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문제 정의
- 시험방법은 KS F 2504에 의거하여 일반잔골재 대비 순환잔골재의 혼입률에 따른 일반적 성질을 판단하고, 또 콘크리트의 배합설계에 있어서 잔골재의 절대용적을 알기 위해 실시하였다. 또한 잔골재의 흡수율 시험은 잔골재 입자의 공극을 알고 콘크리트 배합의 계산에 있어 사용수량을 조절하기 위해 실시하였다.
제안 방법
- 따라서, 본 연구에서는 순환골재가 구조용 재료로써 많은 문제점을 갖고 있음을 인지하고 순환골재가 포함하고 있는 미분말이 강도증진과 유동성을 향상 시킬 수 있다는 특성을 이용하여 자기충전 콘크리트(Self-Compacting Concrete, SCC)에 적용하게 되었다. 즉, 순환골재가 갖는 미분말이 SCC 특성인 고강도와 높은 유동성을 발현하기에 적당하여 순환잔골재를 일반잔골재 대비 25%씩 혼입률을 증가시켜, 총 5수준으로 SCC에 적용하였으며, 이에 따라 굳지 않은 콘크리트의 물리적 특성, 경화한 콘크리트의 역학적 및 내구 특성을 검토 수행하였다.
- 굵은골재는 부순골재를 잔골재는 강중사와 부순골재를 혼합한 혼합골재를 각각 사용하였다. 또한 순환잔골재는 국내 I사의 콘크리트용 순환잔골재 품질 기준을 만족하는 골재를 사용하였으며, Table 1은 굵은골재 및 잔골재의 물리적 성질을 Table 2는 KS F 2573(KSCE, 2006)에서 규정하고 있는 콘크리트용 순환잔골재 품질기준 및 국내 I사 순환잔골재의 품질을 비교하여 나타냈다.
- 또한, 자기충전 콘크리트의 제조방법 중 가장 대표적인 분체계 자기충전 콘크리트의 문제점을 보완하기 위하여 골재채움을 사용한 간편 배합설계 방법을 통해 자기충전 콘크리트를 제조한 후 일본토목학회(JSCE)에서 제시한 성능평가 기준안에 따라 유동성을 평가하였다(최연왕 등, 2003).
- 본 연구에서는 폐콘크리트에서 발생하는 순환잔골재의 혼입률에 따른 자기충전 콘크리트의 물리적, 역학적 및 내구 특성 시험을 실시하였고, 그 시험결과를 비교․분석하여 SCC로의 순환잔골재 사용여부와 혼입률의 범위를 알아보았으며, 아울러 순환잔골재가 갖고 있는 미분말이 강도 증진과 높은 점성을 발현할 수 있다는 특성을 활용하여 고유동 · 고점성을 갖는 SCC에 적용하여 실험을 수행하였다.
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2) 잔골재의 밀도 및 흡수율 시험
시험방법은 KS F 2504에 의거하여 일반잔골재 대비 순환잔골재의 혼입률에 따른 일반적 성질을 판단하고, 또 콘크리트의 배합설계에 있어서 잔골재의 절대용적을 알기 위해 실시하였다. 또한 잔골재의 흡수율 시험은 잔골재 입자의 공극을 알고 콘크리트 배합의 계산에 있어 사용수량을 조절하기 위해 실시하였다.
- 예비배합을 통해 일반잔골재 대비 순환잔골재의 혼입률에 따른 SCC의 성능평가를 만족하는 기준배합을 결정하였다. 시공성과 유동성이 향상된 콘크리트의 활용이 확대되어 목표값은 설계기준압축강도 40 MPa 이상으로 하였으며, SCC의 성능평가를 만족하는 기준배합은 Table 4와 같은 일본토목학회의 “자기충전형 콘크리트의 시험방법” 2등급 성능 기준에 준하여 실시하였다(JSCE, 1999).
- 육안 식별 지수의 등급에 의한 콘크리트의 상태를 4(0~3)개의 등급으로 구분함으로써 SCC의 재료 분리저항성 및 안정성을 평가한다. 육안 식별 지수의 등급과 그에 따른 콘크리트의 평가는 Table 6과 같다.
