2.1 폐 콘크리트 배합

일반적으로 실제 방사화가 진행된 콘크리트는 일반 실험실로 반출이 불가능하고 아직 실제적으로 해체가 이루어지지 않았기 때문에 시료의 획득에 제한이 따른다. 또한, 시료를 획득하더라도 방사선 동위 원소(radioisotope) 등에 의한 인체 노출의 우려가 있어 실험의 수행은 현실적으로 어렵다. 이와 같은 문제를 감안하여 본 연구에서는 원전용 콘크리트 배합을 이용하여 비방사성(non-radioactive) 시험체를 제작하였다. 건식방법으로 처리된 순환 굵은 골재의 특성을 평가하기 위한 원전용 콘크리트의 배합상세는 Table 1과 같다. 콘크리트의 제작은 국내에서의 활용 요건을 고려하여 한국에 있는 고리 1호기의 방호벽 설계 시 활용된 보통중량 콘크리트의 배합 상세를 이용하였다. 설계 강도는 20 MPa이며, 콘크리트의 물-시멘트비(water to cement ratio, W/C) 및 잔골재율(sand to aggregate ratio, S/a)은 각각 60 % 및 45 %이다. 배합에 이용된 시멘트는 분말도 3,542 cm$^{2}$/g 및 밀도 3.13 g/cm$^{3}$의 보통포틀랜드시멘트(ordinary portland cement, OPC)가 이용되었다. 굵은 골재는 최대치수 25 mm 및 밀도 2.62 g/cm$^{3}$의 재료가 이용되었으며, 잔골재는 최대치수 5 mm 및 밀도 2.60 g/cm$^{3}$의 재료가 이용되었다. 제작이 완료된 콘크리트는 온도 20±2.5 °C, 습도 60 %의 환경에서 재령 28일 동안 양생을 하였으며, 이후 순환골재를 선별하였다. 순환 골재화는 선별 플랜트에서 조 크러셔(jaw crusher)를 이용하여 경화된 콘크리트를 파쇄한 후 안정적인 입자 분포를 갖도록 선별공정을 거쳐 실시하였다.

2.2 순환골재를 위한 건식 공정

안정적인 입자 분포의 순환골재를 획득하기 위한 건식 처리 공정으로는 밀링기를 이용한 분쇄, 가열로 및 전자파를 이용한 열분해와 초음파의 진동을 이용한 분리 방법 등을 예로 들 수 있다. 파쇄와 마쇄의 방법은 폐콘크리트 시료를 해머 및 볼밀 등과의 마찰･충돌을 유도하여 골재를 선별하는 가장 대표적인 방식으로 알려져 있다. 열분해의 방법은 콘크리트 페이스트에서 칼슘실리케이트 수화물의 열분해를 통해 시멘트 매트릭스의 붕괴를 유도하고 골재와의 점착력을 상실시켜 분리하는 원리로, 가열온도의 범위는 400~700 °C 수준이다. 전자파를 이용한 골재 선별의 경우에는 강력한 전자기파 생성기에서 방출되는 전자파로 콘크리트 내부에 열을 발생시키는 원리로써, 골재와 시멘트 페이스트의 열분해를 유도하며 그 소요시간이 짧아 골재 선별에 있어 효율적인 방법으로 제시되고 있다. 초음파의 경우 진동 장치에서 발생하는 강한 진동에 의해 폐콘크리트의 골재와 페이스트를 분리하는 원리이다. 더불어 위와 같은 골재 선별의 방법은 선별 입도 및 시간적 한계 등을 상호 보완하기 위해 혼합된 방식으로 사용되기도 한다. 하지만 이들 방식을 이용한 순환 골재의 선별기술은 그 효율성 측면에서 부착 페이스트 제거량 등의 객관적인 데이터 비교의 자료가 제시되고 있지 않은 실정이다. 이에 본 연구에서는 순환 골재의 대표적인 건식 처리 방식인 마쇄, 열분해, 전자파 및 초음파 처리 방법에 대한 효율성을 평가하고자 하였다.

