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문제 정의
- 선행연구에서 도출된 가장 효과적인 표면처리방법은 콜로이달 실리카 용액(원액 30%)을 8%의 농도로 희석하여 24시간 함침한 후 약 5일 동안 자연건조 하는 것으로 나타났으며, 이 방법으로 표면처리한 순환골재의 여러 물성 중 가장 대표적인 인자인 밀도 및 흡수율의 개선효과는 표 2와 같다(박래선 등, 2007). 따라서 본 연구에서는 선행연구에서 도출된 표면처리방법을 이용하여 순환골재를 처리한 후 각종 물성시험을 통하여 미처리 순환골재와 비교 평가한 결과로부터 표면처리방법의 효과를 검증하였다.
- 순환골재는 제조과정 상 발생되는 미세균열로 인하여 품질이 저하되므로 이러한 미세균열, 즉 표면공극을 메꾸는 것이 중요하다. 따라서 본 연구진은 선행연구에서 표면처리방법을 이용한 순환골재의 품질을 개선하는 것을 목표로 하여, 적정용액으로 선정한 콜로이달 실리카용액에 순환골재를 함침시켜 밀도와 흡수율을 개선시키는 방법을 이용하여 용액의 농도, 함침시간 및 함침 순환골재의 건조방법과 건조시간 등을 변수로 한 다양한 시험결과를 비교 분석하여 효과적인 표면처리방법을 도출하였다(배주성 등, 2007).
- 본 연구는 콜로이달 실리카용액을 이용한 표면처리방법으로 순환골재의 품질을 개선하였으며, 품질이 개선된 표면처리 순환골재를 활용한 콘크리트의 역학적 특성 및 내구성능을 타 콘크리트와 비교 평가하여 순환골재를 실제 콘크리트 시설물 축조에 활용하기 위한 연구로 그 결론은 다음과 같다.
- 본 연구에서는 선행연구에서 도출한 표면처리방법으로 순환골재의 물성을 개선하였으며, 물성이 개선된 표면처리 순환골재를 활용한 콘크리트의 압축강도, 인장강도, 동결융해 저항성 및 길이변화 시험 등을 실시하여 그 역학적 특성과 내구성능을 타 콘크리트와 비교평가하여 순환골재를 실제 콘크리트 시설물 축조에 콘크리트용 골재로 활용하므로써 건설폐기물의 매립에 따른 문제점과 골재부족난 해소에 기여하는 것을 목적으로 한다.
- 본 연구에서는 앞에서 언급한 9종류의 골재를 각각 사용한 총 9종류의 콘크리트(AN00C, BN50C, CN50C, BS50C, CS50C, BN100C, CN100C, BS100C, CS100C)를 제작하여 압축강도, 인장강도, 길이변화 및 동결융해저항성 시험을 수행하여 각 콘크리트의 역학적 특성 및 내구성능을 평가하였으며, 그 결과로부터 표면처리순환골재의 활용성을 규명하고자 하였다.
제안 방법
- 본 연구에서는 KS F 2507 골재의 안정성시험에 따라 각 사용골재를 황산나트륨용액에 함침한 후 손실질량 백분율을 측정하여 안정성을 평가하였으며 그 결과는 그림 3에 나타내었다. 황산나트륨용액으로 시험 한 경우 굵은골재의 손실 중량백분율은 12%이내를 만족하여야 하는데 결과에서 보는 바와 같이 모든 골재가 12% 이하로 기준치를 만족하였다.
- 최근 들어 천연골재의 고갈로 인하여 양질의 골재 취득이 점점 어려워져 유해물 함유량의 기준치를 초과하는 골재를 사용할 가능성이 크기 때문에 유해물 함유량시험은 골재 선정의 중요한 평가기준이라 할 수 있다. 본 연구에서는 골재의 유해물 함유량 평가를 위하여 KS F 2511(골재에 포함된 잔입자 시험), KS F 2512(골재에 함유된 점토 덩어리량의 시험), KS F 2513(골재에 포함된 경량편 시험) 및 KS F 2516(굵기 경도에 의한 굵은골재의 연석량 시험)의 기준에 따라 시험을 실시하였으며, 또한 KS F 2576(이물질 함유량 시험)에 따라 순환골재의 품질에서 요구되고 있는 이물질 함유량을 평가하여 그 결과를 표 3에 나타내었다.
