이번포스팅은 건축의 구조재료중 가장 대표적인 시멘트에 대하여 구조재료로서의 특징에 대해 서술한다.
- 시멘트의 역사
시멘트는 요업재료(세라믹 재료)의 일종인 콘크리트는 물.시멘트.모래.자갈.혼화제 등의 각종 성문으로 구성되고 압축강도나 시공성.내구성 등 콘크리트의 각종 성질은 시멘트의 종류나 시멘트 페이스트의 농도에 의해 크게 영향을 받는다.
이와 같은 콘크리트의 주요한 재료인 시멘트는 인류역사 초기부터 사용 되어 왔다. 초기의 시멘트는 석고나 석회질로 만들어진 수경성 시멘트, 화산재를 곱게 분쇄한 석회와 섞어 만든 수경성시멘트, 점토를 포함한 석회석을 소성하여 만든 로만시멘트 등의 천연시멘트를 고대시멘트라 부른다. 그리고 고대 이집트의 피라미드에는 소석고가 사용되었고, 기원전 2000년 경에는 기경성 석고가 사용되었다.
그러나 수경성 시멘트의 발명은 고대 로마 제국의 거대한 건축물에 사용된 천연 시멘트 즉 로만시멘트에서 비롯되었다고 한다. 이때의 고대 로마인들은 이 로만시멘트에 모래나 벽돌조각을 혼합한 모르터르나 콘크리트를 각종 건설공사에 사용하였다.
그후 18세기 까지의 2000년간은 결합재로서 소석회 혹은 화산재의 혼합물을 사용하였지만 시멘트의 역사에 주목할 만한 진전은 없었다.
석회에 점토를 넣어 소성하면 수경성 물질이 만들어지는 것을 발견한 것은 J.Smeaton(영국, 1756년)이며 ,현재 사용되고 있는 포틀랜드시멘트는 1824년 벽돌공 J.Aspdin(영국)에 의해 발명되었다. 이것은 경질의 석회석을 소성, 분쇄하여 소석회의 점토를 섞어 탄산가스가 완전히 없어 질 때까지 소성하여 분쇄한 것이며, 포틀랜드 섬에서 산출되는 석재와 비슷하다고 포틀랜드시멘트로 명명되었다.
이로부터 반세기가 지나지 않아 철근콘크리트가 탄생하게 되지만, 그 원리는 J.Monier(프랑스, 1867년)이 창시하고, 그 후 독일을 비롯한 유럽 각지에서 실용화되고 발전되어 왔으며, 우리나라에서는 일제 강점기에 일본 오노다 시멘트 회사에 의해 평양 부근에 1919년에 최초의 시멘트 공장이 가동되기 시작했다.
- 시멘트의 종류 및 제조
시멘트
시멘트는 넓은 의미로 물체를 접착하는 재료를 일컷는다. 석고,석회,포틀랜드시멘트,아스팔트등의 유기,무기질 결합재의 총칭이다. 그러나 최근 일반적 적의뢰는 콘크리트의 구성요소인 각종 수경성 시멘트를 의미한다. 현재 사용되고 있는 콘크리트용 수경성 시멘트는 원료,제법,성분에 의해 다양하게 분류되고있다. 전 시멘트 생산량의90%이상. 전포틀랜트시멘트의 97~98%를 보통포틀랜드시멘트가 차지한다.
시멘트의 제조
시멘트의 제조 공정을 보면, 원료조합 공정, 소성 공정, 마무리 공정의 3공정으로 분류할수 있다. 포틀랜드시멘트는 시멘트1,000kg에 대하여 석회석 1,200kg, 점토 250kg을 주원료로 하여 규석 30kg, 슬래그 20kg을 부원료로 첨가하여 제조된다.
원로배합공정에서는 이러한 주, 부 원료들은 원료분쇄기를 이용하여 미분쇄하여 균일하게 혼합한다. 소성 공정은 3~6%의 구배를 갓는 커다란 원통형 소성로인 로터리킬른에서 이루어진다. 킬른 내부로 유입된 배합원료는 1,400~1,500도 에서 가열되어 반 용융상태로 될 때까지 소성된다. 고열에서 굽는 과정 즉 소성과정을 거친 광물의 덩어리를 시메트"클링커"라고 하며, 시멘트의 소성용 연료는 석탄을 주로 사용한다.
마무리 공정에서 시멘트클링커에 3~6%의 석고를 응결시간 조절제로 첨가하여 미분쇄 하면 프틀랜드가 제조된다.
- 시멘트의 성분
시멘트 중에 포함된 각 성분은 소성 공정 과정에서 서로 화합하여 각종의 시멘트 조성광물을 형성한다. 포틀랜드시멘트에 물을 첨가하면 시멘트중의 조성광을은 각각 독립적으로 물과 반응한다. 즉 수화반응이 시작된다.
에이라이트(Alite): 수화반응이 비교적 빠르며 시멘트 조기강도(3~28일 강도)를 지배한다. 수화열도 크며 수축율은 보통이다.
벨라이트(Belite): 장기간에 걸쳐 강도가 증진되며 건조수축과 수화열이 적다. 주로 28일 이후의 강도를 지배한다.
세라이트(Celite): 수화반응은 빨리 일어나지만 강도에 거의 기여를 하지 않는다. 수화열과 수축율이 적고 내황산성이 크다.
알루민산삼석회 : 함류량은 적지만 수화속도가 가장 빠르고 응결 및 1일강도를 지배한다. 또한 수화열이 대단히 크고 수축율도 가장크다.
- 시멘트의 응결과 경화
시멘트에 물을 가하여 혼합하면 시멘트는 수화반응이 시작되며 시간이 경과함에 따라 점차 유동성을 잃고 서서히 경화되어 강도를 발현하게 된다. 이러한 수화의 과정에서 일반적으로 유체상태로부터 고체상대로 이행해 가는 물리적 현상을 응결 이라고 한다.
수화반응의 진행과 함께 토베모라이트(수화물)이 많아져 강도를 발현해가는 과정을 경화라 한다.
-수화는 물과 접촉함과 동시에 시작되며 물은 각각의 시멘트 입자를 둘러싼다.
-겔(Gel)피막이 시멘트 입자의 주위에 생성되고 부산물로서 수산화칼륨의 육각형 결정을 생성한다.
-마지막으로 침상의 섬유가 발달하여 미수화 시멘트 및 다른 구성성분들을 결합시켜 경화제를 형성한다.