Stablilization of Clay with Fly Ash and GGBS Based Geopolymer: Influence on Strength, Consolidation, and Shrinkage Characteristics

우리 발밑의 지면은 항상 단단하고 흔들림 없는 기초인 것은 아닙니다. 세계 여러 지역에서 토양은 스펀지처럼 행동하는 미세한 입자의 재료인 점토에 의해 지배됩니다. 비가 내리거나 계절이 바뀌면, 이 점토는 물을 흡수하여 팽창하며 상당한 힘으로 밀어 올립니다. 공기가 건조해지면 수축하고 갈라지며 그 위에 놓인 모든 것으로부터 멀어집니다. 이러한 지속적인 팽창과 수축의 순환은 엔지니어와 주택 소유주 모두에게 악몽이며, 도로를 뒤틀리게 하고, 기초를 균열시키며, 구조물이 불균등하게 침하하게 만듭니다. 이 토양을 건축에 안전하게 만들기 위해, 엔지니어들은 전통적으로 일반 시멘트나 석회를 혼합합니다. 이러한 결합제들은 토양 입자들을 단단히 묶어 안정적인 기반을 형성합니다. 그러나 이러한 전통적인 결합제의 생산은 이산화탄소 배출의 주요 원인이 되어 지구 기후 위기에 크게 기여하고 있습니다. 이는 환경적 비용을 줄이면서도 지표면을 안정화할 수 있는 대안을 찾는 움직임을 불러일으켰습니다.

연구자들은 산업 폐기물, 특히 플라이 애시(fly ash)와 고로 슬래그(ground granulated blast-furnace slag)에 주목했습니다. 플라이 애시는 발전소에서 석탄을 태운 후 남은 미세한 가루이며, 슬래그는 철을 제조하는 과정에서 발생하는 부산물입니다. 두 재료 모두 특정 알칼리 용액과 혼합될 때 강한 암석 같은 물질을 만들어내는 데 필요한 화학적 성분이 풍부합니다. 지오폴리머화(geopolymerization)라고 알려진 이 과정은 이러한 폐기물을 전통적인 시멘트를 대체할 수 있는 결합제로 변화시킵니다. 인도 공과대학교 마드라스(IIT Madras)와 티아가라자르 공과대학교(Thiagarajar College of Engineering)의 연구팀은 이러한 산업 부산물들이 인도의 마두라이(Madurai)에서 발견되는 특정 유형의 문제성 점토를 얼마나 잘 다스릴 수 있는지 테스트하기 위해 연구를 시작했습니다. 그들의 목표는 단순히 토양이 더 강해지는 것을 보는 것뿐만 아니라, 이 처리가 하중 아래에서 토양이 침하하는 방식과 건조할 때 수축하는 정도를 어떻게 변화시키는지 이해하는 것이었습니다.

연구팀은 현지 버스 정류장 인근 2미터 깊이에서 채취한 점토 샘 샘플을 선택했습니다. 이 토양은 중간 정도의 압축성을 가진 것으로 분류되었는데, 이는 압력을 받으면 쉽게 찌그러진다는 것을 의미하며, 습할 때 부풀어 오르는 경향이 높은 중간 정도의 팽창성을 가지고 있었습니다. 이 토양을 처리하기 위해 연구진은 다양한 양의 플라이 애시와 슬래그를 혼합하여, 각 재료의 총 건조 중량 대비 25%, 35%, 45%의 세 가지 농도를 만들었습니다. 그들은 이 혼합물에 수산화나트륨과 규산나트륨 용액을 활성화제로 첨가했는데, 이는 경화 과정을 시작하는 화학적 트리거 역할을 합니다. 또한 슬래그 혼합물에는 너무 빨리 굳는 것을 방지하기 위해 소량의 화학적 지연제를 추가했습니다. 처리된 토양은 원통형으로 다져진 후, 테스트에 투입되기 전 0일부터 28일까지의 기간 동안 양생되었습니다.

