1. 서 론
2. 파쇄지수의 종류 및 비교
3. 시험시료 및 시험방법
4. 순환골재의 파쇄성 비교
5. 순환골재의 투수 및 전단강도 비교
5.1 투수시험 결과
5.2 직접전단시험 결과
5. 결 론
1. 서 론
최근 서울을 비롯한 광역시에서 활발하게 진행되고 있는 노후 아파트와 주택 등의 재건축 및 재개발로 폐콘크리트의 발생량이 상당히 증가하고 있다. 이렇게 폐콘크리트를 파쇄한 순환골재는 콘크리트 2차 제품뿐 아니라, 건설공사의 도로보조기층용, 기초다짐용, 채움용, 노반용 등으로 사용되고 있다. 예를 들면, 인천터미널 물류단지 조성공사, 압해 하수종말처리시설공사 및 하수관거정비공사, 경부고속도로 언양-영천 확포장 공사, 청양-홍성 국도 등을 비롯한 각종 도로공사의 노상이나 보조기층에 기존 콘크리트 포장에서 파쇄한 콘크리트를 사용하고 있다. 순환골재 재활용은 “건설폐기물의 재활용촉진에 관한 법률”에 따라 의무사용량을 반영해야 하며, 순환골재 의무사용 용도 및 사용량에 관한 고시(환경부고시 제2014-33호)에 의하면 순환골재는 도로보조기층용과 하수관거의 기초다짐용 또는 채움용으로 사용이 의무화됐으며, 2016년 1월 1일부터 골재 사용량의 40% 이상 사용을 규정하고 있다. 일반적으로 순환골재를 도로 현장에 사용할 때는 단순히 입도, 마모감량, 이물질 함유량 등의 품질 평가를 실시한 다음 현장 노체나 노상 재료로 사용하고 있으며, 현장 다짐 시에 발생할 수 있는 골재의 파쇄로 인한 입도 변화와 이로 인한 투수성이나 물리적 특성의 변화를 고려하거나 검사를 실시하지 않고 있다. 따라서 순환골재를 도로 노상 및 노체에 사용할 경우 로울러 및 각종 중장비 하중에 의해 파쇄가 발생하므로 이로 인한 입도 변화가 순환골재의 공학적 특성에 미치는 영향에 대해서 연구할 필요가 있다. 한편, 순환골재를 콘크리트 골재로 사용하기 위한 연구사례는 다수 있다(Lee et al., 2015; Kim, 2014; Shin et al., 2015; Lee et al., 2016).
본 연구에서는 폐콘크리트를 파쇄 처리한 순환골재를 현장에서 사용할 때 현장 장비의 다짐으로 발생할 수 있는 파쇄를 실내다짐방법으로 재현한 다음 다짐 전과 후의 입도변화를 분석하였다. 2 종류의 다짐에너지에 따른 순환골재의 파쇄 정도를 다양한 파쇄지수로 평가하고 분석하였다. 또한, 파쇄지수가 다르도록 조정한 다양한 크기의 순환골재에 대한 투수시험 및 직접전단시험을 실시하여 파쇄지수가 순환골재의 투수와 전단강도에 미치는 영향에 대해 연구하였다.
2. 파쇄지수의 종류 및 비교
본 연구에서는 여러 종류의 파쇄지수를 이용하여 순환골재의 다짐에너지에 따른 파쇄 정도를 평가하고자 하였다. 파쇄지수는 Fig. 1과 같이 B15(Lee and Farhoomand, 1967), Ccr(Park, 2000), B10(Lade et al., 1996), 그리고 Cc(Datta et al., 1979)와 같이 통과백분율을 기준으로 하는 것이 대부분이며, Br(Hardin, 1985)과 같이 입도분포곡선의 면적을 비교하는 지수도 제안되었다. 각각의 지수는 다음과 같이 정의할 수 있다.
먼저 B15는 Lee and Farhoomand(1967)에 의해 제안되었으며, 입도분포곡선에서 통과백분율이 15%일 때 직경인 D15를 기준으로 파쇄 전과 후의 값을 비교하였다. 즉, 파쇄지수 B15는 식 (1)과 같다.
(1)
여기서 D15(initial)는 초기 값이며, D15(after)는 파쇄후의 값이다. 두 번째로 Ccr은 Park (2000)에 의해 제시되었으며, B15와 유사하게 통과백분율이 10%일 때의 입경인 D10을 이용하여 파쇄지수 Ccr을 식 (2)와 같이 정의하였다.
(2)
한편, Lade et al.(1996)은 통과백분율이 10%일 때의 입경인 D10을 이용하여 파쇄지수 B10을 식 (3)과 같이 정의하였다.
