건설재료 및 실험

LN04: 시멘트(Cement) (2)

한경대학교 안전공학과 2012학년도 01학기

옥승용

강의일정 (Class Schedule) (1)

Week Topic Remarks

01 강의 소개

02 총론 • 제1장

03 시멘트 (1) • 제2장

04 시멘트 (2) • 제2장

05 혼화재료 • 제3장

06 골재 및 물 (1) • 제4장

07 골재 및 물 (2) • 제4장

08 중간고사

강의일정 (Class Schedule) (2)

Week Topic Remarks

09

재료실험

• 중간고사 문제풀이

• 비중시험, 체가름시험, 슬럼프시험, 압축강도 시험

10

콘크리트 배합설계 (1) • 제5장

11

콘크리트 배합설계 (2) • 제5장

12

콘크리트 (1) • 제5장

13

콘크리트 (2) • 제5장

14

콘크리트 (3) • 제5장

15

기말고사 • 실험결과보고서

포틀랜드 시멘트의 제조

 원료 및 제조방법



주성분인 석회(CaO), 실리카(SiO

)*, 알루미나(Al

O

)* 및 산화철(Fe

O

)을 함유 하는 원료를 적당한 비율로 충분히 혼합하여, 그 일부가 용융(융해)하여 소결된 클링커에 적당량의 석고를 가하여 분말로 한 것이다.

 다만, KS L 5210(고로 슬래그 시멘트)에서 규정한 슬래그나, KS L 5401(포틀랜드 포조란 시멘트)에서 규정한 포졸란, 또 는 KS L 5405(플라이 애시)에서 규정한 플라이 애시 및 기타 첨가제 등을 시멘트의 5% 이내에서 혼합 분쇄 또는 단독 분 쇄 후 혼합할 수 있다.

원 료 시멘트 1t 생산에

필요한 양 비 고

석회석 약 1130kg 일반적으로 CaCO₃(탄산칼슘)으로서 95%이상의 양질의 것

점토* 약 240kg 점토, 혈암, 이암, 점판암 등

규석 약 50kg 점토 중의 SiO₂(규산,이산화규소)이 부족할 때 보충하기 위해 첨가하는 연질규석, 가용성 백토 등 슬래그* 약 35kg 점토 중의 Fe₂O₃(산화철) 보충하기 위해 구리에서

얻음

석고 약 33kg 응결시간을 조절할 목적으로 첨가하는 것

포틀랜드 시멘트의 화학성분 및 조성

 포틀랜드 시멘트의 화학성분

성분 명칭 약어 무게비(%)

주성분 (석회석, 점토)

산화칼슘(CaO) 이산화규소(SiO₂) 산화알루미늄(Al₂O₃)

C S A

63 22 6

부성분

산화철(Fe₂O₃) 산화마그네슘(MgO)

삼산화황(SO₃)

F M

S

2.5 2.6 2.0

기타 불용해 성분

황화물 알칼리, 인의 화합물

- -

0.7 소량

포틀랜드 시멘트의 4대 조성광물

 4대 조성(組成)광물 ( 소성 → 화합물 형성, 주요 화합물: 4대 조성광물로 구성)

화학명 광물명 화학식 약호

규산3칼슘/규산 3석회(Tricalcium Silicate) Alite 3CaO·SiO₂ C₃S 규산2칼슘/규산 2석회(Tricalcium Silicate) Belite 2CaO·SiO₂ C₂S 알루민산 3석회(Tricalcium Aluminate) Aluminate 3CaO·Al₂O₃ C₃A 알루민산철 4석회(Tetra Calcium Aluminoferrite) Ferrite 4CaO·Al₂O₃·Fe₂O₃ C₄AF

주요 화합물

광물의 특성 함유비율(%)

조기 강도

장기

강도 수화열 화학 저항성

건조

수축 보통 조강 중용열

조성광물의 재령과 압축강도 관계

포틀랜드 시멘트(KS L 5201)

 종류



1종: 보통포틀랜드 시멘트 (ordinary portland cement)

• 가장 일반적



2 종: 중용열포틀랜드 시멘트 ( moderate heat portland cement)

• 수화열이 작음

• 댐 등 massive 콘크리트, 도로포장, 지하구조물의 콘크리트, 원자로의 차폐용 콘크리트



3 종: 조강포틀랜드 시멘트 ( early strength portland cement)

• 강도 발현이 빠름 (조강시멘트 강도_{7일 재령} ≈ 보통시멘트 강도_{28일 재령})

