Transcript 콘크리트강의노트제6장(8월20일).

제6장 수경성 시멘트
(1) 포틀랜드 시멘트의 주요 화합물 조성과 특성에 대하여 기술함
(2) 알루미네이트의 수화 반응이 여러 가지 응결 형태에 주는 영향
(3) 실리케이트의 수화 반응이 강도 발현에 주는 영향
(4) 여러 가지 화학 반응과 포틀랜드 시멘트의 응결, 경화와 같은 물리적 현상
(5) 포틀랜드 시멘트의 분류와 시방서
(6) 특수시멘트(포졸란 시멘트, 고로시멘트, 팽창시멘트, 급결 및 급경 시멘트,
백색시멘트 및 착색시멘트, 유정시멘트, 칼슘알루미네이트시멘트 등)의 조
성과 수화 특성, 중요한 성질
6.1 수경성 및 비수경성 시멘트
(1) 수경성 또는 내수성 시멘트는 실질적으로 포틀랜드 시멘트와 거기에 손질한
몇 종류의 시멘트이다.
(2) 수경성 시멘트란 물과 반응하여 경화하는 것이 아니고 내수성의 생성물을
형성하는 시멘트로 정의 됨
(3) 석고 시멘트와 석회 시멘트, 석고 시멘트는 비수경성이다. 소석회도 수중에
서 안정하지 않지만 공기 중에 서서히 탄산화하여 안정한 생성물인 CaCO3
를 생성한다.
(4) 반응계에 포졸란이 존재하면 석회와 포졸란이 반응 결과 칼슘실리케이트
수화물이 생성하여 수중에서 안정하게 된다.
6.2 포틀랜드 시멘트/ 정의/ 제조공정/ 화학 조성
(1) 포틀랜드 시멘트 : 수경성 칼슘 실리케이트로 이룬 클링커를 단상태에서
다형태를 취하는 황산 칼슘과 동시 분쇄한 것으로 정의
(2) 포틀랜드 시멘트 제조의 최종 공정은 클링커를 지름 75mm 이하의 입자로
분쇄하는 것인데, 약 5% 석고, 즉 황산 칼슘을 시멘트 초기 응결과 초기 경화
반응을 조절하기 위해 콘크리트와 혼합하여 분쇄하는 것 임
(3) 포틀랜드 시멘트는 실질적으로 칼슘 화합물이지만, 화학분석 결과는 존재하
는 성분을 산화물의 형태로 나타내는 것이 일반적이다.
(4) 산화물과 약호
CaO = C SiO2=S Al2O3=A Fe2O3=F MgO=M SO3=S H2O=H
건식법에 의한 제조공정
석유
또는
중유
석회석
점토
규석‧광재
석고
건조
계량
냉각
분쇄
혼합
클링커
분쇄
시멘트
소성
포틀랜드 시멘트의 클링커 주원료
원료
석회석
점토
클링커 1ton을 만
드는데 필요한 양
주용도
1,200 kg
CaO 원료, 일반적으로 CaCO3의 함유량 95% 이상
MgCO3가 과다한 것은 사용할 수 없다.
270 kg
연질 규석
가용 백토
광재
SiO2, Al2O3 원료, 혈암, 니암, 점판암 풍화물 등
점토만으로는 SiO2가 부족한 경우에 사용한다.
25 kg
Fe2O3를 가진 원료, 점토 중의 Fe2O3로는 부족하므
로 사용한다.
