시멘트

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1. 개요

시멘트는 건축 및 토목 공사에 사용되는 중요한 재료로, 라틴어 'caementum'에서 유래되었으며, 다양한 종류가 존재한다. 고대에는 소석고, 소석회, 화산재 등을 사용하여 수경성 결합체를 만들었으며, 로마 시대에는 포졸라나를 활용한 콘크리트가 건축물에 널리 사용되었다. 근대에 들어와서는 포틀랜드 시멘트가 개발되어 널리 사용되었으며, 현재는 포틀랜드 시멘트를 기반으로 한 혼합 시멘트와 특수 시멘트가 다양한 용도로 활용된다. 시멘트 제조는 환경에 영향을 미치며, 이산화탄소 배출 문제 해결을 위한 노력이 진행되고 있다. 2010년 기준 중국이 세계 최대 시멘트 생산국이며, 한국은 세계 7위의 생산국이자 5위의 소비국이다.

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시멘트 - 포틀랜드 시멘트
포틀랜드 시멘트는 조셉 아습딘이 특허를 받은 수경성 결합재로, 경화 후 포틀랜드 섬의 석재와 유사한 색을 띠며, 화학 성분 관리 및 미분말화, 회전로 소성 기술 발전을 거쳐 발전해 왔고, 삼석회규산염, 이석회규산염, 칼슘알루미네이트, 칼슘알루미노페라이트 등의 성분과 분말도에 따라 특성이 결정되며, 건축 및 토목 분야에 널리 사용되지만 이산화탄소 배출 및 작업자 건강에 대한 우려가 있다.
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시멘트
지도
명칭
한국어	시멘트
영어	cement
라틴어	오푸스 카이멘티키움 케멘툼 키멘툼
일본어	セメント (세멘토)
문화어	세멘트
개요
정의	모르타르나 콘크리트의 재료로 사용되는 수경성 결합재
구성 요소
주요 구성 요소	클링커 석고
생산 및 환경 영향
배출	주요 배출원 중 하나
환경 영향	시멘트 생산 과정에서 많은 탄소 배출 대기 오염 유발 에너지 소모가 큼
역사
고대	고대 로마 시대부터 사용된 결합재
유형
종류	포틀랜드 시멘트 혼합 시멘트 특수 시멘트
용도
건축	건축 및 토목 공사에 광범위하게 사용
기타	모르타르 콘크리트 그라우트 석고 보드 접착제 내화 재료 도로 포장 교량 건설 댐 건설
안전
작업 시 주의사항	흡입 시 폐 손상 및 호흡기 질환 유발 가능 피부 자극 및 알레르기 반응 유발 가능
보호 장비	방진 마스크 보호 안경 보호 장갑 보호복
기타
관련 자료	미국 지질 조사국 시멘트 자료 필터 장치 선택 및 사용 가이드 BBC 뉴스: 잘 알려지지 않은 거대한 배출원 Nature Communications: 시멘트 순환의 스폰지 효과 및 탄소 배출 완화 가능성

2. 역사

라틴어로 부순돌을 의미하는 'caeder'에서 유래된 'caementum'은 물질을 접합하는 성질을 가진 재료를 총칭하며, 시멘트의 어원이 되었다. 넓은 의미에서 시멘트는 물질과 물질을 접합시키는 성질을 가진 모든 재료를 말한다.

1796년 영국의 제임스 파커(James Parker)는 점토 불순물을 함유한 석회석 덩어리를 소성한 천연 수경성 시멘트(로만 시멘트)로 특허를 얻었다.^[23] 1813년 프랑스의 루이 비카(Louis Vicat)는 석회석과 점토를 조합한 혼합물을 소성하여 인공적인 수경성 석회를 제조했고,^[24] 1824년 영국의 조셉 애스프딘(Joseph Aspdin)은 포틀랜드 시멘트라는 이름으로 특허를 얻었다.

1919년 일본 오노다(小野田) 시멘트 회사가 평안남도 승호리에 한반도 첫 시멘트 공장을 세웠다. 1942년 한반도 남부에 최초로 세워진 시멘트 공장인 삼척 공장은 8만 톤 규모였다. 1945년 해방 당시 한국 내 6개 공장의 생산 능력은 약 170만 톤 정도였다. 1962년 제1차 경제개발 5개년 계획에 따라 시멘트 산업을 국가기간산업으로 적극 육성하면서 시멘트 생산량이 증가했다. 1997년에는 총 시멘트 생산량이 6,000만 톤으로 최대치를 보였다. 2009년 기준으로 대한민국은 세계 7대 시멘트 생산국이자, 세계 5대 시멘트 소비국이다.^[106]^[107]^[108]

2. 1. 고대 ~ 중세

시멘트의 기원은 라틴어로 부순돌을 의미하는 'caeder'에서 유래된 'caementum'이며, 이는 물질을 접합하는 성질을 가진 재료를 총칭한다. 가장 오래된 시멘트질 결합재는 소석고(燒石膏)로, 기원전 2500년경 이집트 피라미드 건설에 사용되었다. 피라미드에는 소석고와 모래를 섞은 모르타르가 석재 줄눈에 사용되었으며, 이는 기경성 시멘트였다.^[106] 그리스 시대부터는 석회석을 구워 만든 소석회(消石灰)가 시멘트로 사용되기 시작했으며, 고대 그리스에서는 소석회와 화산재를 섞어 모르타르나 물잔 등을 만들었다. 로마에서는 나폴리 만 주변 베수비우스 산 인근에서 발견되는 화산재를 '포조라나(Pozzolana)'라고 불렀다.^[106]

그리스와 로마 시대부터 18세기 말까지 소석고, 소석회, 화산재 등을 원료로 한 수경성 결합재가 구조물에 사용되었다. 마르쿠스 비트루비우스 폴리오는 그의 저서 "건축술"에서 포졸라나에 대해 "석회와 돌무더기와 섞으면 다른 종류의 건물에 강도를 더할 뿐만 아니라, 바다에 기둥을 세우면 수중에서도 굳는다."라고 설명했다. 로마인들은 포졸란 화산재가 없을 경우 부서진 벽돌이나 도기를 대용으로 사용하기도 했다.^[22] 로마의 판테온 돔과 카라칼라 욕장은 이러한 콘크리트로 만들어진 대표적인 고대 구조물이며, 로마 수도교 시스템에도 수경성 시멘트가 널리 사용되었다.^[15]^[2]

고대 이집트에서는 모래와 구운 석고(CaSO₄ · 2H₂O)로 만든 모르타르를 사용했다.^[22] 크레타 섬과 고대 그리스에서는 석회(산화칼슘)가 사용되었고, 크레타 미노아 문명에서는 부서진 토기 조각을 인공 포졸란으로 활용했다.^[22] 수경성이 아닌 수화된 석회와 포졸란을 혼합하면 수경성 혼합물이 된다는 사실은 그리스인, 특히 고대 마케도니아인들이 처음 발견한 것으로 추정되며,^[8]^[9] 로마 기술자들은 이를 대규모로 활용했다.^[10]^[11]^[12]

중세 시대에는 수경성 시멘트 관련 지식이 잊혀진 듯 보이나, 일부 석공과 군사 기술자들은 운하, 요새, 항구, 조선소 등의 구조물에 수경성 시멘트를 사용했다.^[19]^[20] 독일 라인란트 지방에서는 트라스(trass)라고 불리는 포졸라나를 이용해 수경성 모르타르를 계속 사용했다.^[17]

1200만 년 전, 석회암층 옆의 오일 셰일이 자연 연소되면서 시멘트 퇴적물이 형성되었다는 연구 결과도 있다.^[7]

2. 2. 근대 시멘트의 발전

그리스 시대부터 18세기 말까지 소석고, 소석회, 화산재 등을 원료로 수경성 결합체를 만들어 구조물에 사용했다. 1796년 영국의 제임스 파커(James Parker)는 점토 불순물을 함유한 석회석 덩어리를 소성한 천연 수경성 시멘트(로만 시멘트)로 특허를 얻었다.^[23] 1813년 프랑스의 비카(Louis Vicat)는 석회석과 점토를 조합한 혼합물을 소성하여 인공적인 수경성 석회를 제조했고,^[24] 1816년 프랑스에서 로만 시멘트(Roman cement)를 사용해 콘크리트로 만든 대형 교량이 등장했다. 1822년 제임스 프로스트(James Frost)는 영국에서 비슷한 방법을 소개했고,^[28] 이후 1824년 영국의 조셉 애스프딘(Joseph Aspdin)은 수경성 모르타르 원료인 결합재를 인공적으로 제작하여 “인조석 제조법의 개량”으로 특허를 얻어 포틀랜드 시멘트라고 불렀다. 1845년 이삭 존슨(Issac Johnson)은 포틀랜드 시멘트의 단점을 보완하고 소괴를 사용하며, 점토와 석회의 적절한 조합비를 결정하는 등 과학적인 근거를 바탕으로 시멘트 발전에 공헌했다.

포틀랜드 시멘트는 19세기 중반 영국에서 개발되었으며, 일반적으로 석회암(limestone)에서 유래한다. 제임스 프로스트는 "영국 시멘트(British cement)"를 생산했지만, 1822년까지 특허를 얻지 못했다.^[28] 1824년, 조셉 애스핀(Joseph Aspdin)은 포틀랜드 석(Portland stone)과 색깔이 비슷하여 "포틀랜드 시멘트(Portland cement)"라고 명명했다. 그러나 애스프딘의 시멘트는 현대 포틀랜드 시멘트와는 달랐지만, "원시 포틀랜드 시멘트(proto-Portland cement)" 개발의 첫 단계였다.^[22] 조셉 애스프딘의 아들 윌리엄 애스핀(William Aspdin)은 1840년대에 우연히 규산칼슘(calcium silicate)을 생산했는데, 이는 포틀랜드 시멘트 개발의 중간 단계였다. 윌리엄 애스핀의 혁신은 혼합물에 더 많은 석회가 필요했고, 더 높은 소성 온도가 필요했으며(더 많은 연료 소모), 생성된 클링커는 매우 단단하여 당시 유일한 연마 기술이었던 맷돌(millstone)을 빠르게 마모시켰다. 제조 비용은 높았지만, 제품은 적당히 천천히 응고되고 강도가 빠르게 발달하여 콘크리트 사용 시장을 열었다. 아이작 찰스 존슨(Isaac Charles Johnson)은 "중간 단계 포틀랜드 시멘트(meso-Portland cement)" 생산을 더욱 개선했고, 자신이 포틀랜드 시멘트의 진정한 아버지라고 주장했다.^[29]

존 스미턴(John Smeaton)은 에디스톤 등대(Eddystone Lighthouse) 건설 당시 시멘트 개발에 중요한 공헌을 했다. 그는 다양한 석회암과 트라스(trass), 포졸라나(pozzolana)를 포함한 첨가제를 결합하여 실험^[22]했고, 수경성 석회의 "수경성"이 점토 함량과 직접 관련됨을 밝혔다.

미국에서는 1818년 천연시멘트가 생산되었고, 1871년 데이비드 세일러(David Saylor)는 포틀랜드 시멘트 특허를 받았다.

캐나다에서는 1830년에 석회와 수경성 시멘트를 최초로 생산하였고, 1822년 독일에서 슬래그 30% 혼합 고로 슬래그 시멘트가 개발되었으며, 일본에서는 1890년 경 시멘트 생산이 시작되었다.^[106]

포틀랜드 시멘트 제조의 다음 발전은 회전로(rotary kiln)의 도입이었다. 더 높은 온도(1450 °C)에서 더 많은 알라이트(alite)(C₃S)가 형성되어 더 강하고 균질한 클링커 혼합물을 생성했다. 원료가 회전로에 지속적으로 공급되어 연속 제조 공정을 가능하게 했다.^[22]

에티오피아 디레다와에 있는 국립 시멘트 주식회사(National Cement Share Company)의 새 공장

2. 3. 한국의 시멘트 역사

1919년 12월 일본 최대의 시멘트 회사였던 오노다(小野田) 시멘트 회사에서 평안남도 동부군 승호리의 경의선 철로변에 한반도 첫 시멘트 공장을 세웠는데, 연간 6만 톤의 생산능력을 갖고 있었다. 이 공장은 제1차 세계대전이 끝나면 일본이 만주 및 중국 시장에 진출할 수 있도록 발판을 미리 마련하기 위해 세워졌다.

