1. 서 론
포틀랜드 석회석 시멘트(Portland Limestone Cement, 이하 PLC)는 포틀랜드 시멘트 클링커의 일부를 석회석(CaCO3)으로 대체하여 생산되는 시멘트의 한 종류이다(Kurtis et al., 2017). 북미에서는 통상 80∼90 중량%의 포틀랜드 시멘트 클링커와 6∼15 중량%의 석회석 미분말을 포함하는 시멘트를 의미한다(Kurtis et al., 2017). 유럽 표준 EN 197-1(2000)에 따르면, 27가지 일반적인 시멘트 유형 모두 5%의 소량 추가 성분(Minor Additional Components,
이하 MAC)을 포함할 수 있다.
한편, 더 많은 양의 석회석을 허용하는 6가지 시멘트 유형이 있다. 즉, CEM II/A-L 및 CEM II/A-LL 유형은 6∼20%의 석회석을,
CEM II/B-L 및 CEM II/B-LL 유형은 21∼35%의 석회석을, CEM II/A-M 및 CEM II/B-M 유형은 5% MAC 외에 석회석을
추가로 포함한다(Hooton et al., 2007; Tsivilis et al., 1999).
L과 LL 명칭의 차이는 사용되는 석회석의 품질에 기반하며, 두 유형 모두 CaCO3 함량이 75% 이상이고 점토 함량이 1.20 g/100 g 이하여야 한다. LL 유형은 총 유기 탄소(Total Organic Carbon, TOC)
함량을 질량 기준으로 0.20% 이하로 제한하는 반면, L 유형은 TOC를 0.50% 이하로 제한하며, 이러한 석회석 품질 제한은 ASTM C 150보다
더 엄격하다(Hooton et al., 2007).
북미 표준의 경우, Type IL 시멘트는 ASTM C595 및 AASHTO M240에 따라 허용되는 분쇄 석회석(CaCO3)의 질량을 약 15%까지 허용하고있다(Kurtis et al., 2017). 이는 2004년 ASTM C150에서 최대 5%의 석회석이 허용된 이후 변화된 것이다(Kurtis et al., 2017; Hooton et al., 2007). 캐나다의 CSA A3001은 1983년부터 Type 10 시멘트(현재 Type GU)에 최대 5%의 석회석을 허용했으며, 2008년에는 최대 15%까지
허용량을 늘렸다(Kurtis et al., 2017; Thomas et al., 2010).
시멘트 표준의 지속적인 개정은 PLC에 대한 기술적 이해와 시장 규모가 증가하고 있음을 의미한다. 이러한 변화는 환경적 지속 가능성 목표와 엄격한
성능 검증 요구사항에 중점을 두고 있다. 과거에는 석회석을 단순히 불활성 충전재로 간주하는 경향이 있었으나, 현재는 석회석의 활성적인 역할과 시멘트
시스템 내에서의 기여를 인정하는 방향으로 인식이 전환되고 있다. 초기 표준이 낮은 석회석 함량만을 허용했던 것은 보수적인 접근 방식이나 제한된 연구
결과에 근거한 것이었다. 그러나 이후의 표준에서 허용 비율이 점진적으로 증가한 것은 광범위한 연구를 통해 PLC가 허용 가능한 성능을 제공한다는 충분한
증거가 축적되었음을 시사한다. Type IL 및 CEM II/A-L, CEM II/B-L과 같은 특정 유형의 도입과 함께 정의된 석회석 범위 및 품질
기준(L, LL)은 보다 개선된 성능 기반의 이해를 보여주며, 이는 이산화탄소(CO2) 배출 감소와 같은 환경적 제약조건과 기술적 검증에 대한 결과이다.
한편, 기존 포틀랜드 시멘트(Ordinary Portland Cement, 이하 OPC)와 PLC는 여러 면에서 차이를 보인다. 즉, OPC는 주로
클링커로 구성되는 반면, PLC는 클링커의 일부를 석회석으로 대체하는데 이러한 차이는 PLC의 특성과 성능에 근본적인 영향을 미친다. 그리고, PLC는
석회석을 클링커와 함께 분쇄하는 혼합 분쇄(Intergrinding)를 통해 생산될 수 있으며, 이는 OPC 생산과 구별되는 점이다 . 석회석은 클링커보다
부드러워 동일한 미세 분말도를 얻는 데 필요한 분쇄 에너지가 적으며, 석회석 함량이 증가할수록 이러한 에너지 절감 효과가 커진다(Kurtis et al., 2017; Hooton et al., 2007).
동일한 비표면적(Blaine)을 가진 시멘트의 경우, PLC의 클링커 입자는 OPC의 클링커 입자보다 거칠 수 있다. 이를 보상하기 위해 PLC는
일반적으로 더 미세하게 분쇄되며, 플라이애시나 천연 포졸란과 혼합 분쇄된 시멘트보다 더 큰 입자 크기 분포를 가질 수 있다. 또한, 석회석은 과거에는
화학적으로 불활성으로 간주되었으나, 시멘트 내 석회석의 존재는 시멘트 반응 속도, 응결 시간 및 초기 수축과 같은 특성을 변화시키는 것으로 나타났다.
석회석 필러는 물리적 및 화학적 효과를 통해 시멘트 수화 속도와 열역학적 특성을 변화시키고, 원료 시멘트의 반응 속도를 변화시키며, 수화된 시멘트
페이스트 내에 추가 탄산염을 형성한다. 아울러 PLC는 적절히 최적화될 경우 OPC와 유사한 물리적 성능을 보이며, 염화물 침투 및 알칼리-골재 반응(ASR)에
대한 내구성도 유사하다(Kurtis et al., 2017). 그러나 잠재적인 단점으로는 타우마사이트 형태의 황산염 공격에 대한 취약성 증가와 탄산화 가능성 증가가 있다(Garcia et al., 2019).
