1. 서    론

일반 콘크리트와 달리 섬유보강 시멘트 복합체(fiber-rein-forced cementitious composites, FRCCs)는 2% 내외의 보강섬유를 혼입함으로써 인장강도 및 변형성능을 획기적으로 개선하여 일반 콘크리트의 취성적 파괴특성을 보완할 수 있다. 또한, 보강 섬유의 가교작용(fiber bridging)을 통해 무수히 많은 미세균열(micro cracks)을 형성시킴으로써 우수한 내구성능을 부여할 수 있으며, 이는 곧 구조물 자체의 내구연한을 증가시킬 수 있음을 의미한다.¹⁾ 그러나 FRCCs는 모르타르 계열로써 일반 콘크리트에 비해 상대적으로 많은 시멘트 양(국가 LCI DB 기준 시멘트 1톤 생산시 944kg의 CO₂가 배출)을 필요로 하는 고에너지 소비형 재료이다. 현재 시멘트 산업은 온실가스를 포함한 환경 영향 저감에 대한 강력한 정책적․사회적 요구가 증가 되고 있기 때문에 시멘트 산업의 에너지 소비 절감과 온실가스 감축이라는 전 세계적인 화두 앞에서 이산화탄소(CO₂) 저감은 필수적으로 다가오고 있다.^2,3) 이에 따라 최근 전 세계적으로 CO₂ 배출저감 및 천연자원 보존을 위한 다양한 노력들이 이루어지고 있다.⁴⁾

CO₂ 배출 저감을 위한 친환경 콘크리트 연구는 타 산업에서 다량 발생되는 산업부산물인 고로슬래그 미분말(blast furnace slag) 및 플라이 애시(fly ash)를 적극 활용하고 있으며, 이 외에도 탈황석고, 레드머드 등에 관한 연구가 국내․외적으로 활발하게 이루어지고 있다.^5,6) 한편, 천연자원 보존 연구의 일환으로 건설폐기물을 천연골재의 대체자원으로 재활용하기 위한 연구가 진행 되고 있다.^7,8) 천연골재의 고갈과 폐 콘크리트의 처리문제로 인한 환경 파괴를 적극적으로 해결하기 위해서는 순환골재의 사용을 확대하여야 하지만, 아직까지 순환골재에 대한 인식의 부족과 순환골재 및 순환골재 콘크리트에 대한 기존 연구의 부족으로 순환골재를 보편적으로 사용하지 못하고 있는 실정이다. 이와 같이 자원순환형 재료의 활용은 CO₂ 배출량의 저감과 함께 건설폐기물의 재활용 및 천연자원 보존의 긍정적 환경영향도 기대할 수 있다. 하지만 자원순환형 재료 치환에 따른 CO₂ 저감을 쉽게 평가 할 수 있는 자료는 매우 제한적이다.⁹⁾ 특히, FRCCs에 관한 현재까지의 연구는 대부분 마이크로역학(micro mechanics)에 근거한 재료의 인장성능 향상 및 규명에 집중되었을 뿐 CO₂ 저감 및 순환골재 사용 방안에 관해서는 일부만이 이루어지고 있어 매우 미흡한 실정이다.¹⁰⁾

따라서 본 연구에서는 플라이 애시 및 순환 잔골재(recycled sand) 등의 자원순환형 재료를 이용한 FRCCs를 구조 부재에 적용하기 위한 연구의 일환으로 기존 시멘트(ordinary portland cement, OPC)를 이용한 FRCCs 대비 성능유지 90% 이상을 목표로 하여 자원순환형 재료를 사용한 FRCCs를 제조 및 개발하고자 하였다. 이와 더불어 FRCCs 제조 시 발생되는 CO₂ 배출량 및 자원순환형 재료 측면에 대한 분석을 실시하였으며, CO₂ 배출량에 따른 FRCCs의 강도를 분석하여 향후 지속가능성, 경제성뿐만 아니라 환경부하 저감 성능을 동시에 갖출 수 있는 최적의 FRCCs 개발을 위한 기초자료를 제시하고자 한다.

