Performance Assessment of Concrete Incorporating Nano Titanium Dioxide and Coal Bottom Ash as a Sustainable Fine Aggregate Substitute

기술 요약: 나노 이산화티타늄 및 석탄 바텀 애쉬(Coal Bottom Ash)를 혼입한 콘크리트의 성능 평가

문제 제기
건설 산업은 이중적인 과제에 직면해 있다. 하나는 시멘트 제조가 배출하는 상당한 양의 이산화탄소 배출량으로 인한 높은 환경 발자국이며, 다른 하나는 천연 세사(강모래)의 점증하는 희소성과 비용 문제이다. 일반 포틀랜드 시멘트(OPC)와 천연 모래에 대한 전통적인 의존은 자원 고갈과 채취 및 준설로 인한 생태계 파괴로 인해 지속 불가능하다. 또한, 석탄 바텀 애쉬(CBA)와 같은 산업 부산물의 처리는 폐기물 관리 문제로 남아 있다. 보조 시멘트질 재료(SCM)가 탐구되어 왔으나, 작업성이나 장기 내구성을 저해하지 않으면서 산업 폐기물을 미세 골재 대체재로 활용하고 나노 물질을 통합하여 미세구조적 특성을 향상시키는 최적의 배합 설계를 도출할 필요가 있다.

연구 방법론
본 연구는 IS 10262:2009 및 IS 456:2000 표준에 따라 설계된 M35 등급 콘크리트에 초점을 맞추었다. 실험 프로그램에는 세 가지 주요 변수가 포함되었다:

1. 미세 골재 치환: 천연 미세 골재를 10%에서 100%까지 증분하여 석탄 바텀 애쉬(CBA)로 부분적 또는 전체적으로 대체하였다.
2. 나노 물질 첨가: 수화 및 미세구조에 미치는 영향을 평가하기 위해 나노 이산화티타늄(NTi)을 중량 대비 1%에서 7%까지 다양한 함량으로 시멘트 매트릭스에 첨가하였다.
3. 대조 혼합물: 비교를 위한 기준점으로 전통적인 M35 혼합물을 사용하였다.

본 연구는 다음과 같은 종합적인 테스트 체계를 채택하였다:

• 신선 상태 특성: 슬럼프 콘, 컴팩션 팩터(compaction factor), 플로우 테이블 테스트를 통해 워커빌리티(workability)를 평가하였다.
• 기계적 특성: 압축 강도는 3, 7, 28, 56, 90일째에 측정하였으며, 인장 강도와 휨 강도는 28, 56, 90일째에 평가하였다.
• 내구성: 5% HCl 침지 실험을 통해 질량 손실과 강도 감소를 측정함으로써 산 공격에 대한 저항성을 테스트하였다. 투과성을 평가하기 위해 90일째에 급속 염화물 침투 시험(RCPT)을 실시하였다.
• 비파괴 검사(NDT): 내부 품질과 밀도를 평가하기 위해 반발 해머 테스트와 초음파 펄스 속도(UPV) 측정을 수행하였다.
• 미세구조 분석: 결정상, 수화 생성물 및 기공 구조의 미세화를 식별하기 위해 X선 회절 분석(XRD) 및 주사 전자 현미경(SEM)을 활용하였다.