OPC와 PLC의 핵심적인 차이는 PLC는 클링커 함량 감소로 인한 불리함을 석회석의 물리적⋅화학적 기여를 통해 보완하는 이중적 특성을 가진다. 즉,
PLC는 석회석을 단순 불활성 물질이 아닌, 성능에 기여하는 보조 성분으로 적극 활용한다는 점에서 근본적인 차이를 보인다. 이는 반응성 클링커 감소
효과와 석회석의 물리적(충전재, 핵 생성) 및 화학적(카보알루미네이트) 역할로 인한 강화 사이의 정교한 균형을 요구한다. 따라서, 분말도나 배합 설계
조정을 고려하지 않고 단순히 OPC와 PLC를 비교하면 반응성 클링커 감소 효과로 인해 PLC가 불리하게 보일 수 있다. 따라서 PLC의 잠재력을
최대한 활용하기 위해서는, 동등한 성능을 목표로 하는 최적화 공정이 핵심 전제 조건이 된다.
PLC는 시멘트 산업의 지속 가능성 목표 달성에 중요한 기여를 한다. 시멘트 생산은 전 세계 CO2 배출량의 약 7∼8%를 차지하며, 이는 산업 공정 중 가장 큰 비중을 차지한다. 일반적으로 포틀랜드 시멘트 1톤 생산 시 0.65∼0.95 톤의
CO2가 배출되며, PLC는 클링커 비율을 낮춤으로써 CO2 배출량을 줄여 온실가스 배출 감소에 기여한다(Kurtis et al., 2017). 클링커 소성은 이산화탄소 배출의 상당 부분을 차지하므로, 클링커 함량을 줄임으로써 PLC는 이러한 배출량을 직접적으로 줄일 수 있다. PLC와
혼화재(Supplementary Cementitious Materials, 이하 SCM)를 사용한 콘크리트의 경우 클링커 함량은 총 시멘트계 재료의
50% 미만으로 줄어들어 클링커 생산과 관련된 탄소 발자국을 크게 줄일 수 있다(Thomas et al., 2010).
따라서 본 논문의 목적은 PLC의 강도 발현 메커니즘을 심층적으로 분석하고, 강도에 영향을 미치는 주요 요인을 규명하며, SCM과의 상호작용 및 시너지
효과를 고찰하는 데 있다. 기존 연구들이 주로 PLC의 수화, 강도, 내구성과 같은 개별 특성에 대한 분석에 집중하였다면(Hooton et al., 2007; Garcia et al., 2019), 본 연구는 이러한 개별 메커니즘들이 유기적으로 상호작용하여 최종 강도가 발현되는 종합적 과정을 Fig. 1 과 같은 메커니즘 네트워크(Mechanism network) 관점에서 규명하고, 이를 기반으로 성능기반 최적화방안을 제안하고자 한다.
Fig. 1. Strength development mechanism network of Portland Limestone Cement (PLC)
3. 포틀랜드 석회석 시멘트 콘크리트의 강도 발현에 영향을 미치는 주요 요인
PLC의 강도 발현은 Table 1에 나타낸바와 같이 다양한 인자들의 복합적인 상호작용에 의해 결정된다. 이러한 인자들을 이해하고 최적화하는 것이 원하는 성능을 달성하는 데 필수적이다.
Table 1. Physical and Chemical Effects of Limestone Cement Hydration (Hooton et al., 2007)
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Impact Type
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Key Mechanism
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Result and Strength Contribution
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Physical Effects
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Filler Effect
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- Improved particle packing, reduced porosity, increased density, decreased water
demand.
- Contributes to strength enhancement.
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Nucleation Effect
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- Provides nucleation sites for hydration products (C-S-H, CH), accelerates hydration
reactions, enhances early strength.
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Dilution Effect
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- Reduced reactive clinker, increased effective water-to-binder ratio, decreased total
hydration products, potential strength reduction.
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Chemical Effects
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Carboaluminate Formation
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- Reaction with C3A to form hemicarbo aluminate and monocarboaluminate.
- Increased volume of hydrates, improved microstructure.
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Ettringite Stabilization
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- Preference for monocarboaluminate stabilizes ettringite, increases ettringite content.
- Enhances sulfate resistance.
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Portlandite Interaction
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- Promotes early CH formation, later CH consumption (carboaluminate formation), changes
CH crystal morphology. Affects microstructure and strength.
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3.1 분말도 및 석회석 함량 (최적 함량 범위 포함)
3.1.1 분말도
시멘트의 분말도(Fineness)는 Table 2와 같이 핵 생성 부위의 갯수와 밀접하게 관련되어 초기 수화 속도를 결정한다. PLC는 일반적으로 OPC보다 높은 분말도로 제조되며, 이는 반응성
클링커 감소 효과(Dilution effect)를 보완하고 초기 강도 발현을 향상시키는 주요 인자로 작용한다. 특히 석회석의 연질 특성은 혼합 분쇄(Co-grinding)
시 미세화가 용이하여, 충전 및 핵 생성 효과를 동시에 만족한다.
