시멘트의 경화는 수화작용(水和作用)에 의한 것이다. 일반적으로 시멘트는 골재 같은 메움재료와 섞어서 사용되는데, 모래와 섞으면 석조건축에서 사용하는 모르타르가 되고 자갈이나 부순 돌과 섞으면 콘크리트가 된다. 시멘트를 이용한 건축재료로 가장 널리 사용되는 것은 단단하며 융통성이 있고 저렴한 콘크리트이다.
역사
수경성 시멘트의 기원은 고대 그리스와 로마 시대까지 거슬러 올라가는데, 그 원료는 물과 접촉하면 느린 속도로 경화하는 석회와 화산재였다. 이것은 2,000년 전 로마 시대와 후에 서유럽의 건축물에 사용되었다. 1756년 J.스미턴은 잉글랜드 데번의 해안에 에디스톤 등대를 세울 때 그가 개발한 수경성 석회를 사용했으며, 그 뒤를 이어 포틀랜드 시멘트가 만들어졌다. 다음 발전은 1800년경 잉글랜드와 프랑스에서 점토질 석회암으로 된 단괴(團塊)를 소성(燒成)함으로써 얻어지는 물질이었는데, 후에 미국에서 시멘트 암석이라 불렀다. 이 물질은 천연 시멘트로 알려진 종류에 속했으며, 포틀랜드 시멘트와 같은 계통이었으나 약하게 소성을 했고 성분비에 대한 제어가 없었다. 일반적으로 영국의 J. 아스프딘이 포틀랜드 시멘트를 발명했다고 한다. 그는 1824년 석회암과 점토의 합성 혼합물로부터 얻은 물질로 특허를 얻었다. 그는 그 물질의 이름을 포틀랜드 시멘트라고 했는데, 그 이유는 그 색깔이 포틀랜드산(産) 석회석과 비슷하기 때문이었다. 그러나 아스프딘이 발명한 시멘트는 현대의 포틀랜드 시멘트보다 약하게 소성했고, 진정한 포틀랜드 시멘트의 원형은 아마도 1850년경 잉글랜드 남동부의 I.C. 존슨이 만든 시멘트일 것이다. 그후 포틀랜드 시멘트 제조업은 유럽에 빠르게 전파되었으며, 1870년경 미국으로 전파되었다.
원료
포틀랜드 시멘트는 실리카·알루미나·산화철과 혼합된 석회의 성분으로 이루어져 있다. 석회는 회질의 원료에서, 그밖의 산화물은 점토질에서 얻어 원하는 조성비로 혼합된다. 가장 흔한 석회질 원료로 석회암과 백악(白堊)이 주로 사용되지만, 이밖에 산호와 조개의 퇴적물도 사용되기도 한다. 원하는 성분을 얻기 위해 모래·산화철·보크사이트 같은 원료가 소량 첨가되기도 한다. 가장 흔한 점토질 재료로는 점토, 셰일, 점판암(粘板岩), 하구에 형성된 진흙 등이 있다.이회토(泥灰土)와 시멘트암은 둘 다 시멘트와 비슷한 점토질과 석회질의 성분비를 가지고 있다. 이밖의 원료에는 용광로에서 나오는 부산물인 슬래그(slag)가 있다. 그 슬래그는 주로 석회·실리카·알루미나로 이루어져 있는데, 고농도의 석회질 물질과 섞여 있다. 산화물을 소량 함유하는 고령토는 백색 포틀랜드 시멘트의 점토질 재료로 사용된다. 화학공장에서 나오는 플라이애시(fly ash : 연소 가스에 혼입된 석탄재)와 탄산칼슘은 사용가능한 원료이지만 천연원료에 비하면 그 효용성이 낮다. 포틀랜드 시멘트의 마그네슘 조성의 허용한계가 4~5％이므로 원료의 마그네슘 함유량은 적어야 한다. 원료 중 엄격히 함유량이 제한되어야 할 불순물은 플루오르 성분, 인, 산화철, 황화물 그리고 과도한 염기성 물질이다.
다른 필수적인 원료로는 석고가 있다. 시멘트의 응결시간을 조절하기 위해 약 5％의 석고를, 제분하는 동안 소성된 시멘트 클링커에 첨가한다.
