포틀랜드 시멘트

"오늘의AI위키"는 AI 기술로 일관성 있고 체계적인 최신 지식을 제공하는 혁신 플랫폼입니다.
"오늘의AI위키"의 AI를 통해 더욱 풍부하고 폭넓은 지식 경험을 누리세요.

1. 개요
2. 역사
3. 성분
- 3.1. 주요 클링커 광물의 특징
4. 제조 공정
5. 종류
6. 환경 문제 및 지속 가능한 발전
참조

1. 개요

포틀랜드 시멘트는 1824년 영국의 조셉 애스핀이 개발한 건축 자재로, 포틀랜드 섬의 석회석과 유사한 색상에서 이름을 따왔다. 주요 성분은 규산칼슘이며, 클링커를 분쇄하여 만들어진다. 시멘트는 품질과 성질에 따라 보통, 조강, 중용열, 저열, 내황산염, 백색 시멘트 등 다양한 종류로 나뉘며, 한국산업표준(KS) 및 미국 재료 시험 협회(ASTM) 등에서 규정하고 있다. 제조 과정은 원료 혼합, 소성, 분쇄, 마무리 공정으로 이루어지며, 환경 문제와 지속 가능한 발전을 위해 이산화탄소 배출 감소 및 폐기물 활용 등의 노력이 이루어지고 있다.

더 읽어볼만한 페이지

시멘트 - 모르타르
모르타르는 벽돌, 돌, 타일 등을 쌓거나 붙이는 건축 재료로, 진흙, 석회, 시멘트 등의 결합재와 모래 등의 골재, 물을 혼합하여 만들며, 사용 목적과 환경에 따라 다양한 종류가 있고, 고대부터 사용되었으며 현대에는 다양한 배합과 특성을 가진 모르타르가 개발되고 친환경적인 재료를 사용하거나 재활용 골재를 활용한 모르타르에 대한 연구가 진행 중이다.
시멘트 - 가소제
가소제는 플라스틱의 유연성과 내구성을 향상시키기 위해 사용되는 물질로, 고분자 사슬 사이에 삽입되어 유리 전이 온도를 낮추며, PVC, 아크릴레이트 등 다양한 고분자에 사용되고, 프탈레이트 에스터가 가장 흔하게 사용되며, 저온 유연성, 내열성, 난연성 등의 특성을 부여하고, 콘크리트 및 화약 조성물에도 사용된다.
건설재료학 - 콘크리트
콘크리트는 시멘트 등의 결합재로 골재를 결합한 인공 복합재료로, 높은 압축강도와 내구성을 지녀 건축, 토목 공사에 널리 사용되며, 특히 철근콘크리트 형태로 많이 쓰이고, 고대 로마 시대부터 사용되어 왔으며, 포틀랜드 시멘트 발명 후 현대 건설의 필수 재료로 자리 잡았고, 용도와 시공 방법에 따라 다양한 종류가 존재하며, 제조 과정과 환경 및 안전 문제가 중요한 고려 사항이다.
건설재료학 - 시멘트
시멘트는 물질을 접합하는 재료로, 물과 반응하는 수경성 시멘트와 이산화탄소와 반응하는 비수경성 시멘트로 나뉘며, 대표적인 수경성 시멘트인 포틀랜드 시멘트는 전 세계적으로 널리 사용되지만, 제조 과정에서 이산화탄소 배출 문제가 있어 환경 문제 해결을 위한 노력이 이루어지고 있다.

포틀랜드 시멘트
지도 정보
기본 정보
유형	시멘트
주요 성분	클링커 석고
화학식	혼합물
주성분	규산 삼칼슘 규산 이칼슘 알루민산 삼칼슘 철알루민산 사칼슘
역사
발명	1824년 조지프 애스프딘
어원	포틀랜드의 건축용 돌과 유사하여 명명
제조
주원료	석회석, 점토, 철광석, 규사
제조 과정	원료 혼합 및 분쇄 가마에서 소성 클링커 생성 클링커와 석고 분쇄
특성
경화 메커니즘	수화 반응
강도 발현	수화 반응에 따라 강도 증가
내구성	환경 조건에 따라 내구성 변화
활용
주요 용도	콘크리트의 결합재
응용 분야	건물 도로 교량 댐 기타 구조물
규격
표준	KS L 5201 (한국산업표준) ASTM C150 (미국 재료 시험 협회) EN 197-1 (유럽 표준)
기타
로마자 표기	poteulraendeu simenteu

2. 역사

포틀랜드 시멘트는 18세기 중반부터 영국에서 생산된 천연 시멘트로부터 개발되었다. 그 이름은 영국 도싯주 포틀랜드 섬에서 채석된 건축용 돌의 한 종류인 포틀랜드 석재와 유사하다는 데서 유래한다.^[2]

현대식 포틀랜드 시멘트(때로는 보통 포틀랜드 시멘트 또는 일반 포틀랜드 시멘트라고 함)의 개발은 1756년 존 스미턴이 등대 건설을 위해 트라스와 포졸라나를 포함한 여러 종류의 석회석과 첨가제를 실험하면서 시작되었다.^[3] 현재 스미턴 타워로 알려져 있다.

18세기 후반에는 로마 시멘트가 개발되어 1796년 제임스 파커에 의해 특허를 받았다.^[4] 로마 시멘트는 빠르게 인기를 얻었지만 1850년대에 포틀랜드 시멘트로 대부분 대체되었다.^[3] 1811년 제임스 프로스트는 영국 시멘트라고 부르는 시멘트를 생산했다.^[4] 제임스 프로스트는 1826년 인공 시멘트 제조 공장을 세운 것으로 알려져 있다.^[5] 같은 해 에드가 더브스는 사우스워크에서 프랑스 엔지니어 루이 비카가 1818년에 발명한 종류의 시멘트에 대한 특허를 받았다. 비카의 시멘트는 인공 수경성 석회이며 포틀랜드 시멘트의 "주요 선구자"^[3]로 여겨진다.

"포틀랜드 시멘트"라는 이름은 1823년에 출판된 디렉토리에 기록되어 있으며 윌리엄 록우드 및 기타 사람들과 관련이 있다.^[6]

1840년대에 윌리엄 애스핀은 우연히 규산칼슘을 생산했는데, 이는 포틀랜드 시멘트 개발의 중간 단계였다. 1853년 그는 독일로 이주하여 시멘트 제조에 종사했다.^[6] 윌리엄 애스핀은 "중간 포틀랜드 시멘트"(포틀랜드 시멘트와 수경성 석회의 혼합물)라고 할 수 있는 것을 만들었다.^[7] 아이작 찰스 존슨은 "중간 포틀랜드 시멘트" 생산을 더욱 개선했으며 포틀랜드 시멘트의 진정한 창시자라고 주장했다.^[8]

1859년, 메트로폴리탄 공공사업위원회의 존 그랜트는 런던 하수도 프로젝트에 사용될 시멘트에 대한 요구 사항을 제시했다. 이것은 포틀랜드 시멘트에 대한 규격이 되었다.

독일 시멘트 제조업체 협회는 1878년 포틀랜드 시멘트에 대한 표준을 발표했다.^[10]

포틀랜드 시멘트는 독일과 영국에서 미국으로 수입되었으며, 1870년대와 1880년대에는 미시간주 칼라마주 근처 이글 포틀랜드 시멘트에서 생산되었다. 1875년, 최초의 포틀랜드 시멘트는 펜실베이니아주 코플레이의 데이비드 O. 세일러의 지휘 아래 코플레이 시멘트 회사 가마에서 생산되었다.^[11] 20세기 초까지 미국산 포틀랜드 시멘트가 수입 포틀랜드 시멘트의 대부분을 대체했다.