결과는 변화의 명확한 이야기를 보여주었습니다. 처리되지 않은 점토는 3.63kg/cm²라는 매우 낮은 강도를 보였습니다. 연구진이 플라이 애시로 처리된 토양을 테스트했을 때, 양생 시간이 경과함에 따라 강도가 증가하는 것을 발견했습니다. 최고의 성능은 35%의 플라이 애시를 포함한 혼합물에서 나타났으며, 이는 28일 후 17.19kg/cm²의 강도에 도달했습니다. 이는 엄청난 개선으로, 자연 상태보다 거의 4배나 더 강해졌음을 의미합니다. 그러나 플라이 애시 함량을 45%로 높였을 때 강도는 오히려 떨어졌는데, 이는 결합제가 너무 많아지면 토양 구조를 강화하기보다 희석시킨다는 것을 시사합니다.

슬래그 기반 혼합물의 이야기는 약간 달랐습니다. 슬래그의 경우, 재료를 더 많이 추가할수록 강도가 계속 상승했습니다. 전체 연구에서 기록된 가장 높은 강도는 45% 슬래그 혼합물에서 나왔으며, 이는 28일 후 18.84kg/cm²에 도달했습니다. 이는 처리되지 않은 점토보다 419% 증가한 수치입니다. 강도가 테스트된 가장 높은 함량에서도 여전히 상승하고 있었기 때문에, 연구진은 이상적인 슬래그의 양이 45%보다 더 높을 수 있다고 언급했습니다. 반면 플라이 애시는 이미 35%에서 최적의 지점을 지나쳤습니다.

단순히 토양을 단단하게 만드는 것을 넘어, 처리는 압력 하에서 토양이 어떻게 행동하는지를 극적으로 변화시켰습니다. 부드러운 점토에 무거운 하중이 가해지면 토양은 압축되고 물이 짜내어지며, 이로 인해 시간이 지남에 따라 지면이 가라앉게 됩니다. 연구진은 이 거동을 측정하였고, 처리된 토양은 침하에 훨씬 덜 취약하다는 것을 발견했습니다. 35% 플라이 애시 혼합물은 토양의 압축 경향을 약 70% 감소시켰고, 45% 슬래그 혼합물은 약 84% 감소시켰습니다. 더욱이, 처리된 토양은 처리되지 않은 점토보다 더 빠르게 침하되었는데, 이는 남아있는 침하가 더 빠르게 일어나 구조물에 대한 장기적인 걱정을 덜어줄 수 있음을 의미합니다.

가뭄과 폭우가 잦은 지역에서 아마도 가장 중요한 발견은 수축성의 변화였습니다. 처리되지 않은 점토는 건조해짐에 따라 크게 수축하여 기초에 손상을 줄 수 있는 깊은 균열을 만듭니다. 지오폴리머 처리는 이러한 현상을 현저히 억제했습니다. 35% 플라이 애시 혼합물은 부피 수축을 거의 절반으로 줄였고, 45% 슬래그 혼합물은 약 63% 감소시켰습니다. 이는 처리된 토양이 건조한 시기에도 훨씬 더 안정적으로 유지되어, 점토 토양 위의 건물들을 괴롭히는 전형적인 균열과 팽창에 저항할 수 있음을 의미합니다. 연구진은 또한 처리된 토양이 소성(plasticity)이 낮아졌음을 관찰했는데, 이는 젖었을 때 영구적으로 변형될 가능성이 낮아져 안정성을 더욱 높여준다는 것을 의미합니다.

이러한 결과는 플라이 애시나 슬래그와 같은 산업 부산물을 사용하는 것이 전통적인 시멘트를 위한 강력하고 탄소 배출이 적은 대안이 될 수 있음을 시사합니다. 이 연구는 35% 플라이 애시와 45% 슬래그가 테스트된 범위 내에서 가장 효과적인 비율임을 확인하였으며, 원래 토양보다 거의 5배 높은 강도 증가를 제공하는 동시에 팽창과 수축의 위험을 획기적으로 줄였습니다. 폐기물을 고성능 결합제로 전환함으로써, 이 접근 방식은 지질학적 문제를 해결할 뿐만 아니라 환경적 문제도 해결하며, 기존 시멘트의 막대한 탄소 발자국 없이도 불안정한 지반 위에 건설할 수 있는 방법을 제시합니다. 이 연구는 지오폴리머 결합제가 문제성 점토를 신뢰할 수 있는 기초 재료로 효과적으로 변화시킬 수 있음을 입증하며, 미래의 인프라를 지원할 준비가 되었음을 보여줍니다.