A Study for Crystal Growth Inhibition of Ettringite by Solution Synthesis Experiment

Ettringite $(Ca_6[Al(OH)_6]_2(SO_4)_3{\cdot}26H_2O)$ is a sulfate mineral that shows a complicate property in concrete. It is often called as "a cancer of concrete" because secondary ettringite formation in hardened concrete often cause expansion and cracking of concrete due to its expansive crystal structure. In the present study, we tested the possibility for crystal growth inhibition of secondary ettringite by crystallization inhibitors that are commercially used for scaling inhibitors in Korea. For the test, we developed a method of ettringite solution synthesis. Three types of crystallization inhibitors were selected and examined the effects On ettringite growth inhibition. The experimental results of ettringite solution synthesis indicated that ettringite was successfully synthesized under condition that the mass balance between calcium hydroxide saturated solution and aluminum sulfate solution was attained. Monosulfate and semisulfate were synthesized when the ratio of $Ca^{2+}$ ions to ${SO_4}^{2+}$ ions was increased. The induction time of ettringite crystallization was less than 2 min. and crystallization was almost completed within an hour. The experimental results of ettringite crystallization inhibition showed that organic PBCT (2-Phosphonobutane-1,2,4-Tricarboxylic Acid) and inorganic SHMP (Sodium Hexametaphosphate) were relatively less effective on ettringite crystallization inhibition under experimental conditions. However, organic HEDP (1-Hydoxyethylidene-1,1-Diphosphonic Acid) effectively prevented ettringite growth with producing amorphous gel phase materials up to inhibitor concentration 0.1 vol.% of aluminum sulfate solution.

용액합성실험에 의한 에트린자이트 결정성장억제 연구

에트린자이트(ettringite, $Ca_6[Al(OH)_6]_2(SO_4)_3{\cdot}26H_2O)$는 콘크리트 내에서 특이한 성질을 나타내는 황산염광물이다. 팽윤성 결정구조로 인해 경화된 콘크리트에 이차적으로 생성되면 팽창과 균열을 발생하여 콘크리트 내구성을 저하함으로써, 흔히 콘크리트의 암으로 불려진다. 본 연구에서는 국내에서 상업적으로 스케일링 방지제 혹은 청관제로 활용되고 있는 일부 결정성장억제제를 선택 적용하여, 콘크리트에 유해한 황산염이차 광물인 에트린자이트의 결정성장억제 가능성을 시험하였다. 시험을 위한 에트린자이트 용액합성법을 개발하고, 세 가지 유형의 결정성장억제제들의 에트린자이트 결정성장에 대한 억제 효과를 검토하였다. 에트린자이트의 용액합성시험 결과, 수산화칼슘 포화용액에 대한 황산알루미늄 용액의 양적 균형이 이루어진 상태에서 순수한 에트린자이트가 생성되며, 용액 중 ${SO_4}^{2-}$ 이온에 대해 $Ca^{2+}$ 이온의 비율이 증가함에 따라 모노설페이트(monosulfate) 혹은 세미설페이트(semisulfate)가 생성된다. 용액합성법에 의한 에트린자이트의 결정 생성은 용액들의 반응 시작과 거의 동시에 일어나며 (induction time < 2min.), 반응 시작 1시간 정도 지나면 반응이 거의 완료되는 것으로 나타났다. 결정성장억제제들의 에트린자이트 결정성장억제 효과에 대한 실험결과, 폴리카르복시산염 (Polycarboxylate) 계의 PBCT (2-Phosphonobutane-1,2,4-Tricarboxylic Acid)와 무기인산염 (inorganic phosphate)계의 SHMP (Sodium Hexametaphosphate)는 실험조건에서 상대적으로 에트린자이트 결정성장억제의 효과는 적은 것으로 나타났다. 반면에 유기인산염 (organic phosphate)계의 HEDP (1-Hydoxyethylidene-1, 1-Diphosphonic Acid)는 0.1 vol.% 이상의 농도에서 효과적으로 에트린자이트 및 기타 황산염광물들의 결정성장을 억제하여 비정질의 겔(gel) 상의 물질을 생성하였다.