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Experimental Investigation of the Temperature-Dependent Mechanical Properties of Sulfur Mortars with Different Binder Compositions

본 연구는 황 함량을 높이는 것이 고온에서 황 기반 모르타르의 기계적 성능을 향상시키는 반면, 비투멘(bitumen)의 첨가는 연성을 개선함에도 불구하고 강도를 크게 감소시켜 권장 안전 사용 온도 제한을 약 75°C로 설정하게 된다는 것을 실험적으로 입증한다.

원저자: Sayed Nematullah Sadat, Ömer Faruk Balalan, Ahmet Özbayrak

게시일 2026-07-07

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CC BY 4.0

원저자: Sayed Nematullah Sadat, Ömer Faruk Balalan, Ahmet Özbayrak

원본 논문은 CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/) 라이선스로 제공됩니다. ✨ 이것은 아래 논문에 대한 AI 생성 설명입니다. 저자가 작성하거나 승인한 것이 아닙니다. 기술적 정확성을 위해서는 원본 논문을 참조하세요. 전체 면책 조항 읽기

당신이 아주 특별하고 독특한 재료인 용융 유황으로 집을 짓고 있다고 상상해 보세요.

보통 우리가 콘크리트로 집을 지을 때는 모래와 시멘트, 그리고 물을 섞습니다. 하지만 유황은 다릅니다. 유황은 석유와 가스를 정제하는 과정에서 나오는 부산물이며, 물 대신 이를 녹여서 모래와 섞어 "무수(waterless)" 건축 블록을 만듭니다. 이 재료는 매우 강력하며 산성 물질에도 슈퍼히어로처럼 잘 견디고, 놀라울 정도로 빠르게 굳습니다.

하지만 함정이 하나 있습니다. 유황은 온도에 따라 기분이 변하는 '무드 링(mood ring)' 같습니다. 온도가 낮으면 딱딱하고 부서지기 쉬워지지만, 온도가 높아지면 부드럽고 말랑말랑해집니다.

이 연구 논문은 이 유황-모래 혼합물에 대한 스트레스 테스트와 같습니다. 과학자들은 두 가지 주요 질문에 답하고자 했습니다.

온도가 이 재료의 강도에 어떤 변화를 주는가? (온도가 높아질수록 더 강해질까요, 아니면 약해질까요?)
"도로 타르"(비투멘)를 약간 넣는 것이 도움이 될까요, 아니면 해가 될까요? (비투멘을 딱딱한 반죽에 버터를 넣어 유연하게 만드는 플라스티사이저나 연화제라고 생각해 보세요.)

연구 결과는 다음과 같이 쉽게 정리되어 있습니다.

1. 온도의 롤러코스터

연구진은 영하 -10°C(겨울날 같은 추위)부터 섭씨 100°C(뜨거운 여름날이나 끓는 냄비 같은 열기)까지 다섯 가지 다른 온도에서 재료를 테스트했습니다.

추위의 습격 (-10°C): 재료가 매우 단단했습니다. 흥미롭게도, 추운 날씨에는 유황이 적게 들어간 혼합물(30%)이 유황이 더 많이 들어간 것(40%)보다 더 강했습니다.
"스윗 스팟" (75°C): 이 부분이 가장 놀라운 부분입니다. 보통 물체는 뜨거워질수록 약해지기 마련입니다. 하지만 유황 함량이 더 높은(40%) 혼합물은 비투멘이 없을 때, 온도가 75°C까지 올라가면서 오히려 더 강해졌습니다. 마치 고무줄이 갑자기 더 팽팽하게 조여지는 것과 같았습니다. 과학자들은 이를 "이례적인 강도 증가(anomalous strength increase)"라고 부릅니다.
녹는점 (100°C): 온도가 100°C에 도달하자 파티는 끝났습니다. 유황이 눈에 띄게 부드러워지기 시작한 것입니다(유황은 약 115°C에서 녹습니다). 이 시점에서 재료는 강성을 잃었습니다. 마치 따뜻한 버터로 벽을 쌓으려는 것과 같았습니다.

2. 비투멘 실험 (The "Butter" Test)

과학자들은 비투멘(도로 포장에 쓰이는 끈적한 검은 물질)을 1.5% 첨가하여, 이것이 유황을 덜 부서지게 하고 더 유연하게 만드는지 확인했습니다.

결과: 비투멘은 재료를 훨씬 더 약하게 만들었지만, 조금 더 잘 늘어나게 만들었습니다.
트레이드오프(절충안): 초콜릿 바를 상상해 보세요. 일반 유황 바는 딱딱하고 깔끔하게 부러집니다. 비투멘이 들어간 바는 더 부드럽고 부러지기 전에 약간 휘어지지만, 훨씬 적은 무게에서도 부러집니다.
수치: 비투멘을 추가하면 강도가 대폭 감소했습니다.
- 굽힘 강도(Bending Strength): 67%에서 82% 감소했습니다.
- 압축 강도(Compressive Strength): 28%에서 67% 감소했습니다.
  결과적으로, 비투멘은 유황의 강력한 결정 구조를 방해하는 "약한 고리" 역할을 했습니다.