Fig. 1. Typical images of microwave and ultrasonic generator

Fig. 2. Typical images of recycled aggregate specimens

골재 선별 플랜트에서 조 크러셔를 이용한 파쇄를 통해 선별된 순환 굵은 골재에서 부착된 시멘트 페이스트를 제거하기 위한 건식처리 방법으로는 일반 분쇄(conventional trituration; Tc), 24시간 분쇄(trituration for 24 hours; T-24), 일반 분쇄 및 하소(trituration and light- calcination treatments; T-C), 일반 분쇄 및 전자파처리(trituration and microwave treatments; T-M), 일반 분쇄 및 초음파처리(trituration and ultrasonic treatments; T-U)의 방법이 이용되었다. 일반 분쇄 처리는 밀링기를 이용하여 140 rpm에서 20분 동안 수행하였다. 밀링기를 이용한 분쇄 처리의 과정에서는 처리 과정에서 순환 굵은 골재의 손상을 최소화하기 위해 강구를 투입하지 않았으며, 골재 시료의 마찰･충돌의 상호 작용에 의해 페이스트가 제거되도록 유도하였다. 24시간 분쇄의 경우 일반 분쇄 처리와 동일한 방법으로 하여 24시간 동안 수행하였다. 순환 굵은 골재의 하소는 전기로를 사용하여 600 °C 온도에서 1시간 동안 실시하였다. 온도는 10 °C/min의 속도로 제어하였다. 전자파 처리는 3분 동안 전자파발생기를 이용하여 수행되었다. 전자파 발생기는 Fig. 1(a)와 같이 1,200×1,250×1,850 mm 크기의 챔버와 6.6 kW 용량을 갖는 6세트의 자전관(magnetron)을 갖도록 설계되었으며, 주파수는 2,450 MHz이다. 초음파 처리의 경우 주파수 28 KHz 및 500×400×450 mm 크기의 챔버에서 1시간 동안 실시하였으며, 물속에서 발생되는 초음파에 의해 굵은 골재 표면의 시멘트 페이스트가 분리되도록 유도하였다(Fig. 1(b)). 위와 같은 건식처리 공정 후 순환골재 표면의 이미지를 Fig. 2에 나타내었다.

2.3 측정 항목

건식공정으로 처리된 순환 굵은 골재의 특성 평가를 위해 밀도 및 흡수율 평가와 입도 분포 분석을 하였다. 순환 굵은 골재의 흡수율 및 밀도는 ASTM C 127(2015)⁽²⁾에 따라 측정하였으며, 그 결과는 KS F 2527(KATS 2018)⁽⁸⁾에서 제시하고 있는 천연 굵은 골재의 값과 비교하였다. 입도 분포 분석 및 조립률 시험은 ASTM C 136(2014)⁽³⁾에 따라 실시하였으며, ASTM C 33(2018)⁽⁴⁾에서 제시하고 있는 굵은 골재의 표준 입도 범위와 비교하였다. 굵은 골재의 조립률 분석 결과는 KS F 2527 (KATS 2018)⁽⁸⁾의 값과 비교하였다.

순환 굵은 골재 표면의 부착 페이스트는 골재의 흡수율 변화에 가장 큰 영향을 미치는 요인이다. 이에 따라 순환 굵은 골재를 콘크리트용 골재로 사용하기 위해서는 골재 표면에 부착된 페이스트를 최대한 제거하고 이를 정확하게 평가하는 것이 필요하다. 이 연구에서는 굵은 골재에부착된 시멘트 페이스트 양을 산성용액 침지법을 통해 정량적으로 평가하였다(Song and Ryou 2014)⁽¹⁴⁾. 페이스트 부착량 평가를 위한 황산 수용액의 농도는 20 %로 하였으며, 침지 용액은 pH 경시변화를 최소화하기 위해 매 침지 실험마다 새로운 용액으로 교체하였다(Jaung and Lee 2008)⁽⁶⁾. 굵은 골재 시료의 침지량은 황산 20 % 수용액 질량의 10 %로 하였다. 침지 횟수 및 시간은 시험 시작 후 6시간 침지 2회, 12시간 침지 2회, 24시간 침지 8회로 총 228시간에 걸쳐 실시하였다. 굵은 골재 시료의 무게 측정은 계획된 침지재령이 경과한 시점에서 황산 20 % 수용액에 침지된 골재를 회수한 뒤 물로 세척하여 24시간 동안 100 °C의 환경에서 건조시킨 후 실시하였다. 여기서 굵은 골재 시료에서 표면부착 페이스트의 탈락에 의한 질량 변화는 황산수용액 침지 전 골재시료의 절건무게와 황산수용액 침지 후 골재시료 절건무게의 비로 하였다. 황산 수용액 침지 전･후 골재 표면의 관찰은 광학현미경을 이용하였으며, 골재 표면 페이스트 용해 및 탈락에 의한 골재 자체의 공극분포의 변화를 평가하기 위해 수은압입법(mercury intrusion porosimetry, MIP)을 이용한 공극률 분석을 하였다.

