식물 섬유는 시멘트 제품에 다양한 특성을 부여할 수 있습니다. 식물 섬유는 미세 균열을 분산시키고, 밀도를 낮추며, 일부 벽체 재료의 단열 성능을 향상시키는 데 도움이 될 수 있습니다. 또한 물을 흡수하며, 많은 천연 섬유는 포틀랜드 시멘트의 고알칼리성 환경에서 성질이 변합니다. 효과적인 설계는 제품이 수행해야 할 기능을 먼저 결정한 다음, 실제 결합재에서 정의된 섬유 등급을 테스트하는 것에서 시작됩니다.
산동 지안방 화학섬유 유한공사에서는 시멘트 기반 자재용 Ecocretefiber™ 섬유를 공급하고 있습니다. 당사의 셀룰로오스 섬유 제품군은 제조업체가 식물성 섬유를 원할 때 고려할 수 있는 선택지 중 하나입니다. 다만, 이를 채택하기 위해서는 명확한 적용 용도와 통제된 시험이 필요합니다. 짚, 대나무, 유채 줄기 및 기타 식물성 섬유에 대한 연구 결과를 살펴보면, 왜 단 하나의 “식물 섬유 콘크리트” 레시피.
콘크리트에서 식물성 섬유로 간주되는 것은 무엇인가
식물 섬유는 볏짚, 대나무, 사이살, 황마, 코코넛 코이어 또는 가공된 셀룰로오스와 같은 천연 원료에서 유래한 가닥이나 짧은 조각을 말합니다. 주요 성분은 셀룰로오스, 헤미셀룰로오스, 리그닌이며, 소량의 왁스 및 기타 화합물도 포함되어 있습니다. 이러한 성분의 비율은 종류, 수확 시기, 가공 방법 및 보관 조건에 따라 달라집니다. “셀룰로오스 섬유”따라서 ”는 시멘트 내에서 매우 다른 치수, 흡수성 및 거동을 보일 수 있다.
형태는 원료의 출처만큼이나 중요합니다. 잘게 다진 줄기, 분쇄된 볏짚 입자, 정제된 짧은 셀룰로오스 섬유는 동일한 보강 효과를 제공하지 않습니다. 긴 가닥은 더 큰 균열을 연결해 줄 수 있는 반면, 미세한 섬유소(fibril)는 접촉 면적을 더 많이 제공하여 신선한 혼합물의 응집력에 영향을 미칠 수 있습니다. 어느 한 가지 설명만으로는 구조적 성능을 입증할 수 없습니다. 선택한 등급에 대해 길이, 종횡비, 인장 강도, 접착력, 첨가량 및 분산도를 측정해야 합니다.
식물 섬유는 또한 다음과 다릅니다. 폴리프로필렌 극세사 그리고 수용성 셀룰로오스 에테르로부터. PP 모노필라멘트 수분 흡수 특성이 다르며, 셀룰로오스 에테르는 분말 형태의 모르타르에서 수분 및 유동 거동을 변화시킵니다. 당사의 가이드에 따르면 셀룰로오스 섬유 및 셀룰로오스 에테르r 왜 무게만으로 서로 바꿔 쓸 수 없는지 설명합니다.
| 물질적 형태 | 평가해야 할 주요 역할 | 주요 자격 요건 관련 문제 |
| 다진 생 짚 또는 줄기 | 일부 제품의 낮은 밀도, 균열 분포 또는 단열 상태 | 변동성 조성, 수분 흡수, 추출물, 장기 안정성 |
| 가공 셀룰로오스 섬유 | 미세 균열 제어 및 혼합물 응집력 | 농도 일관성, 용량, 분산성 및 호환성 |
| 대나무나 그 밖의 긴 식물 가닥 | 잠재력 크랙 브리징 일치된 복합재에서 | 결합, 배향, 수분 이동 및 알칼리 노화 |
| PP 마이크로파이버 | 섬유의 수분 흡수량이 적은 초기 균열 제어 | 지정된 등급, 투여량 및 프로젝트 성능 시험 |
이 비교는 가능한 설계상의 역할을 설명한 것이지, 보장된 결과를 나타내는 것은 아닙니다. 사양서에는 해당 제품의 식물 분류군뿐만 아니라 실제 제품명과 검증된 성능도 명시해야 합니다.