Table 2. Influence of fineness on hydration and strength development
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Category
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Mechanism / Observation
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Technical Implication
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References
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Increased Specific Surface Area
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Higher fineness increases nucleation sites, accelerating hydration
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Enhances early-age strength and C–S–H formation
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Kurtis et al. (2017); Hooton et al. (2007) |
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Soft Limestone Effect
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Easier Intergrinding due to lower hardness than clinker
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Compensates dilution by promoting filler and nucleation effects
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Kim et al. (2020a); KCI (2021)
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PSD Control
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D50 < 10 μm, D90 < 30 μm improves hydration kinetics
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More accurate than Blaine-based comparison for PLCs
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Lee et al. (2021) |
3.1.2 석회석 함량
최대 5%의 석회석 첨가는 입자 충전 개선, 수화 속도 증가, 초기 카보알루미네이트 생성의 복합적인 결과로 초기 강도를 증가시킬 수 있다(Kurtis et al., 2017; Hooton et al., 2007). 또한, 최대 10%의 석회석 함량과 특정 한계까지의 분말도 증가는 순수 시멘트와 거의 동일한 압축 강도를 발현한다(Tsivilis et al., 1999). 15%를 초과하는 석회석 함량에서는 반응성 클링커 감소 효과로 인한 강도 감소가 더욱 두드러지며, 이를 보상하기 위해 더 미세한 분쇄 또는 물-결합재비
감소가 필요하다(Garcia et al., 2019; Dhir et al., 2007).
낮은 물-결합재비와 높은 시멘트 계수를 가진 고강도 콘크리트의 경우, 높은 분말도를 갖는 Type IL 시멘트가 강도 발현을 위해 요구되며, 중간
물-결합재비와 시멘트 계수의 경우, 거친 Type IL 시멘트가 유사한 압축 강도를 제공하면서 더 낮은 건조 수축을 보였기 때문에 권장될 수 있다(Kurtis et al., 2017). 석회석 함량에는 이점(핵 생성, 충전재)이 단점(희석)을 능가하는 최적 범위가 있지만, 이 최적점은 분말도 및 배합 설계(W/B)와 같은 다른
요인에 크게 의존한다. 즉, 낮은 석회석 함량은 성능을 향상시키고, 중간 함량은 유지하며, 높은 함량은 희석시킬 수 있다. 이는 선형적인 관계가 아니다.
최적 함량은 고정된 숫자가 아니라 원하는 성능과 다른 혼합 매개변수의 함수이다. 이는 단순히 단일 최대 한계를 설정하는 것보다 전체론적인 접근 방식이
필요함을 강조한다.
3.2 클링커 품질 및 화학 조성 (C3A 함량 등)
화학적 및 광물학적 조성 및 강도 발현 등과 같은 클링커의 품질은 PLC의 특성에 큰 영향을 미치며, C3A 함량이 높은 클링커는 석회석과 더 잘 협력하여 더 나은 강도 발현으로 이어진다(Tsivilis et al., 1999). 이는 C3A가 CaCO3와 반응하여 카보알루미네이트를 형성하는 것과 관련이 있다(Hooton et al., 2007). 석회석에 의한 알칼리의 희석은 공극 용액의 알칼리 농도를 낮춰 더 효과적인 클링커 수화를 유도할 수 있다(Tsivilis et al., 1999). 한편, C3S는 초기 강도에 기여하고, C2S는 후기 강도에 기여한다(Garcia et al., 2019). 시멘트의 C3S 및 C2S 함량의 불일치는 고온에서의 수화 속도에 영향을 미칠 수 있다(Kurtis et al., 2017). 클링커 화학은 석회석 함량에 부차적인 것이 아니다. 특히 카보알루미네이트 형성을 통해 석회석이 강도에 얼마나 효과적으로 기여할 수 있는지를 결정한다.
클링커와 석회석의 상호작용은 가장 중요하며, 클링커가 적정한 화학적 조성(예: 충분한 C3A)을 가지고 있지 않다면, 석회석의 화학적 이점(카보알루미네이트 형성)은 제한될 수 있으며, 반응성 클링커 감소 효과가 더 지배적이 될 수 있다.
이는 PLC 성능을 최적화하기 위해 주어진 석회석 첨가량에 맞는 클링커를 선택하는 것이 중요함을 의미한다.
3.3 물-결합재비 (W/B 또는 W/CM)
일반적으로 낮은 물-결합재비(W/B)는 압축 강도를 증가시킨다(Garcia et al., 2019). PLC는 순수 시멘트보다 페이스트 물 요구량이 낮은 경우가 많아, 동일한 작업성에서 더 낮은 w/b 비율을 허용한다(Tsivilis et al., 1999). 이는 PLC가 순수 시멘트보다 넓은 입자 크기 분포를 가지고 있기 때문으로 설명된다(Hooton et al., 2007).
물-결합재비가 높고 시멘트 계수가 낮은 경우(예: Class A 콘크리트), 석회석의 반응성 클링커 감소 효과가 강도에 미치는 영향을 감소시킬 수
있는 반면, 물-결합재비가 낮고 시멘트 계수가 높은 경우(예: Class AAA 콘크리트), 미세한 석회석의 핵 생성 효과가 초기 강도를 크게 증가시킬
수 있다. 콘크리트 등급(즉, 시멘트 계수 및 w/b 비율)이 높을수록 Type IL 시멘트가 강도에 미치는 영향이 커진다(Kurtis et al., 2017). 물-결합재비는 콘크리트 강도에 항상 중요한 근본적인 제어 매개변수이다. 그러나 PLC에서는 석회석과의 상호작용이 더 복잡하다. 석회석으로 인한
낮은 물 요구량은 낮은 물-결합재비를 가능하게 하여 이점이 있다. 그러나 유효 물-결합재비(반응성 클링커만 고려)는 석회석 함량에 따라 변한다. 이는
동일한 명목상 물-결합재비가 PLC의 특성에 따라 다른 결과를 초래할 수 있음을 의미하며, 배합 설계를 더 복잡하게 만들고 물-결합재비, 석회석 함량
및 분말도 간의 상호작용을 신중하게 고려해야 한다.