• 긴급 복구 공사, 공기를 급히 서두르는 공사, 한중(寒中)공사, 수중공사



4 종: 저열포틀랜드 시멘트 ( low heat portland cement)

• 수화열이 가장 작음

• 댐 등 massive concrete, 지하구조물의 콘크리트 구조물



5 종: 내황산염포틀랜드 시멘트 ( sulfate resisting portland cement)

• 화학적 또는 환경적 작용에 대한 저항성이 큼

• 해양환경 또는 화학적 작용을 받는 콘크리트 구조물에 유리

포틀랜드 시멘트

 1종 보통 포틀랜드 시멘트 (ordinary portland cement)

 특성: 가장 많이 쓰이는 보편화된 시멘트로서 우리나라 전체 생산량의 90%

 용도: 범용성 시멘트, 일반 콘크리트 공사, 건축 및 토목 공사

포틀랜드 시멘트

 2종: 중용열 포틀랜드 시멘트 (moderate heat portland cement)

 특성:

• 수화열을 낮추기 위하여 화학조성 중 C₃A(알루민산삼석회)의 양을 적게하고 대신 장기강도를 발현 하기 위하여 C₂S(규산2석회)의 양을 많게 한 시멘트

• 건조수축이 작음

• 화학적 저항성 및 내산성이 우수

 용도: 댐, 터널, 도로포장 등 단면이 큰(massive) 콘크리트구조물, 방사선차폐용

주요 화합물

광물의 특성 함유비율(%)

조기 강도

장기

강도 수화열 화학 저항성

건조

수축 보통 조강 중용열

포틀랜드 시멘트

 3종: 조강포틀랜드 시멘트 (early strength portland cement)

 특성: 조기(7일)에 (28일)강도를 발현시키는 시멘트

• 조기강도를 발현하기 위하여 분말도를 증가시킴

• 양생 기간 및 공사기간의 단축

• 수화열이 크므로 단면이 큰 콘크리트 구조물에는 부적합(균열)

 용도: 동절기(寒中)공사, 긴급공사, 콘크리트 2차 제품(생산성 향상), 프리스트레스트 콘크리트 (PSC; prestressed concrete), 수중공사

주요 화합물

광물의 특성 함유비율(%)

조기

강도 장기

강도 수화열 화학

저항성 건조

수축 보통 조강 중용열

포틀랜드 시멘트

 4종: 저열 포틀랜드 시멘트 (low heat portland cement)

 특성:

• 댐과 같은 매스콘크리트 구조물에서 시멘트의 수화열에 의한 균열 발생을 최소화

• 중용열 포틀랜드 시멘트보다 수화열을 5~10% 적게 한 시멘트

• C₃S=최대 35% 이하 C₃A=최대 7% 이하, C₂S=최소 4% 이상

 용도: 중용열 시멘트와 유사

주요 화합물

광물의 특성 함유비율(%)

조기 강도

장기

강도 수화열 화학 저항성

건조

수축 보통 조강 중용열

포틀랜드 시멘트

 5종: 내황산염 포틀랜드 시멘트 (sulfate resisting portland cement)

 특성:

• 토양 중의 황산염이나 해수 및 공장폐수 중의 황산염에 대한 화학적 저항성을 높이기 위해 C₃A(알 루민산삼석회)의 함유량을 줄이고 C₄AF(알루민산철4석회)의 함유량을 증가시킨 시멘트

 용도: 해양구조물, 화학적 작용을 받는 구조물, 원자력발전소, 하수시설, 배수시설, 황산염 을 많이 함유한 토양지하수에 닿는 곳의 콘크리트공사용, 터널수로 라이닝(lining) 등

주요 화합물

광물의 특성 함유비율(%)

조기 강도

장기

강도 수화열 화학 저항성

건조

수축 보통 조강 중용열

시멘트의 일반적 성질

 수화 (hydration)

 시멘트가 물과 만나면 발생하는 화학반응으로 서 수화물(hydrate)*이 발생함

 *수화물(hydrate): 물 분자와 결합하여 결정수 를 가지는 화합물

 응결 (setting)

 시멘트풀(=시멘트+물)이 시간이 경과함에 따 라 수화에 의하여 유동성과 점성을 상실하고 고화*하는 현상 (*고화: 고체화)

 우리나라 산업규격은 응결의 시작과 끝을 1시 간 이후와 10시간 이내로 규정하고 있음

 경화 (hardening)

 응결이 끝난 시멘트의 경화체가 시간이 지날수 록 겔(gel)*의 생성이 증대하여 시멘트 입자사 이가 치밀하게 채워지는 과정 (*겔: 용액이 유 동성을 잃고 약간의 탄성을 지니고 굳어진 것)