- 본 연구에서는 도로공사 2종 콘크리트의 표준 배합설계(설계기준강도 24 MPa)를 기준으로 하여 굵은골재 최대치수는 25 mm, 슬럼프 15±2cm, 공기량 5±1%, 물-시멘트 비 50% 및 잔골재율은 42%로 결정하여 각 종 콘크리트를 제작하였으며 이러한 각 종 콘크리트의 압축강도 측정값은 그림 7과 그림 8에 나타내었다.
- 본 연구에서는 콘크리트의 동결융해에 대한 저항성을 평가하기 위하여 KS F 2456에 따라 10×10×40 cm의 각주형 시험체를 제작하여 14일 양생시킨 후 시험체를 KSF2437(공명 진동에 의한 콘크리트의 동탄성계수 및 포아송비 시험)따라 상대동탄성계수를 측정 하였다.
- 한편, 표면처리 전 후의 효과를 살펴보면 표면처리한 BS 및 CS의 경우에 마모율이 감소하였는데 이는 표면처리방법이 순환골재의 표면을 강화시킨 것으로 판단되며 이를 확인하기 위하여 KS F 2541 골재의 파쇄시험을 실시하여 마모율의 평가와 병행하였다. 골재의 파쇄시험 결과는 그림 6과 같으며 저급의 순환골재를 100% 사용한 경우 표면처리로 인한 효과는 최대 약 3% 정도로 표면처리방법이 순환골재의 표면강도 증진에 효과적임을 알 수 있었다.
대상 데이터
- 본 연구에서 사용한 골재는 쇄석(AN00), 밀도 2.3 이하의 일반 순환골재(BN100) 및 이를 표면처리한 순환골재(BS100), 밀도 2.2 이하의 저급 순환골재(CN100) 및 이를 표면처리한 순환골재(CS100)의 5종류 및 상기 각 순환골재와 쇄석을 각각 50% 씩 혼합한 4종류의 혼합골재(BN50, BS50, CN50, CS50)로 총 9종류이다.
이론/모형
- 각 종 골재의 밀도 및 흡수율 시험은 KS F 2503에 따라 수행하였으며 그 결과는 각각 그림 1 및 그림 2와 같다.
- 골재의 마모율은 입형이 모가 나고 가늘고 길며 편평한 골재 즉, 입도 분포를 나쁘게 하는 골재 혹은 연질의 암석으로 된 골재일수록 높다. 골재의 마모율은 마모감량방법 및 골재의 파괴계수에 의한 시험방법으로 평가하며, 본 연구에서는 KS F 2508 로스앤젤스 시험기에 의한 굵은골재의 마모시험방법에 따라 측정하였으며 그 결과는 그림 5와 같다. 결과로 부터 각 순환골재와 쇄석을 각각 50% 혼합한 모든 골재는 KS 기준인 마모율 40% 이하를 만족하고 있으나, 혼합율 100% 인 경우는 기준치를 초과하였다.
- 건조수축에 의한 길이변화는 콘크리트 균열발생의 원인이 되고 내구성에도 나쁜 영향을 미치는 매우 중요한 성질이다. 본 연구에서는 KS F 2424의 모르타르 및 콘크리트의 길이 변화 시험에 따라 측정하였으며 이에 따른 각 종 콘크리트의 길이변화 결과는 그림 10 및 그림 11에 나타내었다.
