Analysis of the hydration heat evolution in cements incorporating construction waste powders by examining phase changes

콘크리트는 모래, 물, 그리고 시멘트라고 불리는 결합 분말의 혼합물로, 지구상에서 가장 널리 사용되는 건축 자재입니다. 물이 시멘트를 만나면, 부드러운 혼합물을 단단한 돌 같은 고체로 바꾸는 화학 반응이 시작됩니다. 수화라고 알려진 이 과정은 열을 방출합니다. 댐이나 고층 건물의 기초와 같은 거대한 구조물에서는 이 열이 위험한 수준까지 쌓일 수 있으며, 이는 콘크리트가 식으면서 균열을 일으키는 원인이 됩니다. 이를 관리하기 위해 엔지니어들은 종종 반응 속도를 늦추거나 발생하는 총 열량을 줄이는 방법을 찾습니다. 동시에, 건설 산업은 부서진 벽돌, 오래된 타일, 철거된 콘크리트 조각 등을 포함하여 막대한 양의 폐기물을 생산합니다. 이러한 잔해의 큰 덩어리들은 대개 새로운 자갈로 재활용되지만, 분쇄 과정에서 발생하는 미세하고 먼지 같은 가루는 빈번하게 버려집니다. 현재 연구자들은 이 미세한 폐기물 가루가 새로운 콘크리트의 시멘트 일부를 대체할 수 있는지, 즉 폐기 문제를 유용한 자원으로 바꾸면서 동시에 화학 반응의 열을 낮출 수 있는지 조사하고 있습니다.

알제리의 한 과학자 팀은 세 가지 특정 유형의 건설 폐기물을 사용하여 이 아이디어를 테스트하기 위해 나섰습니다. 바로 재활용 세라믹 타일 가루, 재활용 벽돌 가루, 그리고 재활용 콘크리트 가루입니다. 그들은 표준 시멘트를 각 혼합물에 담긴 미세한 모래만을 사용하는 모르타르 혼합물을 만들었습니다. 실험에서 그들은 각 혼합물의 표준 시멘트를 각각 10%, 20%, 30%씩 하나의 폐기물 가루로 대체했습니다. 그런 다음 그들은 재료가 경화됨에 따라 발생하는 온도 변화를 측정하도록 설계된 특수 단열 용기에 이 혼합물들을 넣었습니다. 열이 얼마나 방출되는지와 얼마나 빨리 방출되는지를 추적함으로써, 연구자들은 물이 첨가된 순간부터 화학 반응의 전체 생애 주기를 지도화할 수 있었습니다.

결과에 따르면, 이 폐기물 가루를 첨가하는 것은 시멘트의 거동을 크게 변화시켰습니다. 시멘트가 대체된 모든 경우에서, 5일 동안 방출된 총 열량은 감소했습니다. 가루를 더 많이 첨가할수록 생성되는 열은 더 적었습니다. 재활용 콘크리트 가루로 시멘트를 30% 대체했을 때, 방출된 총 열량은 표준 혼합물이 생성하는 양의 약 70%에 불으로 낮았습니다. 이러한 감소는 과도한 열이 구조물이 완전히 굳기 전에 손상을 입힐 수 있는 더운 기후에서의 건설 작업에 특히 가치가 있습니다. 단순히 총 열량을 줄이는 것을 넘어, 이 폐기물 가루들은 또한 반응 속도를 늦추었습니다. 열 방출이 정점에 도달하는 시점, 즉 가장 격렬한 화학적 활동이 일어나는 지점은 일반 시멘트에 비해 2~3시간 지연되었습니다. 이 지연은 작업자들이 콘크리트가 굳기 시작하기 전에 콘크리트를 붓고 모양을 잡을 수 있는 더 많은 시간을 제공합니다.

연구자들은 왜 이러한 변화가 일어나는지 이해하기 위해 화학 반응의 각 단계를 면밀히 살펴보았습니다. 그들은 폐기물 가루의 종류가 중요하다는 것을 발견했습니다. 매우 미세한 재활용 세라믹 가루는 반응의 초기 핵 생성 및 성장 단계를 단축시킨 반면, 벽돌과 콘크리트 가루는 이 단계를 연장했습니다. 그러나 가루의 종류와 관계없이, 모든 혼합물에서 정점 열속(peak heat flux)은 2~3시간 지연되었습니다. 연구는 반응이 일련의 사건을 포함하고 있음을 밝혔습니다. 먼저 새로운 결정이 형성되고 성장하며, 그다음 이 결정들이 남은 시멘트 입자들과 상호작용하고, 마지막으로 이온들이 반응할 새로운 장소를 찾아 고체화되는 물질을 통과해야 함에 따라 반응이 느려집니다. 폐기물 가루들은 이러한 단계들의 타이밍을 변화시켰습니다. 예를 들어, 벽돌과 콘크리트 가루는 초기 결정 성장 단계를 연장한 반면, 세라믹 가루는 마지막의 느린 확산 단계를 훨씬 더 지배적으로 만들었습니다.

궁극적으로, 이 연구는 이러한 건설 폐기물의 미세 분획들이 단순한 불활성 충전제가 아니라 시멘트의 거동을 변화시키는 활성 성분임을 확인해 줍니다. 폐기물 가루는 경화 과정에 참여할 수 있는 특성을 가지고 있어, 열을 덜 발생시키면서도 화학적으로 활발한 재료를 만들어냅니다. 연구 결과는 이들 재활용 가루를 최대 30%까지 사용하는 것이 더 지속 가능한 건축 자재를 만들기 위한 실행 가능한 전략임을 시사합니다. 건설 중 발생하는 열을 줄임으로써, 이 혼합물들은 대형 구조물의 균열을 예방하는 동시에 수 톤의 폐기물을 매립지에서 분리해 낼 수 있습니다. 이 연구는 이러한 재료들이 어떻게 작동하는지에 대한 명확한 그림을 제공하며, 건설 산업을 더 효율적이고 환경 파괴를 덜 하는 방향으로 나아가게 하는 실질적인 경로를 제시합니다.