[논문]C-S-H(I)의 분자구조변형을 통한 기계적 거동의 변화

오재은

C-S-H(I)의 분자구조변형을 통한 기계적 거동의 변화
Influence on mechanical property of C-S-H(I) due to its structural modification 원문보기

오재은 (University of California, Berkeley, 토목환경공학과)

C-S-H(I)은 활성슬래그시멘트의 강도생성의 핵심물질이며 시멘트 수화물의 강도원천물질인 C-S-H의 구조모델로 사용되어 왔기 때문에, 나노 수준의 콘크리트 연구 분야에서는 세계적으로 아주 중요한 물질로 다루어지고 있다. 이러한 C-S-H(I)에서 발생되는 Si에 대한 Al 치환은 C-S-H(I)의 분자구조변경을 인위적으로 할 수 있다는 점에서 주목되어 왔고, C-S-H(I)의 기계적 물성치 (예, bulk modulus)에도 큰 영향을 미칠 것이라고 예상되어 왔었다. 그러나 본 연구를 통해 이러한 Al 치환이 실제로는 C-S-H(I)의 bulk modulus에는 거의 영향을 미치지 못함이 밝혀졌다.

This high pressure synchrotron X-ray diffraction study examined the change of bulk modulus of C-S-H(I), core material creating strength in alkali-activated slag cement as well as structural model of C-S-H, mainly attributed to Al-substitution for Si, which occurs at the bridging tetrahedral sites in dreierketten silicate chains in the nanostructure of C-S-H(I). This study presents that Al-substitution in C-S-H(I) does not affect the bulk modulus of C-S-H(I), which is surprising because many researchers have expected that Al-substitution should induce some critical change in mechanical properties of C-S-H(I).

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문제 정의

본래 콘크리트의 C-S-H 및 C-S-H(I)는 층간구조(layered structure)로서 [1], 이 층간사이의 구조를 변화시킴으로써, 콘크리트의 탄성계수, 화학적 내구성, 심지어 creep이나 건초수축 자체를 근본적으로 조정할 수 있다는 주장이 많은 학자들 사이에서 지지받고 있으며, 이 두 물질 사이의 비교가 이 주장에 대한 해답을 줄 수가 있다. 본 연구는 Al이 다량으로 치환됨으로써 층간구조가 변형된 활성슬래그 C-S-H(I)과 Al이 없는 일반 C-S-H(I)에 대한 기계적 거동 차이를 연구했다.

제안 방법

본 연구는 방사광(synchrotron radiation) 시설인 미국 LBL(Lawrence Berkeley National Laboratory)의 ALS(Advanced Light Source)에서 High pressure synchrotron X-ray diffraction이라는 기법을 이용하여 실시되었다. 두 종류의 C-S-H(I)를 diamond anvil cell을 이용하여 대략 4GPa의 고압력 상태까지 정수압력(hydrostatic pressure)을 가함으로써 그 압력에 대한 물질의 부피변화인 Bulk Modulus를 구했다. 이를 위해 CELREF [4]라는 unit cell refinement 프로그램이 사용되었다.

이론/모형

본 연구는 방사광(synchrotron radiation) 시설인 미국 LBL(Lawrence Berkeley National Laboratory)의 ALS(Advanced Light Source)에서 High pressure synchrotron X-ray diffraction이라는 기법을 이용하여 실시되었다. 두 종류의 C-S-H(I)를 diamond anvil cell을 이용하여 대략 4GPa의 고압력 상태까지 정수압력(hydrostatic pressure)을 가함으로써 그 압력에 대한 물질의 부피변화인 Bulk Modulus를 구했다.

성능/효과

C-S-H(I)에서의 Al치환은 C-S-H(I)의 층간 구조를 변화시킨다. 본 실험에 사용된 활성슬래그의 Al 치환율은 층간 구조 내에 존재하는 silicate chain의 거의 모든 bridging site Si들이 Al로 치환된 매우 높은 수준 이었다[3]. 예상과는 달리 표1에서와 같이 실제 두 종류의 C-S-H(I)의 bulk modulus는 거의 동일한 값이 나왔으며, 그림1에서도 두 C-S-H(I)의 압력-부피 데이터 점들이 동일 곡선 (B-M EoS curve) 상에서 거동함을 알 수 있다.

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