2.1 폐콘크리트 순환잔골재 코팅

폐콘크리트 순환굵은골재의 품질 개선을 위해서는 파쇄기법, 산에 의한 용해, 열처리, 수침, 수지코팅, 탄산칼슘생분해, 탄산화 등 많은 방법들이 적용되었지만 현장에서는 주로 파쇄기법의 개선이 가장 많이 적용되고 있다. 반면, 순환잔골재의 경우 입자가 5 mm 이하로 순환굵은골재에 비해 작기 때문에 파쇄로는 한계가 있다. 따라서 기존 연구에서의 코팅재로는 Sodium silicate(물유리), Polydimethylsiloxanes(PDMS), 수지(아크릴 외) 등의 적용연구가 수행되었으며(Lee et al. 2017, 2019)^(12,13), 폐콘크리트 순환골재의 흡수율 저감에 효과가 있다고 평가된 코팅 기법을 순환잔골재에 적용하여 구제 모르타르 기공을 코팅함으로서 흡수율 저감 효과를 검토하고자 한다.

2.2 실험 계획

본 연구에서는 Table 1에 제시한 바와 같이 두 개의 Series로 구분하여 폐콘크리트 순환잔골재의 흡수율 성능개선을 검토하였다. Series I에서는 흡수율 저감을 위한 순환잔골재 코팅재 선정 및 코팅기법을 도출하였으며, Series II에서는 코팅된 순환잔골재를 혼입한 모르타르의 특성을 평가하였다.

2.3 사용재료

2.3.2 잔골재

본 연구에서는 폐콘크리트 순환잔골재의 코팅처리 후의 흡수율 성능을 평가하기 위해, ISO표준사 및 국내에서 생산된 순환잔골재를 사용하였다. 순환골재의 경우 흡수율 평가를 위해 흡수율이 높은 저급의 제품을 선정하였으며, 특성은 Table 3에 나타내었다. 또한, Fig. 2에서는 ISO표준사 및 순환잔골재의 표면광학사진을 제시하였다. 순환잔골재의 경우 구제 모르타르가 기존의 천연골재에서 떨어지지 않고 표면에 붙어 있는 것을 확인할 수 있다. 이 구제 모르타르 내부의 미세공극과 미소균열이 순환잔골재의 흡수율 증가 원인이다. 또한, 이 계면전이구역(당초 콘크리트 골재와 신규 시멘트 페이스트 사이에 존재하는 구역)으로 인해 일반 골재를 사용한 콘크리트에 비해 부착성이 떨어지고 압축강도가 감소하는 등 물리적 성능이 감소할 가능성이 있다고 보고되고 있다(Ryou and Lee 2013)⁽²³⁾.

Table 3. Physical properties of recycled aggregate

Density (oven-dry condition) (g/cm$^{3}$)	Water absorption (%)	Solid volume (%)	Soundness (%)
2.41	9.8	62.5	5.0

Fig. 2. Optical analysis of aggregates

Table 4. Physical properties of coating materials

Type	Density (g/cm$^{3}$)	pH	Appearance
SSC (sodium silicate)	1.57~1.59	12~13	Transparent liquid
PDMS (polydimethylsiloxane)	0.98~1.01	9	White liquid
ACR (acrylic resin)	1.03	8~9.5	Milky white liquid
CHR (chelate resin)	1.048	2.68	Milky white liquid

Table 5. Physical properties of superplasticizer

Type	Appearance	Density (g/cm$^{3}$)	pH
Polycarbonate	Light brown powder	0.5	5.5

2.4 실험방법

2.4.1 코팅재 적용

폐콘크리트 순환잔골재의 코팅은 스프레이, 함침, 진공함침 3가지의 방법으로 코팅하였다. 순환잔골재 시료를 건조 한 후 준비하고, 코팅재료를 각각 물과 혼합하여 10 % 용액으로 제조하였다.

Fig. 3 Coating methods

Fig. 4. Recycled fine aggregate coated with different materials

스프레이(SP) 방법은 1 bar의 압력으로 20분간격으로 2회 스프레이 후 24시간 동안 20 °C에서 건조하였다. 함침(IM) 방법은 시료가 충분히 침지될 수 있는 용기에 코팅재와 순환잔골재를 투입하고 24시간동안 침지 후 24시간 동안 20 °C에서 건조하였다. 진공침지(VI) 방법은 코팅재에 침지된 순환잔골재를 진공 데시케이터에 넣고 30분 동안 진공침지 한 후 24시간 동안 20 °C에서 건조하였다. 코팅재 적용기법은 Fig. 3에, 코팅된 잔골재는 Fig. 4에 나타내었다.