1942년 한반도 남부에 세워진 최초의 시멘트 공장인 삼척 공장은 8만 톤 규모였으며, 1945년 해방 당시 한국 내 6개 공장의 생산 능력은 약 170만 톤 정도였다. 그 후 1957년 문경에 대한양회 문경공장이 준공되었다.

대한민국의 시멘트 공업은 1962년 제1차 경제개발 5개년 계획에 따라 시멘트 산업을 국가기간산업으로 적극 육성하면서, 1964년 쌍용, 한일, 현대시멘트가 건설되었고, 1966년 아세아 시멘트, 1969년 성신양회가 건설되었다.

1971년에는 대한민국의 시멘트 생산능력이 700만 톤에 이르게 되었다. 그 후로도 토목사업 위주의 경제성장에 따라 시멘트 수요가 날로 증가하여 1973년 고려시멘트, 1985년 한라시멘트가 건설되었다.

1997년에는 총 시멘트 생산량이 6,000만 톤으로 역사상 최대치를 보였다. 2009년 기준으로 대한민국은 세계 7대 시멘트 생산국이자, 세계 5대 시멘트 소비국이다.^[106]^[107]^[108] 주요 제조사는 삼표시멘트, 쌍용양회공업, 한일시멘트(2017년 현대시멘트 인수), 아시아-한라, 성신양회, 한국C&T, 고려시멘트, 유니온이 있다.

3. 시멘트의 화학적 구성 및 원리

시멘트는 물과 섞이면 수화 반응이라는 일련의 화학 반응을 일으켜 굳기 시작한다. 구성 성분들이 서서히 수화되고, 수화물이 굳으면서 서로 맞물려 시멘트의 강도가 생긴다. 흔히 생각하는 것과 달리, 수경성 시멘트는 건조되어서 굳는 것이 아니다. 적절한 양생은 굳는 과정 동안 수화 반응에 필요한 수분을 유지하는 것을 포함한다. 수경성 시멘트가 양생 단계에서 건조되면, 수화가 불충분하여 강도가 크게 저하될 수 있다. 따라서 최소 5°C 이상, 최대 30°C 이하의 온도가 권장되며,^[49] 초기의 콘크리트는 직사광선, 고온, 낮은 상대습도 및 바람으로 인한 수분 증발로부터 보호되어야 한다.

콘크리트 내에서 ''계면 전이대''(ITZ)는 골재 입자 주변의 시멘트 페이스트 영역을 말한다. 이 영역에서는 미세구조적 특징이 점진적으로 변화한다. 계면 전이대의 폭은 최대 35 마이크로미터에 달할 수 있으며, 다른 연구에서는 최대 50 마이크로미터까지 가능하다는 결과도 있다. 미반응 클링커 상의 평균 함량은 감소하고 기공률은 골재 표면으로 갈수록 감소한다. 반면, 에트링자이트의 함량은 ITZ에서 증가한다.

3. 1. 화학적 구성

시멘트를 물과 반죽하면 돌처럼 굳어지는데, 이는 시멘트 성분이 물과 반응하여 새로운 조직으로 되기 때문이다. 포틀랜드 시멘트는 주성분으로 규산삼칼슘(3CaO·SiO₂)과 규산이칼슘(2CaO·SiO₂)을 포함하고 있으며, 물이 가해지면 각각 다음과 같은 화학반응을 일으킨다.^[5]

:2(3CaO·SiO₂) ＋ 6H₂O → (3CaO·2SiO₂·3H₂O) ＋ 3Ca(OH)₂

:2(2CaO·SiO₂) ＋ 4H₂O → (3CaO·2SiO₂·3H₂O) ＋ Ca(OH)₂

즉, 불안정한 규산칼슘이 분해되어 결정성의 안정된 두 가지 물질로 된다. 이러한 조직의 결합과 결정화로 시멘트에 강도가 생긴다. 또한 위 반응으로 생성된 수산화칼슘(Ca(OH)₂)이 공기 중의 이산화탄소를 흡수하여 경화성(硬化性)의 탄산칼슘(CaCO₃)으로 변하는 것도 시멘트 경도를 증가시키는 한 원인이다.

전형적인 포틀랜드 시멘트의 화학 성분은 다음과 같다.

석회(CaO) 약 63%
실리카(SiO₂) 약 23%
알루미나(Al₂O₃) 약 6% 및 기타 성분

주요 원료는 다음과 같다.

석회석
점토
기타 혼합재 (응결지연제인 석고나 경화촉진제인 염화칼슘 등)

시멘트 재료는 경화 메커니즘에 따라 수경성 시멘트와 공기경화성 시멘트, 두 가지로 분류할 수 있다. 수경성 시멘트는 수화 반응을 통해 경화되므로 물이 필요하지만, 공기경화성 시멘트는 기체와 반응하여 공기 중에서 직접 경화된다.

가장 일반적인 시멘트는 '''수경성 시멘트'''로, 물을 첨가하면 수화를 통해 클링커 광물이 경화된다. 포틀랜드 시멘트와 같은 수경성 시멘트는 규산염과 산화물의 혼합물로 만들어지며, 클링커의 주요 네 가지 광물상은 시멘트 화학 기호로 다음과 같이 약칭된다.

C₃S: 알라이트 (3CaO·SiO₂)
C₂S: 벨라이트 (2CaO·SiO₂)
C₃A: 3석회 알루미늄 (3CaO·Al₂O₃) (역사적으로, 그리고 때때로 ''셀라이트''라고도 불림)
C₄AF: 브라운밀러라이트 (4CaO·Al₂O₃·Fe₂O₃)

규산염은 시멘트의 기계적 성질을 담당하며, 3석회 알루미늄과 브라운밀러라이트는 소결 (소성) 과정 중 고온 회전로에서 액상 형성에 필수적이다. 이러한 반응의 화학은 완전히 명확하지 않으며, 여전히 연구 대상이다.^[5]

먼저, 석회석(탄산칼슘)을 연소하여 탄소를 제거하고 생석회(산화칼슘)를 생성하는데, 이를 소성 반응이라고 한다. 이 화학 반응은 전 세계 이산화탄소 배출량의 주요 원인 중 하나이다.^[6]

:CaCO3 -> CaO + CO2

생석회는 이산화규소와 반응하여 이석회규산염과 삼석회규산염을 생성한다.

:2CaO + SiO2 -> 2CaO.SiO2

:3CaO + SiO2 -> 3CaO.SiO2

생석회는 산화알루미늄과도 반응하여 삼석회알루미늄을 형성한다.

:3CaO + Al2O3 -> 3CaO.Al2O3

마지막 단계에서 산화칼슘, 산화알루미늄 및 산화철은 함께 반응하여 브라운밀러라이트를 형성한다.

:4CaO + Al2O3 + Fe2O3 -> 4CaO.Al2O3.Fe2O3

'''수경성이 아닌 시멘트'''는 덜 일반적인 시멘트 형태로, 물과 섞인 산화칼슘과 같은 생석회(소석회)가 공기 중의 이산화탄소(~ 412 vol. ppm ≃ 0.04 vol. %)와 접촉하여 탄산화됨으로써 경화된다. 먼저 탄산칼슘(석회석 또는 백악)으로부터 소성을 통해 약 10시간 동안 대기압에서 825°C(1,517°F) 이상의 온도에서 산화칼슘(생석회)가 생성된다.

:CaCO3 -> CaO + CO2

그런 다음 산화칼슘은 물과 혼합하여 소석회(수산화칼슘)를 만들기 위해 ''소석화''(숙성)된다.

:CaO + H2O -> Ca(OH)2

과량의 물이 완전히 증발하면(이 과정을 기술적으로 ''굳는다''라고 함), 탄산화가 시작된다.

:Ca(OH)2 + CO2 -> CaCO3 + H2O

이 반응은 공기 중 이산화탄소의 분압이 낮기 때문에(~ 0.4 밀리바) 느리다. 탄산화 반응에는 건조된 시멘트가 공기에 노출되어야 하므로, 소석회는 수경성이 아닌 시멘트이며 물속에서는 사용할 수 없다. 이 과정을 ''석회 순환''이라고 한다.

3. 2. 수경성 시멘트의 경화 원리

시멘트를 물로 반죽하면 돌처럼 굳어지는 이유는 시멘트 성분이 물과 반응하여 새로운 조직을 만들기 때문이다. 포틀랜드 시멘트는 주성분으로 규산삼칼슘(3CaO·SiO₂)과 규산이칼슘(2CaO·SiO₂)을 포함하고 있는데, 물이 가해지면 각각 다음과 같은 화학반응을 일으킨다.^[5]

:2(3CaO·SiO₂) ＋ 6H₂O → (3CaO·2SiO₂·3H₂O) ＋ 3Ca(OH)₂

:2(2CaO·SiO₂) ＋ 4H₂O → (3CaO·2SiO₂·3H₂O) ＋ Ca(OH)₂

즉, 불안정한 규산칼슘이 분해되어 결정성의 안정된 두 물질로 변화한다. 이러한 조직의 결합과 결정화로 인해 시멘트는 강도를 얻게 된다. 또한, 위 반응에서 생성된 수산화칼슘(Ca(OH)₂)이 공기 중의 이산화탄소를 흡수하여 경화성(硬化性)의 탄산칼슘(CaCO₃)으로 변하는 것도 시멘트의 경도를 증가시키는 한 요인이다.

수경성 시멘트는 물을 첨가하면 수화를 통해 클링커 광물이 경화된다. 수경성 시멘트는 규산염과 산화물의 혼합물로 만들어지며, 클링커의 주요 4가지 광물 상은 시멘트 화학 기호로 다음과 같이 약칭된다.^[5]

C₃S: 알라이트 (3CaO·SiO₂)
C₂S: 벨라이트 (2CaO·SiO₂)
C₃A: 3석회 알루미늄 (3CaO·Al₂O₃) (역사적으로, 그리고 때때로 ''셀라이트''라고도 불림)
C₄AF: 브라운밀러라이트 (4CaO·Al₂O₃·Fe₂O₃)

규산염은 시멘트의 기계적 성질을 담당하며, 3석회 알루미늄과 브라운밀러라이트는 소결(소성) 과정 중 고온 회전로에서 액상 형성에 필수적이다.

먼저, 석회석(탄산칼슘)을 연소하여 탄소를 제거하고 생석회(산화칼슘)를 생성한다. (소성 반응) 이 반응은 전 세계 이산화탄소 배출량의 주요 원인 중 하나이다.^[6]

:CaCO3 -> CaO + CO2

생석회는 이산화규소와 반응하여 이석회규산염과 삼석회규산염을 생성한다.

:2CaO + SiO2 -> 2CaO.SiO2

:3CaO + SiO2 -> 3CaO.SiO2

생석회는 산화알루미늄과 반응하여 삼석회알루미늄을 형성한다.

:3CaO + Al2O3 -> 3CaO.Al2O3

마지막 단계에서 산화칼슘, 산화알루미늄 및 산화철은 함께 반응하여 브라운밀러라이트를 형성한다.

:4CaO + Al2O3 + Fe2O3 -> 4CaO.Al2O3.Fe2O3

시멘트는 물과 섞이면 수화 반응이라는 일련의 화학 반응을 일으켜 응결되기 시작한다. 구성 성분들이 서서히 수화되고, 수화물이 응고되어 경화된다. 수화물들이 서로 맞물리면서 시멘트의 강도가 생긴다. 일반적인 생각과 달리, 수경성 시멘트는 건조되어서 응결되는 것이 아니다. 적절한 양생은 응결 및 경화 과정 동안 수화 반응에 필요한 적절한 수분 함량을 유지하는 것을 포함한다. 수경성 시멘트가 양생 단계에서 건조되면, 결과물은 수화가 불충분하고 강도가 크게 저하될 수 있다. 최소 5 °C 이상, 최대 30 °C 이하의 온도가 권장된다.^[49] 초기의 콘크리트는 직사광선, 고온, 낮은 상대습도 및 바람으로 인한 수분 증발로부터 보호되어야 한다.

