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클링커를 구성하는 주요 화합물에는 알라이트, 벨라이트, 알루미네이트, 페라이트가 있습니다. 이 네 가지의 성분 비율을 어떻게 조절하느냐에 따라 시멘트의 용도와 성질도 달라지게 되는데요. 이에 시멘트 원재료 배합에 차이를 줌으로써 각 시멘트의 용도에 최적화된 성분 비율을 찾는 것이 무엇보다 중요합니다. 또한, 네 가지 화합물 모두 시멘트의 강도 및 수화반응, 건조와 수축 등에 크고 작은 영향을 미치는 만큼, 상보적 관계에 있는 이들 화합물의 특성을 정확하게 이해하고 각 광물의 적정한 비율을 준수해야 합니다.

앞서 시멘트는 석회석과 점토, 규석, 철광석 등의 원료를 혼합해 이를 미세하게 분쇄한 뒤 소성(燒成)하여 얻어진 3~25mm 크기의 다공질 덩어리, 클링커(Clinker)에 소량의 석고를 첨가해 미분쇄하는 과정을 거쳐야만 비로소 우리가 알고 있는 시멘트 형태가 만들어진다고 말씀드린 바 있습니다. 이처럼 시멘트의 원료를 1,500°C 이상의 고온에서 연소하면 산화칼슘(생석회)과 규소(실리카), 알루미늄, 산화철 등이 생성되는데요. 그럼, 이와 같은 시멘트의 주요 화학 성분들은 포틀랜드 시멘트의 종류와 상관 없이 모두 다 동일하게 나타날까요?

결론부터 말하자면 그렇지 않습니다. 이는 종류나 용도에 따라 덩어리 형태의 클링커가 형성되기 전, 시멘트의 원재료 배합 비율 자체를 다르게 함으로써 클링커 화합물의 성분에도 차이가 발생하도록 조절하여 생산하기 때문인데요. 원재료에 대한 배합을 어떻게 정하느냐에 따라 시멘트가 가지는 고유한 특성에는 크고 작은 변화가 일어납니다. 예를 들어 석회석의 양을 늘리면 규소와 산화칼슘이, 점토의 양을 늘리면 알루미늄 성분이 늘어나는 방식인데요. 이러한 과정을 통해 시멘트의 조기 및 장기 강도, 수화열, 화학적 저항성, 건조와 수축 등에 각기 다른 영향을 주게 됩니다. 이와 같은 미세한 원재료 배합 방식의 차이는 시멘트의 용도에 가장 적합한 성분 비율을 찾아가는 방식이자 KS 규격에 부합하는 양질의 제품을 생산하기 위한 필수적인 과정으로 이해하면 쉬울 것 같습니다.

클링커는 보통 알라이트(Alite: 규산3석회), 벨라이트(Belite: 규산2석회), 알루미네이트(Aluminate: 알루민산3석회), 페라이트(Ferrite: 철알루민산4석회)라고 불리는 네 가지 주요 화합물로 구성되어 있고, 각각의 성분 비율을 조절해 용도와 목적에 맞는 시멘트를 생산하게 됩니다. 그 중 알라이트와 벨라이트 비율이 75% 이상을 차지하는 것이 일반적인데요. 알라이트는 시멘트 반죽에 물을 가한 후 굳어지는 응결 과정에 가장 큰 영향을 주고, 수화반응 속도 역시 빠른 편이어서 28일 이내의 초기 강도를 좌우합니다. 물과의 반응성이 높기 때문에 순간 응결을 피하기 위해서는 석고를 가하면서 반응 속도를 조절해야 합니다. 가장 많이 사용하는 1종 보통 포틀랜드 시멘트와 3종 조강 포틀랜드 시멘트에서 알라이트의 비율이 가장 높게 나타납니다.

반면, 벨라이트는 수화열이 낮아 콘크리트의 극한 강도를 상승시키는 작용을 합니다. 이 때문에 매스 콘크리트의 경우에는 벨라이트 비중을 높이는 것이 일반적입니다. 수화반응 속도 역시 느린 편이라 28일 이후의 장기 강도에 영향을 주게 됩니다. 이에 대규모 댐이나 기둥, 항만, 지하 구조물 등을 건설하는 대규모 구조물 공사에서 주로 사용하는 4종 저열 포틀랜드 시멘트에서 장기간 수화 진행 및 수화열을 최소화하기 위해 벨라이트 함유량을 높이고, 알라이트와 알루미네이트의 비중을 낮추는 방식을 택하고 있습니다.

위의 두 가지 화합물과는 다르게 시멘트 분말 내에서 6~12% 정도의 비교적 낮은 비율을 차지하는 알루미네이트와 페라이트 역시 시멘트의 종류별 성질을 강화하기 위한 요소로 활용되고 있는데요. 먼저, 알루미네이트는 자연에서는 존재하지 않는 광물이지만 포틀랜드 시멘트에서는 매우 중요한 역할을 수행합니다. 특히, 물과의 반응 속도가 매우 빠르고, 수화열 또한 높아서 3종 조강 시멘트를 만들 때 알라이트와 함께 알루미네이트의 양도 함께 늘려 경화를 촉진시킵니다. 또한, 알루미네이트는 비교적 많은 열을 발생시키기 때문에 수중 팽창이 큰 반면, 공기 중 수축은 적은 편입니다. 이러한 특성 때문에 긴급 공사나 수중 공사, 한중 콘크리트 공사 등에 유리합니다. 반면, 5종 내황산염 포틀랜드 시멘트는 알루미네이트를 4% 이하로 철저히 제한하여 화학적 침식에 저항하는 방식으로 생산됩니다. 이럴 경우 내해수성이 우수해져 항만이나 하천, 원자력 발전소 등의 공사에 적합합니다.

마지막으로 페라이트는 철과 알루미늄, 산화칼슘으로 구성된 화합물입니다. 시멘트의 강도 발현 자체에는 크게 관여하지 않지만 알루미네이트 다음으로 수화반응 속도가 빠르고, 수화열과 건조 수축은 적은 편이지만 화학적 내성은 보통 수준으로 평가되는 요소입니다. 일반적으로 포틀랜드 시멘트에서 6~8% 정도의 비중을 차지하는데요. 페라이트의 비율이 상대적으로 가장 높은 시멘트에는 2종 중용열, 4종 저열 포틀랜드 시멘트를 꼽을 수 있습니다. 또한, 페라이트 성분이 많을수록 시멘트의 짙은 회색빛이 더욱 강하게 나타난다고 알려져 있습니다.

이처럼 클링커의 네 가지 주요 화합물들은 시멘트의 종류와 용도를 결정지을 뿐만 아니라 상보적 관계에 있습니다. 예를 들어 시멘트 원재료를 섞을 때 석회석의 양을 늘리면 알라이트가 증가하고, 이와 상보적 관계에 있는 벨라이트 양은 자연스럽게 감소합니다. 반대로 벨라이트 함유량을 늘려야 하는 4종 저열 포틀랜드 시멘트 같은 경우에는 석회석과 함께, 알루미나의 공급원인 점토의 양을 줄여서 알라이트와 알루미네이트 함유량을 동시에 낮춰야만 상대적으로 벨라이트 값이 증가하는 결과를 얻을 수 있게 됩니다. 이와 마찬가지로, 알루미네이트와 페라이트 역시 한쪽이 증가하면 다른 한쪽이 줄어든다는 점에서 동일한 관계적 특성을 가지고 있음을 확인할 수 있습니다.