산화물
CaO
SiO2
Al2O3
Fe2O3
MgO
SO3
H2O
약호
C
S
A
F
M
S
H
화합물
3CaO‧SiO2
2CaO‧SiO2
3CaO‧Al2O3
4CaO‧Al2O3‧Fe2O3
4CaO‧4Al2O3‧SO3
3CaO‧2SiO2‧3H2O
CaSO4‧2H2O
약호
C3S
C2S
C3A
C4AF
C 4 A3 S
C 3 S 2 H3
CSH2
표 6.1 포틀랜드 시멘트의 산화물 분석(%)
산화물
시멘트
No.1
시멘트
No.2
시멘트
No.3
시멘트
No.4
시멘트
No.5
S
A
F
C
S
잔여
21.1
6.2
2.9
65.0
2.0
2.8
21.1
5.2
3.9
65.0
2.0
2.8
21.1
4.2
4.9
65.0
2.0
2.8
20.1
7.2
2.9
65.0
2.0
2.8
21.1
7.2
2.9
64.0
2.0
2.8
시멘트의 품질규격(KS L 5201)
항목
압축강도
(MPa)
종류
포틀랜드 시멘트
보통
중용열
조강
저열
내황산염
1일
-
-
13
-
-
3일
13
11
25
-
9
7일
20
18
28
7.5
16
28일
29
28.5
31
18
21
6.2.4 화학분석에 의한 화합물의 조성 결정
(1) 잠재 화합물 조성 공식
% C3S=4.071C - 7.600S - 6.718A - 1.430F - 2.850S
% C2S=2.867S - 0.7544C3S
% C3A=2.650A - 1.692F
% C4AF=3.043F
(2) 포틀랜드 시멘트의 성질은 존재하는 화합물의 종류와 비율의 영향을 받으므
로 잠재 화합물 조성 공식을 이용하여 화합물의 조성을 파악하는 것이 중요
하다.
표 6.2 포틀랜드 시멘트의 화합물 조성(%)
화합물
시멘트
No.1
시멘트
No.2
시멘트
No.3
시멘트
No.4
시멘트
No.5
C3 S
C2 S
C3 A
C4AF
53.7
19.9
11.4
8.8
58.0
16.2
7.1
11.9
62.3
12.5
2.8
14.9
53.6
17.2
14.0
8.8
42.0
28.8
14.0
8.8
6.2.5 결정 구조와 결합물의 반응성
(1) 칼슘 실리케이트
수경성 실리케이트로 토리칼슘실리케이트(C3S)와 베타다이칼슘실리케이트
(bC2S)가 있다. 불순물을 함유한 형태가 어라이트(alite), 베라이트(belite)임
(2) 칼슘 알루미네이트 및 페로 알루미네이트
토리칼슘 알루미네이트(C3A), 칼슘페로알루미네이트(C2AF)
(3) 산화 마그네슘(MgO)과 산화 칼슘(CaO)
시멘트 클링커 속의 산화마그네슘의 일부(약 2%까지)는 페리클레이스(peric
lase)라고 하는 결정인 MgO가 되고, 수화하여 수산화마크네슘으로 되는 반
응은 속도가 더딘 팽창반응이다.
(4) 알칼리 및 황산염 화합물
시멘트속의 알칼리류(나트륨과 칼륨)은 점토성분에 유래한다. 술파트(sulfat
e, SO3)는 일반적으로 연료에 기인하다. 시멘트의 조기 수화반응에 영향을
준다.
6.2.6 분말도
(1) 화합물 조성 외에 시멘트의 분말도가 물과의 반응성에 영향을 준다. 고운 시
멘트일수록 급속히 반응한다.
(2) 표준체 200메시(75mm)와 325메시(45mm) 잔류분에서 45mm 이상의 시멘트
입자는 잘 반응하지 않고, 75mm 이상의 입자는 완전하게 반응하지 않는다.
(3) 분말도는 입도분포와 블레인 비표면적으로 측정한다.
6.3 포틀랜드 시멘트의 수화
(1) 중요성 : 시멘트의 수화(hydration)는 물과 시멘트의 화학반응이 응결과
경화를 지배하는 생성물을 조성
(2) 수화 매커니즘 : 액상형 수화 & 고체형 수화, 알루미네이트는 실리케이트에
비하여 훨씬 빠르게 수화한다. 알루미네이트는 시멘트풀의 굳음과 응결과
관계하고, 실리케이트는 경화특성(강도 발현 속도)을 지배한다.