3. 3. 비수경성 시멘트

비수경성 시멘트는 산화칼슘(생석회)을 물과 섞어 공기 중의 이산화탄소와 접촉시켜 탄산화 반응을 통해 경화된다. 이 과정은 다음과 같다.

1. 산화칼슘 생성: 탄산칼슘(석회석 또는 백악)을 대기압에서 825°C 이상으로 약 10시간 동안 소성하여 산화칼슘(생석회)을 만든다.^[1]

:CaCO3 -> CaO + CO2^[1]

2. 소석회 생성: 산화칼슘을 물과 혼합하여 소석회(수산화칼슘)를 만든다(소석화, 숙성).^[1]

:CaO + H2O -> Ca(OH)2^[1]

3. 탄산화: 과량의 물이 증발하면(굳음) 탄산화가 시작된다.^[1]

:Ca(OH)2 + CO2 -> CaCO3 + H2O^[1]

이 반응은 공기 중 이산화탄소의 분압이 낮아(~ 0.4 밀리바) 느리게 진행된다.^[1] 소석회는 비수경성 시멘트이므로, 탄산화 반응을 위해 건조된 상태로 공기에 노출되어야 하며 물속에서는 사용할 수 없다.^[1] 이러한 과정을 '석회 순환'이라고 한다.^[1]

4. 시멘트의 종류

석회나 석고도 광물을 접착시키는 작용을 하지만, 강도가 약해 도로, 교량 건설에는 부적합하다. 1824년 영국의 조셉 애스프딘이 혼합 원료를 구워 만든 포틀랜드 시멘트가 개발된 이후, 시멘트는 공업적으로 널리 이용되기 시작했다.

시멘트는 성분 차이에 따라 성질이 크게 달라지므로, 사용 목적에 맞게 다양한 종류로 만들어진다.

시멘트는 크게 포틀랜드 시멘트, 포틀랜드 시멘트를 주체로 혼합재료를 섞은 혼합 시멘트, 그 외의 특수 시멘트의 세 가지로 나뉜다. 2018년 국내에서 생산된 시멘트 중 75%가 포틀랜드 시멘트, 24%가 혼합 시멘트였다.^[96]

포틀랜드 시멘트 외에 다양한 종류의 시멘트가 존재한다.

'''수경성 시멘트''': 물을 첨가하면 수화 반응을 통해 클링커 광물이 굳는 시멘트이다.
'''수경성이 아닌 시멘트''': 생석회(소석회)처럼 공기 중의 이산화탄소와 접촉하여 탄산화를 통해 굳는 시멘트이다.

19세기 초, 프랑스의 루이 비카는 존 스미튼의 연구를 알지 못한 채 백악과 점토를 혼합하여 굽는 방법으로 "인공 시멘트"를 생산했다. 이는 포틀랜드 시멘트의 주요 전신으로 여겨진다.^[22] 러시아의 예고르 첼리예프는 석회와 점토를 혼합하여 새로운 결합재를 만들었고, 그의 연구 결과를 책으로 출판했다.^[25]^[26]

미국에서는 19세기 초 로젠데일 시멘트가 건물의 기초, 수도관 라이닝 등에 널리 사용되었다.^[31] 그러나 긴 양생 시간 때문에 포틀랜드 시멘트로 대체되었다. 1930년대 초, 포틀랜드 시멘트의 내구성 문제가 발견되면서 로젠데일 시멘트와 포틀랜드 시멘트를 혼합한 시멘트가 개발되어 사용되었다.^[31]

소렐 시멘트는 스타니슬라스 소렐이 특허를 받았지만,^[32] 내수성과 부식성 문제로 건축용 철근 콘크리트 사용이 제한되었다.^[33]

'''"천연" 시멘트'''는 점토질 석회암을 중간 온도에서 구워서 생산된다. 모든 천연 재료와 마찬가지로 이러한 시멘트는 특성이 매우 다양하다.

'''지오폴리머''' 시멘트는 수용성 알칼리 금속 규산염과 플라이 애시 및 메타카올린과 같은 알루미노규산염 광물 분말의 혼합물로 만들어진다.

'''폴리머''' 시멘트는 중합되는 유기 화학 물질로 만들어진다. 생산자는 종종 열경화성 수지 재료를 사용한다. 비용이 훨씬 더 많이 들지만, 유용한 인장 강도를 가진 방수 재료를 제공할 수 있다.

'''소렐 시멘트'''는 산화 마그네슘과 염화 마그네슘 용액을 결합하여 만든 단단하고 내구성이 뛰어난 시멘트이다.

'''섬유 메시 시멘트''' 또는 섬유 보강 콘크리트는 합성 섬유, 유리 섬유, 천연 섬유 및 강철 섬유와 같은 섬유 재료로 구성된 시멘트이다. 이러한 유형의 메시는 습윤 콘크리트 전체에 고르게 분포된다. 섬유 메시의 목적은 콘크리트의 수분 손실을 줄이고 구조적 무결성을 향상시키는 것이다.^[46] 석고에 사용되는 경우 섬유 메시는 응집력, 인장 강도, 내충격성을 높이고 수축을 줄이며, 궁극적으로 이러한 결합된 특성의 주요 목적은 균열을 줄이는 것이다.^[47]

'''전기 시멘트'''는 전기 아크로에서 철강 제조 공정의 일부로 철거 폐기물에서 시멘트를 재활용하여 제조하는 것으로 제안되었다. 재활용된 시멘트는 철강 제조에 사용되는 석회의 일부 또는 전부를 대체하여 포틀랜드 시멘트와 광물학적으로 유사한 슬래그와 같은 재료를 생성하고 관련 탄소 배출량의 대부분을 제거하는 것을 목표로 한다.^[48]

'''포졸란-석회 시멘트'''는 분쇄된 포졸란과 생석회의 혼합물이다. 이는 로마인들이 사용했던 시멘트이며, 로마의 판테온과 같은 기존 로마 건축물에도 사용되었다.
'''슬래그-석회 시멘트'''(고로 슬래그 미분말)는 자체적으로 수경성이 아니지만, 알칼리를 첨가하여 활성화되며, 가장 경제적인 방법은 석회를 사용하는 것이다. 이는 포졸란-석회 시멘트와 특성이 유사하다. 시멘트 성분으로는 과립상 슬래그(즉, 수냉, 유리질 슬래그)만 효과적이다.
'''초황산염 시멘트'''는 고로 슬래그 미분말 약 80%, 석고 또는 무수석고 15%, 그리고 활성제로 소량의 포틀랜드 시멘트 클링커 또는 석회를 포함한다. 에트링자이트 생성을 통해 강도가 발생하며, 강도 증가는 느린 포틀랜드 시멘트와 유사하다. 황산염을 포함한 공격적인 작용제에 대한 저항성이 우수하다.
'''칼슘 알루미네이트 시멘트'''는 주로 석회암과 보크사이트로 만들어진 수경성 시멘트이다. 내화(고온 저항성) 콘크리트, 예를 들어 용광로 라이닝에 사용하기에 적합하다.
'''칼슘 설포알루미네이트 시멘트'''는 예엘리마이트(Ca₄(AlO₂)₆SO₄ 또는 시멘트 화학 기호에서 C₄A₃)를 주요 상으로 포함하는 클링커로 만들어진다. 팽창성 시멘트, 초고조기 강도 시멘트 및 "저에너지" 시멘트에 사용된다. 포틀랜드 시멘트의 저에너지 대안으로서의 사용은 중국에서 개척되었으며, 연간 수백만 톤이 생산되고 있다.^[44]^[45]

혼합 시멘트의 종류는 다음과 같다.

시멘트 구성 요소: 화학적 및 물리적 특성 비교^[38]^[39]^[40]
특성		포틀랜드 시멘트	실리카질 플라이 애시	석회질 플라이 애시	슬래그 시멘트	실리카 흄
질량 비율 (%)	SiO₂	21.9	52	35	35	85–97
	Al₂O₃	6.9	23	18	12	—
	Fe₂O₃	3	11	6	1	—
	CaO	63	5	21	40	< 1
	MgO	2.5	—	—	—	—
	SO₃	1.7	—	—	—	—
비표면적 (m²/kg)		370	420	420	400	15,000 – 30,000
비중		3.15	2.38	2.65	2.94	2.22
일반 용도		주 결합재	시멘트 대체재	시멘트 대체재	시멘트 대체재	특성 향상제

포틀랜드 고로 슬래그 시멘트: 분쇄 고로 슬래그를 최대 95% 함유하며, 나머지는 포틀랜드 클링커와 소량의 석고로 구성된다. 높은 최종 강도를 생성하지만, 슬래그 함량이 증가함에 따라 초기 강도는 감소하고, 황산염 저항성은 증가하며 발열량은 감소한다.
포틀랜드 플라이 애시 시멘트: 플라이 애시를 최대 40%(ASTM 표준) 또는 35%(EN 표준) 함유한다. 플라이 애시는 포졸란이므로 최종 강도는 유지된다.
포틀랜드 포졸란 시멘트: 플라이 애시 외에 다른 천연 또는 인공 포졸란으로 만든 시멘트도 포함한다.
포틀랜드 실리카 흄 시멘트: 실리카 흄 첨가로 매우 높은 강도를 얻을 수 있다.
벽돌용 시멘트: 벽돌쌓기 모르타르와 스투코 제조에 사용되며, 콘크리트에는 사용해서는 안 된다.
팽창성 시멘트: 포틀랜드 클링커 외에 팽창성 클링커(일반적으로 술포알루미네이트 클링커)를 함유한다.
흰색 혼합 시멘트: 흰색 클링커와 고순도 메타카올린과 같은 흰색 보조 재료를 사용하여 만든다.
착색 시멘트: 장식적인 목적으로 사용된다.
매우 미세하게 분쇄된 시멘트: 모래 또는 슬래그 또는 기타 포졸란 유형의 광물과 함께 매우 미세하게 분쇄된 시멘트 혼합물이다.

특수 시멘트의 종류는 다음과 같다.

알루미나 시멘트: 알루미늄의 원료인 보크사이트와 석회석으로 만들어지며, 산화알루미늄을 함유한다. 혼합 후 곧 강한 강도를 발휘하며, 내화성·내산성이 있다. 긴급 공사나 한랭지에서의 공사, 화학 공장의 건설 공사, 내화물 등에 사용된다.
저발열형 시멘트, 초속경 시멘트, 초조강 시멘트, 콜로이드 시멘트, 시멘트계 고화제 등이 있다.^[106]
탄산 마그네슘을 가열하여 만든 시멘트: 돌이나 모래 등을 접착시키는 시멘트 작용 외에도 톱밥을 접착시키는 등 목재에 대해서도 시멘트 작용을 한다. 또한 다른 시멘트와는 달리 표면에 광택을 낼 수도 있다.
고로 슬래그 시멘트: 제철소의 고로에서 생성되는 부산물인 고로 슬래그(슬래그)의 미분말과 포틀랜드 시멘트를 혼합한 시멘트이다.
실리카 시멘트: 이산화규소(실리카)를 60% 이상 함유하는 천연 실리카질 혼합재와 포틀랜드 시멘트를 혼합한 시멘트이다.
플라이애시 시멘트: 플라이애시(화력발전소에서 발생하는 석탄의 소각재)와 포틀랜드 시멘트를 혼합한 시멘트이다.

4. 1. 포틀랜드 시멘트

1824년 영국의 애스프딘(J. Aspdin, 1779∼1855)은 혼합한 원료를 구워 시멘트를 만드는 데 성공하였다. 이 시멘트는 영국의 포틀랜드섬에서 산출되는 천연석과 색깔이나 형태가 비슷하여 포틀랜드 시멘트라 불리게 되었으며, 현재는 시멘트라고 하면 일반적으로 이 시멘트를 가리킨다.^[22]

포틀랜드 시멘트의 원료는 석회석·점토가 거의 대부분이고, 약간의 산화철이 첨가된다.^[22] 제조 과정 중 중요한 부분은 로터리 킬른(rotary kiln：回轉窯)이며, 원료가 이곳에서 약 1,450 °C까지 가열되어 경단 모양의 클링커가 된다. 이 클링커를 분쇄한 것이 시멘트이다.^[22] 하지만 이것만으로는 물에 섞었을 때 너무 빨리 굳어 토목 공사에 불편함이 있었다. 이 결점을 보완하고 굳는 시간을 늦추기 위해 클링커를 분쇄할 때 석고를 혼합한다. 석고는 여러 형태의 황산 칼슘으로 대체할 수 있다.

