Utilization of Electric Arc Furnace (EAF) Slag in Concrete as Coarse Aggregate: A Case Study in Bangladesh

거대한 레고 탑을 쌓는다고 상상해 보세요. 하지만 일반적인 플라스틱 브릭 대신, 철강 공장 뒷마당에서 발견한 무겁고 울퉁불퉁한 돌들을 섞어서 사용하기로 했습니다. 이것이 바로 방글라데시에서 진행된 이 연구가 한 일입니다. 다만 일반적인 브릭 대신 콘크리트와 **전기로 슬래그(EAF slag)**라고 불리는 부산물을 사용했을 뿐이죠.

방글라데시의 활기찬 철강 시장에서는 철을 만드는 과정에서 슬래그라고 불리는 암석 형태의 찌꺼기가 산더nd처럼 쌓입니다. 보통 이 슬래그는 그냥 방치되거나 버려집니다. 하지만 방글라데시 공과대학교(BUET)의 연구진은 호기심 어린 질문을 던졌습니다. 이 산업 폐기물을 잘게 부수어 콘크리트의 '뼈대'(굵은 골재)로 사용하면 어떻게 될까?

연구 결과는 다음과 같습니다. 어려운 전문 용어 없이 설명해 드리겠습니다.

"헤비급" 교체

천연 자갈(콘크리트의 일반적인 재료)을 가볍고 매끄러운 조약돌이라고 생각한다면, 테스트에 사용된 EAF 슬래그는 밀도가 높고 거친 철분이 풍부한 바위와 같습니다. 이 슬래그는 일반 돌보다 약 20% 더 무겁습니다. 이 추가적인 무게 덕분에, 이 슬래그로 만든 콘크리트는 매우 견고한 구조물이 필요한 곳에 적합한 "중량 콘크리트"가 됩니다.

하지만 과연 제대로 결합할 수 있을까요? 연구진은 실험실에서 일반 돌을 슬래그로 다양한 비율(0%, 25%, 50%, 75%, 100%)로 대체하며 콘크리트를 배합했습니다. 슬래그가 무엇을 변화시키는지 확인하기 위해 모든 배합의 "레시피"(물과 시멘트 비율)는 동일하게 유지했습니다.

강도의 놀라움

산업 폐기물을 섞으면 마치 케이크 반죽에 모래를 넣는 것처럼 콘크리트가 약해질 것이라고 생각할 수도 있습니다. 하지만 정반대의 결과가 나타났습니다!

연구 결과, 슬래그를 더 많이 넣을수록 콘크리트는 더 강해졌습니다.

• 대조군(슬래그 0%)의 28일 강도는 약 4,399 psi였습니다.
• 75% 슬래그를 섞은 배합은 최고의 성적을 냈는데, 최고 강도 5,850 psi를 기록했습니다. 이는 일반 제품보다 8% 향상된 수치입니다!
• 심지어 천연 돌을 전혀 쓰지 않고 100% 슬래그만 사용한 배합도 5,704 psi에 도달하며 아주 단단한 모습을 보여주었습니다.

왜 그럴까요? 연구진이 강력한 현미경으로 슬래그를 관찰한 결과, 슬래그는 마치 산호초처럼 거칠고 구멍이 많은(다공성) 구조였습니다. 이 거친 표면이 미세한 갈고리 역할을 하여 시멘트 페이스트를 꽉 붙잡아준 것입니다. 이는 매끄러운 구슬을 쌓아 올리는 것(구슬은 서로 굴러 떨어짐)과 벨크로(찍찍이)가 붙은 블록을 쌓는 것의 차이와 같습니다. 또한, 슬래그에 포함된 **라르나이트(larnite)**와 같은 특수한 광물들이 시간이 지남에 따라 시멘트가 더 단단하게 굳도록 돕는 것으로 보입니다.

"스펀지" 효과와 작업성

한 가지 작은 문제가 있었습니다. 슬래그 돌들은 거칠고 미세한 구멍이 많아서 마치 작은 스펀지처럼 작용합니다. 연구진이 슬래그를 더 많이 넣을수록, 갓 만든 콘크리트는 약간 더 "목이 마른" 상태가 되어 흐름성이 떨어졌습니다(슬럼프 값 감소).

• 25% 대체 시에는 돌들이 서로 잘 맞물려 들어갔기 때문인지, 콘크리트가 오히려 조금 더 잘 흘렀습니다.
• 하지만 100% 대체 시에는 혼합물이 끈적거리고 붓기가 어려워졌지만, 여ผล 건설 작업이 가능한 수준의 작업성은 유지되었습니다.

슬래그 자체의 수분 흡수 성향에도 불구하고, 최종 콘크리트는 전체적으로 물을 덜 흡수했습니다. 어떻게 가능했을까요? 거친 돌들이 서로 너무 촘촘하게 맞물려 있어서 물이 스며들 틈을 거의 남기지 않았기 때문입니다. 이는 불규칙한 모양의 옷들을 여행 가방에 꽉 채워 넣는 것과 같습니다. 제대로 채우면 비가 새어 들어올 빈 공간이 줄어드는 것과 같은 원리입니다.

내구성 테스트: 소금과 물

콘크리트는 내부의 철근이 녹슬지 않도록 염수(바닷가 근처 등)에서도 잘 견뎌야 합니다. 연구팀은 염화물(소금기)이 콘크리트를 얼마나 침투할 수 있는지 테스트했습니다.

• 50% 슬래그까지는 콘크리트가 요새처럼 작동하여, 대조군보다 염화물 침투를 더 잘 차단했습니다.
• 100% 슬래그의 경우, 높은 철 함량이 내부의 미세한 구멍 구조를 변화시켜 침투율이 약간 높아졌습니다(대조군 대비 약 18% 증가). 하지만 논문에서는 이것이 건축 구조물에 사용하기에 여전히 허용 가능한 범위 내에 있다고 명시했습니다. 실패한 것이 아니라, 아주 작은 트레이드오프(절충)가 있었던 것입니다.

검증된 안전성

연구진은 이 "쓰레기"가 나중에 폭발하거나 부풀어 오르는 문제(일부 산업 부산물에서 흔히 발생하는 문제)가 없는지 매우 주의 깊게 확인했습니다. 화학적 성분을 분석한 결과, 위험하고 불안정한 성분(유리 석회 및 마그네시아)은 낮은 수준이었으며, 사용 전 슬래그를 야외에서 60일 동안 노출시켜 안정화했음을 확인했습니다. 따라서 이 콘크리트가 시간이 지나면서 스스로 균열을 일으킬 것이라는 우려는 불식되었습니다.

결론

이 논문은 이것이 전 세계의 콘크리트 문제를 해결할 마법의 치료제라고 주장하는 것은 아닙니다. 하지만 방글라데시에서 이 특정 종류의 슬래그가 안전하고, 강하며, 친환경적인 대안임을 강력하게 시사합니다.

엔지니어들은 천연 석재를 얻기 위해 더 많은 언덕을 깎아내는 대신, 이 무겁고 거칠며 철분이 풍부한 슬래그를 사용할 수 있습니다. 연구는 강도, 내구성, 그리고 작업성의 가장 좋은 균형을 맞추기 위해 50%에서 75% 사이의 대체율을 사용할 것을 권장합니다. 이는 산업 폐기물을 초강력 건축 자재로 탈바꿈시킴으로써, 때로는 어제의 잔해가 미래를 위한 가장 단단한 기초가 될 수 있음을 증명합니다.