- 본 연구에서는 각 사용 골재에 대해 KS F 2545 골재의 알카리잠재반응시험 방법(화학적 방법)에 의해 시험을 실시하였으며 그 결과를 그림 4에 나타내었다. 그림에서 Sc는 골재와 알카리반응에 의하여 용출된 실리카양이며, Rc는 골재와의 반응에 의하여 소모된 수산화나트륨양으로 이 두 인자의 상호관계로부터 골재의 유무해성이 판별된다.
성능/효과
- 1. 골재의 물성시험 결과, 밀도 2.3 이하의 일반 순환골재인 BN 시리즈 및 밀도 2.2 이하의 저급 순환골재인 CN 시리즈 모두 표면처리 전에는 KS 기준을 만족하지 못하는 결과를 나타냈으나 표면처리를 실시한 BS 시리즈 및 CS 시리즈에서는 제반 물성이 개선된 것으로 나타나 본 연구에서 적용한 표면처리방법이 순환골재 품질개선에 효과적임을 알 수 있었다.
- 2. 표면처리 순환골재를 활용한 콘크리트의 압축강도는 그 혼합률이 50% 및 100%인 경우 24 MPa를 상회하는 것으로 나타나 본 연구에서 적용한 표면처리방법으로 표면처리한 순환골재는 설계기준강도 24 MPa 이하의 도로시설물을 축조할 때 콘크리트용 굵은골재로 활용할 수 있다고 판단된다.
- 3. 본 연구에서 모든 순환골재 콘크리트의 길이변화량은 쇄석콘크리트에 비해 증가하였으나, 표면처리순환골재 콘크리트의 경우는 그 혼합률에 관계없이 길이변화량이 순환골재콘크리트보다 감소하였는데, 이러한 결과는 표면처리 방법이 순환골재의 공극의 감소에 효과적으로 작용했기 때문이라고 판단된다.
- 4. 동결융해저항성시험 결과, 순환골재콘크리트 및 표면처리 순환골재 콘크리트의 경우 혼합률에 관계없이 쇄석콘크리트에 비해 상대동탄성계수가 낮았지만 대부분 그 값이 80% 이상으로 나타나 동결융해 저항성은 만족할 만 하다고 판단된다. 또한 표면처리순환골재 콘크리트의 경우, 동결융해 저항성이 순환골재콘크리트에 비해 향상되었는데, 이는 본 연구에서 적용한 표면처리방법이 순환골재의 흡수율을 개선시킨 결과라고 판단된다.
- 골재의 마모율은 마모감량방법 및 골재의 파괴계수에 의한 시험방법으로 평가하며, 본 연구에서는 KS F 2508 로스앤젤스 시험기에 의한 굵은골재의 마모시험방법에 따라 측정하였으며 그 결과는 그림 5와 같다. 결과로 부터 각 순환골재와 쇄석을 각각 50% 혼합한 모든 골재는 KS 기준인 마모율 40% 이하를 만족하고 있으나, 혼합율 100% 인 경우는 기준치를 초과하였다. 따라서 순환골재만을 사용할 경우에는 마모에 대한 저항성 저하에 유의해야 되며, 표면강화 등의 대책이 강구되어야 할 것으로 판단된다.
- 그림에서 Sc는 골재와 알카리반응에 의하여 용출된 실리카양이며, Rc는 골재와의 반응에 의하여 소모된 수산화나트륨양으로 이 두 인자의 상호관계로부터 골재의 유무해성이 판별된다. 결과로 부터 본 연구에서 사용된 모든 골재는 무해하였으며, 본 연구에서 제시한 실리카용액을 이용한 표면처리방법은 알카리 골재반응에 영향이 없음을 알았다.
- 결과로 부터, 표면처리방법이 순환골재의 밀도 및 흡수율의 개선에 효과적임을 알 수 있었으며, 순환골재만을 100% 사용한 BN100 및 CN100과 이를 표면처리한 BS100 및 CS100의 결과를 비교해 보면 밀도는 최대 약 0.11 증가하였으며 흡수율은 약 2.61% 정도 감소되었다. 또한 순환골재에 쇄석을 50% 사용한 BN50 및 CN50과 이를 표면처리한 BS50 및 CS50을 비교하면 밀도는 최대 0.