- 이 또한 압축강도시험에 사용된 공시체를 제작하여 KS F 2711에 규정된 시험방법에 따라 염소이온 침투 저항성 시험을 실시하였으며, 도출된 결과를 가지고 통과전하량에 따른 염소이온 침투성을 상대적으로 평가하였다. 또한 염화물이온의 농도 증가율이 시간에 대하여 일정한 구간을 찾아 Fick의 제1확산법칙으로부터 유도되는 식에 의해 확산계수를 평가하였다(쌍용양회공업주식회사, 2008).
- 따라서, 본 연구에서는 순환골재가 구조용 재료로써 많은 문제점을 갖고 있음을 인지하고 순환골재가 포함하고 있는 미분말이 강도증진과 유동성을 향상 시킬 수 있다는 특성을 이용하여 자기충전 콘크리트(Self-Compacting Concrete, SCC)에 적용하게 되었다. 즉, 순환골재가 갖는 미분말이 SCC 특성인 고강도와 높은 유동성을 발현하기에 적당하여 순환잔골재를 일반잔골재 대비 25%씩 혼입률을 증가시켜, 총 5수준으로 SCC에 적용하였으며, 이에 따라 굳지 않은 콘크리트의 물리적 특성, 경화한 콘크리트의 역학적 및 내구 특성을 검토 수행하였다.
대상 데이터
- 굵은골재는 부순골재를 잔골재는 강중사와 부순골재를 혼합한 혼합골재를 각각 사용하였다. 또한 순환잔골재는 국내 I사의 콘크리트용 순환잔골재 품질 기준을 만족하는 골재를 사용하였으며, Table 1은 굵은골재 및 잔골재의 물리적 성질을 Table 2는 KS F 2573(KSCE, 2006)에서 규정하고 있는 콘크리트용 순환잔골재 품질기준 및 국내 I사 순환잔골재의 품질을 비교하여 나타냈다.
- 콘크리트 작업환경 확보 및 슬럼프 조절을 위한 국내 E사의 폴리카르본산계인 유동화제(이하 SP라 칭함)를 사용하였고, 슬럼프 조절에 따른 재료분리 저항성을 위하여 증점제(이하 AD라 칭함)를 겸용하였으며, 이들의 물리적 성질은 Table 3과 같다. 또한 콘크리트의 워커빌리티를 향상시키고 사용 수량 감소 및 수밀성을 크게 개선시키기 위해 비중 2.22, 분말도 3,313cm2/g인 플라이애쉬(이하 FA라 약함)를 사용하였다.
- 본 연구에 사용된 시멘트는 KS L 5201 규정에 적합한 비중 3.15, 분말도 3,200cm2/g인 1종 보통포틀랜드시멘트(이하 OPC라 약함)를 사용 하였다.
- 콘크리트 작업환경 확보 및 슬럼프 조절을 위한 국내 E사의 폴리카르본산계인 유동화제(이하 SP라 칭함)를 사용하였고, 슬럼프 조절에 따른 재료분리 저항성을 위하여 증점제(이하 AD라 칭함)를 겸용하였으며, 이들의 물리적 성질은 Table 3과 같다. 또한 콘크리트의 워커빌리티를 향상시키고 사용 수량 감소 및 수밀성을 크게 개선시키기 위해 비중 2.
이론/모형
- 이 또한 압축강도시험에 사용된 공시체를 제작하여 KS F 2711에 규정된 시험방법에 따라 염소이온 침투 저항성 시험을 실시하였으며, 도출된 결과를 가지고 통과전하량에 따른 염소이온 침투성을 상대적으로 평가하였다. 또한 염화물이온의 농도 증가율이 시간에 대하여 일정한 구간을 찾아 Fick의 제1확산법칙으로부터 유도되는 식에 의해 확산계수를 평가하였다(쌍용양회공업주식회사, 2008). Table 7은 전하량에 따른 염소이온 침투성(KS F 2711)의 판정표를 나타낸다.
- 시공성과 유동성이 향상된 콘크리트의 활용이 확대되어 목표값은 설계기준압축강도 40 MPa 이상으로 하였으며, SCC의 성능평가를 만족하는 기준배합은 Table 4와 같은 일본토목학회의 “자기충전형 콘크리트의 시험방법” 2등급 성능 기준에 준하여 실시하였다(JSCE, 1999).