3.4 양생 조건 (온도 및 기간)
고온 양생(예: 90°F)은 수화를 가속화하고 초기 강도를 증가시키지만, OPC의 경우 후기 강도를 낮출 수 있다(Kurtis et al., 2017; Dhir et al., 2007). Type IL 시멘트의 경우, 고온은 미세한 시멘트(예: AL)의 강도 증가를 증폭시킬 수 있으며(AL은 90°F에서 28일 강도 30%, 1
년 강도 40% 증가), 저온 양생(예: 40°F)은 일반적으로 수화와 강도 발현을 늦춘다(Kurtis et al., 2017). 제한된 습윤 양생은 습윤 양생 기간이 감소함에 따라 강도가 점진적으로 감소하는 결과를 초래한다(Dhir et al., 2007). 이는 수화가 진행될 충분한 물이 공급되지 않기 때문이다.
온도와 양생 기간은 PLC의 성능에 복합적인 영향을 미치며, 그 결과가 항상 일관되게 나타나지는 않는다. 이는 클링커와 석회석의 수화 동역학에 순차적으로
영향을 미쳐, 특정 PLC 및 양생 조건에 따라 석회석의 이점을 증폭시키거나 약화시킬 수 있다. 온도는 반응 속도에 영향을 미치며, PLC에서는 여러
상이 수화되고 상호작용하므로 온도가 균형을 바꿀 수 있다. 예를 들어, 고온이 반응성 클링커 감소 효과에 비해 유익한 석회석 반응(핵 생성, 카보알루미네이트
형성)을 불균형적으로 가속화한다면 성능 향상으로 이어질 수 있다. 반대로, 수축과 같은 유해한 효과를 가속화한다면 부정적일 수 있다. 이는 PLC에
대한 온도별 배합 설계 고려 사항이 필요함을 나타낸다.
4. OPC와 PLC의 강도 발현 성능 비교 및 최적화 방안
SCM는 PLC의 강도 발현 및 전반적인 성능에 복합적인 영향을 미치며, 석회석과의 상호작용을 통해 독특한 시너지 효과를 의미한다.
4.1 혼화재 유형별 영향 (플라이애시, 고로슬래그, 실리카 퓸)
SCM의 종류와 특성은 Table 3과 같이 PLC의 강도 발현 및 수화 반응성에 직접적인 영향을 미친다. 특히 SCM의 반응성, 알루미나 함량, 입도 분포는 석회석의 카보알루미네이트
형성과 밀접한 상관관계를 가진다. 플라이애시(Class F, C), 고로슬래그(GGBFS), 실리카 퓸(SF)은 각각 물리적 충전, 화학적 반응,
미세구조 조정 효과를 다르게 나타내며, 이러한 차이는 PLC의 압축강도와 내구성 발현에 중요한 역할을 한다. 각 혼화재가 PLC에 미치는 영향은 단순한
혼입량보다는 각 재료가 가진 고유의 반응성과 알루미나 함량에 더 크게 좌우된다.
Class C 플라이애시 및 슬래그와 같이 알루미나가 풍부한 혼화재는 석회석과 강한 시너지를 보이며, 카보알루미네이트 상을 촉진시켜 강도 및 내구성을
개선하는 반면, 반응성이 낮은 Class F 플라이애시는 장기적인 강도 향상에는 유리하나, 초기 재령에서는 효과가 제한적이다.
Table 3. Effects of Supplementary Cementitious Materials (SCMs) on PLC Concrete
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SCM Type
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Main Mechanism
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Combined Effect with Limestone
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Strength & Durability Impact
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References
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Class F Fly Ash
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Pozzolanic reaction with CH (slow kinetics)
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Weak carboaluminate formation due to low Al2O3 |
Delayed strength gain; improved long-term permeability
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Garcia et al. (2019); Lee et al. (2019) |
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Class C Fly Ash
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High CaO & Al2O3 promote hydration
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Strong synergy; increased carboaluminate formation
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Enhanced early strength; possible autogenous shrinkage
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Garcia et al. (2019); Kurtis et al. (2017) |
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Ground Granulated Blast Furnace Slag (GGBFS)
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Latent hydraulic reaction forming C–S–H
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Strong chemical synergy with CaCO3; refined pore structure
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Improved chloride resistance and long-term strength
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Kim et al. (2020c); Lee et al. (2021) |
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Silica Fume
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Microfiller and pozzolanic effect
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Limited chemical reaction with CaCO3; enhances packing
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Increased density and tensile strength, but shrinkage-sensitive
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Dhir et al. (2007); Kurtis et al. (2017) |
4.2 석회석과 혼화재 간의 시너지 효과
석회석과 SCM 간의 시너지는 Table 4와 같이 주로 CaCO3와 SCM 내 알루미노실리케이트간의 화학 반응에 의해 발생한다. 이 반응은 카보알루미네이트 형성을 촉진하여 수화 생성물의 총 부피를 증가시키고, 공극률을
감소시켜 미세구조를 조밀하게 한다. 따라서 동일한 혼화재 함량이라도 석회석이 존재하면 내구성, 압축강도, 불투수성이 개선된다(Garcia et al., 2019; Lee et al., 2021). 이러한 시너지는 장기적으로 결합수의 증가 및 공극 구조 정제를 통해 내구성과 화학적 안정성을 향상시키지만, 초기 재령에서는 자기 수축 증가를 유발할
수 있다. 따라서 PLC-SCM 복합 시스템의 설계에서는 성능 향상과 수축 증가간의 공학적 상충관계를 정량적으로 제어해야 한다.
Table 4. Synergistic Effects between Limestone and SCMs
4.3 OPC 대비 PLC의 강도 발현 특성
PLC는 OPC와 비교할 때, 강도 발현 메커니즘에서 물리적⋅화학적 복합 작용이 더 뚜렷하게 나타난다. 충전 효과, 핵 생성 효과, 카보알루미네이트
형성 등의 요인이 동시에 작용하며, 적절한 분말도와 석회석 함량을 유지할 경우 Table 5와 같이 OPC와 동등하거나 우수한 압축강도, 인장강도 등을 확보할 수 있다.
