Mechanical properties and stress-strain behavior of alkali-activated concrete incorporating sintered MSWI fly ash

기술 요약: 소성된 MSWII 비산재를 포함한 알칼리 활성 콘크리트의 역학적 특성 및 응력-변형률 거동

문제 제기
전 세계적인 도시 고형 폐기물(MSW) 발생량이 급증하고 있으며, 특히 중국을 비롯한 많은 지역에서 소각이 주요 처리 방법으로 활용되고 있다. 바닥재(bottom ash)는 빈번하게 재활용되는 반면, MSWI 비산재(fly ash)는 높은 중금속, 다이옥신 및 염화물 농도로 인해 중국에서는 유해 폐기물(HW18)로 분류된다. 시멘트를 이용한 고형화/안정화(S/S)와 같은 기존의 무해화 처리법은 장기적인 환경적 위험을 초래하며, 세척 및 가열 처리는 한계가 있다. 소성(sintering)은 중금속을 고정하는 데 효과적인 방법이지만, 소성된 MSWI 비산재를 건설 재료에 활용하는 연구는 아직 미미한 실정이다. 구체적으로, 소성된 MSWI 비산재를 시멘트의 일부 대체재로 사용하는 알칼리 활성 콘크리트의 배합비를 최적화하는 연구와, 일축 압축 하에서의 역학적 거동, 파괴 모드 및 응력-변형률 구성 모델에 관한 데이터가 부족하다.

연구 방법
본 연구는 소성된 MSWI 비산재와 메타카올린(MK)을 포함한 알칼리 활성 콘크리트의 역학적 특성과 수화 메커니즘을 조사하였다.

• 재료: 광둥성 소재의 공장에서 원료 MSWI 비산재를 입수하였으며, 독성을 줄이기 위해 고온 소성(1050°C, 180분) 전처리를 수행하였다. 결합제 시스템은 P·O 42.5 시멘트, 소성된 MSWI 비산재, MK로 구성되었으며, 규산나트륨과 NaOH 용액에 의해 활성화되었다.
• 실험 설계: 반응 표면 분석법(RSM)과 결합된 박스-벤켄 설계(BBD)를 사용하여 배합비를 최적화하였다. 네 가지 요인을 세 가지 수준에서 분석하였다: 알칼리 당량(1–3%), 물-결합제 비(0.40–0.50), 소성된 MSWI 비산재 함량(10–30%), 그리고 MK 함량(10–30%)이다.
• 시험: 시편은 28일 동안 양생되었다. 인장 강도 및 압축 강도를 포함한 역학적 특성을 측정하였다. 디지털 이미지 상관법(DIC)이 장착된 전기-유압식 서보 장치를 사용하여 일축 압축 시험을 수행하였으며, 이를 통해 변형률 분포와 균열 전파를 모니터링하였다.
• 미세구조 분석: 주사 전자 현미경(SEM), X선 회절 분석(XRD), 푸리에 변환 적외선 분광법(FTIR) 및 열중량 분석(TG-DTG)을 사용하여 수화 메커니즘을 규명하였다.
• 구성 모델링: 물-결합제 비와 비산재 함량을 변화시킨 종합적인 요인 실험을 바탕으로, 수정된 응력-변형률 구성 모델을 개발하고 실험 데이터와 검증하였다.

주요 결과

• 최적 배합비: 다목적 최적화를 통해 도출된 최적 배합은 알칼리 당량 1%, 물-결합제 비 0.42, 소성된 MSWI 비산재 함량 20%, MK 함량 20%였다. 이 조합은 예측된 인장 강도 4.69 MPa 및 압축 강도 63.92 MPa를 나타냈다. 실험적 검증 결과, 오차 범위 5% 미만으로 해당 수치들이 확인되었다.
• 역학적 특성:
  • 강도: 알칼리 당량이 증가할수록 원료의 용해도 제한으로 인해 일반적으로 인장 강도가 감소하였다. 소성된 MSWI 비산재 함량이 증가하면 압축 강도가 약간 감소하였으나, 본 콘크리트는 30% 대체 시에도 60 MPa 이상의 강도를 유지하였다.
  • 파괴 모드: 일축 압축 하에서 콘크리트는 전단형 파괴를 보였다. 소성된 MSWI 비산재와 MK의 혼입은 일반 콘크리트에 비해 균열 발생을 지연시키고, 피크 응력을 높였으며, 탄성 계수, 연성 및 에너지 소산 능력을 향 향상시켰다.
  • 미세구조: SEM 분석 결과, 1%의 알칼리 당량은 플로큘런트(flocculent) 형태의 겔을 가진 치밀한 구조를 생성하였으나, 높은 알칼리 수준에서는 판상형 $Ca(OH)_2$와 높은 공극률을 유발하였다. 소성된 MSWI 비산재는 최적 수준에서는 충전재 역할을 하였으나, 30% 함량에서는 응집과 공극을 유발하였다.
• 수화 메커니즘: XRD 및 FTIR 분석을 통해 C-S-H, C-A-S-H, 프리델 염(Friedel's salt) 및 리버사이트(riversideite)의 형성을 확인하였다. 프리델 염의 존재는 염화물 이온의 효과적인 고형화를 나타낸다. TG-DTG 분석 결과, 높은 알칼리 당량은 $Ca(OH)_2$ 함량을 증가시킨 반면, 높은 물-결합제 비는 수화 생성물(C-(A)-S-H)의 양을 감소시켜 강도에 부정적인 영향을 미치는 것으로 나타났다.
• 구성 모델: 상승 단계에는 CEB-FIP 모델을, 하강 단계에는 수정된 Zhenhai Guo 모델을 활용하여 수정된 구성 모델을 구축하였다. 이 모델은 물-결합제 비와 소성된 MSWI 비산재 함량을 변수로 포함하였으며, 실험적 응력-변형률 곡선과 높은 상관관계($R^2 > 0.99$)를 보였다. 또한, 이 콘크리트 유형의 특정 변수를 고려한 새로운 탄성 계수 공식을 제안하였다.

의의 및 주장
저자들은 본 연구가 '폐기물 없는 도시' 건설을 위한 MSWI 비산재의 무해한 활용을 위한 핵심적인 경로를 제공한다고 주장한다. 소성된 MSWI 비산재가 기계적 성능을 저하시키지 않으면서 알칼리 활성 콘크리트에 효과적으로 사용될 수 있음을 입증함으로써, 본 연구는 환경 관리 과제와 탄소 감축 목표를 동시에 해결한다. 특정 응력-변형률 구성 모델과 탄성 계수 공식의 개발은 이 재료의 공학적 적용에 대한 공백을 메우며, 구조 설계에 대한 이론적 근거를 제공한다. 본 연구는 최적화된 배합이 유해 폐기물의 재사용을 촉진할 뿐만 아니라, 결과물인 콘크리트의 연성과 에너지 소산 능력을 향상시켜 공학적 응용에 적합하게 만든다는 결론을 내린다.