시멘트라고 하면 일반적으로 포틀랜드시멘트(Portland Cement)를 말합니다. 포틀랜드시멘트란「주성분인 석회, 실리카, 알루미나 및 산화철을 함유하는 원료를 적당한 비율로 충분히 혼합하여 그 일부가 용융하여 소결된 시멘트 반제품, 클링커에 적당량의 석고를 투입, 분말로 한 것」이라고 정의할 수 있습니다.
·산화철 원료
시멘트의 소성을 쉽게 해주는 성분이며, 석회석이나 점토질 원료 중에는 적은 양이 존재하므로 조강 시멘트와 같이 산화칼슘의 함유량이 많은 시멘트를 소성해야 할 경우 품질이 좋은 산화철(Fe2O3)을 적당량 첨가합니다. 산화철 원료는 전로·구리 슬래그 또는 천연 철광석 등을 이용합니다.
·규산질 원료
실리카(SiO2)와 알루미나(Al2O3)의 성분비가 6:1 이상이고 실리카 성분의 함유량이 80% 이상인 것을 말하며, 고 규산질 시멘트인 중용열 멘트와 저열시멘트 등의 경우에는 실리카 성분을 보충하기 위하여 규산질 원료를 적당량 첨가합니다. 특히, 연규석은 실리카 성분이 많으며, 분쇄가 쉽고 반응이 잘 되어 많이 이용합니다.
·점토질 원료
원료 중에서 산화칼슘을 제외한 실리카와 알루미나 성분은 대부분 점토질 원료에서 공급받습니다. 점토(Al2O3·2SIO2·2H2O)의 첨가량은 석회석 순도에 따라 정해집니다. 예를 들면, 석회석(CaCO3)의 순도가 95%인 경우, 점토 속의 실리카가 65% 정도 함유된 것을 사용합니다.
·석고
소성하여 만든 클링커를 미분쇄하여 수화반응을 시키면 응결이 빠르게 진행되므로, 클링커에 이수석고(CaSO4·2H2O)를 약 3~5% 섞어 미분쇄하여 혼합하면 응결속도를 조절할 수 있습니다.
·순환자원
천연자원을 보존하기 위하여 각종 산업에서 발생하는 순환자원(부산물)이 시멘트 원료로 활용됩니다. 대표적인 것으로는 제철과정에서 생긴 고로 슬래그, 화력발전에서 나오는 석탄회, 주조과정에서 나오는 주물사, 소각장에서 발생하는 소각회 등이 있습니다.
오늘날 시멘트라 하면 1824년 영국에서 탄생한 포틀랜드시멘트를 말하지만, 넓은 의미의 시멘트는 무기질 교착재나 결합재를 의미하므로 석회와 석고를 혼합해서 쌓아 올린 피라미드나 석회와 화산재를 혼합해서 만든 그리스, 로마 시대의 건축물을 포함하면 인류의 시멘트 사용역사는 수천 년 전으로 거슬러 올라갑니다.
인류가 언제부터 석회를 사용하게 되었는지는 알 수 없으나 불을 다루기 시작한 때로부터 얼마 지나지 않은 시기로 추정됩니다. 아직 원시단계의 수렵이나 유목생활을 하던 시절에는 많은 원시생활 집단들이 굴을 파고 살았으리라 짐작됩니다. 그런데 아궁이로 사용한 석회석의 표면이 빗물에 의하여 녹고, 시일이 경과함에 따라 단단히 굳어진다는 사실을 우연히 알아내면서부터 결국 석회를 이용하게 되었다고 전해지고 있습니다. 오늘날 남아 있는 유적들로 미루어 볼 때 석회 모르타르의 기원은 석회석의 다산지인 소아시아나 그리스로 추정됩니다. 기원전 2500년 경에 건설된 고대 이집트 피라미드 외장 석재 표면에 모르타르가 칠해져 있는데 지금도 이 구조물의 상부에 그대로 흔적이 남아있습니다.
포틀랜드시멘트의 출발점이 된 것은 물과 반응하면 단단해지는 수경성 시멘트의 발견이라고 할 수 있습니다. 1756년 영국에서 에디스톤 등대를 건설할 때 존 스미톤은 점토분을 다소 함유하고 있는 석회석을 구우면(소성, 燒成)하면 물과 반응해 단단해진다는 것을 발견했습니다.
영국에서 로만 시멘트가 널리 이용되자 프랑스와 독일에서도 인공시멘트 제조방법이 활발히 연구되었다. 이런 분위기 속에서 1818년 프랑스의 루이스 요셉 비이커는 인공 포졸란을 만드는 데 적당한 석회질 점토의 성분과 소성온도를 발표하여 오늘날 포틀랜드시멘트 제조법의 토대를 마련했습니다.
