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포틀랜드 시멘트 화학(Chemistry of portland cement)

전문가 제언: □ 물로 반죽한 시멘트가 굳는 것은 시멘트 입자와 물이 반응하여 새로운 화합물을 만드는 것으로서 물에 젖은 점토가 건조하면서 굳는 것과는 다르다. 이를 수화반응이라 하고, 유동성이 없어지면서 응결하고 시간이 지나면 더욱 수화반응이 진행하여 경화한다.

□ 시멘트는 석회석, 점토 등의 원료를 혼합하여 분쇄한 원료혼합물을 소성하여 얻어진 클링커에 소량의 석고를 첨가하여 미분쇄하여 만들어 진다. 시멘트를 구성하고 있는 화학성분은 산화칼슘(CaO), 실리카(SiO2), 산화알루미늄(Al2O3) 및 산화제2철(Fe2O3)등이다. 시멘트가 제조될 때는 회전로에서 서로 반응하여 alite(C3S), belite(C2S), aluminate(C3A) 및 ferrite(C4AF)등과 같은 시멘트화합물로 된 클링커가 소성된다. 이들 화합물은 각기 성질이 달라 빨리 굳는 성질의 것, 수화열을 많이 발생하는 것 등이 있으며, 이 화합물의 양에 따라 시멘트의 굳는 성질도 달라진다. 이들 화합물의 성질을 이용하면, 여러 가지 특성을 갖는 시멘트, 빨리 굳는 시멘트, 열을 조금 내는 시멘트 등을 만들 수 있다.

○ 시멘트 수화반응속도는 시멘트 화합물에 따라 다르다. aluminate 및 alite는 수화가 빠르고 belite는 비교적 느리다. 특히 aluminate는 수화가 아주 빨라 물과 급격히 반응하여 그대로 굳어지므로 모르타르나 콘크리트로 사용할 수 없다. 이때 석고가 존재하면 수화반응이 적절히 조절되며 aluminat와 반응하여 ettringite를 형성한다.
- 시멘트가 완전히 수화하는데 시멘트 무게의 약 25%의 수분이 필요하고, 이 외에도 입자간의 겔(gel)수로 시멘트 무게 15%의 수분이 더 필요하다. 즉 40%의 물이 강도발현에 관여한다. 물의 양이 너무 많으면 미 반응하여 결합하지 않고 남는 물이 증발하여 그 자리에 기공이 생겨 강도저하, 수축, 균열 등의 원인이 되기도 한다. 반면에 물이 너무 적으면 유동성이 불량하여 반죽하기 힘들고 구조물의 구석구석까지 고른 콘크리트를 만들기 어렵다.
- 콘크리트를 배합할 때 중요한 요소가 위에서 말한 최적 물의 양이다. 보통 시멘트가 수화하는데 필요한 물의 양을 25~32%정도이나 작업성을 고려하여 좀 더 가한다. 일반적으로 물/시멘트비가 적을수록 강도가 크고 내구성이 좋아진다. 시멘트를 반죽할 때는 가능한 물을 적게 하고, 경화제를 양생할 때는 충분한 수분이 필요하다.

저자: Singh, N. B.; Chaturvedi, Shivani; Rai, Sarita
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