Rice Husk Ash as a Partial Cement Substitute in Stabilised Laterite Blocks for Sustainable Non-Load-Bearing Wall Construction

저렴하면서도 지구에 친화적인 주택을 건설하려는 탐구 과정에서, 과학자들은 종종 우리 발밑의 땅과 수확물에서 나오는 폐기물에 주목합니다. 열대 지역에서 벽을 만드는 가장 흔한 재료 중 하나는 철과 알루미늄이 풍부하여 공기에 노출되면 단단해지는 붉은색 토양인 라테라이트(laterite)입니다. 그러나 자연 상태의 이 토양은 너무 약하고 물을 너무 많이 흡수하기 때문에 신뢰할 수 있는 건축 자재로 사용하기에는 부적합합니다. 이를 해결하기 위해 건축가들은 전통적으로 부드러운 흙을 단단하고 내구성 있는 재료로 바꿔주는 결합제인 일반 포틀랜드 시멘트를 혼합합니다. 하지만 이 시멘트를 생산하는 과정은 전 세계 탄소 배출의 주요 원인이 되어, 지속 가능한 건설을 위한 딜레마를 만들어냅니다. 동시에, 벼 농사는 막대한 양의 왕겨를 발생시키는데, 이는 종종 야외에서 태워져 연기를 내뿜으며, 시멘트와 유사한 혼합물을 강화하는 데 잘 알려진 물질인 실리카 함량이 높은 재료를 낭비하게 만듭니다. 연구자들의 과제는 건물의 안전성을 해치지 않으면서, 이 탄소 집약적인 시멘트를 농업 폐기물로 대체할 방법을 찾는 것이었습니다.

나이지리아와 프랑스의 연구팀은 쌀겨 재(rice husk ash)를 안정화된 라테라이트 블록에 얼마나 교체하여 넣을 수 있는지 테스트함으로써 이 문제를 해결하고자 했습니다. 그들은 아남브라(Anambra) 주의 현지 사이트에서 흙을 가져와 건조시킨 후, 물 및 시멘트와 혼합했습니다. 실험 배치에서는 시멘트의 일부를 곱게 갈아 만든 쌀겨 재로 대체하였으며, 시멘트를 전혀 대체하지 않는 경우부터 40%까지 대체하는 경우까지 모두 테스트했습니다. 그들은 많은 농촌 건설 프로젝트에서 사용되는 도구와 유사한 수동 압착기를 사용하여 블록을 만들었고, 그 후 7일, 28일, 90일 동안 양생(경화) 과정을 거쳤습니다. 목표는 이 블록들이 벽으로서 서 있을 수 있을 만큼 충분한 무게를 견딜 수 있는지 확인하는 동시에, 물을 너무 많이 흡수하면 시간이 지남에 따라 벽이 무너질 수 있으므로 수분 흡수율도 확인하는 것이었습니다.

결과는 강도와 지속 가능성 사이의 명확한 절충 관계를 보여주었습니다. 연구진이 쌀겨 재를 더 많이 첨가할수록 블록은 약간 가벼워지고 물을 더 많이 흡수했습니다. 이는 재가 시멘트보다 밀도가 낮고 블록 내부에 미세한 공기 주머니를 만들기 때문입니다. 더 중요한 점은, 쌀겨 재의 양이 증가함에 따라 블록의 강도가 일반적으로 떨어졌다는 것입니다. 시멘트를 15~20% 이상의 쌀겨 재로 대체했을 때 블록은 눈에 띄게 약해졌습니다. 그러나 블록이 모든 강도를 잃은 것은 아니었습니다. 단지 잠재력을 최대한 발휘하기까지 더 많은 시간이 필요할 뿐이었습니다. 연구진은 블록을 더 오래 양생할수록 더 강해진다는 것을 발견했는데, 이는 화학 반응에 의존하여 굳어지는 재료에서 나타나는 일반적인 특성입니다.

이 연구는 건설을 위한 '스위트 스폿(최적의 지점)'을 식별했습니다. 10%의 시멘트를 포함하고 그 시멘트의 10~20%를 쌀겨 재로 대체한 블록이 가장 좋은 성능을 보였습니다. 이 특정 블록들은 0.59에서 1.58 뉴턴/제곱밀리미터(N/mm²) 사이의 압축 강도에 도달했습니다. 이는 다층 건물의 무거운 무게나 지붕을 지탱하기에는 충분하지 않지만, 집 내부의 칸막이 벽이나 단층 구조물의 외벽과 같은 비내력벽(non-load-bearing walls)에는 충분한 강도입니다. 연구진은 6% 시멘트를 사용한 블록이 10%를 사용한 블록보다 일관되게 약하다는 점을 언급하며, 재를 보완하기 위해 초기 결합제의 양이 더 많이 필요함을 확인했습니다.

결정적으로, 연구팀은 통계 분석을 사용하여 블록의 연령, 시멘트의 양, 그리고 재 대체 수준이 최종 강도를 결정하는 주요 요인임을 확인했습니다. 그들의 모델은 블록의 강도를 매우 정확하게 예측했으며, 이러한 변수들 사이의 관계가 일관되고 신뢰할 수 있음을 보여주었습니다. 연구는 쌀겨 재가 이 용도에서 시멘트를 완전히 대체할 수는 없지만, 지속 가능한 건축을 위한 실행 가능한 경로를 제공한다고 결론지었습니다. 10~20%의 재를 사용함으로써 건축가들은 탄소 집약적인 시멘트에 대한 의존도를 줄이고 농업 폐기물에 가치를 부여할 수 있으며, 일상적인 주거용 수요에 적합한 강도를 가진 벽을 만들 수 있습니다. 이 연구는 개발도 중인 지역의 저렴한 주택을 위해, 이 혼합물이 블록이 건물의 전체 무게를 지탱할 필요가 없는 곳에 사용된다면 환경 보호와 구조적 안전성 사이의 실질적인 균형을 제공한다는 점을 시사합니다.