Mechanical and abrasion behaviour of cement and alkali-activated material mixes based on oil refinery waste catalyst: investigation and semi-empirical predictive models

공장, 창고, 그리고 붐비는 공공장소의 콘크리트 바닥은 마모와의 끊임없는 싸움에 직면해 있습니다. 모든 발걸음, 모든 카트의 움직임, 그리고 모든 차량의 타이어는 표면을 깎아내며, 시간이 흐름에 따라 재료를 서서히 제거하고 구조를 약화시킵니다. 오래 지속되는 바닥을 만들기 위해 엔지니어들은 콘크리트를 결합하는 결합제인 시멘트에 의존합니다. 그러나 이 시멘트를 생산하는 데는 막대한 대가가 따릅니다. 시멘트 1톤을 만들 때마다 거의 0.85톤의 이산화탄소가 대기 중으로 방출되어 기후 변화에 크게 기여합니다. 이러한 현실로 인해 연구자들은 산업 폐기물을 시멘트의 일부를 대체할 방법, 즉 오염 문제를 건설 솔루션으로 바꾸는 방법을 찾기 위해 노력해 왔습니다. 그러한 폐기물 중 하나는 정유 공정에서 나오는데, 이곳에서는 원유를 연료로 바꾸는 데 도움을 주는 '촉매'라고 불리는 아주 작은 입자들이 사용됩니다. 이 입자들이 임무를 완수하고 나면 "폐촉매"로서 버려집니다. 이 입자들은 콘크리트를 구성하는 암석과 모래에 들어 있는 성분과 동일한 알루미늄과 실리카가 풍부하여, 새로운 생애를 살기에 유용할 수 있음을 시사합니다.

한 연구팀은 이 버려진 정유 촉매 입자를 콘크리트에 혼합하여 환경에 도움이 되면서도 더 강하고 내구성이 뛰어난 바닥을 만들 수 있는지 테스트하기 위해 연구를 시작했습니다. 그들은 두 가지 다른 유형의 콘크리트 혼합물에 집중했습니다. 첫 번째는 폐입자가 시멘트의 일부를 대체하는 충전재 역할을 하는 표준 시멘트 혼합물입니다. 두 번째는 전통적인 시멘트를 전혀 사용하지 않고 화학 용액을 사용하여 폐입자를 결합하는 더 발전된 형태인 "알칼리 활성" 혼합물입니다. 연구진은 폐입자의 크기와 혼합물의 유형이 압축, 굽힘, 그리고 지속적인 마모에 저항하는 콘크리트의 능력에 어떤 영향을 미치는지 확인하고자 했습니다. 또한 그들은 폐기물을 얼마나 추가했는지와 입자가 얼마나 미세한지에 따라 바닥이 얼마나 강할지를 콘크리트를 붓기도 전에 예측할 수 있는 일련의 규칙을 만들고자 했습니다.

연구팀은 먼저 재료를 모으는 것으로 시작했습니다: 표준 포틀랜드 시멘트, 강사(river sand), 물, 그리고 폴란드 정유소에서 나온 폐촉매 입자입니다. 그들은 크기가 중요한지 확인하기 위해 촉매 입자를 더 고운 것과 거친 것 두 가지 크기로 정밀하게 분류했습니다. 그런 다음 일련의 테스트 배치를 만들었습니다. 어떤 배치에서는 시멘트의 최대 20%를 폐입자로 대체했고, 다른 배치에서는 폐입자를 알칼리 활성 혼합물의 주요 성분으로 사용했습니다. 혼합물이 작업하기 용이하도록 연구진은 젖은 콘크리트가 틀 안으로 쉽게 흐를 수 있도록 액체 가소제를 첨가했습니다. 콘크리트가 굳은 후, 연구진은 엄격한 일련의 테스트를 거쳤습니다. 그들은 압축 강도를 측정하기 위해 재료의 큐브를 으깼고, 휨 강도를 테스트하기 위해 긴 보(beam)를 구부렸으며, 재료가 시간이 지남에 따라 얼마나 많은 무게를 잃는지 측정하기 위해 무거운 연마 휠이 표면을 문지르는 특수 기계를 사용했습니다. 이 마모 테스트는 몇 시간 만에 수년간의 보행 및 차량 마모를 시뮬레이션하기 때문에 매우 중요합니다.

