MgCl2 기반 마그네슘 실리케이트 수화물(M-S-H)의 생성이 칼슘 실리케이트 수화물(C-S-H)의 물리·화학적 성질에 미치는 영향

Abstract

This study explores the variations in local atomic arrangements and the mechanical properties of synthetic paste of the mixture of magnesium silicate hydrate (M-S-H) and calcium silicate hydrate (C-S-H) with different molar Ca/Si and Mg/Si ratios (The Ca+Mg/Si ratio is fixed at 0.8). The elastic modulus of the pastes was calculated based on the shifted values of atomic distances (r) in real space and d-spacing (d) in reciprocal space by applying external load on the sample pastes during high-energy synchrotron X-ray scattering experiments. Experimental results clearly showed that C-S-H and M-S-H mostly existed as separate phases in a single matrix. At the highest Mg/Si ratio (Ca/Si = 0.6, Mg/Si = 0.2), the main phase changed from C-S-H to M-S-H due to lowered pH level hindering the C-S-H formation, which led to the change of silicate chain structure into a silicate planar structure. Pair distribution function analysis based on in-situ X-ray scattering data indicated that the M-S-H formation and destabilized C-S-H influenced the interatomic arrangement by showing lower coherence length with an increasing Mg/Si ratio. The elastic modulus of the sample at a local atomic scale decreased with the increment of molar Mg/Si ratio up to 0.1 due to the coeffects of destabilization of C-S-H under low pH conditions and low proportion of M-S-H in the mixed matrix. At the highest molar Mg/Si ratio of 0.2, however, a large amount of M-S-H formation was observed, owing to a low-pH environment. The presence of M-S-H increased the elastic modulus of the paste with Mg/Si ratio of 0.2, as M-S-H has a higher elastic modulus relative to C-S-H. On the other hand, the effect of M-S-H formation on the elastic modulus was not significant in a macroscopic scale, where the modulus value increased slightly at the paste with the highest Mg/Si ratio. From the study, the mechanism of M-S-H formation under low-pH conditions in the cementitious materials and its effect on the mechanical properties are revealed, and the results could provide a basic information on the investigation of M-S-H based low-pH cement.|본 연구는 서로 다른 Ca/Si와 Mg/Si 비율 (Ca+Mg/Si 비율은 0.8로 고정)을 지니는 마그네슘 실리케이트 수화물 (magnesium silicate hydrate, M-S-H)과 칼슘 실리케이트 수화물 (Calcium silicate hydrate, C-S-H)이 혼합된 경화체의 국소 원자 배열 및 기계적 특성에 대하여 조사하였다. 탄성 계수의 경우, 고에너지 X-선 산란 실험을 진행하는 동안 외부 압축 응력을 가하여 원자-원자 거리 (r) 과 격자 면 간 거리 (d)에서 발생하는 변형률을 통하여 계산하였다. 실험 결과에서 C-S-H와 M-S-H는 서로 다른 상으로 존재할 가능성이 높을 것으로 판단되었다. Mg/Si 비율이 가장 높은 경화체의 경우 (Ca/Si = 0.6, Mg/Si = 0.2), 낮아진 pH 값으로 C-S-H의 생성이 저해되어 C-S-H에서 M-S-H로 주 상의 변화가 발생하였는데, 이로 인하여 경화체 내부에서 주 구조가 실리케이트 사슬 구조에서 실리케이트 평면 구조로 전환되었다. In-situ X-선 산란 실험에서 도출한 원자 짝 분포 함수 (pair distribution function, PDF) 결과에서 Mg/Si비율이 증가함에 따라 가간섭 거리 (coherence length)의 감소가 관찰되었는데, 이는 M-S-H의 생성과 불안정해진 C-S-H가 원자-원자 구조의 영향을 미쳤기 때문으로 판단되었다. C-S-H와 M-S-H의 혼합 경화체의 국소 원자 단위의 탄성 계수는 Mg/Si 비율이 0.1에 도달할 때까지는 낮아지는 pH값에 따른 C-S-H의 불안정화와 적은 양의 M-S-H 생성량으로 인하여 감소하는 경향을 보여주었다. 반면, Mg/Si 비율이 최대인 0.2의 경우, pH 값이 크게 감소하여 상대적으로 많은 양의 M-S-H가 관찰되었고, M-S-H는 C-S-H에 비해 높은 탄성 계수를 지니기 때문에 경화체의 탄성 계수가 크게 증가되었다. 거시적 단위의 탄성 계수의 결과에서는 Mg/Si 비율이 0.2인 경우 나노 단위에 비하여 크게 증가하지 않는 모습을 보여주었는데, 이는 거시적 단위에서는 C-S-H의 불안정화의 영향이 M-S-H의 생성에 비해서 더 크기 때문으로 판단된다. 본 연구는 낮은 pH 환경에서의 시멘트 기반 재료 내 M-S-H 생성 메커니즘 및 이로 인한 기계적 성질의 영향을 밝히는데 의의가 있으며, M-S-H 기반 low-pH 시멘트의 연구에 기초 자료가 될 수 있을 것으로 예상된다.