섬유가 강도와 균열 거동에 미치는 영향
섬유는 시멘트 매트릭스가 갈라지면서 발생하는 균열을 가로질러 인장력을 전달할 수 있습니다. 이러한 연결 구조는 보의 파괴 방식과 균열 발생 개수에 영향을 미칠 수 있습니다. 미세하고 고르게 분포된 섬유 네트워크는 균열 폭을 좁게 유지하는 데 도움이 될 수 있습니다. 유용한 힘은 섬유가 온전하게 유지되는지, 그리고 계면이 과도한 미끄러짐이나 조기 파단 없이 하중을 전달하는지에 따라 달라집니다.
바이 시치(Bai Shiqi)가 2020년에 발표한 리뷰 논문에서 중국의 신기술 및 신제품 여러 연구 사례를 비교해 보았다. 한 볏짚 섬유 콘크리트 연구에서는 볏짚 함량이 증가함에 따라 압축 강도, 쪼개기 인장 강도 및 굽힘 강도가 낮아진 것으로 보고되었다. 반면, 별도의 대나무 섬유 실험에서는 쪼개기 인장 강도가 현저히 향상된 것으로 나타났다. 이러한 결과가 공존할 수 있는 이유는 사용된 섬유, 배합 설계, 첨가량 범위 및 시험 방법이 서로 달랐기 때문이다. 따라서 대나무 실험 결과를 바탕으로 볏짚 혼합물의 강도를 예측해서는 안 됩니다.
이 문헌 고찰에서는 또한 섬유 함량이 0.1%, 0.2%, 0.3%, 0.4%인 저용량 유채 줄기 실험에 대해서도 설명하고 있다. 여러 강도 측정값은 처음에는 증가했다가 이후 감소했다. 보고된 갈라짐 인장 강도와 굽힘 강도의 최대치는 약 부피 기준 0.2% 20~30mm 길이의 섬유를 사용한 경우입니다. 이는 특정 유채 줄기 시스템에 대한 결과입니다. 이는 not Ecocretefiber™ 셀룰로오스의 투여량 및 부피 백분율은 섬유 밀도 및 배합 계산 없이 질량 기준 생산 명세서에 그대로 기재해서는 안 됩니다.
섬유질이 너무 많으면 왜 문제가 될까요? 식물성 재료가 많으면 신선한 페이스트에서 수분을 흡수하여 가공성을 저하시키고 덩어리를 형성할 수 있습니다. 그러면 혼합물 내에 공기가 갇히거나, 골재와 섬유 주변에 페이스트가 너무 적게 채워진 부분이 생길 수 있습니다. 밀도가 낮은 것은 벽체 유닛에는 유용할 수 있지만, 과도한 공극은 압축 강도를 저하시킬 수 있습니다. 엔지니어는 어떤 특성을 우선시할지 결정하고, 다른 특성들은 허용 가능한 범위 내에 유지해야 합니다.
구조적 결정을 내릴 때는 측정된 압축 강도와 선택한 시점에서의 전체 굽힘 응답을 확인하십시오. 최대 굽힘 강도와 균열 발생 후 잔류 하중은 서로 다른 정보를 제공합니다. ASTM C39/C39M-26 해당 원통형 콘크리트 시편의 압축 강도를 다룹니다. ASTM C78/C78M-22 제3점 하중을 가하여 굽힘 강도를 측정합니다. 빔의 잔여 성능이 중요한 경우에는, ASTM C1609/C1609M-24 평가한다 섬유 철근 콘크리트 하중-변형률 곡선을 바탕으로 합니다. 시험 방법과 시편 유형은 인증 대상 제품과 일치해야 합니다.
