Silica fume as an industrial by-product modifier for reducing quicklime demand in earthen building materials: mechanical, microstructural and carbon-performance assessment

기술 요약: 생석분 감소형 흙 재료의 개질제로서 실리카 흄(Silica Fume)

문제 제기
흙 기반 건축 재료는 낮은 내재 에너지와 현지 가용 토양의 활용 등 상당한 생태적 이점을 제공한다. 그러나 이러한 재료의 광범위한 공학적 적용은 불충분한 기계적 성능과 매트릭스 안정성으로 인해 저해되고 있다. 생석분(Quicklime)은 입자 결합과 매트릭스 응집을 향상시키는 일반적인 안정제로 사용되지만, 그 생산 과정에는 고온의 소성 과정이 수반되며 이와 관련된 탄소 배출이 발생한다. 또한, 단순히 생석분 투입량을 늘리는 것이 반드시 비례적인 성능 향상을 보장하지는 않으며, 혼합물의 작업성과 경제성에 부정적인 영향을 미칠 수 있다. 따라서 재료의 성능을 유지하거나 개선하면서도 생석분 수요를 줄여야 할 필요가 있다. 실리카 흄은 충전 효과(filling effects)와 칼슘이 풍부한 시스템에서의 반응성으로 잘 알려져 있으나, 흙 재료에서 생석분의 부분적 대체재로서 갖는 구체적인 역할, 특히 신선 상태(fresh-state)의 거동, 미세구조 및 탄소 성능에 미치는 결합된 효과에 대해서는 아직 연구가 부족한 실정이다.

연구 방법론
본 연구는 실리카 흄을 생석분의 부분적 대체재로 사용하는 것을 조사하기 위해 통제된 치환 설계를 채택하였다. 다섯 가지 혼합물 그룹(S0–S4)은 로스(loess), 모래, 짚 섬유, 그리고 알긴산 나트륨을 일정한 성분으로 사용하여 제조되었다. 변수 성분은 결합재 분율이었으며, 실리카 흄이 생석분을 점진적으로 대체하였다:

• S0: 기준 혼합물 (실리카 흄 0%, 생석분 31.5부).
• S1–S4: 증가하는 실리카 흄 치환 수준 (각각 1.5, 3.1, 4.7, 6.3부), 이는 생석분-실리카 흄 결합재 분율 내에서 4.8%, 9.8%, 14.9%, 20.0%의 치환율에 해당한다.

실험 평가는 다음을 포함하였다:

1. 신선 상태 거동: 작업성과 형상 유지력을 평가하기 위한 미니 슬럼프 및 유동성 테스트 (ASTM C230/C230M-20).
2. 기계적 성능: 70.7 mm 입방체 시편에 대한 28일 압축 강도 테스트 (JGJ/T 70).
3. 미세구조 분석: 상(phase) 식별을 위한 X선 회절법(XRD), 형태학적 분석을 위한 주사 전자 현미경(SEM), 그리고 국부적 원소 조성(Ca–Si–Al 균형)을 위한 에너지 분산형 분광법(EDS).
4. 탄소 성능: cradle-to-gate 경계를 기준으로 계산된 단순화된 결합재 관련 탄소 평가. 여기에는 실리카 흄을 추가적인 공정 부담이 없는 이차 물질로 간주하는 기준 시나리오 하에서의 생석분 절감 비율, 강도 정규화 탄소 집약도, 그리고 에코 효율 지수가 포함되었다.

주요 결과

• 신선 상태 거동: 실리카 흄 함량이 증가함에 따라 슬럼프와 유동성이 점진적으로 감소하였다 (예: 확산 직경이 S0의 113.03 mm에서 S4의 105.45 mm로 감소). 유동성은 감소했으나 형상 유지 능력은 향상되었는데, 이는 응집력이 증가하고 자중하에서의 변형이 감소했음을 나타낸다.
• 압축 강도: 저~중도 치환 수준은 기계적 성능을 향상시켰다. S1은 기준인 S0(1.094 MPa) 대비 9.6% 향상된 최고 강도(1.199 MPa)를 달성했다. S2 역시 7.1% 향상된 1.172 MPa를 기록했다. 반면, 높은 치환 수준(S3 및 S4)에서는 강도가 크게 감소하였는데(S0 대비 각각 약 19% 및 18% 감소), 이는 충전, 작업성 및 안정화 사이의 균형이 무너졌기 때문으로 분석된다.
• 미세구조 특성:
  • XRD: 새로운 결정상이 검출되지 않았으며, 주요 상(석영, 방해석, 점토 광물)은 모든 그룹에서 일관되게 나타났다.
  • SEM: 저~중도 치환(S1, S2)은 조립질 입자 사이의 공극을 채움으로써 입자 패킹과 매트릭스의 치밀도를 개선했다. 고치환(S3, S4)은 불균질한 특징, 국부적 응집 및 불연속적 접촉을 초래했다.
  • EDS: 원소 분석 결과 국부적인 Ca/(Si+Al) 비율이 비선형적으로 변화함을 확인했다. 높은 국부 칼슘 함량(예: S3)이 강도 향상과 상관관계를 보이지 않았는데, 이는 기계적 성능이 칼슘 함량 자체보다는 칼슘 가용성, 실리카가 풍한 충전, 그리고 매트릭스의 균질성이 결합된 효과에 의존함을 시사한다.
• 탄소 성능: 실리카 흄 치환은 생석분 수요를 줄였으나(S4에서 최대 20%), 최적의 강도-탄소 균형은 낮은 치환 수준에서 달성되었다. S1과 S2는 생석분 감소와 압축 강도의 유지 또는 개선을 결합함으로써 가장 낮은 강도 정규화 탄소 집약도와 가장 높은 에코 효율 지수를 나타냈다. S3와 S4는 생석분 절감량은 더 컸음에도 불구하고, 기계적 성능의 저하로 인해 전반적인 에코 효율성이 감소하였다.

주요 기여 및 의의
본 논문은 실리카 흄이 흙 재료에서 생석량의 직접적인 고용량 대체재라기보다 효과적인 보조 개질제로 기능한다는 점을 입증하였다. 연구는 건조 재료 100부당 1.53.1부의 실리카 흄(결합재 분율의 약 4.8%9.8%)이라는 적정 치환 범위를 제시하였다. 이 범위 내에서 실리카 흄은 기계적 무결성을 해치지 않으면서 매트릭스의 치밀도를 개선하고 생석분 수요를 줄인다.

본 연구의 의의는 기계적 성능과 환경적 성능을 결합하여 평가했다는 점에 있다. 저자들은 치환량을 극대화하는 것이 반드시 최선의 지속 가능성 결과를 낳는 것은 아니며, 대신 미세 충전(micro-filling), 석회 안정화, 그리고 작업성 사이의 최적의 균형이 필요함을 보여준다. 강도 정규화 탄소 지표를 도입함으로써, 본 연구는 내재 탄소 저감과 공학적 성능을 모두 고려한 흙 재료 개질 평가 프레임워크를 제공한다. 연구 결과는 지속 가능한 흙 재료 설계가 단순히 산업 부산물의 사용량을 극대화하는 전략보다 균형 잡힌 치환 전략을 우선시해야 함을 시사한다.

한계점
저자들은 탄소 평가가 결합재 분율에만 집중되어 운송, 건설 및 폐기 단계를 제외한 단순화된 방식임을 언급하였다. 또한, 내수성 및 건습 반복 거동과 같은 장기 내구성 지표는 평가되지 않았다. 본 결과는 종합적인 전과정 평가(LCA)나 내구성 평가라기보다는 스크리닝 수준의 실험적 근거로 제시되었다.