Synergistic effects of recycled concrete aggregate and spherical nickel slag on abrasion resistance, acoustic attenuation, and environmental efficiency of porous concrete

도시는 끊임없이 스스로를 재형성하며, 새로운 건물과 도로가 생겨날 때마다 막대한 양의 오래된 콘크리트가 뜯겨 나가고 버려집니다. 동시에, 중공업은 금속 제련 과정에서 남은 슬래그와 같은 엄청난 양의 폐기물을 만들어냅니다. 전통적으로 이러한 재료들은 매립지에 쌓여 공간을 차지하고 환경적 위험을 초래하는 반면, 건설 업계는 새로운 콘크리트를 만들기 위해 신선한 강 자갈과 모래를 계속해서 채굴합니다. 이 순환은 지속 불가능합니다. 엔지니어들은 이제 이러한 폐기물 흐름을 가치 있는 건축 블록으로 바꾸어, 자원을 절약할 뿐만 아니라 전통적인 옵션보다 더 뛰어난 성능을 내는 재료를 만드는 방법을 찾고 있습니다. 그러한 재료 중 하나가 바로 스펀지처럼 보이는 특수한 종류의 포장재인 다공성 콘크리트입니다. 불투과성의 단단한 표면 대신, 이 재료는 빗물이 그대로 스며들 수 있게 하는 작고 연결된 구멍들로 채워져 있어 홍수를 줄이고 지하수를 충전합니다. 이러한 구멍 덕분에, 이는 또한 자연적인 방음벽 역할을 하여 소음을 공기 중으로 반사하는 대신 흡수합니다. 하지만 이 재료를 만드는 것은 까다롭습니다. 물과 소리에 유익하게 만드는 바로 그 구멍들이 종종 재료를 약하게 만들어, 타이어의 무게 아래에서 표면이 부서지게 만듭니다.

인도네시아의 하사눌딘 대학교 연구진은 새로운 배합법을 테스트하여 이 문제를 해결하고자 했습니다. 그들은 두 종류의 폐기물을 혼합하여 내구성은 충분하면서도 기능적으로는 다공성을 유지하는 보도를 만들 수 있는지 확인하고 싶었습니다. 연구팀은 두 가지 특정 폐기물을 사용했습니다: 하나는 오래된 콘크리트를 작은 돌 형태로 부순 재생 콘크리트 골재였고, 다른 하나는 물속에서 빠르게 냉각되어 매끄럽고 둥근 공 모양을 형성한 니켈 제련 부산물인 구형 니켈 슬래그였습니다. 그들은 여섯 가지 서로 다른 배합의 콘크리트를 만들었습니다. 어떤 것은 천연 강 자갈만을 사용했고, 어떤 것은 재생 콘크리트만을, 어떤 것은 니켈 슬래그만을 사용했으며, 나머지는 이러한 재료들의 다양한 조합을 사용했습니다. 공정한 테스트를 위해, 그들은 돌의 종류만 바꿀 뿐 시멘트와 물의 양은 모든 배합에서 정확히 동일하게 유지했습니다. 그런 다음 이 콘크리트 원통들을 일련의 엄격한 테스트에 통과시켜 무게, 구멍의 밀도, 마찰에 의한 마모 저항성, 그리고 소음을 얼마나 효과적으로 흡수하는지를 측정했습니다. 또한 원자재 추출부터 공장을 떠날 때까지의 탄소 배출량과 에너지 소비량을 측정하여 각 배합의 환경적 비용을 계산했습니다.