2. 1. 포틀랜드 시멘트의 발명

1824년 영국의 벽돌공 조지프 아습딘(Joseph Aspdin, 1779 ~ 1855)이 “인조석 제조법의 개량”으로 특허를 얻어 포틀랜드 시멘트란 이름을 붙였다.^[37] 당시 건축용 석재로 쓰이던 영국 남단부의 포틀랜드섬의 석회석인 포틀랜드 석재의 색이 회백색으로 비슷해서 포틀랜드 시멘트란 이름을 붙였다.^[37]

이 특허는 석회석을 분쇄한 후 구워서 생석회로 만들어 일정한 비율로 점토를 섞고 물을 넣어 미분쇄하여 건조한 것을 다시 소성로에 넣어, 석회석 중의 탄산가스가 완전히 없어질 때까지 800 °C까지 소성하여 클링커로 만든 다음 미분쇄하여 시멘트를 만드는 공법이다. 이렇게 하면 과거의 석회 모르타르 또는 천연 시멘트보다 균질이면서 고강도를 발휘할 수 있어 널리 보급되었다. 그러나 아습딘의 특허 제품은 소성온도가 낮아 클링커의 품질이 좋지 못해서, 1845년 이삭 존슨(Issac Johnson)은 소성온도를 높게 유지하는 조건을 밝힘으로써 근대 포틀랜드 시멘트로 개량했다.^[38]

포틀랜드 시멘트는 18세기 중반부터 영국에서 생산된 천연 시멘트로부터 개발되었으며 그 이름은 영국 도싯주 포틀랜드 섬에서 채석된 건축용 돌의 한 종류인 포틀랜드 석재와 유사하다는 데서 유래한다.^[2]

현대식 포틀랜드 시멘트의 개발은 1756년 존 스미턴이 등대 건설을 위해 트라스와 포졸라나를 포함한 여러 종류의 석회석과 첨가제를 실험하면서 시작되었다.^[3] 18세기 후반에는 로마 시멘트가 개발되어 1796년 제임스 파커에 의해 특허를 받았다.^[4] 로마 시멘트는 빠르게 인기를 얻었지만 1850년대에 포틀랜드 시멘트로 대부분 대체되었다.^[3] 윌리엄 애스핀은 자신의 시멘트 제조 공장을 설립하기 위해 아버지 회사를 떠났으며, 1840년대에 우연히 규산칼슘을 생산했는데, 이는 포틀랜드 시멘트 개발의 중간 단계이다. 1848년 윌리엄 애스핀은 시멘트를 더욱 개량했다. 아이작 찰스 존슨은 "중간 포틀랜드 시멘트"(개발의 중간 단계) 생산을 더욱 개선했으며 포틀랜드 시멘트의 진정한 창시자라고 주장했다.^[8]

1859년, 메트로폴리탄 공공사업위원회의 존 그랜트는 런던 하수도 프로젝트에 사용될 시멘트에 대한 요구 사항을 제시했다. 이것은 포틀랜드 시멘트에 대한 규격이 되었다. 포틀랜드 시멘트 제조의 다음 발전은 프레데릭 랜섬이 1885년(영국)과 1886년(미국)에 특허를 받은 회전로의 도입이었는데, 이를 통해 더 강하고 균질한 혼합물과 연속적인 제조 공정이 가능해졌다.^[3]

일본에서는 1875년(메이지 8년) 당시 공부성(工部省) 기술관이었던 우쓰노미야 사부로(宇都宮三郎)가 국산 포틀랜드 시멘트 제조에 성공했다.^[34]

2. 2. 초기 발전과 개량

1824년 영국의 벽돌공 조지프 아습딘(Joseph Aspdin, 1779 ~ 1855)은 "인조석 제조법의 개량"으로 특허를 얻어 포틀랜드 시멘트란 이름을 붙였다.^[37] 당시 건축용 석재로 쓰이던 영국 남단부의 포틀랜드섬의 석회석인 포틀랜드 석재(Portland stone)의 색이 회백색으로 비슷해서 포틀랜드 시멘트란 이름을 붙였다.^[37] 이 특허는 석회석을 분쇄한 후 구워서 생석회로 만들어 일정한 비율로 점토를 섞고 물을 넣어 미분쇄하여 건조한 것을 다시 소성로에 넣어, 석회석 중의 탄산가스가 완전히 없어질 때까지 800 °C까지 소성하여 클링커로 만든 다음 미분쇄하여 시멘트를 만드는 공법이었다. 이렇게 하면 과거의 석회 모르타르 또는 천연 시멘트보다 균질이면서 고강도를 발휘할 수 있어 널리 보급되었다. 그러나 아습딘의 특허 제품은 소성온도가 낮아 클링커의 품질이 좋지 못해서, 1845년 이삭 존슨(Issac Johnson)은 소성온도를 높게 유지하는 조건을 밝힘으로써 근대 포틀랜드 시멘트로 개량했다.^[38]

초기에 생산되었던 포틀랜드 시멘트의 품질은 현대에까지 많은 변화가 있었다. 1840년에는 재령 28일 압축강도가 5 MPa 정도였으나, 1880년대 후반에는 화학성분의 관리와 입자의 미분말화에 따라 10 ~ 20 MPa 정도로 높아졌다. 그 후 1900년대에 들어 회전로에 소성하게 됨에 따라 25 ~ 30 MPa 정도로 높아졌으며, 1950년대에는 SP(suspension preheater), NSP(new suspension preheater)를 중심으로 폐회로분쇄에 따라 압축강도가 35 ~ 65 MPa로 크게 증진되었다.^[37]

현대식 포틀랜드 시멘트의 개발은 1756년 존 스미턴이 등대 건설을 위해 트라스와 포졸라나를 포함한 여러 종류의 석회석과 첨가제를 실험하면서 시작되었다.^[3] 18세기 후반에는 로마 시멘트가 개발되어 1796년 제임스 파커에 의해 특허를 받았다.^[4] 윌리엄 애스핀은 자신의 시멘트 제조 공장을 설립하기 위해 아버지 회사를 떠났다. 1840년대에 윌리엄 애스핀은 우연히 규산칼슘을 생산했는데, 이는 포틀랜드 시멘트 개발의 중간 단계이다. 1848년 윌리엄 애스핀은 시멘트를 더욱 개량했다. 아이작 찰스 존슨은 "중간 포틀랜드 시멘트"(개발의 중간 단계) 생산을 더욱 개선했으며 포틀랜드 시멘트의 진정한 창시자라고 주장했다.^[8]

1859년, 메트로폴리탄 공공사업위원회의 존 그랜트는 런던 하수도 프로젝트에 사용될 시멘트에 대한 요구 사항을 제시했다. 이것은 포틀랜드 시멘트에 대한 규격이 되었다. 포틀랜드 시멘트 제조의 다음 발전은 프레데릭 랜섬이 1885년(영국)과 1886년(미국)에 특허를 받은 회전로의 도입이었는데, 이를 통해 더 강하고 균질한 혼합물과 연속적인 제조 공정이 가능해졌다.^[3]

