건설용 무기계 보수재료를 만드는데 아윈 광물은 주재료 또는 핵심 첨가제로 필수적으로 사용되고 있다. 예를 들면, 팽창재, 초속경시멘트, 무수축 그라우트재, 보수재, 방수재 등이다. 또한, 온실가스 저감과 관련하여 보통포틀랜드시멘트 클링커보다도 제조 시에 CO2 배출량을 줄일 수 있어서, 저 CO2 시멘트로도 주목받고 있다. 그래서 이번 호에서는 아윈 광물의 특징과 용도에 관하여 2번에 걸쳐서 알아보고자 한다.

1. 아윈은 무엇인가요? 포틀랜드시멘트 중에도 들어있나요?
아윈(Hauyne)이란 화학식으로 3CaO·3Al2O3·CaSO4로 표현되는 광물로, 칼슘실리케이트(3CaO·SiO2, 2CaO·SiO2)나 알루미네이트(3CaO·Al2O3) 등의 광물과 마찬가지로, 물과 반응해서 경화하는 성질이 있다. 그리고 보통포틀랜드시멘트 클링커에는 이 광물이 들어있지 않다. 
아윈은 결정 중에 유황성분(SO3)을 함유한 광물로, 보통포틀랜드시멘트 클링커에는 함유되어 있지 않지만, 원료 중에 다량의 석고(CaSO4)를 첨가하는 등의 조건에 따라서 시멘트 클링커 내에 생성시키는 것이 가능하다. 
아윈은 1952년 제3회 시멘트 화학 국제심포지엄에서, H. Lafuma에 의해 팽창시멘트의 주성분으로서 최초로 보고되었지만, 당초는 칼슘알루미네이트와 무수석고의 혼합물로부터 만들어진다고만 생각하고 있었다. 
그 후 A. Kleine 등에 의해 CaO-Al2O3-SO3계 화합물인 것이 명확하게 확인되었고, 특히, 후쿠다(福田)에 의해 화합물의 조성은 3CaO· 3Al2O3·CaSO4인 것이 명확해졌다. 곤도(近藤)는 이 화합물의 X-선 회절 분석 패턴이 아윈(Hauyne, Ca2Na6Al6Si6O24(SO4)2)의 그것과 유사한 점에 착안해서, 상기 화합물이 <그림 1>에 나타낸 바와 같은 결정구조이며, 아윈의 Na를 Ca로, Si를 Al로 치환해서 얻어지고, 이온식(Ca8Al12O24(SO4)2로 나타내는 것도 보고되었다. 
그 때문에 일본에서는 이 광물을 아윈(영어 표기상 아오인이라고도함)으로 부르는 것이 많았지만, 해외에서는 주로 칼슘설포알루미네이트(Calcium Sulfoaluminate)나 이리마이트(Yeelimite)라고 하는 명칭으로 부른다. 여기에서는 일본 국내의 통칭인 아윈이라는 명칭으로 부른다. 
아윈을 함유한 클링커는 아윈 클링커로 부르고, 보통포틀랜드시멘트 클링커와는 다른 방법과 원료로 제조된다. 아윈 클링커 중에는 아윈 이외에 벨라이트(2CaO·SiO2), 페라이트(4CaO·Al2O3·Fe2O3)가 함유되어 있고, 소성 온도나 화학조성에 의해서도 알루미네이트(3CaO·Al2O3)나 게레나이트(2CaO·SiO2·Al2O3) 등이 함유된 경우가 있다. 

2. 수화반응과 경화 특징에 대하여 알려주세요.
아윈을 생석회 또는 수산화칼슘과 석고의 존재 하에서 물과 반응(수화)시키면 에트링자이트 광물이 생성한다. 수화반응, 경화의 특징으로서 알라이트(C3S)의 수화보다도 반응이 빠르고, 단기간에서 경화체 강도가 발현하고, 에트링자이트 생성에 의해 경화체가 팽창하고, 반응 시에 수산화칼슘을 소비하기 때문에 경화체 중의 pH가 낮다는 점을 알 수가 있다.

아윈 클링커를 분쇄해서 시멘트를 제조하는 경우, 응결 억제 등의 목적으로 석고가 첨가된다. 또한, 팽창 특성을 부여하는 경우에는 생석회(CaO)를 첨가해서 사용하기도 한다. 석고 및 생석회 공존 하에서 아윈은 아래와 같은 수화반응을 일으켜 에트링자이트라고 하는 수화물을 생성한다.

이 반응의 특징으로서 아래와 같은 것을 들 수 있다.
● 아윈의 수화는 포틀랜드시멘트 클링커의 주요 광물인 알라이트(3CaO·SiO2)의 수화반응보다도 빠르고, 생성하는 에트링자이트에 의해 단기에서 강도를 발현한다. 또한, 보통포틀랜드시멘트 클링커에 함유한 알루미네이트보다는 반응이 완만해서, 지연제를 첨가하는 것에 의해 응결시간을 어느 정도 억제하는 것이 가능하다.
● 아윈이 수화해서 에트링자이트로 되는 반응은 각각 밀도로부터 계산하면 체적수축을 일으키는 반응이지만, 에트링자이트 침상결정이 공극을 만들면서 성장하기 때문에, 겉보기 체적이 증가한다고 되어 있다.
● 경화 시에 수산화칼슘을 소비하기 때문에 경화체 중의 pH가 낮아진다.

3. 적용 용도는 어디인가요?
아윈 클링커는 아윈의 수화 특성, 경화 특성을 이용하여 팽창재, 초속경시멘트, 유리 섬유보강 콘크리트(GRC)용 시멘트의 주성분으로 사용된다. 중국에서는 1970년대에 실용화되어 프리캐스트콘크리트 등, 더욱 광범위하게 용도가 확장되어 사용되고 있으며, 현재는 그 생산량이 연간 100만 톤 이상(일본의 10배 이상)으로 보고되고 있다. 더구나 최근에는 GRC용 시멘트의 용도가 가장 많고, 그 이외에도 팽창재나 동절기 공사용 시멘트 등의 용도가 대부분이며, 일본에서의 사용 방법도 거의 변화되고 있지 않다. 
한국에서는 필자가 S사 연구소장으로 있을 때 국내 최초로 소성하여 신제품 개발에 사용한 적이 있고, 최근에는 초속경시멘트를 제조할 때 대부분 이 원료를 중국에서 수입하여 주성분으로 사용하고 있다. 
아래는 각각의 제품에 관해서 설명하기로 한다.

(1) 팽창재
아윈과 생석회, 석고의 반응에 의해 생성하는 에트링자이트 침상결정은 공극을 만들면서 성장하기 때문에 겉보기 체적이 증가하는 것이다. 
마찬가지로 생석회의 수화에 의해 생성하는 육각 판상의 수산화칼슘도 겉보기 체적을 증가시키기 때문에 이들을 조합해서 팽창재로서 사용되고 있다. 
팽창재는 케미컬프리스트레스의 부여나 건조수축의 보상 목적으로 사용된다. (다음 호에 계속)