2. 사용재료 및 실험방법

2.1 사용재료

본 연구에서 사용된 재료전경 및 물리·화학적 특성을 Fig. 1 및 Tables 1∼3에 각각 나타내었다. 시멘트는 KS L 5201¹¹⁾에 규정된 국내 A사에서 생산되는 밀도 3.14g/cm³의 보통포틀랜드 시멘트를 사용하였으며, 플라이 애시는 F급으로서 국내 B화력발전소 부산물로 밀도 2.11g/cm³이며, 잔골재는 강원도 주문진읍에서 생산된 주문진 표준사를 사용하였으며 순환골재는 폐 콘크리트 파쇄골재를 사용하였다. 보강섬유로는 일본 K사의 고장력 PVA 섬유를 사용하였으며 혼화제로는 시멘트의 분산작용과 미세 공기의 연행으로 단위 수량 저감, 워커빌리티를 향상시키는 폴리카르복실산계 감수제를 사용하였다.

Fig. 1

Materials used for FRCCs

Table 1 Physical properties of FA

Table 2 Physical properties of aggregate

Table 3 Physical properties of fiber

2.2 실험방법

본 연구에서는 PVA 섬유로 보강된 시멘트 복합체의 순환재료 치환에 따른 역학적 특성을 파악하기 위하여 사전 예비시험을 통해 물-결합재비(W/B=0.35, 0.45)를 선정하였으며, PVA 섬유는 결합재 체적비 2%로 선정하였다. 자원순환형 재료의 치환율은 25%, 50%로 설정하였으며 Table 4에 배합조건을 나타내었다. 시험체는 휨 및 압축강도 시험체 10개, 직접인장강도 시험체 10개 등 배합별로 20개의 시험체, 총 240개의 시험체를 제작하였다. 압축강도 및 휨강도 공시체의 제작과 시험은 KS L ISO 679¹²⁾에 준하여 40×40×160 (mm) 몰드에 타설하여 제작하였다. 직접인장강도 실험의 경우 Fig. 2(a)에 나타낸 바와 같이 덤벨형(dumbbell shape)으로 제작하였으며, Fig. 2(b)의 직접인장강도시험기를 이용하여 인장거동 특성을 정량적으로 평가하고자 하였다. 시험체는 타설 1일 후 탈형하여 28일 간 20±2°C의 조건으로 항온수조에서 수중양생 하였다.

Fig. 2

Specimen for direct tensile test

Table 4 Mix proportions of FRCCs

1) Water, 2) Cement, 3) Sea sand, 4) Recycled sand, 5) Super plasticizer *Air contents for calculating mix proportion was assumed to 2.0%.

3. CO₂ 배출량 평가 절차

3.1 시스템 경계

일반적인 구조물의 전과정 평가(life cycle assessment, LCA) 시스템은 구성 재료들의 생산 및 운반, 시멘트 복합체 생산 및 운반, 구조물의 시공, 사용연한 및 폐기 등으로 구성되어 있다.¹³⁾ LCA에 의한 CO₂ 배출량은 위 모든 요소들을 고려하여야 하나, 본 연구에서 변수로 다루고 있는 자원순환형 재료의 LCA에 대한 기여분은 구성 재료들의 생산 부분에 집중되어 있다. 또한 본 연구에서는 각 배합에 따른 환경부하 측면 대비 강도의 효율성에 대하여 분석하기 때문에 각 구성 재료들의 원재료 생산단계, 즉 자재 단계로 시스템 경계를 설정하였다. 이 때, 일반적으로 시멘트 복합체는 1m³ 단위로 주문과 생산이 이루어지므로 FRCCs 배합단계에서 CO₂ 평가를 위한 기능단위는 1m³로 설정하였다.