- 압축강도 공시체는 KS F 2403에 제시된 방법에 따라 φ100 × 200mm의 원주형 공시체를 제작하였고, 재령일 동안 20 ± 2℃의 수중 양생을 실시한 후 KS F 2405에 제시된 방법에 따라 압축강도 시험을 실시하였다.
- 압축강도시험에 사용된 공시체를 KS F 2596에 명시된 방법에 따라 탄산화 깊이 측정 시험을 실시하였으며, 탄산화 깊이를 측정할 때 사용하는 시약에는 KS M 0015에서 규정하고 있는 페놀프탈레인 용액 또는 이와 같은 성능을 가지는 시약을 사용하였다. 페놀프탈레인 용액은 95% 에탄올 90mL에 페놀프탈레인 분말 0.
- 일반잔골재 대비 순환잔골재의 혼입률에 따른 골재의 입도상태, 조립률(Fineness Modulus, 이하 F.M.이라 약함), 골재의 적부 및 각종 골재의 적당한 비율 결정에 필요한 시험으로써 KS F 2502에 준하여 실시하였다.
- 휨강도 공시체 역시 KS F 2403에 제시된 방법에 따라 100 × 100 × 400mm의 각주형 공시체를 제작하고 압축강도시험과 동일한 양생으로 KS F 2403에 제시된 방법에 따라 휨강도 시험을 실시하였다.
성능/효과
- (1) 순환잔골재의 혼입률에 따른 체가름 분석 결과, 혼입률 50%까지는 조립률 및 입도 분포 곡선이 국내의 규정에 준하므로 순환잔골재를 50% 까지는 치환하여 사용해도 가능할 것으로 판단되며, 또한 순환잔골재 100% 혼입은 일반잔골재만을 혼입했을 때 보다 표면건조 포화상태의 밀도가 약 4% 감소한 반면, 혼입률이 증가할수록 흡수율은 동시에 증가한 것으로 나타났다.
- (2) 굳지 않은 SCC의 경우 슬럼프 플로, L-Box 및 U-Box는 순환잔골재 혼입률 약 50%까지는 목표성능을 만족 하였으나 그 이상의 혼입률에서는 만족할만한 결과를 얻지 못하였다. 또한 육안 식별 지수에 의한 판정에서도 혼입률 50%까지는 재료 분리가 없는 높은 안정성을 갖는 것으로 나타났다.
- (3) 경화한 SCC의 경우 역학특성인 압축 및 휨강도 역시 순환잔골재 혼입률 50%까지는 목표강도를 만족하였다. 특히 장기 강도 에서는 혼입률 0% 및 25%에서 강도 발현이 더디게 일어난 반면 혼입률 50~100%에서는 강도의 증가 폭이 확연하게 일어난 점으로 보아 장기강도 특성에 대한 추가적인 검토가 필요한 것으로 나타났다.
- (4) 탄산화 및 염화물 침투 시험 결과 노출시간에 따른 침투 깊이는 혼입률이 25%일 때 가장 우수한 저항성을 가진 것으로 나타났으며, 혼입률 50%까지는 유해 물질에 대한 침투 저항성이 비교적 큰 것으로 나타났다.
- 6, 7과 같다. 그 결과 슬럼프 플로 및 500mm 도달 시간은 순환잔골재 혼입률 0~50%까지는 JSCE 2등급 성능 규준에 만족하는 결과를 얻었지만 혼입률 75, 100%의 결과에서는 만족할만한 결과를 얻지 못하였으며, 혼입률이 증가할수록 슬럼프 플로는 감소하였고, 500mm 도달 시간은 비례적으로 증가함을 알 수 있었다. 이는 흡수율이 비교적 높은 순환잔골재의 혼입률이 증가할수록 혼합수를 흡수하면서 슬럼프 손실과 500mm 도달시간을 함께 감소시킨 것으로 판단된다.
- 8을 갖게 함과 동시에 미분말 입자가 시멘트페이스트의 미세공극에 충전되어 투수성이 저하돼 유해물질의 침투성이 저하된 것으로 판단되며, 또한 혼입률 25%에서 우수한 micro-filler 작용을 하여 역학적으로 밀실한 콘크리트를 만드는 등 혼입률 0, 50, 75 및 100% 보다 수밀성이 높은 소요의 품질의 콘크리트를 만들었기 때문인 것으로 판단된다. 그리고 최종 노출 시간에서는 혼입률 0%와 25%에서 비슷한 침투저항성을 보인 반면 혼입률 50, 75, 100%에서는 혼입률의 증가에 따라 비례적으로 낮은 저항성을 가짐을 알 수 있었다.
