Effect of activator composition on strength evolution and silicon-oxygen network reconstruction of rice husk ash-based sodium silicate-activated waste glass powder cementitious materials
본 연구는 다양한 모듈러스를 사용하여 제조된 쌀겨 재 기반 규산나트륨 활성 폐유리 분말 시멘트성 재료 중에서, 가교 산소 비율의 유의미한 증가로 입증된 초기 단계의 네트워크 탈중합과 후기 단계의 축중합 사이의 균형을 최적화함으로써 모듈러스 1.5가 28일 압축 강도(39.6 MPa)를 가장 높게 나타낸다는 것을 입증한다.
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현대 사회에서 건설 산업은 이중적인 과제에 직면해 있다. 즉, 더 강하고 내구성이 있는 구조물을 구축하는 동시에, 전통적인 시멘트 생산이 남기는 막대한 탄소 발자국을 줄여야 한다는 것이다. 동시에 도시들은 엄청난 양의 고형 폐기물, 특히 자연적으로 부패하거나 분해되지 않아 매립지를 채우게 되는 유리를 생성하고 있다. 과학자들은 오래전부터 분쇄된 유리가 모래와 자갈의 일부를 대체하는 데 사용될 수 있다는 것을 알고 있었지만, 단순히 이를 혼합하는 것만으로는 강도를 확보하기에 충분하지 않다. 폐유리를 건물을 지탱하는 결합재로 만들기 위해 연구자들은 '알칼리 활성화(alkali activation)'라고 불리는 공정을 사용한다. 이는 유리 가루를 고알칼리 액체와 혼합하는 과정을 포함하는데, 이 액체는 화학 용매처럼 작면하여 단단한 유리 구조를 분해한 뒤 이를 새로운 고체 겔 형태로 재조립한다. 이 공정의 핵심은 바로 액체 활성제 자체에 있다. 만약 액체가 너무 강하면 유리를 빠르게 분해하지만, 나중에 강한 네트워크를 형성할 만큼의 구성 성분을 충분히 남겨두지 못할 수 있다. 반대로 액체가 너무 약하면 유리를 효과적으로 녹여낼 수 없다. 환경 친화적이면서도 기계적으로 견고한 재료를 만들기 위해서는 완벽한 균형을 찾는 것이 필수적이다.
중국 주저우 대학교의 연구팀은 폐유리 가루와 왕겨 재(rice husk ash)라는 두 가지 특정 폐기물을 사용하여 이 균형 잡기 문제를 해결하고자 했다. 왕겨 재는 쌀 가공 과정에서 발생하는 부산물로, 유리 및 모래에서 발견되는 주요 성분인 실리카가 풍부하다. 연구팀은 값비싼 상업용 화학 물질을 구입하는 대신, 왕겨 재를 수산화나트륨 용액에 녹여 직접 액체 활성제를 만들었다. 그런 다음 이 직접 만든 액체를 폐유리 가루와 혼합하여 페이스트를 만들었다. 이 레시피가 최종 강도에 어떤 영향을 미치는지 이해하기 위해, 그들은 세 가지 서로 다른 배치를 준비했다. 각 배치에서 유리의 양은 동일하게 유지하되, 액체 활성제 내 성분의 비율을 변경했다. 한 배치는 실리카 대 나트륨의 비율이 낮았고, 다른 하나는 중간이었으며, 세 번째는 높은 비율을 가졌다. 그 후 그들은 이 재료들이 1주와 4주 후에 얼마나 단단해지는지 테스트했다.
결과는 시간이 경과함에 따라 재료가 어떻게 발달하는지에 대한 명확한 패턴을 보여주었다. 불과 1주일 만에, 가장 낮은 실리카 비율을 가진 배치가 31.4 MPa의 압축 강도에 도al하며 가장 강한 모습을 보였다. 이는 해당 혼합물의 알칼리 성분 농도가 더 높아 유리 네트워크를 매우 빠르게 분해함으로써 조기에 경화되도록 했기 때문이다. 그러나 시간이 흐르면서 이야기는 달라졌다. 4주 차에는 중간 실리카 비율을 가진 배치가 39.6 MPa의 압축 강도를 달성하며 다른 두 그룹보다 현저히 높은 수치를 기록하며 명확한 승자로 떠올랐다. 가장 많은 구성 성분을 보유했던 최고 실리카 비율의 배치는 중간 정도의 결과에 머물렀고, 초기에 강했던 배치는 그룹 내에서 가장 낮은 강도로 떨어졌다. 이러한 변화는 강력한 초기 화학적 공격이 재료를 빠르게 굳히는 데는 도움이 되지만, 장기적인 강도는 시간이 지남에 따라 조밀하고 상호 연결된 네트워크를 구축할 수 있는 충분한 용해 실리카를 보유하는 데 달려 있음을 보여주었다.
이러한 현상의 원인을 파악하기 위해 연구진은 원자의 배열과 화학 결합의 구조를 볼 수 있는 첨단 이미징 도구를 사용하여 재료 내부를 관찰했다. 그들은 이 과정에서 새로운 결정이 생성되는 것이 아니라, 유리가 원래의 유리와는 다른 내부 구조를 가진 무질서한 비정질 고체로 변형된다는 것을 발견했다. 화학 결합을 분석함으로써, 그들은 실리콘 원자들을 결합하여 강한 3차원 망을 형성하는 연결 고리인 '가교 산소(bridging oxygen)' 원자의 비율을 측정했다. 1주일째에 가장 낮은 실리카 비율의 혼합물이 가장 많은 가교 결합을 가지고 있었는데, 이것이 초기 강도를 설명해 주었다. 하지만 4주 차에는 중간 비율의 혼합물이 가장 많은 가교 결합(63.25%)을 형성하며 발전했다. 이러한 연결 수의 증가는 강도의 증가와 직접적으로 일치했다. 가장 낮은 실리카 비율의 혼합물은 더 많은 결합을 형성하기 전에 구성 성분이 너무 빨리 고갈되었고, 가장 높은 실리카 비율의 혼합물은 그 많은 추가 성분들을 모두 사용하기에 유리를 충분히 빠르게 녹여내지 못했다. 오직 중간 비율의 혼합물만이 유리를 계속 녹이면서 동시에 결합을 형성해 나가는 과정을 유지하여 가장 강력한 구조를 만들어냈다.
이 연구는 더 강하고 더 친환경적인 건축 재료로 가는 길이 단일 성분을 극대화하는 것이 아니라, 화학 반응의 속도와 공급되는 구성 재료 사이의 정밀한 균형을 찾는 것임을 입증한다. 왕겨 재를 사용하여 활성제를 만드는 방식을 통해, 연구진은 두 종류의 폐기물을 고성능 시멘트 대체재로 바꿀 수 있음을 보여주었다. 이 연구 결과는 이 특정 재료 조합의 경우, 활성제 내의 적당한 실리카 양이 유리를 녹이고 이를 조밀하고 내구성 있는 네트워크로 재조립하기 위한 최적의 환경을 제공한다는 것을 시사한다. 이러한 접근 방식은 세계의 늘어나는 유리와 농업 폐기물 더미를 지속 가능한 건설을 위한 가치 있는 자원으로 바꾸는 실질적인 청사진을 제공하며, 올바른 화학적 레시피가 한때 쓰레기로 여겨졌던 것을 미래의 토대로 변모시킬 수 있음을 증명한다.
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