단열의 이점을 제대로 파악하려면 올바른 비교가 필요합니다
일부 식물 섬유 복합재는 구조 내에 더 많은 공기를 포함하고 뭉치 밀도가 낮기 때문에 열전도율이 더 낮습니다. 2020년 리뷰 논문에서는 기준 혼합물보다 기공이 더 큰 유채 줄기 콘크리트에 대해 설명하고 있으며, 섬유 함량이 증가함에 따라 열전도율이 낮아지는 경향을 보인다고 밝히고 있다. 이러한 기공의 변화는 강도와 수분 이동에도 영향을 미칠 수 있다. 따라서 단열성과 강도는 함께 시험해야 한다.
인용된 한 비교 자료에 따르면 열전도율은 0.15 W/(m·K) 빨대를 위해 옥시염화마그네슘 시멘트 블록, 해당 출처에 따르면 점토 벽돌의 경우 0.81 W/(m·K), 기준 콘크리트의 경우 1.51 W/(m·K)입니다. 0.15라는 수치는 해당 벽체 블록과 그 시험 조건에 한정된 것입니다. 이는 일반 포틀랜드 시멘트 콘크리트, 모든 식물 섬유 혼합물, 또는 어떤 Ecocretefiber™ 제품도 설명하는 것이 아닙니다.
열유입을 줄이고 구조적 요구 사항이 크지 않은 경우, 벽체 제품이 매력적인 선택이 될 수 있습니다. 반면, 포장면이나 하중이 크게 가해지는 부재의 경우 균형이 다르게 잡힙니다. 명시된 수분 함량 및 밀도 조건에서의 열전도율, 제품의 치수, 그리고 관련 압축 강도 및 내구성 시험 결과를 문의하십시오. 수분 함량은 열적 성능에 영향을 미칠 수 있으므로, 건조한 실험실 조건에서 측정된 값이 실제 노출된 벽체의 성능을 정확히 반영하지 않을 수 있습니다.
제조사가 열적 성능을 중점적으로 고려하는 경우, 합의된 단일 방법에 따라 완성된 전체 유닛이나 패널을 비교해야 합니다. ASTM C518-21 이는 정상태 열전달 특성을 측정하기 위한 열유량계 측정법입니다. 적절한 시험 설정을 선택하고, 조건 설정, 시편 크기, 밀도 및 수분 함량을 기록하십시오.
수분 흡수는 배합 설계의 첫 번째 과제입니다
식물 섬유에는 종종 기공과 친수성 기가 포함되어 있습니다. 이 섬유들은 혼합 전이나 혼합 중에 물을 흡수할 수 있습니다. 이로 인해 시멘트와 골재를 적시는 데 사용 가능한 유리수가 줄어들고, 슬럼프나 유동성이 변화하며, 현장 배치가 소규모 실험실 배치와 다른 거동을 보일 수 있습니다. 시공 과정에서 섬유는 물에 젖으면 팽창하고, 건조되면 수축할 수 있습니다. 이러한 반복적인 변화는 섬유와 매트릭스 사이의 계면을 약화시킬 수 있습니다.
인용된 문헌에서는 섬유 함량이 증가함에 따라 수분 흡수율이 높아지는 짚 섬유 복합재에 대해 설명하고 있다. 특정 처리 실험 결과, 세척이나 알칼리 처리를 거친 경우 처리하지 않은 경우에 비해 수분 흡수율이 감소하는 것으로 나타났다. 보고된 최저 수치는 4% 수산화나트륨 용액으로 처리된 5% 섬유를 혼합한 시료를 12시간 동안 침지한 후 측정된 9.32%였습니다. 이는 매우 제한적인 범위에서 도출된 실험 결과입니다. 이는 모든 식물 섬유 콘크리트에 대한 일반적인 예측도 아니며, 공장에서 권장되는 화학 조성법도 아닙니다.
