Experimental Characterization of Moroccan Phosphate By-Products in Cementitious Mixtures for Potential 3D Concrete Printing Applications

건설 분야에서 우리가 집과 도시를 짓는 데 사용하는 재료들은 종기 흔히 무겁고, 영구적이며, 변경하기 어렵습니다. 수십 년 동안 표준은 시멘트, 모래, 물의 혼합물로 단단한 암석 같은 상태로 굳어지는 혼합물인 콘크리트였습니다. 매우 강력하지만, 이 혼합물을 결합하는 시멘트를 만드는 과정은 상당한 양의 이산화탄소를 발생시켜 기후 변화에 기여합니다. 동시에, 광업계는 거대한 양의 남은 암석과 슬러지를 생산하며, 이는 종종 넓은 저장 구역에 쌓여 공간을 차지하고 환경적 위험을 초래합니다. 이 두 가지 문제를 동시에 해결하기 위해 산업적 부산물을 유용한 건축 블록으로 바꾸는 방법을 찾는 과학 분야가 성장하고 있습니다. '순환 경제'라고도 불리는 이 접근 방식은 폐기물이 낭비되는 것을 막고, 에너지 집약적인 새로운 원자재의 필요성을 줄이는 것을 목표로 합니다. 이 분야의 또 다른 현대적 혁신은 3D 콘크리트 프린팅으로, 이는 대형 로봇 팔을 사용하여 전통적인 나무 틀 없이도 젖은 콘크리트 층을 짜내어 구조물을 층층이 쌓아 올리는 기술입니다. 이 기술이 잘 작동하려면 콘크리트는 기계를 통해 흐를 수 있을 만큼 유동적이면서도, 놓이자마자 모양을 유지할 수 있을 만큼 단단해야 합니다.

최근 모로코의 연구자들은 모로코의 인산염 광업 산업에서 발생하는 방대한 양의 폐기물을 이러한 새로운 유형의 건축 혼합물에 사용할 수 있는지 탐구했습니다. 모로코는 비료에 필수적인 광물인 인산염 생산의 세계적 리더이지만, 이 암석을 추출하고 정제하는 과정에서 폐석, 인회석 석고(phosphogypsum), 습성 슬러지를 포함한 엄청난 양의 부산물이 생성됩니다. 이 재료들을 더미로 쌓아두는 대신, 모하메드 6 폴리테크닉 대학교의 과학자 팀은 이 재들을 갈아서 시멘트와 섞어 3D 프린팅에 적합한 재료를 만들 수 있을지 테스트하기로 결정했습니다. 그들은 이 세 가지 유형의 폐기물 샘플을 처리 공장에서 수집하여, 화학적 구성, 안전성, 그리고 물 및 모래와 섞였을 때 어떻게 행동하는지를 이해하기 위해 일련의 세밀한 테스트를 수행했습니다.

첫 번째 단계는 재료를 다루고 사용하는 데 안전한지 확인하는 것이었습니다. 연구진은 폐기물의 수분 함량과 산도를 측정하였으며, 결과적으로 이 재료들이 대체로 중성을 띠며 유해한 중금속을 포함하고 있지 않음을 발견했습니다. 또한, 인산염 광석에는 때때로 자연적으로 발생하는 방사성 원소가 미량 포함될 수 있다는 우려 때문에 방사능 여부도 확인했습니다. 테스트 결과, 방사능 수치는 매우 낮았으며 건설용으로 사용하기에 안전한 범위 내에 있었습니다. 연구팀은 이후 첨단 장비를 사용하여 폐기물의 화학적 조성을 확인했습니다. 이 장비는 샘플에 존재하는 원소를 식별합니다. 연구진은 폐기물이 칼슘과 황이 풍부하고 다른 미네로가 소량 포함되어 있음을 발견했으며, 이는 시멘트와 반응하여 강한 결합을 형성할 수 있는 적절한 성분을 갖추고 있음을 확인해 주었습니다.

