시멘트

시멘트(cement)란 토목·건축 재료로 쓰는 접합제. 물에 이긴 것을 말리면 돌처럼 단단해지는 회색의 가루로서, 보통 진흙이 섞인 석회석을 주원료로 하여 여기에 소량의 석고를 넣어서 가루로 만든 것이다.

역사

기원

인류가 석회를 사용하기 시작한 기원은 정확지는 않으나 결합재로서 석회 사용은 신석기 시대 유적지 Jeriko 발굴중 기원전 7000년전의 것으로 추정되는 석회콘크리트가 발견되고, Yiftahel에서의 석회콘크리트의 발견 등을 고려하면 1000년 이전까지도 거슬러 올라간다. 사람들이 시멘트를 사용하여 만든 구조물 중에서 현존하는 최고의 것으로는 기원전 2500년경에 건설된 이집트 쿠퍼왕의 피라미드로 외장석재표면에 몰탈(Mortar)이 도포되어 있음을 볼 수 있으며 이에 사용된 시멘트는 석회석을 구워서 만든 생석회와 석고를 구워서 만든 소석고로 이것 모두는 기경성(氣硬性)시멘트이다. 이러한 석회의 원시적 사용이 18C 과학의 발달과 함께 발전하게 되는데 1756년 영국의 에디스톤(Eddystone) 등대를 건설하면서 존 스미톤(J. Smeation)은 점토분을 다소 함유한 석회를 소성하면 수경성을 갖는다는 사실을 발견하고 수경성석회(Hydraulic Lime)를 만들게 되고, 이어 1796년 파커(J. Parker)가 같은 방법으로 로만시멘트(Roman Cement)를 발명하였고 1818년 프랑스의 비카(L.Vicat)가 석회석과 점토질 암석을 혼합, 소성하여 천연시멘트(Natural Cement)를 발명 하였다. 특히 비카는 인공포졸란 제조시 석회질 점토의 성분과 소성온도에 대한 적정 기준을 발표하여 오늘날 보통(포틀랜드) 시멘트 제조법의 토대를 마련하였다. 이렇게 적당한 점토분을 가지는 석회질 암석인 시멘트암(Cement Rock)을 원료로 하여 제조된 로만시멘트 또는 천연시멘트는 그후 1825년 완공된 테임즈강 터널 공사 및 국회의사당 재건공사에 사용되는 등 널리 보급되고 개량되어 갔다. 1824년 영국에서는 벽돌공이던 애스프딘(J. Aspdin)이 석회석을 구워 생석회를 만들고 이것에 물을 가해 미분말의 소석회를 만든 다음 점토를 혼합하고 다시 석회로에서 800℃까지 소성, 크링카를 생산한 후 미분쇄하여 시멘트를 제조하는 방법을 개발하였는데 이 제조법은 이중소성방식을 이용함으로써로만 시멘트보다 품질이 우수하여 영국특허국에 특허를 얻었으며 현재 가장 일반적으로 사용되는 포틀랜드 시멘트의 시초가 되었다. 애스프딘이 특허를 받은 후 200여년간의 계속된 시멘트 제조법의 연구는 계속되어져 1845년 존슨(I. C. Johnson)이 석회석과 점토의 배합비율, 소성온도등의 제조조건을 밝히는등 시멘트제조학의 기반을 마련하였고 이렇게 하여 오늘날 쓰이고 있는 포틀랜드 시멘트가 탄생 되었다. 경화한 시멘트의 색깔과 경화현상 등 이 당시 건축재료로 사용되던 포틀랜드산 천연석과 유사하여 유래된 포틀랜드시멘트는 1850년경부터 영국, 프랑스, 독일, 미국 등에 제조공장이 건설되고 제품생산이 이루어지면서 크게 사용되기 시작되어 현재까지 이르고 있다.