3. 하중 vs 굽힘 (연성)

연구진은 재료가 부서지기 전까지 얼마나 휘어지는지(변형량)도 살펴보았습니다.

비투멘이 없을 때: 재료는 매우 강하지만 **취성(부서지기 쉬운 성질)**이 있었습니다. 부서질 때는 마른 나뭇가지처럼 갑자기 툭 끊어졌습니다.
비투멘이 있을 때: 재료는 더 약해졌지만, 부서지기 전까지 더 많이 휘어졌습니다. 즉, 더 "연성(ductile)"이 있었습니다. 마치 테피(taffy) 조각처럼 말이죠.
함정: 휘어지는 능력이 보통 좋은 것이긴 하지만, 비투멘은 재료를 너무 약하게 만들어 처음부터 큰 무게를 견딜 수 없게 만들었습니다. 또한, 온도가 변함에 따라 그 거동이 예측 불가능해졌습니다.

핵심 요약

만약 무거운 무게를 견뎌야 하는 무언가를 짓기 위해 이 유황-모래 재료를 사용하고 싶다면:

비투멘을 넣지 마세요. 비투멘은 재료를 약간 더 유연하게 만들기는 하지만, 너무 약하게 만듭니다.
유황을 더 많이 사용하세요 (40%). 이는 특히 따뜻한 환경에서 더 강한 재료를 만듭니다.
온도를 주의하세요. 이 재료는 50°C에서 75°C 사이에서 가장 안정적이고 강합니다. 만약 너무 뜨거워지면(100°C), 강도를 잃습니다. 만약 얼어붙을 정도로 춥다면 괜찮지만, 그 경우에는 30% 유황 혼합물이 더 낫습니다.

요약하자면: 이 연구는 유황 모르타르가 유망하고 친환경적인 건축 재료이긴 하지만, 열에 매우 민새하다는 것을 보여줍니다. 더 "질기게" 만들기 위해 비투멘을 추가하는 것은 오히려 재료를 너무 약하게 만들어 중량물 작업에는 부적합하게 만듭니다. 가장 좋은 레시피는 비투멘 없이 유황 함량을 높인 혼합물을 사용하는 것이며, 온도가 75°C 미만으로 유지되는 환경에서 사용하는 것입니다.

기술 요약: 서로 다른 결합제 조성을 가진 유황 모르타르의 온도 의존적 기계적 특성에 관한 실험적 연구

문제 제기
건설 산업은 보통 포틀랜드 시멘트(OPC)와 관련된 높은 에너지 소비 및 탄소 배출로 인해 심각한 환경적 과제에 직면해 있다. 동시에, 에너지 부문에서는 탈황 과정의 부산물로서 방대한 양의 원소 유황을 생성하며, 이는 폐기물 관리 문제를 야기한다. 유황 기반 모르타르(SBM)는 용융 유황을 결합제로 사용하여 "무수 콘크리트"를 만드는 지속 가능한 대안을 제공하며, 빠른 강도 발현과 높은 화학적 저항성을 특징으로 한다. 그러나 유황 기반 복합체의 결정적인 한계는 열가소성 성질이다. 즉, 온도가 상승함에 따라 결합제가 연화되어 강성(stiffness)과 기계적 강도가 감소한다. 유황의 연화점(약 88–93°C)은 알려져 있으나, 비투멘(bitumen)과 같은 첨가제 및 유황 함량의 변화에 따른 SBM의 구체적인 기계적 거동은 여전히 충분히 규명되지 않았다. 본 연구는 공학적 응용 분야에서의 신뢰성을 확보하기 위해 SBM의 열-기계적 성능을 이해해야 할 필요성을 다룬다.

연구 방법
본 연구는 -10°C에서 100°C 사이의 온도 범위에서 SBM의 기계적 특성을 실험적으로 조사하였다. 실험 설계는 다음과 같다:

재료: $\alpha$ -유황(결합제), 강사(0–4 mm), Class F 플라이 애쉬(광물 첨가제), B50/70 비투멘(개질제).
배합 설계: 두 가지 유황 함량(모래 질량의 30% 및 40%)과 일정한 플라이 애쉬 함량(모래 질량의 15%)을 사용하여 모르타르를 제조하였다. 개질 혼합물의 경우 비투멘을 모래 질량의 1.5%만큼 첨가하였다.
시편: 굴곡 시험을 위해 60개의 각주형 시편(40 × 40 × 160 mm)을 제작하였으며, 이에 대응하는 절반 크기의 시편들을 압축 시험에 사용하였다.
시험 조건: 샘플들은 다섯 가지 특정 온도(-10°C, 25°C, 50°C, 75°C, 100°C)에서 테스트되었다.
절차: 굴곡 강도는 3점 휨 시험(TS EN 196-1)을 통해 결정되었으며, 압축 강도는 그 결과물인 절반 시편을 통해 테스트되었다. 하중-변위 거동 또한 연성 및 취성을 평가하기 위해 분석되었다.

