This dissertation investigates the microstructural and mechanical alteration of accelerated carbonation-cured calcium sulfoaluminate (CSA) cement exposed to the several harsh environment conditions. The CSA cement, which can be an option for replacing the ordinary Portland cement (OPC), has been extensively explored due to its potential for reducing the environmental issues associated with the $CO_2$ emission related to the cement industry. In addition, the accelerated carbonation curing (ACC) a straightforward technique to actualize the carbonation capture and storage (CCS) strategy in an effective manner, which can store a large amount of $CO_2$ in the cementitious materials. However, it is not sufficient to only produce the cementitious materials in a more environmentally friendly method. To produce a more sustainable cementitious materials, it should be involved the enhancement of durability, otherwise the benefits will be offset due to the shorter service life of cementitious materials. The understanding of deterioration process of cementitious materials upon exposure to the harsh environments should be proceeded to assess the durability performance.
This dissertation explores the microstructural alteration of accelerated carbonation-cured CSA cement exposed to the different harsh environments. This dissertation can be categorized into four aspects as follows: 1) identifying the effect of temperature of ACC on microstructural and mechanical properties of CSA cement, 2) investigating the microstructural alteration of accelerated carbonation-cured CSA upon exposure to high temperature, 3) identifying the microstructural alteration of accelerated carbonation-cured CSA cement under chloride-rich environment exposure, 4) inspecting the microstructural alteration of accelerated carbonation-cured CSA cement exposed to acidic mediums, and 5) evaluation of carbon footprint via $CO_2$ uptake results to assess the environmental impact of accelerated carbonation-cured CSA cement.
The results provide new insights into the properties of accelerated carbonation-cured CSA cement exposed to the numerous harsh environments, which can establish the fundamental knowledge of deterioration process of CSA cement upon exposure to harsh environments. In addition, the environmental impact obtained through adoption of CSA cement and ACC and effect of temperature of ACC on the microstructural and mechanical properties of CSA cement were provided. The dissertation provides implications related to CSA cement based on the experimental results and deals with future research topics.
본 학위논문은 가속 탄산화 양생된 칼슘 설포알루미네이트(Calcium sulfoaluminate, CSA) 시멘트의 극한 환경 노출 시의 미세 구조 및 기계적 특성 변화에 관해 연구하였다. 포틀랜드 시멘트(Ordinary Portland cement, OPC)의 대안 될 수 있는 CSA 시멘트는 시멘트 산업으로부터 비롯된 $CO_2$ 배출과 관련된 환경 문제를 줄일 수 있는 잠재력 때문에 활발히 연구되어 왔다. 또한, 가속 탄산화 양생(Accelerated carbonation curing, ACC)은 탄산화 포집 및 저장(Carbon capture and storage, CCS) 전략을 효과적으로 실현하기 위한 간단한 기술로서, 시멘트계 재료에 다량의 $CO_2$를 저장할 수 있다. 그러나, 시멘트계 재료를 보다 환경 친화적인 방법으로만 생산하는 것은 충분하지 않으며, 보다 지속 가능한 시멘트계 재료를 생산하기 위해서는 내구성 향상이 동반되어야 한다. 그렇지 않으면 재료의 짧은 사용 수명으로 인해 편익이 상쇄될 것이다. 가혹 환경 노출 시의 시멘트계 재료의 열화 과정에 대한 이해가 선행되어야 한다.
이에 본 학위논문에선 가속탄산화 양생된 CSA 시멘트의 극한 환경 노출 시의 미세 구조 변화를 탐구한다. 본 학위논문의 연구내용은 다음과 같이 구성되었다: 1) 가속탄산화 양생의 온도가 CSA 시멘트의 미세구조 및 기계적 특성에 미치는 영향 규명, 2) 가속탄산화 양생된 CSA 시멘트의 고온 노출 하에서의 미세구조 변화 분석, 3) 염화물이 풍부한 환경 노출 하에서의 가속탄산화 양생된 CSA 시멘트의 미세 구조 변화 조사, 4) 산성 매체에 노출된 가속탄산화 양생된 CSA 시멘트의 미세 구조 변화를 관찰하였으며, 마지막으로 5) 가속탄산화 양생된 CSA 시멘트의 환경 영향 평가를 위한 $CO_2$ 저장 결과를 통한 탄소 발자국 평가하였다.
본 학위논문의 결과들은 다양한 극한 환경에 노출된 가속탄산화 양생된 CSA 시멘트의 특성에 대한 새로운 통찰력을 제공하며, 이는 CSA 시멘트의 극한 환경 노출시의 열화 과정에 대한 기본 지식을 확립할 수 있다. 또한, CSA 시멘트 및 가속탄산화 양생의 도입을 통한 환경적 영향과 가속탄산화 양생의 온도가 CSA 시멘트의 미세구조 및 기계적 특성에 미치는 영향을 제공하였다. 본 학위논문에서는 실험결과를 바탕으로 CSA 시멘트 관련 다양한 토의를 제공하며 향후 연구주제에 대해 다룬다.
