2.1 실험요인 및 배합

순환 굵은골재를 사용한 콘크리트의 염화물 확산 특성을 검토하기 위하여 압축강도 수준과 순환골재의 혼입률을 주요 실험인자로 선정하였다. 콘크리트의 기본 물성으로서 슬럼 프, 공기량, 재령 28일 압축강도를 측정하였으며 염화물 확산 특성 분석을 위해서는 염화물 이온 침투깊이 및 염화물 확산 계수를 측정하였다. 실험수준으로서는 설계기준 압축강도를 3수준(21, 35 및 50 MPa)으로 선정하고 순환 굵은골재의 치환 율을 천연 굵은골재 용적대비 0, 50 및 100%로 선정하였으며 본 연구의 콘크리트 제조를 위한 배합은 Table 1과 같다.

2.2 사용재료

2.2.3 순환 굵은골재

순환 굵은골재는 국내 H사에서 폐콘크리트를 중간처리하 여 생산되는 것으로서 Gmax 13 mm, 밀도 2.44 g/cm³, 흡수율 3.09%의 것을 사용하였으며 골재의 물리적 특성은 Table 3에 나타낸 것과 같고, Fig. 1은 본 연구에 사용된 천연 굵은골재와 순환 굵은골재의 형상을 나타낸 것이다.

Table 3

Properties of aggregate

Properties	Coarse Aggregate	Sand	Recycled Aggregate
Maximum size(mm)	13	5	13
Apparent density(g/cm3)	2.64	2.51	2.44
Water absorption(%)	0.8	1.48	3.09

Fig. 1

Natural and recycled aggregate

2.3 시험방법

2.3.1 슬럼프 및 공기량

강도수준별 순환골재 활용 콘크리트의 굳지 않은 특성을 분석하기 위한 슬럼프 시험은 KS F 2402 ⌈콘크리트의 슬럼프 시험방법⌋에 준하여 측정하였다.

또한 공기량 시험은 KS F 2421 ⌈압력법에 의한 굳지 않은 콘 크리트의 공기량 시험방법⌋에 준하여 측정하였으며 Fig. 2는 순환골재 활용 콘크리트의 슬럼프 및 공기량 측정 전경이다.

Fig. 2

Slump & air content test

2.3.2 압축강도

압축강도 시험을 위한 공시체는 KS F 2403 ⌈콘크리트의 강 도 시험용 공시체 제작 방법⌋에 준하여 Φ100×200 mm의 원주 공시체를 제작하였다.

또한 시험편의 압축강도 측정은 제작된 공시체를 재령 28 일까지 수중양생(20±2°C)을 실시한 후 KS F 2405 ⌈콘크리트 의 압축강도 시험방법⌋에 준하여 최대용량 1000 kN의 만능 재료 시험기(Universial Testing Machine: UTM)를 이용하여 측정하였으며, 압축강도의 산출은 배합당 5개 시험편의 압축 강도를 측정한 후 평균값을 사용하였다. Fig. 3은 압축강도 측 정을 위한 시험편의 양생 및 강도시험 전경을 나타낸 것이다.

Fig. 3

Curing & compressive strength test

2.3.3 염화물 확산계수

강도 수준별 순환골재 콘크리트의 염화물 확산특성을 분석 하기 위하여 전기적 촉진시험법인 NT Build 492 ⌈Chloride migration coefficient from non-steady-state migration experiments⌋ 에 준하여 시험을 실시하였다.

시험방법은 KS F 2403에 의해 제작된 φ100×200 mm의 공 시체를 50 mm 두께로 절단한 후 Fig. 4에 나타낸 것과 같은 시 험장치에 거치하고 양극(+)에는 0.3 N의 NaOH 수용액을 음 극(-)에는 10% Nacl 수용액을 채워 전기적 전위차를 가하였 다. 초기 전압을 가한 후 측정된 전류값에 기초하여 2차 전압 을 설정하고, 이에 따른 시험시간을 결정하여 시험을 진행하 였다.

