Effect of Recycled Fine Aggregate Replacement Ratio on the Fresh State, Mechanical, and Water Absorption Properties of Self- Compacting Mortar

건설 산업을 산더미 같은 모래와 바위를 집어삼키며 도시를 건설하는 동시에, 오래된 건물에서 나온 거대한 콘크리트 잔해들을 뱉어내는 거대하고 굶주린 괴물이라고 상상해 보십시오. 이는 이중고를 만듭니다. 우리는 천연 모래가 고갈되어 가고 있으며, 동시에 폐기물에 잠겨가고 있습니다. 이때 우리 이야기의 주인공이 등장합니다: 바로 **자기충전 모르타르(Self-Compacting Mortar)**입니다. 이것을 평범한 콘테이트가 아니라, 꿀처럼 흐르는 아주 매끄럽고 걸쭉한 수프라고 생각하십시오. 틀에 부으면 진동을 주거나 흔들 필요 없이 스스로 미끄러지듯 퍼져나가 구석구석을 채웁니다. 이는 효율적이면서도 완벽한, 건설업자들의 꿈입니다.

이제, 채석장에서 가져온 재료 대신 쓰레기통에서 가져온 재료로 이 완벽한 수프를 만든다고 상상해 보십시오. 그곳에 **순환 골재(Recycled Aggregates)**가 있습니다. 이것들은 부서진 오래된 콘크리트 조각들입니다. 과학자들이 던져온 큰 질문은 이것입니다: "만약 우리가 신선하고 매끄러운 강모래를 이 거칠고 재활용된 조각들로 바꾼다면, 우리의 슈퍼 수프는 여전히 잘 흐를까? 강도를 유지할까? 아니면 덩어리지고 약한 엉망진창이 되어버릴까?" 이 논문은 우리가 건설 폐기물을 성능 좋은 건축 자재로 바꿀 수 있는지, 그 과정에서 레시피를 망치지는 않는지 확인하기 위해 이 지저집한 주방 실험 속으로 뛰어듭니다.

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위대한 모래 교체 실험

이 연구에서 이란의 두 연구원은 콘크리트 실험실에서 광기 어린 과학자 역할을 하기로 했습니다. 그들은 자기충전 모르타르의 "좋은" 모래를 "재활용" 모래(부서진 오래된 콘크리트)로 다양한 비율로 대체했을 때 어떤 일이 일어나는지 알고 싶었습니다. 그들은 단순히 추측하지 않고, 다섯 가지 서로 다른 배치의 모르타르 수프를 만들었습니다:

1. 대조군: 재활용 모래 0% (100% 신선한 천연 모래).
2. 가벼운 교체: 재활용 모래 25%.
3. 중간 단계: 재활용 모래 50%.
4. 무거운 교체: 재활용 모래 75%.
5. 전체 교체: 재활용 모래 100%.

그들은 시멘트, 물, 특수 "유동성 증진" 화학제의 양을 똑같이 유지하여, 오직 모래만이 변하도록 했습니다. 그런 다음, 이 배치들을 젖은 상태(신선한 상태)에서의 거동과 건조하고 딱딱해진 상태에서의 기계적 성질을 확인하기 위해 일련의 테스트를 거쳤습니다.

유동성 테스트: "슬럼프"와 "깔때기"

먼저, 그들은 모르타르가 어떻게 움직이는지 살펴보았습니다. 걸쭉한 밀크셰이크를 붓는다고 상상해 보십시오. 너무 걸쭉하면 붓지 못할 것이고, 너무 묽으면 사방으로 튈 것입니다.

• 미니 슬럼프 플로우: 그들은 모르타르 원뿔을 떨어뜨려 얼마나 멀리 퍼지는지 관찰했습니다. "완벽한" 신선한 모르타르(재활용 0%)는 33.5 cm까지 퍼졌습니다. 하지만 재활용 모래를 추가할수록 퍼지는 범위가 줄어들었습니다. 재활용 25%일 때는 28.75 cm였습니다. 50%일 때는 23.0 cm로 떨어졌습니다. 재활용 모래 100%에 도달했을 때, 모르타르는 거의 퍼지지 않고 겨우 14.75 cm에 그쳤습니다. 이는 약 56%나 되는 엄청난 감소입니다!
• V-깔때기: 그들은 또한 모르타르가 깔때기를 통해 빠져나가는 데 걸리는 시간을 측정했습니다. 신선한 혼합물은 7초 만에 빠져나갔습니다. 100% 재활용 혼합물은 16초가 걸렸습니다.

왜 이런 일이 발생했을까요? 저자들은 재활용 모래가 마치 거칠고 울퉁불퉁한 표면을 가진 스펀지와 같다고 설명합니다. 그것은 마른 오래된 시멘트 모르타르로 덮여 있어 갈증을 느끼고 끈적거립니다. 이것을 섞으면, 이 거친 조각들이 서로를 붙잡고 물을 잡아당겨 마찰을 일으킵니다. 이는 얼음 위가 아니라 사포가 깔린 바닥 위를 미끄러지려고 하는 것과 같습니다. 재활용 모래를 더 많이 넣을수록, "수프"는 더 "걸쭉해지고" 느려집니다.

