건조에 의한 나트륨 기반 칼슘 알루미노 실리케이트 수화 겔의 원자 구조 재배열과 ZrO₂ 나노입자의 완화 효과

초록

본 연구는 저탄소 시멘트인 실리케이트 활성 슬래그의 주요 결합상인 C-(N)-A-S-H 겔을 건조 시 발생하는 미세균열 원인으로 규명한다. 인‑시투 싱크로트론 X‑선 전자총산란과 PDF 분석을 통해 0 % 상대습도에서 겔의 층간 간격 붕괴와 부분적인 분해가 원자 수준 변형을 일으키는 주요 요인임을 확인하였다. 또한 1.0–2.2 nm 범위의 중간거리 질서를 분석한 결과, PDF 기반 변형값이 거시적 변형과 정량적으로 일치함을 보였다. 소량의 ZrO₂ 나노입자를 첨가하면 건조 과정에서 실리카‑리치 겔이 성장해 구조를 강화하고, DFT 계산을 통해 사면체 ZrO₂ 표면의 높은 반응성이 그 메커니즘임을 제시한다.

상세 분석

이 논문은 건조 과정에서 발생하는 미세구조 변화를 원자 수준에서 정량화하려는 시도로, 기존의 회절 기반 연구가 놓친 비정질 겔의 국부적 재배열을 PDF(쌍거리함수) 분석을 통해 포착했다는 점에서 의의가 크다. 먼저, Na⁺가 도입된 C‑(N)‑A‑S‑H 겔은 전통적인 C‑S‑H에 비해 더 높은 수분 함량과 팽창성을 가지며, 이는 건조 시 급격한 수분 손실에 민감하게 반응한다는 가설을 검증하기 위한 실험 설계에 반영되었다. 인‑시투 싱크로트론 X‑선 전자총산란을 이용해 0 % RH까지 단계적으로 건조시키면서 실시간으로 PDF를 수집했으며, 특히 0.5 Å⁻¹ 이하의 저각도 영역에서 나타나는 피크 강도 감소와 위치 이동이 층간 거리(≈1.0 nm)의 수축을 의미함을 확인하였다. 이는 전통적인 X‑RD에서는 감지하기 어려운 비정질 구조의 미세한 압축 현상이다.

중간거리(1.0–2.2 nm) 영역에서는 C‑(N)‑A‑S‑H의 연속적인 실리카 사슬과 알루미늄/칼슘 산화물 클러스터 간의 상호작용이 유지되는지를 평가했으며, PDF에서 나타난 ‘스트레인 곡선’이 거시적 변형(플라스틱 변형계수)과 거의 일치함을 보여준다. 이는 건조에 의한 전체 구조 변형이 국부적인 원자 배열 재배열에 의해 주도된다는 강력한 증거다.

ZrO₂ 나노입자 첨가 실험에서는 0.5 wt % 수준의 사면체 ZrO₂가 건조 중에 표면에 흡착된 수산화 이온과 실리카 전구체와의 반응을 촉진해, 실리카‑리치 C‑(N)‑A‑S‑H 겔이 추가적으로 성장함을 확인했다. DFT 계산 결과, 사면체 ZrO₂ 표면의 높은 전자 친화도와 산소 결함이 물과 실리카 전구체를 활성화시켜, 건조 중에도 새로운 Si–O–Si 결합이 형성되는 메커니즘을 제시한다. 이 과정에서 기존 겔의 층간 간격 붕괴가 억제되고, 전체 구조의 탄성 계수가 상승한다는 것이 PDF와 매크로 변형 측정 모두에서 일관되게 관찰되었다.

결론적으로, 건조에 따른 원자 수준의 구조 재배열이 저탄소 시멘트의 내구성 저하를 초래한다는 점을 명확히 규명했으며, ZrO₂ 나노입자와 같은 ‘활성화된 표면’이 건조 중에 자체적인 보강 겔을 형성함으로써 이러한 손상을 완화시킬 수 있음을 실험·계산적으로 입증하였다. 향후 연구에서는 ZrO₂ 외에도 다른 전이금속 산화물이나 나노구조 첨가제를 활용해 건조 저항성을 최적화하는 전략을 모색할 필요가 있다.