Modified expanded polystyrene as partial substitute for lightweight concrete aggregates
본 연구는 변형된 발포 폴리스티렌(MEPS)을 제조하기 위해 발포 폴리스티렌(EPS)의 열처리를 최적화하였으며, 굵은 골재를 MEPS로 대체하는 것은 콘크리트 압축 강도를 크게 감소시키는 반면, 잔골재를 최대 40%까지 MEPS로 대체하는 것은 강도에 통계적으로 유의미한 영향 없이 밀도를 효과적으로 낮춘다는 것을 발견하였다.
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콘크리트는 지구상에서 가장 널리 사용되는 건축 자재로, 우리 도시의 골격을 형성하고 주거지의 기초를 이룹니다. 콘크리트는 무거운 하중을 견디고 화재에 저항하는 능력 덕분에 높이 평가받지만, 한 가지 중대한 단점이 있습니다. 바로 매우 무겁다는 점입니다. 이러한 무게는 운송을 어렵게 만들고, 더 가벼운 재료가 필요한 특정 구조물에서의 사용을 제한합니다. 이를 해결하기 위해 엔지니어들은 전통적인 콘크리트의 강도는 유지하면서 무게는 현저히 줄인 '경량 콘크리트'를 만드는 방법을 오랫동안 모색해 왔습니다. 이를 달성하는 유망한 방법 중 하나는 혼합물 내부의 무거운 돌과 모래 일부를 확장 폴리스티렌과 같은 더 가벼운 물질로 대체하는 것입니다. 이는 포장재나 일회용 컵에 쓰이는 친숙한 스티로폼 형태의 플라스틱입니다. 하지만 가공되지 않은 상태의 폴리스티렌은 너무 부드럽고 미끄러워 콘크리트 작업에 적합하지 않습니다. 이는 위로 떠오르는 경향이 있고 시멘트에 잘 달라붙지 않습니다. 연구자들은 열을 가하면 플라스틱의 구조가 변하여 더 단단해지고 건설에 적합해진다는 사실을 발견했지만, 이러한 변화를 위한 정확한 조건은 그동안 불분명한 상태로 남아 있었습니다.
필리핀 아테네오 데 다바오 대학교(Ateneo de Davao University)의 연구팀은 이 과정을 개선하고, 수정된 플라스틱을 콘크리트에 가장 잘 사용하는 방법을 이해하기 위해 연구를 시작했습니다. 그들의 연구는 단순하지만 간과되었던 질문, 즉 플라스틱 조각의 크기가 열을 가할 때 중요한가 하는 문제에서 시작되었습니다. 이전의 연구들은 작은 조각과 큰 블록이 동일하게 반응할 것이라고 가정하며 모든 크기의 플라스틱에 대해 단일한 가열 시간을 사용하는 경우가 많았습니다. 연구진은 큰 블록의 경우 열이 중심부까지 전달되는 데 더 오래 걸릴 것이라고 추론하며 이것이 틀렸을 것이라고 의심했습니다. 이를 테스트하기 위해 그들은 두 가지 형태의 폴리스티렌, 즉 커다란 입방체와 다양한 크기로 부순 파편을 준비했습니다. 그들은 샘플을 섭씨 130도의 일정한 온도인 오븐에 넣고 5분에서 25분 사이의 다양한 시간 동안 가열했습니다. 가열 후 플라스틱이 얼마나 수축하고 얼마나 강해졌는지를 측정함으로써, 그들은 최적의 가열 시간이 실제로 조각의 크기와 연결되어 있다는 것을 발견했습니다. 연구 결과, 작은 입자의 경우 짧은 시간으로도 충분했지만, 더 큰 조각은 동일한 수준의 경도와 밀도를 얻기 위해 더 긴 노출 시간이 필요하다는 것을 알아냈습니다. 이러한 관계를 통해 그들은 어떤 크기의 폴리스티렌이라도 최상의 결과를 얻을 수 있도록 하는 특정 가열 일정을 만들 수 있었습니다.
가열 과정을 최적화한 후, 연구팀은 이 수정된 플라스틱을 실제 콘크리트에 혼합하는 다음 단계로 넘어갔습니다. 그들은 시멘트, 모래, 자갈을 사용하여 표준 콘크리트 배합법을 만든 다음, 모래와 자갈의 일부를 열처리된 플라스틱으로 교체했습니다. 그들은 모래와 자갈을 각각 또는 함께 교체하며 10%에서 40% 사이의 다양한 비율로 대체 실험을 진행했습니다. 목표는 콘크리트가 쓸모없을 정도로 약해지기 전까지 플라스틱을 얼마나 많이 첨가할 수 있는지 확인하는 것이었습니다. 결과는 모래를 대체했을 때와 자갈을 대체했을 때의 뚜로 명확한 차이를 보여주었습니다. 연구진이 작은 입자로 구성된 모래를 대체했을 때, 콘크리트는 현저히 가벼워졌지만 압축 압력을 견디는 능력은 놀라울 정도로 안정적으로 유지되었습니다. 높은 수준의 대체율에서도 강도가 급격히 떨어지지 않았습니다. 그러나 더 큰 자갈 돌을 플라스틱으로 교체했을 때, 콘크리트의 강도는 급격히 하락했습니다. 더 큰 플라스틱 조각들은 그들이 대체한 무거운 돌만큼의 하중을 지탱할 수 없었습니다.
연구진은 이러한 변화가 왜 발생하는지 이해하기 위해 강력한 현미경으로 콘크리트를 관찰했습니다. 그들은 열처리된 플라스틱 조각들이 미세한 구멍들로 채워져 있어 다공성이라는 것을 관찰했습니다. 이 다공성이 고체 혼합물 속에 공기 주머니를 도입함으로써 콘크리트를 더 가볍게 만드는 요인이 되었습니다. 분석 결과, 플라스키는 시멘트 페이스트와 비교적 잘 결합했지만, 천연 암석에 비해 본질적으로 약한 플라스틱의 특성 때문에 스스로 무거운 하중을 견딜 수는 없었습니다. 연구는 수정된 플라스틱이 경량 콘크리트를 만들기 위한 훌륭한 후보이지만, 큰 자갈보다는 작은 모래 입자를 대체할 때 가장 효과적이라는 결론을 내렸습니다. 이 방식은 건물을 지탱하는 데 필요한 강도를 희생하지 않으면서도 구조물의 무게를 줄일 수 있게 해줍니다. 이 연구 결과는 플라스틱 조각의 크기에 따라 가열 과정을 정밀하게 제어함으로써, 플라스틱 폐기물 문제와 무거운 건설 자재 문제를 동시에 해결하는 내구성이 있는 경량 건축 자재를 만드는 것이 가능하다는 것을 시사합니다.
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