Fig. 4

Non-steady-state migration experiment

시험 종료 후 시험체를 할렬하여 0.1 N의 질산은 용액을 분 무후 발색 정도를 측정하여 염화물 이온의 침투깊이를 산출 하였다. 염화물 확산계수는 시험결과를 토대로 하여 다음의 식 (1)을 사용하여 계산하였다.

(1)

D cpd = RTL zFU · x d − $lpha$ x d t

여기서,

E = U − 2 L , $lpha$ = RTL zFU 2 · erf − 1 1 − 2 C d C o

D_cpd :

비정상 상태에서 구한 전위차 촉진 염소이온 확산계 수(m²/sec)

R :

기체 상수(8.314 J/mol·K), T :절대 온도(K)

L :

시편 두께(m), z:이온 전자가

F :

패러데이 상수(96,500 J/V·mol), U :전위차(V)

x_d :

비색법에 의한 침투 깊이(m)

t :

전위차의 적용 시간(sec)

C_o :

음극셀의 염소이온 농도(mol/l)

C_d :

비색법에 의한 반응 농도(mol/l)

α :

실험 상수(T=295 K, U=30 V, L=0.05 m 이면, α = 23,600 m^-1)

erf ^-1 :

오차 함수의 역함수

3.1 슬럼프 및 공기량

순환 굵은골재 혼입률 및 강도수준별 콘크리트의 슬럼프와 공기량 특성을 검토한 결과는 Fig. 5와 같다. 기존의 연구결과 (^{Whiting et al., 2012}; ^{Poon et al., 2007})를 살펴보면 순환골재 를 사용한 콘크리트의 슬럼프 변화는 순환골재의 혼입률이 증가할 수 록 순환골재에 부착되어 있는 구재 모르타르에 따 른 기공률 증가와 표면 거칠기 등으로 인해 순환골재 혼입률 이 증가할수록 슬럼프 값이 저하되는 경향을 나타낸다고 보 고되고 있다. 하지만 본 연구에서는 강도 수준에 관계없이 순 환 굵은골재의 혼입률이 증가할수록 순환 굵은골재를 혼입하 지 않은 경우에 비해 슬럼프 값은 동등하거나 오히려 증가하 는 경향을 나타냈다.

Fig. 5

Slump & air content of RA concrete

이러한 결과는 최근 순환골재 생산을 위한 건설폐기물 중 간처리 시설에서는 고품질 순환골재의 생산을 위하여 다단계 의 파쇄공정과 구재 모르타르의 최소화를 위한 마쇄장치들이 도입되는 등 생산설비가 고도화 되고 있다. 본 연구에 사용된 순환골재도 생산공정 단계에 모르타르 제거 및 입형 개선을 위해 회전 마쇄 및 충격파쇄가 동시에 작용하는 품질개선 공 정이 설치되어 있으며 이와 같은 고도화 공정에서 생산된 순 환 굵은골재는 Fig. 1에 나타낸 것과 같이 부순 굵은골재에 비 하여 양호한 입형을 갖고 있기 때문에 콘크리트의 유동성을 개선시킨 것으로 판단된다. 이러한 결과는 ^{Kim et al. (2013)} 의 연구에서도 순환골재의 사용이 콘크리트의 유동성을 증가 시킨 다는 결과와 동일한 것으로 나타났다.

순환 굵은골재의 치환율에 따른 콘크리트의 공기량 측정 결과 강도 수준(21, 35 및 50 MPa)에 관계없이 치환율이 증가 할수록 공기량은 다소 증가하는 경향을 보이고 있다.

Lee (1999)는 공기량의 증가원인을 순환골재에 부착되어 있는 모르타르에는 잠재공극을 함유하고 있기 때문에 공기량 이 부순골재에 비하여 2%이상 증가하는 것으로 보고하고 있 지만 본 연구에서는 공기량 증가 정도가 1% 정도 내외인 것으 로 나타났으며, 또 다른 연구결과(^{Lee et al., 2015})에서도 본 연구결과와 유사하게 강도 수준에 관계없이 공기량의 증가는 크지 않은 것으로 보고하고 있다.