주요 결과
실험 결과는 온도, 유황 함량, 그리고 비투멘 개질 사이의 복잡한 상호작용을 드러냈다:

비투멘의 효과: 1.5%의 비투멘 첨가는 모든 온도에서 일관되게 상당한 성능 저하를 초래했다. 미개질 샘플과 비교했을 때 굴곡 강도는 67–82% 감소하였고, 압축 강도는 28–67% 감소하였다. 비투멘은 피크 이후의 연성(최대 하중 이후의 변형 허용)을 증가시켰으나, 유황 매트릭스의 결정 구조를 방해하는 "취약한 상(weak phase)"으로 작作用하여 하중 지지 능력을 심각하게 저하시켰다.
유황 함량의 효과: 유황 함량을 30%에서 40%로 높이는 것은 중온 및 고온(25–75°C)에서 일반적으로 기계적 성능을 향상시켰다. 40% 유황 혼합물(SM40)은 특히 75°C에서 가장 높은 굴곡 및 압축 강도를 달enc였다. 반대로, 저온(-10°C)에서는 30% 유황 혼합물(SM30)이 더 우수한 성능을 보였다.
온도 민감도 및 비정상적 강도 증가:
- 저온 (-10°C): 재료는 높은 강도를 보였으나 취성 거동을 나타냈다.
- 중온 및 고온 (50–75°C): 특히 SM40 샘플에서 "비정상적인 강도 증가"가 관찰되었다. 75°C에서 미개질 SM40 샘플은 최대 굴곡 강도 8.44 MPa, 압축 강도 38.91 MPa에 도달하였다. 이는 유황 기반 복합체가 74–80°C까지 강도가 증가할 수 있다는 기존 문헌의 내용과 일치한다.
- 임계 온도 (100°C): 100°C에서 모든 샘플은 강도의 급격한 저하를 경험했다. 이는 안전한 서비스 온도 제한(88–93°C)을 초과했기 때문이며, 이 지점에서 유황 폴리머가 연화되어 점성 흐름(viscous flow) 상태로 접근하고 강성이 상실된다.
굴곡 강도와 압축 강도의 관계: 굴곡 강도와 압축 강도 사이에 직접적인 선형 상관관계는 없는 것으로 나타났다. 많은 경우 경향이 반대로 나타났는데, 예를 들어 압축 강도는 50–75°C에서 정점에 도달하는 경우가 많았던 반면, 굴곡 강도는 다른 민감도 패턴을 보였다. 이는 단일 기계적 파라미터만으로 SBM을 평가하는 것이 불충분함을 시사한다.
하중-변위 거동: 온도가 상승하고 비투멘 개질이 이루어짐에 따라 재료의 연성(높은 변위 값)은 증가했으나, 하중 지지 능력은 크게 감소했다. 미개질 샘플은 피크 하중 이후 취성 파괴를 보인 반면, 비투멘 개질 샘플은 낮은 하중 하에서 계속해서 변형을 유지했다.

의의 및 주장
저자들은 공학적 응용 분야에서 유황 기반 복합체의 안전한 서비스 온도 제한을 약 75°C로 최적화해야 한다고 결론지었다. 이 지점을 넘어서는 경우, 특히 100°C에서는 유황 결합제의 연화로 인해 재료의 구조적 무결성이 손상된다.

본 연구는 유황 함량을 40%로 높이는 것이 50–75°C 범위에서 기계적 이점을 제공하지만, 비투멘과 같은 가소화 첨가제의 사용은 신중하게 균형을 맞추어야 함을 강조한다. 비투멘은 연성을 개선하지만, 굴곡 및 압축 강도를 각각 최대 82% 및 67%까지 대폭 감소시키므로 높은 하중 지지 능력이 요구되는 구조적 응용 분야에는 명확한 단점이 된다.

궁극적으로, 본 연구는 유황 기반 결합제를 설계하기 위한 과학적 토대를 제공하며, SBM의 기계적 성능이 온도 변화와 결합제 조성에 매우 민다는 점을 강조한다. 연구 결과는 최적의 구조적 성능을 위해, 취성 파괴 모드를 설계에 반영한다는 전제하에 50–75°C 작동 범위 내에서는 40% 유황 함량을 가진 미개질 혼합물이 더 바람직하다는 것을 시사한다.

1. 온도의 롤러코스터

2. 비투멘 실험 (The "Butter" Test)

3. 하중 vs 굽힘 (연성)

핵심 요약

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