1824년에 영국 리드시의 벽돌공인 조셉 아스프딘(Joseph Aspdin, 1779∼1855)이 오늘날의 시멘트와 거의 같은 새로운 인공 시멘트 제조법을 영국 특허국에
등록했습니다.
이 제조법은 석회석을 구워서 생석회를 만들고, 이것에 물을 가하여 미분말의 소석회로 만든 다음, 여기에 점토를 혼합하여 다시 석회로에서 800℃까지
소성하여 클링커를 생산한 후 미분쇄하여 제조하는 것입니다. 이 제조법은 이중 소성이기 때문에 로만 시멘트보다 품질이 우수했습니다. 당시 특허 등록된「인조석 제조법
의 개량」에 의한 시멘트를 포틀랜드시멘트라 명명하게 되었으며, 포틀랜드시멘트라는 명칭은 경화한 시멘트의 색깔, 경화현상 등이 당시 건축자재로 사용되던 포틀랜드
지방에서 나오는 포틀랜드석과 유사하다는 점에서 유래된 것입니다.
시멘트 산업이 근대적인 기업의 형태를 갖게 된 것은 19세기 후반이며, 포틀랜드시멘트의 제조는
프랑스가 1848년, 독일 1850년, 미국 1871년, 일본 1885년, 우리나라가 1919년입니다.
·품질 향상
1824년 발명 당시 압축강도가 약 5 Mpa에 불과하지 않던 것이, 시멘트 인접 과학기술이 발전하면서 지금은 40 Mpa를 상회하고 있습니다. 시멘트는 타 소재에 비해 생산에 필요한 석회석, 점토 등의 광물자원이 지구상에 널리 분포되어 있으며, 생산에너지도 6∼29배가 적게 소비되고 있는 이점이 있어 현재 건설 및 토목재료로 널리 사용되고 있습니다.
·시멘트의 팽창성 이용
시멘트 중에는 미반응 상태로 산화마그네슘(MgO)이나 산화칼슘(CaO:생석회)이 조금 남아 있는데, 이 성분들은 시멘트가 굳을 때 팽창현상을 일으켜서 균열이 생기게 하는 매우 해로운 성분입니다. 그리고 시멘트 규격에는 이 성분들을 일정량 이하로 규제하고 있으나, 이들의 팽창성을 이용하면 여러 가지 제품들을 얻을 수 있습니다.
·비폭성 파쇄제
비폭성 파쇄제는 파괴대상의 암반이나 콘크리트 구조물에 구멍을 뚫고, 여기에 산화칼슘과 시멘트가 적당히 혼합된 분말과 물을 섞어 넣습니다. 일정한 시간이 지나면 이 반죽물이 팽창하여 진동이나 폭음 없이 파괴대상물을 파괴하게 됩니다. 개발 초기에는 파괴에 걸리는 시간이 24시간이었으나, 요즘은 20분이면 충분합니다. 또 이 제품은 용도에 따라 하절기, 춘추 및 동절기용으로 개발되어 있습니다. 폭약을 대량으로 사용할 수 없는 도시 재개발 사업 등에서 수요가 계속 신장되고 있습니다.
·팽창제
팽창제는 시멘트의 건조수축을 미리 보상해 주어 균열을 방지하는 첨가제인데, 도로나 지하철 터널의 암벽 마무리 공사 등 시멘트를 뿜어 붙이는 공사에 쓰이는 그라우트(Grout) 재료로 이용할 수 있습니다. 또한 시멘트 말뚝이나 전봇대와 같이 시멘트를 증기로 양생해서 만드는 제품에 화학적으로 예비응력(Chemical Prestress)을 주는 첨가제로 사용됩니다.
·시멘트의 경화특성 이용
시멘트의 경화특성을 이용한 고화처리재가 있습니다. 이 재료는 늪지대나 해안 등의 갯벌을 생활공간으로 이용할 수 있도록 하는 토질안정재인데, 이것은 화학공장 등에서 배출되어 인체에 심각한 해를 끼치는 크롬·수은·납 등과 같은 중금속을 꼼짝 못하게 고정시키는 기능이 있습니다.
'대한민국에서 매년 사용되는 시멘트량은 약 5천만톤, 해마다 새로운 도시와 건축물들이 새롭게 만들어지고 있습니다. 끊임없이 새로운 세상을 건설하는 시멘트.고층빌딩, 아파트, 도로, 교량 그리고 각종 산업시설에서 예술품에 이르기까지 우리는 언제나 시멘트와 함께 생활하고 있습니다.'