KR100702472B1

KR100702472B1 - 초조강 포트랜드 시멘트

Info

Publication number: KR100702472B1
Application number: KR1020050090154A
Authority: KR
Inventors: 백태윤; 전종협
Original assignee: 화인미셀공업(주); 전종협
Priority date: 2005-09-27
Filing date: 2005-09-27
Publication date: 2007-04-04
Also published as: KR20070035378A

Abstract

본 발명은 초조강성 포트랜드 시멘트에 관한 것으로, 중량비로 70% 이상의 일반 포트랜드 시멘트 또는 클링커와; 석고, 아우인(4CaO·3Al₂O_3·SO₃)계 시멘트 또는 클링커, 감수제 또는 고유동화제를 30% 이하로 포함한다. 본 발명에 따르면, 기존의 초조강 포트랜드 시멘트 보다 낮은 제조 원가로 제조하면서도 비표면적이 작고 경화가 빠르며 초기 강도 및 후기 강도가 월등히 우수하여 초조강 포트랜트 시멘트의 수요를 크게 확대시킬 수 있을 것이다.

초조강, 포트랜드 시멘트, 아우인

Description

초조강 포트랜드 시멘트{SUPER　HIGH EARLY STRENGTH PORTLAND CEMENT}

도 1은 본 발명에 따른 초조강 포트랜드 시멘트의 양생 기간별 수화 생성물의 X-선 회절분석 결과를 보인 그래프.

본 발명은 초조강 포트랜드 시멘트에 관한 것으로, 상세하게는 새로운 원료 배합으로 제조 원가를 대폭 낮추어 사용 범위를 확대시킨 초조강 포트랜드 시멘트에 관한 것이다.

시멘트는 건축재료로서 사용되는 접합제로서, 인류는 수천 년 전부터 시멘트를 사용하여 왔는데, 피라미드에 사용된 시멘트는 석회와 석고를 혼합한 것이고, 로마시대에는 석회와 화산재를 혼합한 것이다. 이들 시멘트들은 기경성(氣硬性) 시멘트로서 18세기경까지 사용되었으며, 수경성(水硬性) 시멘트가 나온 것은 1756 - 1759년경이며, 그 후 석회석과 점토를 혼합한 원료를 구워서 시멘트를 만들었는데, 겉모양, 빛깔 등이 포트랜드섬의 천연석과 비슷하다고 하여 포트랜드 시멘트라 명명하였다.

오늘날 흔히 시멘트로 불리는 것은 포트랜드 시멘트이다. 포트랜드 시멘트는 주성분으로 석회, 실리카, 알루미나, 산화철을 함유하는 원료를 적당한 비율로 충분히 혼합하여 그 일부가 용융하여, 소성(燒成)된 클링커(clinker)에 적당량의 석고를 가하여 분말로 한 것이다. 포트랜드 시멘트는 주로 석회질 원료와 점토질 원료를 적당한 비율로 혼합하여(성분을 조절하기 위하여 규산질 원료와 산화철 원료를 첨가하기도 한다) 미분쇄하고 그 일부가 용융할 때까지(약 1,450℃) 소성하여 얻어지는 클링커에 응결조절제(凝結調節劑)로서 약간의 석고를 가하여 미분쇄하여 만든다.

포트랜드 시멘트를 물로 반죽하면 얼마 후 유동성을 잃고 굳어지는데 이 과정을 응결(setting)이라 하며, 그 후 강도를 가지게 되는 과정을 경화라고 한다. 시멘트의 구성화합물 중 규산삼석회는 수화(水和)가 빠르며 강도 발현도 좋아 조기강도에 기여한다. 규산이석회는 수화속도가 늦고 장기에 걸쳐 강도를 증진시킨다. 알루민산삼석회는 다른 구성화합물보다 수화속도가 빨라 물과 급격히 반응하여 굳는다. 이때 석고가 있으면 석고와의 반응으로 응결시간이 조절된다. 시멘트의 구성화합물은 수화시 수화열을 발생한다. 수화열은 알루민산삼석회가 가장 크며 규산삼석회가 그 다음이다. 따라서 조기강도를 요하는 조강(早强) 시멘트에는 규산삼석회의 양이 많은 것이 요구되며, 댐과 같은 대형 구조물에 쓰이는 시멘트에는 알루민산삼석회나 규산삼석회의 양이 제한된다.