이와 같이 순환 굵은골재를 사용한 콘크리트의 유동성 및 공기량 특성은 과거 단순 파쇄시스템에 의해 생산된 순환 굵 은골재의 품질(밀도, 흡수율, 모르타르 부착량, 입형 등)보다 최근 고도화 시스템이 도입된 생산공정으로 생산된 순환 굵 은골재의 품질이 상대적으로 우수하기 때문에 순환골재 적용 에 따른 굳지 않은 콘크리트의 품질저하 정도가 감소된 것으 로 판단된다.

3.2 압축강도

순환 굵은골재의 혼입률 변화에 따른 수준별 콘크리트의 압축강도 측정 결과는 Fig. 6과 같다.

Fig. 6

Compressive strength of RA concrete

먼저 순환골재 혼입률에 따른 영향을 살펴보면 압축강도는 순환 굵은골재 치환율이 증가할수록 점차 감소하는 경향을 보이고 있으며 순환 굵은골재 치환율 100%에서는 강도수준 에 관계없이 순환골재를 사용하지 않은 경우에 비해 약 9~ 10% 정도의 압축강도 감소 결과를 나타냈다. 이와 같이 순환 골재 혼입에 따른 강도 저하 원인은 순환골재 표면에 부착된 구재 모르타르로 인해 결합재와 순환골재 계면사이의 부착력 저하와 순환골재 생산 시 재파쇄에 의해 골재 내부에 발생되 는 미세균열의 증가로 순환골재 자체의 강도저하가 원인인 것으로 판단된다.

또한 강도 수준별에 따른 영향을 살펴보면 상대적으로 낮 은 강도 영역대인 21 MPa급과 고강도 영역인 50 MPa급에서 도 순환골재 혼입에 따른 강도저하 정도는 유사한 것으로 나 타나 강도수준에 따른 영향은 작은 것으로 판단된다.

3.3 염화물 확산

콘크리트 내부로의 염화물 침투는 시멘트 페이스트의 연속 모세관 공극, 골재-페이스트 전이역의 공극과 골재내부의 미 세균열 등을 통한 염화물의 침투 및 확산에 의한 것으로 알려 져 있으며 일반적으로 순환골재는 구재 모르타르 및 골재내 부의 발생 균열로 인해 일반 콘크리트에 비하여 내염성능이 저하되어 순환골재 활용량 증대를 위한 제약 요인으로 작용 되고 있다(Jianzhuang ^{Xiao et al., 2013}; ^{L. Evangelista et al., 2010}; ^{Bae et al., 2012}). 따라서 본 연구에서는 순환골재의 활 용량을 증대시키기 위한 실증자료의 확보를 위해 콘크리트의 강도수준 및 순환 굵은골재의 혼입률에 따른 염화물 확산 특 성을 검토하였다.

Fig. 7 및 8은 요인별에 따른 순환 굵은골재 콘크리트의 염 소이온 침투 깊이 및 염화물 확산계수 측정결과를 나타낸 것 이다.

Fig. 7

Chloride penetration depth of RA concrete

Fig. 8

Chloride diffusion coefficient of RA concrete

이를 고찰하여 보면 모든 강도수준에서 순환 굵은골재의 혼입률이 증가할 수 록 염화물 침투깊이 및 염화물 확산계수 는 증가하여 콘크리트의 내염성능이 저하되는 결과를 나타냈 다. RA50%의 경우 RA0%에 비하여 염화물 침투깊이 및 확산 계수가 각각 111%, 113% 증가하는 것을 나타냈으며 RA 100%에서는 각각 135%, 144%까지 증가되는 것으로 나타나 RA 50% 이상에서 순환 굵은골재 혼입에 따른 내염성능의 저 하 정도가 더욱 뚜렷한 것으로 나타났다. 이러한 원인은 콘크 리트 내부로의 염화물 확산은 기공 및 공극특성과 밀접한 관 계를 갖고 있으며, 순환골재의 경우 표면에 부착된 구재 모르 타르에 의한 기공률 증가, 생산 시 발생되는 순환골재 내부의 망상 및 관통균열의 발생, ITZ(Interfacial Translation Zone)의 상대적인 증가에 기인한 것으로 판단된다.