결과는 어떤 유형의 콘크리트를 사용하느냐에 따라 성능이 명확하게 갈라짐을 보여주었습니다. 표준 시멘트 혼합물에서는 폐입자를 추가하는 것이 매우 효과적이었습니다. 연구진이 시멘트의 20%를 폐촉매로 대체했을 때, 결과물인 콘크리트는 더 강해졌고 마모에 대한 저항력도 높아졌습니다. 가장 고운 입자를 사용한 혼합물은 52메가파스칼의 압축 강도와 8메가파스칼의 휨 강도를 달enc성했으며, 순수 시멘트에 비해 마모 저항성이 18% 향상되었습니다. 폐입자는 스펀지처럼 물을 흡수하고 시멘트와 반응하여 미세한 틈을 메움으로써 더 밀도가 높고 단단한 재료를 만들어냈습니다. 그러나 알칼리 활성 혼합물의 이야기는 달랐습니다. 이 혼합물에서 폐입자는 화학적 결합제와 완전히 반응하지 못했습니다. 그 결과물은 현저히 약해졌으며 마모도 훨씬 심했는데, 28일 후 시멘트 혼합물보다 9배나 높은 무게 손실을 보였습니다. 연구진은 화학적 활성화 과정이 불완전하여 많은 폐입자가 반응하지 않은 채 구조 내에 느슨하게 머물러 있었고, 이로 인해 마찰 하에서 표면이 쉽게 부스러진다는 것을 발견했습니다.

이 복잡한 결과를 파악하기 위해 연구진은 모든 테스트를 매번 수행할 필요 없이 성능을 예측할 수 있는 수학적 모델을 개발했습니다. 이 모델들은 단순한 추측이 아니었습니다. 이 모델들은 폐기물의 양, 입자 크기, 사용된 결합제의 유형, 그리고 콘크리트의 연령을 최종 강도 및 내구성과 연결하는 물리적 원리에 기반하여 구축되었습니다. 모델은 매우 정확하여, 압축 강도, 굽힘 강도, 그리고 마모 손실을 7% 미만의 오차 범위 내에서 예측했습니다. 이는 엔지니어가 계획 중인 특정 혼합물을 알고 있다면, 이 공식을 사용하여 해당 바닥이 과중한 통행량 하에서 어떻게 성능을 발휘할지 확신을 가지고 예측할 수 있음을 의미합니다. 모델은 표준 시멘트의 경우 폐기물을 추가하는 것이 강도와 내구성을 모두 높이는 윈-윈(win-win) 전략임을 확인해주었습니다. 알칼리 활성 혼합물의 경우, 모델은 현재의 화학적 레시피가 이 특정 폐기물을 완전히 활용하기에는 아직 미성숙하며, 입자들이 필요한 결합력을 제공하기에는 너무 비활성 상태라는 점을 강조했습니다.

본 연구는 정유 폐기물을 콘크리트에 사용하는 것이 실행 가능한 경로이지만, 적절한 접근 방식이 필요하다고 결론짓습니다. 시멘트의 일부를 이 입자들로 교체하면 더 강력한 고성능 재료를 만들 수 있으며, 건설의 탄소 발자국을 줄일 수 있습니다. 연구진은 시멘트의 20%를 교체함으로써 결합제 1톤당 약 170kg의 탄소 배출량을 줄일 수 있을 것으로 추정합니다. 그러나 이러한 이점은 폐기물이 전통적인 시멘트 혼합물에서 반응성 충전재로 사용될 때만 실현됩니다. 보다 실험적인 알칼리 활성 시스템에서 이 기술은 이 특정 폐기물을 효과적으로 다루기에는 아직 성숙하지 않았습니다. 이 연구는 건설 산업에 명확한 로드맵을 제공합니다. 즉, 폐기물의 유형과 입자 크기를 신중하게 선택함으로써, 건설업자들은 더 지속 가능할 뿐만 아니라 더 오래 지속되는 바닥을 만들 수 있으며, 산업 부산물을 미래의 토대로 탈바꿈시킬 수 있습니다.