1. 서 론
2. 연구방법
3. 실험계획 및 방법
3.1. 실험변수
3.2. 사용재료
3.3. 실험방법
4. 실험결과
4.1. 콘크리트
4.2. 콘크리트 블럭
5. 이산화탄소 발생량 분석
6. 결 론
1. 서 론
골재는 콘크리트 부피의 약 70% 이상을 차지하는 중요한 구성요소로 대부분 하천, 바다, 산림, 육상 등에서 채취되어 각종 건설현장에 공급되고 있다1). 제5차 골재수급 기본계획에 따르면 우리나라에서 보유한 골재원은 약 264억m3으로 추산되었으며, 이중 개발 가능한 골재자원은 약 147억m3으로 예상되었다2). 그러나 국내 건설시장의 2017년 골재수요량이 약 2.6억m3, 최근 5년간 평균 골재수요량이 약 2.3억m3임을 고려하면 국내에서는 향후 약 57년간 골재채취가 가능하며, 이후에는 고갈 가능성도 존재한다3). 향후 GTX건설, 고속도로 신설 등 정부 SOC 사업의 증가, 플랜트 사업 수주 등으로 건설투자가 확대될 경우 골재자원은 예상보다 일찍 고갈될 수 있으므로 정부에서는 순환골재, 슬래그골재 등의 품질기준을 재정립하고 공급량을 점진적으로 확대하는 방안을 검토중이다3).
순환골재는 건설폐기물인 폐콘크리트에서 파쇄 및 선별작업을 통해 추출된 골재로 과거 토목 및 건축 구조물의 콘크리트 배합시 사용되었던 골재이다. 최근 노후 구조물의 철거, 재건축 및 재개발의 확대 등으로 Fig. 1과 같이 건설폐기물의 발생량은 점차 증가되고 있는 실정이며, 향후 폐콘크리트 및 순환골재의 발생량도 증가될 것으로 예상되고 있다3,4). 순환골재는 표면의 부착모르타르에 의해 일반골재에 비해 밀도가 낮고 흡수율이 높으며5), 순환골재를 사용한 콘크리트는 일반콘크리트에 비해 강도 및 내구성이 낮은 것으로 평가되고 있다6,7). 그러나 적절한 혼화재의 적용, 양생 및 품질관리의 개선을 통해 일반콘크리트와 유사한 성능을 유도할 수 있으므로 순환골재는 천연골재를 대체할 수 있는 가능성이 가장 높은 골재로 분석되고 있다8).
골재자원의 선순환을 위해서는 순환골재의 고부가가치 재활용 및 적용범위 확대가 이루어져야 하며 이를 위한 적정한 세부 기준이 정립되어야 하나, 현재 ‘순환골재 품질기준’9)에서는 설계기준강도가 27MPa 이하인 구조용 콘크리트에 순환굵은골재만 60% 이하 또는 순환잔골재만 30% 이하, 순환굵은골재와 순환잔골재의 혼합사용시 총 골재용적의 30% 이하만 적용하도록 권장하고 있어 구조용 콘크리트의 순환골재 적용시 매우 엄격한 밀도 및 흡수율 기준을 제시하고 있다10). 따라서 현행 기준상 순환골재는 구조용 콘크리트보다 프리캐스트 콘크리트 제품 적용이 유리한 실정이다.
호안블럭은 국내 하천의 사면 및 바닥의 침식방지, 교각의 세굴방지 등에 사용되는 프리캐스트 콘크리트 제품으로 운반 및 설치시 파손방지, 설치후 형상유지 등을 위해 내부에 철근이 배근되어 있다. 국내 기후특성상 잦은 동결융해 및 건습반복에 노출되는 호안블럭은 균열이 발생할 가능성이 높으며, 균열을 통해 침투한 수분이 철근부식을 유발하여 손상이 발생되는 사례가 종종 확인되고 있다11). 따라서 호안블럭의 철근부식에 의한 파손을 예방하기 위해 FRP, 에폭시 코팅 등 비부식성 보강재의 적용기술이 요구되는 실정이다.
이에 따라 본 연구에서는 골재자원의 고부가가치 선순환을 위한 연구의 일환으로 호안블럭에 적합한 순환골재콘크리트를 개발하고 그 특성을 분석하고자 하였으며, 보강재를 Glass Fiber Reinforced Polymer(이하 GFRP) 보강근으로 대체하여 순환골재 혼입에 따른 하중저항특성 저하를 보완함과 동시에 부식안정성을 증진시키고자 하였다.
