75, 85 이상은유해, 전치시간이길수록유리 20 보다큰경사로온도를상승시킬때전치시간을길게해야함 초기고강도를얻는데유리 1~1.5 의증기압 ( 양생온도 180~200 ) 에서 6~12시간가압양생함 - 7 -

1.9 시멘트종류와특성 (1) 포틀랜드시멘트 Table 1.9 포틀랜드시멘트의종류 구분시멘트성분효과 / 용도비고 1 종보통포틀랜드시멘트 C 3 S 48~54% / C 2 S 22~28% C 3 A 7~10% / C 4 AF 7~10% 2 종중용열포틀랜드시멘트 C 3S 감소 / C 2 S 증가 C 3 A 8% 이하로감소 3 종조강포틀랜드시멘트 C 3 S 증가 / C 2 S 감소 4 종저열포틀랜드시멘트 C 3 S 35% 이하로감소 C 2 S 40% 이상으로증가 C 3 A 7% 이하로감소 5 종내황산염포틀랜드시멘트 C 3A 5% 이하로감소 C 4 AF 다소증가 일반적많이사용 수화열 건조수축 투수 화학저항성 매스콘크리트 ( 댐 ), 도로용시멘트 초기강도우수 (1 일강도 =1 종 3 일강도 ) 긴급공사, 공기단축용시멘트 수화열 초기강도 장기강도 유동성 대형구조물, 기능성콘크리트 C 3 A 는황산염과반응하여구조물손상내황산염저항성이큰 C 4 AF 다소증가 Type Ⅰ Type Ⅱ Type Ⅲ Type Ⅳ Type Ⅴ (2) 혼합시멘트 1) 정의 - 포틀랜드시멘트에혼합물질을섞은시멘트 - 경제성, 자원절약, 에너지절약이라는사회적요망으로소비량증가 2) 혼합시멘트의종류 Table 1.10 혼합시멘트의종류 종류 고로슬래그시멘트 혼합률에따른분류 1 종 - 5~30% 2 종 - 30~60% 3 종 60~70% 특징 고로수쇄슬래그 + 클링커 + 석고혼합분쇄후균일하게혼합하여제조 슬래그염기도 1.4 이상일경우사용가능 수화열낮음, 장기강도와내화학성이우수 댐등매스콘크리트, 하수도시설, 항만공사, 해양구조물용에적합 동절기시공내구성을위한양생방법주의필요 플라이애쉬시멘트 포졸란시멘트 1종 5~10% 45% 이상, 강열감량 5% 이하 2종 10~20% 포졸란반응에의해경화됨 3종 20~30% A종 5~10% 60% 이상 종류 B종 10~20% - 천연물질 : 화산재, 규산질백토, 규조토 - 인공포졸란 : 사소점토, 플라이애쉬 C종 20~30% 수밀성이높고화학저항성이우수 초기강도는작고, 중성화대책이필요 (3) 특수시멘트 1) 정의 - 포틀랜드시멘트와혼합시멘트가갖지못한새로운성능을부여한수경성시멘트 2) 특수시멘트의기능 - 에너지환경대책성, 초조강성, 초속경성, 급결성, 저수축성, 팽창성, 고유동성, 주입성, 저발열성, 고강도성, 고내구성, 특수환경하에서의이용성 3) 특수시멘트의특징 - 일반시멘트에비해수요가한정, 고부가가치제품, 제조및시공에기술력을요함, 다품종소량생산에적함, 환경문제및에너지문제등에적합 - 8 -

4) 특수시멘트의종류 Table 1.11 특수시멘트의종류와특징 종류특징용도 알루미나시멘트 팽창시멘트 초조강포틀랜드시멘트 초속경시멘트 유정, 지열정시멘트 내화성과화학적안정성이우수 포틀랜드시멘트에비해강도발현이빠름 6~12시간에포틀랜드시멘트 28일강도와같은강도발현 시멘트에적당량의시멘트를주입 건조수축보상 수축보상콘크리트 - 콘크리트균열방지 팽창콘크리트 - 화학적인프리스트레스 조강시멘트보다알라이트를많게하고벨라이트를적게하고분말도높임 1일강도가조강시멘트 3일강도와같음 빠른강도를얻음 2~3 시간에압축강도 10 에도달 내구성, 작업성우수 유전이나온천정을만들기위해사용 높은온도와압력, 각종염류에의한부식장용에대한저항성우수 슬러리점성이낮아야함 응결지연제를첨가한내황산염시멘트사용 내화콘크리트 케스타블내화물용 화학공장의바닥 반응조내부 바닥, 지방방수 수영장, 수조, 지하구조물 주입재, 외압용흄관제조 긴급공사 시멘트 2 차제품제조 긴급공사 시멘트 2 차제품 주입식콘크리트 숏크리트 (4) 최근의특수시멘트 1) MDF(macro defect free) 시멘트 - 시멘트에수용성폴리머혼합후경화제의공극을채우고압출, 사출방법으로성형하여건조상태양생 - 수분에대한저항성을높이는방법을검토해야함 2) DSP(Densified with Small Particle) 시멘트 - 시멘트와초미립자, 고성능감수제를조합하여낮은물-시멘트비에서수화시켜경화시킨것 - 경화체의공극률을감소시켜고강도얻음 3) 벨라이트시멘트 - 클링커제조에필요한에너지를감소, 질산과이산화탄소방출을감소시킴 - 적은양의석회석을사용가능케함 - 수화열이적어대형구조물공사에적함 - 장기강도가높음, 내구성, 유동성이좋아고기능성콘크리트재료 - 9 -