에너지 절약과 $CO_2$발생량의 절감을 위해 자전거의 이용을 적극 장려하고 있다. 이를 위해 다량의 신설 자전거 도로 건설 계획을 추진 중에 있다. 현재 국내에서 신설 자전거도로 건설을 위해 아스팔트포장 및 콘크리트 포장을 비롯하여, 반강성포장, 유색포장, 흙포장 등이 적용되고 있다. 하지만 이들 포장형식은 자전거도로의 요구 성능에 비하여 시공비용이 높다. 본 연구에서는 경제적이고 친환경적이며 내구성을 확보한 자전거도로포장으로써 롤러 다짐 콘크리트의 최적 다짐율과 배합비를 기초물성시험을 통해 검토하였다. 도출된 배합비에 대한 동결융해와 제설제 저항성 시험을 통해 환경저항성을 검토하였다. 추가적으로 경제성 및 $CO_2$발생량을 일반콘크리트포장과 비교를 통해 평가했다.
에너지 절약과 $CO_2$발생량의 절감을 위해 자전거의 이용을 적극 장려하고 있다. 이를 위해 다량의 신설 자전거 도로 건설 계획을 추진 중에 있다. 현재 국내에서 신설 자전거도로 건설을 위해 아스팔트포장 및 콘크리트 포장을 비롯하여, 반강성포장, 유색포장, 흙포장 등이 적용되고 있다. 하지만 이들 포장형식은 자전거도로의 요구 성능에 비하여 시공비용이 높다. 본 연구에서는 경제적이고 친환경적이며 내구성을 확보한 자전거도로포장으로써 롤러 다짐 콘크리트의 최적 다짐율과 배합비를 기초물성시험을 통해 검토하였다. 도출된 배합비에 대한 동결융해와 제설제 저항성 시험을 통해 환경저항성을 검토하였다. 추가적으로 경제성 및 $CO_2$발생량을 일반콘크리트포장과 비교를 통해 평가했다.
Recently, usage bicycle has been encouraged to reduce energy consumption and $CO_2$. For this purpose, lots of bike road construction are planned. Typical type of pavement used in bikeroad such as asphalt concrete pavement, portland cement concrete pavement, colored pavement, soil pavemen...
Recently, usage bicycle has been encouraged to reduce energy consumption and $CO_2$. For this purpose, lots of bike road construction are planned. Typical type of pavement used in bikeroad such as asphalt concrete pavement, portland cement concrete pavement, colored pavement, soil pavement. However, these pavement types may need high construction cost comparing the required capacity of bike road. In this study, roller compacted concrete pavement which are economical and durable, are investigated to use as bike road pavement. The optimum compaction level and mix design of roller compacted concrete pavement are suggested by exploring strength test with various mixture ratio and compaction level, Also durability was examined based on freeze-thaw and scaling test. In addition, the cost and amount of carbon emission during in the construction of roller compacted concrete were evaluated and compare with the cost and carbon emission of typical portland cement concrete.
Recently, usage bicycle has been encouraged to reduce energy consumption and $CO_2$. For this purpose, lots of bike road construction are planned. Typical type of pavement used in bikeroad such as asphalt concrete pavement, portland cement concrete pavement, colored pavement, soil pavement. However, these pavement types may need high construction cost comparing the required capacity of bike road. In this study, roller compacted concrete pavement which are economical and durable, are investigated to use as bike road pavement. The optimum compaction level and mix design of roller compacted concrete pavement are suggested by exploring strength test with various mixture ratio and compaction level, Also durability was examined based on freeze-thaw and scaling test. In addition, the cost and amount of carbon emission during in the construction of roller compacted concrete were evaluated and compare with the cost and carbon emission of typical portland cement concrete.
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문제 정의
실내에서 수행되어진 시험은 실제 현장에서의 다짐에너지 및방법에 차이가 있으므로 물리적 특성이 상이할 수 있다. 따라서 소형 진동롤러를 이용하여 실제 다짐특성을 모사하였으며, 실내 배합특성시험의 결과를 비교하고 롤러다짐횟수에 따른 강도발현특성과 적정 배합비의 도출을 위해 본 시험을 수행하였다. 표 4는 현장다짐 모사실험에 사용된 배합비이다.