제조공정
시멘트의 제조공정은 4개의 단계로 나누어진다. 첫단계는 원료를 분쇄·제분하고, 2단계는 원료를 알맞은 비율로 혼합하고, 3단계는 혼합된 재료를 회전가마에서 소성하고, 4단계는 시멘트 클링커로 알려진 소성된 혼합재를 시멘트의 응결시간을 조절하기 위해 넣는 5％의 석고와 함께 제분한다. 시멘트 제조법은 건식·반건식·습식으로 나누어지는데, 제조법의 구별은 원료가 젖어 있는 상태에서 제분하여 이장(泥漿)으로서 가마에 공급하느냐, 건조상태에서 제분하여 건조분말 상태로 공급하느냐, 또는 건조상태에서 제분한 후 습기 있게 만들어 가마에 공급하느냐에 따라 정해진다.
■ 1단계(원료의 분쇄 및 제분)
처음에 연질재료를 제외한 모든 원료가 최초로 분쇄되고(종종 2단계에서 행해짐) 회전하는 원통형 공 또는 강으로 만든 연마구가 들어 있는 튜브 밀(tube mill)이란 장치 안에서 제분된다. 제분방법은 제조법에 따라 건식 또는 습식으로 행해지나, 건식 제분에서는 원료를 최초에 원통형 회전 제분기에서 건조시킬 필요가 있다. 연질원료는 워시 밀(wash mill)이란 기계에서 물과 함께 강하게 휘저어져 고운 이장이 만들어진다. 그리고 이 이장은 체를 통해 조대(粗大)한 입자가 제거된다.
■ 2단계(혼합)
원하는 화학적 조성은 선택적 채석, 분쇄, 제분장치로 공급되는 원료의 제어로써 얻어진다. 건식법의 조성과 약간 다른 혼합원료를 저장하는 사일로와 습식법의 이장 탱크로부터 제분된 물질을 뽑아내면 좀더 좋은 조성제어가 얻어진다. 건식법에서는 압축공기에 의해 유도되는 교반과 강한 순환에 의해 원료의 완전한 혼합이 일어난다. 습식법에서 이장 탱크는 기계적 수단 또는 압축공기에 의해, 또는 이 2가지 수단에 의해 휘저어진다. 35~45％의 수분을 포함하고 있는 이장은 가끔 여과되어 수분함량이 20~30％로 줄어든다. 그리고 필터 케이크(filter cake)는 가마에 공급된다. 이렇게 하면 소성하는 데 필요한 연료소모를 줄일 수 있다.
■ 3단계(소성)
시멘트가 소성하는 데 사용된 최초의 가마는 병 모양 가마이고 후에 챔버(chamber) 가마, 그리고 후에 선가마가 등장했다. 선가마는 아직까지도 여러 나라에서 사용되는 현대적인 형태의 것이지만 지배적으로 많이 사용되고 있는 것은 회전가마이다. 습식법에서 사용되는 회전가마는 길이 200m, 직경 7m이고, 건식법의 경우 길이가 습식법보다 작다. 이 가마는 내화물질이 피복되어 있는 강제의 원통형 외판으로 만들어진다. 회전가마는 수평에서 약간 기울어진 축 위에서 느리게 회전한다. 공급되는 원료는 가마의 상층부 꼭대기에서 장입하여 기저부, 즉 시멘트가 소성되는 끝부분으로 천천히 내려간다. 소성에 필요한 연료로는 제분된 석탄, 기름, 또는 파이프를 통해 분사되는 천연 가스 등이 있다. 시멘트가 소성되는 가마의 기저부의 온도는 소성되는 원료에 따라 1,300~1,500℃에 이른다. 몇몇 형태의 열교환기가 가마 뒤쪽 끝에 장치되어 들어오는 원료로 열전달을 증가시켜 소비되는 가스에서의 열손실을 감소시킨다. 소성된 재료는 주입된 공기가 가열되면서 재료를 냉각시키는 냉각실을 통과한 클링커의 단괴 형상으로 가마에서 나온다. 반건식법에서 10~15％의 수분을 함유한 단괴 형태의 원료는 회전가마로 가기 전에 체인식 가동성 화상(火床)을 거친다. 가마에서 나오는 고온의 가스는 화상 위에서 단괴 형상의 원료에 흡수되어 예열작용을 한다. 가마에서 나오는 먼지는 상당히 문제가 되는데, 인구밀도가 높은 지역에서는 사이클론 집진기, 백필터(bag-filter) 장치, 전기집진기 등을 가마의 배출구와 굴 사이에 설치하는 것이 보통이며, 의무적으로 설치하기도 한다.
