시멘트의 종류와 특성

1. 시멘트 정의와 종류
시멘트는 물 또는 수용액과 혼합할 때 반응하여 경화하는 무기질재료로 정의되며, 그 종류는 ① 소석회, 마그네시아 시멘트, 석고 등의 기경성 시멘트, ② 포틀랜드 시멘트, 혼합시멘트, 알루미나시멘트, 초속경시멘트 등의 수경성 시멘트로 분류된다.     기경성시멘트는 내수성이 없으며, 적용장소가 한정되어 있다. 토목, 건축재료로서 일반적으로 사용되고 있는 것은 수경성 시멘트이다. 

기경성 시멘트	- 소석회 - 석고 - 마그네시아 시멘트
수경성 시멘트	- 포틀랜드 시멘트	보통포틀랜드 시멘트 중용열 포틀랜드 시멘트 조강 포틀랜드 시멘트 초조강 포틀랜드 시멘트 내황산염 포틀랜드 시멘트
	- 포틀랜드계 시멘트	백색 포틀랜드 시멘트 유정시멘트 콜로이드 시멘트
	- 혼합시멘트	고로 시멘트 Fly-ash 시멘트 Silica 시멘트 초저발열 시멘트 지열정 시멘트 RCCP 용 시멘트
	- 기타	알루미나 시멘트 초속경 시멘트 GRC 용 저알카리 시멘트

 

2. 포틀랜드 시멘트의 종류와 특징
일본에서 제조되고 있는 포틀랜드시멘트는 JIS R 5210 포틀랜드시멘트에 규정되어 있는 5종류와 백색 포틀랜드시멘트 및 유정 시멘트이다. 또한 JIS R 5210에는 각각의 포틀랜드시멘트에 전알카리량이 0.6% 이하인 저알카리형 포틀랜드시멘트가 규정되어 있으며, 알카리 골재반응 방지를 목적으로 사용되고 있다.
포틀랜드시멘트는 알라이트라고 부르는 3CaO·SiO2 (C3S) 계 화합물, 벨라이트라고 부르는 2CaO·SiO2 (C2S) 계 화합물, 3CaO·Al2O3 (C3A) 계 화합물, 4CaO·Al2O3·Fe2O3 (C4AF) 계 화합물 및 석고 (CaSO4·2H2O) 의 5종류의 광물을 기본조성으로 하며, 그 구성분율과 분말도를 조절함으로써 각각의 특징을 부여하고 있다.

 

2-1. 보통 포틀랜드 시멘트
콘크리트 공사용으로서 넓게 사용하고 있는 시멘트이며, 만능시멘트라고도 불리우는 시멘트이다. 일본에서 사용하는 전체 시멘트의 약 80%가 보통 포틀랜드 시멘트이다. 또한 뒤에 설명하는 혼합시멘트용의 모체 시멘트로도 사용하고 있다.
전형적인 강물조성으로서 C3S 51%, C2S 25%, C3A 9%, C4AF 9%, CaSO4 4% 정도이며, 비표면적은 3,300cm2/g 전후이다.

2-2. 조강 포틀랜드 시멘트
보통 포틀랜드시멘트의 재령 3일 압축강도를 1일에 발현하는 조강형의 시멘트이다. C3S 함유율을 65% 부근까지 높이고, 브레인 비표면적 4,000-4,600cm2/g까지 미분화하여, 초기 강도를 높인다.

2-3. 초조강 포틀랜드 시멘트
보통 포틀랜드시멘트의 재령 7일 압축강도를 1일에 발현하는 시멘트이다. 수화반응이 급격하게 진행하고, 발열속도가 매우 크기 때문에, 한중 콘크리트에는 적합한 것이지만, 일반 콘크리트 공사에서는 온도균열에 주의할 필요가 있다. C3S 함유율을 약 70%까지 높이고, 브레인 비표면적이 약 6,000 cm2/g 까지 미분화시킨 것이다.

2-4. 중용열 포틀랜드 시멘트
초기 수화과정의 발열속도를 작게 하기 위해서 수화반응 속도와 반응열이 큰 C3A 함유율과 수화 반응속도가 큰 C3S 함유율을 낮추어서, C3A 4%, C3S 45% 전후로 한 시멘트이다.
강도발현 속도는 작지만 ① 1년 이상의 장기강도는 다른 포틀랜드 시멘트보다 높으며, ②치밀한 경화체 조직을 얻을 수 있으며, ③ 화학저항성이 강한 특징을 갖고 있다.

2-5. 내황산염 포틀랜드 시멘트
포틀랜드시멘트 경화체가 황산염 (SO42-)의 공격을 받으면, 에트링자이트3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O, C3A·3CS·H32)가 생성되어 시멘트 경화체가 팽창함으로써, 결과는 popout와 반대로, 구조체의 변형, 강도저하가 일어난다. 내황산염 포틀랜드 시멘트는 황산염 침입에 대한 저항성을 높이기 위해서 C3A 함유율을 4% 이하로 한 것으로서, ① 내황산염성 이외에, ② 감수제 등 계면활성제의 효력의 발휘가 우수하며, ③ 보통 포틀랜드 시멘트 보다 수화열이 약 10 kcal/kg 정도 낮은 특징등을 갖고 있다.