결과는 돌의 모양과 밀도가 콘크리트를 어떻게 변화시키는지에 대한 명확한 이야기를 보여주었습니다. 연구진이 매끄럽고 무거운 니켈 슬래그를 사용했을 때, 콘크리트는 현저히 더 조밀하고 무거워졌지만, 동시에 다공성을 크게 잃었습니다. 둥근 공들이 너무 빽빽하게 맞물려 물이 흐를 수 있는 공간이 줄어들었기 때문입니다. 반대로, 천연 돌과 거칠고 각진 재생 콘크리트를 결합한 혼합물은 가장 다공성 있는 구조를 형성하여 가장 많은 연결된 구멍의 부피를 가졌습니다. 이 높은 다공성은 음향 성능의 핵심이 되었습니다. 구멍이 가장 많은 혼합물은 다른 어떤 것보다 소리를 더 잘 흡수하여, 특정 주파수에서 부딪히는 거의 모든 소리 에너지를 포착하는 수준에 도달했습니다. 이는 교통 소음을 줄이기 위해서는 더 개방적이고 공기가 잘 통하는 구조가 우수하다는 것을 시사합니다. 그러나 이러한 개방성은 대가를 동반했습니다. 가장 다공성이 높은 혼합물은 마모 저항 측면에서는 가장 취약했습니다. 타이어의 연마 작용을 시뮬레이션하는 기계에 놓였을 때, 이 혼합물은 돌과 모르타르 조각을 떨어뜨리며 가장 많은 질량을 잃었습니다.

가장 놀라운 발견은 재생 콘크리트와 구형 니켈 슬래그를 결합한 혼합물에서 나왔습니다. 연구진이 RS50이라고 명명한 이 특정 배합은 모든 요소의 최적의 균형을 달了. 이 배합은 가장 다공성이 높거나 가장 가벼운 것은 아니었지만, 가장 내구성이 뛰어난 것으로 증명되었습니다. 동일한 연마 테스트를 거쳤을 때, 이 혼합물은 재료를 가장 적게 소실하며 다른 혼합물들보다 훨씬 더 잘 형태를 유지했습니다. 매끄럽고 단단한 니켈 슬래그 구체들이 거친 재생 콘크리트들을 고정하는 강력한 골격 역할을 하여, 재생 콘크리트가 튕겨 나가는 것을 방지한 것입니다. 이 조합은 기능적인 다공성을 유지하면서도 마모를 견딜 수 있는 튼튼한 구조를 만들어냈습니다. 환경적 관점에서 볼 때, 천연 강 자갈을 재생 콘크리트와 산업용 슬래그로 대체하는 것은 콘크리트의 탄소 발자국과 에너지 비용을 크게 낮추었습니다. 재생 재료는 새로운 돌을 채굴하고 부수는 것보다 훨씬 적은 에너지를 필요로 했습니다. 그러나 연구진은 모든 것을 결합하는 데 사용되는 시멘트가 여전히 가장 큰 환경적 영향의 원인이며, 사용된 돌의 종류와 관계없이 모든 배합에서 탄소 배출의 대부분을 차지한다는 점에도 주목했습니다.

궁극적으로, 이 연구는 모든 작업에 적합한 단 하나의 "완벽한" 혼합물은 없다는 것을 보여주었습니다. 만약 목표가 소음 흡수가 우선인 조용한 보도나 방음벽을 만드는 것이라면, 재생 콘크리트와 천연 돌을 가장 많이 섞은 혼합물이 가장 효과적인 소음 흡수 스펀지를 만드는 최선의 선택입니다. 하지만 보도가 잦은 사용이나 무거운 교통량을 감당해야 하는 내구성이 중요한 곳이라면, 재생 콘크리트와 구형 니켈 슬래그의 혼합이 더 우수한 옵션입니다. 이 조합은 내구성을 고려했을 때 최고의 환경적 성능을 제공하며, 폐기물이 함께 작동하도록 설계될 수 있음을 입증합니다. 이러한 산업 부산물을 정교하게 선택하고 혼합함으로써, 엔지니어들은 전통적인 재료보다 더 강하고 효과적이면서도 지구에 더 친화적인 다공성 콘크리트를 만들 수 있습니다. 이 연구는 지속 가능한 인프라로 가는 길이 단순히 폐기물을 사용하는 것에 그치는 것이 아니라, 서로 다른 폐기물들이 어떻게 상호작용하여 부분의 합보다 더 큰 전체를 만들어내는지 이해하는 데 있음을 보여줍니다.