1. 서 론

환경부에서는 2011.12월 제2차 건설폐기물 재활용 기본계 획에서 생태한경보전 및 자원순환성 강화 인프라 구축을 목 표로 설정하였으며, 3대 추진정책을 바탕으로 7대 중점 추진 과제를 선정하였다. 3대 추진정책은 배출저감, 환경보전 및 자원순환성강화 및 건설폐기물 관리정책 및 산업인프라 구축 이다. 이중 환경보전 및 자원순환성강화는 순환골재 실질 재 활용율 45% 달성을 목표로 하고 있다.

2013년 4월 15일 개정·공고된 순환골재 품질기준은 콘크리 트용으로 사용할 수 있는 순환골재의 품질기준을 다음과 같 이 제시하고 있다. 즉 순환 굵은골재의 절대 건조 밀도(g/cm³) 는 2.5이상, 흡수율(%)은 3.0이하, 순환 잔골재의 절대 건조 밀도(g/cm³)는 2.2이상, 흡수율(%)은 5.0이하로 규정하고 있 다. 또한 순환골재를 콘크리트용 골재로 활용하기 위해서는 골재의 내구성 확인이 필요하며 순환 굵은골재는 설계기준강 도 27 MPa까지의 콘크리트에 적용되는 것으로 규정하고 있 다. 순환골재를 사용하여 설계기준강도 21 MPa 이상 27 MPa 이하의 콘크리트(기둥, 보, 슬래브, 내력벽 등)를 제조할 경우, 순환 굵은골재의 최대량은 투입되는 총 굵은골재 용적의 30% 이하로 치환하여 사용할 것을 권장하고 있다. 또한 잔골재는 천연 잔골재를 사용하도록 기술하고 있다. 또한 순환 굵은골재 최대치수는 20 mm 또는 25 mm 이하로 하되, 가능한 20 mm이 하를 권장하고 있다.

품질기준에서 굵은골재의 사용량을 30% 이하로 권장한 것 은 순환골재가 콘크리트용으로 사용된 사례나 실적이 적고, 순환골재를 생산하는 과정에서의 품질관리, 레미콘 플랜트에 서 콘크리트 제조, 운반, 타설, 시공 및 품질검사 등에 이르는 전반적인 품질관리 사례가 많지 않으므로 신중하게 사용하는 것이 필요하기 때문이라고 기술하고 있다. 실질적으로 순환 굵은골재를 구조용으로 사용되는 경우 적으므로, 순환골재의 품질관리에 많은 어려움이 예상되며, 구입도 어려운 실정이 다. 그렇지만 일본 JIS A 5021(2011)의 콘크리트용 재생골재 H에서는 절건밀도 및 흡수율에 대한 기준을 제시하고 있으 나, 사용용도는 제한이 없다고 규정하고 있다. 따라서 환경적 자원순환성강화라는 측면에서 순환골쟁의 대량사용 등에 대 한 검토가 적극적으로 필요한 일정이다.

강섬유(steel fiber)는 콘크리트에 발생하는 균열을 효과적 으로 제어할 수 있는 섬유보강재로 널리 인식되고 있으며, 사 용 부위가 증가하고 있다. 적정량의 강섬유 보강은 경제성을 확보할 수 있으므로, 콘크리트의 낮은 인장 강도, 취성적인 파 괴 특성 등 개선되어야 할 단점들을 적극적으로 개선할 수 있 는 재료이다. 강섬유 보강 콘크리트(SFRC, steel fiber reinforced concrete)는 콘크리트에 단섬유 형태의 강섬유를 보강한 것으 로, 보강되지 않은 콘크리트에 비하여 강도증진, 취성적인 콘 크리트 성질개선 및 균열제어효과가 우수한 것으로 평가되고 있다. 부재에 있어 강섬유 보강된 보는 일반 콘크리트 보에 비 하여 균열 강도 및 전단강도가 증가하며, 특히 연성능력의 증 진이 우수한 것으로 평가되고 있다.

본 연구는 순환 잔골재와 굵은 골재의 구조부재 적극 사용 을 목표로 하고 있다. 따라서 순환골재의 치환율 및 추가적인 성능 개선으로 강섬유를 이용한 보의 구조성능을 평가한다. 주요 변수는 순환골재 치환율, 강섬유 혼입률이며, 기존 제안 식으로 전단강도를 평가한다.

