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Feasibility Research on Coal Gasification Slag Used as a Filler in Asphalt Mastic

본 연구는 저탄소 유연탄 가스화 슬래그가 아스팔트 마스틱에서 석회석 충전재를 대체할 수 있는 실현 가능하고 경제적으로 우수한 대안임을 입증하며, 이는 유사한 유변학적 성능을 제공하는 동시에 재료 비용을 약 56.3% 절감한다.

원저자: Peng Lu, Weidong Cao, Qinggang Li, Fanshuo Meng, Zhonggang Ji, Guokai Song, Jie Zeng

게시일 2026-10-23

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CC BY 4.0

원저자: Peng Lu, Weidong Cao, Qinggang Li, Fanshuo Meng, Zhonggang Ji, Guokai Song, Jie Zeng

원본 논문은 CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/) 라이선스로 제공됩니다. ✨ 이것은 아래 논문에 대한 AI 생성 설명입니다. 저자가 작성하거나 승인한 것이 아닙니다. 기술적 정확성을 위해서는 원본 논문을 참조하세요. 전체 면책 조항 읽기

도로는 단순히 돌과 타르의 층 그 이상입니다. 도로는 끈적하고 검은 결합제인 아스팔트가 부서진 암석의 골격을 붙잡고 있는 복잡한 시스템입니다. 이 혼합물이 제대로 작동하도록 엔지니어들은 보통 분쇄된 석회암으로 만들어진 미세한 가루를 첨가하는데, 이것이 결정적인 접착제 역할을 합니다. 필러(filler)라고 알려진 이 가루는 더 큰 돌들 사이의 미세한 틈을 채우며, 아스팔트와 상호작용하여 여름날의 열기를 견딜 만큼 강하면서도 추운 겨울에 균열 없이 휘어질 수 있을 만큼 유연한 페이스트를 만들어냅니다. 그러나 세상은 쉽게 채굴할 수 있는 석회암이 고갈되어 가고 있으며, 이를 분쇄하는 과정은 먼지를 발생시키고 에너지를 소비합니다. 이는 엔지니어들이 우리 주변의 산업 폐기물 더미에서 대안을 찾아, 폐기 문제를 건설 솔루션으로 전환하기 위해 노력하게 만들었습니다.

그러한 폐기물 중 하나는 석탄을 깨끗하게 연소되는 가스로 바꾸는 공정인 석탄 가스화 산업에서 나옵니다. 이 공정은 석탄 가스화 슬래그라고 불리는 고체 부산물을 남깁니다. 수년 동안 이 물질은 매립지에 쌓여 귀중한 토지를 차지하는 짐이 되어 왔습니다. 최근 중국의 연구진은 단순하지만 어려운 질문을 던졌습니다. 이 슬래그를 갈아서 도로를 만드는 데 석회암 대신 사용할 수 있을까? 문제는 모든 슬래그가 동일하지 않다는 점이었습니다. 석탄이 어떻게 처리되었느냐에 따라 결과물인 폐기물의 화학적 구성, 입자의 거칠기, 그리고 내부에 갇힌 미연 탄소의 양이 매우 다양할 수 있었습니다. 어떤 것은 너무 끈적거려 겨울에 도로를 부서지기 쉽게 만들 수도 있고, 다른 것은 너무 약해서 무거운 트럭의 무게를 견디지 못할 수도 있습니다.

답을 찾기 위해 엔지니어 팀은 다양한 산업 현장에서 가져온 여섯 가지 종류의 슬래그와 표준 석회암 샘플을 모았습니다. 그들은 단순히 슬래그를 아스팔트에 섞어 넣은 것이 아니라, 먼저 각 유형의 슬래그를 석회암의 입자 크기와 정확히 일치할 정도로 아주 미세하게 갈아냈습니다. 이는 나중에 나타나는 차이가 단순히 알갱이의 크기 때문이 아니라 재료 자체에 의한 것임을 보장하기 위한 결정적인 단계였습니다. 그런 다음 그들은 이 가루들을 뜨거운 아스팔트와 섞어 페이스트를 만들고 각 혼합물이 어떻게 행동하는지 테스트했습니다. 그들은 샘랩들이 교통량의 무게 아래에서 부드러워지거나 변형되는지 확인하기 위해 극한의 열에 노출시켰고, 균열이 생기는지 확인하기 위해 빙결 상태의 추위에 노출시켰습니다. 또한 그들은 수년간 타이어의 지속적인 두드림을 시뮬레이션하며 재료가 반복적인 응력에 어떻게 반응하는지도 살펴보았습니다.