3.2 LCI data base

FRCCs의 CO₂ 평가를 수행하기 위한 전과정 목록 데이터(life cycle inventory data base, LCI DB)는 각 재료들의 생산, FRCCs 생산 단계에서 수반되는 각 활동들에서 필요한 입력요소와 배출요소들을 포함해야 한다. FRCCs 구성 재료 및 운송, 생산 활동에서 수집된 목록 데이터는 기온, 에너지원 및 천연자원의 차이에 따라 각 나라에서 상이하므로, 자국에서 제공되는 데이터를 이용하는 것이 바람직하다.¹⁴⁾ 따라서 본 연구에서는 국내에서 제공되고 있는 국가 LCI DB,¹⁵⁾ 국토교통부 LCI DB¹⁶⁾를 조사하여 FRCCs 배합재료의 원재료 생산단계 CO₂ 배출계수를 Table 5에 요약하여 나타내었다. 단, 주문진 표준사의 경우 바다모래를, PVA 섬유의 경우 국내․외의 LCI DB가 없어 기존 선행 논문^1,17-19)을 참고하였으며, SP의 경우 일본 토목학회²⁰⁾에서 제시하는 데이터목록을 이용하였다.

Table 5 LCI DB used for assessing CO2 emissions of FRCCs

*Ministry of Land, Infrastructure and Transport

3.3 단계별 CO₂ 배출량 평가

FRCCs의 기능단위에 대한 각 재료의 출구에서부터 FRCCs 시공 전 단계까지의 시스템에서 배출된 전체 CO₂ 양()은 다음 식 (1) 및 (2)에 의해 산정할 수 있다.

 (1)

여기서, 은 시멘트, 각 혼화재, 골재, 물 및 혼화제(감수제)를 포함하는 재료단계에서의 CO₂ 배출량, 는 각 재료 및 생산된 FRCCs 운반단계에서의 CO₂ 배출량, 는 공장에서 FRCCs 배합을 위해 소비되는 전력으로부터 산정된 생산단계에서의 CO₂ 배출량이다.

 (2)

여기서, 는 FRCCs 생산을 위해 이용된 각 재료들이며, 은 이들 재료들의 수이며, 와 는 각각 재료 의 단위질량(kg/m³)과 CO₂ 배출계수(CO₂-kg/kg)이다.²¹⁾

FRCCs의 CO₂ 배출량 저감 기술의 적용은 자재단계, 운송단계, 제조단계별로 평가가 가능하다. 자재 단계의 경우 시멘트 대신 자원순환형 재료를 치환하여 자재단계에서의 배출되는 CO₂ 배출량의 저감 성능을 평가할 수 있으며, 운송단계는 근거리 조달 및 에너지 절감부문으로 구분된다. 제조단계의 경우 신․재생 에너지 적용 및 제조설비부문으로 구분할 수 있다.²²⁾ 본 연구에서는 자원순환형 재료를 이용하여 FRCCs 배합에 따른 환경부하 저감 성능을 평가하기 때문에 자재단계까지만 CO₂ 배출량을 산정하였으며 운송단계 및 제조단계는 배제하였다.

Table 6은 FRCCs의 자재단계의 CO₂ 배출량 산정식인 식 (2)에 의해 계산된 FRCCs-2 (W/B=35%)의 예를 나타낸 것이다. A열은 FRCCs 배합에 관련된 정보로써 각 재료의 단위용적질량이며, B열은 각 재료의 LCI DB에서 제공하는 CO₂ 원단위이며 FRCCs 생산을 위한 구성 재료들의 생산에 따른 CO₂ 배출량은 A열과 B열의 곱으로 산정하였다. 이때 각 배합에 사용된 물의 양은 천연골재에 비해 높은 순환골재의 흡수율(4.32%)을 고려하여, 순환골재의 표건에 필요한 흡수수량을 추가적으로 산입하였다.