주요 기여 및 결과

• 워커빌리티(Workability): 60%의 CBA와 40%의 천연 미세 골재를 혼입했을 때 일반적으로 중간 정도의 워커빌리티가 유지되었다. NTi의 첨가는 워커빌리티를 개선하였으며, 5% 투입 시 가장 높은 슬럼프(128 mm)와 플로우(93%)를 기록하여 "높음" 수준의 워커빌리티로 분류되었다. 그러나 5%를 초과하는 투입량은 성능 저하나 한계를 보였다.
• 기계적 강도:
  • CBA 치환: 60%의 CBA와 40%의 천연 미세 골재를 혼합한 배합이 대조 혼합물보다 우수한 성능을 보였다. 90일째에 이 배합은 47.1 N/mm²의 압축 강도(대조군의 46.3 N/mm² 대비)를 달성하였으며, 개선된 인장 강도(3.04 N/mm²)와 휨 강도(3.54 N/mm²)를 나타냈다. 미세 골재를 CBA로 완전히 대체할 경우 강도가 감소하였다.
  • NTi 최적화: 60% CBA 혼합물에 5% NTi를 첨가했을 때 최적의 기계적 성능이 나타났다. 이 조합은 90일째에 47.9 N/mm²의 정점 압축 강도를 달성하여, 대조군 및 CBA 단독 수정 혼합물보다 높은 수치를 기록하였다. 1~2%의 낮은 NTi 투입량은 초기에는 CBA 단독 혼합물보다 낮은 강도를 보였다.
• 내구성:
  • 산 저항성: 5% NTi 혼합물은 5% HCl 노출에 대해 탁월한 저항성을 보였다. 28일째에 이 혼합물은 12.07%의 강도 감소만을 보였는데, 이는 대조군(27.01%) 및 60% CBA 혼합물(23.50%)보다 현저히 낮은 수치이다. 시간이 지남에 따라 강도 손실은 증가하였으나, NTi 수정 혼합물은 90일째에도 다른 변형 모델들보다 더 높은 저항성을 유지하였다.
  • 염화물 투과성: RCPT 결과, 5% NTi 혼합물은 379 Coulombs로 가장 낮은 염화물 투과성을 보였으며, 이는 "매우 낮음" 단계로 분류되었다. 이는 60% CBA 혼합물의 756 Coulombs 및 대조군의 886 Coulombs와 비교된다.
  • NDT 결과: UPV 테스트는 NTi 수정 혼합물의 향상된 품질을 확인시켜 주었으며, 펄스 속도 5.36 km/sec("우수")를 기록하였다. 이는 CBA 혼합물의 3.85 km/sec 및 대조군의 3.66 km/sec와 대조된다.
• 미세구조 통찰:
  • XRD 분석: NTi(아나타제 상)의 존재가 확인되었다. 5% NTi 혼합물은 수산화칼슘(Portlandite) 피크의 감소와 칼슘 실리케이트 수화물(C-S-H) 영역의 강화가 관찰되었으며, 이는 NTi가 핵 생성 지점으로 작용하여 더 조밀한 수화를 촉진했음을 시사한다.
  • SEM 분석: SEM 이미지는 NTi가 수정된 혼합물이 공극이 감소된 정밀한 기공 구조를 가지고 있음을 보여주었다. CBA 입자는 미세 골재로서 공극을 채우는 역할을 하였고, NTi는 계면 전이 구역(ITZ)을 강화하여 더 조밀한 매트릭스를 형성하였다.

의의 및 주장
본 논문은 지속 가능한 미세 골재 대체재로서의 석탄 바텀 애쉬와 성능 향상 첨가제로서의 나노 이산화티타늄의 시너지 효과 있는 사용이 지속 가능한 콘크리트 개발을 위한 실행 가능한 경로를 제공한다고 결론짓는다. 본 연구는 60% CBA와 5% NTi의 특정 배합이 다음과 같은 성과를 제공하는 최적의 절충안임을 주장한다:

1. 향상된 기계적 성능: 기존 콘크리트보다 높은 압축, 인장 및 휨 강도를 제공한다.
2. 개선된 내구성: 염화물 투과성을 크게 낮추고 산 공격에 대한 저항성을 높여, 특히 가혹한 환경에서 더 긴 서비스 수명을 시사한다.
3. 미세구조 정밀화: 공극이 감소되고 수화 생성물이 최적화된 더 조밀한 매트릭스를 형성한다.
4. 실무적 타당성: 혼합물이 워커빌리티를 유지하거나 개선하였으므로, 이러한 지속 가능한 수정 사항들이 현장에서 복잡한 취급 절차를 요구하지 않음을 나타낸다.

저자들은 이 접근 방식이 "만능 해결책(silver bullet)"이라기보다는, 장기적인 구조적 무결성과 환경적 지속 가능성이 우선시되는 응용 분야를 위한 강력한 후보라고 위치시킨다. 본 연구는 전통적인 콘크트의 한계를 해결하기 위해 산업 폐기물이 첨단 나노 물질과 결합될 때 어떻게 효과적으로 가치화될 수 있는지를 입증한다.