Strength reduction and strength-scaling relations of M40 concrete with untreated bamboo chips as partial coarse-aggregate replacement

콘크리트는 지구상에서 가장 널리 사용되는 건축 자재로, 시멘트, 물, 모래, 그리고 부순 돌을 혼합하여 암석과 같은 고체로 굳힌 것이다. 부순 돌은 골재라고 불리며, 부피의 가장 큰 부분을 차지하고 재료의 강도 대부분을 제공한다. 이 돌은 땅에서 채굴되기 때문에 유한한 자원이며, 이를 추출하고 운송하는 데 상당한 에너지가 필요하다. 세계 여러 지역에서 이 돌을 대체할 저렴한 대안을 찾는 것은 주요한 공학적 과제이다. 그러한 대안 중 하나는 방글라데시와 같은 나라에서 풍부하고 저렴하게 구할 수 있는 빠르게 자라는 풀인 대나무이다. 대나무는 오랫동안 구조적 지지대로 사용되거나 콘크리트의 균열을 방지하기 위한 섬유로 첨가되어 왔지만, 무거운 돌 덩어리를 직접적으로 대체하는 용도로 사용하는 것은 미지의 영역으로 남아 있었다. 핵심적인 질문은 콘크리트의 돌 골격 일부를 식물 재료로 교체했을 때 여전히 무게를 견딜 수 있는지, 만약 그렇다면 그 교환 과정에서 강도가 얼마나 손실되는가 하는 점이다.

치타공 공과대학교(Chittagong University of Engineering & Technology)의 한 연구자는 많은 구조용 건물에 사용되는 표준인 40메가파스칼(MPa)의 목표 강도에 도달하도록 설계된 특정 유형의 콘크리트를 테스트함으로써 이 질문에 답하고자 했다. 연구자는 가공하지 않고 건조된 대나무 칩(식물의 벽 부분을 대체될 돌과 유사한 크기로 자른 조각들)을 가져와, 이를 부순 돌 대신 콘크리트에 혼합하였다. 연구자는 대나무를 화학 물질이나 특수 코팅으로 처리하지 않았으며, 단순히 자연 상태 그대로의 재료를 사용했다. 연구자는 다섯 가지 서로 다른 배치의 콘크리트를 만들었다. 한 배치는 대나무가 전혀 포함되지 않은 대조군이었으며, 나머지 배치들은 돌 부피의 4, 8, 12, 16%를 대나무 칩으로 대체하였다. 그런 다음 이 혼합물을 몰드에 부어 원기둥과 보를 만든 후, 28일 동안 물에서 양생하고, 파괴되기 전까지 얼마나 많은 힘을 견딜 수 있는지 확인하기 위해 엄격한 테스트를 거쳤다.

결과는 대나무가 콘크리트의 하중 지지 능력에 예측 가능하고 상당한 영향을 미친다는 것을 보여주었다. 대나무의 양이 증가함에 따라 압축 강도(재료를 으스러뜨리는 데 필요한 힘)는 꾸준히 감소했다. 대나무가 없는 대조용 혼합물은 44.2메가파스칼의 강도에 도달했다. 돌의 4%를 대체했을 때 강도는 35.8메가파스칼로 떨어졌다. 8% 대체 시에는 29.3메가파스칼로 더 낮아졌다. 대체율이 16%에 도달했을 때, 강도는 원래 혼합물 대비 65% 감소한 15.4메가파스칼로 급락했다. 연구자는 대나무가 1% 추가될 때마다 압축 강도가 거의 1.8메가파스칼씩 감소한다는 것을 발견했다. 이러한 감소는 매우 일관되어 그래프 상에서 직선을 형성했으며, 이는 대나무의 양과 강도 손실 사이에 직접적이고 신뢰할 수 있는 관계가 있음을 시사했다.

