Experimental Investigation on the Cyclic Behaviour of Nano Basalt Enhanced Epoxy Filler Modified Bamboo Reinforced Concrete Slabs

건물은 자체 재료의 무게와 그 안의 사람들을 견디며 굳건히 서 있도록 설계되지만, 일상생활의 반복적인 스트레스에서도 살아남아야 합니다. 바람은 마천루를 밀어붙이고, 교통량은 다리를 진동시키며, 지진은 집 아래의 땅을 흔듭니다. 이러한 힘을 다루기 위해 엔지니어들은 부서지지 않고 휘어질 수 있으며, 산산조각 나는 대신 에너지를 흡수할 수 있는 재료에 의존합니다. 1세기 넘게 강철은 강하고 유연하기 때문에 콘크리트를 보강하는 표준적인 선택이 되어 왔습니다. 그러나 강철은 생산하는 데 엄청난 양의 에너지가 필요하며 무거운 탄소 발자국을 남깁니다. 이에 대응하여 연구자들은 자연적으로 강하고 재생 가능한, 빠르게 자라는 식물인 대나무에 주목했습니다. 문제는 대나무가 강철과는 다르게 작동한다는 점이었습니다. 대나무는 젖으면 썩을 수 있고 콘크리트와 완벽하게 결합하지 못해, 구조물이 한계에 도달했을 때 종종 갑작스러운 파손을 초래하곤 했습니다.

인도의 한 연구팀은 대기 중의 반복적인 스트레스 하에서 대나무가 강철처럼 행동하도록 특별한 코팅 처리를 함으로써 이 문제를 해결하고자 했습니다. 그들은 지진이나 격렬한 사용 중에 발생하는 것과 같은 흔들림과 굽힘을 견딜 수 있는 지속 가능한 건축 재료를 만들 수 있는지 확인하고 싶었습니다. 그들의 연구는 바닥이나 지붕에 사용되는 평판인 특정 유형의 콘크리트 슬래브를 대상으로 했으며, 여기에는 대나무 조각이 보강되었습니다. 가공되지 않은 생대나무 대신, 그들은 대나무 조각을 강력한 접착제 성질을 가진 에폭시 수지에 담갔고, 여기에 미세한 현무암 입자와 유리 입자를 혼합했습니다. 이 혼합물은 대나무와 콘크리트 사이의 틈을 메워 더 단단한 결합을 만들고, 두 재료가 더 효과적으로 함께 작동할 수 있도록 설계되었습니다. 목표는 이 처리된 대나무가 강도나 강성을 잃지 않고 여러 번의 무거운 하중 및 언로딩 주기를 견뎌낼 수 있는지 테스트하는 것이었습니다.

연구진은 시멘트와 모래를 혼합한 표준 배합을 사용하여 각각 600 x 450 x 50 밀리미터 크기의 작은 콘크리트 패널을 제작했습니다. 그들은 성능을 비교하기 위해 여러 버전을 만들었습니다. 어떤 패널은 아무런 보강재가 들어있지 않아 일반 콘크리트가 어떻게 파괴되는지를 보여주는 기준 역할을 했습니다. 다른 패널들은 전통적인 벤치마크인 강철로 보강되었습니다. 나머지 패널들은 대나무 조각을 사용했는데, 일부는 가공되지 않은 상태였고, 일부는 에폭시로만 코팅되었으며, 다른 것들은 에폭시에 모래, 유리, 또는 유리와 나노 크기의 현무암 분말을 혼합한 것을 사용했습니다. 패널이 한 달 동안 양생된 후, 연구진은 두 지점에서 힘을 가했다가 다시 풀어주는 과정을 반복하는 테스트 기계에 패널을 배치했습니다. 이 과정은 폭풍이나 지진적 사건 동안 건물이 겪을 수 있는 종류의 반복적인 스트레스를 시뮬레이션한 것입니다. 기계는 패널이 얼마나 많은 힘을 견딜 수 있는지, 얼마나 휘어지는지, 그리고 최종적으로 부서지기 전까지 얼마나 많은 에너지를 흡수하는지를 기록했습니다.