2. 3. 회전로 도입과 대량 생산

포틀랜드 시멘트 제조의 다음 발전은 프레데릭 랜섬이 1885년(영국)과 1886년(미국)에 특허를 받은 회전로의 도입이었다. 회전로를 통해 더 강하고 균질한 혼합물과 연속적인 제조 공정이 가능해졌다.^[3] 1860년에 시험된 호프만 "무한" 소성로는 "연소를 완벽하게 제어할 수 있다"고 알려졌으며, 우수한 등급의 시멘트를 생산하는 것으로 나타났다. 이 시멘트는 최초로 호프만 소성로를 사용한 슈테틴의 포틀랜드 시멘트 공장 슈테른에서 제조되었다.^[9]

3. 성분

포틀랜드 시멘트는 에라이트(Alite), 벨라이트(Belite), 알루미네이트(Aliminate),^[39] 페라이트(Ferrite)의 클링커 광물로 구성되며, 주요 화학 성분은 산화 칼슘(CaO, 60~67%), 이산화규소(SiO₂, 17~25%), 산화알루미늄(Al₂O₃, 3~8%), 산화철(Fe₂O₃, 0.5~6%) 등이다. 이 외에도 산화 마그네슘(MgO), 산화 나트륨(NaO), 산화 칼륨(K₂O), 삼산화 황(SO₃) 등이 소량 포함된다.

ASTM C150^[25]은 포틀랜드 시멘트를 "주로 수경성 규산칼슘으로 구성된 클링커를 분쇄하여 생산하며, 일반적으로 한 가지 이상의 황산칼슘 형태를 미분쇄 첨가물로 함유하는 수경성 시멘트"로 정의한다.^[12] 유럽 표준 EN 197-1은 포틀랜드 시멘트 클링커가 질량의 3분의 2 이상이 규산칼슘((3 CaO·SiO₂) 및 2 CaO·SiO₂))으로 구성되어야 하며, 나머지는 알루미늄 및 철 함유 클링커 상 및 기타 화합물로 구성된다고 정의한다. CaO와 SiO₂의 비율은 2.0 이상, MgO 함량은 질량의 5.0%를 초과해서는 안 된다.

클링커는 시멘트의 90% 이상을 차지하며, 응결 시간을 조절하는 황산칼슘(CaSO₄)과 최대 5%의 부소성분(충전제)을 포함한다. 클링커는 원료 혼합물을 고온(1300°C)으로 가열할 때 생성되는 소결 재료의 덩어리(직경 약 0.51cm 에서 약 2.54cm)이다. 이때 벨라이트(Ca₂SiO₄)가 산화칼슘(CaO)과 결합하여 알라이트(Ca₃SiO₅)를 형성하는 화학 반응이 일어난다.^[13]

포틀랜드 시멘트는 지구에서 가장 풍부한 원소들을 활용하여 제조되는 결합재이다. 주성분(O₂, Si, Al, Fe, Ca)은 지구에 있는 원소 구성의 약 91%를 차지하며, 미량 성분(Na, K, Mg, H, S)까지 포함하면 약 99%에 달한다.^[37] 미량 성분 중 산화나트륨, 산화칼슘은 알칼리염으로써 알칼리 골재 반응을 일으키는 원인이 될 수 있으므로 주의해야 한다.

클링커에 석고를 첨가하는 이유는 알루미네이트와 물의 급격한 반응을 억제하기 위해서이다. 석고를 첨가하면 알루미네이트 입자 표면에 에트링가이트가 생성되어 알루미네이트의 수화를 늦추고, 신선한 콘크리트가 소성 상태를 유지하도록 돕는다.

클링커 중의 화합물을 "클링커 광물"이라고 부르며, 클링커 광물의 이론 조성은 보그(Robert Herman Bogue)식에 의해 구할 수 있다. 실제 클링커는 완전 평형 상태가 아니며, 미반응 유리 산화칼슘을 함유하고, 소량 성분은 클링커 광물에 고용되거나 다른 광물을 생성한다.

3. 1. 주요 클링커 광물의 특징

화합물	화학식	시멘트 산업에서 사용하는 약자	일반적인 중량 범위(%)	비고
규산 3석회	3CaO·SiO₂	C₃S	45-60	물과의 빠른 반응. 시멘트 페이스트의 종결 시간과 초기 강도 발현에 영향^[39]
규산 2석회	2CaO·SiO₂	C₂S	15-30	많이 포함되면 콘크리트 극한 강도 상승^[39]
알루민산 3석회	3CaO·Al₂O₃	C₃A	6-12	물과의 빠른 반응, 많은 열 발생시킴.^[39]
철알루민산 4석회	4CaO·Al₂O₃·Fe₂O₃	C₄AF	6-8

C: 산화칼슘
S: 이산화규소
A: 산화알루미늄
F: 산화철

각 클링커 광물은 수화 반응 속도, 강도 발현성, 수화열 등의 성질이 다르다.

; 에라이트(C3S)

: 중정도의 수화 속도를 가지며, 초기·장기의 강도 발현성에 뛰어나다. 수화물은 중정도의 화학적 저항성과 건조 수축을 가진다.

; 벨라이트(C2S)

: 수화 속도가 느리고, 초기 강도의 발현성에는 뒤떨어지지만, 장기간에 걸쳐 수화를 계속하기 때문에 최종 강도에는 기여한다. 수화열이 작고, 화학적 저항성 및 건조 수축 성상에도 뛰어나다.

; 알루미네이트(C3A)

: 수화 속도가 매우 빠르고, 초기 강도에 기여하지만, 장기 강도에 대한 기여는 작다. 수화열이 크고, 화학적 저항성 및 건조 수축 성상에도 뒤떨어지며, 벨라이트와는 대조적인 성질을 가진다.

; 페라이트(C4AF)

: 수화 속도, 강도, 수화열, 화학적 저항성, 건조 수축 성상 어느 것에 있어서도 중정도이며, 다른 세 가지 클링커 광물에 비해 특별한 특징이 없다. 그러나 이 광물이 생성되도록 설계함으로써 클링커의 소성에서 에라이트의 생성 온도를 낮출 수 있게 되어 시멘트의 경제성에 기여하는 역할을 하고 있다.

클링커 광물의 명칭은 알프레드 테르네보옴이 1897년 스톡홀름에서 개최된 국제 재료 시험 회의에서 클링커의 광학 현미경 관찰 결과를 보고하며 명명되었다.

4. 제조 공정

1845년 이삭 존슨(Issac Johnson)은 소성 온도를 높게 유지하는 조건을 밝혀 근대 포틀랜드 시멘트로 개량했다.^[38] 포틀랜드 시멘트 클링커는 시멘트킬른에서 원료 혼합물을 600°C 이상(현대 시멘트의 경우 약 1450°C)의 용융 온도로 가열하여 재료를 소결시켜 만든다.

시멘트 클링커의 구성 성분은 알라이트, 벨라이트, 3수산화알루미늄, 사석회알루미노철석이다. 알루미늄, 철, 마그네슘 산화물은 용융제 역할을 하여 낮은 온도에서 규산칼슘이 형성되도록 돕지만,^[14] 강도에는 거의 기여하지 않는다. 저발열(LH) 및 황산염 저항성(SR) 시멘트와 같은 특수 시멘트의 경우, 3수산화알루미늄(3CaO·Al₂O₃)의 생성량을 제한해야 한다.