(3) 알루미네이트류의 반응
C3A의 급속한 수화 반응은 석고의 첨가로 조절한다. 석고로 인한 C3A의 지
연 매커니즘은 석고가 급속히 용해되어 C3A의 용해가 억제된다. 최종적으로
에트린가이트와 모노술파트의 결정이 생성된다.
(4) 실리케이트류의 수화
시멘트 속의 C3S 및 C2S는 수화로 칼슘 실리케이트 수화물류를 생성한다.
화학량론적으로 C3S의 수화반응에는 61%의 C3S2H3, 39%의 수산화칼슘,
C2S의 반응성에는 82%의 C3S2H3와 18%의 수산화칼슘이 생성한다. 수화
반응에서는 각각 24%와 21%의 물이 필요로 한다.
표 6.3 어라이트의 응결시간, 수화열 및 강도에 끼치는 석고 촉진 효과
구분
응결시간(h)
수화열
(cal/g)
압축강도
(N/mm2)
타입
시작
종결
3일
7일
28일
3일
7일
28일
90일
타입 I/II
포틀랜드 시멘
트
3.0
6.0
61
75
83
13.4
21.4
34.9
36.9
어라이트 시멘트
석고 무첨가
8.5
11.5
59
61
85
8.62
14.2
25.2
36.9
3% 석고
4.5
7.5
63
66
81
11.0
16.8
27.6
37.0
6.4 수화열
(1) 시멘트가 수화하면 화합물은 물과 반응하여 높은 에너지에서 낮은 안정한
상태로 이르는데 이 때 열의 형태로 에너지를 방출한다.
(2) 상승 피크 A : 알루미네이트와 술파트의 용해열, 술파트의 존재로 알루미네
이트의 용해가 억제되면 급히 멈춘다(하락피크 A)
(3) 상승 피크 B : 4-8시간 후에 제2피크로서 최대에 이르는데, 에트린가이트 생
성시의 발열을 나타낸다. C3S의 용해열과 C-S-H의 생성열도 포함된다.
(4) 포틀랜드 시멘트에서 잠재 발열량의 약 50%가 초기 수화 재령 3일 이내,
발생하고, 초기 수화 재령 3개월 이내에 90%가 발생한다.
(5) ASTM 타입 I 시멘트의 발열은 일반적으로 7일에 80-90cal/g, 28일에 90120cal/g 이다.
표 6.4 포틀랜드 시멘트 화합물의 수화열
어떤 재령의 수화열(cal/g)
화합물
C3 S
C2 S
C3 A
C4AF
3일
90일
13년
58
12
212
69
104
42
311
98
122
59
324
102
6.5 응결, 경화 과정의 물리적 측면
(1) 굳음 : 플라스틱한 시멘트풀에 일어나는 유동성의 상실이며, 콘크리트의 슬
럼프 감소와 관련이 있다. 시멘트풀이 굳어지기 시작하여 최종적으로 응결,
경화에 이른다.
(2) 응결 : 플라스틱한 시멘트풀의 고체화(시작-종결), 시작과 종결은 Vicat 장
치로 측정
(3) 경화 : 시간과 동반하여 강도가 증가하는 현상
시멘트의 종류와 응결시간(예)
응결시간(시:분)
시멘트의 종류
초결
보통 포틀랜드 시멘트
초조강 포틀랜드 시멘트
중용열 포틀랜드 시멘트
알루미나 시멘트
초속경 시멘트
2
1
4
2
0
:
:
:
:
:
40
30
00
20
10
종결
3
2
5
4
0
:
:
:
:
:
40
30
20
00
15
6.6 강도와 수화열에 끼치는 시멘트 특성의 영향
(1) 시멘트가 C3S와 C3A를 비교적 많이 함유하면 3, 7, 28일에 대한 조기 강도
가 높아지는데 C2S의 양이 많아지면 조기 강도가 낮아지지만 종국 강도는
커진다.
(2) C2S량이 많은 시멘트는 경화가 더딜 뿐만 아니라 열 발생도 적어진다.