- 한편, 표면처리 전 후의 효과를 살펴보면 표면처리한 BS 및 CS의 경우에 마모율이 감소하였는데 이는 표면처리방법이 순환골재의 표면을 강화시킨 것으로 판단되며 이를 확인하기 위하여 KS F 2541 골재의 파쇄시험을 실시하여 마모율의 평가와 병행하였다. 골재의 파쇄시험 결과는 그림 6과 같으며 저급의 순환골재를 100% 사용한 경우 표면처리로 인한 효과는 최대 약 3% 정도로 표면처리방법이 순환골재의 표면강도 증진에 효과적임을 알 수 있었다.
- 유해물 및 이물질 함유량 시험결과로 부터 모든 골재는 KS 기준을 만족하는 것으로 나타났다. 그러나 순환골재를 100% 사용한 경우는 기준치에 근접하는 것으로 나타나 사용 시 충분한 세척 및 관리가 요구됨을 알 수 있었다.
- 기존의 연구결과, 순환골재의 품질을 높이기 위해 실시하는 폐 모르타르의 처리 횟수를 2차 이상 반복하는 고차처리의 경우 오히려 내동결융해성이 저하되는 것으로 보고되고 있는데 이는 고차처리 과정에서 순환골재의 표면에 미세균열의 수를 증가시킨 결과로 설명하고 있다(김병윤 외 2004). 따라서 순환골재 콘크리트의 동결융해 저항성을 향상시키기 위해서는 기존의 고차처리 보다는 본 연구에서 제시하고 있는 표면처리 방법이 간편하면서도 효과적일 것으로 판단된다.
- 9%정도 감소하였다. 따라서 표면처리를 통하여 순환골재 표층부에 막이 형성되어 유해물질로 부터 안정성이 확보된 것으로 판단되며 저급의 순환골재를 100% 사용한 경우 그 효과가 더욱 우수하였다.
- 기존의 연구에서 다양한 물-시멘트비 조건에서 실험한 결과 순환골재 콘크리트의 내동해성이 천연골재 콘크리트보다 현저히 낮다는 것을 발견하지 못하였다고 발표하였는데(서치호 외, 2004) 이는 본 연구결과와 비슷한 경향을 나타내고 있으며, 더욱이 순환골재 콘크리트가 염분에 노출된 상태에서 반복적인 동결융해를 받는 경우도 결과가 비슷한 것으로 보고되고 있다(Kikuchi, 1995). 또한 Kasai 등의 연구결과에서는 순환골재 100% 혼합에서는 상대동탄성계수가 약 70%정도이고 혼합률 50% 이하에서는 90% 정도라고 보고하고 있는데(Kasai, 1988), 이러한 결과는 본 연구에서 순환골재 혼합률 50%인 콘크리트의 경우, 상대동탄성계수가 표면처리 전 85% 90% 및 표면처리 후 86% 92%, 혼합률 100%인 경우는 표면처리 전 78% 88% 및 표면처리 후 84% 89%와 비교할 때 유사하였으며 순환골재의 혼합률이 50% 이하의 경우는 내동결융해성에 문제가 없을 것으로 판단된다. 또한 순환골재를 표면처리한 경우, 동결융해 저항성이 향상된 것은 표면처리가 순환골재의 공극을 감소시켜 흡수율을 개선시킨 결과라고 판단된다.
- 61% 정도 감소되었다. 또한 순환골재에 쇄석을 50% 사용한 BN50 및 CN50과 이를 표면처리한 BS50 및 CS50을 비교하면 밀도는 최대 0.09 증가하였으며, 흡수율은 약 0.55% 감소되었다. 또한, 밀도 2.