2-6. 백색 포틀랜드 시멘트
염화물 중의 착색성분을 상당히 낮게 함으로써 기본적으로 SiO2, Al2O3, CaO에서 얻어지
는 백색시멘트이며, 안료를 혼합하면 칼라 시멘트가 얻어진다.

 

3. 혼합시멘트의 종류와 특징

3-1. 고로시멘트
고로시멘트는 포틀랜드시멘트에 고로수쇄 슬래그를 배합한 것으로서, ① 단기재령에서의 강도발현성은 작지만, 3개월 이상의 장기에서의 강도발현성은 보통 포틀랜드 시멘트를 상회한다. ② 내해수성, 화학저항성에 우수하며, ③ 알카리 골재반응이 일어나지 않는 등의 특징을 가지고 있다. 이것들의 성질은 고로수쇄 슬래그가 포틀랜드시멘트의 수화반응에서 생성한 수산화칼슘의 자극에 의해 서서히 수화반응하여, 경화체 중의 수산화 칼슘량을 감소함으로써, 치밀한 경화체 조직을 형성하기 때문이다.
품질은 고로슬래그 성질의 영향을 크게 받으며, 시멘트 혼화용에 적합한 슬래그를 선택하는 일이 중요하다. 또한 고로시멘트를 사용한 콘크리트에서는 경화과정에서의 양생에 보다 주의하여야 할 필요가 있다.

3-2. Fly-ash 시멘트
Fly ash 시멘트는 포틀랜드시멘트에 fly-ash를 혼합한 것으로서, ① 콘크리트에 사용하는 경우 단위수량이 작아지게 되며, ② 건조수축이 작고, ③ 수화열이 작으며, ④ 장기강도가 크고, ⑤ 알카리 골재반응이 일어나지 않는 등의 특징을 갖고 있다.
Fly ash는 미분말 연소회로서 구상의 유리질 (mullite 등의 광물을 소량 포함) 물질이다. 단위수량과 건조수축률의 특징은 fly ash 형태의 ball bearing 효과와 관련되어 있으며, 수화열, 장기강도 및 알카리 골재반응에 관한 특징은 포틀랜드시멘트에서 방출된 수산화칼슘과 서서히 반응하는 것과 관련이 있다.

4. 알루민산 칼슘계 시멘트
포틀랜드시멘트는 알라이트, 벨라이트의 수화에 의한 규산칼슘 수화물 (C-S-H)의 생성반응을 이용한 시멘트이다. 이것에 대해 알루민 (칼슘 알루미네이트 설포네이트) 산 칼슘계 수화물의 생성을 이용한 시멘트로서 아래와 같다.

4-1. 알루미나 시멘트
주로 CaO·Al2O3 와 CaO-Al2O3 계의 유리질로 이루어진 시멘트로서, 주로 내화물 케스타블 혼홥재로서 사용된다. 또한 포틀랜드 시멘트와 비교하여 강도 발현속도가 크기 때문에 긴급 공사용으로 사용도 하지만, 재령과 온도조건에 따라 수화생성물이 변화 (confusion)되어 강도열화되는 것에 주의를 요한다.

4-2. 초속경성 시멘트
11CaO·7Al2O3·CaF2 를 주성분으로 하며, 2-3시간에 실용강도가 얻어지는 시멘트이다.

4-3. Awin계 시멘트
Awin (칼슘 알루미네이트 설포네이트, 3CaO·Al2O3·CaSO4) 를 주성분으로 하는 시멘트는 주로 에트링자이트 (C3A·3CS·H32)를 생성하며, 저알카리형 (Ph 10 이하)이기 때문에, 유기 물질 연약토의 지반개량재와 유리질 섬유보강 시멘트제품 (GRC)에 사용된다.

4-4 Alumin 산 칼슘계 혼화제
포틀랜드 시멘트에 첨가하여 급결성 또는 팽창성을 부여하는 혼화제로서 ① 비정질 알루민산 칼슘, ② 알루미나 시멘트, ③ Awin 및 이것들에 석고를 조합한 것이 사용되고 있다.

 

5. 결 론 
종래에는 건설재료 분야에서는 시멘트라는 것은 보통 포틀랜드시멘트를 의미한다 하여도 과언이 아니었지만, 최근에는 새로운 기능을 가진 시멘트가 차례로 연구 개발되어 실용화되고 있다. 즉 고강도용 시멘트로서 DSP 재료 (Densified System Containing Homogeneously Arranged Ultra-Fine Particles), 포틀랜드시멘트-고로슬래그-fly ash 계와 very short 계 시멘트- 고로슬래그 등의 초저발열시멘트, 지반주입용의 초미분 시멘트인 colloid 시멘트, 롤러 전압콘크리트 포장(RCCP)용 시멘트 등이다. 
또한 Roy 등에 의해서, 화학결합 세라믹스라는 새로운 개념이 제안되어, 시멘트 화학의 대상분야는 수화반응에서 산-염기의 중화반응으로, 규산염과 알루민산염에서 인산염과 유해 폴리머 결합의 이용으로, 확장되고 있으며, 시멘트 사용대상 분야는 건설재료에서 엔지니어링 콘크리트로 넓혀지고 있다. 
이와 같이 시멘트에 대한 개념도 변화가 되었으며, 앞으로 새로운 성능, 기능을 가진 시멘트가 출현될 것으로 사료된다.

 

cement_14.pdf

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출처 : 삼표시멘트