현대의 시멘트 공장은 소성공정의 제어를 위한 정교한 장치를 갖추고 있다. 몇몇 공장에서 원료는 자동적으로 품질검사가 되고 컴퓨터가 원료의 혼합비를 계산및 제어한다. 대형 가마는 하루에 3,000t의 시멘트를 생산할 수 있다. 클링커는 즉시 제분되어 나중에 사용하기 위해 저장한다.
■ 4단계(제분)
원료를 제분할 때 사용되는 것과 비슷한 수평 제분기에서 클링커와 원하는 양의 석고가 제분되어 고운 분말로 만들어진다. 그 재료는 직접 제분기를 지나가거나(개방회로 제분) 또는 입자가 거친 것이 있으면 후에 1번 더 제분하기 위해 거친 입자는 분리되어 제분기로 되돌아간다(폐회로 제분). 가끔 미분쇄를 돕는 첨가제를 원료에 첨가하는 경우도 있고, AE 시멘트(air-entraining cement)의 경우 공기연행제(空氣連行劑)를 첨가한다. 완성된 시멘트는 공기작용에 의해 저장창고로 옮겨진 후 종이자루에 포장되거나 운송을 위해 대형 용기에 저장된다.
화학성분 및 성질
■ 포틀랜드 시멘트
포틀랜드 시멘트는 규산이칼슘(2CaO·SiO2)·규산삼칼슘(3CaO·SiO2)·알루민산삼칼슘(3CaO·Al2O3)·알루미노아철산사칼슘(4CaO·Al2O3Fe2O3) 등의 4가지 주요성분으로 이루어져 있다. 이밖에 소량의 염기성 물질과 다른 원소와 함께 화합하지 않는 소량의 석회와 마그네슘이 존재한다. 보통 포틀랜드 시멘트, 중용열(中庸熱) 포틀랜드 시멘트, 조강 포틀랜드 시멘트, 저열 포틀랜드 시멘트, 내황산염(耐黃酸鹽) 포틀랜드 시멘트 등 5종류가 미국에서 표준화되어 있다. 한국에서는 공업규격에 따라 보통·중용열·조강 포틀랜드 시멘트 3가지로 분류되고 있다. 이밖에 특수한 형태의 여러 포틀랜드 시멘트가 사용되고 있다. 유색 시멘트는 5~10％의 적당한 안료를 흰색 또는 회색 포틀랜드 시멘트와 함께 제분하여 얻는다. AE 시멘트는 콘크리트 안에 미세한 기포를 생성하게 하는 약 0.05％의 유기약제를 첨가하여 만든다. 이런 방법은 냉동에 대한 저항성과 눈과 빙판을 녹이기 위해 뿌리는 소금과 염화칼슘에 대한 저항성을 증가시킨다. 그리고 거기에 공기연행제를 독립적인 성분으로 선택해서 첨가할 수 있다. 저염기성 시멘트는 총함유된 염기성 물질이 0.6％ 이하인 포틀랜드 시멘트로 무수규산 함유 골재를 사용하는 콘크리트에 쓰인다. 무수규산은 콘크리트를 파열시키는 팽창을 조장하는 성분이다. 메이슨리(masonry) 시멘트는 주로 모르타르에 사용되는데, 이는 포틀랜드 시멘트와 석회석 또는 다른 첨가제를 공기연행제 또는 방수제와 혼합하여 만든다. 방수 시멘트는 방수제가 첨가된 포트랜드 시멘트의 이름이다. 소수성(疎水性) 시멘트는 시멘트 클링커와, 악조건에서 저장할 때 품질이 떨어지는 속도를 줄이기 위해 넣는 올레산과 같은 필름 현상물질을 함께 제분함으로써 얻어진다. 유정(油井) 시멘트는 고온·고압의 조건하에 있는 유정의 굴착에서 시멘트 작업에 사용된다. 이 시멘트는 너무 빨리 응결하는 것을 방지하는 특수한 유기 완경제(緩硬劑)를 첨가한 포틀랜드 또는 포졸란 시멘트이다.