Table 6 Example of CO2 assessment for FRCC-2 (W/B=35%)

3.4 결합재 지수() 및 CO₂ 지수()

Table 6과 같이 FRCCs를 제작하기 위한 재료들의 CO₂ 배출량은 OPC가 가장 큰 비율을 차지하고 있다. 따라서 FRCCs의 CO₂ 배출량을 줄이기 위해서는 OPC의 사용량을 감소시킬 필요가 있으며 결합재의 환경영향 측면에서 매우 중요하다. 이러한 이유로 Yang,²³⁾ Damineli²⁴⁾ 및 Aïtcin²⁵⁾ 등은 CO₂ 배출량을 줄이기 위한 결합재의 효율적인 사용에 대하여 연구를 진행하였다. 특히 Damineli은 콘크리트의 환경에 대한 효율성은 소요 강도 및 내구 연한에 대한 전체 결합재 소비측면에서 정의될 필요가 있음을 제시하였다. 한편, 콘크리트의 강도 증가는 구조부재의 단면크기를 줄일 수 있으므로 콘크리트 양의 감소에 의한 CO₂ 저감효과를 기대할 수 있다. 따라서 단위 강도(1MPa)의 발현을 위한 결합재 및 이에 따른 CO₂ 양이 평가될 필요가 있다. 이 연구에서는 Damineli이 제시한 결합재 지수()와 CO₂ 지수()를 이용하여 플라이 애시 및 순환 잔골재 치환에 따른 FRCCs 결합재의 환경성능을 평가하였다.

 (3)

 (4)

여기서, 는 FRCCs 기능단위(1m³)에 대한 결합재 양(kg/m³)이다. 는 기능단위(1m³)에 대한 총 CO₂ 배출량(kg/m³)이며, 는 압축강도, 휨강도, 직접인장강도 등 각각의 역학적 특성에 대한 강도(MPa)이다.

4. 실험결과 및 분석

4.1 FRCCs 배합에 따른 역학적 특성

Table 7은 W/B 35% 및 W/B 45% 배합시 순환재료의 치환율에 따른 재령 28일에서 압축, 휨 및 직접인장강도의 평균값과 표준편차를 나타낸 것이다. W/B가 감소할수록 각 배합에서의 압축, 휨 및 직접인장강도는 증가하는 특성을 보였으며, 휨 하중-변위 곡선은 자원순환형 재료에 따른 특이한 사항이 나타나지 않는 것으로 분석되었다. W/B 35% 및 W/B 45%에서 플라이 애시 치환율이 25%인 FRCCs-2 및 FRCCs-3의 강도는 순환 잔골재 치환율이 증가함에 따라 강도의 감소가 미비하거나 증가되는 경향으로 나타났으며, 이는 플라이 애시 치환율이 25%인 FRCCs의 경우 순환 잔골재 치환율이 강도에 미치는 영향이 비교적 미비한 것으로 판단된다. 하지만 플라이 애시 치환율이 50%인 FRCCs-4 및 FRCCs-5의 강도는 순환 잔골재 치환율이 증가함에 따라 강도가 감소하는 것으로 나타났으며, 이는 순환 잔골재의 제거되지 않은 구 모르타르와 시멘트 페이스트 사이의 계면 접착강도 감소와 함께 플라이 애시의 포졸란 반응에 의한 복합적인 원인으로 인하여 강도 발현이 안 된 것으로 판단된다. 한편, 순환 잔골재 치환율이 25%인 FRCCs-2 및 FRCCs-4의 휨 및 압축강도와 순환 잔골재 치환율이 50%인 FRCCs-3 및 FRCCs-5 의 경우 동일한 W/B에서 플라이 애시 치환율이 25%인 배합보다 50%인 배합에서의 휨, 압축 및 직접 인장강도가 모두 낮게 나타났다. 이는 동일한 실험요인에서 플라이 애시 치환율이 증가함에 따라 플라이 애시의 초기강도 발현 지연 효과에 의해 강도가 다소 저하되는 것으로 판단된다.¹⁾ 하지만 FRCCs-2 및 FRCCs-4의 직접인장강도는 플라이 애시의 치환율이 증가함에 따라 동등하거나 증가되는 것으로 나타났는데 이는 플라이 애시가 시멘트 보다 상대적으로 높은 분말도로 인하여 섬유와 결합재 매트릭스 사이를 좀 더 치밀하게 부착 및 유지시켜 주기 때문인 것으로 판단된다.^26,27)