2. 기존 연구

^{Lee et al.(2016)}은 순환골재를 혼입한 콘크리트에 강섬유 가 적용되었을 때, 역학적 특성과 변형특성으로서 압축강도, 탄성계수, 건조수축 및 크리프의 특성을 평가하였다. 시험변 수는 순환 굵은골재 치환율 0, 30%와 강섬유 혼입율 0, 0.5 및 1.0%이다. 평가 결과, 초기재령에 있어 순환 골재를 혼입한 콘크리트의 압축강도는 천연골재를 사용한 콘크리트에 비해 낮은 압축강도를 나타내었으나, 장기재령으로 갈수록 천연 골재 콘크리트와의 압축강도의 차이는 감소하는 경향을 나타 내었다. 또한 이러한 압축강도의 차이는 강섬유를 혼입함으 로서 천연골재 콘크리트와 동등수준의 압축강도를 확보할 수 있는 것으로 평가되었다. 순환 골재를 혼입한 콘크리트의 탄 성계수는 천연골재를 사용한 콘크리트에 비해 낮은 값을 나 타내었으나, 콘크리트보다 높은 탄성계수를 갖는 강섬유를 혼입함으로써, 천연골재 콘크리트와 동등수준의 성능을 확보 할 수 있는 것으로 평가되었다.

^{Dinh et al.(2016)}은 압축을 받는 비정형 강섬유 보강 콘크 리트의 역학적 특성을 평가하였다. 압축 시험은 섬유의 용적 율과 압축강도 수준으로 진행되었다. 평가결과 비정형 강섬 유 보강은 콘크리트의 인성, 최대 응력에서의 변형율 및 프와 송 비 등을 향상시켰다. 또한 시험결과를 근거로 섬유 용적율 및 압축강도를 변수로 한 탄성계수 및 최대 응력 예측식 및 해 석모델을 제안하였다.

^{Shin et al.(2015)}은 순환골재를 사용한 강섬유보강 콘크리 트보의 전단거동을 알아보기 위하여 순환골재 치환율은 30% 로 고정하고, 전단경간비, 인장철근비 및 강섬유 혼입율을 변 수로 한 총 24개의 강섬유 보강 콘크리트보를 만들어 실험하 였다. 또한 순환골재를 사용한 강섬유 보강 콘크리트보의 전 단강도를 여러 연구자들의 제안식과 비교·분석하였다. 대부 분의 실험값이 제안식에 의한 이론값보다 높게 나타나 순환 골재를 사용한 강섬유보강 콘크리트보를 구조부재로 사용하 여도 적절한 것으로 평가하였다.

^Lee(2015)는 순환골재 대량 사용에 대한 연구의 일환으로 순환 굵은골재 치환율에 따른 슬럼프, 압축강도 및 할렬인장 강도를 평가하였다. 순환 굵은골재 치환율 60%까지는 슬럼 프 150 mm 이상을 확보하여 작업성을 확보하였으나, 치환율 100%에서는 작업성 확보가 곤란한 것으로 평가되었다. 순환 골재를 사용하여도 압축강도의 저감은 없는 것으로 평가되었 다. 이는 기존 시험결과와 다른 것으로, 순환 굵은골재의 불순 물을 수작업으로 제거함에 따른 강도 증진과, 슬럼프가 낮게 나오더라도 다짐을 충실히 한 점에 기인한 것을 판단된다. 이 는 할렬인장강도 비교에서는 알 수 있는데, 순환 굵은골재가 증가할수록 강도가 증가되는 것으로 평가되었다. 즉 순환골 재 사용에 따른 강도 저하 요인은 고품질의 순환골재 사용 및 다짐으로 보완될 수 있음이 확인되었다.

^{Shin et al.(2015)}은 순환골재를 사용한 강섬유 보강 콘크리 트보의 전단거동을 알아보기 위하여 순환골재 치환율은 30% 로 고정하고, 전단경간비, 인장철근비 및 강섬유 용적율을 변 수로 한 성능실험을 실시하였다. 또한 순환골재를 사용한 강 섬유 보강 콘크리트보의 전단강도를 여러 연구자들의 제안식 과 비교하였다. 그 결과 실험값이 제안식보다 높게 나타나 순 환골재를 사용한 강섬유보강 콘크리트보를 구조부재로 사용 하여도 무방하다고 평가하였다.