포트랜드 시멘트는 그 용도 및 특징에 따라 다음과 같이 구분되는데, 보통 포트랜드시멘트(1종)는　범용성 시멘트로서 일반콘크리트 건축 및 토목공사에 사용 되고, 중용열 포트랜드시멘트(2종)는　수화열이 낮고 균열 및 건조수축이 작으며 장기강도가 높아 도로 포장이나 댐공사 등 대형 공사에 이용된다. 조강 포트랜드시멘트(3종)는　저온에 사용하며, 단기에 높은 강도를 발현하기 때문에 긴급공사나 콘크리트 2차 제품에 주로 이용된다. 저열 포트랜드시멘트(4종)는　수화열이 낮고 중용열 시멘트와 동일한 특성을 가지고 있어 대형 콘크리트 공사에 주로 이용된다.

내황산염 포트랜드시멘트(5종)는　유지 황산염에 대한 저항성이 강하여 지하수 및 공장 배수시설, 폐기물 처리, 해안 구조물 등에 이용된다.

초조강 포트랜드 시멘트의 1일 압축 강도는 실용 강도인 200kg/cm² 이상으로서 1일 시멘트(“one day cement") 라고도 불리우는데, 그 용도가 무한하다. 그러나 초조강 포트랜드 시멘트는 제조 원가 부담이 크기 때문에 그 수요가 제한되어 있는 실정이다.

종래의 초조강 포트랜드 시멘트는 수화 속도를 향상시키고 소성을 용이하게 하도록 원료를 조합하고, 소성 온도와 로(kiln) 내 체류 시간 및 냉각 속도를 조절하며, 시멘트 클링커를 미분쇄(비표면적 6000 - 7000 cm²/g)하는 등 여러 가지 제조 원가 상승 요인을 갖고 있다.

따라서, 본 발명의 목적은 초조강 포트랜드 시멘트를 보다 경제적인 방법으로 제조하기 위하여 새로운 시멘트 조성물을 제공하는데 목적이 있다.

또한, 본 발명의 다른 목적은 초조강 포트랜드 시멘트의 수요 및 사용 범위 를 확대하는데 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 중량비로 70% 이상의 일반 포트랜드 시멘트 또는 클링커와; 석고, 아우인(4CaO·3Al₂O_3·SO₃)계 시멘트 또는 클링커, 감수제 또는 고유동화제를 30% 이하로 포함하는 초조강성 포트랜드 시멘트를 제공한다.

상기 아우인(4CaO·3Al₂O_3·SO₃)은 Cm(석회포화비) = 0.80 이상, A/S'(알루미나무수황산비) = 2.5-5.0이 되도록 배합된 원료로부터 제조되며, 특히 배합된 원료를 1250 ~ 1400℃의 고온에서 소성하여 얻어진 것을 특징으로 한다.

상기 아우인(4CaO·3Al₂O_3·SO₃)은 중량비로 4 ~ 8%의 범위로 포함되는 것이 적당하며, 석고는 4 ~ 10%, 감수제 또는 고유동화제는 0.3% 이상의 범위가 적당하다. 감수제 또는 고유동화제의 종류로는 일반적으로 시멘트 조성물에 사용되는 물질이면 모두 사용할 수 있고 특별한 제한은 없다.

본 발명에 따른 초조강 포트랜드 시멘트는 보통 시멘트를 주재료로 사용하고 여기에 석고(이수석고 또는 무수석고), 아우인(4CaO·3Al₂O_3·SO₃), 고유동화제(또는 감수제)를 혼합하여 경제적으로 제조할 수 있는 장점이 있다.

이렇게 제조된 초조강 포트랜드 시멘트의 물리적인 성능은 일본공업규격(JIS R5210 : 초조강 포트랜드 시멘트)의 품질 규격을 만족시킬 뿐만 아니라 여러 해외 국가에서 생산되는 제품 보다 품질 면에서도 매우 우수하다.

본 발명에 따른 초조강 포트랜드 시멘트는 주재료로서 보통의 시멘트(즉, 일반적인 포트랜드 시멘트)를 사용하면서도 그 제조 공정이 단순한 혼합 공정만으로 이루어지기 때문에 제조상 경제성을 확보할 수 있다는 장점이 있다. 따라서, 제조 원가를 크게 낮출 수 있기 때문에 초조강 포트랜드 시멘트의 수요를 더욱 확대시킬 수 있을 것으로 기대된다.

