Effects of EDTA and Crumb Rubber on the Mechanical, Freeze–Thaw, and Microstructural Behavior of Cement-Stabilized Sand
본 연구는 EDTA와 시멘트의 첨가가 안정화된 모래의 압축 강도와 미세구조 밀도를 유의미하게 향상시키는 반면, 폐타이어 분말을 5% 혼입하는 것은 최대 강도의 약간의 감소에도 불구하고 연성 및 동결-융해 저항성을 개선함으로써 최적의 균형을 제공한다는 것을 입증한다.
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우리가 운전하는 도로와 건물 기초 아래에는 무거운 하중을 견디기에는 너무 느슨한 경우가 많은 모래의 세계가 펼쳐져 있습니다. 모래는 물이 잘 빠지고 쉽게 다져지기도 하지만, 점토와 같은 자연적인 끈기가 부족하여, 특히 지표면이 얼고 녹는 과정에서 압력을 받으면 위치가 바뀌거나 가라앉거나 부서질 수 있습니다. 이를 해결하기 위해 엔지니어들은 종종 모래에 시멘트를 섞어 무게를 지탱할 수 있는 단단하고 돌 같은 재료를 만듭니다. 그러나 이 시멘트 혼합 모래에는 결함이 있습니다. 매우 강하지만 또한 매우 취성(부서지기 쉬운 성질)이 있어, 지표면이 움직이거나 변형되면 갑자기 툭 끊어질 수 있다는 점입니다. 이를 해결하기 위해 연구자들은 이 경화된 토양을 더 유연하게 만드는 방법을 찾기 시작했으며, 오래된 타이어에서 나온 재활용 고무를 추가하는 것이 재료가 부서지는 대신 휘어지도록 도울 수 있는지 테스트하는 한편, 일반적인 화학 첨가제를 사용하여 시멘트가 더욱 강력하게 결합할 수 있는지 실험하고 있습니다.
이란 마슈하드(Mashhad)의 한 실험실에서 연구팀은 이 개선된 지반 재료를 위한 완벽한 배합법을 찾고자 했습니다. 그들은 입자 크기가 미세한 것부터 굵은 것까지 다양하여 서로 빽빽하게 채워질 수 있는 특정 종류의 입도 분포가 좋은 모래로 시작했습니다. 그들은 이 모래를 표준 결합제인 포틀랜드 시멘트 10%와 혼합하여 견고한 기초를 만들었습니다. 이 혼합물에 연구진은 칼슘 이온을 붙잡아 시멘트가 경화되는 방식을 변화시키는 분자 수준의 조력자 역할을 하는 EDTA라는 화학 물질을 소량 추가했습니다. 마지막으로, 그들은 재료를 너무 약하게 만들지 않으면서 얼마나 많은 유연성을 추가할 수 있는지 알아보기 위해 모래의 일부를 폐타이어에서 나온 작은 조각인 크럼 고무(crumb rubber)로 대체하여 도입했습니다. 그들은 이 혼합물의 여러 버전을 테스트하며 몇 주 동안 양생하여 시간이 지남에 따라 어떻게 더 강해지는지 관찰했고, 그 후 극한의 압력과 빙결 온도 조건에서 어떻게 견디는지 확인하기 위해 극한의 테스트를 실시했습니다.
결과는 이러한 성분들이 어떻게 상호작용하는지에 대해 명확한 이야기를 들려주었습니다. 시멘트만 사용했을 때는 느슨한 모래가 강한 재료로 변했지만, 화학적 조력자를 추가하자 훨씬 더 강해지고 에너지 흡수력이 높아졌습니다. 연구진이 미시적 구조를 관찰했을 때, 화학적 처리가 시멘트만 있을 때보다 모래 입자 사이의 미세한 틈을 더 효과적으로 메워 더 밀도가 높고 단단하게 결합된 매트릭스를 형성하는 것을 확인했습니다. 그러나 고무를 추가했을 때 이야기는 약간 달라졌습니다. 예상대로, 고무를 추가하면 부드러운 고무 입자가 단단한 시멘트 네트워크를 방해하기 때문에 재료의 최대 강도는 감소했습니다. 하지만 이 절충안은 실패가 아니었습니다. 고무는 재료가 부서지기 전에 늘어나고 에너지를 흡수할 수 있는 능력을 훨씬 더 높여주어, 갑작스러운 파손을 보다 점진적이고 용인 가능한 실패로 바꾸어 놓았습니다.
