Mechanical Strength Assessment of Eco-Friendly Bricks Produced Using Waste Marble Dust and Crushed Stone Dust as Partial Cement Replacements

기술 요약: 폐기물 대리석 분말 및 파쇄 석재 분말을 사용한 친환경 벽돌의 기계적 강도 평가

문제 제기
건설 산업은 막대한 양의 산업 폐기물, 특히 대리석 분말(MD)과 파쇄 석재 분말(CSD)의 발생과 시멘트 생산의 높은 환경적 발자국이라는 이중 과제에 직면해 있다. 인도의 대리석 가공 과정에서는 연간 약 1,200만 톤의 폐기물이 발생하며, 이는 토양 및 수질 오염의 심각한 위험을 초래한다. 동시에 시멘트 제조는 전 세계 인위적 CO₂ 배출량의 약 5%를 차지한다. 이전 연구들이 MD 또는 CSD를 부분적으로 시멘트 대체재로 사용하는 개별적인 방안을 탐구해 왔으나, 벽돌 제조 시 이 두 가지 폐기물을 결합하여 사용하는 시너지 효과에 대한 연구는 여전히 중요한 연구 공백으로 남아 있다. 본 연구는 기계적 성능을 저하시키지 않으면서 시멘트 소비를 줄이고, 환경적 위해를 완화하며, 지속 가능한 건설 자재를 생산하기 위해 이러한 현지 가용 폐기물을 활용할 필요성을 다룬다.

연구 방법론
본 연구는 벽돌 생산 시 포졸란 포틀랜드 시멘트(PPC)의 부분적 대체재로서 MD와 CSD의 적합성을 평가하기 위해 실험적 설계를 채택하였다.

• 재료: 본 연구는 PPC(플라이 애쉬 35% 포함), 천연 모래(Zone I), 대리석 분말 및 파쇄 석재 분말을 사용하였다.
• 배합 설계: 벽돌은 1:4 (시멘트:모래) 비율과 0.45의 물-시멘트 비로 배합되었다. 대조군 혼합물(M0)은 100% 시멘트를 포함한다. 실험용 혼합물은 동일한 비율의 MD와 CSD를 사용하여 시멘트를 다음과 같이 세 단계로 대체하였다:
  • M10: 10% MD + 10% CSD (총 20% 대체).
  • M20: 20% MD + 20% CSD (총 40% 대체).
  • M30: 30% MD + 30% CSD (총 60% 대체).
• 시편 제작: 230mm x 90mm x 80mm 크기의 벽돌을 목재 몰드에 타설하고, 테이블 진동기를 사용하여 다진 후, 7일, 14일, 28일 동안 물에서 양생하였다.
• 테스트 프로토콜: 체 분석, 비중 테스트, 실트 함량 테스트, 흡수율 테스트 및 밀도 측정을 수행하였다. 압축 강도는 압축 시험기(CTM)를 사용하여 7, 14, 28일 차에 평가되었다.
• 통계 분석: 데이터는 기술 통계(평균, 표준 편차, 변동 계수)와 일원 배치 분산 분석(One-Way ANOVA)을 사용하여 양생 기간 및 대체 수준이 강도에 미치는 유의성(p < 0.05)을 결정하는 데 사용되었다.

주요 결과

• 압축 강도: 대조군 혼합물(M0)은 가장 높은 28일 압축 강도인 24.56 MPa를 달성하였다. M10 혼합물(20% 총 대체)은 20.62 MPa를 기록하여 실행 가능한 대안임을 보여주었다. 그러나 대체 수준이 높아질수록 상당한 강도 저하가 나타났다: M20(40% 대체)은 8.61 MPa로 떨어졌고, M30(60% 대체)은 6.37 MPa로 급감하였다.
• 통계적 유의성: ANOVA 결과, 양생 기간과 대체 수준 모두 압축 강도에 통계적으로 유의미한 영향을 미치는 것으로 확인되었다 (p < 0.001). 모든 혼합물에서 시간에 따른 강도 발달(7일에서 28일)은 유의미했다.
• 흡수율: 강도와 흡수율 사이의 역관계가 관찰되었다. 대체 수준이 증가함에 따라 흡수율은 **5.66% (M0)**에서 **9.81% (M30)**로 증가하였으며, 이는 높은 대체 수준에서 공극률 증가와 결합력 감소를 나타낸다.
• 밀도: 밀도는 대체량이 증가함에 따라 점진적으로 감소하여, **2698.87 kg/m³ (M0)**에서 2491.14 kg/m³ (M30) 범위를 나타냈다. M10 혼합물은 표준 건설 자재와 일치하는 밀도를 유지하였다.
• 재료 특성: 대리석 분말의 비중은 2.63, 석재 분말은 2.57이었으며, 둘 다 시멘트(3.1)보다 낮아 관찰된 밀도 감소의 원인이 되었다.

주요 기여 및 주장
본 논문은 시멘트를 대리석 분말과 파쇄 석재 분말의 조합으로 부분 대체하는 것이 최적화된 대체 수준을 제공할 경우 지속 가능한 건설을 위한 실행 가능한 전략이라고 주장한다.

• 최적 대체 수준: 본 연구는 **20% 총 대체 수준 (10% MD + 10% CSD)**을 최적의 후보로 식별하였다. 이 혼합물은 평균 20.62 MPa의 압축 강도를 달성하였으며, 저자들은 이 수치가 특정 건설 응용 분야에서 대조군과 경쟁하기에 충분하며 환경적 이점을 제공한다고 주장한다.
• 시너지적 활용: 본 연구는 두 가지 서로 다른 산업 폐기물을 동시에 활용할 수 있는 잠재력을 강조하며, 결합된 폐기물 가치 제고에 관한 문헌의 공백을 메운다.
• 환경적 및 경제적 영향: 시멘트를 대체함으로써 시멘트 제조와 관련된 CO₂ 배출 및 에너지 소비를 줄일 수 있다고 주장한다. 또한, 현지에서 조달된 폐기물을 활용함으로써 대리석 및 석재 가공 산업과 관련된 운송 비용 및 폐기 책임을 줄일 수 있다.

의의
저자들은 본 연구가 지속가능발전목표(SDGs) 9번(산업, 혁신 및 인프라)과 11번(지속 가능한 도시와 공동체)에 기여하는 작업이라고 규정한다. 본 연구는 산업 부산물이 기능적인 건설 자재로 엔지니어링될 수 있음을 입증하며, 이를 통해 건설 환경의 탄소 발자국을 줄이고 고형 폐기물을 관리할 수 있음을 보여준다. 논문은 과도한 대체는 내구성과 강도를 저해하지만, 통제된 저수준의 치환(특히 20% 총 대체)은 비용 절감, 환경적 지속 가능성, 그리고 수용 가능한 기계적 성능 사이의 균형 잡힌 접근 방식을 제공한다고 결론짓는다. 향후 연구는 장기적 성능 및 폐기물 재료 특성의 표준화에 집중할 것을 제안한다.