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고대의 시멘트

古代－cement

시멘트란 원래 결합이란 뜻의 말로, 물체와 물체를 접착시키는 것 전부를 가리킨다. 따라서 종이를 붙이는 풀·아교·세메다인·땜납 등도 근본적으로 모두 시멘트이다.

그러나 현재는 일반적으로 모래·돌과 같은 광물을 접착시키는 것을 시멘트라 부르고 있다. 도자기를 만들 때의 점토(粘土)와 같이 물로 반죽하여 건조하면 딱딱해지는 것도 예부터 사용해 온 시멘트이다. 그 뒤 이집트의 피라미드에 사용된 시멘트는 석회와 석고(石膏)였고, 그리스나 로마에서는 화산회(火山灰)와 석회·고운 모래가 쓰였다.

석고

石膏

일반적으로 석고로 이용되는 것은(CaSo4)2·H2O란 화학식으로 표현되는 반수석고(半水石膏：燒石膏)이다. 이것은 원래 결정석고(結晶石膏：CaSO4·2H2O)였던 것을 가열하여 그 결정수(結晶水)의 일부를 제거한 것으로, 물을 잘 빨아들이며 다음과 같이 본래의 결정석고로 환원하기 쉬운 성질을 가졌다.

(CaSO4)2·H2O·3H2O → 2(CaSO4·2H2O)이 때 본래의 복잡한 결정구조로 되돌아가므로 딱딱해지며, 돌과 돌을 접착시키는 풀로서의 작용을 한다. 또 석고는 물질을 일정한 형태로 성형하는 주형(鑄型)으로서도 이용할 수 있다. 즉 도자기의 형, 치과에서 치형(齒型)을 뜨거나 미술품 제작 등의 형으로 쓰이고, 또 석고 자체를 사용하여 미술품이나 장식품을 만들기도 한다.

포틀랜드 시멘트

Portland cement

석고나 석회도 광물을 접착시키는 작용을 가졌지만, 석고로 만든 미술품이 잘 깨어지는 것으로도 알 수 있듯이 도로나 교량을 만들기에는 너무 약한 결점이 있다. 강도(强度)가 높은 시멘트를 만드는 일이 시멘트를 공업적으로 이용하는 데 있어 가장 큰 문제점이 되며, 이를 위해 고대부터 석회에 화산회(火山灰)를 섞거나, 점토(粘土)를 섞는 등의 여러 가지 연구가 행하여졌다.

1824년, 영국의 애스프딘(J. Aspdin, 1779∼1855)은 혼합한 원료를 구움으로써 높은 강도의 시멘트를 만드는 데 성공하였다. 그것은 오늘날의 시멘트와 거의 같은 것으로, 지금은 시멘트라 하면 이 애스프딘이 만든 시멘트를 가리킬 정도로 일반화되었다. 이 시멘트는 영국의 포틀랜드섬에서 산출되는 천연석과 색깔이나 형태가 비슷한 데서 포틀랜드 시멘트라 불리게 되었는데, 정확하게는 이것도 시멘트 재료의 하나에 지나지 않는다.

포틀랜드 시멘트의 제법

Portland cement－製法

포틀랜드 시멘트의 원료는 석회석·점토가 거의 대부분이고, 약간의 산화철이 첨가되었다(〔그림〕－1). 제조공정 가운데서 중요한 부분은 로터리 킬른(rotary kiln：回轉窯)이며, 원료가 이 곳에서 가열되어 경단 모양의 클린커(clinker)가 되어 나오며, 이 클린커를 분쇄한 것이 시멘트이다. 그러나 이것만으로는 물에 개었을 때 너무 빨리 굳으므로 토목공사를 하는 데는 불편하다. 이 결점을 보완하여 고화(固化)하는 시간을 연장시키기 위해, 클린커를 분쇄할 때 석고를 혼합한다.