Fig. 9는 순환골재 콘크리트의 압축강도와 염화물 확산계 수와의 상관성을 분석한 결과이다. 이를 고찰하여 보면 RA0%의 경우 강도가 증가함에 따라 염화물 확산계수가 최대 77.7% 감소하는 것으로 나타났고 RA50%의 경우는 75.3%, RA100%의 경우는 63.5%까지 감소되어 순환골재 콘크리트 의 강도가 증가할수록 염화물 확산계수는 감소되는 것으로 나타났으며, 두 요인간의 결정계수는 0.98로서 매우 높은 상 관성을 갖는 것으로 분석되었다. 또한 기존의 연구결과(^{L. Zong et al., 2014}; ^{Ryu, 2011}; ^{Bae et al., 2010})에서도 본 연구 결과와 유사한 경향을 나타내는 것으로 보고하고 있으며, 결 정계수가 본 연구결과가 다소 높긴 하나 이는 사용되는 순환 골재의 품질, 사용량, 기타 재료 및 환경조건 차이에 기인한 것으로 판단된다.

Fig. 9

Relation between compressive strength and diffusion coefficient of RA concrete (1)

또한 Fig. 10은 일반 골재를 활용한 콘크리트(NAC)와 순환 골재 콘크리트(RAC)의 압축강도와 염화물 확산계수와의 상 관성을 분석한 결과이다. 이를 고찰하여 보면 콘크리트의 염 화물 확산 특성은 골재 종류에 관계없이 압축강도 즉 매트릭 스의 밀실정도에 가장 큰 영향을 받는 것으로 나타났으며, 특 히 강도가 증가할수록 골재차이에 따른 영향은 감소되어 염 화물 확산계수가 일정 수준으로 수렴되는 것으로 나타났다.

Fig. 10

Relation between compressive strength and diffusion coefficient of RA concrete (2)

일반적으로 콘크리트 내부로의 염화물 확산에 영향을 미치 는 요인으로는 공극률, 공극구조, ITZ 등의 내적 요인과 온도, 상대습도, 염화물 이온 농도 등의 외적 요인으로 분류될 수 있 다. 이중 내적 요인은 콘크리트의 자체 특성으로서 순환골재 를 사용한 콘크리트의 경우는 상기 내적요인에 가장 큰 영향 을 미치는 요인으로 강도 수준 및 순환골재의 혼입률 등이다. 따라서 본 연구에서는 강도 수준과 순환골재 혼입에 따른 염 화물 확산계수와의 상관성을 분석하기 위하여 다중 회귀분석 을 수행하였으며, 결과는 Fig. 11에 나타낸 것과 같다. 이를 살 펴보면 낮은 강도 영역일 수 록 순환골재에 사용에 따른 염화 물 확산계수의 변동폭이 큰 것으로 나타나 21 MPa급에서는 최대 44% 정도인 것으로 나타났으며, 강도가 증가할수록 순 환골재 혼입에 따른 영향이 감소되어 일반 콘크리트와 유사 한 수준까지 내염성을 확보할 수 있는 것으로 분석되었다. 따 라서 저강도 영역의 순환골재 콘크리트의 경우는 내염성 확 보를 위한 플라이애시 및 고로슬래그 분말 등과 같은 혼화재 료의 적용이나 배합상의 조정을 통해 콘크리트의 강도를 일 정 수준 향상시킬 경우 순환골재의 활용량 증가에 유효할 것 으로 사료된다.

Fig. 11

Chloride diffusivity of RAC according to main factors