Influence of Waste Glass Powder on Rheology, Printability and Mechanical Properties of Alkali-Activated Materials for 3D Concrete Printing

건설업은 현대 생활의 거대한 엔진이지만, 그에 따른 막대한 환경적 대가를 치르고 있습니다. 세계 탄소 배출량의 상당 부분은 콘크리트를 결합하는 결합제인 시멘트를 만드는 과정에서 발생합니다. 이 공정은 석회석을 극한의 온도로 가열하는 과정을 포함하며, 이 단계에서 막대한 양의 이산가스(이산화탄소)가 방출됩니다. 동시에, 세계는 병과 창문에서 나오는 엄청난 양의 폐유리를 생성하고 있습니다. 유리는 이론적으로 재활용이 가능하지만, 현실은 복잡합니다. 서로 다른 색상과 종류의 유리가 종종 섞여 있어 전통적인 재활용을 위해 분류하는 것이 어렵고 비용이 많이 들기 때문입니다. 이로 인해 수백만 톤의 유리가 매립지에 버려지고 있습니다.

최最近 몇 년 동안, 3D 콘크리트 프린팅이라는 기술이 나무 거푸집 없이 층층이 구조물을 쌓아 올리는 방법으로 등장했습니다. 이 방식은 시간을 절약하고 폐기물을 줄일 수 있다는 약속을 하지만, 새로운 문제를 야기합니다. 프린팅에 사용되는 콘크리트 혼합물은 매우 특수해야 합니다. 노즐을 통해 펌프질할 수 있을 만큼 유동적이어야 하는 동시에, 배치된 직후 형태를 유지할 수 있을 만큼 단단해야 합니다. 이를 달성하기 위해 전통적인 혼합물은 흔히 높은 함량의 시멘트에 의존하는데, 이는 프린팅 과정의 환경적 이점을 저해합니다. 연구자들은 이제 그 시멘트를 산업 부산물과 폐기물로 대체할 방법을 찾고 있으며, 강하면서도 지속 가능한 프린팅 재료를 만들기를 희망하고 있습니다.

호주 그리피스 대학교의 연구팀은 특정 유형의 폐기물을 테스트함으로써 이 퍼즐을 해결하고자 했습니다. 그들은 분쇄된 유리 가루를 3D 프린팅 건축물의 핵심 성분으로 바꿀 수 있는지 확인하고 싶었습니다. 그들의 목표는 알칼리 활성 물질(alkali-activated material)이라고 알려진 대체 시멘트 시스템에 유리 가루를 어느 정도 섞을 수 있는지 찾아내는 것이었습니다. 일반 시멘트와 달리, 이 시스템은 플라이 애시(fly ash)와 같은 산업 부산물과 액체 활성제 사이의 화학 반응을 사용하여 굳어지며, 전통적인 시멘트를 전혀 필요로 하지 않습니다. 연구진은 용기용 유리(병 등)로 만든 가루와 창문 같은 평면 유리로 만든 가루, 두 가지 종류의 폐유리 가루를 테스트했습니다. 그들은 이 가루들을 혼합물 내의 플라이 애시를 최대 절반까지 대체하여 다양한 수준으로 배합했습니다.

연구팀은 섬세한 균형 잡기에 직면했습니다. 혼합물이 너무 묽으면 프린팅된 층이 주저앉아 형태를 잃게 됩니다. 반대로 너무 단단하면 프린팅 노즐을 막거나 밀어낼 때 부서질 수 있습니다. 그들은 전체 고형 성분의 약 30% 정도 되는 적당한 양의 유리 가루를 첨가했을 때 완벽한 중간 지점이 형성된다는 것을 발견했습니다. 이 수준에서 유리 가루는 작은 매끄러운 볼 베어링처럼 작용하여, 신선한 혼합물이 펌프를 통해 더 쉽게 흐르게 만들었습니다. 그러나 재료가 배치된 후에는 즉시 단단함을 회복하여, 층이 무너지지 않고 쌓일 수 있도록 했습니다. 이러한 빠른 강성 회복은 높은 구조물을 쌓는 데 매우 중요한데, 새로운 층이 위의 층 무게를 지탱할 수 있게 해주기 때문입니다.

하지만 유리의 종류 또한 양만큼이나 중요했습니다. 더 미세하고 불규칙한 입자로 구성된 평면 유리 가루는 용기용 유리 가루보다 혼합물을 더 단단하고 강하게 만드는 경향이 있었습니다. 평면 유리 혼합물은 형태를 잘 유지했지만, 때때로 펌프질하기가 더 어려웠습니다. 용기용 유리 혼합물은 더 잘 흘렀지만 강도는 약간 낮았습니다. 연구진은 유리 함량을 50%까지 너무 높게 올리면 재료가 실패한다는 것을 발견했습니다. 이 고함량 유리 혼합물은 형태는 매우 잘 유지했지만, 흐름에 대한 저항이 너무 커져서 매끄럽게 압출되지 못했고, 결국 인쇄된 구조물에 끊긴 선과 틈을 만들었습니다. 이는 단순히 혼합물을 단단하게 만드는 것이 더 나은 프린팅을 보장하는 것이 아니라, 재료가 기계를 통해 움직일 수 있을 만큼 충분히 유동적이어야 한다는 점을 입증했습니다.

연구진이 굳은 블록의 강도를 테스트했을 때, 유리를 더 많이 첨로할수록 반응성이 낮은 성분으로 대체되기 때문에 재료가 다소 약해진다는 것을 발견했습니다. 이는 예상된 결과였습니다. 평면 유리 가루를 사용한 혼합물이 용기용 유리보다 더 많은 강도를 유지했는데, 이는 미세한 입자들이 더 조밀하게 채워졌기 때문인 것으로 보입니다. 이러한 약간의 강도 저하에도 불구하고, 30% 대체 혼합물은 건설용으로 사용하기에 충분히 견고했습니다. 미세 구조 검사를 통해 이 최적의 혼합물들이 균열이 거의 없는 매우 조밀하고 압축된 내부 구조를 가지고 있는 반면, 유리가 너무 많은 혼합물은 눈에 띄는 결함을 보인다는 것을 확인했습니다.

물리적 특성을 넘어, 이 연구는 중요한 환경적 승리를 강조했습니다. 전통적인 시멘트를 교체하고 폐유리를 사용함으로써, 연구진은 새로운 프린팅 재료가 표준 시멘트 모르타르에 비해 탄소 발을 약 35% 줄였다고 계산했습니다. 이 감소량은 일반 시멘트를 완전히 제거했다는 점을 고려할 때 상당한 수치입니다. 이 연구는 석탄 발전으로부터의 전환으로 인해 플라이 애시와 같은 전통적인 산업 부산물의 공급이 불확실해짐에 따라, 폐유리가 신뢰할 수 있고 풍부한 대안이 될 수 있음을 시사합니다. 이 연구는 정밀하게 배합을 조절한다면 흔한 폐기물 문제를 고성능 건축 자재로 바꿀 수 있음을 보여줍니다. 핵심적인 발견은 폐유리 가루를 30% 대체하는 것이 가장 좋은 타협안이며, 이를 통해 매끄럽게 프린팅되고, 형태를 유지하며, 강도를 유지하면서도 건설의 환경적 비용을 크게 낮추는 재료를 제공한다는 것입니다.