2. 연구방법
순환골재는 표면 부착모르타르, 내부 균열 등으로 인해 콘크리트 적용시 일반골재를 사용한 콘크리트에 비해 성능이 저하되는 것으로 알려져 있다6,7). 이러한 특성을 보완하기 위해 본 연구에서는 준조강시멘트 적용, 시멘트량 및 증기양생이력을 변수로 하여 순환골재콘크리트를 제작하였다. 나아가 실험 결과를 통해 일반 콘크리트와 가장 유사한 물리적 특성을 나타내는 변수를 선별하여 호안블럭 제작시 적용하였다.
호안블럭에 적용되는 보강재는 순환골재에 의한 콘크리트의 성능저하를 보완함과 동시에 부식이 발생하지 않아야 하므로 이에 적합한 GFRP 보강근을 철근대체재로 하여 호안블럭을 제작하였다.
호안블럭의 하중저항특성은 가력시험을 통해 획득한 최대하중, 변위 등의 결과를 이용하여 분석하였으며, 상기와 같은 연구방법의 흐름도는 다음 Fig. 2와 같다.
3. 실험계획 및 방법
3.1. 실험변수
3.1.1. 콘크리트
콘크리트 배합변수는 일반콘크리트 배합과 순환골재콘크리트 배합으로 구분하였다. 일반콘크리트는 현재 호안블록 생산시 적용되는 배합과 동일하며, 순환골재콘크리트 배합은 일반콘크리트와 가장 유사한 특성을 발현시키기 위해 시멘트 종류 및 사용량, 순환골재 혼입율, 증기양생 방법을 변수로 적용하였다.
순환골재콘크리트 배합에서 바인더는 준조강시멘트를 적용하였으며, 준조강시멘트는 조기강도 및 강도발현율이 일반시멘트에 비해 우수하므로 사용량을 일반콘크리트 대비 86%로 낮추고, 나머지 14%는 골재로 치환하였다. 순환골재의 치환율은 관련 연구문헌12)의 결과에 따라 순환굵은골재 60%, 순환잔골재 40%로 고정하였다.
증기양생시 일반콘크리트는 콘크리트 블록 생산공장에서 일반적으로 적용되는 방법(최고온도 60°C, 최고온도 지속시간 4시간)을 적용하였으며, 순환골재콘크리트는 준조강시멘트의 강도발현특성을 고려하여 최고온도 50°C 및 70°C로 구분하고 최고온도의 지속시간은 설정하지 않았다. 상기와 같이 설정된 변수별 상세 및 증기양생조건은 다음 Table 1 및 Fig. 3과 같다.
Table 1.
Variables of concrete
3.1.2. 콘크리트 블럭
하중저항성능을 평가하기 위한 호안블럭은 현재 세굴방지용으로 생산되고 있는 콘크리트 블록 중 2종을 선정하였다. 각 콘크리트 블록 시험체의 제작시 콘크리트는 일반콘크리트와 순환골재콘크리트로 구분하여 적용하였으며, 순환골재콘크리트는 상기 Table 1의 순환골재콘크리트 배합변수(MR 계열) 중 일반콘크리트와 동등 이상의 성능을 발현하는 변수를 선별하여 적용하였다.
콘크리트 블록 시험체에서 GFRP 보강근은 순환골재 혼입에 따른 하중저항특성 보완 및 부식안정성 증진이 주목적이므로 일반콘크리트를 사용한 변수에는 철근을 적용하고, 순환골재콘크리트를 사용한 변수에만 철근과 동일한 직경의 GFRP 보강근을 적용하였다. 이에 대한 변수별 상세, 형상 및 치수는 다음 Table 2, Fig. 4 및 Fig. 5와 같다.
Table 2.
Variables of concrete block
| Specimen | Concrete | Reinforcement |
| S1-ONS | ONB64 | Steel rebar |
| S1-MRG | MR series | GFRP rebar |
| S2-ONS | ONB64 | Steel rebar |
| S2-MRG | MR series | GFRP rebar |
3.2. 사용재료
콘크리트 및 콘크리트 블록제작시 일반골재는 부순굵은골재와 부순잔골재를 사용하였으며, 순환골재는 국내 I사에서 생산중인 순환굵은골재와 순환잔골재를 사용하였다. 시멘트는 S사에서 생산중인 보통 포틀랜드 시멘트와 준조강 시멘트를 적용하였으며 배합강도는 35MPa로 설정하였다. 콘크리트 배합시 적용된 배합표 및 재료의 특성은 다음 Table 3, Table 4, Table 5와 같다.
Table 3.
Mix proportion
Table 4.
Mineral compositions
| Cement |
C3S (%) |
C2S (%) |
C3A (%) |
C4AF (%) |
Fineness (cm2/g) |
| OPC | 55 | 23 | 11 | 8 | 3,300 |
| MHESC | 42 | 21 | 12 | 9 | 4,600 |
Table 5.
