포틀랜드 시멘트

포틀랜드 시멘트(), OPC()는 주성분인 석회, 실리카, 알루미나 및 산화철을 함유하는 원료를 적당한 비율로 충분히 혼합하고, 그 일부가 용융하여 소결된 클링커에 석고를 첨가해 분말로 한 것이다.
오늘날 쓰이고 있는 보통 시멘트 형태이며, 전 세계적으로 콘크리트, 모르타르, 스투코와 그라우트 등의 기본 재료로 널리 쓰인다.
섬네일|400px|시멘트 운반 전용 알루미늄 사이로가 얹힌 화물 철도

 역사 
1824년 영국의 벽돌공 조지프 아습딘(Joseph Aspdin, 1779 ~ 1855)이 “인조석 제조법의 개량”으로 특허를 얻어 포틀랜드 시멘트란 이름을 붙인 것에서 유래하였다.
당시 건축용 석재로 쓰이던 영국 남단부의 포틀랜드섬의 석회석인 포틀랜드 석재(Portland stone)의 색이 회백색으로 비슷해서 포틀랜드 시멘트란 이름을 붙였다.

 특허 
이 특허는 석회석을 분쇄한 후 구워서 생석회로 만들어 일정한 비율로 점토를 섞고 물을 넣어 미분쇄하여 건조한 것을 다시 소성로에 넣어, 석회석 중의 탄산가스가 완전히 없어질 때까지 1450°C까지 소성하여 클링커로 만든 다음 미분쇄하여 시멘트를 만드는 공법이다.
이렇게 하면 과거의 석회 모르타르 또는 천연 시멘트보다 균질이면서 고강도를 발휘할 수 있어 널리 보급되었다.
그러나 아습딘의 특허 제품은 소성온도가 낮아 클링커의 품질이 좋지 못해서, 1845년 이삭 존슨(Issac Johnson)은 소성온도를 높게 유지하는 조건을 밝힘으로써 근대 포틀랜드 시멘트로 개량했다.

 변천 
초기에 생산되었던 포틀랜드 시멘트의 품질은 현대에까지 많은 변화가 있었다. 1840년에는 재령 28일 압축강도가 5 MPa 정도였으나, 1880년대 후반에는 화학성분의 관리와 입자의 미분말화에 따라 10 ~ 20 MPa 정도로 높아졌다.
그 후 1900년대에 들어 회전로에 소성하게 됨에 따라 25 ~ 30 MPa 정도로 높아졌으며, 1950년대에는 SP(suspension preheater), NSP(new suspension preheater)를 중심으로 폐회로분쇄에 따라 압축강도가 35 ~ 65 MPa로 크게 증진되었다.
섬네일|쌓여있는 25 kg 단위 포장 시멘트
 성분 
전형적인 포틀랜드 시멘트의 화학성분은 CaO 60 ~ 67 %, SiO2 17 ~ 25 %, AI2O3 3 ~ 8 %, Fe2O3 0.5 ~ 6 %, MgO 0.1 ~ 4.0 %, NaO+K2O 0.2 ~ 1.3 %, SO3 1 ~ 5 % 의 범위를 갖고 있으며, 에라이트(Alite), 벨라이트(Belite), 알루미네이트(Aliminate),알루미네이트는 실리케이트에 비해 빠른 수화반응을 한다. 알루미네이트의 수화반응 속도를 조절하기 위해 섞는 것이 석고이다. 석고가 용액 속에서 황산염 이온을 생성, 알루미네이트의 용해성을 떨어뜨리는 원리로 반응속도를 조절한다. 페라이트(Ferrite)의 클링커 광물로 이루어져 있고, 미량 성분으로 알칼리(알칼리 서페이트, NaSO4, K2SO4), 유리석회 등 몇 개의 다른 상이 있다.

지구에 있는 원소 구성으로 본 시멘트의 주성분(O2, Si, Al, Fe, Ca)은 약 91 %에 상당하고 미량성분(Na, K, Mg, H, S)까지 포함하면 약 99 %까지 늘어난다. 따라서 포틀랜드 시멘트는 지구에서 가장 풍부한 원소를 활용하여 제조되는 결합재이다. 한편 미량성분이라고 해서 중요치 않은 것이 아니다. 예컨대 미량 성분 중 하나인 산화나트륨, 산화칼슘은 알칼리염으로써 알칼리 골재 반응을 일으키는 원인이 되므로 주의깊게 살펴보아야 한다.

포틀랜드 시멘트의 주요 성분
 화합물  화학식  시멘트 산업에서 사용하는 약자  일반적인 중량 범위(%)  비고 규산 3석회  3CaO·SiO2  C3S  45-60  물과의 빠른 반응. 시멘트 페이스트의 종결 시간과 초기강도 발현에 영향 규산 2석회  2CaO·SiO2  C2S  15-30  많이 포함되면 콘크리트 극한강도 상승 알루민산 3석회  3CaO·Al2O3  C3A  6-12  물과의 빠른 반응, 많은 열 발생시킴. 철알루민산 4석회  4CaO·Al2O3·Fe2O3  C4AF  6-8 
C : 산화칼슘
S : 이산화규소
A : 산화알루미늄
F : 산화철

 종류 
 한국산업표준 
한국산업표준 KS L 5201 포틀랜드 시멘트의 종류
 구분  종류  비고 1 종  보통 포틀랜드 시멘트   2 종  중용열 포틀랜드 시멘트  3 종  조강 포틀랜드 시멘트  4 종  저열 포틀랜드 시멘트  5 종  내황산염 포틀랜드 시멘트 

 저알칼리형 포틀랜드 시멘트의 전 알칼리 함량 % = 0.6 이하
R2O = Na2O + 0.658 K2O
여기서,
R2O: 시멘트 중의 전 알칼리 질량 %
Na2O: 시멘트 중의 산화나트륨 질량 %
K2O: 시멘트 중의 산화칼륨 질량 %

 한국산업표준에 따라 40 kg 단위로 포장한다.

 ASTM 
미국의 ASTM 기준에 따르면 포틀랜드 시멘트는 다음과 같이 구분한다.
 종류  이름  비고 1종  보통  * 가장 많이 사용 2종  중용 내황산염  * 두 번째로 많이 사용.* 1종에 비해 황산염 저항성을 키우기 위해 C3A 함유량 낮춤 3종  조강  * 1종과 화학적 조성 비슷하나 3종이 비표면적이 훨씬 큼 4종  저열  * 수화속도 제한을 위해 C3S, C3A 함유량 제한 5종  고 내황산염  * 1종에 비해 황산염 저항성을 키우기 위해 C3A 함유량 낮춤

위 비고에 따라 종별 조성물 비율과 분말도를 살펴보면 다음과 같다. 붉은색 칠한 부분이 종별로 확인할 수 있는 특징적인 성분변화값이다.
 종류  최대 조성물 비율(%)  Blaine 분말도(m2/kg) C3S  C2S  C3A  C4AF 1종 보통  55  19  10  7  370 2종 중용 내황산염  51  24  6  11  370 3종 조강  56  19  10  7  540 4종 저열  28  49  4  12  380 5종 고 내황산염  38  43  4  9  380

 같이 보기 
 분말도

 내용주 

 각주 

 참고 문헌 


분류:시멘트
분류:건축재료
분류:건설재료학
분류:포틀랜드섬
분류:19세기 발명품