량의 저감을 목표로 한다. 따라서 시공 시 건설장비 사용 및 사용재료에 따른 CO2발생량을 검토하였다. 그림 10은 주요 건설장비의 작업량(Q)당 CO2배출량을 나타낸 그래프이며 건설장비의 CO2배출량을 산정하기 위해 인용하였다(황용우 외, 2000).
본 시험에서는 단위 시멘트량 및 플라이애시 사용과 단위 수량 변화에 따른 압축강도를 검토하였다. 표 3은 배합특성 시험을 위해 사용되어진 배합조건을 정리한 것이다.
본 연구는 자전거도로에 롤러 다짐 콘크리트를 활용하기 위한 기초물성 실험으로 실내시험 및 현장다짐 모사 실험을 통한 최적 배합비의 도출과 동결융해, 제설제에 대한 저항성을 평가 하였다. 시험 결과에 따른 결론은 다음과 같다.
본 연구에는 친환경성을 위해 시공 시 발생되는 CO2량의 저감을 목표로 한다. 따라서 시공 시 건설장비 사용 및 사용재료에 따른 CO2발생량을 검토하였다.
따라서 효율적인 자전거도로 건설을 위해 경제성과 내구성을 고려한 친환경 자전거도로 포장 공법이 필요하다. 본 연구에서는 신설 자전거 도로를 친환경적, 경제적으로 시공하기 위해 롤러 다짐 콘크리트 포장 공법의 적용성을 검토하고자 한다. 이를 위해 실내실험을 통하여 배합비를 도출하였으며, 이에 대한 환경하중에 대한 저항성을 검토하고 시공 시 발생되는 비용과 CO2발생량을 평가하였다.
본 연구에서는 실내시험의 정확하고 일정한 압축강도 발현특 성을 검토하기 위해 진동대를 사용하여 공시체를 제작하였으 며, 충분한 압축강도 발현을 위해 최소 다짐율 기준을 97%로 선정하였다.
가설 설정
1. 롤러 다짐 콘크리트에서 다짐은 가장 중요한 인자중 하나이다. 다짐시험의 시험결과 충분한 압축강도 발현을 위해서는 이론밀도의 97% 이상의 다짐율이 필요하며, 시공 시 이를 고려하여 롤러의 다짐횟수를 결정할 필요가 있다.
제안 방법
공시체는 10×10×40cm의 각주형 공시체를 사용 하였으며 제작은 상재 하중을 가한 후 3층으로 진동 다짐을 실시하여 제작하였다. 30싸이클마다 동탄성계수와 시편의 무게를 300싸이클까지 측정하였다.
공시체는 ø10×20cm을 사용하였으며 램머와 진동대를 이용한 두 가지 방법으로 제작되었다.
공시체는 ø15× 30cm를 사용하였으며 ASTM C 1176“ Standard Practice for Making Roller-Compacted Concrete in Cylinder Molds Using a Vibrating Table”에 따라 진동대를 이용하여 제작하였다.
두 번째, 진동대에 의한 제작방법은 ASTM C 1176“ Standard Practice for Making Roller-Compacted Concrete in Cylinder Molds Using a Vibrating Table”에 의거하여 3층으로 상재하중을 가한 후 다짐을 실시하여 제작하였다. 공시체는 7일의 압축강도 측정 시까지 17℃에서 양생을 수행하였다.
식 (1)에서 이론최대밀도는 내부의 공기량이 0%일 때의 밀도를 의미하며 배합비의 1m3에 대한 모두 재료의 무게를 더하여 산정하였다. 공시체의 습윤밀도는 콘크리트 혼합물과 몰드의 무게를 측정 후 몰드의 무게를 제함으로써 산정하였다.
우선적으로 문헌조사 및 선행시험을 통한 기본 배합비를 선정하여 압축강도발현을 위한 최소 다짐율을 도출하고, 실내의 배합특성 시험과 소형 롤러 다짐 시험을 수행하여 최적 배합비를 도출하였다. 그 후, 도출된 배합비는 동결융해 시험과 제설제 저항성 시험을 통해 열악한 환경조건에 대한 저항성을 검토 하고, 최종적으로 시공비용과 CO2발생량을 일반콘크리트 포장과 상대적으로 비교하여 평가하였다.