(3)
그리고, Datta et al.(1979)은 Cc를 다음과 같이 정의하였다.
| percentage of particle of the sand after being subjected to stress finer than D10 of the original sand |
percentage of particle of the original sand finer than D10 of the original sand |
(4)
Hardin(1985)은 Fig. 1과 같이 입도분포곡선에서 모래의 하한선인 0.075mm에 해당하는 연직선을 기준으로 파쇄 전 입도분포곡선이 차지하는 면적을 Bp라 하고, 파쇄전과 후의 입도분포곡선이 차지하는 면적을 Bt라 하였다. 그리고, 이들 비를 식 (5)와 같이 Br로 정의하였으며, 파쇄 정도에 따라 0에서 최대 1 사이의 값을 가질 수 있다.
(5)
3. 시험시료 및 시험방법
본 연구에서 사용한 순환골재는 경북 지역에서 발생한 폐콘크리트를 파쇄한 후 발생한 순환골재를 사용하였다. 순환골재는 사용 용도에 따라 건설폐기물의 재활용촉진에 관한 법률 규정에 근거 “순환골재 품질기준”(국토교통부, 2013)에 따라 그 기준을 제시하고 있다. 본 연구에서는 천연골재와 달리 모르타르의 파쇄로 인한 입도변화가 각종 공학적 특성에 미치는 영향을 분석하기 위해 실험목적에 맞도록 입경을 Table 1과 같이 3 종류의 크기 Large(31.5-45.0mm), Medium(19.0-31.5mm), Small(9.5-19.0mm)로 분류하였다. 순환골재의 비중은 2.5로 일반 천연골재 2.7보다 약간 낮은 값을 보였으며, 각각의 크기에 따른 무게는 평균값으로 0.13, 0.06, 0.03N으로 나타났다.
다짐시험에는 이들 3 종류의 골재와 이를 서로 균등하게 혼합한 네 종류의 골재(Large-Medium, Medium-Small, Large-Small, Large-Medium-Small)로 총 7 종류를 사용하였다. 도로공사 시에 골재는 사용 용도에 따라 Table 2와 같이 다짐방법이 다르다(국토해양부, 2011). 본 연구에서는 순환골재가 주로 노체나 노상에 사용되는 점을 고려하여 수정 B 및 D 다짐방법을 사용하였다. 두 다짐방법(KS F 2312)에 사용한 몰드의 안지름은 15cm이고 층당 다짐회수는 55회로 동일하지만, 램머는 2.5kg 및 4.5kg, 다짐층수는 3층 및 5층으로 서로 다르다.
순환골재의 파쇄 정도에 따른 투수계수 및 전단강도와 같은 공학적 특성의 변화를 분석하기 위해서는 실험에 사용하는 공시체의 크기를 고려하여 앞서 사용했던 Large, Medium, Small 시료 보다 작은 10mm 미만의 시료를 사용하였다. 즉, 기존 골재 중에서 5.6-9.5mm 사이 입도를 가진 골재를 바탕으로 이를 파쇄하여 파쇄지수 B15를 기준으로 1, 3, 10, 20, 30, 50, 60, 70까지 약 10씩 증가시키면서 Fig. 2와 같은 입도를 가지도록 조정하였으며, 대표 시료의 모습은 Fig. 3과 같다. 투수시험은 사질토에 적용하는 정수위시험법을 사용하였으며, 입경이 중간 또는 큰 순환골재는 투수성이 너무 높아 실험이 불가능하기 때문에 앞서 설명한 바와 같이 9.5mm 이하의 작은 시료를 대상으로 실시하였다. 투수시험 공시체의 높이는 13.0cm, 직경은 10.0cm이며, 수두차 20.0cm로 1-3분간 측정하였다. 투수시험은 동일한 파쇄지수를 가진 시료에 대해 2번씩 실시하였다. 직접전단시험(KS F 2343)의 경우 공시체 내경이 90mm이므로 최대 입경이 내경의 10% 정도에 해당하도록 입자 규격 9.5mm 이하로 시험용 시료를 준비하였다. 수직응력은 100, 200, 300kPa를 가하였으며, 1mm/min의 일정한 속도로 전단하였다.
4. 순환골재의 파쇄성 비교
현장에서 발생하는 다짐에너지의 차이에 따른 순환골재의 파쇄 정도를 분석하기 위해 순환골재를 수정 B 또는 D 다짐시험 후 입도변화를 비교 분석하였다. 단, 다짐시험 시 함수비는 고려하지 않았다. Table 3에는 각각의 실험 종류에 대해 먼저 골재부터 L, M, S, LM, MS, LS, LMS로 표시하고, 두 번째 문자는 D 다짐은 D로 B 다짐은 B로 표시하였다. 순환골재의 파쇄 전 입도분포곡선은 Figs. 4-6에 Initial로 표시하였으며, 다짐으로 인한 파쇄 이후의 입도분포 곡선도 같이 비교하였다.
