석회
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1. 개요
석회는 석회암을 소성하여 생산하며, 건축 자재, 제강, 화학 공업 등 다양한 용도로 사용되는 물질이다. 석회는 주로 탄산 칼슘 또는 마그네슘을 함유한 암석인 석회암을 원료로 하며, 석회암을 900℃ 정도로 가열하면 생석회가 생성된다. 생석회는 물과 반응하여 소석회(수산화 칼슘)가 되며, 건조제, 토양 개량, 화학 공업 등 여러 분야에서 활용된다. 건축 자재로 사용되는 석회는 순수 석회, 수경성 석회, 빈약한 석회 등으로 분류되며, 로마 콘크리트와 같은 다양한 건축 재료의 핵심 성분으로 사용되었다.
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| 석회 | |
|---|---|
| 개요 | |
 | |
| 종류 | 산화 칼슘 (생석회) 수산화 칼슘 (소석회) |
| 화학적 성질 | |
| 화학식 | CaO (산화 칼슘) Ca(OH)₂ (수산화 칼슘) |
| 명명법 | |
| IUPAC 명칭 | 산화 칼슘 수산화 칼슘 |
| 다른 이름 | 생석회 (산화 칼슘) 소석회 (수산화 칼슘) |
| 성질 (산화 칼슘) | |
| 몰 질량 | 56.0774 g/mol |
| 밀도 | 3.34 g/cm³ |
| 녹는점 | 2,572 °C |
| 끓는점 | 2,850 °C |
| 용해도 (물) | 격렬하게 반응하여 수산화 칼슘 생성 |
| 성질 (수산화 칼슘) | |
| 몰 질량 | 74.093 g/mol |
| 밀도 | 2.211 g/cm³ |
| 녹는점 | 580 °C (분해) |
| 용해도 (물) | 0.173 g/100 mL (20 °C) |
| 구조 | |
| |
| |
| 위험성 | |
| GHS 그림 문자 | 해당 없음 |
| GHS 신호어 | 경고 |
| GHS 유해 문구 | H315 (피부 자극) H318 (심한 눈 손상) H335 (호흡기 자극) |
| GHS 예방 문구 | P261 (분진 흡입 방지) P280 (보호 장갑/보호 의류/눈 보호구/얼굴 보호구 착용) P305 + P351 + P338 (눈에 들어가면 다량의 물로 씻어내고 콘택트 렌즈 제거 후 계속 씻어내기) P310 (즉시 의료 조치 받기) |
| 관련 화합물 | |
| 관련 음이온 | 산화물, 수산화물 |
| 관련 양이온 | 칼슘 화합물 |
2. 생산
석회는 주로 석회암을 가공하여 생산한다. 석회 산업에서는 탄산 칼슘 또는 탄산 마그네슘을 80% 이상 함유한 암석을 석회암이라고 통칭하며, 대리석, 백악, 알갱이암 등이 이에 해당한다. 석회는 벽돌과 돌에 접착하는 성질이 있어 조적 작업에서 결합 모르타르로 자주 사용되며, 벽면 코팅으로 백색 도장에도 사용된다.
2. 1. 석회암
석회암은 광산이나 채석장에서 얻으며, 80% 이상의 칼슘 또는 마그네슘 탄산염을 함유한 암석을 통칭한다. 대리석, 백악, 알갱이암, 마르 등이 이에 해당한다. 구성 성분에 따라 고칼슘석회암, 점토질 석회암, 규산염 석회암, 역암 석회암, 마그네슘 석회암, 돌로마이트 석회암, 기타 석회암 등으로 세분화된다.[5] 드물게는 산호, 조개 껍질, 방해석 및 연철석 등도 석회의 원료로 사용된다.채취된 석회암 중 화학적 조성과 입도에 따라 선별된 일부는 소성로에서 약 900℃로 소성되어 생석회를 생산하는 원료로 사용된다.