PLC의 압축강도는 석회석 함량 15% 이하에서 OPC와 거의 동일하며, 분말도가 높을수록 초기 강도가 향상된다. 고분말도 Type IL 시멘트(AL,
DL, ELC 등)는 OPC 대비 초기 1일 강도가 10∼35% 높게 나타났으며 (Lee et al., 2021), 이는 미세 석회석 입자의 핵 생성 효과에 의한 수화 반응 가속의 결과로 해석된다.
Table 5. Comparison of Mechanical Properties between OPC and PLC
또한, 공정별 편차는 동일 규격의 시멘트 간 강도 차이보다 더 크게 작용할 수 있으며, 이는 시멘트의 분쇄 조건, 클링커 조성, 석회석 순도 등 미세한
제조 요소가 성능에 미치는 영향이 지배적임을 시사한다(Kurtis et al., 2017). 따라서 PLC의 품질 확보는 단순한 석회석 함량 조절뿐 아니라 제조 공정 및 품질관리가 병행되어야 한다.
4.4 동등한 강도 성능 달성을 위한 최적화 방안
4.4.1 분말도 최적화 (미세 분쇄 전략)
PLC는 OPC보다 높은 분말도를 유지해야 한다. 캐나다 현장 실험 결과에 따르면, OPC 대비 약 100∼120 ㎡/kg 이상의 분말도 향상이 동등한
성능을 확보하기 위한 기준으로 제시되었다(Thomas et al., 2010). 또한 Type IL 시멘트의 경우 D50 < 10 µm 또는 D90 < 30 µm 수준의 입도 분포 제어가 수화 반응 가속 및 초기 강도 향상에 유리하다고 보고되었다(Kurtis et al., 2017). 즉, 총 분말도뿐 아니라 클링커와 석회석 간 상대적 분말도 차이의 관리가 강도 발현의 핵심 요인이다.
4.4.2 물-결합재비 조정
석회석 비율이 증가하면 반응성 결합재(클링커) 비율이 낮아지므로, 동일 강도를 확보하기 위해서는 W/B를 낮추는 보정이 필요하다(Dhir et al., 2007). 경험적으로, 석회석 함량이 15%를 초과할 때마다 추가 10% 증가에 대해 W/B를 약 0.08 감소시키는 것이 제안된다.
그러나 PLC는 낮은 단위수량(Water demand)을 보이므로 작업성을 유지하면서도 낮은 W/B적용이 가능하다(Tsivilis et al., 1999). 따라서 설계 시에는 명목상 W/B가 같더라도 유효 반응성 결합재 기준의 유효 W/B(Effective W/B)가 달라질 수 있음을 반드시 고려해야
한다.
4.4.3 혼화재와의 전략적 조합
석회석은 알루미나(Al2O3)를 함유한 SCM과 결합할 때 카보알루미네이트 형성을 촉진하여, 수화 생성물의 조밀화, 장기 강도, 내구성 향상에 기여한다(Garcia et al., 2019). 특히 슬래그 및 Class C 플라이애시는 알루미나 공급원으로서 강한 시너지를 보이나, 초기 재령에서 화학적⋅자기 수축을 증가시켜 균열 발생 가능성을
높일 수 있다(Kurtis et al., 2017). 따라서 저수축이 요구되는 구조물(예: 프리스트레스트, 매스콘크리트)에서는 고용량 슬래그나 Class C 플라이애시의 병용을 제한하는 것이 바람직하다.
PLC의 성능 설계는 목표 성능(초기강도, 장기강도, 수축 저감, 내구성)에 따라 SCM 종류와 치환율을 달리하는 다중 목표 기반 최적화 전략이 필요하다.
4.4.4 성능 기반 사양의 중요성
PLC 성능은 석회석 함량⋅분말도⋅클링커 화학⋅SCM⋅양생의 상호작용에 지배되므로, 고정 함량 중심의 분말도(또는 PSD), 칼사이트 함량, 수축⋅강도⋅투수성
등 성능 지표를 직접 지정하는 성능 기반 사양이 요구된다(Kurtis et al., 2017). 이는 제조사가 현지 원료⋅공정에 맞춘 최적 조성을 구현하여 동일한 성능을 달성하도록 유도한다.
Table 6은 위 주요 변수(분말도, W/B, SCM, 사양)를 통합적으로 요약한 것으로, 각 전략별 조정 변수와 기대 효과를 통해 PLC가 OPC와 동등한
강도 성능을 달성하기 위한 구체적 지침을 제시한다.
Table 6. Optimization Strategies for Achieving Equivalent Strength Performance in PLC
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Optimization Factor
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Mechanism / Control Variable
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Expected Effect on Strength & Microstructure
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Remarks / Reference
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Fineness Adjustment
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Increase Blaine by 100–120 ㎡/kg; D50 < 10 µm
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Enhances hydration rate and early strength via nucleation effect
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Thomas et al. (2010); Kurtis et al. (2017) |
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Water–Binder Ratio Correction
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Reduce w/b by∼0.08/10% limestone increase
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Maintains equivalent compressive strength under reduced clinker reactivity
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Dhir et al. (2007); Tsivilis et al. (1999) |
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SCM Combination
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Use Al2O3-rich SCM (slag, Class C FA)
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Promotes carboaluminate formation; improves durability
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Garcia et al. (2019); Kurtis et al. (2017) |
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Performance-Based Specification
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Define fineness, CaCO3%, shrinkage, permeability targets
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Enables factory-level optimization and consistency
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Kurtis et al. (2017) |
4.5 연구 성과의 응용적 가치와 확산 가능성
수화 메커니즘 및 강도 발현 특성은 시멘트 제조 공정 최적화를 위한 과학적 근거를 제공한다. 예를 들어, 석회석을 15 % 치환한 Type IL 시멘트는
OPC 대비 약 10∼12 %의 CO2 배출 저감과 5∼8%의 분쇄 에너지 절감 효과를 기대할 수 있으며 (PCA, 2024), 이는 시멘트 제조 원가 절감으로 직접 이어진다. 이러한 결과는 시멘트 산업의 품질 관리 지침 마련에 기여할 수 있으며, 성능을 유지하면서도 친환경
제품군을 다변화하는 데 중요한 기술적 토대를 제공한다(Briki et al., 2021).