한편, 동일한 시료에 대해 2번씩 실험하였으며, 다짐 후의 건조단위중량은 D 다짐 시료의 경우 16.1-17.9kN/m3이고, B 다짐의 경우 13.6-15.6kN/m3으로 나타났다. 입자 크기에 관계없이 D 다짐의 경우에 평균 16% 정도 높은 경향을 보였으며, 이것은 D 다짐 시 파쇄 정도가 높아 시료 내 공극이 적기 때문으로 판단된다. 입도분포곡선을 바탕으로 다양한 파쇄지수를 이용하여 다음과 같이 비교하였다. Table 4는 2장에서 정의된 4종류의 파쇄지수를 서로 비교하고 있다.
Fig. 7은 각각의 골재에 대한 파쇄지수를 비교하고 있다. 모든 지수가 다짐 종류에 관계없이 골재 크기 순서인 L, M, S 순서로 파쇄지수(파쇄성)가 감소하는 경향을 보였으며, 대부분의 경우 S 골재가 가장 낮은 파쇄지수를 보였다. 즉, S 골재에 비해 L 골재의 파쇄지수가 1.4-3.0배 정도 더 높았다. B 다짐보다 D 다짐으로 인한 순환골재의 파쇄성이 파쇄지수에 따라 2.0-8.0배 정도 높았다. B 다짐의 경우에는 Cc를 제외한 대부분의 지수가 골재 종류에 따른 뚜렷한 차이가 없으므로 D 다짐 결과 위주로 분석하였다.
B10 지수는 D 다짐의 경우 대부분 1에 가까운 값을 보이며, 골재 크기에 따른 차이를 비교하기 어려웠다. Br 지수도 골재 크기에 따라 차이가 크지 않았다. Cc 지수의 경우 골재 크기와 다짐 정도에 따른 차이가 가장 뚜렷하였으며, 또한 골재에 따른 B와 D 다짐의 파쇄 경향이 서로 비슷하게 나타났다. 하지만 골재에 따른 Cc 값의 변화 범위 또는 폭이 6-10 사이로 비교적 좁은 편이었다. 반면 B15 지수는 값의 범위가 넓고 골재에 따른 상대적인 차이를 표현하기 쉬워 B15를 기준으로 순환골재의 파쇄 정도를 결정하고, 파쇄지수가 순환골재의 공학적인 특성에 미치는 영향을 분석하였다.
5. 순환골재의 투수 및 전단강도 비교
파쇄지수 B15가 다른 총 8 종류의 시료를 대상으로 투수시험과 직접전단시험을 실시하였다. 투수시험 및 직접전단시험의 경우 평균 단위중량은 12.4kN/m3 정도로 다짐시험 시료보다는 2-4kN/m3 정도 낮은 편이다. 이는 다짐을 실시하지 않아 상대적으로 느슨한 상태일 뿐 아니라, 10mm 이하의 작은 순환골재는 20-40mm 사이의 큰 순환골재보다 모르타르 성분이 많이 포함되어 상대적으로 가볍기 때문이다(Park et al., 2016).
5.1 투수시험 결과
파쇄지수(B15) 1인 초기 시료의 평균 투수계수는 26.7 E-2cm/sec이며, 파쇄지수가 3에서 증가함에 따라 투수계수는 24.5, 20.9, 8.4, 3.8, 1.19, 0.51, 0.47E-2cm/sec로 Fig. 8과 같이 점점 감소하는 경향을 보였다. 파쇄지수가 30 또는 50 정도일 경우 투수계수는 1/7 또는 1/22 정도로 감소하였다. 파쇄로 인해 세립분이 조금만 증가하더라도 투수계수가 크게 감소하는 것을 알 수 있었다.
한편, 식 (6)과 같은 Hazen(1930)의 경험식을 사용하여 계산한 투수계수(Table 5)는 실험결과를 다소 과대평가하다가 파쇄지수가 증가함에 따라 비슷한 값을 보였다. 예를 들면, 식 (6)은 파쇄지수가 3일 때 49E-2cm/sec, 30일 경우 1.44E-2cm/sec이고, 50일 때는 0.90E-2cm/sec이다.
(6)
여기서 D10은 유효입경(mm)이며, c는 상수로 일반적으로 1을 사용한다.
