시멘트의 제조와 화학성분

시멘트의 제조 과정과 시멘트의 화학 성분 및 클링커 화합물이 만들어지는 과정을 살펴보겠습니다.

 

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건식법과 습식법

시멘트를 제조하는 방법은 건식법(Dry process)과 습식법(Wet process)이 있습니다. 습식법은 원료분쇄기에서 약 40%의 물을 가한 후 반죽상태로 만들어 분쇄기 내에서 분쇄, 혼합, 균질화하여 회전로에 넣어 소성하는 방법입니다. 물을 가한 상태로 반죽을 만들기 때문에 비교적 균일하게 재료를 섞을 수 있지만 에너지가 많이 들어가기 때문에 과거에 사용되었습니다.

 

건식법은 석회석, 점토, 슬래그 등의 원료를 건조한 후 적당한 비율로 조합하여 원료분쇄기에서 미분쇄한 후 예열기와 회전가마(rotary kiln)에 투입하여 소성하는 방식입니다. 에너지 절약형으로 현재 대부분의 시멘트 제조공정이 건식법에 해당됩니다.

 

시멘트의 제조

아래 그림은 시멘트 1ton을 제조하는데 들어가는 시멘트의 주원료와 제조된 시멘트의 주요 화학성분의 비율을 나타냅니다.

 

 

시멘트를 제조할 때 가장 많이 들어가는 것은 석회석과 점토입니다. 대략 4:1 정도의 비율로 들어갑니다. 시멘트 원료를 배합한 후 소성공정에서 첫 번째로 처리하는 공정은 예열입니다. 예열기에서 900℃ 정도로 원료를 가열하는데 이렇게 하면 석회석이 열분해되어 CO₂ 가스가 방출됩니다. 즉 석회석의 주성분이 CaCO₃이니까 다음과 같이 석회가 만들어집니다.

 

CaCO₃ → CO₂ 가스 방출(900℃ 정도 가열) → CaO(석회)

 

 그 다음 회전가마(Rotary kiln) 1,500℃ 정도로 가열하는 과정을 거치게 되면 시멘트 원료의 화학성분이 반응하면서 클링커 화합물이 생성됩니다.

 

위 그림의 가운데 부분을 보시면 예열기를 거치면서 시멘트 원료의 주요 성분 네 가지가 얻어지는 것을 볼 수 있습니다. 석회(CaO)이 65% 내외로 가장 많고,  그다음 실리카(SiO₂)가 21%로 두 번째로 많습니다. 그 외에 점토에 섞여 있는 알루미나(Al₂O₃)와 산화철(Fe₂O₃)이 소량 포함됩니다.

 

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클링커 화합물

이 네 가지 주요 성분이 높은 온도의 회전가마에서 화학반응하면  클링커 화합물인 규산3칼슘(3CaO·SiO₂), 규산2칼슘(2CaO·SiO₂), 알민산3칼슘(3CaO·Al₂O₃), 철알루민산4칼슘(4CaO·Al₂O₃·Fe₂O₃)가 생성됩니다. 보통 4대 클링커 화합물이라고하는데, 각각을 알라이트(Alite), 벨라이트(Belite), 칼슘 알루미네이트(Calcium aluminate), 칼슘 페라이트(Calcium ferrite)라고 부릅니다.

 

클링커 화합물의 화학식을 보면 규산3칼슘는 실리카 하나에 석회가 3개 결합되어 있고, 규산2칼슘는 실리카 하나에 석회가 2개 결합되어 있는 것을 알 수 있습니다. 즉 4대 클링커 화합물은 시멘트 원료의 주요 화학성분이 소성과정을 거치면서 화학결합한 것이고 그것들이 결합된 방식에 따라 크게 4가지로 나뉘게 됩니다.

 

이 클링커 화합물의 특성이 달라서 각각의 성분량에 따라 시멘트의 성질이 달라지게 됩니다. 가령 알라이트는 조기에 강도가 발현되기 때문에 시멘트의 28일 압축강도를 좌우하고, 벨라이트는 반응이 늦어서 28일 이후에 강도가 발현되는 특성이 있습니다. 벨라이트는 반응이 늦은 대신 수화열이 낮기 때문에 수화열을 낮게 해야 하는 경우에 유리합니다.

 

알라이트와 벨라이트는 서로 상보적인 관계가 있습니다. 즉 제조할 때 알라이트양을 늘리면 벨라이트양이 줄어들고, 벨아이트양을 늘리면 알라이트양이 줄어드는 식입니다.

 

칼슘 알루미네이트는 시멘트가 물과 만나 초기에 경화하는데 결정적인 영향을 미칩니다. 따라서 석고를 첨가해서 수화열을 지연시키는 식으로 시멘트를 사용합니다. 알루미네이는 수화열이 가장 높을 뿐 아니라 화학적 저항성도 좋지 않습니다. 

 

알라이트아 벨라이트가 서로 상보적인 관계인 것처럼, 칼슘 알루미네이트와 칼슘 페라이트도 상보적인 관계가 있습니다.

 

시멘트에 대해 정리한 내용입니다.

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