Mechanical properties and self-expansion mechanism of cemented slag- based backfill influenced with biomass ash
본 연구는 바이오매스 재를 시멘트 슬래그 기반 채움재에 혼입하는 것이 특정 임계 비율에서 C-S-H 겔 형성을 촉진함으로써 기계적 강도와 자기 팽창 특성을 최적화하는 반면, 과도한 재 함량은 성능을 저하시키는 미반응 실리카를 유입시킨다는 것을 입증한다.
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현대 광산의 깊은 지하 터널에서 안전과 효율성은 광석이 제거된 후에 일어나는 일에 달려 있습니다. 광부들이 가치 있는 광물을 추출할 때, 그들은 상부의 암석이 붕괴할 수 있는 거대한 빈 공간을 남기게 됩니다. 이를 방지하기 위해 엔지니어들은 물, 시멘트, 그리고 부서진 암석 폐기물의 혼합물로 이 공간을 채워, 광산 천장을 지탱하는 단단한 덩어리를 만듭니다. 그러나 특정 유형의 폐석, 즉 슬래그(slag)와 관련하여 특정한 과제가 발생하는데, 이는 슬래그가 굳으면서 자연적으로 팽창하기 때문입니다. 이러한 자가 팽창은 양날의 검입니다. 한편으로는, 이것이 충전재를 부풀려 광산 천장에 밀착되게 하여 위험한 틈새를 없애는 데 도움을 줍니다. 다른 한편으로는, 이 팽창이 종종 재료를 약화시켜 무거운 하중을 견디기에 너무 취약하게 만들거나 시간이 지나면서 형태를 유지하지 못하게 만듭니다. 엔지니어들의 목표는 오랫동안 유익한 팽창은 유지하면서도 해로운 약화를 막는 방법을 찾는 것이었습니다.
장시 과학기술대학교와 북중국 과학기술대학교의 연구진은 에너지 생산을 위해 식물성 물질을 태운 후 남은 흔한 부산물인 바이오매스 재(biomass ash)를 테스트함으로써 이 난제를 해결하고자 했습니다. 연구팀은 이 재를 광산 슬래그로 만든 시멘트 백필(backfill)에 혼합하여, 이것이 조절제 역할을 할 수 있는지 확인했습니다. 연구팀은 전체 고형물의 무게 대비 재의 양을 0%에서 최대 5%까지 변화시키며 수십 개의 원통형 샘플을 준비했습니다. 그런 다음 이 샘플들을 7일, 14일, 28일 동안 양생시킨 후, 얼마나 압축되었을 때 파괴되는지(압축 강도)와 얼마나 늘어났을 때 끊어지는지(인장 강도)를 측정하는 테스트를 실시했습니다. 또한 시간이 경과함에 따라 샘플의 크기가 얼마나 커지는지도 추적했습니다. 재료 내부에서 정확히 어떤 일이 일어나고 있는지 이해하기 위해, 연구진은 강력한 현미경과 화학 스캐너를 사용하여 혼합물이 굳으면서 형성되는 미세 구조를 관찰했습니다.
결과는 첨가된 재의 양에 전적으로 의존하는 섬세한 균형 관계를 보여주었습니다. 연구진이 소량의 바이오매스 재를 첨가했을 때, 백필은 눈에 띄게 강해졌습니다. 재는 큰 암석 입자 사이의 미세한 틈을 채우는 고운 가루처럼 작용했으며, 시멘트와 반응하여 더 강하고 응집력 있는 접착제를 만들어냈습니다. 이 과정은 재료를 더 밀도 있게 만들고 내부 균열이 발생할 가능성을 낮추었습니다. 그러나 연구는 이러한 이점에는 엄격한 한계가 있다는 것을 발견했습니다. 너무 많은 재가 첨가되면 재료는 파손되기 시작합니다. 과도한 재는 시멘트가 완전히 사용할 수 없는 성분인 실리카를 유입시켜, 구조를 약화시키는 미반응 입자들을 남깁니다. 연구진은 재 함량에 대한 특정 '최적 지점(sweet spot)'을 찾아냈습니다. 28일 후 재료가 최대 강도에 도달하기 위한 이상적인 바이오매스 재의 양은 전체 무게의 약 2.5%로 밝혀졌습니다. 인장 저항력을 위한 이상적인 양은 이보다 약간 낮은 약 1.7%였습니다.
강도가 상승하다가 떨어지는 곡선을 따랐던 것처럼, 백필의 팽창 거동 역시 유사한 패턴을 보였습니다. 재가 전혀 없을 때 백필은 시간이 지남에 따라 꽤 많이 팽창했는데, 이는 틈새를 채우는 데는 유용하지만 구조적 무결성에는 좋지 않습니다. 연구진이 소량의 재를 첨가함에 따라 팽창률은 감소했으며, 이는 재료가 더 안정적으로 유지되고 덜 부풀어 오른다는 것을 의미했습니다. 이러한 팽창 감소는 재가 더 조밀하고 탄탄한 내부 구조를 만드는 데 도움을 준 결과였습니다. 그러나 재 함량이 약 3%의 임계치를 넘어서자 팽창이 다시 증가하기 시작했습니다. 과도한 재는 재료를 안정시키는 데 필요한 화학 반응을 방해하여, 대조군보다 더 많이 팽창하게 만들었습니다.
미세 구조를 조사함으로써, 연구팀은 재가 암석 입자들을 결합하는 겔(gel) 형태의 물질 형성을 촉진함으로써 작용한다는 것을 확인했습니다. 재의 양이 적절할 때, 이 겔은 구멍을 채우고 밀도 높고 강한 네트워크를 생성합니다. 재가 너무 많으면, 추가된 입자들이 겔의 정상적인 형성을 방해하여 네트워크가 다공성이 되고 약해집니다. 이 연구는 바이오매스 재가 정밀하게 사용될 때만 강력한 도구가 될 수 있다고 결론짓습니다. 이는 엔지니어들이 첨가되는 재의 양을 조절함으로써, 천장을 채우기 위해 더 많이 팽창하는 혼합물을 만들 것인지, 아니면 무거운 하중을 지탱하기 위해 강하게 유지되는 것을 만들 것인지를 선택할 수 있게 하여 백필 재료를 미세하게 조정할 수 있는 방법을 제공합니다. 이 발견은 폐기물을 정밀한 공학적 도구로 변모시킴으로써 광산의 안전을 개선하는 실질적인 방법을 제시합니다.
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