생산 과정에서 섬유의 입고 시 수분 함량과 흡수 특성을 기록하십시오. 사전 습윤 계획, 통제된 수분 조절 또는 다른 등급의 섬유를 사용하면 일관성을 개선할 수 있지만, 각 변경 사항에 대해서는 반드시 시험을 거쳐야 합니다. 혼합물이 가공 가능해 보일 때까지 물을 첨가하면 유효 수분 대 결합제 비율이 높아져 강도가 저하될 수 있습니다. 호환성을 확인한 경우, 일부 혼합물에서는 초가소제 조절이 더 적합할 수 있습니다.
콘크리트의 침투수와 섬유 흡수량을 별도로 측정하십시오. ASTM C1585-20 노출된 표면을 통해 수경성 시멘트 콘크리트의 수분 흡수 속도를 측정합니다. 이 방법은 적용 분야에서 명확한 흡습성 비교가 필요한 경우에 유용합니다. 다만, 이 방법은 섬유 수분 측정이나 프로젝트 내구성 평가 프로그램을 대체하지는 않습니다.
시멘트 수화 반응이 느려지는 이유
식물 섬유에는 셀룰로오스 외에도 다른 성분이 포함되어 있습니다. 일부 줄기나 기타 원료 섬유는 용해성 당분과 헤미셀룰로오스 또는 리그닌에서 유래한 화합물을 혼합수에 방출할 수 있습니다. 이러한 추출물은 시멘트 반응을 지연시킬 수 있습니다. 2020년 리뷰 논문은 볏짚이 최대 수화 속도를 낮추고 첫 7일 동안 방출되는 열량을 감소시킨다는 열 방출 연구 결과를 인용하고 있습니다. 이러한 관찰 결과는 시험에 사용된 볏짚과 결합재에 적용되는 것입니다. 세척되거나 가공된 셀룰로오스 등급의 경우 다른 특성을 보일 수 있습니다.
경화 속도가 느린 혼합물은 탈형, 마감 작업 또는 조기 적재를 지연시킬 수 있습니다. 또한 추운 날씨에서의 생산을 어렵게 만들 수도 있습니다. 공장에서는 동일한 결합재, 물, 혼화제, 온도 및 양생 방법을 사용한 일반 혼합물과 섬유 강화 혼합물을 비교해야 합니다. 신선 유동성, 경화 시간, 초기 강도 및 후기 강도를 추적해야 합니다. 혼합물에 보조 시멘트질 재료가 포함된 경우, 시멘트 함량 변경만으로 비호환성 문제가 해결된다고 가정하지 말고 해당 전체 바인더 시스템을 검증해야 합니다.
ASTM C403/C403M-23 해당 콘크리트 배합이나 모르타르 분획에 대해 침투 저항을 통해 경화 시간을 측정할 수 있습니다. 등온 열량 측정을 통해 발열 프로파일에 대한 추가 정보를 얻을 수 있습니다. 이러한 시험을 통해 연구팀은 계획된 생산 조건 하에서 섬유 전처리 과정과 결합재가 서로 잘 작용하는지 여부를 파악할 수 있습니다.
알칼리 내구성과 접착 문제
일반 포틀랜드 시멘트의 기공 용액은 알칼리성입니다. 시간이 지남에 따라 이러한 환경은 일부 천연 섬유의 구성 성분을 부식시킬 수 있습니다. 습기 및 반복적인 습윤과 건조는 추가적인 손상을 초래할 수 있습니다. 시멘트 매트릭스 내 사이잘에 대한 한 연구에서는 알칼리성 및 미네랄이 풍부한 조건 하에서의 열화를 조사한 반면, 다른 실험 연구에서는 알칼리 노출 하에서 천연 섬유의 노화 현상을 측정했습니다. 복합재의 수명은 실제 사용된 섬유와 매트릭스에 따라 달라지므로, 28일 강도 결과가 양호하다고 해서 그것이 전부는 아닙니다. 시멘트 매트릭스 열화 연구 읽기 그리고 실험적 노화 연구.