포틀랜드 시멘트의 주성분 중 규산삼칼슘은 규산이칼슘보다 굳는 반응이 빠르다. 따라서 빠른 시간 안에 굳혀야 하는 공사에는 규산삼칼슘이 많이 함유된 시멘트를 사용하고, 천천히 굳히는 것이 좋을 때는 규산이칼슘이 많이 들어 있는 시멘트를 사용하는 것이 유리하다. 이처럼 약간의 성분 차이로도 시멘트의 성질이 크게 달라지므로, 사용 목적에 따라 시멘트의 성분과 굽는 방법을 바꾸어 여러 종류의 시멘트를 만든다.

포틀랜드 시멘트는 수화를 통해 클링커 광물이 굳는다. 포틀랜드 시멘트는 규산염과 산화물의 혼합물로 만들어지며, 클링커의 주요 4가지 광물은 시멘트 화학 기호로 다음과 같이 나타낸다.

C₃S: 알라이트 (3CaO·SiO₂)
C₂S: 벨라이트 (2CaO·SiO₂)
C₃A: 3석회 알루미늄 (3CaO·Al₂O₃) (역사적으로, 그리고 때때로 ''셀라이트''라고도 불림)
C₄AF: 브라운밀러라이트 (4CaO·Al₂O₃·Fe₂O₃)

규산염은 시멘트의 기계적 성질을 담당하며, 3석회 알루미늄과 브라운밀러라이트는 소결(소성) 과정 중 고온 회전로에서 액체 상태를 형성하는 데 필수적이다.

먼저, 석회석(탄산칼슘)을 연소하여 탄소를 제거하고 생석회(산화칼슘)를 생성하는데, 이를 소성 반응이라고 한다.

:CaCO3 -> CaO + CO2

생석회는 이산화규소와 반응하여 이석회규산염과 삼석회규산염을 생성한다.

:2CaO + SiO2 -> 2CaO.SiO2

:3CaO + SiO2 -> 3CaO.SiO2

생석회는 산화알루미늄과도 반응하여 삼석회알루미늄을 형성한다.

:3CaO + Al2O3 -> 3CaO.Al2O3

마지막 단계에서 산화칼슘, 산화알루미늄 및 산화철은 함께 반응하여 브라운밀러라이트를 형성한다.

:4CaO + Al2O3 + Fe2O3 -> 4CaO.Al2O3.Fe2O3

아이작 찰스 존슨(Isaac Charles Johnson)은 포틀랜드 시멘트 생산을 더욱 개선했고, 자신이 포틀랜드 시멘트의 진정한 아버지라고 주장했다.^[29]

응결 시간과 "초기 강도"는 시멘트의 중요한 특성이다. 1840년대 초 윌리엄 애스핀(William Aspdin)이 알라이트를 일관되게 함유한 최초의 시멘트를 만들었는데, 이것이 오늘날 우리가 "현대" 포틀랜드 시멘트라고 부르는 것이다.

포틀랜드 시멘트 제조의 발전은 회전로(rotary kiln)의 도입으로 이루어졌다. 회전로에서는 더 높은 온도(1450 °C)에서 더 많은 알라이트(alite)(C₃S)가 형성되어 더 강하고 균질한 클링커 혼합물을 생성할 수 있었다. 또한 원료가 회전로에 지속적으로 공급되어 연속 생산이 가능하게 되었다.^[22]

포틀랜드 시멘트는 콘크리트, 모르타르, 그리고 대부분의 특수하지 않은 그라우트의 기본 성분이다. 포틀랜드 시멘트는 회색 또는 흰색일 수 있다.

포틀랜드 시멘트는 용도에 맞춰 품질과 성질이 다른 여러 종류가 있다. 일반적인 건축 공사 및 구조물에 사용되는 "보통 포틀랜드 시멘트", 단기간에 높은 강도를 나타내는 "급결 포틀랜드 시멘트", 수화열이 낮은 "중용열 포틀랜드 시멘트", 시멘트보다 흰색인 "흰색 포틀랜드 시멘트"가 주요 종류이다.

4. 2. 혼합 시멘트

포틀랜드 시멘트의 클링커를 분쇄할 때 다른 성분을 섞어 그 성질을 조정하는 경우가 있는데, 이를 혼합 시멘트라고 한다. 제철용 고로(高爐)에서 나오는 슬래그(slag：鑛滓)를 섞으면 바닷물의 침식에 대해 강한 시멘트가 된다. 이 시멘트는 강도는 약간 떨어지나 가격이 싸다. 또 석회와 같이 가벼운 물질을 섞으면 가벼운 무게의 제품을 만들 수 있다. 포졸란, 플라이애시 등도 있다.

현대 시멘트는 종종 포틀랜드 시멘트 또는 포틀랜드 시멘트 혼합물이지만, 일부 산업 환경에서는 다른 시멘트 혼합물이 사용된다. 포틀랜드 시멘트 혼합재는 시멘트 생산업체에서 분쇄 혼합된 형태로 자주 제공되지만, 유사한 조성은 콘크리트 믹싱 플랜트에서 분쇄된 성분들을 혼합하여 만들어지기도 한다.

'''포틀랜드 고로 슬래그 시멘트''' 또는 고로 시멘트(각각 ASTM C595 및 EN 197-1 명명법)는 최대 95%의 분쇄 고로 슬래그를 함유하며, 나머지는 포틀랜드 클링커와 소량의 석고로 구성된다. 모든 조성은 높은 최종 강도를 생성하지만, 슬래그 함량이 증가함에 따라 초기 강도는 감소하고, 황산염 저항성은 증가하며 발열량은 감소한다. 포틀랜드 황산염 저항성 시멘트와 저발열 시멘트의 경제적인 대안으로 사용된다.
'''포틀랜드 플라이 애시 시멘트'''는 ASTM 표준(ASTM C595)에 따라 최대 40%의 플라이 애시 또는 EN 표준(EN 197–1)에 따라 35%의 플라이 애시를 함유한다. 플라이 애시는 포졸란이므로 최종 강도는 유지된다. 플라이 애시 첨가는 콘크리트의 물 함량을 낮추므로 초기 강도도 유지할 수 있다. 양질의 저렴한 플라이 애시를 사용할 수 있는 경우, 이는 보통 포틀랜드 시멘트의 경제적인 대안이 될 수 있다.^[41]
'''포틀랜드 포졸란 시멘트'''는 플라이 애시가 포졸란이므로 플라이 애시 시멘트를 포함하지만, 다른 천연 또는 인공 포졸란으로 만든 시멘트도 포함한다. 화산재가 있는 국가(예: 이탈리아, 칠레, 멕시코, 필리핀)에서는 이러한 시멘트가 가장 일반적으로 사용되는 형태이다. 최대 치환율은 일반적으로 포틀랜드 플라이 애시 시멘트와 같이 정의된다.
'''포틀랜드 실리카 흄 시멘트'''. 실리카 흄을 첨가하면 매우 높은 강도를 얻을 수 있으며, 5~20%의 실리카 흄을 함유하는 시멘트가 가끔 생산되며, EN 197–1에 따라 허용되는 최대 첨가량은 10%이다. 그러나 실리카 흄은 일반적으로 콘크리트 믹서에서 포틀랜드 시멘트에 첨가된다.^[42]
'''벽돌용 시멘트'''는 벽돌쌓기 모르타르와 스투코를 준비하는 데 사용되며, 콘크리트에는 사용해서는 안 된다. 이것은 일반적으로 포틀랜드 클링커와 석회석, 수화석회, 공기 연행제, 지연제, 방수제, 착색제를 포함한 여러 가지 다른 성분을 포함하는 복잡한 독점적 조성물이다. 이것은 빠르고 일관된 벽돌 작업을 가능하게 하는 가공성 있는 모르타르를 생성하도록 제형화된다. 북미의 벽돌용 시멘트의 미묘한 변형은 플라스틱 시멘트와 스투코 시멘트이다. 이것들은 벽돌 블록과 제어된 결합을 생성하도록 설계되었다.
'''팽창성 시멘트'''는 포틀랜드 클링커 외에도 팽창성 클링커(일반적으로 술포알루미네이트 클링커)를 함유하며, 수경성 시멘트에서 일반적으로 발생하는 건조 수축의 영향을 상쇄하도록 설계되었다. 이 시멘트는 수축 조인트 없이 바닥 슬래브(최대 60m²)에 대한 콘크리트를 만들 수 있다.
'''흰색 혼합 시멘트'''는 (철분이 거의 없거나 전혀 없는) 흰색 클링커와 고순도 메타카올린과 같은 흰색 보조 재료를 사용하여 만들 수 있다.
'''착색 시멘트'''는 장식적인 목적으로 사용된다. 일부 표준에서는 안료를 첨가하여 착색된 포틀랜드 시멘트를 생산할 수 있도록 허용한다. 다른 표준(예: ASTM)에서는 포틀랜드 시멘트에 안료를 사용할 수 없도록 하며, 착색 시멘트는 혼합 수경성 시멘트로 판매된다.
'''매우 미세하게 분쇄된 시멘트'''는 모래 또는 슬래그 또는 기타 포졸란 유형의 광물과 함께 매우 미세하게 분쇄된 시멘트 혼합물이다. 이러한 시멘트는 화학 반응을 위한 표면적이 더 많기 때문에 특히 시멘트를 50% 적게 사용하면서 일반 시멘트와 동일한 물리적 특성을 가질 수 있다. 집중적인 분쇄에도 불구하고 일반 포틀랜드 시멘트보다 최대 50% 적은 에너지(따라서 탄소 배출량도 감소)를 사용하여 제조할 수 있다.^[43]

시멘트 구성 요소: 화학적 및 물리적 특성 비교^[38]^[39]^[40]
특성		포틀랜드 시멘트	실리카질 플라이 애시	석회질 플라이 애시	슬래그 시멘트	실리카 흄
질량 비율 (%)	SiO₂	21.9	52	35	35	85–97
	Al₂O₃	6.9	23	18	12	—
	Fe₂O₃	3	11	6	1	—
	CaO	63	5	21	40	< 1
	MgO	2.5	—	—	—	—
	SO₃	1.7	—	—	—	—
비표면적 (m²/kg)		370	420	420	400	15,000 – 30,000
비중		3.15	2.38	2.65	2.94	2.22
일반 용도		주 결합재	시멘트 대체재	시멘트 대체재	시멘트 대체재	특성 향상제

; 고로 슬래그 시멘트

: 제철소의 쇳물 제조 공정인 고로에서 생성되는 부산물인 고로 슬래그(슬래그)의 미분말과 포틀랜드 시멘트를 혼합한 시멘트이다. 고로 슬래그에는 시멘트의 수화 반응에서 발생한 수산화칼슘 등의 알칼리성 물질이나 석고 등의 자극에 의해 수화·경화하는 성질이 있다. 따라서 고로 슬래그 시멘트는 초기 강도는 보통 포틀랜드 시멘트보다 낮지만, 이 성질에 의해 장기간에 걸쳐 강도가 증진하며, 장기 강도는 보통 포틀랜드 시멘트를 웃도는 경우도 있다.^[97] 해수나 화학물질에 대한 저항성이 우수하며,^[97] 항만이나 댐 등의 대형 토목공사에 사용된다.^[97]

: JIS에서는 JIS R 5211로 규정되며, 고로 슬래그의 양에 따라 A종(5-30%), B종(30-60%), C종(60-70%)으로 분류된다.

