Mechanical and physicochemical performance of calcined kaolin based alkali activated compressed lateritic earth blocks versus Portland cement stabilization at early age

세계 여러 지역에서 집을 짓는 가장 실용적인 방법은 지구 그 자체, 즉 흙을 사용하는 것입니다. 압축 흙 블록(Compressed earth blocks)은 본질적으로 흙을 틀에 넣고 단단하게 다져 만든 벽돌로, 구운 점토 벽돌이나 콘크리트에 비해 저렴하고 지속 가능한 대안을 제공합니다. 그러나 가공되지 않은 흙은 약해서 물에 젖으면 부서지기 때문에, 건축가들은 전통적으로 이를 결합하기 위해 결합제를 섞어 사용해 왔습니다. 수십 년 동안 표준적인 선택지는 일반 포틀랜드 시멘트였는데, 이 재료는 돌처럼 단단한 구조로 굳어지지만 생산 과정에서 막대한 양의 이산화탄소가 배출되기 때문에 환경적 비용이 큽니다. 세계가 더 친환경적인 건축 방식을 추구함에 따라, 과학자들은 다른 종류의 결합제인 지오폴리머(geopolymer)에 주목했습니다. 이 물질은 현지 점토를 강한 알칼리 용액과 혼합하여 생성되며, 고온의 소성 과정 없이도 점토를 단단한 암석 같은 물질으로 변화시키는 화학 반응을 일으킵니다. 연구자들이 직면한 과제는 이 새로운 저탄소 방식이 이 건축물이 가장 필요한 습한 열대 기후에서도 전통적인 시멘트의 성능을 견뎌낼 수 있는지 여부입니다.

카메룬과 독일에 기반을 둔 연구팀은 두 종류의 안정화된 흙 블록을 직접 비교함으로써 이 질문에 답하고자 했습니다. 연구진은 이 지역에서 흔히 볼 수 있는 라테라이트(laterite)라고 불리는 특정 유형의 붉은색 점토질 토양을 가져와 두 가지 방식으로 준비했습니다. 첫 번째 그룹의 블록에는 토양을 일반 포틀랜드 시멘트와 혼합했습니다. 두 번째 그룹에는 카올린(kaolin)이라는 종류의 점토를 사용했는데, 이 점토는 먼저 고온으로 가열되어 화학적으로 반응하기 쉬운 상태로 만든 뒤 액체 알칼리 용액과 혼합되었습니다. 연구진은 전체 무게의 5%에서 10% 사이로 결합제의 양을 달리하여 블록을 제작한 후, 무거운 기계를 사용하여 단단한 모양으로 압착했습니다. 블록을 1주와 2주 동안 굳힌 뒤, 연구팀은 이 블록들이 얼마나 강한지, 물을 얼마나 흡수하는지, 그리고 현미경으로 보았을 때 내부 구조가 어떠한지를 확인하기 위해 엄격한 일련의 테스트를 실시했습니다.

결과는 어떤 종류의 강도가 중요하냐에 따라 성능이 명확하게 갈라짐을 보여주었습니다. 연구진이 블록이 으깨지기 전까지 얼마나 많은 무게를 견딜 수 있는지 테스트했을 때, 지오폴리머 블록이 더 강력한 경쟁자로 나타났습니다. 결합제 함량이 가장 높은 10%이고 2주간 양생된 상태에서, 지오폴리머 블록은 건조 시 10.62 메가파스칼(MPa)의 압축력을 견뎌냈으며, 물에 적신 후에도 놀랍게도 10.12 메가파스칼을 유지했습니다. 반면, 동일한 수준의 시멘트 블록은 건조 시 8.12 메가파스칼을 견뎠고, 젖었을 때는 6.75 메가파스칼로 떨어졌습니다. 이러한 차이는 유의미한데, 이는 지오폴리머 블록이 처음부터 더 강했을 뿐만 아니라 수분에 노출되었을 때도 강도를 거의 잃지 않고 훨씬 잘 버텼음을 보여주기 때문입니다. 반면 시멘트 블록은 젖었을 때 강도가 훨씬 크게 떨어졌으며, 이는 폭우로 인한 침식과 손상에 더 취약함을 시사합니다.

연구진이 블록의 유연성, 즉 부러지지 않고 휘어지는 능력을 테스트했을 때는 이야기가 달라졌습니다. 이 영역에서는 전통적인 시멘트 블록이 앞섰습니다. 시멘트로 안정화된 블록은 4.22 메가파스칼의 굽힘 힘을 견뎌낸 반면, 지오폴리머 블록은 2.81 메가파스칼에 그쳤습니다. 이는 지오폴리머가 으깨짐에 저항하는 매우 단단하고 조밀한 물질을 만들어내지만, 지진이나 지반의 불균형한 침하로 인해 발생할 수 있는 비틀림이나 굽힘 힘에는 더 취약하고 덜 유연하다는 것을 의미합니다. 이에 비해 시멘트는 약간 더 유연성을 유지하여 스트레스를 흡수하고 쉽게 부러지지 않도록 해줍니다.

이 두 물질이 왜 이렇게 다르게 행동하는지 이해하기 위해, 연구팀은 원자와 분자의 배열을 보여주는 특수 이미징 도구를 사용하여 블록 내부를 관찰했습니다. 그들은 시멘트 블록에 예상되는 시멘트 수화 생성물과 함께, 벽돌 제조 시 사용된 낮은 수분 함량으로 인해 완전히 혼합되지 않은 미반응 시멘트 입자들이 포함되어 있음을 발견했습니다. 그러나 지오폴리머 블록은 다른 내부 경관을 보여주었습니다. 시멘트 결정 대신, 흙 입자들을 단단하게 결합하는 조밀한 무정형 겔(amorphous gel)이 들어 있었습니다. 이 겔은 열처리된 카올린이 알칼리 용액과 반응하여 새로운 3차원 네트워크를 형성했기 때문에 만들어졌습니다. 이 네트워크는 흙 입자 사이의 미세한 틈을 채우는 데 매우 효과적이어서, 결과적으로 지오폴리머 블록이 시멘트 블록보다 더 조밀하고 공극률이 낮게 되었습니다. 이들은 물 흡수량도 현저히 적었는데, 가장 우수한 지오폴리머 샘플은 무게의 약 9%만을 흡수했으나 시멘트 샘플은 거의 12%에 달했습니다.

연구는 두 재료 중 어느 것도 모든 상황에서 다른 하나를 완벽하게 대체할 수 있는 것은 아니지만, 지오폴리머가 특정 요구 사항에 대해 매력적인 대안을 제공한다고 결론지었습니다. 폭우가 상시적인 위협이 되는 열대 지역의 건축업자들에게 지오폴리머 블록은 수해 저항성과 높은 압축 강도를 제공하므로, 건조하고 견고하게 유지되어야 하는 하중 지지 벽체에 탁월합니다. 그러나 구조물이 휘어지거나 굽힘 힘에 저항해야 하는 경우에는 전통적인 시멘트가 여전히 유리합니다. 이 연구는 현지에서 구할 수 있는 재료를 사용하고 저탄소 화학 공정을 활용함으로써, 환경 친화적일 뿐만 아니라 내구성과 수분 안정성 측면에서 기술적으로 우수한 흙 블록을 만드는 것이 가능하다는 것을 입증했습니다. 이 작업은 이 지역의 지속 가능한 주거의 미래가 단 하나의 보편적인 해결책에 의존하는 것이 아니라, 적재적소에 맞는 결합제를 선택하는 데 달려 있음을 시사합니다.