[건축시공기술사 106회 용어 6번] 시멘트 수화반응의 단계별 특징

 

원래 133회 8번 콘크리트의 자기수축을 스터디할 차례였으나 자기수축 내용 중 수화반응에 대한 내용이 있어 과거기출문제 중 수화반응 먼저 정리하고 순서대로 진행하겠습니다.

 

기출문제 스터디

시멘트의 수화반응은 시멘트가 물과 화학적으로 반응하여 경화되면서 고체 수화물(수산화칼슘)을 생성하는 과정을 뜻합니다. 수화반응은 콘크리트가 강도와 내구성을 갖추기 위한 과정입니다. 시멘트는 C3S, C2S, C3A, C4AF 등으로 구성되어 있으며 각 성분들이 물과 반응하면서 다양한 수화물을 생성합니다. 각 구성물의 특징과 수화반응에 대해서 알아보겠습니다.

 

1. 각 성분의 수화반응과 역할

 

1) C₃S  (알라이트_Alite, Tricalcium Silicate)

2C₃S + 6H → C₃S₂H₃ + 3Ca(OH)₂

C₃S: 알라이트
H: 물(H₂O)
C₃S₂H₃: 칼슘 실리케이트 수화물(C-S-H)
Ca(OH)₂: 수산화칼슘 

 

시멘트 원료를 1,260 ~ 1,450℃의 고온에서 소성하여 생성된 광물로 규산삼칼슘에 가까운 조성이며 미량의 나트륨과 마그네슘, 철을 고용하고 있습니다. 보통 포틀랜드 시멘트 중에는 50~60%의 알라이트가 포함되어 있고 3~28일 사이 강도 발현을 합니다. 알라이트는 포틀랜드 시멘트의 조기강도에 주요한 역할을 하며, 물을 가하면 응결이 시작되고 수시간 내에 경화합니다. 이때 수화열을 발생시킵니다.

 

2) C₂S (베라이트_Belite, Dicalcium Silicate)

2C₂S + 4H → C₃S₂H₃ + Ca(OH)₂

C₂S: 베라이트
H: 물(H₂O)
C₃S₂H₃: 칼슘 실리케이트 수화물(C-S-H)
Ca(OH)₂: 수산화칼슘

 

시멘트 원료를 소성하여 생성된 광물로서 규산이칼슘(Ca2SiO4, 2CaO.SiO2, C2S) 에 가까운 조성이며, 미량의 마그네슘, 나트륨, 철 등이 고용되어 있다. 보통 포틀랜드시멘트 중에는 약 25% 정도의 벨라이트가 포함되어 있습니다. 알라이트와 같이 C-S-H와 수산화칼슘을 만들지만 반응속도가 느려 중장기 강도에 영향을 줍니다.

 

3) C₂S ( 알루미네이트_Aluminate, Tricalcium Aluminate)

물과 반응 C₃A + 6H → C₃AH₆

C₃AH₆: 칼슘 알루미네이트 수화물

황산칼슘과 반응 C₃A + 3CaSO₄ + 26H → C₆AS₃H₃₂

C₆AS₃H₃₂: 에트링가이트 (초기 경화 도우미)

 

알루민산삼칼슘이 주성분으로 소량의 실리카, 마그네슘, 나트륨, 칼륨 등을 함유하고 있습니다. 알루미네이트는 물과 빠른 반응으로 급결을 일으켜서 초기 경화에 영향(생성된 에트링가이드가 역)을 주지만 너무 빠르면 콘크리트가 팽창하므로  보통 포틀랜드시멘트에서는 응결조절제로 석고를 첨가하여 응결을 조절합니다. 댐 등의 매스콘크리트에서는 수화열을 억제해야 하기 때문에 알루미네이트 상이 적은 중용열시멘트를 사용하여야 합니다.

 

4) C₄AF (페라이트_Ferrite, Tetracalcium Aluminoferrite)

C₄AF + 2Ca(OH)₂ + 10H → C₆AFH₁₂

C₄AF: 페라이트

Ca(OH)₂: 수산화칼슘

C₆AFH₁₂: 칼슘 알루미노페라이트 수화물

 

보통 포틀랜드 시멘트의 5~10%를 차지하며 페라이트 성분이 많을 수록 색이 짙어집니다. 페라이트는 수화열이 적고 수축도 적습니다.

 

2. 수화반응의 단계별 특징

 

 

시멘트의 수화속도, 수화율 그래

 

1) 유도기

(1단계 ~30분) 물과 시멘트 입자가 접촉하여 활성표면이 급격하게 반응하는 단계로 물에 용해된 석고는 시멘트 화합물 중에서 가장 활성이 큰 알루미네이트(C3A)와 반응하며 에트링가이트를 만들어 초기발열과 함께 응결이 시작됩니다.

(2단계 ~4시간) 입자표면이 과포화되고 수화겔이 흡착하며 수화가 일시적으로 억제되는 단계로 알라이트(C3S) 주위에 불용성의 C-S-H(규산칼슘실리게이트) 막이 덮혀서 수화반응을 억제합니다. 베라이트 역시 이때부터 수화반응을 시작합니다. 다만 알라이트보다 느린 속도로 진행됩니다. 이 시기의 콘크리트는 작업가능한 상태를 유지합니다.

 

2) 가속기 (4~12시간)

물이 입자 내부로 침입하면서 억제되었던 수화반응이 재개되며 알루미네이트 시멘트 화합물(C3A)의 수화가 가속화되고 강도가 증가하는 시기입니다. 또한 알라이트가 빠르게 수화반응을 일으키며 C-S-H와 수산화칼슘을 대량으로 생산합니다. 

