TOPSIS 공법을 이용한 폐섬유보강콘크리트의 내진성능 최적화 원문보기 KCI 원문보기 인용

Jun 13, 2023

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 8204(2023) 이 기사 인용

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지속 가능한 환경과 오염 문제를 해결하기 위해 산업 폐기물을 콘크리트 복합 재료에 사용할 수 있습니다. 이는 특히 지진이 발생하고 온도가 낮은 장소에서 유용합니다. 본 연구에서는 폴리에스터 폐기물, 고무 폐기물, 암면 폐기물, 유리섬유 폐기물, 코코넛 섬유 폐기물 등 5가지 종류의 폐섬유를 콘크리트 믹스에 질량비로 0.5%, 1%, 1.5%로 사용하였다. 압축강도, 굴곡강도, 충격강도, 쪼개짐 인장강도, 열전도도 평가를 통해 시료의 내진성능 관련 특성을 조사하였다. 결과에 따르면 콘크리트에 섬유보강재를 첨가하면 콘크리트의 충격강도가 크게 향상되는 것으로 나타났습니다. 쪼개짐 인장강도와 굴곡강도가 현저히 감소하였습니다. 열전도도는 고분자 섬유 폐기물의 첨가에 의해서도 영향을 받았습니다. 파손된 표면을 조사하기 위해 현미경 분석을 수행했습니다. 최적의 혼합비를 얻기 위해 다중응답 최적화 기술을 사용하여 허용 가능한 다른 특성 수준에서 원하는 충격강도 수준을 결정했습니다. 고무 폐기물은 콘크리트의 내진 적용을 위한 코코넛 섬유 폐기물 다음으로 가장 매력적인 옵션인 것으로 나타났습니다. 분산분석(α=0.05)과 파이차트를 통해 각 요인의 유의성과 기여도를 구하였으며, 요인 A(폐섬유 종류)가 주요 기여 요인임을 보여주었다. 최적화된 폐기물과 그 비율에 대한 확인 테스트를 실시했습니다. 주어진 가중치와 의사결정 선호도에 따라 이상에 가장 가까운 솔루션(샘플)을 얻기 위해 개발된 샘플에 TOPSIS(이상 솔루션에 대한 순서 선호 유사성) 기법을 사용했습니다. 확인 테스트에서는 6.68%의 오차로 만족스러운 결과를 얻었습니다. 참고 샘플과 폐고무 강화 콘크리트 샘플의 비용을 추정한 결과, 순수 콘크리트와 거의 동일한 비용으로 폐섬유 강화 콘크리트를 사용하여 8% 더 많은 부피를 달성한 것으로 나타났습니다. 재활용 섬유 함량으로 강화된 콘크리트는 자원 고갈과 폐기물을 최소화하는 측면에서 잠재적으로 유익합니다. 콘크리트 복합재에 고분자 섬유 폐기물을 첨가하면 내진 성능 관련 특성이 향상될 뿐만 아니라 다른 최종 용도가 없는 폐기물로 인한 환경 오염도 줄어듭니다.

환경 문제와 에너지 효율성은 현 시대의 두 가지 주요 문제입니다. 콘크리트는 세계에서 두 번째로 널리 사용되는 재료입니다1. 세계기업협의회(World Business Council)의 보고서에 따르면 연간 1인당 3.8톤의 콘크리트가 사용되고 있습니다2. 시멘트를 대량으로 사용하면 콘크리트 재료를 생산할 때 이산화탄소(CO2)가 배출되고, 시멘트의 독성이 높아 인체에 유해하기 때문에 환경에 심각한 영향을 미친다. 시멘트 제조는 전 세계적으로 인간이 배출하는 전체 CO2 배출량의 7%를 차지합니다3. 시멘트의 비친환경 특성으로 인해 연구자들은 지속 가능한 대체 재료를 연구하고 있습니다. 이 문제를 극복하려는 많은 시도가 있습니다. 대안 중 하나는 콘크리트 부품을 다른 재료로 완전히 교체하는 것이지만, 콘크리트는 확실한 장점이 있기 때문에 완전한 교체는 불가능합니다. 콘크리트 구성요소를 다른 환경 친화적인 재료로 부분적으로 교체하는 것이 이 문제에 대한 실질적인 해결책입니다. 콘크리트는 비친환경적인 것 외에도 갈라짐, 쏟아짐, 취성 등의 다른 단점도 가지고 있습니다. 순수 콘크리트는 압축강도는 높으나 인장강도는 약하다. 시멘트의 대규모 사용으로 인한 환경재난을 예방하기 위해 콘크리트 산업계에서는 CO2 배출 저감, 자원 재활용, 내구성 대체 소재 개발 등에 관심을 가져왔습니다. 섬유 강화 콘크리트(FRC)는 비용을 최소화하면서 필요한 내진 성능을 제공하기 위해 시멘트를 부분적으로 대체하는 데 폐섬유를 사용하기 때문에 현대 건설 산업에서 가장 저렴하고 내구성이 뛰어난 방법 중 하나입니다. 섬유/폐기물을 사용하면 시멘트 소비가 줄어들어 저렴한 주택 건설에 도움이 됩니다. 최종 용도가 없는 산업에서는 수많은 톤의 폐기물이 생산됩니다. 이러한 폐기물은 자연 분해되는 데 매우 오랜 시간이 걸리며, 이러한 폐기물은 매립지로 남게 됩니다. 이러한 산업폐기물에는 폴리에스터, 고무, 면, 플라스틱, 암면, 유리섬유, 나일론 등이 포함됩니다. 폴리에스터의 분해에는 거의 20~200년이 걸리며, 고무의 경우 50~80년, 암면의 경우 1~5년, 유리의 경우 분해에 약 20~200년이 소요됩니다. 섬유는 4000~5000년이 걸린다. 이러한 유형의 산업 폐기물은 건설 산업의 보강재로 사용될 수 있습니다. 건설현장에서 폐기물을 활용하는 것은 친환경 건설을 향한 좋은 발걸음입니다. 많은 연구자들이 건설 산업에서 이러한 유형의 폐기물을 사용하기 위해 노력하고 있습니다4,5,6.