시멘트가 고화하는 원리

cement－固化－原理

시멘트를 물로 반죽하면 돌처럼 굳어지는데, 이것은 시멘트 성분이 물과 반응하여서 새로운 조직으로 되기 때문이다. 포틀랜드 시멘트는 주성분으로서 규산삼칼슘(3CaO·SiO2)과 규산이칼슘(2CaO·SiO2)이 들어 있는데, 물이 가해지면 각각 다음과 같은 화학변화를 일으킨다.

3CaO·SiO2＋(n＋2)H2O

→CaO·SiO2·nH2O＋2Ca(OH)2

2CaO·SiO2＋(n＋1)H2O

→CaO·SiO2·nH2O＋Ca(OH)2

즉 불안정한 규산칼슘이 분해되어 결정성의 안정된 2개의 물질로 된다. 이러한 조직의 결합과 결정화에 의해 시멘트에 강도가 생긴다고 한다. 또 위 반응에 의해 생긴 수산화칼슘(Ca(OH)2)이 다시 공기중의 이산화탄소를 흡수하여 경화성(硬化性)의 탄산칼슘(CaCO3)으로 되는 것도 시멘트의 경도를 증가시키는 한 원인이 된다.

포틀랜드 시멘트의 종류

Portland cement－種類

포틀랜드 시멘트의 주성분 가운데서 규산삼칼슘은 규산이칼슘보다 경화반응(硬化反應)이 빠르다. 그 때문에 빠른 시간 안에 고화시킬 필요가 있는 공사에는 규산삼칼슘이 많이 함유된 시멘트를, 천천히 굳히는 것이 좋을 때는 규산이칼슘이 많이 들어 있는 시멘트를 사용하는 것이 유리하다. 시멘트는 이처럼 약간의 성분차에 의해서도 그 성질이 크게 달라지므로, 사용 목적에 따라 시멘트의 성분과 굽는 방법을 바꾸어 여러 종류의 시멘트로 만들어 낸다.

조강 포틀랜드 시멘트

早强 Portland cement

3CaO·SiO2를 많이 넣은 것으로, 급한 공사에 알맞다. 그러나 너무 큰덩어리로 만들면 그 반응이 급격하기 때문에, 발열(發熱)이 크고 금이 가는 원인이 되는 수가 있다.

저열 포틀랜드 시멘트

低熱 Portland cement

강도(强度)는 약간 떨어지지만 앞의 것에 비해 경화속도가 늦고 발열이 적으므로, 댐(dam)과 같은 큰 블록을 만들어도 금이 갈 염려가 없다.

중용 포틀랜드 시멘트

中庸 Portland cement

조강(早强)과 저열(低熱) 시멘트의 중간 성질의 것으로, 가장 많이 쓰이는 종류이다.

혼합 시멘트

混合 cement

포틀랜드 시멘트의 클린커를 분쇄할 때 다른 성분을 섞어 그 성질을 조정하는 경우가 있다. 이것이 혼합 시멘트이며, 제철용 고로(高爐)에서 나오는 슬래그(slag：鑛滓)를 섞으면 바닷물의 침식에 대해 강한 시멘트가 된다. 이 시멘트는 강도는 약간 떨어지나 가격이 싸다. 또 석회와 같이 가벼운 물질을 섞으면 가벼운 무게의 제품을 만들 수 있다.

포틀랜드 시멘트 이외의 시멘트

Portland cement 以外－cement

알루미나 시멘트

alumina cement

보통의 포틀랜드 시멘트가 약품이나 바닷물의 침식에 약한 성질이 있으므로 이 점을 개량하기 위해 발명된 시멘트이다. 산화알루미늄·석회·산화규소를 주성분으로 하며, 대단히 우수한 성질을 가졌으나 값이 몹시 비싼 것이 결점이다. 따라서 많이 쓰이지는 않는다. 최근에는 내식성(耐蝕性)보다는 굳는 속도가 몹시 빠른 것, 즉 조강성(早强性)을 이용하여 긴급공사용으로 쓰인다. 예를 들면 도로포장에 있어 트럭이 통과할 수 있을 정도로 굳으려면, 보통의 포틀랜드 시멘트의 경우 1주일이 걸리지만 알루미나 시멘트를 사용하면 1일이면 가능하다. 그 밖에 내화물(耐火物)로서의 용도도 개척되고 있다.