동결융해시험은 KS F 2456“ 급속 동결 융해에 대한 콘크리트의 저항 시험 방법(B법)”에 따라 기중 동결 후 수중융해방법으로 동결시간 3시간 10분, 융해시간 2시간 20분으로 진행하였다.
두 번째, 진동대에 의한 제작방법은 ASTM C 1176“ Standard Practice for Making Roller-Compacted Concrete in Cylinder Molds Using a Vibrating Table”에 의거하여 3층으로 상재하중을 가한 후 다짐을 실시하여 제작하였다.
롤러 다짐 콘크리트를 자전거도로 건설시 발생하는 시공비용및 CO2발생 저감량을 검토하기 위해 그림 9의 자전거도로 시설기준 및 관리지침(국토해양부, 2009)에 제시된 시멘트 콘크리트 포장의 자전거도로 포장 단면을 토대로 폭 3m, 도로 1km 당 시공비용 및 CO2발생량을 산출하여 일반 콘크리트 포장과 비교하였다.
표 4는 현장다짐 모사실험에 사용된 배합비이다. 모든 배합 조건은 단위수량을 120kg/m3로 고정하였으며, 실내 배합특성 시험의 배합조건 이외에도 플라이 애시의 치환 특성과 적정 배합비를 도출하고자 C188-F62. C250-F63의 배합조건을 추가로 수행하였다.
배합별 압축강도의 발현은 모든 배합별 압축강도가 측정된 다짐횟수 10회를 기준으로 압축강도의 발현을 검토하였다. 그림 7은 모든 배합조건에 대한 다짐횟수 10회에서의 28일과 56일의 압축강도를 나타낸 그래프이다.
이는 단위수량에 따른 차이로써 작은 단위수량은 콘크리트 내부를 조밀하게 하여 강도와 수밀성을 증진시키지만 C200-F50-W100과 같이 불량한 다짐, 골재분리, 시공성 저하의 원인이 되기도 한다. 본연구에서는 적정 배합비 도출을 위하여 현장 다짐 모사 시험을 실시하였으며, 강도확보와 원할한 다짐의 수행을 위해 단위수량 120kg/m3을 사용하였다.
소형 진동 롤러로 원활한 다짐을 수행하기 위해 70×50×20cm 크기의 거푸집을 사용하였으며, 무게 700kg, 진동수 3300VPM, 전폭 64cm의 성능을 지닌 소형 진동롤러를 사용하여 왕복 5회, 10회 15회 20회에 대한 각각의 시편을 제작하였다.
압축강도의 측정은 28일과 56일에 측정하였으며, 측정한 압축강도는 실내 배합특성 시험과 비교하기 위해 콘크리트구조설계기준(건설교통부, 2007)에 제시된 0.97의 지름에 대한 보정 계수와 KS F 2422“ 콘크리트에서 절취한 코어 및 보의 강도 시험 방법”의 코어 길이에 대한 보정계수를 적용하였다.
우선적으로 문헌조사 및 선행시험을 통한 기본 배합비를 선정하여 압축강도발현을 위한 최소 다짐율을 도출하고, 실내의 배합특성 시험과 소형 롤러 다짐 시험을 수행하여 최적 배합비를 도출하였다. 그 후, 도출된 배합비는 동결융해 시험과 제설제 저항성 시험을 통해 열악한 환경조건에 대한 저항성을 검토 하고, 최종적으로 시공비용과 CO2발생량을 일반콘크리트 포장과 상대적으로 비교하여 평가하였다.
본 연구에서는 신설 자전거 도로를 친환경적, 경제적으로 시공하기 위해 롤러 다짐 콘크리트 포장 공법의 적용성을 검토하고자 한다. 이를 위해 실내실험을 통하여 배합비를 도출하였으며, 이에 대한 환경하중에 대한 저항성을 검토하고 시공 시 발생되는 비용과 CO2발생량을 평가하였다.
제설제에 대한 저항성시험은 롤러 다짐 콘크리트 배합 (RCC)의 급격한 표면 박리에 의해 28싸이클까지 수행하였으며 표 7에 결과를 정리하였다. 롤러다짐 콘크리트 포장의 경우 10싸이클 이후 모든 표면의 모르타르가 떨어졌으며, 25싸이클에서는 골재의 탈리가 발생하였다.