Table 7 Compressive, flexural and tensile strengths of 28-day

4.2 FRCCs 배합에 따른 CO₂ 배출량

보강섬유가 혼입되는 시멘트 복합체는 상대적으로 시멘트량이 많이 소요된다. 특히, ECC (Engineered Cementitious Concrete)의 경우 CO₂ 배출량이 일반 콘크리트의 2.61배에 달하는 것으로 보고되고 있다.²⁸⁾ 이에 본 연구에서는 플라이 애시, 순환 잔골재 등을 적용함으로써 FRCCs 제작 시 자재 단계에서 발생되는 CO₂ 배출량 저감 효과와 함께 FRCCs-1의 성능 대비 90% 이상 유지하도록 목표를 설정하였다. CO₂ 배출량은 Fig. 3에 나타난 바와 같이 결합재의 종류에 따라 영향을 받으며, W/B가 높을수록 상대적으로 CO₂ 배출량은 감소하는 것으로 나타났다. 일반적으로 콘크리트는 W/B가 감소함에 따라 압축강도가 증가하는 경향을 나타내며, 높은 압축강도 발현을 위해서는 많은 양의 결합재를 필요로 하게 된다. 따라서 W/B가 45%에서 35%로 감소됨에 따라 소비되는 결합재의 양은 상대적으로 증가하게 되어 W/B 35%의 모든 배합이 W/B 45% 배합에 비하여 14.4∼16.1%의 차이를 보이며 CO₂ 배출량이 증가된 것으로 나타났다.

Fig. 3

Comparison of CO₂ emission

각각의 W/B 배합에서 FRCCs-1은 828.0, 696.2kg/m³의 CO₂ 배출량을 나타냈으며 이를 순환재료 치환율에 따른 CO₂ 배출량으로 분석한 결과, W/B 35%에서 CO₂ 배출량은 FRCCs-1 대비 FRCCs-2는 26.5%, FRCCs-3은 26%, FRCCs-4는 51.4%, FRCCs-5는 50.8% 감소되는 것으로 나타났다. 25%의 플라이 애시가 치환된 FRCCs-2 및 FRCCs-3를 비교한 결과, 순환 잔골재의 의한 CO₂ 배출량 차이는 FRCCs-3이 0.6% 증가하는 것으로 나타났다. 50%의 플라이 애시가 치환된 FRCCs-4 및 FRCCs-5에서 순환 잔골재의 의한 CO₂ 배출량 차이는 FRCCs-5가 1.1% 증가하는 것으로 나타났다. 한편, 순환 잔골재 치환율이 25%인 FRCCs-2 및 FRCCs-4는 플라이 애시 치환율이 증가함에 따라 FRCCs-4의 CO₂ 배출량이 33.9% 감소하였으며 순환 잔골재 치환율이 50%인 FRCCs-3및 FRCCs-5에서는 FRCCs-5의 CO₂ 배출량이 33.6% 감소하는 것으로 나타났다.