(3) 시멘트의 화합물 조성과 분말도를 바꾸는 것이 초기 강도 발현과 수화열 제
어에 효과적이다.
(4) 시멘트 수화시의 발열 속도와 전체 발열량은 모두 화합물 조성, 분말도 및
수화 온도의 영향을 받는다.
시멘트의 품질규격(KS L 5201)
포틀랜드 시멘트
항목
압축강도
(MPa)
양생
보통
중용열
조강
저열
내황산염
1일
-
-
13 이상
-
-
3일
13 이상
11 이상
25 이상
-
9 이상
7일
20 이상
18 이상
28 이상
7 이상
16 이상
28일
29 이상
28 이상
31 이상
18 이상
21 이상
화합물 조성
시멘트
I
II
III
C3S
C2 S
C3 A
C4AF
49
30
56
25
46
15
12
5
12
8
13
8
6.7 포틀랜드 시멘트의 종류
(1) 타입 I : 특수한 성질을 사용할 필요가 없을 때 사용(보통-일반용)
타입 IA : AE 혼입형 타입 I 시멘트
(2) 타입 II : 내황산염과 중용열이 요구되는 경우 사용(중용열)
타입 IIA : AE 혼입형 타입 II 시멘트
(3) 타입 III : 높은 조기 강도가 요망될 경우 사용(조강)
타입 IIIA : AE 혼입형 타입 III 시멘트
(4) 타입 IV : 저발열이 요망되는 경우 사용(저열)
(5) 타입 V : 높은 내황산염이 요망되는 경우 사용(내황산염)
(6) 콘크리트 제조 중에 AE를 첨가하면 제품 중 공기량이나 기포의 분포를 잘 제
어 할 수 있다. 저열 시멘트 보다는 광물질을 혼입하여 사용하는 방법이 대세
표 6.5 포틀랜드 시멘트의 주요 화합물과 특성
b2CaO‧SiO2
3CaO‧Al2O3
C3 S
어라이트
MgO, Al2O3,
Fe2O3
단사정
bC2S
벨라이트
MgO, Al2O3,
Fe2O3
단사정
C3 A
알루미네이트상
SiO2, MgO
알칼리류
입방정, 사방정
C4AF
페라이트조
SiO2, MgO
범위
35 – 65
10 – 40
0 – 15
5 - 15
보통시멘트에
서의 평균
50
25
8
8
수화반응속도
중간정도
늦음
빠름
중간정도
조기
양호
불량
양호
양호
종국
양호
가장 좋음
중간정도
중간정도
중간정도
낮음
높음
중간정도
120
60
320
100
약호
일반명
주된 불순물
일반적 결정 형태
화합물의
존재 비율(%)
4CaO‧Al2O3‧F
e2O3
3CaO‧SiO2
근사적 조성
사방정
강도에 기여
수화열
대표값(cal/g)
표 6.6 포틀랜드 시멘트의 대표적 화합물 조성
ASTM의
타입
I
II
III
V
화합물 조성과 범위(%)
일반적 기술
C3S
범용
적당한 정도인 내황산염성
과 적당한 정도인 수화열
조강
내황산염성
C2S
C3A
C4AF
45-55 20-30
40-50 25-35
8-12
5-7
6-10
6-10
50-65 15-25
40-50 25-35
8-14
0-4
6-10
10-20
조성광물의 특성 및 화합물의 함유비율 표준
조성광물의 특성
조성
광물
어라
이트
벨라
이트
주요
화합
물
조기
강도
화합물 함유비율(%)
장기
강도
수화
열
건조
수축
화학
저항
중
중
중
(28일 이
후의 강
도 발현)
소
소
소
포틀랜드 시멘트
보통
조강
중용
열
내황
산염
-
53
67
48
57
중
-
23
9
30
23
대
대
소
8
8
5
2
중
소
대
10
8
11
13
대
C3S
(3-28일
의 강도
발현)
대
C2S
소
대
알루
미네
이트
상
C3A
페라
이트
조
C4AF
(1일의
강도발
현에 영
향)
소
6.8 특수한 수경성 시멘트/분류와 명칭
(1) 특수 수경성 시멘트는 포틀랜드 시멘트의 개량품이다.