: 독일에서는 20세기 초부터 제조되었고, 일본에서는 하타타 제철소에서 1913년(다이쇼 2년)에 제조된 것이 시작이다. 2018년 시점에서 혼합 시멘트의 87%를 차지한다.^[96]

; 실리카 시멘트

: 이산화규소(실리카)를 60% 이상 함유하는 천연 실리카질 혼합재와 포틀랜드 시멘트를 혼합한 시멘트이다. 내약품성이 요구되는 화학 공장에 사용된다. JIS에서는 JIS R 5212로 규정되어 있다. 2010년 이후로는 생산되지 않는다.^[96]

; 플라이애시 시멘트

: 플라이애시(화력발전소에서 발생하는 석탄의 소각재)와 포틀랜드 시멘트를 혼합한 시멘트이다. 구형의 플라이애시를 혼합하기 때문에, 이 시멘트를 사용하는 콘크리트는 유동성이 개선되어 작업성이 우수하다.^[98] 또한, 플라이애시에 포함된 이산화규소가 수화 반응에 의해 생성된 수산화칼슘과 반응(포졸란 반응)하여 치밀하고 내구성이 우수한 규산칼슘의 수화물을 생성한다. 따라서 수밀성이 있으며, 항만이나 댐 등 수밀성이 요구되는 구조물에 사용된다.

: JIS에서는 JIS R 5213으로 규정되며, 플라이애시의 양에 따라 A종(5-10%), B종(10-20%), C종(20-30%)으로 분류된다.

: 일본에서는 우베흥산의 시멘트 사업(현 UBE미쓰비시 시멘트)에서 1956년(쇼와 31년)에 제조된 것이 시작이다.

4. 3. 특수 시멘트

특수 시멘트로는 저발열형 시멘트, 초속경 시멘트, 초조강 시멘트, 콜로이드 시멘트, 시멘트계 고화제 등이 있다.^[106]

알루미나시멘트는 유럽에서 속경성 시멘트로 개발되어 건축물에 많이 사용되었고, 제1차 세계 대전과 제2차 세계 대전 때에는 진지 구축 등 긴급 공사용으로 널리 사용되었다. 그러나 장기적인 수화물의 전이 현상으로 강도가 저하되는 결점이 있어 구조용으로는 사용되지 않고, 알루미나 성분이 높아 고온에서도 경화체가 파괴되지 않는 특성을 이용하여 내화 재료인 캐스타블 용도로 사용되며, 긴급 공사나 모르타르의 조강성을 위한 혼합 용도로 사용된다. 알루미나 함량에 따라 40, 50, 70, 80 등으로 분류되며, 알루미나 함량이 높을수록 내화도가 높아 고급 내화물 용도로 사용된다.

탄산 마그네슘을 가열하여 만든 시멘트는 돌이나 모래 등을 접착시키는 시멘트 작용 외에도 톱밥을 접착시키는 등 목재에 대해서도 시멘트 작용을 한다. 또한 다른 시멘트와는 달리 표면에 광택을 낼 수도 있다.

; 알루미나 시멘트

알루미늄의 원료인 보크사이트와 석회석으로 만들어지는 산화알루미늄(알루미나)을 함유한 시멘트이다. 혼합한 후 곧 강한 강도를 발휘하며, 내화성·내산성이 있다. 긴급 공사나 한랭지에서의 공사, 화학 공장의 건설 공사, 내화물 등에 사용된다.

5. 시멘트의 활용

시멘트는 모래, 자갈과 함께 물로 섞어 콘크리트를 만드는 데 가장 많이 사용된다. 시멘트는 모래와 자갈을 연결하는 접착제 역할을 한다.

모르타르: 시멘트와 모래를 물로 갠 것으로, 기와와 콘크리트 블록 제작에 사용된다. 블록은 모르타르 외에 속돌 등을 섞어 만들기도 하며, 단열성과 시공 편의성이 좋다.
슬레이트: 시멘트에 석면을 15~20% (중량비) 섞어 물로 반죽해서 만든다. 시멘트만으로는 꺾임이나 인장 강도에 약하지만, 석면 섬유 덕분에 강도가 높아진다. 주로 지붕이나 벽 재료로 사용된다.
기포 콘크리트: 시멘트를 물로 반죽할 때 거품을 발생시키는 성분을 첨가하여 만든 다공질의 가벼운 콘크리트이다. 톱으로 자를 수 있을 정도로 가공성이 좋다.

포틀랜드 시멘트와 혼합 시멘트는 토목 및 건축용 콘크리트와 모르타르 재료로 사용된다. 포틀랜드 시멘트는 사용 실적이 많고, 다양한 공사에 특별한 주의 없이 사용할 수 있다. 혼합 시멘트는 화학적 저항성이 높고, 장기 강도가 커서 댐, 해양 구조물, 하수도 공사에 많이 사용된다.

특수 시멘트로는 알루미나 시멘트, 초속경 시멘트, 팽창 시멘트 등이 있다. 알루미나 시멘트는 내산성이 높지만 가격이 비싸고 취급이 까다롭다. 초속경 시멘트는 도로 긴급 보수, 동절기 공사 등에 사용된다. 팽창 시멘트는 수밀성이 필요한 구조물의 균열 억제 등에 사용된다.

이 외에도 포졸란-석회 시멘트, 슬래그-석회 시멘트, 초황산염 시멘트, 칼슘 알루미네이트 시멘트, 칼슘 설포알루미네이트 시멘트, 천연 시멘트, 지오폴리머 시멘트, 폴리머 시멘트, 소렐 시멘트, 섬유 메시 시멘트, 전기 시멘트 등 다양한 종류의 시멘트가 활용된다.

5. 1. 콘크리트

시멘트는 모래·자갈과 함께 혼합하여 물로 개어 사용하는 경우가 가장 많다. 즉 모래나 자갈을 연결하는 접착제로서의 작용을 하는데, 이것이 콘크리트이며, 일반적으로 시멘트 1, 모래 2, 자갈 4의 비율로 섞는다. 콘크리트 혼합공장에서 공사장까지 콘크리트를 운반하는 믹서 차(mixer car)는 회전드럼 속에서 물과 시멘트와 자갈을 혼합하면서 달린다. 콘크리트는 압축하는 힘에 대해서는 강하지만, 꺾거나 잡아당기는 힘에 대해서는 약하다. 이 결점을 보완하기 위해 철근이나 철골을 넣어 굳힌다. 또 교량공사 등에 쓰이는 것으로, 사용할 때의 인장력(引張力)보다 더 강한 장력을 가하여 굳혀, 사용시에 가해지는 꺾임이나 잡아당기는 힘에 대항할 수 있는 장력을 가질 수 있도록 한 프리스트레스트 콘크리트 등이 있다. 이 콘크리트는 몹시 견고하여 철도의 침목으로도 쓰인다.

석회(산화칼슘)는 크레타 섬과 고대 그리스에서 사용되었다. 크레타 미노아 문명이 부서진 토기 조각을 수경성 시멘트를 위한 인공 포졸란으로 사용했다는 증거가 있다.^[22] 수경성이 아닌 수화된 석회와 포졸란을 섞으면 수경성 혼합물이 된다는 사실을 누가 처음 발견했는지는 알 수 없지만(또한 포졸란 반응 참조), 이러한 콘크리트는 그리스인들, 특히 고대 마케도니아인들이 사용했고,^[8]^[9] 3세기 후에는 로마 기술자들이 대규모로 사용했다.^[10]^[11]^[12]

그리스인들은 테라 섬의 화산 응회암을 포졸란으로 사용했고, 로마인들은 석회와 함께 부서진 화산재(활성화된 알루미늄 규산염)를 사용했다. 이 혼합물은 물 속에서도 굳을 수 있어 녹과 같은 부식에 대한 저항성이 증가했다.^[13] 이 재료는 화산재가 채취되었던 나폴리 서쪽의 포쭈올리 마을에서 유래한 이름인 ''포졸라나''라고 불렸다.^[14] 로마인들은 포졸란 화산재가 없을 경우 부서진 벽돌이나 도기를 대용으로 사용했으며, 로마 근처의 천연 자원을 발견하기 전에 부서진 기와를 이 목적으로 사용했을 수도 있다.^[22] 로마의 판테온의 거대한 돔과 거대한 카라칼라 욕장은 이러한 콘크리트로 만들어진 고대 구조물의 예이며, 그중 많은 부분이 현재까지도 남아 있다.^[15]^[2] 광대한 로마 수도교 시스템도 수경성 시멘트를 광범위하게 사용했다.^[16] 로마 콘크리트는 건물의 외부에 사용되는 경우가 드물었다. 일반적인 방법은 벽돌로 된 외장재를 거푸집으로 사용하고, 부서진 돌, 벽돌, 토기 파편, 재활용 콘크리트 조각 또는 기타 건축 잔해의 골재와 섞인 몰탈로 내부를 채우는 것이었다.^[17] 멕시코 멕시코시티 근처에 위치한 엘 타힌(El Tajin)에서 매우 발전된 문명을 이룩했던 콜럼버스 이전 시대 건축가들은 경량 콘크리트를 설계하여 구조 요소 건설에 사용했다. 골재와 결합재의 구성에 대한 자세한 연구에 따르면 골재는 부석(pumice)이고 결합재는 화산재와 석회로 만든 포졸란 시멘트였다.^[18]

포틀랜드 시멘트는 수경성 시멘트의 한 종류로, 전 세계적으로 가장 흔하게 사용되는 시멘트이다. 이 시멘트는 석회석(탄산칼슘)을 점토와 같은 다른 재료와 함께 소성이라고 하는 과정을 통해 킬른에서 섭씨 1450도까지 가열하여 만든다. 이 과정에서 탄산칼슘에서 이산화탄소 분자가 방출되어 산화칼슘(생석회)이 생성되고, 이는 혼합물의 다른 재료들과 화학적으로 결합하여 규산칼슘 및 기타 수경성 화합물을 형성한다. '클링커'라고 불리는 이렇게 생성된 단단한 물질을 소량의 석고()와 함께 분쇄하여 가장 일반적으로 사용되는 시멘트 유형인 '보통 포틀랜드 시멘트'(OPC로도 자주 불림)를 만든다.

포틀랜드 시멘트는 콘크리트, 모르타르, 그리고 대부분의 특수하지 않은 그라우트의 기본 성분이다. 포틀랜드 시멘트의 가장 일반적인 용도는 콘크리트 제조이다. 포틀랜드 시멘트는 회색 또는 흰색일 수 있다. 포틀랜드 시멘트 혼합재는 시멘트 생산업체에서 분쇄 혼합된 형태로 자주 제공되지만, 유사한 조성은 콘크리트 믹싱 플랜트에서 분쇄된 성분들을 혼합하여 만들어지기도 한다.

'''포틀랜드 고로 슬래그''' 시멘트 또는 고로 시멘트(각각 ASTM C595 및 EN 197-1 명명법)는 최대 95%의 분쇄 고로 슬래그를 함유하며, 나머지는 포틀랜드 클링커와 소량의 석고로 구성된다. 모든 조성은 높은 최종 강도를 생성하지만, 슬래그 함량이 증가함에 따라 초기 강도는 감소하고, 황산염 저항성은 증가하며 발열량은 감소한다. 포틀랜드 황산염 저항성 시멘트와 저발열 시멘트의 경제적인 대안으로 사용된다.

'''포틀랜드 플라이 애시''' 시멘트는 ASTM 표준(ASTM C595)에 따라 최대 40%의 플라이 애시 또는 EN 표준(EN 197–1)에 따라 35%의 플라이 애시를 함유한다. 플라이 애시는 포졸란이므로 최종 강도는 유지된다. 플라이 애시 첨가는 콘크리트의 물 함량을 낮추므로 초기 강도도 유지할 수 있다. 양질의 저렴한 플라이 애시를 사용할 수 있는 경우, 이는 보통 포틀랜드 시멘트의 경제적인 대안이 될 수 있다.^[41]

'''포틀랜드 포졸란''' 시멘트는 플라이 애시가 포졸란이므로 플라이 애시 시멘트를 포함하지만, 다른 천연 또는 인공 포졸란으로 만든 시멘트도 포함한다. 화산재가 있는 국가(예: 이탈리아, 칠레, 멕시코, 필리핀)에서는 이러한 시멘트가 가장 일반적으로 사용되는 형태이다. 최대 치환율은 일반적으로 포틀랜드 플라이 애시 시멘트와 같이 정의된다.