염화칼슘을 증류수 100ml당 4g의 비율로 만들어 사용하였으며, 1싸이클은 7시간 동결과 17시간의 융해로 실시하였다. 제설제에 대한 저항성은 5싸이클마다 총 28싸이클까지 육안관찰평가와 시편의 무게감 소량을 측정하였다. 육안관찰의 평가 기준은 표 6과 같다.
첫 번째, 램머에 의한 제작 방법은 KS F 2312“ 흙의 다짐시험(A법)”의 방법으로 2.5kg 무게, 30.7cm의 낙하높이에서 충격다짐을 수행하여 0.5~2kg ×cm/cm3의 다짐에너지에 따라 각각의 공시체를 제작하였다.
대상 데이터
공시체 30×30×10cm의 공시체를 제작하였으며, 이 때의 비교시편으로 도로공사에서 제시한 도로포장용 보통 포틀랜드시멘트(OPC)와 롤러 다짐 콘크리트 배합(RCC)인 C250 및 C200-F50을 시험하였다.
공시체는 10×10×40cm의 각주형 공시체를 사용 하였으며 제작은 상재 하중을 가한 후 3층으로 진동 다짐을 실시하여 제작하였다.
이는 콘크리트 혼화재료로 플라이애 시의 대체 사용으로 초기강도가 저하된 것이며, 장기적인 내구성에서는 점진적인 강도발현으로 플라이애시 대체 배합조건이 보다 높은 내구성을 확보할 것이다. 따라서, 본 연구에서는 경제성과 장기적인 내구성을 고려하여 C200-F50을 적정 배합비로 선정하였다.
본 연구는 자전거도로 시설기준 및 관리지침(국토해양부, 2009)에 제시된 시멘트 콘크리트 포장의 28일 압축강도 28MPa를 목표강도로 설정하여, 그림 2의 순서로 시험을 수행 하였다.
일반적으로 동결융해 저항성을 확보하기 위해서 4~6%의 공기량을 기준으로 하고 있다(국토해양부, 2009). 시험 시 측정한 시멘트 콘크리트(OPC)의 공기량은 4%였다. 반면 롤러 다짐 콘크리트 배합(RCC)인 C250 및 C200-F50의 공기량은 2.
동결융해시험은 KS F 2456“ 급속 동결 융해에 대한 콘크리트의 저항 시험 방법(B법)”에 따라 기중 동결 후 수중융해방법으로 동결시간 3시간 10분, 융해시간 2시간 20분으로 진행하였다. 실내의 시험을 통해 도출된 롤러 다짐 콘크리트 배합 (RCC)인 C250 및 C200-F50과 비교시편으로 한국도로공사에서 제시된 도로포장용 보통 포틀랜드시멘트의 배합(OPC)을 사용하였다. 공시체는 10×10×40cm의 각주형 공시체를 사용 하였으며 제작은 상재 하중을 가한 후 3층으로 진동 다짐을 실시하여 제작하였다.
이론/모형
제설제에 대한 저항성 시험은 ASTM 672“ Standard Test Method for Scaling Resistance of Concrete Surfaces Exposed to Deicing Chemicals”에 명시되어진 실험방법으로 수행하였다.
성능/효과
1MPa, 28 일 15MPa로 불규칙하게 발현하였다. 반면 그림 4(b)의 단위 수량 120kg/m3을 사용한 C200-F50-W120 공시체는 고른 다짐을 보였으며 실험 배합 중 가장 높은 압축강도 발현을 보였다. 이는 적은 단위수량에 의한 원활하지 못한 다짐과 골재 분리의 발생에 의한 것으로 판단되며 본 시험에서는 C200-F50-W100의 실험값은 오차로 판단하여 실험결과에서 제외 하였다.
램머로 제작된 공시체는 다짐에너지에 따라 약 89~93%의 다짐율과 13~24MPa의 압축강도에 분포되어 있으며, 진동대에 의해 제작된 대부분의 공시체는 97% 이상의 다짐율과 28MPa를 상회하는 압축강도를 보였다. 이는 램머로 제작된 공시체는 낮은 다짐에너지로 인해 적정 다짐율의 확보가 미흡 하였으며, 추의 낙하에 의한 골재 깨짐의 유발과 램머 사용자에 따른 불균질한 다짐으로 인한 것으로 사료된다.