포틀랜드 시멘트의 화학조성물 바꾸거나 첨가물을 혼합하여 조성하기 때문
(2) 혼합 포틀랜드 시멘트(고로슬래그, 플라이애쉬, 포졸란), 개량 포틀랜드 시
멘트(특수시멘트, 클링커의 화합 조성물을 개량)
(3) 수경성인 칼슘 실리케이트, C3S와 bC2S가 주된 결합 성분이지만 다른 점은
알루미네이트와 퍼라이트상을 소정의 성질로 바꾸는 점
(4) 칼슘 알루미네이트 시멘트
6.8.2 혼합 포틀랜드 시멘트
(1) 가격이 저렴한 장점과 에너지 절약의 장점이 있다.
(2) 타입 IS 시멘트 : 고로슬래그 성분이 25-75% 범위
타입 IP 시멘트 : 포졸란이 15-40% 범위
(3) 포졸란 : 그 자체가 거의 결합성을 갖지 않지만 수분 존재하에서 수산화 칼슘
과 상온에서 화학적으로 반응하여 결합성을 갖는 화합물 형성시키는 미립 실
리카질 또는 실리카 알루미나질의 재료
(4) 포졸란 반응과 그 중요성 : 발열이나 강도 반응이 늦다. 석회 소비형으로 시
멘트풀의 내구성을 높인다. 모세관 공극을 충진하는데 효과가 있다.
(5) 강도발현 : 장기습윤 양생이 가능하면 IP 시멘트와 IS 시멘트는 포틀랜드 시
멘트의 강도보다 크게 된다.
(6) 내구성 : 수산화칼슘 함유량이 적어지고 C-S-H 가 증가하기 때문에 장기적
인 내구성 증가
6.8.3 팽창 시멘트
(1) 팽창시멘트는 응결 후 초기 경화 기간 중에 팽창하는 수경성 시멘트이다.
팽창량은 0.2-0.7N/mm2
(2) 6.9N/mm2 프리스트레스가 가해져 팽창량이 큰 경우의 시멘트는 셀프스트
레싱형 이라고 한다.
(3) 타입 K 팽창 시멘트 : 술파트 알루미네이트 클링커를 분쇄한 시멘트
(4) 타입 M 팽창 시멘트 : 포틀랜드 시멘트, 칼슘 알루미네이트 시멘트, 황산칼
슘의 혼합물
(5) 타입 S 팽창 시멘트 : 고농도의 C3A를 함유한 포틀랜드 시멘트와 다량의 황
산 칼슘이 주요한 조성
(6) 타입 O 시멘트 : 경소석회의 팽창을 이용하는 시멘트
6.8.4 급결성 및 급경성 시멘트
(1) 포틀랜드 시멘트와 석고 플라스터 또는 포틀랜드 시멘트와 칼슘 알루미네이
트 시멘트를 혼합하여 제조함
(2) 속경시멘트 : 칼슘 플루오르 알루미네이트 클링커, 보통 시멘트 클링커, 황산
칼슘을 적당히 혼합하여 제조함, 급속히 응결(3-5분)하므로 통상 지연제와
동시에 사용함, 수화 1시간 6.9N/mm2, 수화 3일 28N/m2
(3) 초조강 시멘트(VHE) : 초기 수화에서 다량의 에트린가이트를 생성하여 급
결성과 급경성을 유도함, 수화 8시간 15N/mm2, 수화 24시간 25N/mm2
프리캐스트 제품에 주로 이용된다.
6.8.5 유정 시멘트
(1) API(미국석유협회)유정 시멘트는 등급 A에서 J까지 9단계로 구분하고 있다.
(2) 보통 포틀랜드 시멘트의 C3A량과 분말도를 저감하면, 시멘트 슬러리의 고온
시 Thickening 타임을 늘릴 수 있다.
