Valorization of Wastepaper Ash and Waste Ceramic Powder as Supplementary Cementitious Materials in Cement Mortar Production

건설 세계를 우리 집과 도로를 짓기 위해 엄청난 양의 시멘트를 먹어치우는 거대하고 배고픈 괴물이라고 상상해 보세요. 이 괴물은 또한 지구를 따뜻하게 만드는 이산화탄소 구름을 거대하게 내뿜는 말썽꾸러기이기도 합니다. 한편, 우리 주변에는 "쓰레기" 더미가 놓여 있습니다. 바로 오래된 사무용 종이와 부서진 세라믹 타일입니다. 보통 이것들은 매립지에 버려지거나 태워지는데, 이는 공기와 토양에 나쁜 소식입니다.

이 연구는 아주 단순하고 호기심 어린 질문을 던집니다: 만약 우리가 새로운 시멘트를 만드는 대신 그 쓰레기를 시멘트 괴물에게 먹일 수 있다면 어떻게 될까?

연구진은 두 가지 특정 유형의 폐기물인 폐지 재(WPA)(종이를 태운 후 남은 재)와 폐세라믹 분말(WCP)(부서진 타일)을 가져와 이를 2:1 비율로 섞었습니다. 그런 다음 그들은 이 "쓰레기 혼합물"을 WPACP라고 불렀으며, 벽돌을 붙잡아주는 풀 역할을 하는 모르타르(mortar)에서 시멘트를 다양한 양만큼 교체해 보았습니다. 그들은 **0%, 5%, 10%, 15%, 20%**의 대체율을 테스트했습니다.

"골디락스" 존: 완벽한 배합 찾기

모르타르 배합을 케이크 반죽이라고 생각해 보세요. 밀가루를 너무 많이 넣으면 건조하고 잘 부서지며, 너무 적게 넣으면 질척거리는 엉망진ک 상태가 됩니다. 연구진은 이 WPACP "쓰레기 혼합물"에 매우 구체적인 스윗 스팟(sweet spot)이 있다는 것을 발견했습니다.

• 작업성 저하: 쓰레기 혼합물을 넣기 시작하자마자 모르타르는 더 "목이 말랐습니다." 부드럽고 펼칠 수 있는 상태를 유지하기 위해 더 많은 물이 필요했습니다. 쓰레기를 더 많이 넣을수록 다루기가 더 어려워졌습니다. **20%**에 도달했을 때, 모르타르는 뻣뻣하고 느릿느릿해졌습니다.
• 강도 급증: 여기서 흥ًا 흥미로운 부분이 나옵니다. 연구진이 시멘트의 **15%**를 WPACP 혼합물로 교체했을 때, 모르타르는 단순히 버티는 수준을 넘어 오히려 더 강해졌습니다.
  • 28일간의 양생(단단해지도록 두는 과정) 후, 15% 혼합물은 일반 시멘트 혼합물보다 압축 강도가 25.3% 더 높았습니다.
  • 56일째에도 여전히 16.1% 더 강했습니다.
  • 하지만 만약 너무 과하게 가서 **20%**를 사용한다면, 강도는 다시 떨어지기 시작했습니다. 논문은 "더 많은 쓰레기가 항상 더 좋은 것은 아니다"라는 아이디어를 명시적으로 부정합니다. 20% 혼합물은 실제로 대조군보다 성능이 떨어졌으며, 이는 구조를 약화시키기 전에 교체할 수 있는 쓰레기의 양에 한계가 있음을 증명했습니다.

보이지 않는 방패: 내구성과 밀도

왜 15% 혼합물이 승리했을까요? 모르타르를 스펀지라고 상상해 보세요. 일반 스펀지는 물이 스며들어 손상을 입힐 수 있는 큰 구멍들이 있습니다. WPACP 입자들은 매우 작고 각진 형태입니다. 15% 수준으로 첨가되었을 때, 이들은 미세한 퍼즐 조각처럼 작용하여 더 큰 모래 입자들 사이의 모든 미세한 틈과 구멍을 채웁니다.