2050 탄소중립 로드맵｣ 및 국가 온실가스 감축 목표(NDC)와 밀접한 연계가 될 수 있다. 석회석 치환으로 인한 CO2저감 효과가 정량적으로 제시됨으로써, 관련 정책과 제도 수립을 위한 실증적 근거로 활용이 가능하다. 또한, 녹색건축물 인증제도(G-SEED), 환경성적표지(Environmental
Product Declaration, 이하 EPD) 등 국내외 친환경 인증제도와의 접목을 통해 저탄소 시멘트의 제도적 확산을 촉진할 수 있다(PCA, 2024).
수화 반응 및 미세구조 진화에 관한 분석 결과는 고성능⋅저탄소 콘크리트의 배합 설계 지침 수립에 직접적으로 활용될 수 있다. 또한 장기 재령에서 발생할
수 있는 강도 저하 문제를 완화하기 위한 내구성 향상 기술 개발에도 적용이 가능하다. 인공지능 및 기계학습 기반 강도 예측 모델 개발에 기여하여,
스마트 건설기술(예: 디지털 트윈 기반 품질 관리 시스템)과의 융합을 가능케 할 것이다(Wang et al., 2018).
결합재 및 혼합 시멘트에 관한 글로벌 데이터베이스를 확충하는 데 기여하며, ASTM C595, EN 197-1, ISO 등 국제 표준과의 비교⋅분석
연구를 촉진할 수 있다. 또한 국제 공동연구 활성화 및 시멘트 표준의 국제적 기여가 가능할 것으로 기대된다. 아울러 연구 결과는 대학 및 전문 교육
과정에서 학습 자료로 활용되어 차세대 친환경 건설재료 전문가 양성에 기여할 수 있다(Herget et al., 2025).
환경 보전과 사회적 가치 창출에도 기여할 수 있다. 시멘트 제조 과정에서의 온실가스 및 분진 배출 저감은 대기질 개선과 기후변화 완화에 직접적인 효과를
제공한다. 또한 저탄소 시멘트의 활용은 사회기반시설(SOC)의 안전성과 지속가능성을 높여 국민의 생활환경 개선에 효과적일 수 있다. 나아가 친환경
시멘트의 수출 확대를 통해 국내 시멘트 산업의 국제 경쟁력이 강화되며, 이는 국가 경제에도 긍정적인 파급효과를 가져올 것으로 전망된다.
석회석 혼합 시멘트의 강도 발현 메커니즘은 산업적⋅정책적⋅기술적 측면에서 실질적인 응용 가능성을 지닌다. 산업적으로는 클링커 사용 저감에 따른 제조
비용 절감 및 저탄소 제품 개발에도 적용할 수 있으며, 정책적으로는 ｢2050 탄소중립 로드맵｣과 녹색건축물 인증제도(G-SEED) 등과 연계되어
친환경 자재 확산을 촉진할 수 있다. 기술적으로는 수화 메커니즘 데이터를 활용한 배합 설계 지침 마련, 내구성 향상 방안 제시, 인공지능 기반 예측모델
개발 등 확장이 가능하다. 또한, 이러한 성과는 국제 표준과의 비교 연구, 학문적 데이터베이스 구축 및 교육 자료로 활용되어 학술 발전에도 응용할
수 있다.
결론적으로, PLC의 성능 최적화는 단일 변수의 조정이 아닌, 재료와 공정, 요구 성능을 종합적으로 고려하는 성능 기반의 통합적 접근이 필수적임을
알 수 있다.
5. 결론 및 미래 연구 방향
5.1 주요 연구 결과 요약
PLC는 OPC의 지속 가능한 대안으로서 Table 7에 나타낸 바와 같이 그 잠재력을 입증하고 있으며, 주요 연구 결과는 다음과 같다.
1. PLC는 클링커 사용량을 줄임으로써 이산화탄소(CO2) 배출량을 직접적으로 감소시키며, 이는 건설 산업의 탄소중립 목표 달성에 기여하고, 나아가 지속 가능한 발전 목표(SDGs) 실현에도 긍정적인 영향을
미친다. 또한, 석회석의 낮은 경도(Softness) 는 분쇄 에너지 요구량을 줄여 제조 공정의 에너지 효율성 향상에도 긍정적 영향을 미친다(Briki,
et al., 2021; PCA, 2024).
2. PLC의 강도 발현은 단순한 반응성 클링커 감소 효과(Dilution effect) 가 아닌, 물리적 및 화학적 메커니즘의 복합적 결과이다.
미세한 석회석 입자가 입자 충전 효과(Particle packing effect) 를 통해 공극률을 감소시키고, 수화 생성물의 핵 생성 부위로 작용하여
수화 반응을 촉진(Nucleation effect) 한다. 석회석의 탄산칼슘은 삼칼슘알루미네이트(C3A)와 반응하여 카보알루미네이트상(모노⋅헤미카보알루미네이트)을 형성하고, 이는 공극을 치밀하게 채워 강도를 향상시킨다. 또한, 모노설포알루미네이트
대신 모노카보알루미네이트의 형성을 유도하여 에트링자이트를 안정화시킴으로써 황산염 저항성 향상에 기여하며, 이러한 결과는 석회석이 단순한 불활성 충전재가
아니라, 화학적 반응에 관여하는 활성 구성 성분임을 명확히 보여준다(Hooton et al., 2007; Lothenbach et al., 2008).
