⚡ electrical engineering

Enhancing Mechanical Properties of Recycled Aggregate Concrete Through Advanced Treatment Techniques

본 연구는 로스앤젤레스 마모 시험기(Los Angeles abrasion mill) 내에서 황산 또는 염산을 이용해 순환 굵은 골재를 수동으로 세척하는 것이 부착된 모르타르를 효과적으로 제거함으로써, 처리되지 않은 대안들과 비교하여 순환 골재 콘크리트의 기계적 성질과 내구성을 유의미하게 향상시킨다는 것을 입증한다.

원저자: Vengadesh Marshall Raman J, R. Kathiravan, M. Balamurugan, B. Balamurthi

게시일 2026-07-02

📖 4 분 읽기☕ 가벼운 읽기

CC BY 4.0

원저자: Vengadesh Marshall Raman J, R. Kathiravan, M. Balamurugan, B. Balamurthi

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

새로운 집을 지으려고 한다고 상상해 보세요. 하지만 새롭고 깨끗한 벽돌을 사는 대신, 철거된 건물에서 나온 오래된 벽돌를 재사용하기로 결정했습니다. 이것이 바로 **순환 골재 콘크리트(Recycled Aggregate Concrete, RAC)**의 핵심 개념입니다. 여기서 "벽돌"은 오래된 콘크리트를 부순 조각들인 **순환 굵은 골재(Recycled Coarse Aggregate, RCA)**를 의미합니다.

하지만 문제가 하나 있습니다. 오래된 콘크리트를 부수면, 새로 만든 "벽돌"들이 깨끗하지 않습니다. 이들은 떨어져 나가지 않고 남아 있는 오래된 시멘트 페이스트(모르타르)의 끈적이고 다공성인 층에 여전히 덮여 있습니다. 마치 젖은 오래된 종이 봉투 안에 여전히 달라붙어 있는 밀가루를 사용하여 케이크를 구우려는 것과 같습니다. 이 오래되고 축축한 층은 새로운 콘크리트를 약하게 만들고, 물을 너무 많이 흡수하며(갈증을 느끼며), 균열이 생기기 쉽게 만듭니다.

이 연구 논문은 이 오래되고 축축한 층을 어떻게 하면 가장 잘 닦아내어 순환 벽돌을 튼튼한 새로운 구조물을 짓는 데 사용할 수 있는지 알아보기 위한 일종의 "세척 경연 대회"입니다.

문제점: "축축한 코팅"

저자들은 만약 이 더럽고 처리되지 않은 순환 벽돌을 사용한다면, 여러분의 새로운 콘크리트가 성능이 저하될 것이라고 설명합니다. 이는 튼튼한 모르타르로 튼튼한 벽을 세우려 하는 것이 아니라 약한 모르타르로 세우려는 것과 같으며, 전체적인 내구성을 떨어뜨립니다. 벽돌에 붙은 오래된 코팅은 스펀지처럼 물을 흡수하여, 새로운 콘크리트 혼합물을 건조하고 부스러지기 쉽게 만듭니다.

해결책: 벽돌을 닦아내는 세 가지 방법

이를 해결하기 위해, 연구진은 이 원치 않는 오래된 모르타르 층을 벗겨내기 위해 세 가지 방법을 시도했습니다.

"기계적 세척" (강력한 세척):
그들은 순환 벽돌을 거대한 회전 드럼(Los Angeles 마모 시험기라고 불림)에 넣고 수백 번 회전시켰습니다. 마치 더러운 접시를 아주 강력한 분사 기능이 있는 식기세척기에 넣는 것을 상상해 보세요. 마찰력이 오래된 때를 털어냅니다.

결과: 이 방법은 오래된 코팅의 약 **30%**를 제거했습니다. 이것이 가장 효과적인 세척 방법이었습니다.

"황산 목욕" (화학적 담금):
그들은 벽돌을 강한 산성 용액(황산)에 하루 동안 담근 다음, 드럼 안에서 빠르게 한 번 굴렸습니다. 이것은 마치 끈질긴 얼룩을 화학 세정제로 불린 후에 문지르는 것과 같습니다.

결과: 이 방법은 오래된 코팅의 약 **18%**를 제거했습니다.

"염산 목욕" (더 부드러운 담금):
위와 비슷하지만, 다른 산(염산)을 사용했습니다.

결과: 이 방법은 가장 적은 양인 약 **12%**의 코팅을 제거했습니다.

큰 테스트: 깨끗한 벽돌로 건축하기

이 세 가지 방법으로 벽돌을 세척한 후, 연구진은 이들을 새로운 콘크리트(구체적으로 매우 강한 "M70" 등급)에 섞었으며, 두 가지 대조군과 비교했습니다:

천연 골재 콘크리트 (Natural Aggregate Concrete, NAC): 새롭고 깨끗한 돌로 만든 것 (골드 스탠다드/표준).
처리되지 않은 순환 콘크리트 (RAC UN): 더럽고 닦이지 않은 벽돌로 만든 것.