결과는 명확한 패턴을 보여주었습니다. 연구진은 미연 탄소와 다공성 구조가 많을수록 결과물인 도로 페이스트가 더 단단해진다는 사실을 발견했습니다. 이러한 단단함은 여름의 열기에 저항하는 데는 좋았지만, 대가가 따랐습니다. 재료가 너무 경직되어 추위 속에서 부러지지 않고 늘어나거나 이완할 수 있는 능력을 잃게 된 것입니다. 몇몇 슬래그 샘플은 한쪽 방향으로 너무 극단적이어서, 열기 속에서 너무 딱딱해지거나 추위 속에서 너무 잘 부서지기도 했습니다. 그러나 저탄소 가스화 공정으로 생산된 특정 유형의 슬래그가 눈에 띄었습니다. 표면이 비교적 매끄럽고 갇힌 탄소가 거의 없는 이 재료는 완벽한 중간 지점을 제공했습니다. 이것을 아스팔트와 섞었을 때, 고온에서 형태를 유지하는 능력을 거의 20% 가까이 향상시키며 높은 열 저항성을 제공하는 동시에, 추위를 견디는 능력에는 거의 영향을 미치지 않았습니다. 실제로 빙결 조건에서의 성능은 전통적인 석회암과 거의 동일했습니다.

이 유망한 후보를 식별한 후, 팀은 이 슬래그를 얼마나 사용해야 하는지도 조사했습니다. 그들은 아스팔트에 섞는 가루의 양을 달리하며 테스트하여 '최적의 지점'을 찾아냈습니다. 그들은 가루의 양이 너무 적으면 이점이 미미하다는 것을 발견했습니다. 하지만 가루의 양을 늘릴수록 도로 혼합물은 열에 대해 더 강해졌습니다. 그러나 양을 너무 높이면 혼합물이 유연성을 잃고 균열이 생기기 쉬워졌습니다. 연구진은 석회암을 대체하는 슬래그 가루의 부피가 전체 결합제 부피의 30%에서 40% 사이가 되는 것이 이상적인 범위라는 것을 결정했습니다. 이 범위 내에서 도로 재료는 강도와 유연성의 최상의 균형을 얻었습니다.

물리적 측면을 넘어, 연구는 경제성도 살펴보았습니다. 석탄 가스화 슬래그는 종종 폐기물로 취급되어 무료 또는 매우 저렴한 비용으로 구할 수 있는 반면, 석회암은 채굴, 분쇄, 운송 과정을 거쳐야 하므로 비용이 빠르게 추가됩니다. 연구진은 일반적인 고속도로 프로젝트의 경우, 이 슬래그로 교체하면 충전재 비용을 절반 이상 줄일 수 있다고 계산했습니다. 슬래그를 적절한 크기로 건조하고 분쇄하는 비용을 고려하더라도, 절감액은 상당하여 도로 1km당 수만 달러에 달했습니다. 연구는 이 특정 유형의 석탄 가스화 슬래그가 단순히 이론적인 가능성이 아니라, 실질적이고 비용 효율적이며 성능이 뛰어난 대안으로서, 산업 폐기물을 처리하는 동시에 더 나은 도로를 건설할 수 있는 방법을 제공한다고 결론지었습니다.

기술 요약: 아스팔트 마스틱 내 충전재로 사용되는 석탄 가스화 슬래그의 타당성 연구

문제 제기
전통적인 아스팔트 혼합물은 마스틱 상(phase)을 형성하기 위해 석회석 충전재(LF)에 크게 의존하며, 이는 결합, 공극 충전 및 하중 전달에 매우 중요하다. 그러나 고속도로 확장에 따른 LF 수요 증가로 인해 비재생 자원의 소비가 심화되었으며, 이는 채굴 및 분쇄와 관련된 비용, 에너지 소비 및 생태적 부담을 가중시키고 있다. 동시에, 석탄 화학 산업에서 발생하는 중요한 산업 고형 폐기물인 석탄 가스화 슬래그(CGS)는 토지 점유 및 잠재적인 토양/수질 오염을 통해 환경적 위험을 초래하고 있다. 다양한 산업 폐기물을 충전재로 탐구한 기존 연구들이 존재하지만, CGS에 관한 기존 연구는 특정 출처나 단일 성능 지표에 국한되어 왔다. 표준화된 입자 크기 조건 하에서 서로 다른 유형의 CGS 간의 체계적인 비교가 부족하며, 고온 안정성, 저온 균열 저항성, 피로 성능 및 경제적 생존 가능성의 균형을 맞추는 충전재-결합재 비율(F/B)의 종합적인 최적화 연구도 미비한 실정이다.

연구 방법론
본 연구는 LF를 CGS로 대체하는 것의 타당성을 평가하기 위해 다단계 실험 프레임워크를 채택하였다:

재료 선정 및 표준화: 6종의 대표적인 CGS 분말(미분탄, 석탄 수성 슬러리 및 저탄소 가스화 공정 유래)과 1종의 기존 LF를 선정하였다. 공정한 비교를 위해 모든 C급 샘플은 행성형 볼 밀(planetary ball mill)을 사용하여 LF의 입자 크기 분포(특히 중앙 입자 크기, $D_{50}$ )와 일치하도록 분쇄되었다.
물리화학적 특성 분석: 충전재의 화학적 조성(XRF), 광물 상(XRD), 입자 형태(SEM) 및 기공 구조(BET 질소 흡착-탈착)를 분석하였다.
아스팔트 마스틱 제조: 70# 포장용 아스팔트 결합재를 사용하여 아스팔트 마스틱을 제조하였다.
- 1단계 (스크리닝): 최적의 CGS 유형을 선별하기 위해 질량 기준 F/B 비율을 1.0으로 고정하여 마스틱을 제조하였다.
- 2단계 (최적화): 선정된 CGS를 사용하여 부피 기준 F/B 비율( $F/B_v$ )을 10%, 20%, 30%, 40%, 50%로 변화시키며 마스틱을 제조하였다.
유변학적 시험:
- 고온: 동적 전단 계수(DSR) 온도 스윕(46–76 °C) 및 다중 응력 크리프 회복(MSCR) 테스트(60 °C)를 수행하여 소성 변형 및 소성 저항성을 평가하였다.
- 저온: -12 °C에서 굽힘 빔 계수(BBR) 테스트를 수행하여 크리프 강성( $S$ )과 완화율( $m$ )을 측정하였으며, $m/S$ 비율을 종합적인 지표로 활용하였다.
- 피로: 25 °C에서 선형 진폭 스윕(LAS) 테스트를 사용하여 피로 수명( $N_f$ )을 예측하였다.
경제성 분석: 1 km, 왕복 4차로 고속도로를 기준으로 가공 및 운송 거리를 고려한 단위 재료 비용을 계산하는 비용 모델을 개발하였다.

주요 기여 및 결과

물리화학적 가변성: 본 연구는 CGS가 균일한 재료가 아님을 확인하였다. 원료 탄종 및 가스화 공정의 차이는 잔류 탄소 함량, 비표면적 및 기공 구조의 상당한 차이를 야기했다. 높은 잔류 탄소는 비표면적 및 기공 부피의 증가와 상관관계가 있었으며, 이는 더 강력한 아스팔트-충전재 상호작용으로 이어졌다.
최적 CGS 선정: 6종 중 저탄소 미분탄 가스화 슬래그(LCPGS)가 선호되는 대체재로 식별되었다. 고잔류 탄소 슬래그(예: WCGFS)는 우수한 고온 소성 저항성( $G^*/\sin\delta$ )을 보였으나, 저온 유연성을 심각하게 저해했다. 반면 LCPGS는 최적의 균형을 달ید하였는데, LF-AM 대비 64 °C에서 19.4% 높은 $G^*/\sin\delta$ 를 보이면서도, -12 °C에서의 ** $m/S$ 값 감소는 2.2%**에 불과했다.
최적 충전재-결합재 비율: 다양한 $F/B_v$ $F / B_{v}$ 비율에 대한 조사 결과, 고온 성능과 저온/피로 저항성 사이의 절충 관계(trade-off)가 드러났다.
- 고온 이점(회복력 향상 및 비회복 크리프 감소)은 $F/B_v \ge 30\%$ 에서 안정화되고 뚜렷해졌다.
- 저온 성능 및 피로 수명은 비율이 40%에 근접함에 따라 급격히 저하되기 시작했다.
- 결과적으로, 고온의 이점을 극대화하면서 저온에서의 손실을 최소화할 수 있는 30%–40%의 $F/B_v$ 범위가 권장되었으며, 30%가 이상적인 목표치로 제안되었다.
경제적 타당성: 분석 결과, LCPGS 분말은 LF보다 현저히 낮은 비용으로 생산될 수 있음을 나타냈다. 가공 및 운송 비용을 포함한 추정 단위 비용은 LCPGS가 90 CNY/t인 반면 LF는 206 CNY/t였다. LF를 LCPGS로 완전히 대체할 경우 충전재 재료비를 약 56.3% 절감할 수 있다. 모델링된 고속도로 프로젝트의 경우, 이는 약 61,387 CNY/km의 비용 절감으로 이어진다.

의의 및 주장
저자들은 본 연구가 도로 공학에서 석탄 가스화 슬래그의 지속 가능한 활용을 위한 기술적 근거를 제공한다고 주장한다. 다양한 CGS 출처를 체계적으로 스크리닝하고 도즈(dosage)를 최적화함으로써, 본 연구는 LCPGS가 석회석 충전재를 대체할 수 있는 실행 가능하고 고성능인 대안임을 입증하였다. 본 연구는 이러한 대체 성공 여부가 단순히 고온 강성을 극대화하는 것이 아니라, 균형 잡힌 유변학적 프로파일을 제공하는 특정 CGS 유형을 선택하는 데 달려 있음을 강조한다.

본 논문은 결론의 범위를 신중하게 설정하고 있다. 저자들은 본 연구의 결과가 예비 실험실 성능 및 경제적 분석에 기반하고 있음을 명시하였다. 또한, 부분 교체 시나리오, 장기 도로 성능, 현장 검증, 또는 결과물 혼합물의 전체적인 환경 영향에 대한 조사가 이루어지지 않았음을 인정하며, 이를 향후 연구가 필요한 과제로 식별하였다. 본 연구의 주요 기여는 효과적인 충전재 대체로서 CGS를 선택하고 투입량을 결정하기 위한 기술적 프레임워크를 구축한 데 있다.

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