2.4.5 시험체 제작 및 양생

코팅된 순환잔골재의 모르타르 제작은 시멘트와 골재를 1:2.45 질량비로 혼합하였으며, 물-시멘트비는 48.5 %로 제작하였다. 유사한 흐름값을 얻을 수 있는 조건에서의 유동화제량을 측정하였다.

제작된 공시체는 24~48시간 사이에 탈형하고 20±5 °C 수조에서 수중양생을 실시하고 3, 7, 28일 재령에서 압축강도를 측정하였다.

Fig. 5. Tests of absorption amount over time

Fig. 6. Water absorption rate of coated recycled fine aggregates

Fig. 7. Density of coated recycled fine aggregates

3.1 흡수율 및 밀도

코팅된 순환잔골재의 흡수율 및 밀도 시험결과는 Fig. 6과 Fig. 7에 나타내었다. 코팅하지 않은 Plain(RS)의 경우 흡수율이 9.78 %로 나타나 가장 높은 흡수율을 보였다. 코팅재료에 따른 흡수율 저감 효과는 함침방법을 기준으로 PDMS<CHR<SSC<ACR 순으로 흡수율 저감에 효과적인 것으로 나타났다. PDMS의 경우 콘크리트 발수제로서 흡수율 저감에 가장 효과적일 것으로 예상했으나, 10 % 용액으로 제조하여 효과가 미미한 것으로 판단된다. CHR과 순환굵은골재에서 효과가 높은 SSC의 경우도 순환잔골재에서는 품질기준 흡수율 4.0 % 이하를 만족하지 못하는 결과를 나타내었으며, ACR의 경우 함침과 진공합침 조건에서 3.24, 2.75 %로 나타나 순환잔골재 4.0 % 이하를 만족하는 것으로 나타났다. 코팅방법에 따른 흡수율은 스프레이(SP)<함침(IM)<진공함침(VI)의 순서로 흡수율이 감소되는 경향을 나타내었다. 이는 스프레이 공법의 경우 압력을 가하여 분사하였지만 리바운드량이 많았고, 분사시간도 제한적이었기 때문으로 판단된다. 스프레이 방법보다 24시간 동안 담궈놓은 함침방법이 효과가 있었지만, 30분 동안 진공함침한 경우가 가장 우수한 흡수율 저감 성능을 나타내었다. 실제 순환골재 생산 현장 적용은 스프레이 공법이나 함침공법이 적절한 방법으로서 이에 대한 추가 검토가 필요할 것으로 판단된다.

밀도시험결과, 코팅 유무가 밀도변화에 미치는 영향은 크지 않은 것으로 나타났다. Plain(RS)의 경우 KS에서 제시하는 2.3 g/cm$^{3}$ 이상을 상회하는 2.41 g/cm$^{3}$로 나타났고, SSC, PDMS, ACR 및 CHR 코팅 등 모든 조건에서 기준을 만족하였다.

Fig. 8. Grading curves of coated recycled fine aggregates

Fig. 9 Appearance of coated recycled fine aggregates

3.2 체가름 시험

코팅조건에 따른 순환잔골재 입도분석 결과는 Fig. 8에 나타내었다. 코팅하지 않은 Plain(RS)의 경우 KS의 입도분포 곡선 범위 내에는 있었지만, 2.5 mm. 1.3 mm체 통과분이 하한기준보다 조금 높은 정도로서 잔골재 중 굵은입자와 미분의 비율이 다소 높게 나타났다. 이는 기존 연구의 순환잔골재 입도분포 곡선과 유사한 결과(Kim et al. 2016)로서 파쇄에 의한 생산이 주를 이뤄 입도분포가 고르지 못한 것으로 판단된다. 코팅재 적용(VI 방법)에 따른 입도 분석결과, 코팅하지 않은 Plain과 유사한 입도분포를 나타내었지만, SSC 및 PDMS의 경우 입도분포 곡선 하한 범위를 일부 벗어나는 것으로 확인되었다. 이는 SSC 및 PDMS의 높은 점성이 코팅 후 골재 입자끼리 붙는 경우가 발생하여 굵은입자의 분포가 일부 높아졌기 때문으로 판단된다. ACR과 CHR의 경우 입도분포 범위를 만족하는 것으로 확인되었다.

3.3 코팅된 순환골재 표면분석

Fig. 9에는 코팅재료별 코팅된 순환잔골재의 표면 확대사진을 나타내었다. 표면촬영은 200배율의 광학전자현미경을 이용하여 분석하였다. SSC 및 PDMS의 경우 표면 코팅시 기존 연구결과와 유사하게 표면에 광택이 존재하는 것으로 확인되었고, 코팅재에 입자가 존재하지 않기 때문에 골재 표면에서도 코팅에 따른 입자 확인은 불가하였다.