■ 슬래그 시멘트
선철을 만드는 용광로에서 나오는 부산물인 용융 슬래그를 급속 냉각시켜 얻는 분말상의 슬래그로 특수한 건축용 시멘트를 만들 수 있다. 포틀랜드 시멘트와 65％ 분말상 슬래그의 혼합물인 슬래그 시멘트의 이름은 영어권 국가에서는 포틀랜드 용광로(또는 슬래그) 시멘트로 알려져 있으며, 나라에 따라 이름과 조성도 서로 다르다. 이런 슬래그 시멘트의 특성은 여러 면에서 포틀랜드 시멘트와 비슷하지만, 슬래그 시멘트는 무수규산과 알루미나의 함량이 더 높아 화학약품에 대한 더 나은 내성을 갖는다.
슬래그를 포함하는 다른 종류의 시멘트는 10~15％의 강하게 소성된 석회 또는 무수석고(천연 무수황산칼슘)와 몇 ％의 포틀랜드 시멘트가 혼합된 분말상의 슬래그로 이루어진 고황산염 시멘트이다. 이것의 강도특성은 포틀랜드 시멘트와 유사하나, 더 나은 화학적 내성을 갖고 있다. 포졸란 시멘트는 포틀랜드 시멘트와 천연 또는 인공의 포졸란 물질의 혼합물로 이루어져 있다. 이 시멘트는 조기강도는 약하나 장기강도가 포틀랜드 시멘트와 비슷하며, 수화열이 작다.
■ 고알루미나 시멘트
고알루미나 시멘트는 반사로 나 전기로 또는 회전가마 속에서 1,500~1,600℃의 온도로 보크사이트와 석회암의 혼합물을 용융시켜 만들어지기도 하고 1,250℃에서 소결시켜 만들기도 한다. 적절한 보크사이트는 50~60％의 알루미나, 25％에 달하는 산화철, 5％ 이하의 무수규산, 30~40％의 수분으로 이루어져 있다. 석회암은 소량의 무수규산과 산화마그네슘만을 함유해야 한다. 이 시멘트는 35~40％의 석회, 40~50％의 알루미나, 15％에 달하는 산화철, 6％ 이하의 무수규산을 함유하고 있다. 시멘트 접합에 필요한 주요성분은 알루미늄산칼슘(CaO·Al2O3)이다. 이 시멘트는 24시간 내에 최대강도를 얻을 수 있으며 화학적 내성이 강하다.이 시멘트는 또한 노의 내화 콘크리트에 사용된다.
■ 팽창 및 무수축 시멘트
팽창 및 무수축(無收縮) 시멘트는 수화작용시 발생하는 작은 팽창이 금방 만들어진 콘크리트가 마르기 시작할 때 발생하는 작은 수축을 상쇄시킨다. 1945년경 프랑스에서 생산되었으나, 현재는 미국과 우크라이나에서 생산된다.
■ 기타 시멘트
석고 플래스터는 회반죽을 바를 때, 플래스터판과 슬래브의 제작, 바닥표면 재료에 사용된다. 이런 석고 시멘트는 천연석고(CaSO4·2H2O)를 가열하고 황산칼슘 반수화물(CaSO4·½H2O) 또는 무수황산칼슘을 생성시키기 위해 탈수시켜 만든다. 그 황산칼슘 반수화물은 물과 섞이면 몇 분 안에 응결되는데, 건축공사의 목적을 위해 보통 케라틴(keratin)·단백질 같은 반응지연제가 첨가된다. 무수황산칼슘은 더 늦게 응결되는데, 가끔 반응가속제를 첨가시킨다. 플라스틱 시멘트는 접합용 재료로 사용된다. 에폭시 수지 시멘트는 콘크리트 보수용 접합재로 구조재 사이에 사용되고 표면을 보호하기 위한 피복에도 사용된다. 폴리에스테르와 이밖의 여러 수지도 이런 비슷한 용도에 사용된다.
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