2.1 사용재료

시험체 제작에는 국내 S사에서 생산하는 보통포틀랜드시멘트(1종)를 사용하였으며, 잔골재는 서해안에서 채취하여 세척한 해사를 사용하였다. 굵은 골재의 경우, 천연골재는 제주지역의 채석장에서 생산된 25 mm 이하의 쇄석골재를, 재생골재는 A기업에서 폐콘크리트로부터 생산된 골재를 사용하였다. 본 연구에 사용된 재생골재는 느슨하게 붙어 있는 골재 표면의 석분 및 페이스트의 미분을 제거하기 위해 물로 여러 차례 세척한 후에 배합에 사용하였으며, 골재의 함수상태에 따라 절대건조인 경우에는 약 100℃의 건조기 내에서 24시간 이상 건조시킨 후 사용하였으며, 표면건조포화상태와 습윤상태는 수조에 48시간 이상 침수 시킨 후에 배합에 사용하였다.

본 실험에 사용된 재생골재는 입도분포특성을 평가하기 위하여 체가름 시험을 ^{KS F 2502(2019)} (굵은 골재 및 잔골재의 체가름 시험 방법)에 따라 수행하였다. 체가름 시험결과에 따른 입도분포곡선을 Fig. 1에 나타냈으며, 균등계수가 2.47, 곡률계수가 0.87이다. 골재의 실적률을 평가하기 위해 ^{KS F 2505(2017)} (골재의 단위용적질량 및 실적률 시험방법)에 따라 실적률 시험을 수행하였으며 그 결과 천연골재는 59.5 %, 재생골재는 56.5 %을 나타내었다. 또한 ^{KS F 2503(2019)} (굵은 골재의 밀도 및 흡수율 시험방법)을 따라 밀도 및 흡수율 시험을 수행하였으며 그 결과를 Table 1에 정리하였다.

Fig. 1. Particle Size Distribution Curves of Aggregates (C.A.: Coarse Aggregate)

2.2 실험변수 및 배합

KS F 2403(콘크리트의 강도 시험용 공시체 제작방법)에서 압축 강도 시험을 위한 공시체로 규정한 원주형 공시체(지름 100 mm, 높이 200 mm)를 사용하였다. 재생 굵은 골재를 사용한 콘크리트의 압축 강도에 미치는 영향을 평가하기 위하여 골재의 종류와 함수상태, 물/결합재비, 양생조건을 실험변수로 정하였다. 골재의 함수상태는 절대건조상태, 표면건조포화상태 및 습윤상태로 구분하여 배합하였다. 물/결합재 비는 55~65 %를 5 % 간격으로 정하였으며, 고성능감수제를 시멘트 중량의 0.8 % 혼합하여 콘크리트를 배합하였다. 공시체는 최초 수중에서 양생시켰으며, 변수에 따라 1, 3, 7일 후에 대기에서 양생시켰다. 1, 3, 7일 후 대기 양생은 최대한 현장양생의 조건을 고려하기 위하여 선택하였다. 양생 기간 동안 터보온수히터와 라디에이터를 사용하여 물과 공기의 온도를 20±5℃의 범위로 유지하였으며, 공기 중 습도는 20±10 %의 범위로 비교적 건조한 상태를 조성하여 수화반응에 필요한 수분 공급을 제한하였다. 시험체는 변수별로 각각 5개씩 제작하여 총 120개의 시험체에 대해 압축 강도 시험을 수행하였다. 시험체 제작에 사용된 변수와 배합은 Table 2에 정리하였으며, 시험체명은 Fig. 2에 나타낸 것과 같이 골재의 종류를 천연은 N으로, 재생은 R로 표기하였으며, 물/바인더비는 55~65 %의 범위를 55~65로 표기하였다. 굵은 골재의 함수상태는 오븐 건조인 경우 D, 표면건조포화상태인 경우 S, 습윤상태인 경우 W로 표기하였고, 양생조건은 표준양생의 경우 M, 1, 3, 7일 후 대기양생인 경우 1D, 3D, 7D로 표기하여 구분하였습니다.

Fig. 2. Specimen I.D.