현재 기존의 제조 방법으로 얻어지는 초조강 포트랜트 시멘트의 시중 가격은 일반적인 포트랜드 시멘트의 4 - 5 배에 달한다. 본 발명의 초조강 포트랜드 시멘트의 제조 원가가 일반 시멘트와 근사한 차라는 것을 감안하면 본 발명으로 인하여 초조강 포트랜드 시멘트의 수요가 대폭 확대될 것이라는 점은 충분히 예측할 수 있을 것이다. 이러한 효과는 초조강 시멘트 분야의 일대 개혁이라고 할만하며 관련 산업에 미치는 파급 효과도 매우 클 것으로 예상된다.

본 발명의 초조강 포트랜드 시멘트가 초조강성과 고강도 특성을 발현할 수 있는 이유는 시멘트의 수화 초기에 보통의 포트랜드 시멘트로부터 산화칼슘(CaO)과 석고(CaSO_4·2H2O, CaSO₄), 아우인(4CaO·3Al₂O_3·SO₃) 성분이 에트린자이트(ettringite)(3CaO·Al₂O_3·3CaSO_4·32H₂O) 수화물을 생성하며, 이로 인하여 시멘트의 강도, 특히 초기 강도를 크게 발현시킬 수 있기 때문이다. 이러한 에트린자이트의 생성 반응은 아래와 같다.

[반응식]

4CaO·3Al₂O_3·SO₃ + 6CaO + 3CaSO₄ + 32H₂O --> 3CaO·Al₂O_3·3CaSO_4·32H₂O

본 발명에서 사용되는 상기 아우인(4CaO·3Al₂O_3·SO₃)은 CaO 성분인 석회석, Al₂O₃ 성분인 보-크사이트 또는 알루미나 성분을 함유하고 있는 무기재료, 및 SO₃ 성분인 석고를 다음과 같은 배합비가 되도록 조합하고,

Cm(석회포화비 : Cm = C-0.7(F+T+S')/1.87S+0.55A ) = 0.80 이상,

A/S'(알루미나무수황산비) = 2.5-5.0

(여기서, C:CaOwt%, F:Fe₂O₃wt%, T:TiO₂wt%, S':SO₃wt%, S:SiO₂wt%, A:Al₂O₃wt%를 각각 나타낸다.)

조합된 원료를 1250 ~ 1400℃의 고온에서 소성하여 얻는다.

제조된 아우인계 칼슘알루미노썰페이트는 다량의 4CaO·3Al₂O_3·SO₃와 소량의 2CaO·SiO₂ 광물을 함유할 수 있으며, 결정 크기가 저온 소성(1200℃ 이하)에 의하여 제조된 아우인계 시멘트(또는 클링커)에 비하여 크다. 이렇게 고온 소성에 의하여 얻어진 아우인계 시멘트 또는 클링커는 시멘트의 수화 경화체에서 급경성, 고강도, 팽창성을 발휘한다.

일반적으로 시멘트의 성능상 취약점은 시멘트 경화체 내에 존재하는 다세공체(多細空體)이다. 시멘트 경화체에서 수화생성물 속의 겔(gel) 공극과 모세관의 유리수에 흡착되어 있다가 이 유리수의 대부분이 건조시에 증발되는데, 이때 유리수가 증발됨과 더불어 모세관 장력이 발생하여 수축이 일어나면서 균열을 야기하는 것이 시멘트의 큰 단점이라고 할 수 있다.

그러나, 본 발명의 초조강 포트랜드 시멘트의 수화 반응에서는 위 반응식과 같이 팽창성을 가진 에트린자이트 수화물이 생성됨으로써, 이 수화물의 침상 결정이 공극을 메우게 되고 그 결과 시멘트 경화체가 치밀하게 된다. 따라서 시멘트의 강도가 증진되고 건조 수축은 억제되어 경화체의 균열 발생을 방지할 수 있는 장점이 있다.

본 발명의 초조강 포트랜드 시멘트의 수화에 있어서 수화 초기에 초조강성의 강도를 발현하는 것은 에트린자이트 수화물이 생성되는 것에 기인하며, 에트린 자이트 수화 생성물은 도 1의 양생 기간별 수화 생성물의 X-선 회절분석 결과에 나타낸 바와 같이 수화 초기에 생성되는 것을 확인할 수 있다.

이하, 본 발명에 따른 초조강 포트랜드 시멘트 제조방법의 구체적인 실시예를 설명한다. 그러나 이러한 실시예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 것일 뿐 본 발명의 권리범위를 제한하기 위한 것으로 이해해서는 안되며, 본 발명은 후술하는 특허청구범위에 제시된 기술적 사상의 범위 내에서 권리범위가 결정될 것이다.