안전성과 조성이 확인되자, 연구진은 실제 건축 혼합물을 만드는 단계로 넘어갔습니다. 그들은 분쇄된 인산염 폐기물을 적토, 부순 모래, 그리고 세 가지 다른 유형의 시멘트와 섞어 수십 가지의 서로 다른 레시피를 준비했습니다. 그들은 어떤 조합이 최상의 결과를 낼지 보기 위해 물의 양과 폐기물의 비율을 다양하게 조절했습니다. 목표는 혼합물이 무게를 지탱할 수 있을 만큼 강하면서도 프린터를 통해 펌프질할 수 있을 만큼 유동적인 균형점을 찾는 것이었습니다. 혼합 후, 그들은 젖은 재료를 작은 몰드에 부어 몇 주 동안 굳힌 뒤, 시간이 지남에 따라 얼마나 강해지는지 테스트했습니다.

결과는 폐기물 재료가 실제로 콘크리트에 성공적으로 포함될 수 있음을 보여주었습니다. 혼합물은 단단한 블록으로 굳어져 상당한 압력을 견딜 수 있었습니다. 가장 높은 등급의 시멘트와 특정 양의 인산염 폐기물으로 만든 가장 강한 혼합물은 파괴되기 전 재료가 견딜 수 있는 힘의 척도인 압축 강도 약 47 메가파스칼에 도달했습니다. 다른 종류의 시멘트를 사용한 다른 혼합물들도 약 22에서 32 메가파스칼 사이의 강도를 보이며 좋은 성능을 나타냈습니다. 이 수치들은 해당 재료가 많은 건설 목적에 충분히 강하다는 것을 시사합니다. 연구진은 또한 젖은 혼합물이 어떻게 흐르는지 확인하기 위해 점도와 응력 하에서 모양이 어떻게 변하는지를 측정했습니다. 그들은 혼합물이 추가적인 개발 가능성을 시사하는 기계적 및 유변학적 특성을 보인다는 것을 발견했으나, 논문에서는 이러한 배합이 압출 기반의 3D 콘크리트 프린팅에 적합한지는 아직 실험적으로 검증되어야 한다고 명시적으로 언급했습니다.

이러한 고무적인 결과에도 불구하고, 연구진은 문제를 완전히 해결했다고 선언하는 데 신중했습니다. 혼합물이 실험실에서 큰 잠재력을 보여주었지만, 실제 3D 프린터에서 테스트되지는 않았기 때문입니다. 이 연구는 재료가 안전하고 강하며 이론상 적절한 물리적 특성을 가지고 있음을 확인했지만, 최종적인 증명은 이 재료들이 시간이 지나도 형태를 유지하며 복잡한 모양으로 성공적으로 출력될 수 있는지를 직접 보는 것에서 올 것입니다. 연구팀은 향arian 작업이 층간 접착력이 어떻게 되는지, 실제 구조물으로 구축되었을 때 재료가 어떻게 행동하는지, 그리고 층간 결합력과 제작 가능성을 평가하는 직접적인 프린팅 시험에 집중해야 한다고 언급했습니다. 또한 그들은 재료가 환경 속에서 안전하고 안정적인 상태를 유지하는지 확인하기 위해 더 장기적인 연구가 필요하다고 강조했습니다.

이 연구는 주요 산업 폐기물을 가치 있는 자원으로 바꾸는 데 있어 중요한 진전을 의미합니다. 모로코의 인산염 폐기물이 강하고 안전하며 잠재적으로 프린팅 가능한 건축 재료로 변모할 수 있음을 입증함으로써, 이 연구는 지속 가능한 건설을 위한 새로운 문을 열었습니다. 이는 오랫동안 환경적 과제였던 폐석과 슬러지 더미가 언젠가 미래 건물의 벽돌과 보가 되어, 새로운 원자재의 필요성을 줄이고 더 깨끗하고 효율적인 건설 산업을 구축하는 데 도움을 줄 수 있음을 시사합니다. 폐기물 더미에서 3D 프린팅된 집으로 가는 길은 아직 그려지고 있는 과정이지만, 이 연구는 명확하고 유망한 출발점을 제공합니다.