2. 2. 생석회 (산화 칼슘)
석회암을 소성로에서 약 900°C로 가열하여 생석회(산화 칼슘)를 생산한다.[6] 반응식은 다음과 같다.[6]: CaCO3 + 열 → CaO + CO2
생석회는 물과 반응하여 수화될 수 있다. 이 과정을 소성이라고 하며, 생성되는 수산화 칼슘은 소석회라고도 불린다. 반응식은 다음과 같다.
: CaO + H2O → Ca(OH)2
생석회를 수화시키기에 충분하지만 가루 상태를 유지할 정도로 물을 첨가하는 방식을 건식 소성이라고 하며, 이렇게 만들어진 것을 수산화 석회라고 부른다. 습식 소성은 생석회를 수화시키기 위해 약간 과량의 물을 첨가하여 석회 반죽 형태로 만드는 방식이다.
2. 3. 소석회 (수산화 칼슘)
생석회에 물을 가하면 열을 내면서 수산화 칼슘을 생성하는데, 이를 소석회라고 한다.[20][21] 건식 소성은 생석회를 수화시키기에 충분하지만, 가루 상태를 유지할 정도로 물을 첨가하는 방식이다. 습식 소성은 생석회를 수화시키기 위해 과량의 물을 첨가하여 석회 반죽 형태로 만드는 방식이다.화학 반응식은 다음과 같다.
:
석회 가마에서 꺼낸 석회에 물을 뿌리면 살아있는 것처럼 수증기와 열기가 나오기 때문에 "생석회", 거기에 더 물을 뿌리면 침전하기 때문에 "소석회"라고 불리게 되었다.[21]
3. 석회 사이클
석회석(탄산 칼슘)을 가열하여 생석회로 만들고, 물을 넣어 소석회로 변환한 다음, 탄산화 작용을 통해 자연적으로 탄산 칼슘으로 되돌아가는 과정을 '석회 사이클'이라고 한다.[7] 이 과정에서 존재하는 조건과 화합물은 최종 생성물의 물리적 특성에 큰 영향을 준다.[8]
예를 들어 소석회(수산화 칼슘)를 모래, 물과 섞어 건축용 모르타르를 만들 수 있다. 조적 공사가 끝나면 모르타르 안의 소석회는 이산화탄소와 천천히 반응하여 탄산 칼슘(석회석)을 생성한다. 반응식은 다음과 같다.
:Ca(OH)2 + CO2 → CaCO3 + H2O.
이때 이산화탄소는 주로 공기 중이나 빗물에 녹아 있으므로, 순수한 석회 모르타르는 물속이나 두꺼운 벽돌 벽 안에서는 다시 탄산화되지 않는다.
석회는 고대 이집트에서 발명된 모르타르, 근대 건축의 콘크리트, 전통 일본 가옥의 흰 벽에 쓰이는 석회 반죽 등의 건축 자재 원료로 사용된다.
분말 석회에 물을 섞어 반죽한 후 건조시키면 공기 중의 탄산 가스를 흡수하여 굳어지면서 내수성과 내화성을 갖게 되는 성질이 이용된다.[21]
3. 1. 돌로마이트 석회 및 마그네슘 석회
돌로마이트 석회 및 마그네슘 석회에 대한 석회 사이클은 잘 알려져 있지 않으며,[8] 마그네슘 화합물이 산화 칼슘보다 더 느리게 수화되는 페리클레이스로 슬레이크되고 수화 시 여러 다른 화합물을 생성하기 때문에 더 복잡하다. 따라서 이러한 석회에는 포틀란다이트, 브루사이트, 마그네사이트 및 기타 마그네슘 하이드록시탄산염 화합물이 포함되어 있다. 이러한 마그네슘 화합물은 매우 제한적인 연구가 이루어졌으며, 산성비와 유의미하게 반응하여 황산 마그네슘염을 형성할 수 있는지에 대한 의문이 제기된다.[10] 황산마그네슘염은 건조되고 재결정될 때 결정이 팽창하여 모르타르를 손상시킬 수 있으며, 이를 황산염 공격이라고 한다.4. 건축 재료
건축 자재로 사용되는 석회는 "순수", "수경성", "빈약한" 석회 등으로 분류되며,[11] ''자연산'' 또는 ''인공적''일 수 있고, 마그네슘 함량에 따라 돌로마이트 석회 또는 마그네슘 석회 등으로 더 세분화할 수 있다. 석회는 석회 모르타르, 석회 플라스터, 석회 마감, 석회-재 바닥, 태비 콘크리트, 백색 도료, 규산염 광물 페인트, 여러 종류의 석회암 블록 등 다양한 형태로 사용된다. 가공된 석회의 품질은 사용 방식에 영향을 미친다.