하지만 건설에서 중요한 다른 종류의 강도에 대해서는 이야기가 달랐다. 콘크리트는 흔히 바닥 슬래브가 무게에 의해 처지거나, 재료가 측면에서부터 벌어지는 힘을 받는 것과 같은 굽힘 힘을 받는다. 연구자는 보를 구부리고 원기둥을 쪼개는 방식으로 이러한 특성을 테스트했다. 연구자는 대나무가 이러한 강도들을 감소시키기는 하지만, 그 감소 폭이 압축 강도만큼 심각하지는 않다는 것을 발견했다. 가장 높은 대체 수준인 16%에서 굽힘에 저항하는 능력은 46% 감소했고, 쪼개짐에 저항하는 능력은 41% 감소했다. 이는 재료가 직접적인 압력 하에서는 훨씬 약해지지만, 굽힘과 인장력을 다루는 능력은 더 많이 유지한다는 것을 의미한다. 혼합물의 작업성(부었을 때 얼마나 쉽게 흐르는지를 측정)은 대나무 함량이 가장 높을 때도 단 3.5밀리미터만 감소하여 매우 적게 변했으며, 이는 대나무가 건설 과정에서 콘크리트를 다루기 어렵게 만들지 않았음을 나타낸다.

연구의 핵심 부분은 엔지니어들이 콘크리트 강도를 추정할 때 사용하는 표준 규칙이 대나무가 존재할 때도 여전히 적용되는지 확인하는 것이었다. 건축 법규는 일반적으로 인장 또는 굽힘 강도를 추측하기 위해 압축 강도와 관련된 특정 수학적 관계를 사용한다. 연구자는 대나무 칩이 있어도 이 관계가 유효하다는 것을 발견했다. 굽힘 및 쪼개짐 강도가 압축 강도와 관련하여 변화하는 방식은 일반적인 콘크리트와 동일한 패턴을 따랐다. 이것은 매우 중요한 발견인데, 왜냐하면 엔지니어들이 이 재료를 설계하기 위해 새로운 공식을 발명할 필요 없이, 단순히 대나무 콘크리트를 일반 콘크리트보다 약한 버전으로 취급하고 기존의 안전 여유치를 사용할 수 있다는 것을 의미하기 때문이다. 또한, 대나무 혼합물의 실제 굽힘 강도는 표준 규격이 예측하는 것보다 약간 더 높았으며, 이는 해당 재료가 확립된 제한 범위 내에서 사용하기에 안전함을 시사한다.

또한 본 연구는 완전히 건조되었거나 물에 적셔진 대나무 칩을 사용했던 이전 연구들과 결과를 비교했다. 본 연구에서 사용된 가공되지 않고 건조된 대나무의 성능은 이 두 극단 사이의 중간 지점에 위치했다. 이는 대나무의 수분 함량이 강도 손실을 조절하는 가장 중요한 요인임을 시사한다. 건조한 대나무는 콘크리트 혼합물로부터 물을 흡수하여 부풀어 올랐다가 건조되면서 수축하며, 이는 결합을 약화시키는 미세한 틈과 균열을 만든다. 여기서 사용된 대나무는 이미 건조된 상태였는데, 이는 건조한 칩에서 나타나는 극심한 팽창을 방지했을 것이나, 물에 적신 칩이 제공하는 완전한 안정성에는 미치지 못했을 것이다.

이 연구의 실질적인 시사점은 돌의 일부를 대나무로 대체하는 것이 특정 유형의 건설에 실행 가능한 옵션이라는 것이다. 돌의 48%를 대체했을 때, 콘크리트는 원래 강도의 6681%를 유지하여 29~36메가파스칼 사이의 최종 강도를 나타냈다. 이는 일반적인 건물의 보나 기둥과 같은 일반적인 구조 요소에 충분히 강한 수치이다. 그러나 대체 수준이 8%를 넘어서면 강도가 대부분의 구조적 용도 기준치 미만으로 떨어져, 칸막이 벽이나 기초용 린 콘크리트와 같은 비구조적 용도로 제한된다. 연구자는 대나무가 채굴된 돌의 수요를 줄이는 지속 가능한 방법을 제공하지만, 사용되는 양을 엄격히 제어해야 하며, 칩의 수분 상태가 콘크리트의 안전성과 강도를 보장하기 위해 건설업자가 관리할 수 있는 주요 요인이라고 결론지었다.