• "충전재" 효과: 이것은 훨씬 더 조밀하고 빽빽한 구조를 만들었습니다. 15% 혼합물은 가장 낮은 흡수율과 가장 낮은 공극률(구멍이 적음)을 보였습니다.
• 음파 테스트: 연구진은 내부를 확인하기 위해 음파(초음파 펄스 속도)를 사용했습니다. 소리는 밀도가 높고 단단한 것을 통과할 때 더 빨리 이동하고, 스펀지처럼 구멍이 많은 것을 통과할 때 더 느리게 이동합니다. 15% 혼합물은 소리를 더 빠르게 통과시켜, 그것이 빽빽하게 채워져 있음을 확인시켜 주었습니다. 56일째에 이 혼합물은 일반 시멘트를 능가하여 "좋음" 등급의 품질로 분류되었습니다.
• 황산염 방패: 그들은 심지어 샘플을 짠 황산염 용액(거친 바닷물과 같은)에 담가서 부서지는지 테스트했습니다. 15% 혼합물은 강도 손실이 가장 적었으며, 이는 화학적 공격에 대한 저항성이 가장 뛰어남을 증명했습니다.

미시적 탐정 작업

내부에서 정확히 어떤 일이 일어나고 있는지 확실히 하기 위해, 연구진은 열과 빛을 보는 첨단 "현미경"을 사용했습니다:

1. 열 분석 (TGA/DTA): 연구진은 샘플을 900°C까지 가열하여 무엇이 증발하는지 관찰했습니다. 그들은 15% 혼합물이 무게 손실이 가장 적다는 것을 발견했습니다. 이는 이 혼합물이 가장 안정적인 구조를 가지고 있으며, "자유로운" 물이나 약한 부분이 가장 적다는 것을 의미합니다. 또한, 폐재와 분말이 시멘트와 반응하여 추가적인 "풀"(C-S-H 겔)을 만들어내고 약한 부분(수산화칼슘)을 제거한다는 것도 보여주었습니다.
2. 적외선 분광법 (FT-IR): 이것은 화학 물질의 지문을 찍는 것과 같습니다. 스캔 결과, 15% 혼합물은 "초강력 풀"(C-S-H 겔)에 대한 신호는 훨씬 강하고, 약한 부분(수산화칼슘)에 대한 신호는 더 약하게 나타났습니다. 이는 폐기물 재료들이 단순히 충전재로 머무는 것이 아니라, 더 강력한 매트릭스를 구축하는 데 적극적으로 기여하고 있음을 확인시켜 주었습니다.

결론

논문은 시멘트에 무제한으로 쓰레기를 쏟아부을 수는 없다고 결론짓습니다. 20%는 너무 많고, 0%는 이점을 놓치는 것입니다. 하지만 **15%**는 어떨까요? 그것이 바로 마법의 숫자입니다.

시멘트의 **15%**를 폐지 재와 폐세라믹 분말의 2:1 혼합물로 교체하면, 다음과 같은 특징을 가진 모르타트를 얻을 수 있습니다:

• 더 강함 (28일 기준 압축 강도가 최대 25.3% 더 높음).
• 더 조밀함 (흡수율과 공극률이 낮음).
• 더 내구성이 좋음 (황산염 공격에 대한 저항성이 뛰어남).
• 더 친환경적임 (시멘트 사용량 감소, 매립지 쓰레기 감소).

이 연구는 이것이 환경에 더 강하고 현장에서도 더 강력한 건설 자재를 만들기 위한 실행 가능한 실질적인 옵션임을 시사합니다. 다만, 저자들은 실험실 결과는 유망하지만, 대규모 사용을 위해 이를 최적화하기 위한 향전 연구가 여전히 필요하다고 언급했습니다. 그들이 전 세계를 위한 해결책을 선포한 것은 아니지만, 미래를 위한 매우 강력한 레시피를 찾아낸 것은 분명합니다.