Aggregate properties
| Aggregate |
Density (g/cm3) |
Absorption (%) |
Fineness modulus | |
| Coarse | Crushed | 2.64 | 0.79 | 7.07 |
| Recycled | 2.54 | 2.16 | 7.06 | |
| Fine | Crushed | 2.60 | 0.93 | 2.73 |
| Recycled | 2.44 | 5.17 | 3.06 | |
콘크리트 블록 시험체 제작시 일반콘크리트 적용 변수(ONB64)에는 SD300(D13)의 이형철근을 적용하였으며, 순환골재콘크리트 적용 변수(MRG계열)에는 Grade I등급(D13)의 GFRP 보강근을 적용하였다. 적용된 보강재의 물리적 특성은 다음 Table 6과 같다.
각 보강근의 변수별 적용시 이형철근과 GFRP 보강근의 보강형태 및 보강비는 Fig. 6과 같이 현재 생산중인 방식과 동일하도록 설정하여 배근하였다.
Table 6.
Reinforcement properties
| Reinforcement |
Tensile strength (MPa) |
Tensile modulus (GPa) |
Nominal diameter (mm) |
| Steel rebar | 460 | 200 | 12.7 |
| GFRP rebar | 970 | 34 | 12.7 |
3.3. 실험방법
일반콘크리트와 순환골재콘크리트는 배합후 시편을 제작하였으며 제작된 시편은 변수별 증기양생후 재령 28일까지 기건양생을 실시하였다. 콘크리트 제품생산시 콘크리트의 초기 압축강도가 낮은 경우 탈형과정에서 제품 손상이 발생할 가능성이 높으므로 공장에서는 재령 1일 강도를 측정하고 있다. 따라서 본 연구에서 압축강도는 재령 1일과 재령 28일에 KS F 2405에 따라 측정하였다.
블럭 시험체의 하중저항특성을 파악하기 위해서는 가력방법 및 경계조건의 설정이 필요하나 호안블럭의 경우 일반 구조부재와 달리 종류 및 형상별 하중 작용위치가 다르며, 이에 대한 별도의 기준이 정립되어 있지 않다. 따라서 본 논문에서는 개략적인 유동해석을 통해 하중가력위치를 결정하고자 하였다. 호안블럭이 현장에 적용되었을 경우 호안블럭에는 하천수가 흐르게 되며, 블록의 표면형상에 의해 하천수가 유발한 압력이 상대적으로 높은 부분에 주하중이 작용할 것으로 예상되므로 압력이 비교적 높은 부분을 가력점으로 결정하였다. 해석시 하천수는 일반적인 물이므로 유체의 확산, 점성, 압축성 등 상세특성은 고려하지 않았으며, Navier -Stokes equation과 k-ω 난류모델을 적용하였다. 유속은 홍수발생시와 유사한 5m/s로 설정하였으며 해석프로그램은 범용 해석프로그램인 Solidworks 2017을 사용하였다. CFD해석결과, Table 7과 같이 S1 호안블럭은 하천수 흐름방향의 전면에 가장 높은 압력이 형성되므로 해당부를 가력점으로 설정하였으며, S2 호안블럭은 상면 중앙부 돌출부에 의해 하천수가 모멘트를 유발할 가능성이 높으므로 중앙부를 가력점으로 설정하였다.
4. 실험결과
4.1. 콘크리트
변수별 재령 1일과 28일에 콘크리트 압축강도를 측정한 결과는 다음 Fig. 7 및 Table 8과 같다.
재령 1일 압축강도 측정결과, 모든 콘크리트 변수의 탈형강도는 현장 탈형강도 기준(12MPa)을 상회하는 것으로 확인되었다. 재령 28일 압축강도 측정결과, MRB70 및 MRR70 변수는 배합강도(35MPa)를 만족하지 못하였으며, MRB50 및 MRR50는 배합강도를 상회하는 것으로 확인되었다.
일반콘크리트(ONB64) 대비 변수별 압축강도 발현특성을 비교한 결과는 다음 Fig. 8과 같다. 순환골재와 준조강시멘트를 적용한 변수(MRR50, MRR70)의 재령 1일 압축강도는 증기양생온도에 따라 약 1.0 ~ 1.5MPa이 감소되는 것으로 확인되었으며, 증기양생온도를 50°C로 설정한 MRR변수의 강도저하량이 더 큰 것으로 확인되었다.
