나노실리카 및 실리카퓸 혼입 시멘트 페이스트의 촉진 탄산화 양생 특성에 관한 연구 = Study on Accelerated Carbonation Curing of Cement Paste Incorporating Nanosilica and Silica Fume

국문 초록 (Abstract)

본 연구는 시멘트 산업의 탄소중립 실현을 위한 재료공학적 접근으로서, 촉진 탄산화양생(Accelerated Carbonation Curing, ACC)과 나노실리카(NS) 및 실리카퓸(SF)의혼입이 시멘트 페이스트의 미세구조 및 역학적 성능에 미치는 복합 효과를 규명하는것을 목적으로 한다. OPC를 기준으로 NS(1, 2, 3, 5, 7 wt%) 및 SF(1, 2, 3, 5, 7 wt%)
를 각각 대체 혼입하였으며, 시편은 20%의 CO₂ 농도, 온도 20 °C, RH 65% 조건에서ACC를 적용한 후 재령 별(3일, 7일, 28일) 물성 변화를 분석하였다. 주요 분석 항목은탄산화 깊이, 압축강도, 열중량분석(TGA-DTG), XRD 정량분석, 주사전자현미경(SEM-BSE) 그리고 BSE 이미지 기반 공극률 및 공극 크기 분포이다.
실험 결과, 탄산화 깊이는 OPC 대비 NS 3-5 wt% 및 SF 3 wt% 혼입 시 가장크게증가하였으며, 이는 미세 실리카 입자가 탄산화 반응의 핵생성(nucleation)을 촉진하고CO₂ 확산 경로를 변화시켜 반응 표면적을 증가시킨 결과로 판단된다. 압축강도는촉진 탄산화 양생 적용 시 OPC 대비 전반적으로 증가하였으며, 특히 NS 3-5 wt%와SF 3 wt% 혼입 시 7일 및 28일 강도가 가장 우수하였다. 이는 촉진 탄산화 과정에서생성된 CaCO₃가 초기 공극을 충진하고, 미세 실리카 혼입이 C-S-H 겔의 형성과재배열을 유도하여 매트릭스를 조밀화한 데 기인한다.
TGA 분석에서는 촉진 탄산화 조건에서 Ca(OH)₂의 감소와 CaCO₃의 증가가명확히 확인되었으며, 이는 탄산화 반응이 미세구조 형성에 직접적으로 기여함을 나타낸다. XRD-Rietveld 분석에서도 촉진 탄산화 양생 시편에서 Calcite 함량이 증가하고 CH 피크가 감소하였으며, NS 혼입 시 일부 시편에서는 C-S-H의 broad hump가 더 선명하게 나타나 초기 수화 생성물의 잔존 또는 추가 형성이 관찰되었다. BSE 기반 공극분석에서는 NS, SF 혼입이 모세관 공극을 감소시키는 것으로 나타났으며, 특히 NS3에서는 공극 크기가 세분화되고 연속 공극이 끊어져 미세구조가 가장 균질하게 개선되었다.
결론적으로, 시멘트 페이스트의 나노실리카 및 실리카퓸의 혼입과 촉진 탄산화양생은 미세구조 조밀화 및 초기 강도 발현 증진에 효과적인 것으로 평가되었다. NS는초기 충진 효과 및 핵생성 효과를 통해 초기 반응 가속과 공극 세분화에 긍정적인영향을 미쳤고, SF는 장기 포졸란 반응을 통해 장기 CaCO₃ 생성 및 구조 안정화에기여하였다. 본 연구는 촉진 탄산화 양생 조건에서 미세 실리카 기반 혼화재의 최적혼입률 선정 및 미세구조 개선 메커니즘을 제시했다는 점에서 시멘트계 재료의 탄소저감및 내구성 향상을 위한 기초자료로 활용될 수 있을 것으로 판단된다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