클링커 제조의 주요 원료는 석회석(CaCO₃)이며, 일반적으로 점토를 알루미노규산염 공급원으로 하는 제2 원료와 혼합한다. 보통 점토나 SiO₂를 함유하는 불순한 석회석이 사용되며, CaCO₃ 함량은 80%까지 낮을 수 있다. 석회석 이외의 이차 원료는 석회석의 순도에 따라 달라지는데, 점토, 셰일, 모래, 철광석, 보크사이트, 플라이애시, 슬래그 등이 사용된다. 석탄으로 시멘트 킬른을 가열할 때, 석탄재는 이차 원료 역할을 한다.

시멘트 소성로는 고온, 산화성(산소가 풍부한) 분위기, 긴 체류 시간 덕분에 다양한 폐기물 처리 옵션으로 사용된다. 실제로 많은 유해 유기 화합물을 효율적으로 파괴하며, 폐기물에 포함된 연소 가능한 물질은 공정에 사용되는 화석 연료의 일부를 대체할 수 있다.^[32]

시멘트 소성로에서 연료 보조제로 사용되는 폐기물은 다음과 같다:^[32]

자동차 및 트럭 타이어 (강철 벨트는 소성로에서 쉽게 처리됨)
자동차 산업의 페인트 슬러지
폐 용매 및 윤활유
동물성 사료 및 골분 (소 도축장 폐기물, 광우병 오염 문제로 인해 사용)
폐 플라스틱
하수 슬래그
왕겨
사탕수수 폐기물
사용 후 목재 철도 침목
알루미늄 제련 산업의 폐 전극 라이너

포틀랜드 시멘트 제조는 슬래그, 발전소의 플라이 애시, 제철소의 실리카 흄, 탈황에서 나오는 합성 석고 등 산업 부산물을 활용하여 이점을 얻을 수 있다.^[33]

포틀랜드 시멘트 제조 공정은 크게 원료, 소성, 마무리 공정으로 나뉜다.

4. 1. 원료 공정

클링커의 주원료는 석회석, 점토, 규석, 철 원료이다. 이들을 건조하고 소성하여 목표하는 화학 성분의 클링커를 얻도록 혼합·분쇄하는 것이 원료 공정이다.

일반적으로 건조가 필요한 것은 점토에 한정되며, 다른 원료는 건조기를 통과하지 않는다. 건조기 후단에서 점토 이외의 원료가 소정의 비율로 합류하여 원료 밀(볼밀)에 들어간다. 원료 밀에서 혼합·분쇄된 원료는 블렌딩 사일로에 들어간다. 블렌딩 사일로는 여러 개 있으며, 다른 시간대에 배합한 원료를 임시 저장한다. 마지막으로, 이들 다른 시간대에 배합한 원료들을 다시 혼합하여 화학 조성의 최종 배합을 하고 저장 사일로에 저장한다.

주원료는 클링커의 주요 성분을 고농도로 함유하고 있는 반면, 클링커의 주요 성분 농도는 주원료보다 낮다. 즉, 시멘트 공업은 원료를 적당히 혼합하여 “순도를 낮추는” 공정이다. 이 점은 석유화학 공업, 금속 제련 공업 등 많은 화학 공업이 “순도를 높이는” 공정인 것과 대조적이다.

원료의 화학 성분 관리에는 “모듈러스(Modulus)”라고 불리는, 일반적으로 세 가지로 한 쌍을 이루는 지표를 사용한다. 제조하려는 시멘트의 품종(물성) 및 생산성을 고려하여 목표 모듈러스를 설정하고, 이를 유지하도록 원료의 화학 성분을 관리한다. 모듈러스는 시멘트 제조업체에 따라 “화학 계수값”, “제율” 등으로도 불린다. 모듈러스가 세 가지로 한 쌍을 이루어 운용되는 것은 주원료가 네 가지이기 때문이다. 모듈러스의 세 가지 조건과 “소성 후 질량이 합계 1톤이 된다”는 조건을 설정하면, 사원 연립 방정식의 해로 원료 원단위를 결정할 수 있다. 일본의 시멘트 공장에서는 수경율(HM), 규산율(SM) 및 철율(IM)이 주로 사용되고 있으며, 각 수치는 다음과 같이 정의된다.

수경율(Hydraulic Module, HM): HM=CaO/(SiO₂+Al₂O₃+Fe₂O₃) (단위는 mass%)
규산율(Silica Module, SM): SM=SiO₂/(Al₂O₃+Fe₂O₃)
철율(Iron Module, IM): IM=Al₂O₃/Fe₂O₃)

수경율(HM)은 모듈러스 중에서 가장 중요한 지표이다. HM이 클수록 클링커 중의 산화칼슘량 및 엘라이트량이 많아진다. 따라서 강도 발현성은 높아지지만, 한편으로 소성 반응성은 저하된다. 클링커의 소성 반응성이 저하되면 연료 원단위가 증가하여 제조 원가의 증가로 이어진다. 또한 클링커에는 프리라임이 미반응 상태로 남게 된다. 현재 일본 국내의 보통 시멘트 클링커의 HM은 2.0 - 2.2이다.

규산율(SM)이 크면 소성을 원활하게 진행하기 위해 필요한 클링커 용융체(소성 공정 항목에서 상세히 설명)의 양이 적어지고, 소성 온도는 높아지기 쉽다. 그 결과, 소성 설비가 손상되기 쉽다. 그러나 클링커 중의 이산화규소량이 증가하여 벨라이트가 풍부한 클링커가 되므로, 저발열성으로 장기 재령에서 강도가 우수한 시멘트를 제조할 수 있다. 반면, SM이 너무 작으면 용융체량이 많아지므로, 킬른 내벽의 코팅량 증가에 의한 원료의 폐색(코팅 트러블)의 우려가 있다. 현재 국내 보통 시멘트 클링커의 SM은 2.4 - 2.8이다.

철율(IM)이 크면 산화알루미늄량이 증가하여 알루미네이트량이 증가하므로, 초기 재령에서의 강도 발현성이 높아지지만, 내화학성이 낮은 시멘트가 된다. 현재 국내 보통 시멘트 클링커의 IM은 1.9 - 2.1이다.

석회 포화도(LSD)는 HM 대신 사용하는 경우가 있다. 이산화규소·산화알루미늄·산화철과 결합할 수 있는 최대 산화칼슘량을 1.0으로 하는 지표이다. 일본 국내의 보통 시멘트 클링커에서 표준적인 값은 0.92 - 0.96이다. LSD가 1.0을 초과하는 경우, 소성 온도를 높여도 소성 시간을 길게 해도 프리라임이 남는다. 또한 품질이 낮은 석회석을 사용하는 시멘트 공장에서는 산화마그네슘량도 고려하여 석회 포화도를 관리하는 경우가 있다. 석회 포화도는 다음과 같이 정의된다.

석회 포화도(Lime Saturation Degree 또는 Lime Saturation Factor, LSD): LSD=100CaO/(2.80SiO₂+1.18Al₂O₃+0.65Fe₂O₃)

활동 계수(AI)는 SM과 유사한 지표이다. 현재 일본 국내의 보통 시멘트 클링커에서 표준적인 값은 3.8 - 4.2이며, 다음과 같이 정의된다.

활동 계수(Activity Index, AI): AI=SiO₂/Al₂O₃

LSD 이외의 지표는 R.H. Bogue에 의한 광물 조성의 포텐셜 계산이 고안되기 이전부터 시멘트 제조에 사용되어 현재에 이르고 있다.