섬유 표면 또한 접착을 어렵게 만들 수 있습니다. 왁스나 잔류물이 시멘트 페이스트와의 접촉을 방해할 수 있습니다. 너무 쉽게 뽑히는 섬유는 균열을 가로질러 하중을 충분히 전달할 수 없습니다. 반면, 취약한 섬유와 매우 강한 접착력을 형성하면 섬유가 파단될 수 있습니다. 최적의 접착 조건은 요구되는 균열 폭과 하중 단계에 따라 달라집니다.
세척, 제어된 알칼리 처리, 코팅, 기계적 또는 플라즈마 표면 처리가 가능한 방법입니다. 이들 방법은 비용과 효과가 각기 다릅니다. 처리 과정에 있어 섬유 손상, 잔류 화학 물질, 수분 흡수, 혼합 적합성 및 장기적 성능에 대한 평가가 이루어져야 합니다. 본 문헌 고찰에서는 표면 화학적 성질을 변화시키는 방법으로서 냉플라즈마를 다루고 있으나, 모든 식물성 섬유 등급에 적용 가능한 보편적인 공정이나 경제적 이점을 확립하지는 못했습니다.
생산자는 내구성 설계의 일환으로 적절한 보충 시멘트질 재료 등을 포함한 바인더 변경 사항을 검토할 수도 있습니다. 그렇다고 해서 해당 재료가 모든 노출 조건에서 자동으로 안전해지는 것은 아닙니다. 가속 조건 시험 결과를 잔류 섬유 및 복합 재료의 특성과 종합적으로 분석하고, 엔지니어와 함께 사용 조건을 확인해야 합니다.
식물 섬유의 적용 분야와 추가 연구가 필요한 부분
벽판, 경량 블록, 일부 프리캐스트 부재, 석고 및 특정 모르타르는 낮은 밀도, 응집력 또는 단열 성능 중 하나 이상의 조합을 중요하게 여길 수 있습니다. 각 제품에는 여전히 고유한 강도 및 수분 기준이 필요합니다. 하중이 크게 가해지는 구조용 콘크리트 부재는 훨씬 더 강력한 구조가 필요하며, 특히 설계가 다음 요소에 의존하는 경우에는 더욱 그렇습니다. 균열 발생 후 잔류 하중. 모든 식물성 섬유를 ~의 직접적인 대체재로 간주해서는 안 됩니다. 철근 또는 공학적으로 설계된 매크로 합성 섬유.
저희는 Ecocretefiber™ 셀룰로오스 섬유 게시된 절단 길이와 등급 정보가 포함된 옵션입니다. 이는 가공된 제품으로, 인용된 연구에서 사용된 원료 상태의 볏짚이나 대나무 표본과는 다릅니다. 해당 제품 페이지를 통해 등급에 대한 논의를 시작할 수 있으나, 선택한 혼합물에 대해서는 별도의 검증이 필요합니다. 또한 당사는 더 폭넓은 광섬유 제품군 ~할 때 PP, PVA, 강철 또는 기타 재료 성능 목표에 더 부합합니다.
유용한 시험을 수행하려면 먼저 최종 제품을 정의해야 합니다. 미처리 대조군과 최소 두 가지 수준의 섬유 함량을 선택하십시오. 각 세트에 대해 동일한 바인더, 골재, 양생 조건 및 수분 조절 방법을 사용하십시오. 섬유의 수분 함량, 분산도, 생 콘크리트의 유동성, 공기 함량, 단위 중량, 경화, 압축 강도 및 굽힘 거동을 기록하십시오. 실용상 해당 성능이 중요한 경우에는 흡수, 열적, 노화 시험을 추가하십시오. 파단된 시편을 촬영하고, 섬유가 뽑혀 나갔는지, 끊어졌는지, 또는 뭉쳐졌는지 기록하십시오.