^{Ha (2013)}은 순환골재와 고로슬래그 미분말의 치환율에 따 른 강섬유 보강 RC보의 구조성능 향상 평가를 위한 연구를 진 행하였다. 표준실험체, 순환골재와 고로슬래그 미분말을 치 환한 실험체 및 순환골재와 고로슬래그의 치환율에 강섬유를 보강한 실험체를 1/2 축소 제작하여 실험을 수행하였다. 실험 결과 순환골재와 고로슬래그 미분말을 치환한 콘크리트에 강 섬유를 보강한 실험체의 경우 표준실험체보다 압축강도는 최 대 9%, 최대내력은 1~6%, 연성능력은 각각 1.02~1.13배 증가 하는 결과를 나타내었다. 또한, 충분한 연성적인 거동과 안정 적인 휨인장 파괴를 나타내는 것으로 평가하였다.

Lee et al.(²⁰⁰⁴, ²⁰⁰⁵)은 강섬유 보강계수와 전단보강근을 고려한 SFRC 부재의 전단강도 산정에 관한 연구를 진행하였 다. 그 결과, 강섬유 보강 콘크리트의 부재 실험결과에 대한 검토와 분석으로부터, SFRC 부재의 강섬유 보강계수를 제안 하였다.

3. 성능 실험

본 연구에서는 순환굵은골재의 대량 사용을 목표로 천연 굵은골재의 50%를 순환 굵은골재로 치환하고, 천연 잔골재 의 50%를 순환 잔골재로 치환한 실험체를 계획하였다. 순환 골재사용시 전단에 취약할 수 있으므로, 강섬유 혼입율 0.5%, 0.75%, 1.0%를 변수로 하였다. 하였다. 실험체 제작 등의 편의 를 위하여 D10 @100의 전단보강근을 설치하였다. 사용 재료 특 성값 및 형상은 Table 1과 같다. 실험 배합은 Table 2와 같으며 콘크리트의 설계압축강도는 24 MPa로 계획하였으며, 사용한 철근의 항복강도는 400 MPa이다. 배합시 슬럼프를 측정하였으 며, 콘크리트 경화후 압축강도, 할렬인장강도를 측정하였다. 또 한 철근은 항복강도 및 인장강도, 탄성계수를 측정하였다.

강섬유는 Table 1과 같이 길이 30 mm, 지름 0.55 mm인 양 단후크형(both hooked end type)을 사용하였다. 실험체의 단 면은 폭 180 mm, 춤 250 mm, 길이 2,314 mm로 계획하였다. 실 험체의 전단경간비는 3.5이며, 실험체의 지점간 거리는 1,714 mm이다. 이점(two point) 가력하였으며, 인장철근 및 전단철 근은 SD 400의 D16 및 D10을 각각 사용하였다. Table 1에 실 험체 변수를 나타내었으며, Fig. 1에 실험체 상세, Fig. 2에 LVDT 설치 및 실험체 부착 게이지 위치를 나타내었다.

4. 실험 결과 및 분석

5. 전단강도 평가

일반적으로 콘크리트에 순환 잔골재 및 굵은골재를 사용한 경우, 근본적으로 천연골재대비 강도 저하 등의 문제가 없는 것으로 대부분의 연구에서 보고하고 있다. 그렇지만 순환골 재 생산과정에서 생길 수 있는 품질저하 및 수급이 곤란한 현 실을 고려하여 보에 있어 취성적인 전단강도에 대한 평가를 수행하였다. 평가는 강섬유 보강에 대한 기존 전단강도식을 이용하여 진행하였으며, 주요 평가변수는 섬유계수, 할렬인 장강도 및 전단경간비이다. 이하에는 대표적인 강섬유 보강 콘크리트에 대한 기존 전단강도식을 정리하였다.

^{Kwak et al.(2002)}은 전단보강근이 없는 경우, 강섬유 보강 콘크리트의 인장강도를 고려한 전단 강도식 (1)을 제안하였다.