배합비 도출을 위한 현장다짐 모사시험 결과, 적정 배합비로써 경제성과 장기적인 내구성을 고려하여 C200-F50가 적합할 것으로 사료된다. 또한 현장다짐 모사실험에서 사용된 700kg 의 소형 롤러를 현장에 적용할 경우 강도확보를 위해 최소 10 회의 다짐이 필요할 것으로 예상되며 소형롤러에 대한 기준 다짐횟수로써 적용이 가능할 것으로 판단된다.
28일 코어의 압축강도 결과를 표 5에 나타내었으며 압축강도가 표기되어 있지 않은 시편은 거푸집의 파손과 잘못된 코어 채취로 인해 압축강도의 측정이 불가능하여 시험결과에서는 제외하였다. 시험결과, 대부분의 배합조건에서 10회, 15회, 20 회의 다짐횟수에 따른 압축강도의 뚜렷한 차이를 확인 할 수 없었다. 이는 10회의 다짐횟수에서 강도발현을 위한 충분한 다짐율을 확보하여 15회와 20회에서의 압축강도 증진이 미소했을 것으로 판단된다.
플라이애시 치환에 따른 압축강도 측정 결과, 시멘트량 250kg/m3을 사용한 C250과 플라이애시를 20% 및 25%로 대체한 C200-F50 및 C188-F62의 압축강도 차이는 28일에 4MPa, 7MPa, 56일에 12MPa와 18MPa의 차이를 보였으며 시멘트량 200kg/m3을 사용한 C200의 경우, 플라이애시 20% 를 대체한 배합인 C160-F40과 28일에 10MPa, 56일에 11MPa의 차이를 보였다. 이는 콘크리트 혼화재료로 플라이애 시의 대체 사용으로 초기강도가 저하된 것이며, 장기적인 내구성에서는 점진적인 강도발현으로 플라이애시 대체 배합조건이 보다 높은 내구성을 확보할 것이다.
8%였으며, 이는 동결융해 저항성을 확보하기에는 낮은 범위이다. 하지만 동결융해 시험 결과, 초기 30사이클에서 OPC는 8.7%, RCC는 약 16%로 큰 폭으로 저하하였으나 150싸이클에서는 약 5%정도의 차이를 보이며 유지하였다. 300싸이클에서 OPC는 85%, RCC는 약 80%를 상회하였다.
후속연구
1km를 시공하였을 경우, 롤러 콘크리트 공법이 일반 콘크리트 포장에 비해 19%정도 시공비용이 절감 되었으며 이는 타 포장공법들에 비해 현저히 낮은 시공비용이다. 또한 롤러 다짐 콘크리트 포장은 장기 내구성이 우수함으로 추가적인 유지₩보수비용이 보다 절감될 것으로 사료된다.
배합비 도출을 위한 현장다짐 모사시험 결과, 적정 배합비로써 경제성과 장기적인 내구성을 고려하여 C200-F50가 적합할 것으로 사료된다. 또한 현장다짐 모사실험에서 사용된 700kg 의 소형 롤러를 현장에 적용할 경우 강도확보를 위해 최소 10 회의 다짐이 필요할 것으로 예상되며 소형롤러에 대한 기준 다짐횟수로써 적용이 가능할 것으로 판단된다.
반면 평탄성은 일반 콘크리트 포장에 비해 다소 떨어지는 경향이 있다. 이와 같은 롤러 다짐 콘크리트 공법을 경하중에 15km/hr의 속도로 통행하는 자전거도로에 적용함으로써 보다 경제적이고 효율적인 자전거도로 포장 공법을 개발할 수 있을 것이다.
참고문헌 (23)
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Yeonsoo Stanley Kim(2006), "Roller-Compacted Concrete Shoulder Construction on an Interstate Highway in Georgia" TRB 2007 Annual Meeting CD-ROM
ASTM C 1176-92, "Standard Practice for Making Roller-Compacted Concrete in Cylinder Molds Using a Vibrating Table"
ASTM C 672-03, "Standard Test Method for Scaling Resistance of Concrete Surfaces Exposed to Deicing Chemicals"
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