2.3 실험방법 및 장치

압축 강도 시험은 ^{KS F 2405(2022)} (콘크리트 압축 강도 시험 방법)을 따라 수행하였다. 변수 조건에 따라 표준 습윤양생한 시험체가 있는 반면 대기 중에서 양생한 시험체가 있기 때문에 강도 시험시 시험체의 함수상태가 각각 다르게 된다. ^{Bartlett and MacGregor (1994)}는 콘크리트 공시체에서 수침시 외부와 내부의 팽창 정도가 달라 이로 인한 잔류응력이 발생하여 압축 강도를 저하한다고 발표한 바가 있다. 공시체의 함수상태도 압축 강도에 영향을 미치기 때문에 공시체를 동일한 조건으로 유지하기 위해 ^{KS F 2422(2022)} (콘크리트 코어 및 보의 시료 절취 및 강도 시험방법)에서 제시한 것과 같이 모든 시험체들을 약 20℃의 물에 48시간 동안 수침시켜 습윤상태에서 시험하여 압축 강도를 측정하였다. 압축 강도 시험은 Fig. 3에 나타낸 것과 같이 국내 D사에서 제작한 1,000 kN 용량의 만능재료시험기를 사용하였고, 하중재하는 하중제어 방식으로 시험하였다.

Fig. 3. Universal Testing Machine and Specimen

3.1 양생조건에 따른 콘크리트의 흡수율, 단위중량과 압축 강도

Fig. 4는 천연 굵은 골재를 사용한 콘크리트와 재생 굵은 골재를 사용한 콘크리트의 흡수율을 양생조건에 따라 도식한 것이다. 천연 굵은 골재를 사용한 콘크리트의 흡수율이 재생 굵은 골재를 사용한 것에 비해 3~7 % 낮게 나타나고 있으며, 양생시 수분을 공급해주는 기간이 길어질수록 콘크리트의 흡수율이 감소하는 경향을 나타내고 있다. 천연골재를 사용한 콘크리트의 흡수율이 재생골재를 사용한 콘크리트보다 낮게 나타나는 것은 콘크리트의 용적의 55~60 %를 차지하는 굵은 골재의 영향으로 판단된다. 앞 장에서 언급한 것과 같이 재생 굵은 골재의 흡수율은 5.82 %, 천연 굵은 골재의 경우 2.19 %로 재생골재의 흡수율이 천연골재의 흡수율보다 약 2.6배 크기 때문에 재생골재를 사용한 콘크리트의 흡수율이 높게 나타나는 것으로 판단된다. 양생시 수분을 공급해 주는 기간이 변함에 따라 흡수율이 변화하는 것은 수분의 공급기간이 길수록 시멘트의 수화반응이 진행되어 수화생성물로 콘크리트가 밀실해지기 때문에 흡수율이 감소하는 것으로 판단된다.

한편, 콘크리트의 단위중량은 Fig. 5에 나타낸 것과 같이 천연 굵은 골재를 사용한 콘크리트가 재생 굵은 골재를 사용한 콘크리트보다 크고, 수분공급 일수가 늘어남에 따라 단위중량이 증가하는 경향을 나타내고 있다. 천연골재를 사용한 콘크리트의 단위중량이 재생골재를 사용한 것보다 큰 이유는 천연골재의 단위중량이 재생골재보다 크고, 실적률 또한 천연골재가 3 % 높기 때문이다. 수중양생 기간이 길수록 단위중량이 증가하는 것은 수화반응에 필요한 수분의 공급이 지속됨에 따라 수화생성물로 콘크리트가 보다 밀실해지기 때문으로 판단된다.

Fig. 6은 단위중량에 따른 압축 강도를 천연 굵은 골재와 재생 굵은 골재를 사용한 콘크리트로 구분하여 도식한 것이다. 천연골재와 재생골재를 사용한 콘크리트 모두 단위중량이 증가함에 따라 압축 강도가 증가하는 경향을 보이고 있다. 또한, 재생골재를 사용한 콘크리트의 압축 강도가 천연골재를 사용한 압축 강도보다 단위중량에 대하여 덜 민감한 영향을 보이고 있는데, 이는 재생골재의 상대중량이 작기 때문인 것으로 여겨진다.

Fig. 4. Absorption with Aggregate Types according to Curing Conditions

Fig. 5. Unit Weight with Aggregate Types according to Curing Conditions

Fig. 6. Compressive Strength with Aggregate Types according to Unit Weights

3.2 콘크리트 압축 강도에 대한 양생 조건의 영향

재생 굵은 골재를 사용한 콘크리트에 양생 조건이 콘크리트의 압축 강도에 미치는 영향을 평가하기 위하여 수분 공급 조건을 변화하여 양생시킨 후 압축 강도 시험을 수행하였다. Fig. 7은 천연골재와 재생골재를 사용한 콘크리트의 양생 조건에 따른 압축 강도의 평균값을 도식한 것이다. 표준양생을 하여도 재생골재를 사용한 콘크리트의 압축 강도는 천연골재를 사용한 것의 86 % 수준으로 낮게 나타나고 있으며, 대기양생을 시킨 경우에도 재생골재를 사용한 것이 천연골재를 사용한 것에 비해 약 83~87 %의 수준으로 낮게 나타났다. 이는 실험에 사용한 재생 굵은 골재의 품질이 천연 골재의 품질에 미치지 못하기 때문으로 판단된다. 특히, 재생골재의 높은 흡수율과 재생골재 표면 모르터의 미세균열에 의한 시멘트풀의 접착력 저하가 그 원인으로 추측된다.

