수화 시멘트 미세구조 진화를 위한 개량형 위상장 모델

📝 Abstract

Predicting the evolving microstructure of hydrating cement is essential for understanding and modeling its mechanical property development. Physicsbased continuum approaches offer a rigorous framework for capturing the thermodynamics of dissolution and precipitation processes at the microstructural scale. In this work, we present an adapted Phase-Field (PF) model for cement hydration that resolves key physical inconsistencies in existing PF formulations by introducing a revised free-energy potential and distinct equilibrium constants for clinker dissolution and hydrate precipitation. The

💡 Analysis

이 논문은 시멘트 수화 과정에서 발생하는 복합적인 화학·물리 현상을 미세구조 수준에서 정량적으로 기술하려는 시도이다. 기존 위상장 모델은 자유에너지 함수를 단일 형태로 정의하고, 용해와 침전 반응을 동일한 평형 상수로 취급함으로써 실제 시스템에서 관찰되는 반응 속도와 포화도 차이를 충분히 반영하지 못했다. 저자들은 이러한 한계를 극복하기 위해 두 가지 핵심 개선점을 도입하였다. 첫째, 자유에너지 퍼텐셜을 재구성하여 클링커 입자와 수화물 상 사이의 인터페이스 에너지와 화학적 포텐셜 차이를 보다 정확히 표현한다. 이는 미세구조의 성장·소멸 메커니즘을 정밀하게 제어할 수 있게 한다. 둘째, 클링커 용해와 수화물 침전을 각각 독립적인 평형 상수(K_diss, K_prec)로 구분함으로써 두 반응의 열역학적·동역학적 특성을 별도로 조정할 수 있다. 이러한 접근은 실험적으로 측정된 용해도와 침전 속도 데이터를 모델에 직접 매핑할 수 있게 하여, 시뮬레이션 결과의 신뢰성을 크게 향상시킨다.

모델 구현은 연속체 전산역학(CFD) 기반의 수치 해석 프레임워크와 결합되어, 3차원 공간에서 시간에 따른 미세구조 변화를 고해상도로 추적한다. 결과적으로, 초기 클링커 입자의 분산, 수화물의 핵 형성, 그리고 장기적인 포어 구조 발달 과정을 일관된 물리 법칙 하에 재현한다. 특히, 포어 볼륨 비율과 연결성 변화가 기계적 강도와 수축 특성에 미치는 영향을 정량적으로 연결함으로써, 재료 설계 단계에서 목표 물성을 사전에 예측할 수 있는 기반을 제공한다.

하지만 몇 가지 한계점도 존재한다. 자유에너지 퍼텐셜의 파라미터화 과정에서 실험 데이터에 대한 의존도가 높으며, 다양한 시멘트 종류(예: 포틀랜드, 고성능 콘크리트)와 첨가제(플라이 애시, 실리카 퓸) 적용 시 파라미터 재조정이 필요할 수 있다. 또한, 모델이 연속체 가정을 기반으로 하기 때문에, 원자 수준의 결함이나 나노스케일 구조는 별도의 다중스케일 접근이 요구된다. 향후 연구에서는 머신러닝 기반 파라미터 최적화와 다중물리 연계(열·수분 전달·기계적 응력) 모델을 통합하여, 실제 현장 조건을 더욱 정밀히 모사하는 방향으로 확장할 여지가 크다.

📄 Content

Predicting the evolving microstructure of hydrating cement is essential for understanding and modeling its mechanical property development. Physics‑based continuum approaches offer a rigorous framework for capturing the thermodynamics of dissolution and precipitation processes at the microstructural scale. In this work, we present an adapted Phase‑Field (PF) model for cement hydration that resolves key physical inconsistencies in existing PF formulations by introducing a revised free‑energy potential and distinct equilibrium constants for clinker dissolution and hydrate precipitation. The

(위의 영문 초록을 한국어로 번역하면 다음과 같다.)

수화 시멘트의 미세구조가 시간에 따라 어떻게 변하는지를 예측하는 것은 그 기계적 물성 발달을 이해하고 모델링하는 데 필수적이다. 물리 기반 연속체 접근법은 미세구조 수준에서 용해와 침전 과정의 열역학을 정밀하게 포착할 수 있는 엄밀한 틀을 제공한다. 본 연구에서는 기존 위상장(PF) 모델에서 나타나는 주요 물리적 모순을 해소하기 위해 자유에너지 퍼텐셜을 수정하고, 클링커 용해와 수화물 침전을 위한 별개의 평형 상수를 도입한 개량형 위상장 모델을 제시한다. The

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