 

3) 감속기 (12시간 이후)

입자 주위에 생성된 수화물로 간극이 채워지는 단계로서 이온이동이 곤란하여 수화속도가 저하되는 단계이다. 감속기 이후로는 아주 완만하게 수화가 이루어진다. 이때는 C2S(베라이트)가 주된 수화반응을 일으키며 장기 강도를 형성하는 시기입니다. 

 

3. 수화반응이 구조체에 미치는 영향

• 강도발현 : C-S-H와 같은 수화물의 생성이 콘크리트의 골격을 형성하여 압축강도와 내구성을 형성합니다.
• 결합력강화 : 수화물이 모세공을 채우며 재료간 결합력을 높여줍니다.
• 수화열로 인한 온도균열 : 수화열로 인해 내부온도가 급격히 상승하고, 외보와의 온도 차이로 열응력이 발생하여 균열이 발생할 수 있습니다.
• 화학적 수축 : 수화 반응으로 생성된 고체의 부피가 초기 재료보다 작아져 체적감소(자기수축)가 발생하며, 이는 미세 균열을 유발할 수 있습니다.
• 조기 건조 : 초기 양생 중 수분이 부족하면 수화 반응이 중단되어 강도발달이 저하될 수 있습니다. 

 

4. 수화 반응의 영향을 줄이기 위한 시공 관리 방법

수화열 관리

• 저발열 시멘트 사용: 저발열 시멘트(Low Heat Cement)나 플라이애시, 슬래그와 같은 혼화재를 첨가하여 수화열을 줄입니다.
• 냉각 시스템: 타설 중 파이프 냉각(piping cooling)이나 냉각수를 활용해 내부 온도를 조절합니다.
• 단계적 타설: 대량 콘크리트의 경우 한 번에 타설하지 않고 층별로 나누어 열 축적을 최소화합니다.

양생 관리

• 습윤 양생 : 타설 후 7일 이상 물을 뿌리거나 습포로 덮어 수분을 유지하며, 수화 반응이 충분히 진행되도록 합니다.
• 양생 온도 조절 : 너무 낮은 온도(동결)나 높은 온도(급격한 건조)를 피하고, 15~25°C 범위에서 양생을 진행합니다.
• 양생제 사용: 수분 증발을 막기 위해 방수막이나 양생제를 적용합니다.

혼합 설계 최적화

• 적정 W/C 비율 : 물-시멘트 비율을 너무 낮게 설정하면 수화에 필요한 물이 부족해질 수 있으므로 작업성과 강도를 고려해 조정합니다.
• 감수제 사용 : 고성능 감수제를 활용해 물 사용량을 줄이면서도 유동성을 확보합니다.

구조적 대책

• 철근 배치를 통해 온도 균열에 대한 저항성을 높이고, 필요시 수축 이음매(shrinkage joint)를 설계에 포함시켜 응력을 분산시킵니다.

 

 

 

답안 예시

1. 정의

• 시멘트의 수화반응은 시멘트가 물과 화학적으로 반응하여 경화되면서 고체 수화물을 생성하는 과정을 말함. 수화반응을 통해 콘크리트는 강도와 내구성을 갖출 수 있음
• 시멘트는 알라이트(C3S), 베라이트(C2S), 알루미네이트(C3A), 페라이트(C4AF) 등의 화합물을 지니고 있으며 수화반응의 각 단계마다 응결과 초기강도, 장기강도를 내는데 역할

2. 수화반응의 단계별 특징

• 유도기 1단계( ~30분) : 물과 시멘트 접촉, 알루미네이트(C3A)와 반응하여 초기발열과 함께 응결 시작
• 유도기 2단계( ~4시간) : 알라이트(C3S) 주위에 C-S-H(칼슘 실리케이트 수화물) 막이 덮여 수화반응을 억제, 이때 콘크리트 타설작업이 가능
• 가속기 (4~12시간) : 물이 화합물 입자 내부로 침입하면서 (Gel 상태가 해제) 수화반응이 가속, 초기강도 발현시키는 알라이트(C3S)가 반응
• 감속기 (12시간 이후) : 이미 생선된 수화물이 이온의 이동을 방해하여 수화반응 속도가 늦어짐, 장기강도 발현시키는 베라이트(C2S)가 반응, 페라이트(C4AF)는 수화반응을 보조하며 시멘트 색을 어둡게 하는 역할을 함

수화반응 단계

3. 구조체에 대한 수화반응의 영향

• 강도발현 : C-S-H, 수산화칼슘 수화물이 콘크리트의 압축강도와 내구성을 형성
• 결합력강화 : 수화물이 재료간 결합력을 높임
• 수화열로 인한 온도균열 : 수화열로 인해 내부온도가 급격히 상승, 외부와의 온도 차이로 열응력이 발생하여 균열이 발생
• 화학적 수축 : 수화 반응으로 생성된 고체의 부피가 초기 재료보다 작아져 체적감소(자기수축)가 발생하여 미세 균열을 유발
• 조기건조 : 초기 양생 중 수분이 부족하면 수화 반응이 중단되어 강도발달이 저하될 수 있습니다.

4. 시공시 유의사항

• 수화열 관리 : 저발열 시멘트나 플라이애시, 슬래그와 같은 혼화재를 첨가, 타설 중 파이프 냉각, 분리타설
• 양생 관리 : 타설 후 수분양생, 한중/서중 콘크리트 타설 지침 준수
• 배합 관리 : 적정 W/C, 감수제 사용
• 설계 관리 : 온도 균열 방지 배근, Shrinkage joint 적용