'''포틀랜드 실리카 흄''' 시멘트. 실리카 흄을 첨가하면 매우 높은 강도를 얻을 수 있으며, 5~20%의 실리카 흄을 함유하는 시멘트가 가끔 생산되며, EN 197–1에 따라 허용되는 최대 첨가량은 10%이다. 그러나 실리카 흄은 일반적으로 콘크리트 믹서에서 포틀랜드 시멘트에 첨가된다.^[42]

'''벽돌용''' 시멘트는 벽돌쌓기 모르타르와 스투코를 준비하는 데 사용되며, 콘크리트에는 사용해서는 안 된다. 이것은 일반적으로 포틀랜드 클링커와 석회석, 수화석회, 공기 연행제, 지연제, 방수제, 착색제를 포함한 여러 가지 다른 성분을 포함하는 복잡한 독점적 조성물이다. 이것은 빠르고 일관된 벽돌 작업을 가능하게 하는 가공성 있는 모르타르를 생성하도록 제형화된다. 북미의 벽돌용 시멘트의 미묘한 변형은 플라스틱 시멘트와 스투코 시멘트이다. 이것들은 벽돌 블록과 제어된 결합을 생성하도록 설계되었다.

'''팽창성''' 시멘트는 포틀랜드 클링커 외에도 팽창성 클링커(일반적으로 술포알루미네이트 클링커)를 함유하며, 수경성 시멘트에서 일반적으로 발생하는 건조 수축의 영향을 상쇄하도록 설계되었다. 이 시멘트는 수축 조인트 없이 바닥 슬래브(최대 60m²)에 대한 콘크리트를 만들 수 있다.

'''흰색 혼합''' 시멘트는 (철분이 거의 없거나 전혀 없는) 흰색 클링커와 고순도 메타카올린과 같은 흰색 보조 재료를 사용하여 만들 수 있다. '''착색''' 시멘트는 장식적인 목적으로 사용된다. 일부 표준에서는 안료를 첨가하여 착색된 포틀랜드 시멘트를 생산할 수 있도록 허용한다. 다른 표준(예: ASTM)에서는 포틀랜드 시멘트에 안료를 사용할 수 없도록 하며, 착색 시멘트는 혼합 수경성 시멘트로 판매된다.

'''매우 미세하게 분쇄된''' 시멘트는 모래 또는 슬래그 또는 기타 포졸란 유형의 광물과 함께 매우 미세하게 분쇄된 시멘트 혼합물이다. 이러한 시멘트는 화학 반응을 위한 표면적이 더 많기 때문에 특히 시멘트를 50% 적게 사용하면서 일반 시멘트와 동일한 물리적 특성을 가질 수 있다. 집중적인 분쇄에도 불구하고 일반 포틀랜드 시멘트보다 최대 50% 적은 에너지(따라서 탄소 배출량도 감소)를 사용하여 제조할 수 있다.^[43]

'''포졸란-석회''' 시멘트는 분쇄된 포졸란과 생석회의 혼합물이다. 이는 로마인들이 사용했던 시멘트이며, 로마의 판테온과 같은 기존 로마 건축물에도 사용되었다. 강도 발현이 느리지만, 최종 강도는 매우 높을 수 있다. 강도를 생성하는 수화 생성물은 기본적으로 포틀랜드 시멘트와 동일하다.

'''슬래그-석회''' 시멘트—고로 슬래그 미분말—는 자체적으로 수경성이 아니지만, 알칼리를 첨가하여 활성화되며, 가장 경제적인 방법은 석회를 사용하는 것이다. 이는 포졸란-석회 시멘트와 특성이 유사하다. 시멘트 성분으로는 과립상 슬래그(즉, 수냉, 유리질 슬래그)만 효과적이다.

'''초황산염''' 시멘트는 고로 슬래그 미분말 약 80%, 석고 또는 무수석고 15%, 그리고 활성제로 소량의 포틀랜드 클링커 또는 석회를 포함한다. 에트링자이트 생성을 통해 강도가 발생하며, 강도 증가는 느린 포틀랜드 시멘트와 유사하다. 황산염을 포함한 공격적인 작용제에 대한 저항성이 우수하다.

'''칼슘 알루미네이트''' 시멘트는 주로 석회암과 보크사이트로 만들어진 수경성 시멘트이다. 주요 성분은 모노칼슘 알루미네이트 CaAl₂O₄ (CaO · Al₂O₃ 또는 시멘트 화학 기호에서 CA)와 마이에나이트 Ca₁₂Al₁₄O₃₃ (12 CaO · 7 Al₂O₃ 또는 시멘트 화학 기호에서 C₁₂A₇)이다. 칼슘 알루미네이트 수화물로의 수화를 통해 강도가 형성된다. 내화(고온 저항성) 콘크리트, 예를 들어 용광로 라이닝에 사용하기에 적합하다.

'''칼슘 설포알루미네이트''' 시멘트는 예엘리마이트(Ca₄(AlO₂)₆SO₄ 또는 시멘트 화학 기호에서 C₄A₃)를 주요 상으로 포함하는 클링커로 만들어진다. 팽창성 시멘트, 초고조기 강도 시멘트 및 "저에너지" 시멘트에 사용된다. 수화는 에트링자이트를 생성하며, 칼슘 및 황산염 이온의 이용 가능성을 조정하여 특수한 물리적 특성(팽창 또는 급속 반응과 같은)을 얻는다. 포틀랜드 시멘트의 저에너지 대안으로서의 사용은 중국에서 개척되었으며, 연간 수백만 톤이 생산되고 있다.^[44]^[45] 소요되는 소성 온도가 낮고, 혼합물 내 석회암의 양(흡열적으로 탈탄산화되어야 함)이 적기 때문에 에너지 요구량이 낮다. 또한, 석회암 함량이 적고 연료 소비량이 적어 포틀랜드 클링커와 관련된 배출량의 약 절반 수준이다. 그러나 SO₂ 배출량은 일반적으로 훨씬 높다.

포틀랜드 시대 이전의 특정 시멘트에 해당하는 '''"천연"''' 시멘트는 점토질 석회암을 중간 온도에서 구워서 생산된다. 석회암의 점토 성분 비율(약 30~35%)은 포틀랜드 시멘트에서 조기 강도가 낮고 후기 강도가 높은 광물인 벨라이트이 과량의 유리석회가 생성되지 않고 다량으로 형성되도록 한다. 모든 천연 재료와 마찬가지로 이러한 시멘트는 특성이 매우 다양하다.

'''지오폴리머''' 시멘트는 수용성 알칼리 금속 규산염과 플라이 애시 및 메타카올린과 같은 알루미노규산염 광물 분말의 혼합물로 만들어진다.

'''폴리머''' 시멘트는 중합되는 유기 화학 물질로 만들어진다. 생산자는 종종 열경화성 수지 재료를 사용한다. 비용이 훨씬 더 많이 들지만, 유용한 인장 강도를 가진 방수 재료를 제공할 수 있다.

'''소렐''' 시멘트는 산화 마그네슘과 염화 마그네슘 용액을 결합하여 만든 단단하고 내구성이 뛰어난 시멘트이다.

'''섬유 메시''' 시멘트 또는 섬유 보강 콘크리트는 합성 섬유, 유리 섬유, 천연 섬유 및 강철 섬유와 같은 섬유 재료로 구성된 시멘트이다. 이러한 유형의 메시는 습윤 콘크리트 전체에 고르게 분포된다. 섬유 메시의 목적은 콘크리트의 수분 손실을 줄이고 구조적 무결성을 향상시키는 것이다.^[46] 석고에 사용되는 경우 섬유 메시는 응집력, 인장 강도, 내충격성을 높이고 수축을 줄이며, 궁극적으로 이러한 결합된 특성의 주요 목적은 균열을 줄이는 것이다.^[47]

'''전기''' 시멘트는 전기 아크로에서 철강 제조 공정의 일부로 철거 폐기물에서 시멘트를 재활용하여 제조하는 것으로 제안되었다. 재활용된 시멘트는 철강 제조에 사용되는 석회의 일부 또는 전부를 대체하여 포틀랜드 시멘트와 광물학적으로 유사한 슬래그와 같은 재료를 생성하고 관련 탄소 배출량의 대부분을 제거하는 것을 목표로 한다.^[48]

포틀랜드 시멘트와 혼합 시멘트는 토목 및 건축용 콘크리트와 모르타르의 재료로 사용된다.

포틀랜드 시멘트는 사용 실적이 많고, 다양한 공사에 특별한 주의 없이 사용할 수 있다. 조강형은 긴급 공사나 동절기 공사에 적합하고, 초조강 시멘트는 분말도가 높아 그라우트 공사에 적합하다. 중용열 시멘트는 기존의 댐 콘크리트에 사용되어 왔지만, RCD 공법용 콘크리트에서는 시멘트의 20~30%를 플라이애시로 치환한 중용열 시멘트가 많이 사용된다. 내황산염 시멘트는 온천 지대, 해양 구조물, 하수 공사 등에 사용된다. 단, 포틀랜드 시멘트는 내산성이 낮고, 화학적 저항성은 기대할 수 없다.

혼합 시멘트는 화학적 저항성도 높고, 슬래그의 잠재 수경성과 플라이애시의 포졸란 반응에 의해 장기 강도가 커지기 때문에 댐, 해양 구조물, 하수도 공사에 많이 사용된다. 단, 초기 강도가 약하기 때문에 초기 재령의 양생 관리가 중요하다.

특수 시멘트는, 알루미나 시멘트가 24시간 이내에 보통 포틀랜드 시멘트의 재령 28일 강도를 웃도는 강도를 발현하는 특성이 있고 내산성이 높지만, 가격이 높고 발열량이 많은 데다, 전이 현상으로 장기 강도가 저하되는 등 취급이 어렵기 때문에 내화 제품 외에는 거의 사용되지 않는다. 초속경 시멘트(제트 시멘트)는 2~3시간 만에 실용적인 강도를 얻을 수 있는 특성이 있고, 저온에서도 강도 발현이 빠르고 전이 현상도 발생하지 않기 때문에 도로의 긴급 보수 공사, 동절기 공사, 터널의 복공 숏크리트 등에 사용된다. 단, 사용할 때는 응결 지연제(제트 세터)의 병용이 필요하다. 팽창 시멘트는 포틀랜드 시멘트에 팽창제를 첨가한 것으로, 특히 수밀성이 필요한 구조물의 균열 억제나 공극 충전 목적으로 사용된다. 팽창제는 풍화되기 쉽고, 첨가량에 따라 팽창량을 조절하므로 계량을 정밀하게 해야 한다.

시멘트에 물을 반죽한 것을 시멘트 페이스트라고 하고, 거기에 세골재(모래)를 넣은 것이 모르타르이다. 모르타르에 굵은 골재(자갈)를 섞은 것을 콘크리트라고 한다. 모르타르와 콘크리트는 화학 혼화제를 첨가하고, 또한, 공기량도 적절히 확보하도록 고려하여 설계·제조된다.

5. 2. 모르타르

시멘트와 모래를 물로 갠 것을 모르타르라고 하며, 이 모르타르를 틀에 부어 굳힌 것이 기와와 콘크리트 블록이다. 블록은 모르타르만으로 된 것 외에 속돌(경석) 등을 섞어 만든 것도 있으며, 단열성이 있고 쌓기 편리하다는 장점이 있다. 모르타르는 골재(모래)를 섞은 것이며, 모르타르에 골재(자갈)을 섞은 것은 콘크리트라고 한다.

5. 3. 기타

슬레이트 시멘트는 석면을 15~20%의 중량비로 첨가하여 물로 반죽해서 만든다. 시멘트만으로는 꺾임이나 인장 강도에 약하지만, 석면 섬유 덕분에 강도가 높아진다. 주로 지붕이나 벽 재료로 사용된다.

기포 콘크리트는 시멘트를 물로 반죽할 때 거품을 발생시키는 성분을 첨가하여 만든 다공질의 가벼운 콘크리트이다. 톱으로 자를 수 있을 정도로 가공성이 좋다.