연구 결과는 다음과 같습니다:

시공성 (부어 넣기 쉬운 정도): 더러운 벽돌(처리되지 않은 것)은 물을 모두 빨아들였기 때문에 콘크리트를 다루기가 매우 어려웠습니다. 세척된 벽돌(특히 기계적으로 닦인 것들)은 훨씬 더 잘 작동했으며, 신선한 천연 암석과 유사하게 행동했습니다.
강도 (부서지기 어려운 정도):
- 처리되지 않은 콘크리트는 현저히 약했습니다 (천연 암석 버전보다 약 38% 더 약함).
- 기계적으로 닦인 콘크리트는 순환 골재 중 가장 강했습니다. 이 방식은 손실된 강도의 대부분을 회복하여 천연 암석 버전만큼이나 성능이 좋았습니다.
- 산 처리된 콘크리트들은 더러운 것들보다는 강했지만, 기계적으로 닦인 것들만큼 강하지는 않았습니다. 흥미롭게도 황산이 염산보다 더 효과적이었습니다.
내구성 (균열 및 충격):
- 그들은 콘크리트에 무거운 무게를 떨어뜨려 얼마나 많은 충격을 견딜 수 있는지 테스트했습니다. 처리되지 않은 버전은 빠르게 실패했습니다.
- 처리된 버전들은 훨씬 더 잘 버텼습니다. 기계적으로 닦인 벽돌은 가장 많은 충격을 견뎌냈으며, 이는 콘크리트가 더 튼튼하고 잘 깨지지 않음을 보여주었습니다.

결론

논문은 순환 콘크리트 벽돌을 먼저 닦지 않고 그냥 사용할 수는 없다고 결론짓습니다. 그것들은 너무 약하고 물을 너무 많이 흡수하기 때문입니다.

하지만, 만약 여러분이 기계적으로 닦는다면(드럼 안에서 굴리는 방식), 가장 좋은 결과를 얻을 수 있습니다. 이 방법은 오래된 모르타르를 가장 많이 제거하여, 새로운 콘크리트를 강하고 튼튼하며 작업하기 쉽게 만듭니다. 화학적 산 목욕도 도움이 되지만, 기계적 세척만큼 좋지는 않습니다.

순환 콘크리트(처리되었음에도 불구하고)가 완벽한 강도의 새 천연 암석 콘크리트에 완전히 도달하지는 못했지만, 매우 근접했습니다. 이는 적절한 "세척" 기술만 있다면, 우리는 건설 폐기물을 튼든한 새로운 구조물을 짓기 위한 유용한 강한 재료로 바꿀 수 있으며, 이를 통해 자원을 절약하고 매립 폐기물을 줄일 수 있음을 증명합니다.

기술 요약: 첨단 처리 기술을 통한 순환 골재 콘크리트의 기계적 성질 향상

문제 제기
급격한 도시화는 건설 폐기물(C&D waste)의 막대한 증가를 초래하여 상당한 경제적, 환경적 과제를 만들어내고 있습니다. 동시에, 천연 굵은 골재에 대한 건설 산업의 의존도는 자원 고갈과 환경 저해를 유발합니다. 순환 굵은 골재(RCA)는 지속 가능한 대안을 제공하지만, 처리되지 않은 RCA 표면에 부착된 오래된 모르타르의 존재는 순환 골재 콘크리트(RAC)의 신선한 상태 및 경화된 상태의 기계적 성질과 내구성을 크게 저하시킵니다. 이 부착된 모르타르는 높은 흡수율을 유발하고 취약한 계면 전이 구역(ITZ)을 형성하여, 결과적으로 순환 골재 콘크리트(RAC)의 강도와 작업성을 감소시킵니다.

연구 방법론
본 연구는 RCA에서 부착된 모르타르를 제거하고 M70 등급 콘크리트의 성능을 향상시키기 위한 세 가지 특정 처리 기술의 효능를 조사하였습니다. 실험 과정은 다음 단계로 진행되었습니다:

골재 준비: 원료 RCA를 체가름(4.75 mm 잔류, 20 mm 통과)한 후 건조하였습니다.
처리 프로토콜:
- 기계적 세척(Mechanical Scrubbing): RCA 샘플을 로스 엔젤레스 마모 시험기(LAM)에서 300회 회전시켜 모르타르를 기계적으로 탈락시켰습니다.
- 황산 처리( $H_2SO_4$ ): 샘플을 0.1 M $H_2SO_4$ 에 24시간 동안 침지시킨 후 건조하고, LAM에서 50회 회전시켰습니다.
- **염산 처리($HCl $):** 샘플을 0.1 M$ HCl$에 24시간 동안 침지시킨 후 건조하고, LAM에서 50회 회전시켰습니다.
모르타르 손실 계산: 처리 전후의 골재 중량을 비교하여 제거된 부착 모르타르의 백분율을 계산하였습니다.
콘크리트 배합 설계: M70 등급 콘크리트를 위해 6가지 배합 설계를 준비하였습니다:
- 천연 골재 콘크리트 (NAC)
- 광물 혼화재를 사용한 천연 골재 콘크리트 (NCMC - 실리카 흄 및 메타카올린 활용)
- 미처리 RCA를 사용한 순환 골재 콘크리트 (RAC-UN)
- 기계적 세척된 RCA를 사용한 순환 골재 콘크리트 (RAC-MS)
- 황산( $H_2SO_4$ ) 처리된 RCA를 사용한 순환 골재 콘크리트 (RAC- $H_2SO_4$ )
- 염산($HCl$) 처리된 RCA를 사용한 순환 골재 콘크리트 (RAC-$HCl$)
시험 규정: 본 연구는 신선한 상태의 성질(슬럼프, 컴팩션 팩터, Vee-Bee 콘시스토미터)과 경화된 상태의 성질(단위 중량, 압축 강도, 인장 강도, 휨 강도, 탄성 계수, 충격 저항)을 다양한 양생 일수(3일에서 90일)에 걸쳐 평가하였습니다. 미세 구조 분석은 주사 전자 현미경(SEM) 및 광학 이미징을 통해 수행되었습니다.

주요 결과

모르타르 제거 효율: 기계적 세척이 가장 효과적이었으며, 부착된 모르타르의 **29.68%**를 제거하였습니다. 산 처리 방식은 상대적으로 효과가 낮았는데, $H_2SO_4$ 는 17.60%, $HCl$은 **12.48%**를 제거하였습니다.
작업성: 미처리 RAC(UN)는 높은 흡수율로 인해 가장 낮은 작업성(슬럼프: 88 mm; 컴팩션 팩터: 0.87)을 보였습니다. 모든 처리 방법은 작업성을 개선하였으며, RAC-MS가 가장 높은 개선 효과(슬럼프: 98 mm; 컴팩션 팩터: 0.94)를 보여 천연 골재 혼합물의 성능에 근접하였습니다.
압축 강도: 28일 기준, 미처리 RAC(UN)는 NAC 대비 강도가 37.86% 감소하였습니다. 처리는 이러한 손실을 유의미하게 회복시켰습니다:
- RAC-MS는 RAC-UN 대비 24.98% 개선되었습니다 (66.50 N/mm² 도달).
- RAC- $H_2SO_4$ 는 19.42% 개선되었습니다 (62.00 N/mm²).
- RAC-$HCl$은 16.06% 개선되었습니다 (56.50 N/mm²).
- RAC-MS의 성능은 NCMC(72.99 N/mm²)와 유사한 수준이었으며, RAC-UN보다 현저히 우수했습니다.
인장 및 휨 강도: 유사한 경향이 관찰되었습니다. RAC-MS는 28일 기준 인장 강도(UN 대비 23.35% 향상)와 휨 강도(28일 기준 19.43% 향상)에서 가장 높은 이득을 보였습니다.
내구성 및 충격 저항: 처리된 골재는 탄성 계수와 충격 저항이 증가하였습니다. 예를 들어, 초기 균열이 발생하는 데 필요한 타격 횟수가 RAC-MS의 경우 29회(UN)에서 46회로 증가하여 인성이 향상되었음을 나타냈습니다.
밀도: 처리된 RAC의 밀도는 미처리 RAC보다 개선되었으나, 천연 골재 콘크리트보다는 여전히 약간 낮았습니다.

의의 및 주장
본 논문은 부착된 오래된 모르타르가 성능을 저하시키는 주요 요인이라고 결론짓습니다. 연구는 기계적 세척이 테스트된 처리 기술 중 가장 효과적인 기술이라고 주장하는데, 이는 가장 많은 양의 부착 모르타르를 제거하고 최상의 기계적 성질을 나타냈기 때문입니다. 화학적 처리( $H_2SO_4$ 및 $HCl$) 또한 골재 특성을 개선하였으나, 기계적 방법보다 효과가 낮았으며, 황산이 염산보다 우수한 성능을 보였습니다.

저자들은 처리된 RAC 콘크리트가 천연 골재 콘크리트의 성능을 완전히 따라잡지는 못하지만, 기계적 및 내구성 파라미터의 상당한 향상을 통해 가공된 순환 골재를 구조용 콘크리트의 지속 가능한 대체재로 활용할 수 있다고 단언합니다. 본 연구는 RCA를 처리함으로써 건설 폐기물의 부정적 영향을 완화하고, 자원 보존을 촉진하며 매립 의존도를 줄이는 방안의 타당성을 뒷받침합니다.

문제점: "축축한 코팅"

해결책: 벽돌을 닦아내는 세 가지 방법

큰 테스트: 깨끗한 벽돌로 건축하기

결론

유사한 논문