3. PLC의 강도 발현에 영향을 미치는 주요 변수는 분말도, 석회석 함량, 클링커의 품질 및 화학 조성, 물-결합재비(W/B), 그리고 양생 조건이다.
특히 높은 분말도와 적절한 석회석 함량은 핵 생성과 충전 효과의 균형을 최적화하여 초기 강도 향상에 기여한다. 또한, 입자 크기 분포(PSD) 와
레이저 회절 분석은 전통적인 분말도 보다 PLC의 실제 수화 반응 및 성능을 정량적으로 예측하는 데 더 유용한 분석 수단으로 확인되었다(Kurtis et al., 2017; Tsivilis et al., 1999).
Table 7. Representative Compressive Strength Comparison of OPC and PLC Concrete
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Cement Type
|
Limestone Content (%)
|
Fineness (m2/kg)
|
w/b
|
1-D Strength (MPa)
|
28-D Strength (MPa)
|
1-Y Strength (MPa)
|
Reference
|
|
OPC (PC)
|
0
|
345-362
|
0.65-0.70
|
14.1-16.8
|
48.6-49.4
|
-
|
Alunno Rossetti & Curcio, (1997) |
|
PLC(LB/LG)
|
20
|
482.5-489.5
|
0.65-0.70
|
15.2-16.0
|
45.9-46.5
|
-
|
|
OPC (C1)
|
0
|
2830-3710
|
-
|
11.4-19.0
|
50.2-58.2
|
-
|
Tsivilis et al., (1999) |
|
PLC(C1L1)
|
5
|
3040-4000
|
-
|
11.8-18.0
|
52.3-56.2
|
-
|
|
PLC(C1L1)
|
10
|
3320-4410
|
-
|
11.4-15.0
|
49.5-55.0
|
-
|
|
PLC(C1L1)
|
20
|
3990-4830
|
-
|
10.9-13.2
|
44.6-46.6
|
-
|
|
Type I/II
|
0
|
-
|
0.445
|
-
|
34.5-49.0
|
45.0-55.0
|
Kurtis et al.,(2017) |
|
Type IL
|
6-15
|
-
|
0.445
|
-
|
34.5-49.0
|
45.0-55.0
|
|
PLC(AL)
|
6-15
|
Fine
|
0.40-0.45
|
10-35% higher
|
Similar or higher
|
Max. 20% higher
|
|
PLC(CL)
|
6-15
|
Coarse
|
0.40-0.45
|
Similar or lower
|
Similar or lower
|
Similar or higher
|
|
PC
|
0
|
-
|
0.40
|
-
|
about 55
|
-
|
Garcia et al.,(2019) |
|
PLC
|
12
|
-
|
0.40
|
-
|
about 50
|
-
|
|
PC
|
0
|
381
|
0.60
|
-
|
31.9-63.5
|
-
|
Dhir et al., (2007) |
|
PLC
|
15
|
366
|
0.60
|
-
|
27.3-45.0
|
-
|
|
PLC
|
25
|
380
|
0.62
|
-
|
26.5-34.7
|
-
|
|
PLC
|
35
|
530
|
0.62
|
-
|
26.6-28.5
|
-
|
|
PLC
|
45
|
-
|
0.60
|
-
|
14.1-26.9
|
-
|
4. SCM는 PLC의 강도 및 내구성 향상에 핵심적인 역할을 수행한다. 특히 석회석과 SCM 간의 화학적 시너지는 알루미나 성분이 풍부한 SCM(Class
C 플라이애시, 슬래그 등)과의 반응을 통해 카보알루미네이트형성을 촉진하고, 결과적으로 공극 구조를 조밀화하여 강도 발현 및 내구성을 개선한다(Garcia et al., 2019). 그러나 이러한 시너지는 초기 화학적 및 자기 수축 증가, 수화열 상승 등 부정적 영향을 수반할 수 있으므로, 배합 설계 시 SCM의 종류⋅치환율⋅양생
조건을 종합적으로 고려한 최적화 전략이 필요하다(Kurtis et al., 2017). 이와 같은 시너지 효과의 규명은 효율적인 결합재 시스템 설계의 핵심이며, PLC가 단순한 저탄소 대체재를 넘어 성능 중심의 복합 재료체계로 진화할
수 있음을 시사한다.
5. 적절한 분말도 조절, 물-결합재비(W/B) 조정, 그리고 SCM의 전략적 병용을 통해 PLC는 OPC와 동등하거나 더 우수한 강도 및 내구 성능을
달성할 수 있다(Dhir et al., 2007; Thomas et al., 2010). 이러한 성능 향상은 단순히 구성비를 조정하는 수준을 넘어, 분말도–입자 크기 분포(PSD)–화학 반응성–양생 조건의 복합 상호작용을 체계적으로
반영하는 설계가 필요함을 보여준다. 따라서 향후 PLC의 적용 확산을 위해서는 규범적 구성 제한 중심에서 벗어나, 목표 성능을 기준으로 한 성능 기반으로의
전환이 필수적이다. 이러한 접근은 다양한 재료 조합과 시멘트 공정 조건 하에서도 예측 가능한 품질과 구조적 신뢰성을 확보할 수 있는 합리적 방향성을
제시한다(Kurtis et al., 2017; PCA, 2024).
5.2. 포틀랜드 석회석 시멘트 기술의 현재 동향 및 미래 전망
PLC는 탄소중립 실현과 자원 순환형 건설을 위한 핵심 결합재로 자리 잡고 있으며, 국내외에서 관련 연구 및 제도적 기반이 빠르게 발전하고 있다.