모르타르는 시멘트와 모래를 물로 갠 것으로, 기와와 콘크리트 블록 제작에 사용된다. 블록은 모르타르만으로 만들거나 속돌 등을 섞어 만들기도 하며, 단열성과 시공 편의성이 좋다.

고대 그리스 크레타 섬에서는 석회(산화칼슘)가 사용되었다. 크레타 미노아 문명에서는 부서진 토기 조각을 인공 포졸란으로 사용했다는 증거가 있다.^[22] 수경성이 아닌 석회와 포졸란을 섞어 수경성 혼합물을 만드는 방법은 누가 처음 발견했는지는 불분명하지만, 이러한 콘크리트는 그리스인, 특히 고대 마케도니아인들이 사용했고, 3세기 후에는 로마 기술자들이 대규모로 사용했다.^[8]^[9]^[10]^[11]^[12]

그리스인들은 테라 섬의 화산 응회암을, 로마인들은 석회와 함께 부서진 화산재(활성화된 알루미늄 규산염)를 포졸란으로 사용했다. 이 혼합물은 물 속에서도 굳어 부식 저항성이 증가했다.^[13] 이 재료는 화산재가 채취되었던 나폴리 서쪽의 포쭈올리 마을에서 유래한 ''포졸라나''라고 불렸다.^[14] 로마인들은 포졸란 화산재가 없을 경우 부서진 벽돌이나 도기를 대용으로 사용했으며, 로마 근처의 천연 자원을 발견하기 전에는 부서진 기와를 사용했을 수도 있다.^[22] 로마의 판테온 돔과 카라칼라 욕장은 이러한 콘크리트로 만들어진 대표적인 고대 건축물이며, 현재까지도 많이 남아있다.^[15]^[2] 로마 수도교 시스템도 수경성 시멘트를 광범위하게 사용했다.^[16] 로마 콘크리트는 건물의 외부에 사용되는 경우가 드물었다. 주로 벽돌 외장재를 거푸집으로 사용하고, 부서진 돌, 벽돌, 토기 파편, 재활용 콘크리트 조각 등의 골재와 섞인 몰탈로 내부를 채웠다.^[17]

'''포졸란-석회''' 시멘트는 분쇄된 포졸란과 생석회를 섞어 만든다. 로마인들이 사용했던 시멘트이며, 판테온과 같은 로마 건축물에 사용되었다. 강도 발현은 느리지만, 최종 강도는 매우 높다. 강도를 생성하는 수화 생성물은 포틀랜드 시멘트와 기본적으로 같다.

'''슬래그-석회''' 시멘트(고로 슬래그 미분말)는 자체적으로는 수경성이 없지만, 석회 등의 알칼리를 첨가하면 활성화된다. 포졸란-석회 시멘트와 유사한 특성을 가진다. 과립상 슬래그(수냉, 유리질 슬래그)만 시멘트 성분으로 효과적이다.

'''초황산염''' 시멘트는 고로 슬래그 미분말 약 80%, 석고 또는 무수석고 15%, 소량의 포틀랜드 클링커 또는 석회를 활성제로 포함한다. 에트링자이트 생성을 통해 강도가 발생하며, 강도 증가는 느린 포틀랜드 시멘트와 유사하다. 황산염을 포함한 공격적인 작용제에 대한 저항성이 우수하다.

'''칼슘 알루미네이트''' 시멘트는 주로 석회암과 보크사이트로 만들어진 수경성 시멘트이다. 주요 성분은 모노칼슘 알루미네이트(CaAl₂O₄, 시멘트 화학 기호에서 CA)와 마이에나이트(Ca₁₂Al₁₄O₃₃, 시멘트 화학 기호에서 C₁₂A₇)이다. 칼슘 알루미네이트 수화물로의 수화를 통해 강도가 형성된다. 내화(고온 저항성) 콘크리트, 예를 들어 용광로 라이닝에 적합하다.

'''칼슘 설포알루미네이트''' 시멘트는 예엘리마이트(Ca₄(AlO₂)₆SO₄, 시멘트 화학 기호에서 C₄A₃)를 주성분으로 하는 클링커로 만들어진다. 팽창성 시멘트, 초고조기 강도 시멘트, "저에너지" 시멘트에 사용된다. 수화는 에트링자이트를 생성하며, 칼슘 및 황산염 이온의 이용 가능성을 조절하여 팽창 또는 급속 반응과 같은 특수한 물리적 특성을 얻는다. 포틀랜드 시멘트의 저에너지 대안으로서의 사용은 중국에서 개척되었으며, 연간 수백만 톤이 생산되고 있다.^[44]^[45] 소성 온도가 낮고, 혼합물 내 석회암의 양(흡열적으로 탈탄산화되어야 함)이 적어 에너지 요구량이 낮다. 또한, 석회암 함량이 적고 연료 소비량이 적어 포틀랜드 클링커와 관련된 CO₂ 배출량의 약 절반 수준이다. 그러나 SO₂ 배출량은 일반적으로 훨씬 높다.

'''"천연"''' 시멘트는 점토질 석회암을 중간 온도에서 구워서 생산된다. 석회암의 점토 성분 비율(약 30~35%)은 포틀랜드 시멘트에서 조기 강도가 낮고 후기 강도가 높은 광물인 벨라이트가 과량의 유리석회가 생성되지 않고 다량으로 형성되도록 한다. 모든 천연 재료와 마찬가지로, 이러한 시멘트는 특성이 매우 다양하다.

'''지오폴리머''' 시멘트는 수용성 알칼리 금속 규산염과 플라이 애시 및 메타카올린과 같은 알루미노규산염 광물 분말을 섞어 만든다.

'''폴리머''' 시멘트는 중합되는 유기 화학 물질로 만들어진다. 생산자는 종종 열경화성 수지 재료를 사용한다. 비용이 훨씬 더 많이 들지만, 유용한 인장 강도를 가진 방수 재료를 제공할 수 있다.

'''소렐''' 시멘트는 산화 마그네슘과 염화 마그네슘 용액을 결합하여 만든 단단하고 내구성이 뛰어난 시멘트이다.

'''섬유 메시''' 시멘트(섬유 보강 콘크리트)는 합성 섬유, 유리 섬유, 천연 섬유, 강철 섬유와 같은 섬유 재료로 구성된다. 이러한 메시는 습윤 콘크리트 전체에 고르게 분포된다. 섬유 메시의 목적은 콘크리트의 수분 손실을 줄이고 구조적 무결성을 향상시키는 것이다.^[46] 석고에 사용되는 경우 섬유 메시는 응집력, 인장 강도, 내충격성을 높이고 수축을 줄이며, 궁극적으로 이러한 결합된 특성의 주요 목적은 균열을 줄이는 것이다.^[47]

'''전기''' 시멘트는 전기 아크로에서 철강 제조 공정의 일부로 철거 폐기물에서 시멘트를 재활용하여 제조하는 것으로 제안되었다. 재활용된 시멘트는 철강 제조에 사용되는 석회의 일부 또는 전부를 대체하여 포틀랜드 시멘트와 광물학적으로 유사한 슬래그와 같은 재료를 생성하고 관련 탄소 배출량의 대부분을 제거하는 것을 목표로 한다.^[48]

6. 환경 문제 및 지속 가능한 발전

시멘트 제조는 전 과정에서 환경에 영향을 미친다. 채석 과정에서 발생하는 먼지, 가스, 소음, 진동은 대기 오염을 유발하고, 채석으로 인해 농촌 지역이 훼손되기도 한다. 시멘트는 물과 반응하면 수산화칼슘을 생성하여 강한 알칼리성을 띤다. 따라서 눈, 코, 피부에 자극을 주고 용해시킬 수 있으며, 경화 전 시멘트가 부착된 상태가 지속되면 각막, 점막, 피부에 염증이나 출혈을 일으킬 수 있다(시멘트 피부염). 시멘트 분진은 평균 입경이 10μm 정도의 미세 분말로, 다량 흡입 시 진폐증을 유발할 수 있다. 또한, 제조 과정에서 원료 중의 3가 크롬이 6가 크롬으로 변화하여 미량 함유될 수 있다.^[79]

6. 1. 환경 영향

시멘트 제조는 전 과정에서 환경에 영향을 미친다. 채석 작업 시 발생하는 먼지, 가스, 소음, 진동은 대기 오염을 유발하며, 채석으로 인해 농촌 지역이 훼손되기도 한다. 이러한 환경 영향을 줄이기 위해 먼지 배출 저감 장비, 배기가스 포집 및 분리 장비 등이 사용되고 있으며, 채석장 폐쇄 후에는 자연 복원이나 재배양을 통해 농촌 지역 재통합이 이루어지기도 한다.

원료의 기원과 구성 성분에 따라, 석회석과 점토 광물을 고온에서 소성하는 과정에서 휘발성 중금속이 포함된 가스와 먼지가 대기 중으로 방출될 수 있다. 특히 탈륨,^[78] 카드뮴, 수은은 독성이 강한 중금속으로, 황화물(황철석(FeS₂), 섬아연광(ZnS), 갈레나(PbS) 등)에 미량 원소로 존재한다. 많은 국가에서 이러한 중금속 배출을 제한하기 위한 환경 규제를 시행하고 있다. 2011년 미국 기준으로 시멘트 소성로는 "법적으로 위험 폐기물 소각로보다 더 많은 독소를 대기 중으로 배출할 수 있다."^[79]

클링커 내 중금속은 천연 원료뿐만 아니라 재활용 부산물이나 대체 연료 사용으로 인해 발생하기도 한다. 시멘트 공극수는 높은 pH(12.5 < pH < 13.5)를 나타내어 중금속의 이동성을 제한하지만, 니켈, 아연, 납 등은 시멘트에서 무시할 수 없는 농도로 발견된다. 크롬은 원료의 천연 불순물이나 클링커 분쇄 시 사용되는 경질 크롬강 합금 마모로 인해 발생할 수 있다. 크롬산염(CrO₄²⁻)은 독성이 강하고 미량 농도에서도 심각한 피부 알레르기를 유발할 수 있으므로, 황산 제일철(FeSO₄)을 첨가하여 3가 크롬(Cr(III))으로 환원시키기도 한다.

시멘트는 물과 반응하면 수산화칼슘을 생성하여 강한 알칼리성을 띤다. 이는 눈, 코, 피부에 자극을 주고 용해시킬 수 있으며, 경화 전 시멘트가 부착된 상태가 지속되면 각막, 점막, 피부에 염증이나 출혈을 일으킬 수 있다(시멘트 피부염). 완전히 경화된 후의 시멘트는 이산화탄소와 반응하여 중성의 탄산칼슘이 되므로 염증을 일으킬 가능성은 거의 없다.

시멘트 분진은 평균 입경이 10μm 정도의 미세 분말로, 다량 흡입 시 진폐증을 유발할 수 있다. 또한, 제조 과정에서 원료 중의 3가 크롬이 6가 크롬으로 변화하여 미량 함유될 수 있다.