- 또한 표면처리방법이 효과적임을 알 수 있었는데, 순환골재만을 100% 사용한 BN100 및 CN100과 이를 표면처리한 BS100 및 CS100의 결과를 비교해 보면 손실중량이 최대 2.24%정도 감소하였으며, 또한 순환골재에 쇄석을 50% 사용한 BN50 및 CN50과 이를 표면처리한 BS50 및 CS50을 비교하면 최대 1.9%정도 감소하였다. 따라서 표면처리를 통하여 순환골재 표층부에 막이 형성되어 유해물질로 부터 안정성이 확보된 것으로 판단되며 저급의 순환골재를 100% 사용한 경우 그 효과가 더욱 우수하였다.
- 동결융해저항성시험 결과, 순환골재콘크리트 및 표면처리 순환골재 콘크리트의 경우 혼합률에 관계없이 쇄석콘크리트에 비해 상대동탄성계수가 낮았지만 대부분 그 값이 80% 이상으로 나타나 동결융해 저항성은 만족할 만 하다고 판단된다. 또한 표면처리순환골재 콘크리트의 경우, 동결융해 저항성이 순환골재콘크리트에 비해 향상되었는데, 이는 본 연구에서 적용한 표면처리방법이 순환골재의 흡수율을 개선시킨 결과라고 판단된다.
- 55% 감소되었다. 또한, 밀도 2.3 이하의 일반 순환골재인 B시리즈(BN, BS) 보다는 밀도 2.2 이하의 저급 순환골재인 C시리즈(CN, CS)의 경우에 더욱 표면처리에 의한 물성의 개선효과가 크게 나타남을 알 수 있었는데, 이는 B시리즈보다는 C시리즈의 경우가 공극률이 커서 표면처리용액의 함침으로 인한 침투량이 많아 밀도는 증가하고, 흡수율이 감소된 것으로 판단된다. 한편, 쇄석을 50% 사용한 경우는 표면처리에 의한 영향보다는 쇄석의 사용으로 인한 효과가 더 큰 것으로 판단되며 따라서 본 표면처리방법은 순환골재를 100% 사용한 저급의 순환골재에 적용하는 것이 더욱 효과적임을 알 수 있었다.
- 밀도 및 흡수율 결과에서 나타난 바와 같이 순환골재를 100% 사용하여 표면처리 한 경우, 흡수율은 약 3.25% 정도로 KS 기준인 3.0%에 거의 근접한 결과를 나타내고 있으나 밀도는 약 2.34 정도로 KS 기준인 2.5에 미달된 결과를 나타내고 있다. 이는 표면처리에 사용된 콜로이달 실리카 용액이 순환골재의 미세균열 및 결함 등의 공극의 충진에는 효과적이었으나 용액의 비중은 약 1.
- 본 연구에서 목표로 한 설계기준강도는 24 MPa로 일반적인 할증률인 1.2를 고려한다면 배합강도는 28.8 MPa 정도이며, 결과로 부터 쇄석콘크리트의 경우는 29.5 MPa 정도로 나타나 만족하고 있으나 순환골재 콘크리트의 경우는 23.5~27 MPa 정도로 설계기준강도인 24 MPa에는 대부분 상회하였으나 배합강도인 28.8 MPa에는 미달되었다. 따라서 순환골재를 실구조물의 축조에 이용할 경우 시공중의 변동 요인에 의해 설계강도에 미달 될 가능성도 있으므로 이 점을 충분히 고려하여야 할 것으로 판단된다.
- 일반적으로 순환골재 콘크리트의 길이변화 특성은 순환골재의 혼합률이 증가함에 따라 순환골재에 부착된 모르타르량이 많아 길이변화량이 증가되는 것으로 알려져 있다(김병윤 등, 2004). 본 연구에서도 쇄석 콘크리트에 비해 순환골재를 사용한 콘크리트의 건조수축 길이변화가 컸으며, 특히 밀도 2.3 이하의 일반 순환골재를 사용한 콘크리트보다 밀도 2.2 이하의 저급 순환골재를 사용한 콘크리트의경우 더 크게 나타났다. 이러한 현상은 순환골재가 쇄석에 비해 흡수율이 높고, 일반 순환골재 보다는 저급의 순환골재가 흡수율이 높기 때문에 나타난 결과라고 판단된다.