그러나 증기양생이력을 50°C, 0시간으로 설정한 변수(MRB50, MRR50)의 재령 28일 압축강도는 일반콘크리트보다 높았으며, 특히 순환골재를 혼입하고, 시멘트 적용량을 약 14% 감소시킨 MRR50 변수는 일반콘크리트와 동등한 수준의 압축강도를 발현하는 것으로 확인되었다. 이에 비해 증기양생이력을 70°C, 0시간으로 설정한 모든 변수의 압축강도는 일반콘크리트보다 낮은 것으로 확인되었다.
관련문헌5,12) 등에 따르면 배합강도, 순환골재의 품질 및 혼입율에 따라 다르나 순환골재 60% 혼입시 콘크리트의 압축강도는 일반콘크리트 대비 최대 약 30%가 감소하는 것으로 알려져 있다. 그러나 시멘트 종류, 시멘트 사용량, 증기양생이력을 달리한 본 연구에서 순환골재를 적용한 변수의 탈형강도는 약 5 ~ 8%, 재령 28일 강도는 약 19%가 감소하였으며, 특히 MRR50 변수의 경우 일반콘크리트와 동등한 압축강도가 특성을 보였다. 이는 순환골재의 균열, 부착모르타르 등에 의해 저하된 콘크리트의 특성이 시멘트 종류 및 증기양생방법에 의해 보완되었기 때문인 것으로 추정된다.
배합에 사용된 준조강시멘트는 C3A함유량과 분말도가 보통 시멘트보다 높으므로 증기양생시 적정한 초기강도의 발현을 유도하였으며, 이로 인해 사용시멘트량을 감소시키고, 순환골재를 혼입하였음에도 불구하고 탈형강도기준을 만족할 수 있었던 것으로 판단된다. 또한 준조강시멘트에 의해 초기강도 증진이 가능하므로 증기양생 최고온도를 50°C로 낮추고 지속시간을 두지 않은 변수(MRR50)는 콘크리트 성숙도 이론과 같이 재령에 따른 강도증가율이 높아 일반콘크리트보다 높은 압축강도를 발현한 것으로 판단된다. 따라서 순환골재를 적용하여도 시멘트 및 증기양생특성을 조절한다면 일반콘크리트와 동등한 수준의 순환골재콘크리트를 생산할 수 있을 것으로 예상된다.
Table 8.
Compressive strength
| Specimen | Compressive strength (MPa) | |
| 1day | 28days | |
| ONB64 | 17.9 | 36.1 |
| MRB50 | 17.8 | 40.1 |
| MRB70 | 18.1 | 34.3 |
| MRR50 | 16.4 | 36.9 |
| MRR70 | 16.9 | 29.1 |
4.2. 콘크리트 블럭
콘크리트 시험결과를 토대로 가장 적합한 것으로 판단된 MRR50 변수의 배합을 적용하여 콘크리트 블럭 시험체를 제작하였으며, Table 7과 같이 하중을 재하한 결과는 다음과 같다.
콘크리트 블럭의 재하시험결과, Fig. 9와 같이 일반콘크리트 및 철근을 적용한 호안블럭(S1-ONS)의 최대하중 및 최대처짐은 각각 약 101kN, 약 6.8mm로 측정되었으며, 순환골재콘크리트와 GFRP 보강근을 적용한 호안블럭(S1-MRG)의 최대하중 및 처짐은 각각 약 144kN, 약 9.9mm로 측정되어 S1-MRG의 하중저항성능은 S1-ONS에 비해 약 43% 증가된 것으로 확인되었다. 두 변수 모두 균열은 Fig. 10과 같이 가력부 기준 높이방향 1/3지점에서 주로 발생하였으며, 균열양상은 동일한 것으로 확인되었다.
콘크리트 시험결과에서와 같이 블록제작시 적용된 콘크리트의 압축강도는 유사한 수준이므로 Fig. 9의 시험체별 기울기와 최대하중차는 보강재의 인장강도 및 탄성계수차에 의한 것으로 판단된다. 또한 Table 9와 같은 유한요소해석결과에서도 최대하중 작용시 콘크리트의 응력분포는 두 시험체가 유사한 특성을 보이며, 3.5MPa 이하의 인장응력분포에서 S1-ONS내 보강재에 형성된 응력이 S1-MRG보다 높은 것으로 확인되어 두 시험체의 거동차는 보강재의 특성에 기인한 것으로 추정된다. 따라서 호안블럭에 GFRP 보강근의 적용시 순환골재가 하중저항특성에 영향을 미치는 일부 요인(골재강도 저하, 골재 맞물림효과 감소 등)에 대한 보완이 가능할 것으로 예상된다.
Table 9.