실시예 1

중량비로 일반적인 포트랜드 시멘트(또는 클링커) 89%와 석고 4.5%, 아우인 5% 그리고 고유동화제 0.5%를 혼합하였다. 이 시멘트 혼합물의 표준 혼수량(w/c %)을 40으로 하였으며, 제조된 초조강 포트랜드 시멘트의 물성으로서 비표면적과 응결 시간 및 시간에 따른 압축 강도 변화를 조사하였다.

실시예 2

중량비로 일반적인 포트랜드 시멘트(또는 클링커) 81.4%와 석고 10%, 아우인 8% 그리고 고유동화제 0.6%를 혼합하였다. 이 시멘트 혼합물의 표준 혼수량(w/c %)을 40으로 하였으며, 제조된 초조강 포트랜드 시멘트의 물성으로서 비표면적과 응결 시간 및 시간에 따른 압축 강도 변화를 조사하였다.

각 실시예에 따라 제조된 포트랜드 시멘트의 물성을 조사하여 다음의 표에 나타내었다. 비교예로서 기존의 초조강 포트랜드 시멘트의 물성을 함께 나타내었다.(비교예의 경우 함수량은 49이었다.)

[표 1] 물성 측정 결과

		실시예1	실시예2	비교예
비표면적(cm²/g)		3320	3280	6220
응결시간	초결	1:55	1:10	1:50
응결시간	종결	2:25	1:38	2:45
압축강도 (kg/cm²)	1일	260	268	215
	3일	408	410	335
	7일	486	494	421
	28일	562	570	514

비교예인 기존의 초조강 포트랜드 시멘트와 비교할 때 모든 물성 측정 결과에 있어서 본 발명의 실시예에 따른 초조강 포트랜드 시멘트가 우수한 것을 알 수 있다.

본 발명의 상기 실시예 1에 따라 제조된 초조강 포트랜드 시멘트와 기존의 타사 제품과의 물성을 비교하여 하기의 표 2에 나타내었다.

[표 2] 각 제품간의 물리적 성능 비교

	비표면적 (cm²/g)	응결시간		압축강도 (kg/cm²)
	비표면적 (cm²/g)	초결	종결	1일	3일	7일	28일
JIS R5210	4,000 이상	45분 이상	10시간 이하	200 이상	300 이상	400 이상	500 이상
본 발명	3,520	1:55	2:25	260	408	486	562
O사제품(일본)	5,810	1:30	2:25	216	342	456	548
B사제품(영국)	7,710	2:08	3:15	165	337	428	542
D사제품(독일)	5,370	2:40	3:25	222	300	358	421

위 표의 성능 비교에서는 초조강 포트랜드 시멘트에 대한 한국공업규격이 아직 미비한 관계로 부득이 일본공업규격을 참조하였다. 물성 측정 결과를 보면 본 발명에 따른 초조강 포트랜드 시멘트는 일본공업규격 JIS R5210을 모두 만족하고 있을 뿐만 아니라, 비표면적이 작으면서도 경화가 빠르며 초기 강도 및 후기 강도가 타사 제품에 비하여 월등히 우수한 것을 알 수 있다.

이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명은 기존의 초조강 포트랜드 시멘트 보다 매우 낮은 제조비로 우수한 성능을 갖는 초조강 포트랜드 시멘트를 제공하며, 특히 제외국의 제품 보다 경화가 빠르며 초기 강도 및 후기 강도가 월등히 우수하여 초조강 포트랜트 시멘트의 수요를 크게 확대시킬 수 있을 것으로 기대된다.

Claims

석고 4~10 wt%;

아우인(4CaO·3Al₂O₃·SO₃) 4~8 wt%;

감수제 또는 고유동화제 0.3~3 wt%; 및

잔부인 일반 포트랜드 시멘트 또는 클링커;를 포함하여 이루어지며,

상기 아우인은 CaO 성분으로서 석회석, Al₂O₃ 성분으로서 보-크사이트 또는 무기재료, 및 SO₃ 성분으로서 석고를 포함하되, Cm(석회포화비)(= C-0.7(F+T+S')/1.87S+0.55A)가 0.80 이상이고, A/S'(알루미나무수황산비)가 2.5~5.0 범위가 되도록 배합된 원료를 1250~1400℃의 온도에서 소성하여 제조된 것을 특징으로 하는 초조강 포트랜드 시멘트. (여기서, C: CaO wt%, F: Fe₂O₃ wt%, T: TiO₂ wt%, S': SO₃ wt%, S: SiO₂ wt%, A: Al₂O₃ wt%임)
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