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포틀랜드 시멘트(영어: Portland cement), OPC(영어: Ordinary Portland Cement)는 주성분인 석회, 실리카, 알루미나 및 산화철을 함유하는 원료[1]를 적당한 비율로 충분히 혼합하고, 그 일부가 용융하여 소결된 클링커에 석고를 첨가해 분말로 한 것이다.[2][3] 오늘날 쓰이고 있는 보통 시멘트 형태이며, 전 세계적으로 콘크리트, 모르타르, 스투코와 그라우트 등의 기본 재료로 널리 쓰인다.
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.[4][5]
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 800 °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.[6]
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.[4]
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),[주 1] 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.[4] 한편 미량성분이라고 해서 중요치 않은 것이 아니다. 예컨대 미량 성분 중 하나인 산화나트륨, 산화칼슘은 알칼리염으로써 알칼리 골재 반응을 일으키는 원인이 되므로 주의깊게 살펴보아야 한다.[1]
포틀랜드 시멘트의 주요 성분
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 |
미국의 ASTM 기준에 따르면 포틀랜드 시멘트는 다음과 같이 구분한다.[10]
| 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.[11]
| 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 |
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