시멘트의 수화반응(Hydration)

시멘트가 물과 만나 화학적으로 반응해서 단단한 결합재로 변하는 과정을 수화반응이라고 하는데 이 수화반응(Hydration)은 시멘트 입자 표면에서 시작해서 내부로 침투하는 식으로 진행됩니다. 

 

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수화반응(Hydration)

수화반응은 시멘트 중의 주요 4대 클링커 화합물이 물과 화학반응하여 수화물 생성하는 과정입니다. 알라이트(Alite), 벨라이트(Belite), 알루미네이트(Aluminate), 페라이트(Ferrite)의 수화반응을 나타내면 다음과 같습니다.

 

 

 

※ 시멘트의 화학성분은 보통 약자로 나타냅니다. CaO → C, SiO₂ → S, Al₂O₃ → A, Fe₂O₃ → F로 나타내는데 C₃A라고 하면 3CaO·Al₂O₃를 의미합니다.

 

여기서 알라이트와 벨라이트가 물가 반응한 후 3CaO·2SiO₂·3H₂O(약자로 C₃S₂H₃)가 60% 정도 만들어지는데 이 물질을 규산칼슘수화물(Calcium silicate hydrate) 혹은 토버모라이트 겔(Tobermorite gel)이라고 합니다. 이 토버모라이트겔이 콘크리트에서 강도를 발현하는 주요 물질입니다.

 

그리고 수산화칼슘(Ca(OH)₂)이 25% 정도 만들어집니다. 이 수산화칼슘때문에 콘크리트는 강한 알칼리성을 띄게 되고, 내부에 매입된 철근이 녹슬지 않도록 보호해 줍니다.

 

시멘트가 물과 만나 화학적으로 반응해서 단단한 결합재로 변하는 과정은 천천히 일어납니다. 시멘트 입자가 물과 만나야 반응하기 때문에 수화반응은 시멘트 입자 표면에서 시작됩니다. 뻥튀기 하듯이 폭발적으로 일어난다면 순간적으로 굳겠지만 수화반응은 그렇게 일어나지는 않습니다.

 

 

 

시멘트 수화의 진행과정

 

처음에는 시멘트 입자 표면 전체가 물과 만나기 때문에 반응이 빨리 일어납니다. 다만 너무 빨리 반응해서 굳어지면 거푸집에 부어 넣기 전에 굳을 수 있기 때문에 반응을 지연시킬 필요가 있습니다. 그래서 석고를 넣습니다. 석고는 에트링가이트(Ettringite)라는 물질을 생성해 수화반응이 빠른 입자를 둘러싸서 수화반응을 늦출 수 있다.  

수화반응이 시작되고 규산칼슘수화물이 표면에서 만들어지면 시멘트 입자를 점점 둘러싸게 됩니다. 그래서 반응이 계속 일어나려면 물이 표면을 둘러싼 규산칼슘수화물을 뚫고 내부로 침투해서 시멘트 입자와 만나야 합니다. 그런데 시간이 지나면 규산칼슘수화물이 시멘트 입자 표면을 빽빽하게 채우기 때문에 물이 뚫고 들어가기가 어려워집니다. 그래서 수화반응은 처음에는 빨리 일어나지만 갈수록 더디게 일어납니다.

 

시멘트 입자의 크기는 얼마나 될까?

규산칼슘수화물이 시멘트 입자를 어느 정도 둘러싸게 되면 물 입자가 더 이상 내부로 침투할 수 없게 됩니다. 수화반응이 일어나는 한계 깊이가 생기게 마련이지요. 그렇다면 시멘트 입자 표면에서 수화반응이 진행되는 깊이는 얼마나 될까요? 이론적인 수화 깊이는 15μm로 알려져 있습니다. 결국 시멘트 입자의 지름을 30μm보다 크게 만들면 내부에 수화되지 않는 부분이 생기게 됩니다. 위 그림에서 맨 오른쪽에 있는 상태로 남게 될 수 있습니다.