연구진은 고무의 양이 매우 중요하다는 것을 발견했습니다. 고무를 너무 적게 넣으면 재료가 너무 딱딱한 상태로 남았고, 너무 많이 넣으면 구조가 너무 약해져서 쓸모가 없게 되었습니다. 그러나 특정 수준, 즉 모래의 5%를 크럼 고무로 대체했을 때 그들은 최적의 지점을 발견했습니다. 이 혼합물은 실용적인 수준의 강도를 유지하면서도, 충격을 받아도 산산조각 나지 않고 견딜 수 있는 충분한 유연성을 얻었습니다. 지표면 내부의 물이 얼어서 팽창하는 혹독한 겨울 조건을 시뮬레이션하는 테스트에서, 이 5% 고무 혼합물은 놀라운 회복력을 보여주었습니다. 반복적인 동결 및 융해 주기 이후에 강도가 다소 감소하기는 했지만, 여 {여전히 처리되지 않은 모래보다 거의 8배 더 높은 하중 지지 능력을 유지했으며, 동일한 조건에서 심하게 부서진 처리되지 않은 토양보다 훨씬 뛰어난 성능을 보였습니다.
연구는 또한 경사면과 제방의 안정성에 핵심적인 요소인 미끄러짐 저항성에 대해서도 조사했습니다. 시멘트와 화학적 처리는 재료의 결합력과 미끄러짐 저항력을 높였으며, 고무는 이 접착력을 약간 감소시켰으나 천연 모래보다는 훨씬 높은 수준을 유지했습니다. 현미경 아래에서 팀은 차이점을 볼 수 있었습니다. 처리되지 않은 모래는 열린 틈과 느슨한 입자를 보여주었고, 시멘트가 섞인 모래는 결합 물질의 연속적인 망을 보여주었으며, 고무가 수정된 버전은 부드러운 고무 입자가 그 망 안에 박혀 있어 강하면서도 적응력이 있는 복합체를 형성하고 있었습니다. 화학 분석 결과, 처리된 샘플은 칼슘 수치가 더 높게 나타나 더 활발한 화학 반응이 일어났음을 확인시켜 주었으며, 고무에서 유래한 탄소의 존재는 재활용 재료의 성공적인 통합을 확인해주었습니다.
궁극적으로, 이 연구는 시멘트, 화학적 수정제, 그리고 소량의 재활용 고무를 신중하게 균형 있게 조합함으로써 엔지니어들이 단순히 강할 뿐만 아니라 인성(toughness)까지 갖춘 지반 안정화 재료를 만들 수 있음을 시사합니다. 이 접근 방식은 전통적인 재료를 파괴할 수 있는 지속적인 동결 및 융해 순환이 발생하는 추운 기후에서 폐타이어를 사용하여 인프라의 내구성을 향고할 수 있는 방법을 제공합니다. 5% 고무 혼합물은 강도와 유연성의 균형 잡힌 조합을 제공하여, 지표면의 예측 불가능한 움직임에 도로와 기초가 더 잘 견딜 수 있도록 하는 가장 유망한 후보로 떠올랐습니다. 이 연구는 특정 조건과 재료에 초점을 맞추었지만, 그 결과는 폐기물을 우리의 건설 환경을 더욱 내구 있고 적응력 있게 만드는 자원으로 바꿀 수 있는 실질적인 방법을 제시합니다.
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