포틀랜드 시멘트

포틀랜드 시멘트는 주로 석회질 원료와 점토질 원료를 적당한 비율로 혼합하여(성분을 조절하기 위하여 질 원료와 산화철 원료를 첨가하기도 한다) 미분쇄한다. 그런 후 그 일부가 용융할 때까지(약 1,450℃) 하여 얻어지는 클링커에, 조절제(凝結調節劑)로서 약간의 를 가하여 미분쇄하여 만든다.

제조방법에는 건식법(乾式法)·습식법(濕式法)·반건식법이 있다. 건식법은 원료를 건조상태에서 분쇄·혼합 소성하는 방법이며, 습식법은 원료에 35∼40%의 물을 가하여 분쇄·혼합·소성하는 방법이다. 습식법은 원료조합물에 함유된 많은 수분을 증발시키기 위하여 많은 열량이 필요하므로, 습식법에 의한 시멘트의 제조는 줄어들고 있다.

소성로는 선가마와 회전가마가 있는데, 회전가마가 많이 쓰인다. 회전가마는 보통 지름이 3∼5m, 길이가 50∼200m인 원통형 가마다. 이는 3∼5°의 경사를 이루고 천천히(1분에 1∼2회 정도) 회전한다. 원료는 위쪽에서 연속적으로 들어가고 아래쪽에서는 연료(기름 또는 )를 시킨다. 원료는 가마의 회전에 따라 아래쪽으로 이동하면서 점차로 소성되어, 아래쪽에서 클링커가 연속적으로 흘러나와 냉각기에서 급랭된다. 또 예열기를 설치하여 고온의 를 원료의 예열과 하소(煆燒)에 이용하여, 과 소성효율을 높이기도 한다.

이렇게 얻어진 클링커에 약 3%의 석고를 첨가하여 미분쇄(비표면적 2,800∼4,200㎠/g)하여 시멘트를 만든다. 시멘트 공장은 이 회전가마를 중심으로 원료관리에서 시멘트의 포장에 이르기까지, 제조관리와 를 자동화하여 합리적인 생산을 하고 있다.

〈화학성분 및 구성화합물〉 포틀랜드 시멘트의 주성분은 석회 CaO, 실리카 SiO₂, 알루미나 Al₂O₃ 및 산화철 Fe₂O₃ 등이다. 포틀랜드 시멘트 클링커의 구성화합물은 규산삼석회 3CaO·SiO₂, 규산이석회 2CaO·SiO₂, 알루민산삼석회 3CaO·Al₂O₃ 및 철(鐵)화합물 4CaO·Al₂O₃·Fe₂O₃이다. 3CaO·SiO₂를 주로 하고 약간의 Al₂O₃·MgO 등을 고용한 를 앨라이트(alite), 2CaO·SiO₂ 중 β형의 것을 주로 한 고용체를 벨라이트(belite)라 한다.

〈수화〉 포틀랜드 시멘트를 물로 반죽하면 얼마 후 유동성을 잃고 굳어지는데, 이 과정을 응결(setting)이라 한다. 그후 강도를 가지게 되는 과정을 경화라고 한다. 시멘트의 구성화합물 중 규산삼석회는 수화(水和)가 빠르며, 강도 발현도 좋아 조기강도에 기여한다. 규산이석회는 수화속도가 늦고, 장기에 걸쳐 강도를 증진시킨다. 알루민산삼석회는 다른 구성화합물보다 수화속도가 빨라, 물과 급격히 반응하여 굳는다. 이때 석고가 있으면 석고와의 반응으로 응결시간이 조절된다. 철화합물(4CaO·Al₂O₃·Fe₂O₃)은 알루민산삼석회보다 수화속도가 늦으며, 석고 존재시는 알루민산삼석회와 비슷한 반응을 한다.

시멘트의 구성화합물은 수화시 수화열을 발생한다. 수화열은 알루민산삼석회가 가장 크며, 규산삼석회가 그 다음이다. 따라서 조기강도를 요하는 조강(早强) 시멘트에는 규산삼석회의 양이 많은 것이 요구되며, 댐과 같은 대형 구조물에 쓰이는 시멘트에는 알루민산삼석회나 규산삼석회의 양이 제한된다.

〈종류〉 KSL 5201에는 포틀랜드 시멘트를 다음과 같이 분류하고 있다. ① 보통 포틀랜드 시멘트:가장 일반적으로 쓰이는 표준형 시멘트다. ② 중용열(中庸熱) 포틀랜드 시멘트:보통 포틀랜드 시멘트보다 수화 열량이 작은 것으로, 알루민산삼석회나 규산삼석회가 적고 규산이석회가 많다. 댐 등 대형공사에 쓰인다. ③ 조강 포틀랜드 시멘트:보통 포틀랜드 시멘트보다 규산삼석회가 많아 빨리 강도를 내며, 수화열도 크다. 긴급공사에 쓰인다.

이 밖에도 저열(低熱) 포틀랜드 시멘트, 내황산염(耐黃酸鹽) 포틀랜드 시멘트를 규정한 나라도 있다. 일반적으로 포틀랜드 시멘트는 회록색이다. 그런데 이것은 산화철 등에 의한 것으로, 백색의 시멘트를 만들 수 있다. 그것은 원료를 정선하여, 이들 성분이 적은 것을 사용하고, 특수공정으로 제조함으로써 가능하다. 그래서 이 시멘트를 백색(white) 포틀랜드 시멘트라 하며, 주로 미장용· 등에 쓰인다. 또 시멘트 클링커를 분쇄할 때 다른 물질을 혼합하여 시멘트를 만듦으로써, 포틀랜드 시멘트의 성질을 조절할 수 있다.

이와 같은 혼합 포틀랜드 시멘트에는 다음과 같은 것이 있다. ① 고로 시멘트:고로수쇄(高爐水碎) 를 포틀랜드 시멘트 클링커에 혼합한 시멘트(KSL 5210에는 25∼60% 혼합)로서 조기강도는 약간 떨어지나 장기강도는 크다. 또한 바닷물 등에 대한 저항, 동결(凍結) 작용에 대한 저항은 커서 해양구조물·지하공사 등에 좋다.

② 포졸란 시멘트(pozzolan cement):포틀랜드 시멘트 클링커에 화산재·규산백토(硅酸白土) 등의 활성 실리카질 물질을 혼합하여(KSL 5401에는 15∼40% 혼합) 분쇄한 시멘트다. 이것은 조기강도는 낮으나, 장기강도는 보통 포틀랜드 시멘트와 다름 없다. 수화열이 작고 수밀성의 를 얻을 수 있다. 미분탄재인 플라이애시(fly ash, KSL 5405)를 혼합한 시멘트를 플라이애시 시멘트라고도 한다. 이 밖에도 포틀랜드 시멘트의 결점인 수축성을 개선하기 위하여 팽창성 시멘트도 개발되었고, 백색 시멘트에 를 혼합하여 만든 착색 시멘트도 있다.