그런 다음 공장 규모로 혼합 및 타설 시험을 실시하십시오. 섬유는 일관되게 공급되어야 하며, 뭉침 없이 분산되어야 하고, 의도한 표면 마감을 유지해야 합니다. 작업성을 위해 물을 더 추가해야 한다면, 승인된 배합을 몰래 변경하기보다는 설계를 재검토하고 다시 테스트하십시오. 최적의 배합이란, 반복 가능한 비용과 공정으로 모든 필수 특성을 충족하는 것입니다.
자주 묻는 질문
식물 섬유 콘크리트가 일반 콘크리트보다 항상 더 강할까요?
아닙니다. 일부 섬유나 저용량은 특정 인장 또는 굽힘 특성을 향상시키는 반면, 다른 혼합물은 강도가 저하되기도 합니다. 과도한 수분, 공기 또는 불량한 분산은 압축 강도를 저하시킬 수 있습니다. 동일한 시험 방법에 따라 선택한 등급을 일반 대조군과 비교하십시오.
모든 식물성 섬유가 단열 효과를 높여주나요?
아닙니다. 밀도, 기공 구조, 수분 함량, 결합제, 제품의 형상 등이 모두 중요합니다. 0.15 W/(m·K)라는 수치는 특정 마그네슘 옥시클로라이드 짚 블록의 예시일 뿐이며, 다른 제품에 그대로 적용할 수는 없습니다.
셀룰로오스 섬유에 대해 보고된 0.2%의 용량을 사용할 수 있을까요?
직접적인 관계는 아닙니다. 그 수치는 특정 유채 줄기 실험에서 산출된 부피 분율입니다. 등급별 밀도를 확인하고, 귀사의 생산 공정이 부피 기준 투여 방식을 사용하는지 질량 기준 투여 방식을 사용하는지를 결정한 후, 바인더에 시험 범위를 명시하십시오.
알칼리 처리가 장기 내구성을 해결해 줄 것인가
처리를 하면 어떤 특성은 개선될 수 있지만 다른 특성은 손상될 수도 있습니다. 명확히 정의된 공정을 선택한 다음, 관련 노화 처리를 거친 후 수분 흡수율, 섬유 무결성, 경화, 강도 및 잔류 특성을 측정하십시오. 공장에서는 적절한 화학 물질 취급 절차를 준수하십시오.
가공 셀룰로오스 섬유는 셀룰로오스 에테르와 같은 것인가요?
아닙니다. 셀룰로오스 섬유는 균열 연결에 기여할 수 있는 물리적 가닥 형태를 유지합니다. 반면 셀룰로오스 에테르는 주로 수분 보유력과 신선한 혼합물의 유동성을 조절하는 데 사용되는 수용성 또는 수화 가능한 분말입니다. 이 두 재료는 서로 다른 사양을 필요로 합니다.
결론
식물 섬유는 시멘트 제품에 유용하게 사용될 수 있으며, 특히 균열 분포, 혼합물의 응집력, 중량 또는 열적 성능이 중요한 경우에 더욱 그렇습니다. 한편, 식물 섬유의 수분 흡수율, 표면 화학적 특성, 수화 효과 및 알칼리 내구성은 성능을 제한할 수도 있습니다. 앞서 언급된 연구 사례들은 다음과 같은 실용적인 원칙을 시사합니다. 즉, 특정 바인더에서 정의된 등급의 섬유를 검증하고, 고객이 실제로 활용할 특성을 측정해야 한다는 것입니다.
산동 지안방 화학섬유 유한공사는 Ecocretefiber™ 셀룰로오스 섬유 샘플을 공급해 드릴 수 있으며, 귀사의 제품에 적합한 다른 섬유 옵션에 대해서도 상담해 드릴 수 있습니다. 저희 팀에 문의하기 사용 목적, 바인더, 혼합 방법 및 필요한 시험 항목을 알려주시면, 고객님께 적합한 시험용 등급을 선정할 수 있도록 도와드리겠습니다.