강도 테스트: 압착

다음으로, 그들은 모르타가 굳을 때까지 28일을 기다린 후, 강도를 측정하기 위해 부서질 때까지 꽉 눌렀습니다.

• 대조군 혼합물(재활용 0%)은 38.9 MPa를 견디며 강했습니다.
• 25% 혼합물은 38.2 MPa였습니다.
• 50% 혼합물은 37.6 MPa였습니다.
• 75% 혼합물은 36.1 MPa로 떨어졌습니다.
• 100% 혼합물은 35.1 MPa로 하락했습니다.

여기서 좋은 소식이 있습니다. 재활용 모래를 100% 사용하더라도 모르타르는 여전히 꽤 강했습니다(35 MPa 이상). 하락 폭은 처참하지 않았으며, 완만하고 부드러운 경사였습니다. 저자들은 재활용 모래 내부에 미세한 균열과 구멍이 있기 때문에(부서지는 과정에서 생긴) 최종 블록이 약간 더 약해질 수 있지만, 쓸모없을 정도로 약하지는 않다고 제안합니다. 50% 교체까지는 강도가 거의 변하지 않았습니다(4% 미만의 하락).

흡수 테스트: 스펀지 효과

마지막으로, 그들은 굳은 모르타르가 물을 얼마나 흡수할 수 있는지 확인했습니다.

• 대조군 혼합물은 **3.24%**의 물을 흡수했습니다.
• 100% 재활용 혼합물은 **5.02%**의 물을 흡수했습니다.

이러한 증가는 재활용 모래가 기본적으로 스펀지이기 때문에 당연한 결과입니다. 그것에는 미세한 구멍이 가득한 오래된 모르타르가 붙어 있습니다. 이 모래로 벽을 쌓으면, 이 구멍들이 연결되어 물이 이동할 수 있는 고속도로를 만듭니다. 재활용 모래를 더 많이 사용할수록, 벽은 더 "스펀지 같은" 성질을 띠게 됩니다.

결론: 최적의 지점 찾기

그렇다면 결론은 무엇일까요? 이 논문은 단순히 재활용 모래 100%를 모르타르에 던져 넣는다고 해서 원래의 것과 똑같이 작동할 것이라고 기대해서는 안 된다고 제안합니다. 유동성은 너무 느려지고, 흡수율은 너무 높아집니다.

하지만, 연구는 "골디락스 존(Goldilocks zone, 딱 적당한 지점)"을 찾아냈습니다. 만약 천연 모래의 **25%에서 50%**를 재활용 모래로 교체한다면, 두 가지 장점을 모두 얻을 수 있습니다. 이 범위 내에서:

• 모르타르는 여전히 유용할 만큼 충분히 잘 흐릅니다(비록 0% 버전만큼 완벽하지는 않지만).
• 강도는 거의 동일하게 유지됩니다(4% 미만의 아주 작은 하락).
• 물 흡수율이 높아지긴 하지만, 위험한 수준은 아닙니다.

저자들은 재활용 모래를 사용하는 것이 천연 자원을 절약하고 건설 폐기물을 처리하는 훌륭한 방법이지만, 레시피를 주의 깊게 다뤄야 한다고 결론지었습니다. 만약 교체 비율이 너무 높다면(75% 또는 100%), 제대로 작동하게 만들기 위해 유동성 증진제를 더 넣거나 물을 조절하는 등의 조치가 필요합니다. 하지만 적당한 수준의 교체라면, 환경과 건설업자 모두에게 윈윈(win-win)입니다.

이 논문이 하지 않은 것 (주의 사항)

우리가 너무 높은 기대치를 갖지 않도록 이 연구가 하지 않은 일을 아는 것이 중요합니다. 연구원들은 이 벽들이 허리케인 속에서 얼마나 오래 버틸지, 혹은 추운 날씨에 균열이 생길지, 아니면 소금물이 이를 부식시킬지를 테스트하지 않았습니다. 그들은 오직 첫 28일 동안의 결과만을 보았습니다. 또한 미세한 현미경으로 모래 내부의 미세한 균열을 관찰하지도 않았으며, 단지 눈에 보이는 결과에 근거하여 추측했을 뿐입니다. 따라서 결과가 유망하긴 하지만, 이는 모든 상황에 대한 최종 결론이라기보다는 하나의 시작점입니다.

요약하자면, 이 논문은 우리가 건설 폐기물을 새로운 건축 자재로 재활용할 수 있지만, 레시피를 신중하게 섞어야 한다는 것을 알려줍니다. 모래의 4분의 1이나 절반을 교체하면, 강하고 친환경적인 모르타르를 얻을 수 있습니다. 전부 교체한다면, 유동성을 유지하기 위해 추가적인 작업이 필요할 수도 있습니다.