6. 2. 이산화탄소 배출 문제

시멘트 제조는 탄산 칼슘을 가열하여 석회와 이산화 탄소를 생성하는 과정에서 직접적으로, 그리고 생산 과정에서 에너지를 사용함으로써 간접적으로 대기 중에 이산화탄소를 배출한다.^[62]^[63] 시멘트 산업은 전 세계 인위적 온실가스 배출량의 약 10%를 차지하며, 이 중 60%는 화학적 공정, 40%는 연료 연소에서 발생한다.^[64] 2018년 채텀하우스 연구에 따르면 연간 40억 톤의 시멘트 생산은 전 세계 이산화탄소 배출량의 8%를 차지한다.^[65]

포틀랜드 시멘트 1000kg을 생산할 때마다 약 900kg의 이산화탄소가 배출된다. 유럽 연합에서는 1970년대 이후 시멘트 킬른 생산에 대한 에너지 소비량이 약 30% 감소했으며, 이는 연간 약 1100만 톤의 석탄 절감 및 이산화탄소 배출량 감소 효과를 가져왔다.^[66]

포틀랜드 시멘트 제조 과정에서 발생하는 이산화탄소 배출량의 대부분(약 60%)은 석회석의 화학적 분해 과정에서 발생한다. 이러한 배출량은 시멘트의 킬른 함량을 낮추거나, 대체 제조 방법을 통해 줄일 수 있다.^[67]

탄소 포집 및 저장 기술이 시험 단계에 있지만, 경제적 타당성은 불확실하다.^[69]

포틀랜드 시멘트의 수화 생성물인 콘크리트와 모르타르는 대기 중 이산화탄소를 서서히 재흡수하는 탄산화 과정을 거친다.^[70] 탄산화는 콘크리트의 pH를 낮춰 철근 부식을 촉진하지만, 콘크리트의 강도와 경도를 증가시키기도 한다.^[70]^[73]

석회 모르타르나 소렐 시멘트와 같이 탄소 발자국을 줄일 수 있는 시멘트 대체재에 대한 연구도 진행되고 있다.^[74]^[75]^[76]^[77]

일본 시멘트 산업은 일본 전체 온실가스 배출량의 약 4%를 배출하며,^[100] 혼합 시멘트 보급 확대 및 저탄소형 콘크리트 기술 개발 등을 통해 이산화탄소 발생량을 줄이기 위한 노력이 이루어지고 있다.^[103]^[104]

6. 3. 환경 문제 해결 노력

시멘트 제조는 전 과정에서 환경에 영향을 미친다. 채석 작업 시 발생하는 먼지, 가스, 소음, 진동과 같은 대기 오염 물질 배출과 채석으로 인한 농촌 지역 훼손 등이 그 예이다. 이러한 환경 문제를 해결하기 위해, 먼지 배출을 줄이는 장비와 배기가스를 포집하고 분리하는 장비의 사용이 증가하고 있으며, 채석장 폐쇄 후에는 자연으로 되돌리거나 재배양하여 농촌 지역에 재통합하는 환경 보호 노력도 이루어지고 있다.^[84]

시멘트 산업은 전 세계 인위적 온실가스 배출량의 약 10%를 차지하며,^[64] 특히 이산화탄소(CO₂) 배출량이 많다. 포틀랜드 시멘트 1000kg 생산 시 약 900kg의 CO₂가 배출되는데,^[66] 유럽 연합에서는 1970년대 이후 에너지 소비량을 약 30% 감소시켜 CO₂ 배출량을 줄이는 노력을 하고 있다.^[66]

이산화탄소 배출량을 줄이기 위해 시멘트의 킬른 함량을 낮추거나, 대체 제조 방법을 사용하는 등의 노력이 이루어지고 있다.^[67] 또한, 탄소 포집 및 저장 기술이 시험 단계에 있지만, 경제적 타당성은 아직 불확실하다.^[69]

콘크리트와 모르타르는 시간이 지남에 따라 대기 중 이산화탄소를 재흡수하는 탄산화 과정을 거치는데, 이는 콘크리트의 강도와 경도를 증가시키는 긍정적인 효과도 있다.^[73] 하지만 탄산화는 콘크리트의 pH를 낮춰 철근 부식을 촉진할 수 있다는 단점도 있다.^[70]

수경성 시멘트의 탄소 발자국을 줄이기 위해 석회 모르타르를 사용하거나, 이산화탄소 흡수를 증가시키는 마그네슘 기반 시멘트(소렐 시멘트)를 사용하는 방법도 제안되고 있다.^[74]^[75]^[76]^[77]

시멘트 제조 과정에서는 중금속이 포함된 가스와 먼지가 방출될 수 있는데, 많은 국가에서 환경 규제를 통해 이러한 배출량을 제한하고 있다.^[79]

시멘트 공장은 폐기물과 부산물을 연료 또는 원료로 활용하여 자원 소비와 환경 오염을 줄이는 노력을 하고 있다.^[80]^[81] EU 시멘트 산업은 이미 폐기물과 바이오매스에서 유래한 연료를 40% 이상 사용하고 있으며,^[83] 대체 연료 사용 비율을 높이는 것은 사회적 이익을 향상시킬 수 있다.

저탄소 시멘트 개발, 지오폴리머 시멘트 활용, 폐시멘트 재활용, 미생물 활동을 이용한 모르타르 블록 생산 등 다양한 친환경적인 시멘트 생산 방법이 연구 개발되고 있다.^[85]^[86]^[87]^[88]

일본 시멘트 산업은 일본 전체 온실가스 배출량의 약 4%를 배출하고 있으며,^[100] 혼합 시멘트 보급 확대 및 저탄소형 콘크리트 기술 개발 등을 통해 이산화탄소 발생량을 줄이기 위한 노력을 하고 있다.^[103]^[104]

7. 세계 시멘트 산업

2010년 전 세계 수경성 시멘트 생산량은 약 3300Mt이었다. 상위 3대 생산국은 중국(1800Mt), 인도(220Mt), 미국(63.5Mt)이었으며, 이 세 나라는 세계 총 생산량의 절반 이상을 차지했다.^[52] 2010년 시멘트 생산능력 또한 중국, 인도, 미국이 상위 3개국이었다.^[53]

2011년과 2012년 전 세계 시멘트 소비량은 계속 증가하여 2011년에는 3585Mt, 2012년에는 3736Mt에 달했지만, 연간 경제 성장률은 각각 8.3%와 4.2%로 둔화되었다.

세계 시멘트 소비량에서 차지하는 비중이 증가하고 있는 중국은 세계 시멘트 시장 성장의 주요 동력이다. 2012년 중국의 시멘트 수요는 2160Mt로 세계 소비량의 58%를 차지했다.

중국을 제외한 전 세계 시멘트 소비량은 2010년 4.4% 증가, 2011년에는 5% 증가, 2012년에는 2.7% 증가했다.

이란은 2008년부터 2011년까지 생산량이 10% 이상 증가하여 현재 세계 주요 시멘트 생산국 중 하나이다.^[54]

2010년부터 2012년까지 북미와 유럽의 시멘트 시장 성과는 중국과는 대조적이었다. 전 세계 금융 위기가 이 지역의 많은 국가들의 국가 부채 위기와 경기 침체로 이어졌기 때문이다.

아시아, 아프리카, 라틴 아메리카의 많은 신흥 경제국을 포함하는 나머지 지역의 시장 성과는 긍정적이었으며, 북미와 유럽의 감소분을 상쇄하고도 남았다.

2012년 말 기준 전 세계 시멘트 산업은 5,673개의 시멘트 생산 시설로 구성되어 있으며, 그 중 3,900개는 중국에 있다.^[56] 2012년 전 세계 시멘트 생산능력은 5245Mt로 기록되었으며, 그 중 2950Mt은 중국에 있었다.^[56]

2005년 기준 시멘트 생산량 상위 5개국은 중화인민공화국, 인도, 미국, 일본, 대한민국 순이다.^[105]

7. 1. 주요 생산국 및 소비국

1919년 12월, 일본 오노다 시멘트 회사가 평안남도 승호리에 연간 6만 톤 생산 능력의 공장을 세운 것이 한반도 최초의 시멘트 공장이다. 1942년에는 삼척에 8만 톤 규모의 공장이 건설되었다. 1945년 광복 당시 한국 내 6개 공장의 생산 능력은 약 170만 톤이었다. 1957년에는 대한양회 문경공장이 준공되었다.

1962년 제1차 경제개발 5개년 계획에 따라 시멘트 산업은 국가 기간산업으로 육성되었다. 1964년 쌍용, 한일, 현대시멘트, 1966년 아세아 시멘트, 1969년 성신양회가 건설되었다. 1971년 대한민국의 시멘트 생산 능력은 700만 톤에 달했다. 1973년 고려시멘트, 1985년 한라시멘트가 건설되었다.

1997년 총 시멘트 생산량은 6,000만 톤으로 최대치를 기록했다. 2009년 기준 대한민국은 세계 7대 시멘트 생산국이자 세계 5대 시멘트 소비국이다.^[106]^[107]^[108] 주요 제조사는 삼표시멘트, 쌍용양회공업, 한일시멘트(2017년 현대시멘트 인수), 아시아-한라, 성신양회, 한국C&T, 고려시멘트, 유니온이다.

2010년 전 세계 수경성 시멘트 생산량은 약 3300Mt이었다. 상위 3대 생산국은 중국(1800Mt), 인도(220Mt), 미국(63.5Mt)이었다.^[52] 2011년과 2012년 전 세계 시멘트 소비량은 계속 증가하여, 2011년에는 3585Mt, 2012년에는 3736Mt에 달했다. 2012년 중국의 시멘트 수요는 2160Mt로 세계 소비량의 58%를 차지했다.

이란은 2008년부터 2011년까지 생산량이 10% 이상 증가하여 현재 세계 3위의 시멘트 생산국이다.^[54]

2010년부터 2012년까지 북미와 유럽의 시멘트 소비량은 감소하거나 소폭 회복하는 데 그쳤다. 반면 아시아, 아프리카, 라틴 아메리카 등 신흥 경제국은 긍정적인 성장세를 보였다.

2012년 말 기준 전 세계 시멘트 산업은 5,673개의 시멘트 생산 시설로 구성되어 있으며, 그 중 3,900개는 중국에 있다.^[56]

지난 18년 동안 중국은 세계 그 어떤 국가보다도 많은 시멘트를 생산해 왔다.^[57] 2006년 중국은 1235Mt의 시멘트를 생산했는데, 이는 세계 시멘트 생산량의 44%에 해당한다.^[58] 2010년 전 세계 시멘트 소비량 33억 톤 중 중국이 18억 톤을 차지했다.^[60]

2005년 기준 시멘트 생산량 상위 5개국은 중화인민공화국, 인도, 미국, 일본, 대한민국 순이다.^[105]

'''국가별 시멘트 생산량 추이 (단위: 천 톤)'''

국가(지역)	1995년	2000년	2005년	2010년	2015년
중국	445,610	576,000	1,000,000	1,800,000	2,350,000
인도	70,000	95,000	130,000	220,000	270,000
미국	78,320	92,300	99,100	63,500	83,400
브라질	25,500	41,500	39,000	59,000	72,000
이집트		23,000	27,000	48,000	55,000
프랑스	21,000	20,000	20,000
독일	40,000	37,000	32,000	31,000	32,000
인도네시아	19,500	27,000	37,000	42,000	65,000
이란			32,000	55,000	65,000
이탈리아	35,000	35,000	38,000	35,000	23,000
일본	90,474	77,500	66,000	56,000	55,000
대한민국	55,130	50,000	50,000	46,000	63,000
멕시코	23,971	30,000	36,000	34,000	35,000
파키스탄				30,000	32,000
러시아	36,400	30,000	45,000	49,000	69,000
사우디아라비아			24,000	45,000	55,000
스페인	25,000	30,000	48,000	50,000
대만	22,478	19,000
태국	26,500	38,000	40,000	31,000	35,000
튀르키예	33,153	33,000	38,000	60,000	77,000
베트남			27,000	50,000	61,000
기타	373,300	450,000	392,000	520,000	603,000
총계	1,421,300	1,700,000	2,220,000	3,300,000	4,100,000

7. 2. 대한민국 시멘트 산업의 과제

대한민국의 시멘트 공업은 1962년 제1차 경제개발 5개년 계획에 따라 국가기간산업으로 적극 육성되었다. 1964년 쌍용, 한일시멘트, 현대시멘트가 건설되었고, 1966년 아세아시멘트, 1969년 성신양회가 건설되었다.^[106]

1971년에는 대한민국의 시멘트 생산능력이 700만 톤에 이르렀다. 이후 토목사업 위주의 경제성장에 따라 시멘트 수요가 증가하여 1973년 고려시멘트, 1985년 한라시멘트가 건설되었다.^[107]

1997년 총 시멘트 생산량은 6,000만 톤으로 역사상 최대치를 보였다. 2009년 기준 대한민국은 세계 7대 시멘트 생산국이자 세계 5대 시멘트 소비국이다.^[108] 주요 제조사는 삼표시멘트, 쌍용양회공업, 한일시멘트(2017년 현대시멘트 인수), 아시아-한라, 성신양회, 한국C&T, 고려시멘트, 유니온이 있다.

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