Fig. 7. Effect of Curing Conditions with Aggregate Types on Compressive Strength

Fig. 8. Effect of Curing Conditions with Aggregate Types on Strength Ratio

Fig. 8은 천연골재를 사용하고 표준 양생한 시험체(N55S-M)의 압축 강도를 기준으로 한 압축 강도비를 양생조건에 따라 도식한 것이다. 천연골재와 재생골재를 사용한 시험체 모두 습윤양생 기간에 비해 대기양생 기간이 길어질수록 압축 강도가 낮아지고 있으며, 감소율도 비슷하게 나타나고 있다. 이러한 경향을 통해 콘크리트의 양생기간 동안 수분의 공급을 제한하여 압축 강도가 감소하는 것은 수분의 부족으로 인해 수화반응이 충분하지 못한 것으로 판단되며, 골재의 종류는 양생조건에 따른 경향에 큰 영향을 미치지 않는 것으로 판단된다.

3.3 압축 강도에 대한 골재의 함수상태의 영향

재생 굵은 골재의 함수상태가 절건상태, 표건상태, 습윤상태일 때, 배합한 콘크리트에 있어서 양생조건이 미치는 영향을 평가하였다. Fig. 9는 골재의 함수상태가 다른 콘크리트의 평균 압축 강도를 양생조건에 따라 나타낸 것이다. 그림에서 보이는 바와 같이 물속에서 습윤양생을 한 경우 습윤골재를 사용한 시험체가 절건상태인 골재를 사용한 시험체의 강도보다 조금 높게 나타났다. 이에 대한 원인으로 ^{Neville(1996)}는 표면수가 많은 골재는 골재와 시멘트 페이스트 사이에 수분 겔(water gel)이 형성되어 접착력을 약화시킨다고 설명하였다. 그러나 본 실험에서 대기양생을 한 경우에는 습윤상태의 골재를 사용한 시험체의 강도가 절건상태의 골재를 사용한 것보다 조금 높게 나타나고 있다. 이는 대기양생을 하는 경우 콘크리트의 수분이 증발되어 수화작용에 필요한 수분이 상실되지만 습윤상태 골재의 경우에는 골재가 함유하고 있던 물이 수화작용에 보충 사용되어 강도가 상대적으로 높게 나타나는 것으로 추측되는데, 이에 대해서는 더 많은 데이터와 연구가 필요하다.

Fig. 10은 표면건조상태의 천연 굵은 골재를 사용한 표준공시체(N55S-M)의 압축 강도를 기준으로 한 강도비를 양생조건에 따라 도식한 것으로 절건상태의 시험체는 습윤양생기간이 줄어듦에 따라 천연골재 콘크리트와 같은 비율로 감소하였으며, 습윤상태의 골재를 사용한 시험체는 이보다 완만하게 감소하는 경향을 보이고 있다.

Fig. 9. Effect of Moisture Conditions of Coarse Aggregate on Compressive Strength according to Curing Conditions

Fig. 10. Effect of Moisture Conditions of Coarse Aggregate on Strength Ratio according to Curing Conditions

3.4 압축 강도에 대한 물/결합재 비의 영향

물/결합재 비에 따른 재생골재 콘크리트의 압축 강도를 양생조건에 따라 Fig. 11에 나타내었다. 일반적으로 알려진 바와 같이 물/결합재 비가 증가함에 따라 양생 조건에 관계없이 압축 강도는 감소하였다. Fig. 12는 표건상태인 천연골재를 사용하고 표준양생한 기준 시험체(N55S-M)의

압축 강도를 기준으로 하여 물/결합재비 별로 강도비를 양생조건에 따라 나타낸 것이다. 천연골재 콘크리트와 비슷하게 재생골재 콘크리트도 대기양생 기간이 길어질수록 강도는 감소하는 경향을 나타내고 있으나, 물/결합재 비가 55 %에서 증가하여 60 %의 경우, 강도의 감소폭이 크지 않은 반면, 65 %인 경우 강도가 크게 감소함을 보이고 있다. 또한 재생골재를 사용한 콘크리트의 경우, 3일 후 대기양생과 7일 후 대기양생의 강도 차이가 물/결합재 비가 변하여도 크게 나타나지 않고 있다. 위의 두가지 사실에 대해서는 더 많은 데이터와 연구가 필요하다.

Fig. 11. Effect of W/B Ratio on Compressive Strength according to Curing Conditions

Fig. 12. Effect of W/B Ratio on Strength Ratio according to Curing Conditions