석회는 응집성, 접착성, 공기 함량, 수분 함량, 결정 형태, 보드 수명, 확산성, 유동성 등 건축 자재로서 다양한 품질을 가진다. 접착 강도, 압축 강도, 경화 시간, 모래 운반 능력, 수경성, 유리 석회 함량, 증기 투과성, 유연성, 황산염 저항성 등도 중요한 품질 요소이다.[12] 이러한 품질은 석회 원자재, 연료 배기 가스의 화합물 포함, 소성 온도 및 기간, 소화 방법(핫 믹스, 건식 소화, 습식 소화), 집합체 및 물과의 혼합 비율, 집합체의 크기 및 유형, 혼합수 내 오염 물질, 작업성, 경화 중 건조 속도 등 제조 및 설치의 각 단계에서 많은 요인에 의해 영향을 받는다.[12]
건축 자재로서 고대 이집트에서 발명된 모르타르, 근대 건축에 없어서는 안 될 콘크리트, 그리고 전통적인 일본 가옥의 흰 벽에 사용하는 석회 반죽의 원재료이기도 하다. 분말 석회에 물을 섞어 반죽한 후 다시 건조시키면 공기 중의 탄산 가스를 흡수하여 굳어지고, 내수성 및 내화성을 갖게 되는 성질을 이용하고 있다.[21]
4. 1. 종류
순수 석회는 리치 석회, 일반 석회, 공기 석회, 소석회, 슬랙 석회, 피클 석회, 수화 석회, 고칼슘 석회라고도 불린다. 주로 생석회(산화칼슘)를 소화하여 얻은 수산화 칼슘으로 구성되며, 최대 5%의 다른 성분을 포함할 수 있다. 공기 중의 이산화 탄소와 수분과의 접촉을 통해 매우 천천히 경화된다. 수경성 석회가 아니므로 물속에서는 경화되지 않는다. 순백색이며 백색 도료, 플라스터, 모르타르에 사용된다. 물에 용해되는 탄산을 함유하고 있는데, 탄산은 이산화탄소를 물에 용해한 자연 약산이자 산성비이므로 천천히 씻겨 내려간다. 하지만 이 특성은 용해된 석회가 재료의 균열로 흘러 들어가 재침착되어 자동으로 균열을 복구하는 자생적 또는 자가 치유 과정을 생성하기도 한다.[11]반수경성 석회는 부분적으로 수경성 석회 및 회색 석회라고도 하며, 처음에는 물로 경화된 다음 공기로 계속 경화된다. 수경성 석회와 유사하지만 용해성이 적은 실리카(일반적으로 최소 6%)와 알루미네이트를 함유하며 물속에서 경화되지만 절대 경화되지 않는다.[13]
수경성 석회는 ''워터 석회''라고도 불리며, 실리카 또는 알루미나를 함유하고 있어 물에 노출되면 경화되며 물속에서도 경화될 수 있다.[14] ''자연 수경성 석회''(NHL)는 자연적으로 일부 점토를 함유한 석회암으로 만들어진다. ''인공 수경성 석회''는 소성 과정에서 점토와 같은 형태의 실리카 또는 알루미나를 석회암에 첨가하거나 포졸란을 순수 석회에 첨가하여 만들어진다.[13] 수경성 석회는 강도에 따라 ''약'', ''중'', ''우수'' 수경성 석회로 분류된다. 약 수경성 석회는 5~10%의 점토를 함유하며 몇 분 안에 소화되고 약 3주 안에 경화된다. 덜 비싼 작업과 온화한 기후에 사용된다. 중 수경성 석회는 11~20%의 점토를 함유하며 한두 시간 안에 소화되고 약 1주일 안에 경화된다. 더 나은 품질의 작업과 추운 기후의 외벽에 사용된다. 우수 수경성 석회는 21~30%의 점토를 함유하며 매우 천천히 소화되고 약 하루 안에 경화된다. 습한 지역 및 해수 근처와 같은 가혹한 환경에서 사용된다. 수경성 석회는 옅은 흰색을 띤다.[1]
빈약한 석회는 린 석회 또는 빈약한 석회라고도 하며, 매우 천천히 경화되고 접착력이 약하다. 회색을 띤다.