4. 2. 소성 공정

1845년 이삭 존슨(Issac Johnson)은 소성온도를 높게 유지하는 조건을 밝힘으로써 근대 포틀랜드 시멘트로 개량했다.^[38] 포틀랜드 시멘트 클링커는 시멘트킬른에서 원료 혼합물을 600°C 이상, 현대 시멘트의 경우 약 1450°C의 용융 온도로 가열하여, 재료를 소결시켜 클링커로 만든다.

시멘트 클링커의 구성 성분은 알라이트, 벨라이트, 3수산화알루미늄 및 사석회알루미노철석이다. 알루미늄, 철 및 마그네슘 산화물은 용융제 역할을 하여 낮은 온도에서 규산칼슘이 형성되도록 하며,^[14] 강도에는 거의 기여하지 않는다. 저발열(LH) 및 황산염 저항성(SR) 시멘트와 같은 특수 시멘트의 경우, 3수산화알루미늄(3 CaO·Al₂O₃)의 생성량을 제한해야 한다.

클링커 제조의 주요 원료는 일반적으로 점토를 알루미노규산염의 공급원으로 함유하는 제2 원료와 혼합된 석회석(CaCO₃)이다. 일반적으로 점토 또는 SiO₂를 함유하는 불순한 석회석이 사용된다. 이러한 석회석의 CaCO₃ 함량은 80%까지 낮을 수 있다. 석회석 이외의 원료 혼합물에 있는 재료인 이차 원료는 석회석의 순도에 따라 달라진다. 사용되는 재료 중 일부는 점토, 셰일, 모래, 철광석, 보크사이트, 플라이애시 및 슬래그이다. 석탄으로 시멘트 킬른을 가열할 때, 석탄의 재는 이차 원료 역할을 한다.

포틀랜드 시멘트의 제조 공정은 원료 공정, 소성 공정, 마무리 공정의 세 가지로 크게 구분된다. 소성 공정에서는 배합 원료를 소성하여 클링커를 제조한다. 석회석, 규석, 점토 및 철 원료의 혼합물은 화학 반응을 일으켜 수경성을 지닌 클링커 광물로 변화한다. 소성 공정에서는 열효율을 높이면서 소성 반응을 완결시키는 것(클링커 중의 프리라임량을 적게 하는 것)에 주의를 기울인다.

원료의 가열 방식에는 서스펜션 프리히터(SP) 방식 또는 뉴 서스펜션 프리히터(NSP) 방식이라 불리는 두 가지 종류가 있다. 전자는 4단 또는 5단의 사이클론을 상하로 연결하여 로터리 킬른의 버너에서 공급되는 연소 배가스에 의해 원료를 예열한다. 후자는 킬른의 메인 버너뿐만 아니라 SP 최하단부에도 소성로가 있어, 여기서 원료의 가열을 적극적으로 행하여 석회석의 탈탄산을 촉진한다. 현재, NSP 방식은 열효율과 생산성에 가장 뛰어난 가열 방식이다. 연료로는 미분탄을 사용하는 것이 일반적이다.

저장 사이로에 저장된 원료는 프리히터 상단에서 투입되어 프리히터 하단(상류측)에서의 열풍에 의해 예열된다. 각 스테이지에서 열교환을 하여 프리히터 하단에 도달하면 1000°C 전후에서 소성되고, 석회석의 탈탄산이 진행된다. 다음으로 로터리 킬른의 최고온부(소성대)에서 1450°C 이상의 온도로 소성되어, 여기서 원료 상호간의 최종적인 화학 반응(클링커 광물의 생성 반응)이 진행된다. 이때, 소성물의 일부가 용융체가 되어 조립이 진행된 결과, 덩어리 형태의 클링커가 된다. 클링커는 버너 하부를 통과하면 클링커 쿨러에 떨어져 즉시 냉각된다.

클링커의 용융체는 클링커 광물(특히 앨라이트)의 생성 반응을 촉진하고, 덩어리 형태를 형성하는 데 유용하다. 소성 시 용융체의 비율은 액상도 LP(용융량, percentage Liquid Phase)로 표현된다. 적절한 액상도는 15 - 25%로 여겨진다.

소성 후의 클링커를 급냉하는 것은, 베라이트의 상온 안정상으로의 전이를 방지하기 위해서이다. 베라이트에는 몇 가지 다형이 있다. 고온에서 안정된 α형, α'형, β형은 수경성을 지니지만, γ형은 수경성을 지니지 않는다. 또한, 고온형에서 γ형으로 전이할 때는 "더스팅"이라 불리는 클링커의 분화 현상이 생겨, 클링커의 핸들링이 어려워진다.

클링커 소성 반응을 완결시키기 위해 이론적으로 필요한 에너지는, 원료 및 클링커 광물 조성에 따라 다르지만, 표준적으로는 400 - 420Mcal/t-cli.라고 알려져 있다. 실제 국내 시멘트 공장에서의 열량 원단위는 750Mcal/t-cli. 전후가 되므로, 연소 계통의 폐열을 원료 공정에서의 건조에 사용하는 등, 에너지 효율의 향상이 도모되고 있다.

4. 3. 마무리 공정

최종 제품에서 원하는 응결 특성을 얻기 위해, 소량(2~8%, 일반적으로 5%)의 황산칼슘(일반적으로 석고 또는 무수석고)을 클링커에 첨가하고, 혼합물을 미세하게 분쇄하여 최종 시멘트 분말을 형성한다.^[14] 이는 시멘트 분쇄기에서 이루어진다. 분쇄 과정은 일반적으로 질량의 15%가 5μm 미만의 입자로 구성되고, 5%가 45μm 초과의 입자로 구성되는 넓은 입도 범위를 갖는 분말을 얻도록 제어된다.

일반적으로 사용되는 미세도 측정은 '비표면적'이며, 이는 단위 질량의 시멘트의 총 입자 표면적이다. 물을 첨가했을 때 시멘트의 초기 반응 속도(최대 24시간)는 비표면적에 비례한다. 일반 시멘트의 경우 일반적인 값은 320~380 m²·kg⁻¹이고, '급속 경화' 시멘트의 경우 450~650 m²·kg⁻¹이다. 시멘트는 벨트 또는 분말 펌프로 운반되어 저장을 위한 사일로로 이동한다. 시멘트 공장은 일반적으로 지역 수요 주기에 따라 생산량의 1~20주에 해당하는 충분한 사일로 공간을 확보하고 있다. 시멘트는 포대 또는 압력 차량에서 고객의 사일로로 불어넣는 벌크 분말 형태로 최종 사용자에게 배송된다. 산업 국가에서는 시멘트의 80% 이상이 벌크로 배송된다.

포틀랜드 클링커 및 석고의 일반적인 구성 요소는 다음과 같다(CCN 표기).

포틀랜드 클링커 및 석고의 일반적인 구성 요소
CCN 표시
클링커	CCN	질량(%)
삼석회규산칼슘 (CaO)₃ · SiO₂	C₃S	25~50
이석회규산칼슘 (CaO)₂ · SiO₂	C₂S	20~45
삼석회알루미늄 (CaO)₃ · Al₂O₃	C₃A	5~12
사석회알루미늄철산염 (CaO)₄ · Al₂O₃ · Fe₂O₃	C₄AF	6~12
석고 CaSO₄ · 2 H₂O	CS̅H₂	2~10

포틀랜드 시멘트의 일반적인 구성 요소는 다음과 같다(CCN 표기).

