Assessing Engineering Properties of Concrete Produced with Broken Earthenware as a Partial Replacement of Coarse Aggregate

기술 요약: 파쇄된 도기(Earthenware)를 굵은 골재의 일부 대체재로 사용했을 때의 콘크리트 공학적 특성 평가

문제 제기
건설 산업은 천연자원의 급격한 고갈과 골재 채취 비용 상승이라는 중대한 과제에 직면해 있다. 콘크리트는 물 다음으로 전 세계에서 두 번째로 많이 소비되는 재료이며, 부피의 75~80%를 차지하는 골재에 크게 의존한다. 가나와 같은 개발도상국에서는 과도한 채석 작업이 환경 파괴와 생태계 오염을 초래하고 있다. 이와 동시에, 세라믹 및 도기 산업은 상당한 양의 폐기물을 발생시키고 있으며, 세라믹 생산 원료의 약 30%와 완제품의 2%가 폐기물로 버려진다. 이러한 폐기물은 종종 매립지에 버려져 지하수와 부정적인 상호작용을 일으킨다. 본 연구는 전통적인 굵은 골재(쇄석)를 대신하여 파쇄된 도기 그릇을 부분적으로 사용하는 방안을 조사함으로써, 건설 비용을 절감하고 환경적 영향을 완화하려는 이중적 필요성을 다룬다.

연구 방법론
본 연구는 콘크리트의 기계적, 물리적, 내구성 특성을 평가하기 위해 실험적 접근 방식을 채택하였다.

• 재료: 연구에는 보통 포틀랜드 시멘트(GHACEM Super Strong 42.5R), 강사(pit sand), 쇄석, 그리고 파쇄된 도기 그릇이 사용되었다. 물은 BS EN 1008:2002 표준을 준수하였다.
• 배합 설계: 1:2:4 배합비를 사용하여 목표 강도 25 N/mm²를 설정하였으며, 물-시멘트 비는 0.55로 하였다.
• 시편 제작: 콘크리트 시편은 강철 큐브(100mm³)와 실린더(직경 100mm × 높이 200mm) 형태로 제작되었다. 쇄석은 무게 기준으로 0%(대조군), 10%, 20%, 30%, 40% 비율로 파쇄된 도기 골재로 부분 대체되었다.
• 양생 및 시험: 시편은 7, 14, 21, 28일 동안 양생되었다. 시험 항목은 다음과 같다:
  • 밀도: BS EN 12390-7:2019에 따라 측정됨.
  • 압축 강도: 만능 시험기(UTM)를 사용하여 BS EN 12390-3:2019에 따라 테스트됨.
  • 할렬 인장 강도: BS EN 12390-6:2009에 따라 수행됨.
  • 흡수율: 28일 후 BS EN 1881-122:2011에 따라 결정됨.
  • 황산마그네슘(MgSO₄) 공격: 시편을 MgSO₄ 용액에서 28일간 양생한 후, BS EN 206-1:2000에 따라 압축 강도를 테스트함.
• 데이터 분석: 결과는 Microsoft Excel과 일원 분산 분석(One-Way ANOVA)을 사용하여 통계적 유의성(P < 0.05)을 분석하였다.

주요 결과

• 밀도: 도기 대체율이 높아질수록 밀도는 감소하였다. 대조군(0%)은 가장 높은 밀도(28일 기준 2486.67 kg/m³)를 기록하였고, 40% 대체 시 가장 낮은 밀도(2276.67 kg/m³)를 기록하였다. 10% 대체 시의 밀도는 2432.00 kg/m³로, 대조군보다 2.2% 낮았으나 정상 중량 콘크리트 범위(ASTM C138 기준 1842–2483 kg/m³) 내에 있었다.
• 압축 강도: 강도는 양생 기간에 따라 증가하였으나, 대체율이 높아짐에 따라 감소하였다. 28일째에 대조군은 27.13 N/mm²를 기록하였다. 10% 대체 시에는 26.39 N/mm²(대조군 대비 2.7% 감소)를 기록하였고, 40% 대체 시에는 24.76 N/mm²를 기록하였다. 이러한 감소에도 불구하고, 40% 대체 시를 제외한 모든 시편은 목표 강도인 25 N/mm²를 충족하였으며, 모든 시편은 하중 지지용 조적 단위의 허용 표준(ASTM C90-22 기준 최소 13.8 MPa) 범위 내에 있었다.
• 할렬 인장 강도: 추세는 압축 강도와 유사하게 대체율이 높아짐에 따라 감소하였다. 28일째에 값은 2.769 N/mm²(대조군)에서 2.487 N/mm²(40% 대체) 사이였다. 할렬 인장 강도는 압축 강도의 8%에서 15% 사이를 유지하였으며, 이는 표준적인 콘크리트 거동과 일치한다.
• 흡수율: 도기 대체율이 높아질수록 흡수율은 증가하였다. 대조군은 2.44%의 흡수율을 보였으나, 10% 대체 시 2.52%(대조군 대비 3.2% 높음)를 나타냈다. 40% 대체 시에는 3.19%에 도달하였다. 모든 값은 고품질 콘크리트에서 흔히 인용되는 5% 임계값 미만이었으며, 4~6%의 최적 범위 내에 있었다.
• 황산마그네슘(MgSO₄) 공격: MgSO₄ 노출은 모든 시편에서 강도 저하를 일으켰다. 흥미롭게도, 40% 대체 시편은 대조군의 2.5% 강도 감소와 비교하여 단 0.3%의 강도 감소만을 보여 가장 높은 저항성을 나타냈다. 10% 대체 시에는 1.6%의 손실을 보였다.

결론 및 의의
본 연구는 파쇄된 도기 골재가 콘크리트의 굵은 골재를 부분적으로 대체하는 데 있어 실행 가능한 대안임을 결론짓는다.

• 표준 준수: 도기를 최대 40%까지 대체하여 생산된 콘크리트는 밀도, 강도 및 흡수율에 관한 BS EN 12390:2019 및 BS 1881-122:2011의 공학적 표준을 충족한다.
• 권장 용도: 저자들은 표준 콘크리트 작업에 10% 대체를 권장한다. 이는 대조군의 특성으로부터 최소한의 편차를 유지하면서 강도와 내구성의 균형을 제공하기 때문이다. 또한, 황산마그네슘 노출이 높은 환경에는 40% 대체를 권장하는데, 이는 40% 혼합물이 화학적 공격에 대해 우수한 저항성을 보였기 때문이다.
• 경제적 및 환경적 영향: 파쇄된 도기를 활용하면 값비싼 천연 골재를 저렴한 산업 폐기물로 대체함으로써 건설 비용을 절감할 수 있다. 또한, 이는 세라믹 폐기물을 매립지로 보내는 것을 방지하고 골재 채취와 관련된 생태적 발자국을 줄임으로써 환경 지속 가능성을 증진한다.

본 연구는 세라믹 폐기물의 재사용이 구조적 무결성을 요구하는 하중 지지 용도에 대한 영향을 저해하지 않으면서도, 건설 산업의 비용 효율성과 환경 지속 가능성을 모두 향상시킨다는 점을 확증한다.