마그네슘 석회는 5% 이상의 산화 마그네슘(BS 6100) 또는 5~35%의 탄산 마그네슘(ASTM C 59-91)을 함유하고 있다.[15] 돌로마이트 석회는 35~46%의 탄산마그네슘(ASTM C 59-91)을 함유하여 마그네슘 함량이 높다.[15] 돌로마이트 석회는 이탈리아와 오스트리아 알프스의 돌로미테 산맥의 이름을 따서 명명되었다.[16]
미국에서 가장 일반적으로 사용되는 조적 석회는 Type S 수화 석회이며, 가소성, 보수성 등의 품질을 향상시키기 위해 포틀랜드 시멘트에 첨가한다. Type S의 S는 특수를 의미하며, N은 보통을 의미하는 Type N 수화 석회와 구별된다. Type S의 특별한 속성은 "...높은 초기 가소성과 높은 보수성을 개발하는 능력과 비수화 산화물 함량의 제한"이다.[17] Type S라는 용어는 1946년 ASTM C 207 조적용 수화 석회에서 유래되었다. Type S 석회는 거의 항상 돌로마이트 석회이며, 오토클레이브에서 열과 압력 하에 수화되며, 모르타르, 시멘트 마감, 회반죽, 플라스터에 사용된다. Type S 석회는 생산 중 높은 소성 온도로 인해 모르타르의 순수한 결합제로서는 신뢰할 수 없는 것으로 간주된다.
캉카르 석회는 탄산칼슘의 일종인 캉카르로 만들어진다.
헨리 영 다라코트 스콧의 이름을 딴 셀레나이트 석회는 약 5%의 석고 플라스터(소성된 석고)가 첨가된 Lias Group과 같은 회색 백악 또는 유사 석회 시멘트이다.[13] 셀레나이트는 일종의 석고이지만, 셀레나이트 시멘트는 황산염 또는 황산의 모든 형태를 사용하여 만들 수 있다.[18] 황산염은 소화를 억제하고, 시멘트를 빠르게 경화시키고 강하게 만든다.
