This dissertation investigates the microstructural alteration of calcium sulfoaluminate (CSA) cement-based materials exposed to accelerated carbonation conditions. CSA cement, which represents an ecologically friendly alternative to Portland cement, has been rapidly explored over decades due to its potential of lowering the associated CO2 emissions. Meanwhile, since most of the cementitious materials are exposed to air, it is necessary to clarify the deterioration mechanism induced by carbonation in the materials. However, the fundamental understanding on the microstructural modification of CSA cement upon carbonation is restricted due to a lack of available works.
This dissertation explores the carbonation behavior of CSA-based materials by investigating the fundamental degradation mechanism and microstructural changes in these materials exposed to carbonation. To this end, this dissertation is composed of as follows: 1) unveiling the hydration kinetics and local Al network development of CSA cement with different sulfate contents, 2) characterizing the role of MgO in CSA cements upon carbonation, 3) inspecting the carbonation behavior of blast furnace slag-blended CSA cements upon carbonation, and 4) identifying the role of initial sulfate content on the carbonation properties of blast furnace slag-blended CSA cements. In addition, carbonation curing was adopted and the phase evolution of the carbonation-cured CSA cement-based materials exposed to an electrically leaching condition was explored.
The obtained results provide new insight into the properties of CSA-based materials exposed to carbonation, which establishes fundamental knowledge of deterioration phenomena driven by the accelerated carbonation. In addition, with the understanding on the carbonation mechanism of the CSA-based materials, carbonation curing of these materials and their properties upon accelerated leaching were provided. The thesis is concluded by summarizing the implication of the results and potential topics.
본 학위논문은 가속탄산화에 노출된 칼슘 설포알루미네이트(CSA) 시멘트 기반 물질들의 미세구조젹 변화를 조사하였다. 포틀랜드 시멘트보다 친환경적인 CSA 시멘트는 시멘트 생산에 기인한 CO2 배출량을 감소시키기 위한 일환으로 지난 수십년간 활발하게 연구되어 왔다. 한편, 대부분의 시멘트계 물질이 공기 중에 노출되기 때문에 탄산화에 유발되는 열화 메커니즘을 명확히 파악해야 할 필요가 있다. 그러나, 탄산화에 노출된 CSA 시멘트의 미세구조적 변화에 대한 기본적인 연구는 미비한 실정이다.
이러한 배경으로, 본 학위논문은 탄산화에 노출된 CSA 시멘트 기반 물질들의 기본적인 열화 메커니즘과 미세구조적 변화를 조사하였다. 본 학위논문의 연구내용은 다음과 같이 구성되었다: 1) 다양한 sulfate 함량에 대한 CSA 시멘트의 수화역학과 Al 네트워크 분석, 2) CSA 시멘트의 탄산화에서 함유된 MgO의 역할 규명, 3) 고로슬래그가 혼입된 CSA 시멘트의 탄산화 거동 평가, 그리고4) 초기 sulfate 함량이 고로슬래그가 혼입된 CSA 시멘트의 탄산화 특성에 미치는 영향 규명. 마지막으로 CSA 시멘트 기반 물질들에 탄산화 양생을 적용시킨 후 전기적 가속 용출 환경에 노출시켜 수화물/생성물의 변화를 관찰하였다.
본 학위논문의 결과들은 탄산화에 노출된 CSA 시멘트 기반 물질들의 특성에 새로운 시야를 제공하고 가속탄산화의 관점에서 열화현상의 기초적 지식을 정립하였다. 게다가, CSA 시멘트 기반 물질들의 탄산화 메커니즘에 대한 이해를 바탕으로 탄산화양생이 적용된 CSA 시멘트 기반 물질들의 가속 용출 특성이 소개되었다. 본 논문은 실험결과를 토대로 다양한 토의를 제공하고 향후 연구주제에 대해 다룬다.