포틀랜드 시멘트의 응결·경화 모식도 물 시멘트

시멘트의 일반적 성질

 수화열 (heat of hydration)

 수화물이 응결·경화하는 과정에서 발생하는 열

 콘크리트 내부 온도를 상승시키므로, 한중(寒中)콘크리트 공사에는 유익함

 댐과 같이 단면이 큰 콘크리트 구조물에서는 온도가 크게 상승하여 초기 경화가 끝난 후 냉각하게 되면 내외의 온도차에 의하여 균열발생의 원인이 됨

재령

시멘트 종류 7일 28일 91일 보통포틀랜드시멘트 70~80 70~80 70~80 중용열포틀랜드시멘트 55~65 70~80 75~85 조강포틀랜드시멘트 75~85 90~100 95~105

고로시멘트(B종) 55~70 75~85 80~90 플라이애시시멘트(B종) 55~65 70~60 75~85 수화열 (cal/g)

시멘트의 일반적 성질

 풍화 (aeration)

 시멘트가 저장 중에 공기와 접촉하여 공기 중의 수분 및 이산화탄소를 흡수함으로써 발생 하는 가벼운 수화반응

 시멘트+수분: CaO + H₂O → Ca(OH) ₂ (수산화칼슘)

 수산화칼슘+이산화탄소: Ca(OH) ₂ + CO₂ → CaCO₃ + H₂O (탄산화)

 이상 응결(응결 지연)의 원인 및 강도 발현의 저하

 고온다습한 경우에는 급속히 진행되므로, 시멘트 저장을 위해서는 방습 및 공기의 유통 방 지가 요구됨. 또한, 장기 저장한 시멘트는 사용 전 품질시험이 필요함 (강열감량* 3% 이하) 시멘트

상태 강열감량*

(%)

재령 3일 재령 7일 재령 28일

휨강도비 압축강도비 휨강도비 압축강도비 휨강도비 압축강도비

풍화1 1.41 83 98 98 92 93 97

풍화2 2.16 80 90 83 80 89 88

풍화3 3.16 68 68 70 70 72 65

풍화4 4.16 61 58 61 58 67 61

시멘트의 일반적 성질

 수축 (shrinkage)

 수분 증발에 의한 건조수축: 균열을 발생시키는 주요 원인

• 수분 증발에 의하여 체적 감소로 인하여 인장응력이 발생

 수축속도가 빠를수록 균열이 발생하기 쉽다.

 조강성 콘크리트(3종)에서 균열이 발생하기 쉽다.

 대책

 단위수량이 적은 배합

 충분한 양생(장기간에 걸쳐 서서히 건조)

 팽창시멘트 사용

 적당한 간격으로 줄눈 설치

 철근을 조밀하게 배치하여 균열 분산

시멘트의 일반적 성질

 비중 (specific gravity) (=

 시멘트의 품질이 나빠질 경우 비중은 감소함(KS 규격: 3.05 이상으로 규정하고 있음)

• 클링커의 소성이 불충분할 때

• 혼합물이 섞였을 때

• 시멘트가 풍화되었을 때

• 저장기간이 길었을 때

 일반적으로 SiO₂(실리카), Fe₂O₃(산화철) 가 많으면 비중이 크고, CaO(석회), Al₂O₃(알루미 나) 가 많으면 비중이 작다. 그러므로 비중은 이들 성질을 판정하는데 큰 역할을 하며, 콘 크리트의 배합 및 단위질량 계산 등에 필요하다.

시멘트의 종류 범위 평균 규정값

보통포틀랜드시멘트 3.10~3.18 3.15 3.05이상 조강포틀랜드시멘트 3.10~3.15 3.12 3.05이상 중용열포틀랜드시멘트 3.18~3.23 3.20 3.05이상

시멘트의 일반적 성질

 분말도 (fineness)

 시멘트 입자의 크기 정도를 분말도 또는 비표면적으로 나타내며 시멘트의 입자가 미세할 수록 분말도가 크다.

 시멘트의 성분이 일정할 경우, 분말이 미세할수록 다음과 같은 성질이 있다.

• 물과 혼합시 접촉 표면적이 커서 수화작용이 빠르다.

• 초기강도가 크게 되며 강도증진율이 높다.

• 블리딩(bleeding)이 적고 워커블(workable)한 콘크리트가 얻어진다.

• 색이 밝게 되며 비중도 가벼워진다.

• 풍화하기 쉽고 건조수축이 커져서 균열이 발생하기 쉽다.