그래서 시멘트 입자의 크기는 대략 20~30μm 정도로 곱게 빻아서 만듭니다. 머리카락이 70μm 정도이고 미세먼지가 10μm보다 작으니까 시멘트 입자가 얼마나 작은지 짐작할 수 있을 것입니다. 물론 입자를 더 잘게 빻으면 반응이 더 빨리 일어나겠죠? 빨리 굳는 콘크리트가 필요할 때 활용할 수 있습니다.  

여기서 생각해야 할 점은 콘크리트의 품질을 높이려면 시멘트 입자가 수화반응을 할 수 있도록 계속 물을 공급해 주는 것이 중요하다는 점입니다. 그래서 콘크리트 표준시방서에서도 습윤양생기간의 표준을 정하고 있습니다.

 

▶ 콘크리트 습윤양생기간의 표준

 

시멘트가 굳는데 얼마나 걸릴까?

이론적으로 보면 시멘트 입자가 물과 만나는 한 수화반응은 계속 일어날 수 있고 콘크리트는 계속 단단해질 것입니다. 그런데 현실적으로 마냥 기다릴 수는 없습니다. 콘크리트가 완전히 굳었을 때를 100%라고 한다면 보통 4주(28일)가 지나면 80% 정도 굳어진다고 합니다.

그러니까 우리가 콘크리트 강도라고 부르는 것은 콘크리트를 치고 28일이 지나면 나타날 것이라고 기대하는 강도를 말합니다. 무려 한 달 정도가 지나야 충분히 강도를 발휘할 수 있습니다. 당연히 한 달 동안은 수화반응이 잘 일어날 수 있게 물도 잘 뿌려주고 잘 보호해주어야 합니다. 무거운 물건을 올리거나 충격을 주면 안 됩니다.

 

▶ 레미콘의 규격

▶ 레미콘 품질 시험(받아들이기 검사)

 

시멘트가 굳는데 물은 얼마나 필요할까?

콘크리트를 만들 때 불필요하게 많은 물을 넣으면 품질이 나빠집니다. 강도도 떨어지고 부피가 줄어드는 것도 심해집니다. 균열이 잘 생길 수 밖에 없습니다.

 

 

 

수화생성물의 현미경 구조

 

 

수화반응이 일어나면 규산칼슘수화물이 생성된다고 했습니다. 화학 기호로 3CaO·2SiO₂·3H₂O라고 씁니다. 마지막에 물 분자가 달라붙어 있습니다. 이렇게 규산칼슘수화물을 생성하는데 필요한 양(결합수)은 이론적으로 25% 정도로 알려져 있습니다.

그리고 수화물 사이의 겔 공극(Gel pores)에 채워지는 물의 양(겔수)이 15% 정도입니다. 그러니까 시멘트 중량 대비 40% 정도의 물만 있으면 됩니다. 그런데 이렇게 배합하면 너무 뻑뻑해서 작업을 할 수가 없다. 그래서 좀더 부드러워지라고 물을 더 넣을 수밖에 없습니다.

이렇게 추가로 더 넣은 물은 콘크리트 속에 뭉쳐서 모세관 공극(Capillary pores)을 만들어냅니다. 물은 표면장력이 있어서 뭉치는 성질이 강합니다. 물이 많아지면 콘크리트 속에 뭉쳐서 구멍을이 생기는 것입니다. 물은 적게 넣을수록 좋습니다.

 

시멘트에 대해서는 다음 내용을 참고하세요.

■ 시멘트/콘크리트 관련 표준 용어 모음

■ 시멘트의 제조와 화학성분

■ 포틀랜드 시멘트의 종류와 특성

■ 시멘트의 품질 시험 - 비중, 강열 감량

 

■ 시멘트의 표준 주도(Consistency) - 반죽 질기

■ 시멘트의 응결 시간 - 비카트

■ 시멘트의 분말도 측정 - 블레인 공기 투과 장치

 

■ 시멘트의 풍화(Aeration)

 

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