(3) 시멘트 지연제, 촉진제, 경량화 또는 중량화 촉진제, 마찰 저감제, 보수용 첨
가제, 강도 저감 억제제
(4) API 등급 J 시멘트는 지연제를 첨가하지 않고 150oC 이상의 온도에서 시멘
팅에 사용할 수 있는 개량형 포틀랜드 시멘트
6.8.6 백색 시멘트 또는 착색 시멘트
(1) 보통 포틀랜드 시멘트의 회색은 일반적으로 철의 존재로 인한 것이다. 따라
서 클링커 속의 전체 철량이 Fe2O3로 0.5% 이하가 되면 클링커는 통상 희게
된다.
(2) 시멘트 제조시에, 철이 없는 점토, 불순물이 적은 원료 등의 조건에서 생산함
(3) 착색 시멘트는 철 함유량이 많은(약 Fe2O3가 5%) 시멘트 원료를 사용함
6.8.7 칼슘 알루미네이트 시멘트
(1) 칼슘 알루미네이트 시멘트(CAC)는 초기 강도가 높고, 저온 조건에서 경화하
며 황산염 침식에 뛰어난 내구성이 있다.
(2) CAC는 고온노용의 캐스터볼 내화라이닝에 사용된다.
(3) CAC는 비교적 단기간에 높은 강도를 발현하고, 저온에서 고강도를 발현한다
(4) CAC는 수화 생성물인 CAH10가 불안정하여 C3AH6으로 전이하는데, 이때
공극률을 크게 증가시켜 강도 감소를 동반한다.
(5) 콘크리트가 고온에서 수산화 칼슘의 분해에 따라 생성하는 프리라임이 가열
을 받은 콘크리트를 습한 공기나 물에 대해서 불안정하게 한다.
표 6.8 특수한 수경성 시멘트 : 조직과 용도
분류와 종류
조성
주용도
혼합 포틀랜드 시멘트
포틀랜드 고로슬래그 시멘트
(ASTM IS)
포틀랜드 포졸란 시멘트
(ASTM IP)
타입 IS 시멘트는 슬래그를 30-40% 함
유한 것이 보통
타입 IP 시멘트는 20-35% 포졸란 함유
포틀랜드 시멘트에 비하여 어느 정도
조기강도를 확보하기 위해 입도를 높게
한다.
1. 저수화열
2. 적절하게 설계하여 양생할 때
뛰어난 내구성
3. 에너지 절약, 자원 절약성 가
지며, 포틀랜드 시멘트 보다 값
이 싸다.
급결 급경 시멘트
속경시멘트(제트시멘트)
조강시멘트(VHE)
하이아이언시멘트(HIC)
초조강시멘트(UHE)
다량의 에트린가이트를 급속히 생성하
고 계속하여 C-S-H를 생성하는 화합
물로써 급결성과 급경성을 가져온다.
VHE, HIC는 C4A3S로 구성되고, UHE
는 극단적인 분말도의 C3S로 구성된다.
1. 긴급보수, 뿜칠콘크리트
2. 증기양생하지 않은 프리캐스
트, 프리스트레스트 콘크리트 제
품
백색시멘트 또는 착색시멘트
철을 대부분 또는 전혀 함유하지 않은
포틀랜드 시멘트, 착색제로 안료를 사
용한 시멘트
건축용 콘크리트
칼슘 알루미네이트 시멘트
수경성 칼슘알루미네이트를 함유한 클
링커 분쇄물
1. 고온 콘크리트
2. 긴급보수 및 한중에 사용
Report #1
문제 1. 시멘트의 제조방법에 대하여 설명하시오.
(쌍용시멘트, 동양시멘트 등 인터넷 자료 참조)
문제 2. 다음 용어를 설명하시오.
- 분말도, 수화열, 응결, 경화
문제 3. 시멘트의 주요 화합물 특징에 대하여 설명하시오.
- C3S, C2S, C2A, C4AF