Experimental and Thermodynamical Studies on the Development of Smart Structural Binder

Abstract

A sustainable and smart structural binder has to be developed for achieving the global target of carbon neutrality since there is no alternative of Ordinary Portland Cement which emits a large amount of CO2 during its manufacturing process. In US and Europe, there has been steady efforts to improve the sustainability of cementitious materials which results in the commercialization of smart structural binder with 35% inclusion of limestone powder. However, Korean standard still allows only 5% inclusion of limestone powder. This study aims to increase the limestone powder content for enhancing the sustainability of structural materials. The hydration reaction of type 1 ordinary Portland cement (OPC) with increasing limestone powder replacement was investigated using thermodynamic modelling. X-ray powder diffraction (XRD) and Rietveld refinement were used to analyze the hydration. A combination of isothermal calorimetry, compressive strength, differential scanning (DSC)-thermogravimetric (TG), and thermodynamic modelling were used to understand the complex chemical variations. The result of thermodynamic modelling indicates that the limestone powder cannot be participated in the hydration reaction even with a 15% inclusion of limestone regardless of water to cement ration. On the other hand, with the increase of C3A content in the clinker, limestone partly reacted with existing hydration products. The hydration reaction produced monocarboaluminate (Mc) which substantially contributed to the strength enhancement. In addition, curing temperature also plays an important role. In actual experiments with mechanochemically activated PLC, the advanced specific surface area and aluminate reaction in PLC improve the mechanical property more than OPC although the limestone powder substituted the 20 % of clinker, generating a more quantity of Mc. Therefore, it is concluded that aluminate content and appropriate curing temperature can be necessary to improve the performance and advanced limestone reaction. The study conducted herein can provide a pathway to develop a sustainable and smart structural binders without compromising material performance.

전세계적으로 사회기반시설 구축에 사용되고 있는 보통 포틀랜드 시멘트의 경우 이산화탄소 다배출재료로서 현재 국제적으로 이슈화되고 있는 탄소중립이라는 목표를 달성하기 위해서는 보다 친환경적이고 스마트한 재료의 개발이 필요하다. 미국과 유럽에서는 시멘트계 재료의 친환경성을 높이고자 하는 노력을 오랫동안 진행하여 왔으며, 이미 35 %의 석회석을 혼합한 스마트 구조 결합재의 상용화가 완료되었다. 그러나 한국에서는 5%의 혼입만 허용하고 있다. 본 연구에서는 기존 재료에 석회석 혼입양을 증진시켜 친환경성을 확보하는 것을 목표로 하였다. 열역학적 모델링을 활용하여 1종 보통 포틀랜드 시멘트의 석회석함량을 변화시키며 발생하는 수화반응의 변화에 대해 연구하였다. 압축강도 및 수화열 측정, 열중량 분석과 같은 실험을 진행함과 동시에 X선 회절 분석과 리트벨트 정량분석을 활용하여 수화 반응을 분석하였다. 열역학적 모델링 결과 1종 보통 포틀랜드 시멘트에서 석회석의 함량이 증가하더라도 석회석은 수화반응에 참여하지 않았으며 이로 인해서 시멘트 페이스트의 역학적 성능은 감소할 것으로 예측되었다. 이러한 역학적 성능 감소는 다양한 물-시멘트비에도 동일하게 관측되었다. 시멘트에 존재하는 알루미나 광물의 함량을 증가시키면 모노카르보알루미네이트가 생성되며 석회석이 수화반응에 참여하고 역학적 성능에 긍정적인 영향을 주었으며, 양생온도도 중요한 역할을 하는 것을 확인하였다. 실제 실험에서 알루미나 광물의 반응을 물리화학적으로 촉진시킨 경우 모노카르보알루미네이트의 생성이 향상되었으며 이로 인해서 20 %의 클링커를 석회석으로 치환하더라도 석회석 혼합 시멘트의 압축강도가 증가하였다. 현재 한국에서 석회석 혼합시멘트를 개발할 경우 높은 분말도, 알루미나 함량 및 적절한 양생온도가 역학적 성능감소를 막아줄 수 있는 공학적인 방법으로 제안되었다.