This study aims to investigate the combined effects of accelerated carbonation curing (ACC) and the incorporation of nano-silica (NS) and silica fume (SF) on the microstructural development and mechanical performance of cement paste, as a materials-engineering approach toward carbon neutrality in the cement industry. Ordinary Portland cement (OPC) was partially replaced with NS (1, 2, 3, 5, 7 wt%) and SF (1, 2, 3, 5, 7 wt%), and all specimens were subjected to ACC under
controlled conditions of 20% CO₂, 20 °C, and 65% RH. The physical and chemical properties were evaluated at 3, 7, and 28 days through measurements of carbonation depth, compressive strength, thermogravimetric analysis (TGA–DTG), scanning electron microscopy in backscattered mode (SEM–BSE), XRD–Rietveld quantification, and BSE image–based porosity and pore-size distribution.
The results revealed that the carbonation depth increased most significantly in mixtures incorporating 3–5 wt% NS and 3 wt% SF, which is attributed to the role of fine silica particles in promoting nucleation during carbonation and altering CO₂ transport pathways, thereby increasing the effective reaction surface. Compressive strength generally increased under ACC compared with OPC, with the highest strength gains observed in mixtures containing 3–5 wt% NS and 3 wt% SF at both 7 and 28 days. This improvement is attributed to the filling action of carbonation-derived CaCO₃ and the formation and rearrangement of C–S–H gel induced by fine silica additives, which collectively densify the microstructure.
TGA–DTG analysis confirmed a marked decrease in Ca(OH)₂ and a corresponding increase in CaCO₃ under ACC, indicating the direct contribution of carbonation reactions to microstructural evolution. XRD–Rietveld analysis further showed an increase in calcite and a reduction in CH peaks in carbonated specimens. In some NS-blended mixtures, a more distinct broad hump associated with C–S–H was observed, suggesting the retention or additional formation of early hydration products. BSE-based pore analysis revealed that NS and SF both reduced capillary pore volume; notably, NS3 exhibited the most refined pore structure, characterized by reduced connectivity and a more homogeneous matrix.
Overall, ACC proved effective in enhancing early-age strength and microstructural densification of cement paste, and the combined use of nano-silica and silica fume further amplified these benefits. NS contributed primarily through filling and nucleation effects, facilitating rapid early reactions and pore refinement, whereas SF improved long-term CaCO₃ formation and structural stabilization through its pozzolanic activity. This study provides fundamental insights into the optimal replacement levels of fine silica-based supplementary materials under ACC conditions and offers a mechanistic basis for improving durability and reducing carbon emissions in cementitious materials.

목차 (Table of Contents)

• Ⅰ. 서론 1
• 1. 연구 배경 1
• 2. 연구 목적 5
• 3. 연구 방법 및 범위 7
• Ⅱ. 문헌 고찰 8
• 1. 포졸란 재료 8
• 1) 포졸란 재료의 정의 및 분류 8
• 2) 포졸란 재료의 물리화학적 특성 9
• 3) 시멘트계 시스템과 포졸란 재료 10
• 2. 시멘트계 재료의 탄산화 양생 12
• 1) 탄산화 양생의 원리 12
• 2) 탄산화 양생이 재료 특성에 미치는 영향 13
• 3) 한계 및 향후 연구 방향 14
• 3. 포졸란 재료 혼입 시멘트계 재료의 탄산화 양생 16
• Ⅲ. 실험 개요 17
• 1. 시편 제작 17
• 1) 시편 제작 17
• 2) 시편 양생 18
• 2. 실험 방법 20
• 1) 탄산화 깊이 측정 20
• 2) 압축강도 측정 21
• 3) TGA-DTG(Thermogravimetric Analysis-Differential Analysis) 21
• 4) XRD-Rietveld(X-ray Diffraction-Rietveld) 22
• 5) SEM-BSE(Scanning Electron Microscopy-Backscattered Electron) 이미지 분석 22
• Ⅳ. 실험 결과 및 분석 25
• 1. 역학적 성능 측정 결과 25
• 1) 탄산화 깊이 측정 25
• 2) 압축강도 측정 26
• 2. 미세구조 분석 결과 29
• 1) TGA-DTG 분석 29
• 2) XRD-Rietveld 분석 31
• 3) SEM-BSE 이미지 분석 35
• Ⅴ. 결론 40
• 참고문헌 41
• Abstract 45