여기서

υ_u: 전단강도 (MPa)

f_sp: 할렬인장강도 (MPa)

e: 1.0 for a/d > 3.4, 3.4 d/a for a/d ≤ 3.4

ρ_t: 인장철근비

a/d: 전단경간비

ν_b =0.41τF, τ=4.15(MPa)

F = L_f/D_f×ρ_f×d_f(fiber factor), 섬유계수

L_f : 강섬유길이

D_f : 강섬유지름

ρ_f: 강섬유 혼입비(ratio)

d_f: 강섬유부착계수 (직선형0.5, 후크형0.75, 톱니형1.0)

Narayanan and Darwish(1987)은 강섬유 보강 콘크리트 보 의 섬유인발응력 이론을 근거로 다음의 식 (2)를 제안하였다.

e : 1.0 for a/d > 2.8, and 2.8 d/a for a/d ≤ 2.8

^{Shin et al.(1994)}은 전단보강이 없는 강섬유보강 콘크리트 보의 전단거동에 관한 연구를 통하여, 강섬유 혼입율 및 전단 경간비에 대한 전단강도식을 제안하였다.

a/d < 3.0 일 때

^{Ashour et al.(1992)}은 고강도 강섬유 부재를 포함한 전단강 도식을 제안하였다.

^{Oh et al.(2008)}은 강섬유 보강 휨부재의 전단강도에 영향 을 주는 주요 구조 변수를 적절히 고려하면서 오차율을 최소 화할 수 있는 전단강도 산정식을 제안하였다.

e : 1.0 for a/d > 2.5, and 2.8 d/a for a/d ≤ 2.8

순환골재를 사용한 SFRC보의 전단강도를 평가하기 위하 여 상기의 제안식을 본 연구의 실험결과에 적용하였다. 타 연 구자료 등을 참고하려했으나, 측정값의 분산이 너무 심하여 본 평가에서는 제외하였다. Fig. 11에 본 실험에 의한 전단강 도를 제안식으로 나눈 강도비(V_test/V_제안식)를 나타내었다. 먼 저 강섬유 비보강인 경우, Narayanan and Darwish(1987), ^{Kwak et al.(2002)}, ^{Shin et al.(1994)}, ^{Ashour et al.(1992)} 및 ^{Oh et al.(2008)}의 제안식에 대하여 강도비는 각각 0.64, 0.77, 0.78, 2.38 및 2.06으로 평가되었다. 여기서 Ashour 및 Oh의 제 안식은 콘크리트의 할렬인장강도 대신 압축강도를 사용한 것 으로 할렬인장강도를 사용한 제안식보다는 안전측으로 전단 강도를 예측하는 것으로 판단된다.

이러한 경향은 강섬유가 보강된 경우에도 나타났는데, 할 렬인장강도를 사용한 제안식이 실험결과보다 큰 전단강도를 나타내었으며, 압축강도를 사용한 제안식은 실험결과보다 작 은 전단강도를 나타내었다.

이러한 결과 등을 정량적으로 평가하기 위하여 Table 5에 제안식별 평균 및 분산을 나타내었는데, Oh의 제안식에 의한 강도비는 평균 1.7 및 분산 0.27로 나타나 실험결과에 근접하 는 것으로 나타났다. 따라서 순환골재 및 강섬유를 사용한 보 의 전단강도는 Oh의 제안식이 안전측으로 평가 가능한 것으 로 판단된다. 그렇지만 할렬인장강도를 사용한 제안식의 분 산은 0.1 및 0.12로 평가되어 강섬유 보강시, 이에 대한 적절한 반영이 가능한 것으로 판단된다. 향후 강섬유 보강 콘크리트 의 전단강도 산정에 있어 할렬인장강도와 압축강도와 상관에 관한 보완 검토가 필요하며, 통일된 전단내력식의 제안이 필 요한 것으로 판단된다.

6. 결 론

본 연구에서는 환경친화적인 순환골재를 대량 사용하기 위 한 연구를 진행하였다. 천연골재를 순환골재로 50% 치환한 보에 전단성능을 증진시키기 위하여 강섬유를 보강하였다. 강섬유 혼입율은 콘크리트 체적의 0%, 0.5%, 0.75% 및 1.0% 로 보강하였다. 주요한 연구결과는 아래와 같다.