포틀랜드 시멘트

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

시멘트 운반 전용 알루미늄 사이로가 얹힌 화물 철도

역사

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 포틀랜드섬의 석회석인 포틀랜드 석재(Portland stone)의 색이 회백색으로 비슷해서 포틀랜드 시멘트란 이름을 붙였다.^[4][5]

특허

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 °C까지 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 밝힘으로써 근대 포틀랜드 시멘트로 개량했다.^[6]

변천

초기에 생산되었던 포틀랜드 시멘트의 품질은 현대에까지 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

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, 산화칼슘은 알칼리염으로써 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 : 산화칼슘

S : 이산화규소

A : 산화알루미늄

F : 산화철

종류

한국산업표준

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 %

• 한국산업표준에 따라 40 kg 단위로 포장한다.

ASTM

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

• 분말도

내용주

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.