Waste valorization of coconut shell char as a partial cement replacement in sustainable mortar: fresh-state, setting, and mechanical performance
본 연구는 열분해를 통해 생산된 코코넛 껍질 숯을 5~10%의 비율로 시멘트의 일부 대체재로 혼입하는 것이 지속 가능한 모르타르의 경화 전 성질과 기계적 성능 사이의 균형을 최적화하며, 5%의 함량이 대조군에 비해 우수한 압축 및 휨 강도를 나타낸다는 것을 입증한다.
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콘크리트는 도시, 교량, 주택의 골격을 형성하며 지구상에서 가장 널리 사용되는 건축 자재입니다. 하지만 콘크리트의 주요 성분인 포틀랜드 시멘트는 막대한 환경적 비용을 수반합니다. 시멘트를 제조하는 과정은 엄청난 양의 이산화탄소를 배출하고 상당한 광물 자원을 소비하며, 이는 엔지니어들이 최종 구조물의 강도를 저해하지 않으면서도 시멘트 사용량을 줄이는 방법을 찾도록 촉구하고 있습니다. 한 가지 유망한 방안은 시멘트의 일부를 미세하고 탄소가 풍부한 분말로 변환된 폐기물로 대체하는 것입니다. 이 접근 방식은 농업 부산물을 유용한 건축 구성 요소로 전환하여, 건설의 탄소 발 footprint를 낮추는 동시에 폐기물을 관리하는 것을 목표로 합니다. 과제는 적절한 첨가량을 찾는 데 있습니다. 너무 적으면 차이가 없을 것이고, 너무 많으면 재료를 약화시키거나 굳기 전에 형태를 만들고 붓는 것을 불가능하게 만들 수 있습니다.
최근 한 연구에서 연구진은 열대 지역의 흔한 폐기물인 코코넛 껍질이 이러한 대체재 역할을 할 수 있는지 조사했습니다. 그들은 버려진 코코넛 껍질을 산소가 적은 환경에서 750도의 고온으로 2시간 동안 가열했습니다. 열분해라고 알려진 이 과정은 딱딱한 껍질을 코코넛 껍질 숯(coconut shell char)이라는 검고 가벼운 분말로 변화시켰습니다. 결과물은 미세하고 다공성인 물질로, 이를 대체하려는 무거운 광물 기반의 시멘트와는 구별되는 높은 탄소 함량을 가졌습니다. 연구팀은 이 숯을 시멘트, 모래, 물의 혼합물인 표준 모르타르에 전체 고형물의 아주 적은 양부터 거의 3분의 1에 이르기까지 다양한 수준으로 혼합했습니다. 그들의 목표는 이 첨가물이 혼합물의 젖은 상태에서의 거동, 경화 시간, 그리고 일정한 양생 기간 후의 강도에 어떤 영향을 미치는지 확인하는 것이었습니다.
결과는 코코넛 껍질 숯을 추가하는 것이 모르타르를 예측 가능한 방식으로 변화시킨다는 것을 보여주었습니다. 숯은 가볍고 미세한 구멍이 많기 때문에, 더 많이 추가할수록 신선한 혼합물의 밀도는 낮아졌습니다. 그러나 이러한 다공성은 혼합물을 다루기 더 어렵게 만들었습니다. 숯 입자의 거칠고 스펀지 같은 표면은 혼합수를 흡수하고 입자 간의 마찰을 증가시켜, 숯의 양이 증가함에 따라 모르타르의 흐름성을 크게 감소시켰습니다. 또한 혼합물이 굳는 데 더 오랜 시간이 걸렸습니다. 숯이 더 많이 포함될수록 모르타르가 굳기 시작하고 완전히 경화되는 데 걸리는 시간이 모두 길어졌는데, 이는 재료를 결합하는 화학 반응을 일으킬 시멘트의 양이 줄어들었기 때문인 것으로 보입니다.
이러한 신선한 상태에서의 변화에도 불구하고, 경화된 모르타르의 기계적 강도는 놀라운 패턴을 따랐습니다. 연구진이 28일 후 샘플의 강도를 테스트했을 때, 소량의 숯을 추가하는 것이 오히려 모르타르를 더 강하게 만든다는 것을 발견했습니다. 부피 기준으로 5%의 코코넛 껍질 숯을 포함한 혼합물은 38.1 메가파스칼의 압축 강도를 달성했는데, 이는 숯을 넣지 않은 대조군 혼합물의 31.6 메가파스칼보다 눈에 래게 높은 수치였습니다. 이 5% 혼합물은 또한 개선된 유연성을 보여 굽힘 힘에 더 잘 저항했습니다. 그러나 이러한 이점이 무한히 지속되지는 않았습니다. 연구진이 숯의 양을 10% 이상으로 늘리자 강도가 떨어지기 시작했습니다. 높은 수준에서는 시멘트 함량의 감소와 다공성의 비반응성 입자의 과도한 유입이 이점을 압도하여 결국 더 약한 구조를 초과하게 만들었습니다.
본 연구는 코코넛 껍질 숯이 가장 효과적인 특정 구간이 존재한다고 결론짓습니다. 5%에서 10% 사이의 대체 수준은 시멘트 사용을 줄이면서도 모르타르의 구조적 성능을 유지하거나 심지어 향상시킬 수 있는 최적의 균형을 제공했습니다. 이 범위는 하중을 견디거나 균열에 저항하는 능력을 희생하지 않으면서 질량 기준으로 시멘트 필요량을 약 3.6~7.2% 줄였습니다. 숯이 다른 첨가제들처럼 시멘트를 강화하는 화학적 반응제로 작용하지는 않았지만, 물리적 특성이 낮은 농도에서 혼합물의 틈을 채우고 충전(packing)을 개선하는 데 도움을 주었습니다. 연구진은 이 접근 방식이 폐기물을 유용한 자원으로 바꾸는 유망한 방안을 보여주지만, 그 자체만으로는 완전한 해결책이 아니라고 강조합니다. 환경적 이점은 숯을 만드는 데 사용되는 에너지와 재료의 장기적인 내구성에 달려 있으며, 이 분야는 추가적인 연구가 필요합니다. 현재로서는, 이 연구는 가공된 코코넛 껍질의 적절한 사용이 지속 가능한 모르타르의 실행 가능한 성분이 될 수 있음을 보여주며, 전통적인 시멘트에 대한 의존도를 줄이기 위한 실질적인 단계임을 입증합니다.
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