W/B 45%에서 CO₂ 배출량은 FRCCs-1 대비 FRCCs-2는 25.9%, FRCCs-3은 25.3%, FRCCs-4는 50.7%, FRCCs-5는 49.9% 감소되는 것으로 나타났다. 25%의 플라이 애시가 치환된 FRCCs-2 및 FRCCs-3를 비교한 결과, 순환 잔골재의 의한 CO₂ 배출량 차이는 FRCCs-3이 0.8% 증가하는 것으로 나타났다. 50%의 플라이 애시가 치환된 FRCCs-4 및 FRCCs-5에서 순환 잔골재에 의한 CO₂ 배출량 차이는 FRCCs-5가 1.5% 증가하는 것으로 나타났다. 한편, 순환 잔골재 치환율이 25%인 FRCCs-2 및 FRCCs-4는 플라이 애시 치환율이 증가함에 따라 FRCCs-4의 CO₂ 배출량이 33.4% 감소하였으며 순환 잔골재의 치환율이 50%인 FRCCs-3및 FRCCs-5에서는 FRCCs-5의 CO₂ 배출량이 33.0% 감소하는 것으로 나타났다.

자원순환형 재료를 사용한 FRCCs의 CO₂ 배출량을 분석한 결과, 플라이 애시 치환율이 증가할수록 CO₂ 배출량은 감소되는 것으로 나타났으나, 순환 잔골재의 치환율이 증가할수록 W/B 35%의 각 배합의 CO₂ 배출량은 약 0.6% 및 1.1% 증가하였으며, W/B 45%에서는 약 0.8% 및 1.5% 증가하는 것으로 나타났다. W/B가 높아질수록 결합재의 양은 줄지만 상대적으로 잔골재량이 증가함에 따른 것으로 사료된다. 또한 순환 잔골재 치환율 대비로 분석하게 될 경우 순환 잔골재 치환율이 높아질수록 CO₂ 배출량이 증가하는 것으로 나타났다. 국내 LCI DB의 순환골재 CO₂ 배출계수는 건설 폐기물을 수송하는 단계를 거쳐 이를 분쇄 및 파쇄하여 생산하는 제조 단계까지를 고려하여 산정된다. 특히 FRCCs에 사용된 순환 잔골재의 경우 5mm 이하로 선별하는 작업이 추가되어 주문진 표준사 보다 CO₂ 배출계수가 높은 것에 기인한 것으로 판단된다. 하지만 건설 폐기물 저감 및 천연골재 대체자원으로서의 재활용 측면에서 바람직한 것으로, 향후 자원순환형 재료 개발 시 적극적으로 고려되어야 할 것으로 판단된다. 한편, W/B에 상관없이 Plain의 CO₂ 배출량은 FRCCs-1에 비해 1.0∼1.1% 감소되는 것으로 나타났다. 이는 Plain의 경우 PVA를 혼입하지 않아 CO₂ 배출량이 감소한 것으로 판단된다. 따라서 본 연구에서 실험한 FRCC 배합에 따른 자재단계의 CO₂ 배출량은 W/B보다 플라이 애시의 치환율에 따른 CO₂ 배출량 감소가 더 크게 확인되었으며, 순환 잔골재에 의한 CO₂ 배출량은 증가하는 것으로 나타났지만 그 차이는 미비하였다.

4.3 결합재 지수()

본 연구에서는 각 배합에 따른 역학적 특성 실험 결과를 정리하였으며, 각 실험에 따른 압축, 휨 및 직접인장강도와 의 관계를 Figs. 4∼6에 각각 나타내었다. 이때, PVA가 혼입되지 않은 Plain의 경우 FRCCs의 인장특성을 발현하지 않으므로 분석에서는 배제하였다. 모든 강도 특성과 의 관계에서 W/B 45%에 비하여 W/B 35%인 경우 는 전반적으로 높게 나타났으며, 이는 결합재 양이 증가함에 따른 결과로 판단된다.