포틀랜드 시멘트의 일반적인 구성 요소
CCN 표시
시멘트	CCN	질량(%)
산화칼슘, CaO	C	61~67
이산화규소, SiO₂	S	19~23
산화알루미늄, Al₂O₃	A	2.5~6
산화철, Fe₂O₃	F	0~6
삼산화황, SO₃	S̅	1.5~4.5

일본 국내의 시멘트 공장은 모두 건식 서스펜션 프리히터 부착 회전로(로터리 킬른) 방식으로 포틀랜드 시멘트를 제조하고 있다. 마무리 공정에서는 시멘트의 삼산화황 함량과 비표면적 값이 목표치에 맞도록 클링커를 석고와 함께 분쇄하여 분말 형태의 시멘트를 제조한다. 일본은 양질의 천연 석고가 부족하기 때문에 부산물 석고, 특히 배연탈황석고가 주로 사용된다. 석고의 종류는 이수석고가 기본이다.

분쇄에 사용하는 설비는 분쇄기(볼밀·마무리밀)와 분급기(세퍼레이터)이다. 클링커와 석고는 분쇄 보조제와 함께 마무리밀에 들어가 분쇄되고, 세퍼레이터에 투입된다. 세퍼레이터 안에서는 회전날개가 회전하고 있으며, 공기 흐름을 타고 이동하는 거친 입자는 회전날개에 의해 떨어져 나가지만, 미세한 입자는 통과할 수 있다. 회전날개의 회전 속도를 제어함으로써, 소정의 입도로 분쇄물을 분급할 수 있다. 이렇게 회수된 미분이 최종 제품인 시멘트이며, 조분은 다시 마무리밀 전단으로 되돌아간다.

포틀랜드 시멘트에는 여러 가지 혼합재를 혼입한 혼합 시멘트 종류가 있다. 이러한 혼합재는 마무리 공정에서 클링커 및 석고와 함께 혼합 분쇄 또는 분리 분쇄되어 시멘트에 혼합된다.

시멘트 제조에 국한되지 않고, 분쇄라는 단위 조작은 에너지 효율이 매우 낮다. 투입되는 에너지 중 실제 분쇄(새로운 표면의 생성)에 기여하는 비율(유효 분쇄 작업량)은 1% 미만이라고도 한다. 시멘트 분쇄를 효율적으로 수행하는 것은 시멘트 제조 원가 절감을 위해 중요하다. 따라서 현재는 분쇄 보조제로 디에틸렌글리콜 등을 사용하여 효율 향상을 도모하고 있다.

분쇄를 위해 투입된 에너지의 대부분은 열로 변환된다. 따라서 제조 직후의 시멘트를 그대로 시멘트 사일로에 저장하면, 사일로 내에서 이수석고가 탈수되어 시멘트가 응고될 우려가 있다. 그래서 제조 직후의 시멘트는 시멘트 쿨러에서 열교환한 후 시멘트 사일로에 저장한다.

5. 종류

포틀랜드 시멘트는 앨라이트(alite), 벨라이트(belite), 알루미네이트(aluminate), 페라이트(ferrite)의 구성비와 분말도에 따라 품질과 성질이 달라지며, 다양한 종류로 규정된다.

JIS에서는 백색 포틀랜드 시멘트를 제외한 포틀랜드 시멘트를 JIS R 5210에서 규정한다.

보통 포틀랜드 시멘트: 건축 공사 및 구조물에 가장 널리 사용되는 일반적인 시멘트이다.
조강 포틀랜드 시멘트: 보통 포틀랜드 시멘트보다 앨라이트 함량이 높고, 시멘트 입자를 미세하게 분쇄하여 물과 접촉 면적을 넓혀 경화 속도가 빠르고 단기간에 강한 강도를 얻을 수 있다. 긴급 공사, 동절기 또는 한랭지 공사에 사용된다.
초조강 포틀랜드 시멘트: 조강 포틀랜드 시멘트보다 더 빠른 시간 안에 강한 강도를 나타내는 시멘트로, 긴급 보수 공사 등에 사용된다.
중용열 포틀랜드 시멘트: 앨라이트와 알루미네이트 함량을 줄이고 벨라이트 함량을 높여 수화열이 낮아 콘크리트 온도 상승으로 인한 균열을 억제한다. 장기 강도가 우수하고, 수축이 적으며, 화학적 내구성이 크다. 댐, 교각 등 대규모 구조물용 매스 콘크리트에 주로 사용된다.
저열 포틀랜드 시멘트: 중용열 포틀랜드 시멘트보다 벨라이트 함량을 더 높여 수화열을 더욱 낮춘 시멘트이다. 장기 강도, 수축, 화학적 내구성 등은 중용열 포틀랜드 시멘트와 유사하지만 초기 강도는 낮다. 매스 콘크리트에 사용된다.
내황산염 포틀랜드 시멘트: 황산염에 약한 알루미네이트 함량을 최소화하여 화학적 내구성이 우수하다. 해수에 접하는 호안 공사나 온천 지역 근처 공사에 사용되며, 국내에서는 UBE미쓰비시시멘트(UBE三菱セメント)에서만 판매한다.^[35]
백색 포틀랜드 시멘트: 산화제이철 함량을 줄여 백색도를 높인 시멘트이다.
혼합 시멘트: 포틀랜드 시멘트에 고로 슬래그, 플라이 애시, 실리카 등 여러 혼합재를 섞은 시멘트이다.

5. 1. 한국산업표준 (KS L 5201)

한국산업표준 KS L 5201에서는 포틀랜드 시멘트를 다음과 같이 5가지 종류로 구분한다.^[35]

구분	종류	비고
1종	보통 포틀랜드 시멘트
2종	중용열 포틀랜드 시멘트
3종	조강 포틀랜드 시멘트
4종	저열 포틀랜드 시멘트
5종	내황산염 포틀랜드 시멘트

저알칼리형 포틀랜드 시멘트의 전 알칼리 함량은 0.6% 이하이며, 다음 식으로 계산한다.^[35]

:R₂O = Na₂O + 0.658 K₂O

여기서,

R₂O: 시멘트 중의 전 알칼리 질량 %
Na₂O: 시멘트 중의 산화나트륨 질량 %
K₂O: 시멘트 중의 산화칼륨 질량 %

한국산업표준에 따라 포틀랜드 시멘트는 40 kg 단위로 포장한다.^[35]

5. 2. ASTM C150 (미국)

미국의 ASTM 기준에 따르면 포틀랜드 시멘트는 다음과 같이 구분한다.^[25]^[18]

종류	이름	비고
1종	보통	가장 많이 사용
2종	중용 내황산염	두 번째로 많이 사용. 1종에 비해 황산염 저항성을 키우기 위해 C₃A 함유량 낮춤
3종	조강	1종과 화학적 조성 비슷하나 3종이 비표면적이 훨씬 큼
4종	저열	수화 속도 제한을 위해 C₃S, C₃A 함유량 제한
5종	고 내황산염	1종에 비해 황산염 저항성을 키우기 위해 C₃A 함유량 낮춤

종별 조성물 비율과 분말도는 다음과 같다.