국내 시멘트 역사

국내에 있어서는 <동국여지승람>, <임원십육기>등에 석회석 산지가 자세히 조사, 기록 되어 있고, <세종실록지리지>에도 소성석회의 제조법이 설명되어 있는 등 석회가 사용됐음을 알 수 있는 기록을 여러 곳에서 볼 수 있다. <강화도호부조>에 나타나는 기록을 보면 강화의 토산으로는 철린석(鐵麟石)과 암석이 있어 이중 암석을 절단하여 석회를 번조(燔造)했다고 씌어있는데 여기서 암석은 석회석을 말하며 절단하여 번조(燔造)했다함은 석회요(石灰窯)에 넣어 소성했음을 말한다. <문종실록>의 원년(1451년) 삼원초에는 통사 김추가 중국에 갔을 때 그곳 석회번조법을 묻고 들은 바를 왕에게 상주하여 우리 나라에도 석회번조법이 보급되어 있었음을 알 수가 있다. 당시 석회의 사용은 주로 성벽축조시 돌과 돌 사이를 점토 혹은 석회로 다져 메우는데 쓰였으며 도시 주변의 큰 성 에서 그 흔적을 많이 볼 수 있는데 이에 대한 기록은 선조 26년 6월 <석회탄(石灰灘)>으로 외적을 방비하였고 선조 38년 4월에는 구성(龜城)의 석성은 번벽(燔璧)으로서 보축했다는 기록이 있으며 박제가의 화학의(化學議)에도 <今舊光化門有灰法宛然> 이란 문구에서도 석회사용에 대한 일례를 볼 수가 있다.

시멘트 제조 공정

채광

광산에서 발파 등의 발파 등의 방법으로 채굴된 석회석을 최초로 분쇄하는 공정이다. 산원에서 90톤 이상의 거대한 덤프트럭에 실려 석회석 덩어리를 파쇄하는 기계인 조쇄기로 운반되어 1차적으로 150mm 이하로 분쇄되고, 2차적으로 75mm 이하로 분쇄되어 석회석 치장으로 보내진다. 석회석 치장은 채굴된 석회석을 골고루 섞어 성분을 고르게 하여 품질을 향상시키는 역할을 한다.

원료생산

원료생상공정에서는 채굴되어 석회석 치장에서 혼합된 석회석과 점토 및 산화철 원료 등을 정량공급장치를 통해 정확하게 배합하여 원료분쇄기로 투입하고, 원료분쇄기 내에서 건조 및 미분말 상태의 분쇄과정을 거쳐 원료사일로에 저장된다. 원료사일로 내부에서는 공기를 이용하여 저장된 원료를 또 다시 혼합하여 다음단계인 소성공정에서 클링커의 소결이 잘 되도록 한다.

소성

시멘트 클링커의 소성에는 현재 대부분 로터리 키른이 사용되고 있다. 로터리 키른은 내부에 내화벽돌을 쌓은 강철제의 커다란 원통으로 3~5도의 경사를 두어 1분에 3~4회의 속도로 회전한다. 원료처리 공정에서 제조한 조합원료는 예열탑의 위 끝으로 부터 공급되어, 예열탑에서 충분한 열교환 과정을 거친 후 키른 입구에 도달되고, 키른 출구쪽으로 부터는 중유나 미분탄 등의 연료를 키른 버너에 불어 넣어 연소시킨다. 조합된 원료는 키른이 회전함에 따라 점차 이동하여 소성로내에서 1450도의 온도에서 소결되어 크링카로 된 다음 냉각 장치로 이송되어 공기에 의해 급냉되고 크링카 치장에 저장된다.

생산/출하

키른에서 소성되어 냉각시킨 클링커는 석고 3~5퍼센트와 함께 시멘트 분쇄기에서 미분쇄하여 포틀랜드시멘트를 제조한다. 이때 클링커만을 분쇄하여 시멘트를 만들면 응결이 너무 빨라 시멘트의 작업이 곤란하다. 따라서 응결을 지연시키기 위하여 석고를 함께 넣어 분쇄한다. 각 공정을 거쳐 생산된 시멘트는 시멘트 사일로에 저장하여 무포장 상태인 벌크 시멘트 또는 지대에 포장된 포장시멘트 상태로 출하하게 된다.