시멘트의 구성광물

포틀랜드 시멘트는 종류마다 조금씩 다르나 일반적으로 약 65 wt. %의 CaO, 20 % SiO2, 7 %의 Al2O3, 3 %의 Fe2O3 으로 구성되어 있다.

주요 구성 광물들은 다음과 같다.

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1. 알라이트(Alite)

화학식 3CaO·SiO2(C3S)이다. 1897년 토르네보옴(Törnebohm)에 의해 발견되고 명명되어졌다. 알라이트는 시멘트 업계에서 흔히 쓰이는 이름이지만, 자연상태에서는 매우 드물다(자연 상태에서 hatrurite불림). 포틀랜드 시멘트 내에서 50~60 %를 차지하는 가장 많은 성분이다. 시멘트 제조시 1250~1450 ℃범위에서 벨라이트와 CaO가 반응하여 형성된다.

알라이트는 그림 1.과 같이 6각형의 결정구조를 가진다. 알라이트는 1250 °C 미만에서는 열역학적으로 불안정하지만, 급속 냉각에 의해 상온에서 전이 가능한 상태로 보존될 수 있다. 느린 냉각에서는 벨라이트(Ca2SiO4)와 CaO로 되돌아가는 경향이 있다. 알라이트는 1070 ℃ 이상에서는 Rohmbohedral, 980-1070 ℃에서는 Monoclinic, 980 ℃이하에서는 Triclinic 구조를 가진다.

그림 1. 알라이트의 구조(출처 : www.wikipedia.org)

 

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포틀랜드 시멘트에서 발견되는 알라이트는 CaO와 SiO2 외에 Al2O3, MgO, Fe2O3 등의 소량의 다른 산화물을 함유하고 있다.

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알라이트의 수화

알라이트는 포틀랜드 시멘트의 조기강도에 주요한 역할을 하며, 물을 가하면 응결이 시작되고 수시간 내에 경화한다. 이 때, 발열을 동반한다. 알라이트는 높은 Ca 함량과 격자에 산화 이온이 존재하기 때문에 반응성이 더 높다.

수화반응식은 다음과 같다.

3Ca2++ SiO44- + O2+ H2O → 3Ca2++ SiO44- + 2OH-

2Ca3SiO5 + 6H2O → 3CaO·2SiO2·3H2O + 3Ca(OH)2

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2. 벨라이트(Belite)

분자식은 Ca2SiO4 혹은 2 CaO · SiO2(C2S)이며 C2S라고도 표기한다. 알라이트와 같이 1897년 토르네보옴에 의해 포틀랜드 시멘트의 현미경 조사에서 발견되었다. 포틀랜드 시멘트에서 발견되는 벨라이트는 CaO와 SiO2 외에 Al2O3, Fe2O3와 같은 소량의 다른 산화물을 함유하고 있다. 자연상태에서는 larnite라는 형태의 광물로 존재한다.

벨라이트는 안정적이며, 300 °C에서 반응성 CaO와 SiO2를 통해 쉽게 제조된다. 벨라이트의 결정구조는 1425 ℃ 이상에서는 Hexagonal, 680-1425 ℃에서는 Orthorhombic, (이상 α-Belite), 500-680 ℃에서는 Monoclinic(β-Belite), 500 ℃ 이하에서는 Orthorhombic 구조(γ-Belite)를 가진다.

그림 2. 벨라이트의 구조(출처 : www.wikipedia.org)

 

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벨라이트의 수화

벨라이트는 포틀랜드 시멘트에서, 장기강도에 관여한다. 즉, 수화반응이 알라이트보다 상당히 늦지만, 결과적으로 알라이트와 동일한 강도를 이루게 된다. 물과 반응하여 반응에 따라 calcium silicate hydrates와 potlandite(Ca(OH)2)를 형성한다.

2Ca2SiO + 4H2O →3CaO2SiO23H2O + Ca(OH)2

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3. 알루미네이트(Alumiate, Tricalcium alumiate)

화학식은 Ca3Al2O6, 3CaO·Al2O3 이며, C3A라고도 쓴다. 자연에서는 존재하지 않지만 포틀랜드 시멘트에서는 중요한 광물이며, 전체 포틀랜드 시멘트에서 6~12 %를 차지하며, 조강, 초조강 시멘트에서는 알루미네이트의 양을 늘려 경화를 촉진시킨다.

산화칼슘과 산화알루미늄이 1300 °C 이상에서 함께 가열될 때 형성되며, 포트렌드 시멘트 클링커에서 녹아서 결정화되어 형성된다. 밀도는 3.064 g·cm-3이다. 1542 °C에서 분해와 함께 녹는다. 시멘트 내에서는 SiO2, Fe2O3, MgO를 소량 포함하고 있다.

알루미네이트는 시멘트를 이루는 광물 중 물과 가장 강하게 반응한다. Ca2AlO3(OH)·nH2O의 형태로 수화하면서 다량의 열이 발생한다. 이를 피하기 위해 포틀랜드형 시멘트는 황산칼슘을 석고의 형태로 약간 첨가한다. 콘크리트 슬러리 내의 황산 이온은 알루미네이트와 결합하여 에트링자이트(ettringite)를 형성하여 알루미네이트가 천천히 반응하게 된다.

콘크리트의 양생에서 알루미네이트의 열 방출은 자연 과열의 원인이 될 수 있으며, 필요할 경우 시멘트 내에서 알루미네이트의 양을 조절해야 한다.

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4. 페라이트(Ferrite)

페라이트의 화학식은 Ca2(Al,Fe)2O5이며 C4AF라고도 표시한다. 자연계에 존재하는 브라운밀러라이트(Brownmillerite)라는 광물과 대단히 유사하다. 페라이트는 수화열이 적고 수축도 적다. Fe2O3보다 Al2O3가 먼저 수화물을 만들며 알루미네이트 다음으로 수화반응이 빠르다. 보통 포틀랜드 시멘트에서 5~10 %를 차지한다. 페라이트의 성분이 많을수록 포틀랜드 시멘트의 색이 더 짙어진다.