Stress distribution (S1-ONS, S1-MRG)
| Stress distribution | S1-ONS | S1-MRG |
| Concrete |  |  |
| Rebar |  |  |
| Tensile (3.5 MPa) |  |  |
S2계열 콘크리트 블럭 시험결과, Fig. 11과 같이 S2-ONS의 최대하중 및 최대처짐은 각각 약 302kN, 약 6.5mm로 측정되었으며, S2-MRG의 최대하중 및 처짐은 각각 약 314kN, 약 6.0mm로 측정되어 두 시험체의 하중저항성능은 유사한 것으로 확인되었다. 균열은 Fig. 12와 같이 가력부 반대면(하면)의 중앙에서 발생하여 가력에 따라 상부로 진전되었으며, 균열양상은 두 시험체 모두 동일한 것으로 확인되었다.
S1계열 호안블럭과 달리 S2계열 호안블럭의 재하시험에서는 두 변수가 동일한 하중저항특성을 나타내었으며 이는 호안블럭의 형상에 따른 보강비의 차이에 의한 것으로 판단된다. S1계열 호안블럭의 보강비는 약 0.325%이며, S2계열 호안블럭의 보강비는 약 0.061%이므로 S2계열에서는 GFRP 보강근의 적용에 의한 하중저항효과가 적었던 것으로 추정된다. 또한 Table 10과 같은 유한요소해석결과에서도 최대하중 작용시 콘크리트의 응력분포는 두 시험체가 유사한 특성을 보이며, 3.5MPa이하의 인장응력분포에서도 유사한 특성을 갖는 것으로 확인되어 두 시험체의 파괴특성은 콘크리트에 의해 결정된 것으로 판단된다.
5. 이산화탄소 발생량 분석
콘크리트 블록 제작시 발생되는 CO2를 평가하기 위해 관련 참고문헌13,14,15)을 통해 사용재료별 CO2 배출량을 조사한 결과는 다음 Table 11과 같다. 각 변수별 배출량은 재료의 적용량에 따른 CO2와 증기양생시 발생되는 CO2를 합산하여 산출하였으며, 증기양생시 연료소모량은 3.5kg/hr로 설정하였다.
분석결과, Fig. 13과 같이 S1계열 콘크리트 블럭의 CO2배출량 차는 약 61.8kg-CO2, S2계열은 약 83.9kg-CO2,로 산출되어 준조강 시멘트, 순환골재, GFRP 보강근 적용 및 증기양생 조절시 기존 대비 약 22.9 ~ 42.6%의 CO2 배출량이 감소되었다.
6. 결 론
순환골재 혼입, 준조강시멘트 적용 및 사용량 감소, 증기양생이력을 조절한 콘크리트의 특성을 분석하고, 이에 GFRP 보강근을 적용한 순환골재콘크리트 블록의 하중저항성능을 평가하여 다음과 같은 결론을 도출하였다.
1) 콘크리트 배합시 순환굵은골재 60% 및 순환잔골재 40%를 혼입하고, 준조강시멘트 사용량을 14% 감소시킨 경우 양생온도 및 최고온도 지속시간과 관계없이 탈형강도기준을 만족하는 것으로 확인되었다.
2) 동일한 양의 준조강시멘트를 적용한 경우 순환골재콘크리트는 증기양생이력에 따라 재령 28일 강도기준 최대 약 7MPa이상 차이가 발생하는 것으로 확인되었으며, 증기양생 최대온도 및 지속시간이 적을수록 압축강도가 증가되는 경향을 나타내었다.
3) 순환골재콘크리트에서 준조강시멘트의 사용량을 감소시킬수록 압축강도는 감소하였으나, 증기양생이력의 조절을 통해 일반콘크리트와 동등한 수준의 압축강도가 발현되는 것으로 확인되었으며, 이는 준조강시멘트의 분말도 및 성분과 콘크리트 성숙도에 의한 것으로 판단된다.
4) 호안블럭의 하중재하시험결과, 변수내 최적 순환골재콘크리트와 GFRP 보강근을 적용한 호안블럭은 일반콘크리트를 적용한 호안블럭 대비 동등이상의 하중저항성능을 나타내었으므로 순환골재 적용시에도 바인더 및 양생방법의 조절, 적합한 보강재의 적용을 통해 일반 콘크리트 블록과 동일한 성능을 유도할 수 있을 것으로 판단된다.
5) 각 호안블럭의 제작시 발생되는 이산화탄소량을 분석한 결과, 순환골재콘크리트 적용시에도 바인더 및 양생방법의 조절, GFRP 보강근의 적용을 통해 이산화탄소 배출량을 효과적으로 저감시킬수 있는 것으로 확인되었다.