폴리머 계열인 ACR 및 CHR의 경우 표면 광택은 없었으나, 폴리머 입자가 골재 표면에 존재하는 것을 확인할 수 있었다. 특히 ACR의 경우 순환골재 생산 시 발생된 구제 모르타르와 기존 골재 사이의 미세균열에 폴리머 입자가 코팅된 것으로 확인되었다(Fig. 9(c)).

Fig. 10. Amount of water absorbed over time

3.4 코팅 순환잔골재 흡수량 경시변화 특성

코팅 순환잔골재의 흡수량 경시변화 특성을 분석하기 위해, 흡수율 시험에서 가장 우수한 ACR 코팅재를 선정하고 천연골재인 강모래(river sand), 코팅하지 않은 순환잔골재(RS), ACR 코팅 순환잔골재(CRS), ACR 코팅 후 세척한 순환잔골재(CRS-W) 등 네 가지 골재에 대해 실험하였다.

실험결과는 Fig. 10에 나타내었다. 강모래에 비해 RS의 경우 초기 급격한 흡수 특성을 나타내고 약 10시간 이후에는 흡수량의 변화가 수렴되었으며, 강모래의 경우 초기 흡수 후 약 56시간 정도까지 일정하게 흡수량이 증가되는 경향을 나타내었다. CRS의 경우 초기에는 강모래보다 낮은 흡수량을 나타내었고 흡수량 증가 경향은 강모래와 유사한 경향을 나타내었다. 이는 친수성인 아크릴 수지로 코팅한 순환잔골재의 경우 골재 표면에 존재하는 구제 모르타르의 미세공극에 폴리머 입자가 침투되어 고르게 코팅되었기 때문에 초기에는 물의 흡수를 막고 장기적으로는 골재 내부로의 수분 침투가 가능하게 한 것으로 판단된다. 순환잔골재의 코팅 후 세척 여부는 흡수특성에 미치는 영향이 미미한 것으로 확인되었다.

4.1 흐름시험

배합조건에 따른 흐름시험결과는 Fig. 11에 나타낸 바와 같다. 목표 플로우를 200 mm로 설정하여 배합하였을 때, ISO표준사를 넣은 배합에서는 유동화제를 혼입하지 않은 상태에서 210 mm의 흐름값을 나타내었으며, 코팅되지 않은 순환골재의 경우 유동화제 1.8 % 혼입조건에서 208 mm의 흐름값을 나타내었다. 하지만 표준사에 비해 굵은 입자가 많은 순환잔골재의 특성으로 인해 일부 재료분리가 발생되는 것으로 나타났다. 아크릴 수지 코팅 순환잔골재(CRS)는 유동화제 2.0 % 혼입 배합에서도 흐름값이 150 mm로 나타나 모르타르 제작이 불가한 것으로 나타났다. 이는 순환잔골재를 코팅하고 남은 친수성의 폴리머 입자가 골재와 함께 섞여 있기 때문으로 사료되어 CRS를 세척 후 다시 실험을 진행하였다. 세척된 CRS-W를 RS에 일정비율로 대체하여 제작하였을 때, CRS-W의 대체율이 증가함에 따라 동일 목표 플로우에서 유동성이 개선되어 유동화제 사용량이 저감되는 것으로 확인되었다. 이는 앞절의 시험결과와 동일한 경향으로서, 배합초기 배합수의 다수를 순환잔골재가 흡수하는 RS와 달리 CRS-W는 순환잔골재 표면을 폴리머로 코팅함으로서 배합수의 손실을 막았기 때문으로 판단된다.

4.2 강도시험

배합조건에 따른 강도 실험결과는 Fig. 12에 나타내었다. ISO표준사를 사용한 SS 배합에서는 재령 28일 기준 54.2 MPa의 강도를 나타내었으며 순환잔골재만을 사용한 RS배합의 경우 SS에 비하여 29.2 % 강도가 저하되는 것으로 나타났다. 이는 순환잔골재의 구제 모르타르와 기존골재 간의 계면 결합력 감소 및 다량의 유동화제 사용에 기인한 것으로 판단된다.

아크릴 수지 코팅 후 세척한 CRS-W 배합의 경우 25 %, 50 %, 100 % 대체 적용 시 43.2~55.4 MPa로 나타나 코팅순환잔골재 대체율 증가에 따라 압축강도가 증가되는 경향을 나타내었다. 이는 28일 재령뿐만 아니라 초기 재령에서도 동일한 경향으로서, 구제 모르타르 계면 및 미세균열에 폴리머가 침투되어 계면 접착력 향상에 따른 것으로 판단된다. 또한, CRS-W 100 % 적용 시 SS와 동일한 강도 발현이 나타나 강도경향으로만 판단할 경우 폐콘크리트 순환잔골재 100 % 활용도 가능할 것으로 사료된다.