A Study on the Utilization of Alkali Carbonate-Based Mineral as Limestone Substitute in Low Carbon Concrete = 저탄소 콘크리트에서 석회석 대체재로서 알칼리 탄산염계 광물 혼화재의 활용 가능성에 관한 연구

국문 초록 (Abstract)

시멘트는 전 세계적으로 가장 널리 사용되는 건설 재료이지만, 그 생산 과정에서 상당한 양의 온실가스가 배출된다. 따라서 기후 변화 문제를 해결하기 위해 다양한 시멘트 대체 재료의 도입이 필수적이다. 석회석은 일반적으로 시멘트의 주요 원료로 사용되지만, 반응성을 제어함으로써 시멘트 대체 물질로도 부분적으로 사용될 수 있다. 예를 들어, 석회석은 전통적으로 주로 물리적인 충전재 역할을 하는 것으로만 간주되어 왔으나, 최근 연구들에서 화학적으로 반응하여 카보알루미네이트상과 같은 수화 생성물을 형성한다는 사실이 밝혀졌다. 또한, 알카놀아민 계열의 혼화제를 사용하여 석회석의 반응성을 높임으로써 시멘트의 성능을 개선할 수 있다는 연구 결과가 보고되었다.

현재 건설산업에서 사용되는 석회석은 탄산칼슘 함량이 80% 이상인 고순도 재료로 제한되어 있어, 시멘트 대체 재료로서 폭넓은 활용에 제약이 있다. 한편, 돌로마이트는 시멘트의 일부 대체재로서 석회석과 유사한 효과를 낼 수 있다. 돌로마이트는 전 세계적으로 풍부하며, 석회석과 유사한 결정 구조 및 화학식을 가지고 있다. 또한, 석회석과 동일한 원리로 혼화제를 사용한 성능 증진을 기대할 수 있다. 다만, 석회석과 달리 마그네슘 이온을 포함하고 있어 수화 반응에서 차이가 발생할 수 있다.

본 연구의 목적은 석회석 혼합 시멘트, 돌로마이트 혼합 시멘트, 그리고 화학 혼화제를 첨가한 돌로마이트 혼합 시멘트의 성능을 비교하고, 돌로마이트가 석회석을 성공적으로 대체할 수 있는지 그 잠재력을 평가하는 것이다. 이를 위해 XRD, TGA, 수화열 분석 등 다양한 분석 기법을 결합하여 수화 과정에서 발생하는 물리화학적 변화를 명확히 이해하고자 하였다. 분석 결과, 돌로마이트 혼합 시멘트는 석회석 혼합 시멘트에 비해 우수한 후기 강도를 나타냈으며, 화학적 혼화제를 사용함으로써 강도를 더욱 향상시킬 수 있음을 확인하였다. 특히 돌로마이트는 석회석과 본질적으로 동일한 수화 반응 기작을 공유하며 탄산염 AFm 상을 형성하여 조직을 치밀화한다. 이러한 결과는 돌로마이트가 석회석을 성공적으로 대체할 수 있는 지속 가능한 고성능 혼화재로서 충분한 가치가 있음을 시사한다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Cement is the most widely used construction material globally, but its production generates significant greenhouse gas emissions. Thus, introduction of various Supplementary Cementitious Materials (SCMs) is essential to address climate change. Limestone is generally used as a main cement raw material but it can be also partly used as a SCM by controlling its reactivity. For example, limestone was traditionally considered to function mainly as a physical filler. However, recent studies have revealed that it also reacts chemically to form hydration products such as carbonate - AFm phases. Furthermore, recent research has reported that the reactivity of limestone can be further enhanced through the use of alkanolamine-based admixtures, thereby improving cement performance and sustainability.

Currently, limestone used in the cement or concrete industries is restricted to high-purity materials with a CaCO3 content of 80% or higher, limiting its wide utilization as SCMs. Meanwhile, dolomite may have a similar effect as a partial replacement of cement. Dolomite is abundant worldwide and possesses a crystal structure and chemical formula similar to limestone. Furthermore, it is expected that dolomite can achieve performance enhancement based on the similar principle as stated above in the case of limestone. However, unlike limestone, it contains Mg ions, which may cause differences in the hydration reaction.

This study aimed to compare the performance of limestone-blended cement, dolomite-blended cement, and dolomite-blended cement with a chemical admixture, and to evaluate the potential of dolomite to successfully replace limestone. A combination of analytical techniques, including XRD, TGA, and isothermal calorimetry to clearly understand the physicochemical impact has been conducted. The analysis results showed that the dolomite-blended cement exhibited superior later-age strength compared to the limestone cement, and the strength could be further enhanced through the use of specific chemical admixtures. In particular, dolomite shares a fundamentally identical hydration mechanism with limestone, facilitating the formation of carbonate-AFm phases that effectively densify the cementitious matrix. These findings demonstrate that dolomite possesses significant potential as a sustainable and high-performance SCMs in concrete materials.

목차 (Table of Contents)

• List of Abbreviations ⅰ
• List of Figures ⅱ
• List of Tables ⅲ
• Cement Chemistry Notation ⅳ
• Chapter 1. Introduction 1
• 1.1. Study background 1
• 1.2. Purpose of research 3
• Chapter 2. Materials and Methods 4
• 2.1. Materials 4
• 2.2. Experimental methods 7
• 2.2.1. Sample preparation 7
• 2.2.2. Isothermal calorimetry 8
• 2.2.3. X-ray diffraction 8
• 2.2.4. Thermogravimetry 9
• 2.2.5. Compressive strength 10
• Chapter 3. Results and Discussion 11
• 3.1 Hydration kinetics 11
• 3.2 Phase analysis 17
• 3.2.1. TGA 17
• 3.2.2 XRD 23
• 3.2.3 Quantitative analysis 29
• 3.3 Mechanical performance 32
• Chapter 4. Conclusion 34
• Bibliography 35
• Abstract in Korean 38