- 7 MPa로 나타나 순환잔골재의 혼입률이 증가함에 따라 점진적으로 감소하는 경향을 나타내었다. 또한 28일 이후 장기 강도 특성을 살펴보면 순환잔골재의 혼입률 0, 25%에서는 각각 6.2, 5.4 MPa로 28일의 6.2, 5.5 MPa와 별다른 차이가 없었지만 혼입률 50, 75, 100%에서는 28일 이후에 각각 6.0, 5.8, 5.5 MPa로 상대적인 소폭 증가를 나타내었다. 이는 압축강도 특성에서와 마찬가지로 순환잔골재 속에 포함된 미반응수화물의 micro-filler 역할과 플라이애쉬의 첨가로 장기 강도 발현률이 증가한 것으로 판단된다.
- 또한 28일 이후의 강도 특성을 살펴보면 순환잔골재의 혼입률이 높을수록 강도 증가폭이 더 큼을 알 수 있었으며, 특히 장기 강도 91일 에서는 혼입률 0% 및 25%에서 강도 발현이 더디게 일어난 반면 혼입률 50~100%에서는 강도의 증가 폭이 확연하게 일어남을 알 수 있었다.
- 또한 염소이온의 침투 깊이는 혼입률에 따라 비슷한 것을 육안 및 측정으로부터 확인할 수 있었으며, 특히 순환잔골재 혼입률 25%일 때 통과전하량, 확산계수 및 침투깊이가 가장 낮았고, 그 외에는 혼입률이 증가할수록 비례적으로 증가함을 알 수 있었다. 전자는 탄산화 깊이 측정 평가 때의 투수성 감소 원인과 후자는 순환잔골재의 혼입률이 증가함에 따라 순환잔골재 표면에 부착된 노후 모르타르분의 영향 때문인 것으로 각각 판단된다.
- 또한 육안 식별 지수에 의한 콘크리트의 안정성 판별에서 혼입률 0~50%까지는 재료분리가 없는 높은 안정성을 보인 반면 혼입률 75%에서는 안정성, 혼입률 100%에서는 불안정성을 각각 나타내었다.
- (2) 굳지 않은 SCC의 경우 슬럼프 플로, L-Box 및 U-Box는 순환잔골재 혼입률 약 50%까지는 목표성능을 만족 하였으나 그 이상의 혼입률에서는 만족할만한 결과를 얻지 못하였다. 또한 육안 식별 지수에 의한 판정에서도 혼입률 50%까지는 재료 분리가 없는 높은 안정성을 갖는 것으로 나타났다.
- 또한 혼입률 0%와 100%의 침투 깊이는 약 25%의 차이를 나타내었는데, 이는 순환잔골재의 입도 또는 조립률이 비교적 고르지 못해서 투수성의 증가와 함께 유해 물질의 침투 깊이가 일반잔골재를 사용했을 때보다 순환잔골재를 사용했을 때 그만큼 크다는 것을 알 수 있었다.
- 시험결과로부터 염소이온 침투성을 살펴보면, 총 통과전하량이 1000~2000으로 판정등급이 모두 “낮음”으로 나타났으며, 시험체간의 차이는 거의 없는 것으로 나타났다.
- 9는 각각 순환잔골재의 혼입률에 따른 L-Box 및 U-Box의 충전성을 슬럼프 플로와의 상관성으로 비교하여 나타낸 그래프이다. 이는 슬럼프 플로와 500mm 도달시간의 결과와 비슷한 경향을 보였으며, L-Box의 경우 0% 혼입률과 100% 혼입률은 약 1.8배의 충진 효과가 남을 알 수 있었고, U-Box의 경우 혼입률 0%와 100%는 약 1.7배의 충진 효과가 남을 알 수 있었다. L-Box의 경우 혼입률이 증가함에 따라 감소되는 슬럼프 손실이 결국 모르타르와 골재 입자 사이의 결합력을 충분히 높여 주지 못 하였기 때문인 것으로 판단되며, U-Box의 경우는 슬럼프 손실 및 재료 분리로 인해 굵은 골재가 아래로 가라앉아 게이트 부분에서의 막힘 현상 때문인 것으로 판단된다.