결과는 처리되지 않은 재료와 처리된 재료 사이에 명확한 차이가 있음을 보여주었습니다. 일반 콘크리트 패널은 몇 번의 압력 주기조차 견디지 못하고 빠르게 균열이 생기며 실패했습니다. 생대나무가 들어간 패널은 약간 더 나은 성능을 보였지만, 여전히 강성이 급격히 저하되어 몇 번의 주기 후에 파괴되었습니다. 강철로 보강된 패널은 가장 잘 견뎌냈으며, 가장 많은 에너지를 흡수하고 가장 오랫동안 형태를 유지하여 전통적인 방식의 신뢰성을 확인시켜 주었습니다. 그러나 에폭시와 나노 현무암 혼합물로 처리된 대나무 패널은 강철의 성능에 놀라울 정도로 근접했습니다. 이 특정 처리된 대나무 패널은 최대 하중 60.6 킬로뉴턴을 견뎠고 76.8 킬로뉴턴-밀리미터를 흡수했는데, 이는 강철 패널이 달성한 62.6 킬로뉴턴과 83.3 킬로뉴턴-밀리미터에 매우 근접한 수치입니다. 반면, 처리되지 않은 대나무와 다른 덜 발전된 처리 방식들은 이 수치에 크게 미치지 못했습니다.

수치 이상의 측면에서, 패널이 파괴되는 방식은 중요한 이야기를 들려주었습니다. 처리되지 않은 대나무 패널이 실패했을 때는 경고 없이 갈라지며 갑작스럽고 치명적으로 파괴되었습니다. 그러나 처리된 패널은 훨씬 더 점진적인 저하를 보였습니다. 하중이 증가함에 따라, 이들은 한 곳에 집중되는 대신 표면 전체에 고르게 퍼지는 균열을 나타냈습니다. 이러한 거동은 구조물이 붕괴하기 훨씬 전에 눈에 보이는 이상 징칭을 보여줌으로써 사람들이 대응할 시간을 확보할 수 있게 해준다는 것을 의미합니다. 또한 처리된 대나무는 생대나무보다 강성을 훨씬 잘 유지했는데, 생대나무는 강성이 절반 이상 감소한 반면, 처리된 대나무는 여러 주기 후에도 약 25%의 강성만을 잃었습니다. 반복적으로 강성을 유지하고 에너지를 흡수하는 이 능력은 코팅이 콘크리트 내부에서 대나무가 미끄러지는 현상(처리되지 않은 버전의 흔한 실패 원인)을 성공적으로 방지했음을 시사합니다.

연구 결과의 정확성을 보장하기 위해 연구진은 물리적 테스트를 시뮬레이션하는 컴퓨터 모델도 구축했습니다. 디지털 시뮬레이션은 실제 실험 결과와 밀접하게 일치하였으며, 이는 콘크리트와 대나무가 어떻게 상호작용하는지 예측하는 수학적 모델이 올바르게 작동하고 있음을 확인해 주었습니다. 물리적 실험과 컴퓨터 시뮬레이션 간의 이러한 일치는 결과가 단순히 특정 샘플의 우연한 결과가 아니라 신뢰할 수 있다는 확신을 줍니다. 연구는 에폭시와 나노 현무암 및 유리를 혼합한 간단한 코팅을 사용함으로써, 대나무를 반복적이거나 중간 정도의 흔들림에 직면한 구조물의 콘크리트 보강을 위한 실행 가능한 대안으로 변모시킬 수 있다고 결론지었습니다. 비록 모든 지표에서 강철을 완전히 대체하지는 못했지만, 이 연구는 지속 가능한 식물 기반 재료가 특히 강철이 비싸거나 구하기 어려운 지역에서 미래 건설을 위한 진지한 경쟁자가 될 수 있는 수준의 내구성과 안전성을 갖추도록 엔지니어링될 수 있음을 증명했습니다.