종류	최대 조성물 비율(%)				Blaine 분말도(m²/kg)
종류	C₃S	C₂S	C₃A	C₄AF	Blaine 분말도(m²/kg)
1종 보통	55	19	10	7	370
2종 중용 내황산염	51	24	6	11	370
3종 조강	56	19	10	7	540
4종 저열	28	49	4	12	380
5종 고 내황산염	38	43	4	9	380

I형: 일반 또는 다용도 시멘트. 다른 유형이 지정되지 않는 한 일반적으로 이 유형을 사용. 일반적인 건축, 특히 토양이나 지하수와 접촉하지 않는 프리캐스트 및 프리스트레스드 프리캐스트 콘크리트 제조에 널리 사용.
II형: 중간 정도의 황산염 저항성을 제공하고 수화열 발생이 적음. 일반적인 건축물, 특히 토양과 지하수와 접촉하는 콘크리트에 사용. 미국 서부에서 주로 사용. I형과 가격이 비슷하여 다용도 시멘트로 많이 사용되며, 북미 판매 포틀랜드 시멘트의 대부분이 이 규격 충족.
III형: 초기 강도가 상대적으로 높음. I형과 유사하지만 분쇄가 더 미세. 프리캐스트 콘크리트 제조, 긴급 공사 및 보수, 기계 베이스 및 게이트 설치 공사에 사용.
IV형: 수화열이 낮음. 댐과 같은 매우 큰 콘크리트 구조물에 사용.
V형: 황산염 저항성이 중요. 알칼리 토양과 지하수 황산염에 노출될 콘크리트에 사용.
Ia형, IIa형, IIIa형: I형, II형, III형과 조성이 동일. 유일한 차이점은 공기 연행제가 혼합물에 분쇄. 저온에서 동결에 대한 저항성 향상.
II(MH)형, II(MH)a형: II형 및 IIa형과 조성이 유사하지만 열이 온화.

5. 3. 기타

백색 포틀랜드 시멘트(White Portland Cement, WOPC)는 일반 회색 포틀랜드 시멘트와 비교했을 때 흰색을 띤다는 점을 제외하면 모든 면에서 유사하다. 백색 시멘트는 Fe₂O₃^영어 함량이 낮은 고순도 원료를 사용하고, 제조 방법을 일부 변경하여 만든다. 일반 클링커(clinker)는 Fe₂O₃^영어가 융제 역할을 하여 1450°C에서 소결되지만, 백색 시멘트는 Fe₂O₃^영어가 없어 융점이 높으므로 약 1600°C의 더 높은 온도에서 소결해야 한다. 따라서 백색 시멘트는 회색 시멘트보다 가격이 비싸다. 백색 시멘트는 Fe₂O₃^영어 함량이 0.5wt% 미만이어야 하며, 연백색 시멘트는 0.9wt% 미만이어야 한다. 소성로 내 환원 조건에서 생성되는 제일철 산화물(FeO^영어) 형태의 산화철은 클링커와 시멘트에 녹색을 띠게 하므로 백색도에 유리하다. Cr₂O₃^영어(녹색), MnO^영어(분홍색), TiO₂^영어(흰색) 등 다른 금속 산화물이 미량 함유되면 색조가 나타날 수 있으므로, 특정 프로젝트에서는 단일 배치 시멘트를 사용하는 것이 좋다.^[35]

포틀랜드 시멘트는 앨라이트(alite), 벨라이트(belite), 알루미네이트(aluminate), 페라이트(ferrite)의 구성비와 분말도에 따라 품질과 성질이 달라지며, 다양한 종류로 규정된다.

JIS에서는 백색 포틀랜드 시멘트를 제외한 포틀랜드 시멘트를 JIS R 5210에서 규정한다.

보통 포틀랜드 시멘트: 건축 공사 및 구조물에 가장 널리 사용되는 일반적인 시멘트이다.
조강 포틀랜드 시멘트: 보통 포틀랜드 시멘트보다 앨라이트 함량이 높고, 시멘트 입자를 미세하게 분쇄하여 물과 접촉 면적을 넓혀 경화 속도가 빠르고 단기간에 강한 강도를 얻을 수 있다. 긴급 공사, 동절기 또는 한랭지 공사에 사용된다.
초조강 포틀랜드 시멘트: 조강 포틀랜드 시멘트보다 더 빠른 시간 안에 강한 강도를 나타내는 시멘트로, 긴급 보수 공사 등에 사용된다.
중용열 포틀랜드 시멘트: 앨라이트와 알루미네이트 함량을 줄이고 벨라이트 함량을 높여 수화열이 낮아 콘크리트 온도 상승으로 인한 균열을 억제한다. 장기 강도가 우수하고, 수축이 적으며, 화학적 내구성이 크다. 댐, 교각 등 대규모 구조물용 매스 콘크리트에 주로 사용된다.
저열 포틀랜드 시멘트: 중용열 포틀랜드 시멘트보다 벨라이트 함량을 더 높여 수화열을 더욱 낮춘 시멘트이다. 장기 강도, 수축, 화학적 내구성 등은 중용열 포틀랜드 시멘트와 유사하지만 초기 강도는 낮다. 매스 콘크리트에 사용된다.
내황산염 포틀랜드 시멘트: 황산염에 약한 알루미네이트 함량을 최소화하여 화학적 내구성이 우수하다. 해수에 접하는 호안 공사나 온천 지역 근처 공사에 사용되며, 국내에서는 UBE미쓰비시시멘트(UBE三菱セメント)에서만 판매한다.^[35]
백색 포틀랜드 시멘트: 산화제이철 함량을 줄여 백색도를 높인 시멘트이다.
혼합 시멘트: 포틀랜드 시멘트에 고로 슬래그, 플라이 애시, 실리카 등 여러 혼합재를 섞은 시멘트이다.

6. 환경 문제 및 지속 가능한 발전

포틀랜드 시멘트 제조는 공정의 모든 단계에서 환경에 영향을 미친다. 먼지 형태의 대기 오염 물질 배출, 가스, 기계 작동 및 채석장 폭파 중 발생하는 소음 및 진동, 제조 과정에서 많은 양의 연료 소비, 제조 과정에서 원료로부터 이산화탄소() 방출, 채석으로 인한 농촌 환경 훼손 등이 그 예이다. 채석 및 시멘트 제조 중 먼지 배출을 줄이기 위한 장비가 널리 사용되고 있으며, 배기가스를 포집하고 분리하는 장비의 사용이 증가하고 있다. 환경 보호에는 채석장을 자연으로 되돌리거나 재배양하여 폐쇄 후 농촌 환경에 재통합하는 것도 포함된다.

포틀랜드 시멘트는 부식성이 있어 화학적 화상을 유발할 수 있다.^[25] 분말은 자극을 유발하거나 심한 노출 시 폐암을 유발할 수 있으며, 결정질 실리카와 6가 크롬을 포함한 여러 가지 유해 성분을 함유할 수 있다. 환경 문제는 시멘트 채굴, 제조 및 운송에 필요한 높은 에너지 소비량과 관련된 대기 오염, 특히 온실 가스 이산화탄소, 다이옥신, 질소산화물(), 황산화물(), 미세먼지 배출이다. 포틀랜드 시멘트 생산은 세계 이산화탄소 배출량의 약 10%를 차지한다.^[26] 국제에너지기구는 세계 인구 증가에 따른 수요 충족을 위해 2050년까지 시멘트 생산량이 12~23% 증가할 것으로 추산했다.^[27] 포틀랜드 시멘트를 보조 시멘트 재료로 대체하기 위한 여러 연구가 진행 중이다.^[28]

질병통제예방센터의 ''역학적 메모 및 보고서 포틀랜드 시멘트 공장의 이산화황 노출''에서는 포틀랜드 시멘트 시설, 특히 황 함유 연료를 연소하는 시설의 근로자는 이산화황() 노출의 급성 및 만성 영향을 인지해야 하며, 이산화황의 최고 농도 및 전 근무 시간 농도를 정기적으로 측정해야 한다고 명시되어 있다.^[29]

AEA 테크놀로지의 독립적인 연구는 오늘날 시멘트 산업의 중요한 문제를 파악하기 위한 노력으로, 시멘트 산업이 직면한 가장 중요한 환경, 보건 및 안전 성과 문제는 대기 배출(온실 가스 배출, 다이옥신, 질소산화물(), 황산화물(), 미세먼지 포함), 사고 및 근로자의 분진 노출이라고 결론지었다.^[30]

포틀랜드 시멘트 제조와 관련된 이산화탄소()는 주로 네 가지 출처에서 발생한다.