마그네시아 시멘트

magnesia cement

탄산 마그네슘을 가열하여 만든 것으로, 돌이나 모래 등을 접착시키는 시멘트작용 이외에도 톱밥을 접착시키는 등 목재에 대해서도 시멘트작용을 한다. 또 다른 시멘트와는 달리 표면에 광택을 낼 수도 있다.

콘크리트

concrete

시멘트는 모래·자갈과 함께 혼합하여 물로 개어 사용하는 경우가 가장 많다. 즉 모래나 자갈을 연결하는 접착제로서의 작용이다 이것이 콘크리트이며, 일반적으로 시멘트 1, 모래 2, 자갈 4의 비율로 섞는다. 콘크리트 혼합공장에서 공사장까지 콘크리트를 운반하는 믹서 카(mixer car)는 회전드럼(回轉 drum) 속에서 물과 시멘트와 자갈을 혼합하면서 달린다. 콘크리트는 압축하는 힘에 대해서는 강하지만, 꺾거나 잡아당기는 힘에 대해서는 약하다. 이 결점을 보완하기 위해 철근이나 철골을 넣어 굳힌다. 또 교량공사(橋梁工事) 등에 쓰이는 것으로, 사용할 때의 인장력(引張力)보다 더 강한 장력을 가하여 굳혀, 사용시에 가해지는 꺾임이나 잡아당기는 힘에 대항할 수 있는 장력을 가질 수 있도록 한 PS콘크리트 등이 있다(〔그림〕－2). 이 콘크리트는 몹시 견고하여 철도의 침목(枕木)으로도 쓰인다.

슬레이트

slate

시멘트에 대해 15∼20%의 중량비로 석면을 가하여 물로 반죽해서 굳힌 것을 석면 슬레이트라 부른다. 시멘트만으로 굳힌 것은 꺾임이나 잡아당기는 힘에 약하지만, 석면이 더해짐으로써 그 섬유의 힘으로 꺾임이나 인장력에 대한 강도가 높아진다. 주로 지붕이나 벽의 재료로 쓰인다.

기포 콘크리트

氣泡 concrete

시멘트를 물로 반죽하여 굳힐 때, 거품을 생기게 하는 성분을 가하면 다공질(多孔質)의 가벼운 콘크리트가 만들어진다. 이것을 기포 콘크리트라 부르는데, 톱으로 자를 수도 있는 가공성(加工性)이 좋은 재료가 된다. 이 분야에서 새로운 건축재료가 많이 개발되고 있다.

블록과 기와

block－

시멘트와 모래만을 물로 갠 것을

모르타르라 하는데, 이 모르타를 틀에 부어 굳힌 것으로 기와와 콘크리트 블록이 있다. 블록은 모르타르만으로 된 것 외에 속돌(輕石) 등을 섞어 만든 것도 있고, 단열성이 있는 것과 쌓기 편리하다는 이점이 있다.

시멘트제품의 착색

cement 製品－着色

시멘트를 건축물의 벽재(壁材)로서 사용할 경우, 시멘트에 착색을 하고 싶을 경우가 있다. 이 때는 바탕이 되는 시멘트의 색이 백색이어야 한다. 여기 쓰이는 시멘트가 백색시멘트라 불리는 것으로, 이것은 시멘트의 발색성분이 되는 철·망간 등이 섞이지 않도록 원료를 정선하여 만든 것이다.

이 시멘트를 물에 개면 석회성분이 용해되어 알칼리성이 되므로, 착색제로는 알칼리에 안정한 것을 사용해야 하며, 흑색을 내는 데는 카본 블랙(carbon black), 적색은 산화제이철, 녹색은 산화크롬 등이 쓰인다. 이와 같은 시멘트를 컬러 시멘트라 부른다.