Fig. 4

Relationship between and

Fig. 5

Relationship between and

Fig. 6

Relationship between and

Fig. 4에 나타난 바와 같이 압축강도의 경우 플라이 애시 50% > 플라이 애시 25% > OPC 100% 순서대로 가 감소하는 경향을 나타내고 있다. 이는 단위 압축강도(1MPa)를 발휘하기 위한 결합재의 양이 OPC보다 플라이 애시가 높다는 것을 나타낸다. W/B 35%의 경우 플라이 애시 25% 치환 시 압축강도가 43.36∼47.21MPa로 감소하지만 그 차이가 크지 않아 는 유사하게 나타났다. 순환 잔골재 치환율에 따른 압축강도 또한 차이가 미비하였다. 하지만 플라이 애시 50% 및 순환 잔골재를 25% 치환한 FRCCs-4는 38.08MPa로 17% 감소, 플라이 애시 50% 및 순환 잔골재를 50% 치환한 FRCCs-5는 33.65MPa로 26.7% 감소하여 증가량이 뚜렷하게 나타나게 된다. W/B 45%의 경우 플라이 애시 50% 치환율에서 순환 잔골재 치환율이 증가함에 따라 도 증가되는 것으로 확인되었다. 또한 플라이 애시의 치환율에 따른 가 W/B 35%보다 증가된 것으로 나타났다.

Fig. 5에 나타난 바와 같이 W/B 35%의 휨 강도는 압축강도와 유사한 경향으로 나타났다. 이는 혼입된 PVA의 섬유가교작용에 의한 영향보다는 상대적으로 낮은 W/B로 인하여 W/B 45%보다 높은 압축강도를 갖기 때문인 것으로 판단된다. FRCCs-2 및 FRCCs-3은 FRCCs-1에 비해 순환 잔골재 치환율이 증가할수록 휨강도는 감소하는 경향으로 나타났지만 그 차이는 미비한 것으로 나타났다.

또한 플라이 애시의 치환율과 순환 잔골재의 치환율이 증가할수록 단위 압축강도(1MPa)를 발휘하기 위한 결합재의 양이 감소되는 것으로 나타났다.

직접인장강도의 경우 Fig. 6에 나타난 바와 같이 압축 및 휨강도와 다른 경향으로 나타났다. 플라이 애시를 50% 치환한 배합이 강도가 높게 측정되어 강도 대비 낮은 를 나타내었다. 하지만 순환 잔골재의 치환율이 증가함에 따라 직접인장강도가 감소하여 는 증가하였다. 따라서, 직접인장강도만 고려했을 시 가장 우수한 배합은 플라이 애시 50% 와 순환 잔골재 25%가 혼입된 FRCCs-4 배합으로 나타났다.

4.4 CO₂ 지수()

본 연구에서의 각 배합별 역학적 특성 실험 결과를 정리하여 각 실험에서의 강도를 무차원화한 값과 의 관계를 Figs. 7∼9에 각각 나타내었다. 이때, PVA가 혼입되지 않은 Plain의 경우 FRCCs의 특성을 갖고 있지 않으므로 분석에서는 배제하였다.

Fig. 7

Relationship between and normalized

Fig. 8

Relationship between and normalized

Fig. 9

Relationship between and normalized

Fig. 7에 나타난 바와 같이, W/B에 관계없이 플라이 애시가 50% 치환된 FRCCs-4 및 FRCCs-5의 경우 FRCCs-1에 비하여 20% 이상의 높은 CO₂ 저감율을 보였으며, CO₂ 대비 압축강도 측면에서 W/B 35% 배합이 더 우수한 것으로 나타났다. 하지만 FRCCs-4 및 FRCCs-5의 압축강도는 FRCCs-1에 비하여 10% 이하로 감소되는 것으로 나타났다. 플라이 애시를 25% 치환한 FRCCs-2 및 FRCCs-3 배합의 경우 플라이 애시를 50% 치환한 FRCCs-4 및 FRCCs-5 비하여 CO₂ 배출량은 다소 높은 것으로 나타났지만 압축강도는 본 연구에서 제시한 성능유지 범위 내에 만족하여 CO₂ 배출량 대비 압축강도 측면에서는 가장 우수한 배합으로 판단된다.