이산화탄소() 출처	양
석회석의 탈탄산화	시멘트 1kg당 최소 약 0.47kg, 최대 0.54kg, 세계적으로 일반적인 값은 약 0.50kg.
소성로 연료 연소	플랜트 효율에 따라 다름: 효율적인 예열식 플랜트 0.24kg/시멘트 1kg, 저효율 습식 공정은 최대 0.65kg, 일반적인 현대적 관행(예: 영국) 평균 약 0.30kg.
시멘트 플랜트 및 유통 차량에서 발생	거의 무시할 수 있음: 0.002~0.005kg. 따라서 일반적인 총 이산화탄소()는 시멘트 1kg당 약 0.8kg이다.
발전	지역 전력원에 따라 다름. 일반적인 전력 소비량은 시멘트 1톤당 약 90~150kWh이며, 전기가 석탄 발전일 경우 시멘트 1kg당 0.09kg~0.15kg에 해당한다.

전반적으로 원자력 또는 수력 발전과 효율적인 제조를 통해 이산화탄소() 발생량을 시멘트 1kg당 0.7kg로 줄일 수 있지만 두 배가 될 수도 있다. 미래 혁신의 중점은 시멘트 화학 변화, 폐기물 이용 및 더 효율적인 공정 채택을 통해 위에서 언급된 첫번째와 두번째 출처를 줄이는 것이다. 시멘트 제조가 매우 많은 이산화탄소() 배출원이라는 것은 분명하지만, 시멘트가 약 15%를 차지하는 콘크리트는 이러한 측면에서 다른 현대 건축 시스템과 비교적 유리하다. 석회 기반 모르타르와 목재 및 토양 기반 건축 방법과 같은 전통적인 자재는 CO₂를 훨씬 적게 배출한다.^[31]

참조

_[1] 서적 Concrete planet : the strange and fascinating story of the world's most common man-made material https://books.google[...] Prometheus Books 2015-08-28
_[2] 서적 Betong och miljö AB Svensk Byggtjenst
_[3] 서적 Leaʼs chemistry of cement and concrete Elsevier Butterworth-Heinemann
_[4] 서적 Elements of Civil Engineering PHI Learning Private Limited
_[5] 서적 A practical treatise on the manufacture of Portland cement https://archive.org/[...] E. & F.N. Spon
_[6] 서적 The Cement Industry 1796–1914: A History
_[7] 학술지 The electron microprobe analysis of the C-S-H phases in a 136-year-old cement paste
_[8] 서적 Cement mills along the Potomac River West Virginia University Press
_[9] 서적 The Science and Art of the Manufacture of Portland Cement with observations on some of its constructive applications https://archive.org/[...] E&F.N. Spon
_[10] 웹사이트 125 Years of Research for Quality and Progress http://www.vdz-onlin[...] German Cement Works' Association 2012-09-30
_[11] 서적 Portland cement: its composition, raw materials, manufacture, testing and analysis The Chemical Publishing Co
_[12] 웹사이트 Portland Cement http://www.fhwa.dot.[...]
_[13] 웹사이트 Cement Kilns: Clinker Thermochemistry http://www.cementkil[...]
_[14] 서적 Engineering materials science: properties, uses, degradation and remediation Horwood Pub.
_[15] 웹사이트 Housing Prototypes: Page Street http://housingprotot[...] 2007-01-19
_[16] 간행물 Mineral commodity summaries U.S. Geological Survey
_[17] 웹사이트 Portland Cement Strength – Pavement Interactive https://pavementinte[...] 2024-08-16
_[18] 서적 The contractor's guide to quality concrete construction American Society of Concrete Contractors
_[19] 웹사이트 Archived copy http://www.hse.gov.u[...] 2011-02-15
_[20] 서적 Dermatology, volume 1 Mosby
_[21] 학술지 Pulmonary function and symptoms of Nigerian workers exposed to cement dust
_[22] 학술지 Risk of lung cancer among masons in Iceland
_[23] 학술지 Formulating a low-alkalinity, high-resistance and low-heat concrete for radioactive waste repositories https://hal-cea.arch[...] Elsevier Ltd. 2006-12
_[24] 웹사이트 CDC – NIOSH Pocket Guide to Chemical Hazards – portland cement https://www.cdc.gov/[...] 2015-11-21
_[25] 학술지 ASTM C185-15a, Standard Test Method for Air Content of Hydraulic Cement Mortar http://www.ASTM.org/[...] ASTM International 2017-05-16
_[26] 학술지 Eco-efficient cements: Potential economically viable solutions for a low-CO₂ cement-based materials industry http://spiral.imperi[...] 2018-06
_[27] 웹사이트 Technology Roadmap - Low-Carbon Transition in the Cement Industry: Foldout https://webstore.iea[...]
_[28] 학술지 Supplementary cementitious materials 2011-12
_[29] 웹사이트 Epidemiologic Notes and Reports Sulfur Dioxide Exposure in Portland Cement Plants https://www.cdc.gov/[...]
_[30] 웹사이트 Toward a Sustainable Cement Industry: Environment, Health & Safety Performance Improvement http://www.wbcsd.ch/[...] 2006-12-05
_[31] 웹사이트 Response: Lime is a much greener option than cement, says Douglas Kent http://www.theguardi[...] 2022-03-22
_[32] 웹사이트 Recovery of Wastes in Cement Kilns http://www.wbcsdceme[...] World Business Council for Sustainable Development 2008-09-25
_[33] 서적 Design and Control of Concrete Mixtures Portland Cement Association
_[34] 서적 百年史日本セメント
_[35] 웹사이트 耐硫酸塩ポルトランドセメント https://www.mu-cc.co[...] UBE三菱セメント 2024-09-24
_[36] 웹인용 한국산업표준 http://standard.ats.[...] 국가표준인증종합정보센터 2011-12-23
_[37] 서적 최신 콘크리트공학 한국콘크리트학회
_[38] 서적 최신콘크리트공학 2005
_[39] 서적 (제목 추정 불가, 문맥상 콘크리트 관련 서적 추정) 2016

본 사이트는 AI가 위키백과와 뉴스 기사,정부 간행물,학술 논문등을 바탕으로 정보를 가공하여 제공하는 백과사전형 서비스입니다.
모든 문서는 AI에 의해 자동 생성되며, CC BY-SA 4.0 라이선스에 따라 이용할 수 있습니다.
하지만, 위키백과나 뉴스 기사 자체에 오류, 부정확한 정보, 또는 가짜 뉴스가 포함될 수 있으며, AI는 이러한 내용을 완벽하게 걸러내지 못할 수 있습니다.
따라서 제공되는 정보에 일부 오류나 편향이 있을 수 있으므로, 중요한 정보는 반드시 다른 출처를 통해 교차 검증하시기 바랍니다.

문의하기 : help@durumis.com