5.2 직접전단시험 결과
순환골재는 토공사 및 도로공사 혼합골재로 사용량이 증가하는 추세이며, 구조물 뒷채움용, 관로 되메우기 등으로 사용하며 모래 대체용 재료로 사용하기도 한다. 본 연구에서는 일반적으로 옹벽 및 교량의 교대 구조물 뒷채움용 및 토공 쌓기 공사의 안정성 검토시 제시된 값이나 경험치에 의한 내부마찰각을 많이 사용하므로, 시험을 통한 순환골재의 파쇄 정도에 따른 전단특성을 평가하기 위해 직접전단시험을 실시하였다.
순환골재의 직접전단시험 결과 중 대표적인 전단응력-수평변위 곡선은 Fig. 9와 같다. 파쇄지수가 증가할수록 응력-변형률 곡선은 매끄럽고 완만하였으며, 입자 규격이 클수록 전단 시 입자가 서로 타고 넘는 현상으로 응력의 요철이 발생하였다. 순환골재의 직접전단시험 결과 파쇄지수에 따른 최대 마찰각을 Fig. 10에 비교하였으며, 파쇄지수가 1일 때 46.1°인 마찰각이 파쇄지수 3에서 50까지 증가함에 따라 마찰각은 47.2, 49.3, 50.0, 51.2, 54.5°로 점점 증가하는 경향을 보였다. 하지만 파쇄지수가 60, 70로 더욱 증가할 경우 마찰각은 50.5, 46.7°로 감소하는 경향을 보였다. 한편, 수평 변형으로 인한 전단면적의 변화를 고려하여 마찰각을 계산하였다. Kim (2017)에 따르면 입자크기가 증가할수록 마찰각이 증가하는 경향을 보였다. 이러한 결과는 입자가 클수록 입자끼리 서로 타고 넘으면서 내부 마찰각이 증가한 것으로 판단된다. 또한, 파쇄지수가 상당히 높을 경우(예를 들면, B15=70)에는 가는 입자(예를 들면, 0.425mm 이하)들이 많아지면서 상대적으로 큰 입자들 사이에서 볼 베어링과 같은 미끄러지는 역할을 하면서 오히려 입자끼리의 마찰력이 감소한 것으로 판단된다.
5. 결 론
본 연구에서는 폐콘크리트를 파쇄 처리하여 생산된 순환골재의 크기를 세 종류(31.5-45.0mm, 19.0-31.5mm, 9.5-19.0mm)로 나눈 다음, 다짐 에너지와 골재 크기에 따른 파쇄 정도를 분석하였다. 또한 5.6-9.5mm 사이 골재를 파쇄지수 B15 기준으로 1-70까지 조정한 시료에 대해 투수시험 및 직접전단시험을 수행하여 파쇄지수가 순환골재의 공학적 특성에 미치는 영향을 연구하였으며, 주요 연구 결과는 다음과 같다.
(1)다짐으로 인한 순환골재의 파쇄성을 B15, Cc, B10, Br과 같은 4종류의 파쇄지수로 비교하였다. 다짐 에너지와 지수에 관계없이 골재 크기가 클수록 파쇄성이 높았으며, 가장 작은 S 골재에 비해 큰 L 골재의 파쇄지수가 상대적으로 1.4-3.0배 정도 더 높았다. B 다짐보다 D 다짐으로 인한 순환골재의 파쇄성이 파쇄지수에 따라 2.0-8.0배 정도 더 높았다.
(2)파쇄지수 Cc의 경우 골재 크기와 다짐 정도에 따른 차이가 가장 뚜렷하였으며, 또한 골재에 따른 B와 D 다짐의 파쇄 경향이 서로 비슷하게 나타났다. 파쇄지수 B15는 값의 범위가 넓고 골재 종류에 따른 파쇄성의 상대적인 차이를 표현하기 쉬웠다. 하지만, 파쇄지수 B10과 Br은 골재 종류에 따른 파쇄성의 차이가 뚜렷하지 않았다.
(3)5.6-9.5mm 사이 순환골재의 투수계수는 파쇄지수 B15가 1인 경우보다 50일 경우 1/22 정도로 감소하였으며, 파쇄로 인해 세립분이 증가할수록 투수계수는 계속 감소하는 경향을 보였다. 한편, Kozen의 경험식은 순환골재의 투수계수를 다소 과대평가하다가 파쇄지수가 증가함에 따라 비슷한 경향을 보였다.
(4)5.6-9.5mm 사이 순환골재의 최대 마찰각은 파쇄지수 B15가 1에서 50까지 증가함에 따라 46.1°에서 54.5°까지 증가하다가 60 이후는 다시 감소하는 경향을 보였다. 파쇄지수가 증가함에 따라 0.425mm 이하 골재도 증가(30% 이상)하면서 입자끼리의 마찰이 감소하여 이러한 경향이 나타난 것으로 판단된다.
