시멘트의 화학적 성질
1. 화학성분
시멘트를 구성하는 3대 주성분은 석회석 원료에서 만들어진 산화칼슘(CaO)과 점토 원료에서 만들어진 실리카(SiO2) 및 산화알루미늄(Al2O3)이고, 그 밖에 소량의 산화철(Fe2O3), 마그네시아(MgO), 아황산(SO3), 알칼리(K2O+Na2O) 등이 포함되어 있다.
2. 화합물 조성
시멘트 중에는 위에서 설명한 각 성분들이 상호 결합하여 복잡한 화합물로 존재하고 있는데, 일정한 구성 비율을 갖는 화합물을 조성화합물이라고 한다.
3. 수화반응
시멘트에 물을 가한 다음 잘 혼합하여 양생할 때, 처음에는 손가락으로 누르면 손가락 자국이 나는 것과 같이 형태가 변화될 수 있지만, 시간이 경과함에 따라 형태가 변하지 않게 되는데 이를 응결이라고 한다. 그 이후 시간이 더욱 경가하면 시멘트 반죽 물은 단단하기(강도)가 점점 커지는데 이 과정을 경화라고 한다.
물이 시멘트의 입자를 녹여 수화물을 생성하는 과정은 다음과 같다. 시멘트 입자는 수화반응의 진행에 따라 수화생성물로 덮여지고, 인근의 시멘트와 결합하여 모래와 자갈을 둘러싼 단단한 콘크리트로 되는 것이다.
4. 수화열
시멘트의 수화반응 또는 발열반응에서 발생하는 열을 수화열이라고 한다. 이 발열량은 시멘트의 종류, 화학 조성, 물시멘트비, 분말도에 따라 달라진다.
시멘트의 성질
1. 비중
시멘트의 비중은 소성온도, 성분 등에 따라 달라지는데, 보통 3.05~3.17이다. 같은 종류의시멘트일지라도 풍화된 것일수록, 또한 소성이 불충분하고 이물질 혼화물이 첨가되면 비중은 작아진다.
풍화란, 시멘트가 공기 중의 습기를 받아 천천히 수화반응을 일으켜 작은 알갱이 모양으로 굳어졌다가 이것이 계속 진행되면 주변의 시멘트와 달라붙어, 결국에는 큰 덩어리로 굳어지는 현상이다. 시멘트의 단위 용적 무게는 채우는 장법에 따라 달라지나, 편의상 1,500kg/㎥으로 본다. 시멘트의 비중 측정은 르 샤틀리에(Le Chatelier) 비중병이 사용되며, 시험 방법은 한국 산업규격(KS L 5110)에 규정되어 있다.
2 . 분말도
시멘트 분쇄과정에서의 입자 크기 정도인 분말도(fineness)는 수화속도에 큰 영향을 준다. 시멘트의 수화작용은 시멘트 입자가 물과 접촉했을 때 비로소 시작된다. 그러므로 시멘트의 품질이 일정한 경우에는 일정한 무게 속에 입자가 많아 표면적이 클수록(미세할수록) 수화작용이 촉진되므로 응결이 빠르고, 조기강도가 높아지며, 시공할 때 잘 비벼지고 잘 채워지는 등 작업성이 좋고, 시공 후에는 물을 통과시키지 않는 성질이 있다. 반면, 이 경우는 콘크리트가 응결할 때, 초기 균열이 일어나기 쉽고 시멘트를 장기간 저장할 때에는 풍화작용이 일어나기 쉽다. 이 때문에 시멘트의 분말도는 너무 크거나 작아도 좋지 않지만, KS규격은 최소치를 규정하고 있다.
분말도 시험에는 블레인(Blaine;공기 투과장치에 의한 비표면적)법(KS L 5106)과 44μ 및88μ의 표준체에 의한 방법(KS L 5112, KS L 5117)이 있다.
3. 응결 및 경화
시멘트의 응결 및 경화에 영향을 주는 요인은 시멘트의 화학성분, 혼합물질, 온도, 습도, 풍화의 정도 및 분말도 등이다. 또한, 배합시 물의 양이 많으면 응결과 경화가 늦고, 온도와 습도가 높이면 응결시간이 짧아지며 경화가 촉진된다. 시멘트의 분말도가 높으면 응결과 경화속도가 빨라지는데 온도의 상승에 따른 응결 경화속도는 로그함수와 관계가 있다. 시멘트의 화학성분 중에는 알루민산 3석회 (C3A)가 많으면 응결이 빠르며, 풍화된 시멘트일수록 응결이 늦어진다.