1. 국내 연구에서는 석회석 혼입률 변화에 따른 물리⋅화학적 반응 메커니즘과 강도 발현 특성을 규명하기 위한 실험적 접근이 활발히 이루어지고 있으며,
석회석을 10∼15% 혼입한 콘크리트가 OPC와 유사한 압축강도 및 내구성을 보인다(Bang et al., 2015). 이는 석회석이 단순한 희석재가 아니라, 수화 반응에 적극적으로 기여하는 기능성 재료임을 실험적으로 입증한 것이다. PLC의 입도 분포와 미세구조
변화가 초기 수화 반응 속도에 영향을 미치며, 미세 석회석의 존재가 수화 반응을 촉진하여 초기 강도 발현을 가속화한다고 분석하였다(Shin et al.,
2021). 석회석 치환율이 증가할수록 XRD 분석에서 모노카보네이트 피크가 뚜렷해지는 현상을 관찰하였으며, 이는 석회석의 화학적 반응성이 수화물
상 전이에 직접적인 영향을 미친다는 것을 의미한다(Lee et al., 2022).
2. 국토교통부와 산업통상자원부는 ｢2050 탄소중립 로드맵｣을 기반으로 시멘트 산업의 클링커 대체율 확대를 주요 전략으로 추진하고 있으며(MoE, 2021), KS L 5201(포틀랜드 시멘트) 및 KS L 5210(혼합 시멘트)의 개정 방향을 제시하고, 석회석 혼입 한도를 현행 5%에서 15%로 상향하고
성능 기반 품질평가체계로 전환할 필요성을 제안하였다(Kang et al., 2024). 이러한 변화는 단순한 규범적 한계치를 설정하는 접근에서 벗어나, 강도 및 내구성의 동등성을 입증하는 시험 기반 접근으로 변화하고 있다(Kurtis et al., 2017).
3. 해외에서는 ASTM C595 Type IL, EN 197-5 등 개정 규격을 통해 15∼35% 수준의 석회석 혼입이 일반화되고 있어, 석회석과
SCM의 복합 효과가 미세구조 개선과 장기 내구성 향상을 기대할 수 있다(Garcia et al., 2019). 또한, PLC와 SCM(플라이애시, 슬래그)을 결합한 삼원 시스템이 동일한 강도 성능을 유지하면서 탄소배출량을 40% 이상 저감할 수 있다(Thomas et al., 2010).
이처럼 국내외 연구 동향은 점차 다성분 혼합체계로 확장되고 있다. 이러한 흐름 속에서 향후 PLC는 단순한 저탄소 대체재를 넘어 AI 기반 배합설계,
열역학 모델링, 디지털 트윈 품질관리 등과 융합되는 고성능 결합재로 발전할 것으로 전망된다(Wang et al., 2018).
5.3. 추가 연구가 필요한 분야
상당한 진전에도 불구하고, PLC 및 PLC-SCM 시스템의 복잡성으로 인해 특히 장기적인 거동과 특정 적용을 위한 특성 정밀 조정에 대한 중요한
지식 격차가 여전히 존재한다.
1. 공격적인 환경(황산염 공격, 탄산화)에서 15∼20%를 초과하는 높은 석회석 함량이 장기 내구성에 미치는 영향(implication) 에 대한
추가 연구가 필요하다.(Garcia et al., 2019; Kurtis et al., 2017; Hooton & Thomas, 2016). 석회석 20% 혼입 콘크리트의 장기 탄산화 깊이가 OPC 대비 15∼25% 증가하는 경향을 보고하였으며, 이는 미세공극 연결성과 수화 생성물 조성의
변화를 반영하는 결과로 분석하였다(Park et al., 2022).
2. 석회석 함량 증가에 따른 미세구조 발달 및 공극 연결성의 정량적 해석이 필요하다. XRD 및 SEM 분석을 통해 석회석 치환율이 높을수록 모노카보네이트
상이 증가하나, 미세공극이 불균일하게 분포할 가능성을 지적하였다(Lee et al., 2022). 향후 Micro-CT 분석을 통해 3차원 공극 네트워크의 연결성(Tortuosity)을 정량화하고, 이를 염화물 확산 계수와 연계하는 모델링 연구가
병행되어야 한다(Garcia et al., 2019).
3. PLC와 SCM의 복합 시스템에서 강도, 수축, 내구성의 균형을 확보하기 위한 최적 SCM 사용량 설정이 요구된다. SCM의 알루미나 공급량은
카보알루미네이트 형성 반응에 긍정적이지만, 과량 사용 시 수축 증가 및 균열 발생 가능성이 있으며(Kurtis et al., 2017), 플라이애시 20% + 석회석 15% 조합이 내구성과 경제성 측면에서 가장 안정적인 성능을 보인다고 제안하였다(Kim et al., 2023).
4. 초기 수축 완화를 위한 분말도 상한: 낮은 물-결합재비 PLC에서 초기 수축을 완화하기 위한 분말도 상한에 대한 추가 연구가 필요하며(Kurtis et al., 2017), 이는 균열 발생 가능성을 줄이는 데 기여할 것이다.
5. PLC 및 PLC-SCM 혼합물에 대한 혼화제(감수제, 공기연행제 등)의 반응성 연구가 미흡하다. 석회석의 표면 전하 특성이 혼화제의 흡착 거동에
영향을 미칠 수 있으며, 이는 슬럼프 유지성 및 초기 수화속도에 변화를 초래할 수 있다(Hooton & Thomas, 2016). 실제 국내 시멘트 공정에 적용 가능한 혼화제–PLC 상호작용 모델 구축이 필요하다.
6. 다양한 온도, 습도 및 양생 환경에서의 PLC 및 PLC-SCM 콘크리트의 거동 차이에 대한 현장 기반 연구가 요구된다. 즉, 실험실 환경과
실제 구조물 환경 간의 성능 편차를 검증하기 위한 장기 현장 노출 시험이 필요하며, 이를 기반으로 실증적 설계 기준을 마련해야 한다(Kurtis et al., 2017).