 시험방법 : 공기투과장치에 의한 시험 방법

• 블레인(blaine)의 공기 투과 장치에 의하여 공기가 시료를 통과하는 시간을 계산하여 포틀랜드 시멘 트 1g이 가지고 있는 전체 입자의 총 표면적(cm²/g) 을 구한다. (KS L 5106)

 시멘트의 안정성(soundness)

 시멘트가 경화 중에 체적이 팽창하여 팽창균열이나 휨 등이 생기는 정도

시멘트의 일반적 성질

 시멘트 강도 (strength) 발현곡선

 시멘트의 조성(요소들의 구성비율/성분비)

 물-시멘트 비

 재령 및 양생조건

 KS L 5105 압축강도 시험방법

 KS L 5104 인장강도 시험방법

시멘트 압축강도(MPa)

1일 3일 7일 28일

보통 - 13.0 이상 20.0 이상 29.0 이상 중용열 - 11.0 이상 18.0 이상 28.5 이상 조강 13.0 이상 25.0 이상 28.0 이상 31.0 이상 저열 - - 7.5 이상 18.0 이상 내황산 - 9.0 이상 16.0 이상 21.0 이상 백색 - 13.0 이상 20.0 이상 29.0 이상

혼합 시멘트 (Blended Cement)

 고로슬래그* 시멘트 (slag cement) (KS L 5210)

 정의: ① 1종 보통포틀랜드 시멘트+고로슬래그 미분말 혼합, ② 클링커와 슬래그 혼합분쇄, ③ 슬래그 단독분쇄 후 혼합

 특성:

• 고로슬래그는 잠재적 수경성*을 띔

• 내화학약품성이 우수

: 해수, 공장폐수, 하수 등에 접하는 콘크리트에 용이

• 수하열이 낮음(표 참조)

• 장기강도가 좋음(그림 참조)

• 콘크리트의 블리딩이 적음

• 분말도가 높아 작업성 및 시공성이 좋음

• 건조수축이 다소 큼

 용도: 댐, 하천, 항만 등의 토목공사, 하수시설구조물, 고온로 및 굴뚝 등의 내열성 구조물, 화학공장 시설물

Note. *슬래그(고로광재): 각종 광석으로부터 금속을 채취할 때의 잔재 *수경성: 물에 반응하여 경화하는 성질

재령

시멘트 종류 7일 28일 91일 보통포틀랜드시멘트 70~80 70~80 70~80 중용열포틀랜드시멘트 55~65 70~80 75~85 조강포틀랜드시멘트 75~85 90~100 95~105

고로시멘트(B종) 55~70 75~85 80~90 플라이애시시멘트(B종) 55~65 70~60 75~85 수화열 (cal/g)

혼합 시멘트 (Blended Cement)

 고로슬래그* 시멘트 (slag cement) (KS L 5210)

 정의: ① 1종 보통포틀랜드 시멘트+고로슬래그 미분말 혼합, ② 클링커와 슬래그 혼합분쇄, ③ 슬래그 단독분쇄 후 혼합

 특성:

• 고로슬래그는 잠재적 수경성*을 띔

• 내화학약품성이 우수

: 해수, 공장폐수, 하수 등에 접하는 콘크리트에 용이

• 수하열이 낮음(표 참조)

• 장기강도가 좋음(그림 참조)

• 콘크리트의 블리딩이 적음

• 분말도가 높아 작업성 및 시공성이 좋음

• 건조수축이 다소 큼

 용도: 댐, 하천, 항만 등의 토목공사, 하수시설구조물, 고온로 및 굴뚝 등의 내열성 구조물, 화학공장 시설물

Note. *슬래그(고로광재): 각종 광석으로부터 금속을 채취할 때의 잔재 *수경성: 물에 반응하여 경화하는 성질

혼합 시멘트 (Blended Cement)

 실리카* 시멘트 (silica cement) (포틀랜드 포조란 시멘트; KS L 5401)

 정의: 포졸란을 포틀랜드시멘트 클링커에 혼합하고 적당량 석고를 가미하여 만든 시멘트

 특성:

• 포졸란반응(pozzolanic reaction)으로 인하여 시멘트의 성질이 개선

• 콘크리트의 워커빌리티* 증가 및 블리딩* 감소

• 장기강도 증진

• 수밀성 및 내구성 우수

• 내화학성 우수

 용도: 토목 및 건축 공사의 구조용 시멘트, 도장모르타르용 등

Note. *포졸란반응: 실리카 시멘트의 가용성 SiO₂ 등이 수화 시 생기는 Ca(OH)₂과 결합하여 불용성규산칼슘 수화물을 생성하는 반응

*워커빌리티(workability): 반죽질기 여하에 따른 작업의 난이도 및 재료분리에 저항하는 정도를 나타내 는 굳지 않은 콘크리트의 성질

*블리딩(bleeding): 콘크리트 타설 후 입자의 침하로 인한 물의 분리 상승 현상(재료분리현상의 일종).