또한, 시멘트에 따라서는 물과 혼합되면 발열하지 않고, 10~20분 만에 굳어졌다가 그 후 다시 풀리면서 정상적으로 응결하는 현상을 볼 수 있는데 이것을 위응결 또는 2중응결이라고 한다. 위응결성 시멘트를 콘크리트에 이용하게 되면 슬럼프의 감소 및 믹서의 비빔이 나빠져 배합상 물의 비율이 증가하게 되어, 결국 강도 저하와 균열을 일으키는 원인이 된다.
시멘트의 사용에 있어서는 응결시간이 너무 빠르거나 시간이 경과해도 굳지 않는 등 시간적으로 적당하지 않으면 시공과정에서 매우 불편하므로, KS L 5108(비카트 침에 의한 시험법)과 KS L 5103(길모어 침에 의한 시험법)의 규정에는 응결의 시작과 끝의 시간이 규정 내 값에 들도록 하고 있다.
일반적으로 우리나라의 보통 포틀랜드 시멘트 응결 시간인 초결은 대략 4시간 전후, 끝인 종결은 6시간 전후이다.
4. 안정성
시멘트가 응결 및 경화하는 과정에서 불안정하게 되면, 이상팽창이나 수축에 의한 갈라짐이 일어난다. 이와 같은 시멘트의 안정성 부족 현상은 콘크리트 구조물에 균열을 일으켜 미관을 해치고, 강도 및 내구성을 저하시키는 결과를 초래한다. 이 원인은 시멘트의 클링커 안에 유리석회, 마그네시아 및 아황산의 함유량이 초과되었기 때문이다. 안정성 시험은 시험 패트(Pat)에 의한 팽창과 수축성의 균열을 검사하는 방법으로 침수법과 비등하법이 있으나, 엄밀하게 시멘트의 안정성을 검사하려면 KS L 5107의 규정에 의한 오토 클레이브(Autoclave)를 이용한 팽창도 시험 방법이 잇다. 우리나라 KS규격에는 한계치가 정해져 있다.
5. 강도
시멘트의 강도는 KS L 5100이 정한 표준모래(Standard sand:주문진읍 황호리에서 채취 한것)를 사용하여 KS L 5104(인장강도)와 KS L 5105(압축강도)의 규정에 따라 실시한 모르터의 강도를 말하는데 일반적으로 시멘트 강도는 압축강도를 의미한다. 시멘트의 강도에 영향을 주는 요인은 시멘트의 성분, 분말도, 사용수량, 풍화정도, 양생조건 및 시험방법 등이 있다.
참고적으로 시멘트 강도에 미치는 시멘트 풍화의 영향으로는 제조 직후의 강도가 가장 크며, 장기간의 저장은 공기 중의 습기를 흡수하여 풍화함으로써 강도가 저하되며, 시멘트 압축강도의 한계는 KS규격에 규정되어있다.
6. 콘크리트의 조성
콘크리트는 결합재와 골재의 종류에 따라 그 종별이 구분되어질 수 있는데, 이러한 콘크리트를 만드는 과정은 크게 보아 두 가지로 나누어진다. 첫째는 아직 굳지 않은 성형과정의 상태와, 둘째로 성형 경화 이후의 상태가 바로 그것이다. 그리고 첫 번째의 상태에 있어서는 성형까지의 조건에 따른 특사한 성능이 요구되며, 두 번째의 상태에 있어서는 경화이후의 조건에 대한성능이 요구된다. 이 같은 요구에 따라 혼화재료를 사용하게 되는데 그동안 첫 번째, 두 번째 각각의 성능이나 혹은 두 가지 모두의 성능을 개선하는 일에 부단한 노력이 경주되어 왔다. 그리하여 콘크리트의 용도 및 적용 범위의 개발 및 발전과 함께 혼화재료가 개선되거나 새롭게 개발되기도 했으며, 이에 따라 콘크리트의 조성도 다소간에 서로 다른 양상을 띠게 되었다.
콘크리트가 아직 굳지 않은 상태 및 일단 굳고 난 이후의 조건에 따라 시멘트, 물, 모래, 자갈 및 혼화재료의 배합조건이 다르다. 콘크리트가 아직 굳지 않은 상태에 있어서는 콘크리트의 워커빌리티가주요 요인이 되고, 콘크리트가 경화된 이후에는 강도, 탄성계수, 비중 등이 재배적인 요건으로 등장한다. 콘크리트의 실제적인 배합에 대해서는 일반적인 내용만 설명하기로 한다. 일반적으로 시멘트 콘크리트의 조성에 있어서 원재료가 차지하는 절대 용적을 비율로 표시하면 다음과 같다. 즉, 공기 1~3%, 물 16~22%, 시멘트 9~15%, 모래 20~33%, 자갈 35~48%등이다. 그리고 대부분의 콘크리트에 있어서 결합재의 양은 절대 용적 비율로 볼 때 대개는 10~35% 정도라고 할 수 있다.
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제 목
