Influence of recycled fine aggregate particle size on wet carbonation for producing sustainable aggregate from construction waste

도시가 성장하거나 오래된 다리가 철거될 때마다, 그 자리에는 부서진 콘크리트 더미가 남겨집니다. 수십 년 동안 이 잔해를 처리하는 표준적인 방법은 이를 분쇄하여 강바닥에서 발견되는 천연 모래와 자갈의 대체재로 사용하는 것이었습니다. 이 재활용 재료는 지속 가능한 미래를 건설하기 위한 필수적인 자원이지만, 한 가지 결함이 있습니다. 부서진 조각들은 종종 거칠고 다공성인 오래된 시멘트 페이스트로 코팅되어 있어, 재질을 약하게 만들고 물을 흡수하려는 성질을 갖게 합니다. 이를 해결하기 위해 과학자들은 '습식 탄산화(wet carbonation)'라고 불리는 공정을 개발했습니다. 간단히 말해, 이는 분쇄된 콘크리트를 물에 담그고 혼합물 속으로 이산화탄소 가스를 불어넣는 과정을 포함합니다. 가스는 오래된 시멘트 속의 칼슘과 반응하여 구멍을 채우고 재료를 강화할 수 있는 새로운 고체 광물을 형성합니다. 이는 폐기물을 더 나은 건축 블록으로 바꾸는 동시에 공기 중의 이산화탄소를 포집하는 영리한 방법입니다.

하지만 중앙남부대학교(Central South University) 연구진의 새로운 연구는 이 공정이 모든 잔해 조각에 동일하게 작용하지 않는다는 점을 시사합니다. 연구팀은 분쇄된 입자의 크기가 처리가 도움이 될지 혹은 해가 될지를 결정하는 결정적인 요인임을 발견했습니다. 그들은 이 방식이 양날의 검처럼 작용하여, 재활용 모래의 큰 덩어리들은 강화하는 동시에 가장 미세한 알갱이들은 오히려 약화시킨다는 것을 발견했습니다. 이러한 발견은 모든 재활용 콘크리트가 탄산화로부터 똑같이 혜택을 받는다는 일반적인 가설에 도전하며, 입자의 크기가 내부에서 일어나는 복잡한 화학적 전투를 결정한다는 사실을 밝혀냈습니다.

이 숨겨진 역학 관계를 밝혀내기 위해 연구진은 본질적으로 분쇄된 콘크리트 모래인 재활용 세립 골재 한 배치를 가져와 다섯 개의 뚜렷한 크기 그룹으로 분류했습니다. 그런 다음 각 그룹을 개별적으로 처리하며, 물과 모래 혼합물 속으로 이산파탄소 가스를 한 시간 동안 불어넣었습니다. 입자 크기를 분리함으로써, 그들은 미세한 먼지와 거친 입자 사이에서 화학 반응이 정확히 어떻게 전개되는지 관찰할 수 있었습니다. 그들은 물의 산도(acidity)를 측정하고, 광물의 방출을 추적하며, 강력한 현미경과 화학 분석 도구를 사용하여 모래 입자의 물리적 변화를 조사했습니다.

결과는 1.18밀리미터라는 특정 크기 임계값에서 뚜렷한 차이를 보여주었습니다. 더 큰 입자들의 경우, 이 과정은 성공적이었습니다. 이 입자들은 부피 대비 표면적이 작기 때문에 화학 반응이 더 느리게 일어났습니다. 이러한 느린 속도 덕분에 이산화탄소는 외부 표면에 단단한 껍질이 형성되기 전에 모래의 구멍 깊숙이 침투할 수 있었습니다. 결과적으로 새로운 광물이 구멍 내부에서 형성되어 구멍을 메우고 입자를 더 밀도 있고 강하게 만들었습니다. 이 큰 입자들의 흡수율은 떨어졌으며, 압축에 저항하는 능력은 크게 향상되었습니다.

반대로, 1.18밀리미터보다 작은 가장 미세한 입자들은 다른 운명을 맞이했습니다. 이 작은 입자들은 표면적이 매우 넓어서 내부의 광물을 물속으로 매우 빠르게 방출했습니다. 이 급격한 방출은 입자 표면에 즉각적인 반응을 일으켜, 거의 즉시 두껍고 딱딱한 새로운 광물 층을 만들어냈습니다. 이것이 유익하게 들릴 수도 있지만, 실제로는 장벽을 형성했습니다. 이 표면 껍질이 이산화탄소가 입자 내부로 도달하는 것을 차단했습니다. 한편, 급격한 화학 반응은 입자 내부의 결합 물질을 깎아내어 구조를 더 약하고 구멍이 많게 만들었습니다. 이 미세한 입자들의 총 기공 부피는 거의 19% 증가하여, 이전보다 더 취약하고 흡수성이 높아졌습니다.

이러한 미세 입자들의 악화에도 불구하고, 전체적인 이야기는 희망적으로 끝납로 합니다. 연구진은 강화된 큰 입자들과 약해진 작은 입자들을 다시 결합하여 건설에 적합한 완전한 입도 분포를 가진 모래를 만들었습니다. 이 처리된 혼합 모래를 사용하여 모르타르를 만들었을 때, 최종 생성물은 처리되지 않은 재활용 모래로 만든 모르타르보다 현저히 강했습니다. 100% 대체율에서, 새 모르타르는 28일 후 25.1% 더 강해졌습니다. 연구진은 강화된 큰 입자들로부터 얻은 이득이 미세 입자들로부터의 손실을 상쇄할 만큼 충분히 컸다고 제안합니다. 또한, 미세 입자의 화학적 변화는 개별 구조에는 손상을 주었지만, 최종 혼합물에서 시멘트를 결합하는 데 도움을 줄 수 있는 실리카가 풍부한 물질을 생성하여 부차적인 이점을 제공했습니다.

이 연구는 건설 폐기물을 재활용하는 것이 결코 '일률적인(one-size-fits-all)' 해결책이 아님을 강조합니다. 재활용 골재를 업그레이드하는 효과는 처리되는 입자의 특정 크기에 크게 좌우됩니다. 이 과정은 단순히 표면을 코팅하는 것이 아니라 재료 내부까지 침투할 수 있도록 반응이 충분히 천천히 진행될 때 가장 잘 작동합니다. 건설 산업에 있어 이는 향후 재활용 공장들이 폐기물을 더 세심하게 분류하여, 최종 건축 재료의 강도를 극대화하기 위해 서로 다른 크기의 분획에 대해 서로 다른 타이밍이나 방법을 적용해야 할 수도 있음을 의미합니다. 이러한 미시적 상호작용을 이해함으로써, 엔지니어들은 도시의 잔해 더미를 더 지속 가능한 세상을 위한 토대로 더 잘 변모시킬 수 있습니다.