강도, 수밀성, 내구성 저하

혼합 시멘트 (Blended Cement)

 플라이애시* 시멘트 (flyash cement) (KS L 5211)

 정의: 플라이애시를 포틀랜드시멘트 클링커에 혼합하여 분쇄한 시멘트

 특성:

• 콘크리트의 워커빌리티* 증가

• 감수효과 (단위수량을 감소시킬 수 있음)

• 수밀성 및 해수에 대한 내화학성 우수 (수리 구조물에 적합)

• 수화열 및 건조수축 적음

 용도: 항만공사, 댐공사 등

 Note. *플라이애시(flyash): 화력발전소의 석탄 연소 후 얻어지는 잔재 미분말

 착색 시멘트 (color cement)

 특성: 포틀랜드 시멘트에 여러 가지 색깔을 착색할 목적으로 만든 시멘트

 용도: 테라조(terrazzo; 바닥재), 타일, 블록 등의 제품 또는 건축물의 내·외벽 등

특수 시멘트 (Blended Cement)*

 내화물(耐火物)용 알루미나 시멘트 (aluminous cement) (KS L 5205)

 정의: 보크사이트에 거의 같은 양의 석회석을 혼합하여 전기로 또는 회전로에서 용융·소 성하여 급냉시켜 분쇄한 시멘트

 특성

• 포틀랜드시멘트의 주성분이 실리카인 것에 반하여, 알루미나시멘트는 주성분이 알루미나임.

• 초조강성이고 발열량이 큼

• 산, 염류, 해수 등에 대한 화학적 침식에 대한 저항성 우수

• 내화성 우수 (내화물용으로 쓰임)

• 물−시멘트 비가 크면 강도저하가 크므로 물−시멘트 비를 40% 이하로 유지

• 포틀랜드 시멘트에 알루미나 시멘트를 혼합하거나 알루미나 시멘트에 포틀랜드 시멘트를 혼합 (20% 이하)하여 사용하면 순결성을 일으켜 시공불능이 되므로 주의를 요한다.

 용도

• 긴급을 요하는 공사, 한중 공사, 해안공사

Note. *특수시멘트는 시멘트의 제조방법과 화학조성 등이 포틀랜드 시멘트와 매우 다르며 특수목적을

특수 시멘트 (Blended Cement)

 초속경 시멘트 (regulated set cement)

 일명 제트 시멘트(jet cement)라고 불림

 특성

• 2~3시간 만에 실용 강도 발현 가능

• 저온에서 강도발현 우수

 용도: 도로 및 교량 긴급 보수, 기계설비 기초공사, 한중 고사, 폐기물 고화 처리용, 콘크리트 2차 제품 제조

 초조강 시멘트

 특성

• 1일 만에 보통 시멘트의 7일 강도 발현

• 조기 및 장기강도 우수

• 수밀성 및 내구성 우수

 용도: 도로 및 활주로 긴급보수, 토목공사 공기단축, 암반 및 연약지반

그라우팅, 한중 공사

특수 시멘트 (Blended Cement)

 박리팽창질석을 사용한 단열시멘트 (KS L 5216)

 팽창된 질석과 시멘트에 적절한 양의 물을 가하고 가소성(plastic) 물질로 하여 시공하고,그 대로 자연 건조시켜 표면의 온도가 38∼982℃ 범위인 곳에 단열재로 사용

 팽창성 수경시멘트(KS L 5217)

 콘크리트의 큰 결점의 하나인 수축성을 개선하기 위하여 수화시에 계획적으로 팽창성을 갖도록 한 시멘트로서 보크사이트, 석회석, 석고의 혼합물을 소성한 칼슘 클링커는 팽창성이 있어, 이것을 분쇄하여 포틀랜드 시멘트에 혼합한 시멘트.

 메이슨리 시멘트(KS L 5219)

 미장, 조적용으로 사용하는 수경성 시멘트

 백색 포틀랜드 시멘트(White portland cement) (KS L 5204)

 보통 포틀랜드 시멘트가 회색을 나타내는 것은 산화철을 함유하고 있기 때문이며 원료인 점토중의 산화철을 제거하거나 또는 백색점토를 사용하여 제조. 주로 장식용.