휨강도와 의 관계는 Fig. 8에 나타난 바와 같다. 압축강도와 마찬가지로 FRCCs-4 및 FRCCs-5 배합은 CO₂ 저감율은 높지만 본 연구에서 목표로 한 성능유지 범위를 만족하지 못하였다. 플라이 애시를 25% 치환한 FRCCs-2 및 FRCCs-3이 CO₂ 배출량 저감 및 휨강도 확보에 있어서 더 우수한 배합으로 나타났다.

직접인장강도와 의 관계를 Fig. 9에 나타내었다. 압축강도 및 휨강도의 경우와 달리 플라이 애시와 순환 잔골재를 50% 치환한 FRCCs-5 배합을 제외한 모든 배합에서 본 연구에서 제시한 성능유지 범위를 만족하였다. 이는 기 서술한 바와 같이 상대적으로 OPC보다 높은 분말도를 가진 플라이 애시의 특성에 의한 것으로 플라이 애시가 50% 치환된 배합들이 높은 직접인장강도 성능을 발현하였기 때문으로 판단된다. 특히, W/B 45%의 FRCCs-4 배합은 FRCCs-1에 비하여 CO₂ 배출량은 50% 이상 감소된 반면, 직접인장강도는 10% 이상 향상되었다.

5. 결    론

본 연구에서는 자원순환형 재료를 이용한 FRCCs를 제조하여 역학적 특성을 실험적으로 평가하였다. 또한, FRCCs 의 및 와 역학적 특성 간 관계를 비교․분석하였으며, 결론을 요약하면 다음과 같다.

1)자원순환형 재료를 사용한 PVA FRCCs의 역학적 특성을 평가한 결과, 순환 잔골재 및 플라이 애시를 치환하였을 경우, 휨 및 압축강도는 감소하였으나 직접인장강도는 동등하거나 향상되는 것으로 나타났다. 한편, 순환 잔골재 및 플라이 애시를 각각 50% 치환하는 경우 가장 낮은 강도특성을 나타났다.

2)CO₂ 배출량은 W/B가 낮을수록 높게 나타났으며 W/B 35%와 W/B 45%의 CO₂ 배출량 차이는 평균 15.2%로 나타났다. 플라이 애시의 치환율이 높아질수록 CO₂ 배출량은 평균 24.8% 감소하였으며, 순환 잔골재의 치환율이 높을수록 CO₂ 배출량은 평균 0.6% 증가하는 것으로 나타났지만 그 차이는 미비하였다.

3)는 W/B가 낮을수록 높게 나타났으며, OPC에 비해 플라이 애시를 치환한 배합이 더 높게 나타났다. 플라이 애시의 치환율이 증가함에 따라 또한 증가하여, 단위 강도(1MPa)를 발휘하기 위한 결합재의 양이 OPC보다 플라이 애시일 때 높은 것으로 나타났다.

4)압축, 휨 및 인장강도와 간 관계를 분석한 결과, 자원순환형 재료의 치환율이 증가할수록 는 감소하는 것으로 나타났다. 자원순환형 재료를 치환하지 않는 경우에 대비해서 90% 이상의 역학적 특성별 성능유지를 위한 플라이 애시 및 순환 잔골재의 치환율은 압축강도의 경우 플라이 애시 25%와 순환 잔골재 25% 및 50% 배합이며, 휨강도는 플라이 애시 25%와 순환 잔골재 25% 배합으로 나타났다. 직접인장강도는 플라이 애시 25% 및 50%와 순환 잔골재 25%로 나타났다.

5)특히, W/B 45%, 플라이 애시 25% 및 순환 잔골재 25%가 치환된 FRCCs-3 배합이 FRCCs의 성능발현 및 CO₂ 배출량 저감 측면에서 가장 적합한 것으로 판단된다.