4. 2. 로마 콘크리트
로마인들은 석회와 화산재를 혼합하여 포졸란 반응을 일으켜 콘크리트를 만들었다.[19] 이를 화산 응회암과 혼합하여 해수 아래에 두면, 해수가 발열 반응으로 석회를 수화시켜 혼합물을 굳게 했다.[19]5. 용도
생석회(산화 칼슘)는 제강용 부원료로 가장 많이 사용되며, 불순물을 제거하는 조재제로 이용된다.[20] 이 외에도 화학 공업, 농약, 건재 제조 등에 이용된다.[20] 생석회는 강한 흡습성을 가지므로 건조제로 사용되는 경우도 많다.[21] 또한, 생석회와 탄소 소재를 전기로에서 가열 반응시킨 후 냉각 고화시킨 카바이드는 석회 질소나 아세틸렌 제조의 원료가 된다.[20]
소석회(수산화 칼슘)는 표백제나 소다 제조 등의 화학 공업, 미장 재료의 옻칠, 비료나 식품 제조에 이용된다.[20] 소석회는 알칼리성이며 산성화된 토양에 뿌리는 중화제로도 사용된다.[21] 에도 시대 후기부터 밭에 석회를 투입하여 수확량을 늘렸다.[22] 운동장이나 야구장 등에서 백선을 긋기 위한 라인 마킹에도 사용되어 왔지만, 알칼리성을 띠어 만지면 피부에 발진이 생길 위험이 있으며 눈에 들어가면 시력 저하를 일으키는 등의 문제가 지적되어, 보다 안전성이 높은 탄산 칼슘이 사용되기 시작했다. 프레스코화의 원료이기도 하다.
5. 1. 제강
생석회(산화 칼슘)는 제강용으로 가장 많이 사용되는 부원료이며, 불순물을 제거하는 조재제(造滓劑)로 이용된다.[20]5. 2. 화학 공업
생석회(산화 칼슘)는 제강용 부원료로 가장 많이 사용되며, 불순물을 제거하는 조재제(造滓劑)로 이용된다.[20] 이 외에도 화학 공업, 농약, 건재 제조 등에 이용된다.[20] 생석회는 강한 흡습성을 가지므로 건조제로 사용되는 경우도 많다.[21] 또한, 생석회와 탄소 소재를 전기로에서 가열 반응시킨 후 냉각 고화시킨 카바이드는 석회 질소나 아세틸렌 제조의 원료가 된다.[20]소석회(수산화 칼슘)는 표백제나 소다 제조 등의 화학 공업, 미장 재료의 옻칠, 비료나 식품 제조에 이용된다.[20] 소석회는 알칼리성이며 산성화된 토양에 뿌리는 중화제로도 사용된다.[21] 운동장이나 야구장 등에서 백선을 긋기 위한 라인 마킹에도 사용되어 왔지만, 알칼리성을 띠어 만지면 피부에 발진이 생길 위험이 있으며 눈에 들어가면 시력 저하를 일으키는 등의 문제가 지적되어, 보다 안전성이 높은 탄산 칼슘이 사용되기 시작했다. 프레스코화의 원료이기도 하다.
5. 3. 건조제
생석회(산화 칼슘)는 강한 흡습성을 가지므로 건조제로 사용되는 경우가 많다.[21]5. 4. 토양 개량
소석회(수산화 칼슘)는 알칼리성을 띠며, 산성화된 토양을 중화하는 데 사용된다.[21] 일본에서는 에도 시대 후기부터 밭에 석회를 투입하여 수확량을 늘렸다. 당시 석회는 유통되던 금비보다 가격이 훨씬 저렴하여 비료의 일종으로 귀하게 여겨졌다.[22]5. 5. 기타
생석회(산화 칼슘)와 탄소 소재를 전기로에서 가열 반응시킨 후 냉각 고화시킨 카바이드는 석회 질소나 아세틸렌 제조의 원료가 된다.[20]소석회(수산화 칼슘)는 표백제나 소다 제조 등의 화학 공업, 미장 재료의 옻칠, 비료나 식품 제조에 이용된다.[20] 소석회는 알칼리성이며 산성화된 토양에 뿌리는 중화제로도 사용된다.[21] 운동장이나 야구장 등에서 백선을 긋기 위한 라인 마킹에도 사용되어 왔지만, 알칼리성을 띠어 만지면 피부에 발진이 생길 위험이 있으며 눈에 들어가면 시력 저하를 일으키는 등의 문제가 지적되어, 보다 안전성이 높은 탄산 칼슘이 사용되기 시작했다. 프레스코화의 원료이기도 하다.
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