3.1 밀도 및 흡수율

건식공정으로 처리된 순환 굵은 골재의 특성평가 결과의 요약을 Table 2에 나타내었으며, 비교를 위해 천연골재의 특성들을 동일 표에 함께 나타내었다. 건식공정으로 처리된 순환 굵은 골재의 흡수율은 대부분의 시료가 침지 3시간에서 최대 흡수율에 도달하였으며, 이후 시간이 경과함에 따라 증･감의 변화를 보이지 않았다(Fig. 3). 일반 분쇄한 Tc 시료의 최대 흡수율은 7.6 %로 가장 높았으나, T-U 및 T-M 시료의 흡수율도 각각 6.9 %와 7.1 %로 큰 차이를 보이지 않았다. 더불어 이들 시료의 흡수율은 2.6 %의 값을 보인 천연 굵은 골재에 비해 1.6~1.9배 높았다. T-C 및 T-24 시료 또한 수중 침지 3시간에서 최대 흡수율에 도달하였지만, 그 값은 Tc, T-U 및 T-M 시료와 비교하면 비교적 작은 값을 보였다. T-C 시료의 최대 흡수율은 2.4 %이었으며, 가장 높은 흡수율을 보인 마쇄 시료와 비교하면 65 % 낮았다. 더불어 T-24 시료의 최대 흡수율은 2.6 %의 흡수율을 보인 천연 굵은 골재와 가장 유사한 결과를 보였다. T-24 시료의 최대 흡수율은 1.5 %로 가장 낮았으며, 이는 가장 높은 흡수율을 보인 Tc 시료보다 약 78 % 낮은 수준이었다. 이와 함께 순환 굵은 골재의 흡수율은 T-C 및 T-24를 제외한 모든 시료가 KS F 2527(KATS 2018)⁽⁸⁾에서 제시하고 있는 천연 굵은 골재의 흡수율 상한 값인 3.0 %보다 상당히 높은 결과를 보였다. 이는 폐콘크리트의 재활용을 위한 순환 굵은 골재의 건식처리 과정에서 발생하는 페이스트의 제거효율에 의한 차이로서, 그 효율은 처리 방식에 따라 상이할 수 있으며 흡수율 증가에 영향을 미친 것으로 판단된다.

Fig. 3. Water absorption of aggregate specimens

순환 굵은 골재의 밀도측정 결과는 분쇄 처리를 24시간 동안 실시한 T-24 시료가 2.58 g/cm$^{3}$으로 2.62 g/cm$^{3}$의 밀도를 갖는 천연 굵은 골재와 유사한 결과를 보였다. 반면, 흡수율 측정 결과 천연골재와 유사한 값을 보였던 T-C 시험체의 밀도는 2.47 g/cm$^{3}$으로 천연골재보다 약 5 % 낮은 결과를 보였다. 이와 함께 다른 시료에 비해 높은 흡수율을 보였던 Tc, T-M 및 T-U 시료의 경우에도 밀도가 2.25~2.49 g/cm$^{3}$ 이하 수준으로 천연 굵은 골재에 비해 비교적 낮은 결과를 보였다. 결과적으로 KS F 2527(KATS 2018)⁽⁸⁾에서 제시하고 있는 천연 굵은 골재의 절건 밀도가 2.5 g/cm$^{3}$ 이상임을 고려할 때, T-24 시료를 제외한 모든 시료의 밀도는 KS의 요구 성능 조건을 만족하지 못함을 의미한다.

3.2 입도분포

건식공정으로 처리된 순환 굵은 골재의 입도 분포 분석의 결과 조립률은 Table 2에 나타내었으며, 입도 분포곡선은 Fig. 4와 같다. 순환 굵은 골재의 입도는 처리 방식에 관계없이 모든 시료가 25~4.75 mm에 분포하고 있는 것으로 나타났다. 특히, T-24의 시료의 경우에는 12.5 mm 이상의 크기를 갖는 시료의 중량이 61 %로 가장 높은 결과를 보였다. 이 결과는 12.5 mm 이상의 크기를 갖는 시료의 중량이 50 %인 천연 굵은 골재에 비해 다소 높은 결과이다. 하소 및 초음파 처리를 한 T-C 및 T-U 골재 시료는 12.5 mm 이상의 크기를 갖는 시료의 중량이 각각 40.3 % 및 42.8 %로 모든 시료 중 가장 낮은 수준에 있었다. Tc 시료와 함께 T-M 골재의 12.5 mm 이상 입자 중량은 각각 53.7 % 및 50.8 %로 유사한 수준이었다. 더불어 건식공정으로 처리된 순환 굵은 골재의 입도 분포는 처리 방식에 관계없이 ASTM C 33 에서 제시하고 있는 25 mm 이하 4.75 mm 이상의 크기를 갖는 굵은 골재의 입도 분포 곡선의 상한 및 하한을 만족하였다. 이와 함께 순환 굵은 골재의 조립률은 5.41~5.61 범위로서 천연 굵은 골재의 일반적 조립률 범위인 6~7(KS F 2527 2018)⁽⁸⁾ 값보다 다소 낮은 경향을 보였다.