- 유해물 및 이물질 함유량 시험결과로 부터 모든 골재는 KS 기준을 만족하는 것으로 나타났다. 그러나 순환골재를 100% 사용한 경우는 기준치에 근접하는 것으로 나타나 사용 시 충분한 세척 및 관리가 요구됨을 알 수 있었다.
- 2 이하의 저급 순환골재인 C시리즈(CN, CS)의 경우에 더욱 표면처리에 의한 물성의 개선효과가 크게 나타남을 알 수 있었는데, 이는 B시리즈보다는 C시리즈의 경우가 공극률이 커서 표면처리용액의 함침으로 인한 침투량이 많아 밀도는 증가하고, 흡수율이 감소된 것으로 판단된다. 한편, 쇄석을 50% 사용한 경우는 표면처리에 의한 영향보다는 쇄석의 사용으로 인한 효과가 더 큰 것으로 판단되며 따라서 본 표면처리방법은 순환골재를 100% 사용한 저급의 순환골재에 적용하는 것이 더욱 효과적임을 알 수 있었다.
- 따라서 순환골재를 실구조물의 축조에 이용할 경우 시공중의 변동 요인에 의해 설계강도에 미달 될 가능성도 있으므로 이 점을 충분히 고려하여야 할 것으로 판단된다. 한편, 표면처리한 순환골재 콘크리트는 표면처리 전 보다 강도가 증가하였는데 이러한 결과는 표면처리방법이 순환골재의 품질을 개선시켰기 때문이라고 판단되며, 순환골재의 활용도를 높이기 위해서는 본 연구에서 적용한 표면처리 방법이 효과적임을 알 수 있었다.
- 본 연구에서는 KS F 2507 골재의 안정성시험에 따라 각 사용골재를 황산나트륨용액에 함침한 후 손실질량 백분율을 측정하여 안정성을 평가하였으며 그 결과는 그림 3에 나타내었다. 황산나트륨용액으로 시험 한 경우 굵은골재의 손실 중량백분율은 12%이내를 만족하여야 하는데 결과에서 보는 바와 같이 모든 골재가 12% 이하로 기준치를 만족하였다.
후속연구
- 한편, 표면처리 순환골재 콘크리트의 길이변화량은 각각 일반 및 저급 순환골재콘크리트 보다 감소하였는데 이러한 결과는 표면처리가 순환골재의 미세균열 및 공극 감소에 효과적이기 때문이라고 판단된다. 따라서 순환골재 콘크리트의 건조수축 등에 의한 길이변화율의 제어를 위해서는 본 연구에서 적용한 표면처리 방법이 효과적일 것으로 판단된다.
- 5에 미달된 결과를 나타내고 있다. 이는 표면처리에 사용된 콜로이달 실리카 용액이 순환골재의 미세균열 및 결함 등의 공극의 충진에는 효과적이었으나 용액의 비중은 약 1.2 정도로 순환골재의 충분한 밀도 증진 효과를 나타내기에는 부족한 것으로 판단되며 추후 보완연구를 통하여 밀도 증진에 대한 대책을 강구해야 할 것으로 판단된다.
- 폐콘크리트가 대부분을 차지하고 있는 건설폐기물은 매년 크게 증가하고 있으므로 폐콘크리트로 부터 얻어지는 순환골재를 대량으로 재활용 할 수 있다면 천연골재의 부족난 해소 뿐만 아니라 폐콘크리트의 매립처리에 따른 경비절감 및 환경문제의 발생을 줄이는데 크게 기여할 것이다. 이에 따라 최근 들어 폐콘크리트로 부터 생산되는 순환골재를 천연골재의 대체재로 재활용하려는 연구가 활발히 진행되고 있으나 순환골재는 천연골재에 비해서 밀도가 작고, 흡수율이 높은 단점 등의 품질이 나쁘기 때문에 재활용이 활발히 이루어지지 않고 있다.
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