- 10과 같다. 이를 보면 0% 혼입률의 경우 처음 3일 압축강도는 22 MPa로 100% 혼입률 22 MPa의 경우와 같이 낮은 압축강도를 나타냈으나 7일 이후 강도가 점차 발현됨을 알 수 있었고, 순환잔골재의 25% 혼입률이 재령 28일까지에서 가장 큰 압축강도를 나타내었는데, 이는 혼입률 25%일 때의 잔골재 조립률이 2.8로 최적조립률과 동시에 강도, 수밀성 등 소요의 품질의 콘크리트를 만들었기 때문인 것으로 판단된다.
- 13은 탄산화 정도를 나타낸다. 이를 보면 순환잔골재의 혼입률에 따른 탄산화 침투깊이는 순환잔골재의 혼입률이 증가함에 따라 대체적으로 증가하는 경향을 나타냈으며, 그중 노출시간에 따른 침투 깊이는 혼입률이 25%일 때 가장 우수한 저항성을 가진 것으로 나타났다. 이는 순환잔골재에 포함된 미분말이 순환잔골재 혼입률 25%에서 최적 조립률 2.
- 4와 같다. 이를 보면, 순환잔골재의 혼입률이 증가함에 따라 조립률이 점진적으로 증가함을 알 수 있었고, 순환잔골재 혼입률 75% 및 100%를 제외하고는 잔골재 조립률 범위(F.M. 2.3~3.1)를 모두 만족 하였다. 특히, 순환잔골재의 혼입률이 0%일 때보다 오히려 25%를 혼입했을 때 최적 조립률 2.
- 11과 같다. 이를 분석해 보면, 재령 28일에서 순환잔골재를 혼입하지 않은 경우부터 혼입률이 25, 50, 75, 100%로 증가함에 따라 각각 6.2, 5.5, 5.2, 4.9, 4.7 MPa로 나타나 순환잔골재의 혼입률이 증가함에 따라 점진적으로 감소하는 경향을 나타내었다. 또한 28일 이후 장기 강도 특성을 살펴보면 순환잔골재의 혼입률 0, 25%에서는 각각 6.
- 1)를 모두 만족 하였다. 특히, 순환잔골재의 혼입률이 0%일 때보다 오히려 25%를 혼입했을 때 최적 조립률 2.8을 나타내었는데, 이는 일반잔골재가 갖는 조립자와 순환잔골재가 갖는 세립자의 입도가 골고루 분포되어 일반잔골재만을 사용했을 때보다 더 조밀한 입도 분포를 가지는 것으로 판단된다.
- 5와 같다. 표면건조 포화상태(Surface Saturated Dry, 이하 SSD라 약함)의 밀도는 순환잔골재의 혼입률이 증가함에 따라 비례적으로 작아졌으며, 순환잔골재의 100% 혼입은 일반잔골재만을 혼입했을 때 보다 SSD의 밀도가 약 4% 감소하였다. 이는 일반잔골재 보다 밀도가 작은 순환잔골재를 혼입함으로써 혼입률 증가에 따라 밀도가 함께 감소한 것으로 판단되며, 흡수율 또한 순환잔골재의 흡수율이 일반잔골재의 흡수율 보다 크기 때문에 순환잔골재의 혼입률이 증가할수록 흡수율 또한 동시에 증가된 것으로 판단된다.
후속연구
- 이와 같이 건설폐기물의 총 발생량은 꾸준한 증가를 보여 왔으며, 폐자재로 배출자신고, 수집·운반·보관, 처리 등 재활용 촉진을 위한 업무가 일관성 및 신뢰성 있게 처리된다면 재활용 측면에서 구조용 재료로 충분히 사용 가능할 것으로 판단된다.
- (3) 경화한 SCC의 경우 역학특성인 압축 및 휨강도 역시 순환잔골재 혼입률 50%까지는 목표강도를 만족하였다. 특히 장기 강도 에서는 혼입률 0% 및 25%에서 강도 발현이 더디게 일어난 반면 혼입률 50~100%에서는 강도의 증가 폭이 확연하게 일어난 점으로 보아 장기강도 특성에 대한 추가적인 검토가 필요한 것으로 나타났다.
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