Fig. 4. Particle distribution of aggregate specimens

3.3 표면페이스트 부착량

황산 20 % 수용액 침지 방법에 의한 순환 굵은 골재의 표면 페이스트 부착량의 평가 결과를 Fig. 5에, 페이스트 부착량 평가 전후 굵은 골재 표면의 이미지를 Fig. 6과 Fig. 7에 나타내었다. 순환 굵은 골재 시료의 질량은 황산 20 % 수용액 침지 직후부터 표면 페이스트가 부식(용해)됨에 따라 감소하기 시작하였으며, 대부분의 시료가 황산 수용액 침지 176시간 이후 일정 질량에 수렴하였다. 천연 굵은 골재 시료의 경우 황산 수용액 침지 재령 6시간에서 3 %의 질량 감소를 한 이후 재령이 증가함과 관계없이 일정한 값에 수렴하는 결과를 보였는데, 이는 천연 굵은 골재 표면 부착되어 있던 점토 광물 등의 용해에 의한 영향으로 판단된다. Tc 시료의 경우 총 12회의 황산 20 % 수용액 침지 실험을 수행한 재령 228시간에서 65 %의 질량이 감소해 가장 많은 양의 페이스트가 부착된 것으로 평가되었다. 분쇄와 함께 전자파 및 초음파 처리를 한 T-M 및 T-U 골재의 경우에는 황산 수용액 침지 재령 228시간에서 페이스트 용해에 따른 질량 감소율은 모두 51 %로 동등 수준의 페이스트 부착량을 보였다. T-C 시료의 경우에는 재령 228시간에서의 질량 감소가 Tc 시료의 절반 수준인 32 %이었다. T-24 골재의 경우에는 황산 수용액 침지 재령 56시간에서 5 %의 질량 감소를 보였으며, 이후 침지 재령 228시간까지 질량이 감소하지 않고 수렴하는 결과를 보였다. 이는 T-24 시료가 다른 골재에 비해 적은 양의 페이스트가 부착된 것을 의미하며, 이러한 결과는 시료 중 가장 높은 수준의 밀도(2.58 g/cm$^{3}$) 및 가장 낮은 수준의 흡수율(1.5 %)을 갖는 재료 특성에 영향을 미친것으로 판단된다. 즉, 순환 굵은 골재의 페이스트 분리를 위한 하소, 전자파 및 초음파 등의 부가적인 처리 방식은 24시간의 분쇄를 하는 방법에 비해 효율성이 낮은 것으로 평가되었다. 이는 황산 20 % 수용액 침지 전･후의 시료 표면의 관찰 결과에서도 확인할 수 있는데, 황산 수용액 침지 전 T-24 골재 시료는 다른 시료에 비해 비교적 페이스트 부착이 덜하고 운모, 장석 등의 이미지를 확인할 수 있었다(Fig. 6(b)). 더불어 황산 수용액 침지 이후의 표면에서는 페이스트가 말끔히 제거되어 운모, 장석 등의 색이 밝은 광물의 이미지를 뚜렷하게 관찰할 수 있었다(Fig. 7(b)).

Fig. 5. Mass variation of aggregates due to the removal of cement pastes

Fig. 6. Typical microscopy images of recycled aggregate surfaces (before the immersion tests)

Fig. 7. Typical microscopy images of recycled aggregate surfaces (at the end of the immersion tests)

3.4 공극분포

황산 20 % 수용액 침지 실험을 통해 골재 표면 페이스트가 분리되기 전･후의 순환 굵은 골재의 공극분포 분석 결과는 Fig. 8 및 Table 3과 같다. 모든 시료의 공극률은 대공극(Macro-pores)에 의해 지배되었으며, 그 값은 처리 방법과 관계없이 황산 수용액 침지 이후 감소하는 결과를 보였다. 더불어 황산 수용액 침지 이후 나타난 순환 굵은 골재의 공극률 감소는 페이스트 부착량 감소의 결과와 유사한 경향을 보였다. 황산 수용액 침지 이후 부착 페이스트 분리로 질량 감소가 가장 크게 나타난 Tc 및 T-M, T-U 시료의 공극률 감소는 각각 42 %, 47 % 및 38 %로 나타났다. 이는 일반 시멘트 페이스트의 공극분포가 거대 모세관 공극에 의해 지배됨을 감안할 때(Ahn et al. 2018)⁽¹⁾, 황산 20 % 수용액 침지 이후 발생되는 시멘트 페이스트의 분리에 의한 영향으로 판단된다. 부착 페이스트에 분리에 따른 질량 감소가 가장 적게 나타났던 천연 골재와 T-24 시료의 공극률 감소 각각 24 % 및 27 %이었다. 천연 골재의 공극률 감소의 결과는 경우 황산 수용액 침지 실험의 결과와 마찬가지로 표면 점토 등의 불순물에 의한 영향으로 판단되며, T-24 시료의 경우 약 5 % 수준으로 평가되었던 표면 부착 페이스트의 탈락 영향으로 판단된다.

Fig. 8. Pore volume of aggregates with different dry- treatment processes