1. 개요

많은 연구들이 콘크리트 강성 포장에서 재생물질(recycled materials)의 사용을 시험했었지만, 재생물질이 콘크리트 판(concrete slabs)의 휨 하중 지지력에 미치는 영향을 특별히 분석한 것은 거의 없음. 이 연구는 콘크리트에서 조골재(coarse aggregate)를 부분적으로나 완전히 대체하기 위해서 분별 재생 아스팔트 포장(fractionated reclaimed asphalt pavement, FRAP)과 재생 콘크리트 골재(recycled concrete aggregate, RCA)를 사용하였음. 추가로, 보충적인 시멘트 물질로써 입자화된 고로 슬래그(granulated blast furnace slag)와 플라이 애쉬(fly ash)가 추가되었음. 1과 2 리프트 판이 다섯가지의 배합에서 건설되었는데, 이는 자연 골재(통제군)와 조골재를 여러 비율로 대체한 4가지로 구성되었음:

· 시험군 1 -- 45% 분별 재생 아스팔트 포장;
· 시험군 2 -- 거대 섬유(macrofibers)를 가진 45% 분별 재생 아스팔트 포장;
· 시험군 3 -- 100% 재생 콘크리트 골재; 그리고
· 시험군 4 -- 45% 분별 재생 아스팔트 포장과 55% 재생 콘크리트 골재의 혼합.
 

연구소에서의 시험편 테스트는 자연 골재 콘크리트가 가장 높은 강도(압축, 인장, 그리고 휨)와 탄성률(modulus of elasticity)을 가졌고, 45% 분별 재생 아스팔트 포장과 거대 섬유의 배합이 가장 낮은 경화 특성을 가졌는데 이는 콘크리트에서 상대적으로 높은 공기 함량 때문인 것으로 나타남. 자연 골재 콘크리트에 비하여, 휨 강도에서의 감소는 시험군 1이 26%, 시험군 2가 43%, 시험군 3이 27%, 그리고 시험군 4가 25%로 각각 나타남. 휨 강도 결과에 근거하여, 재생 골재를 가진 콘크리트 판은 자연 골재 콘크리트보다 상당히 더 낮은 휨 하중 지지력을 가진 것으로 예상됨.

전체 16개의 대규모 콘크리트 판(6 피트 x 6 피트 x 6 인치 두께)이 1과 2 리프트 설계 모두에 대해 휨 파괴 테스트를 받았음.재생 골재를 가진 콘크리트 판 모두 자연 골재 콘크리트보다 더 높은 최대 휨 하중(peak flexural loads)을 가졌음. 2차원 유한요소분석(finite element analysis)을 사용하여, 재생 골재 콘크리트의 파괴시 판에서의 최대 인장강도는 자연 골재 콘크리트 판과 비슷하거나 더 높았음. 따라서, 콘크리트 판의 하중 지지력은 보(beam)의 휨 강도 측정에 의해 상당히 과소 예측됨; 보의 휨 강도에 대한 판의 휨 강도 비율은 자연 골재 콘크리트에 대해서는 1.5였고 재생 골재를 가진 콘크리트에 대해서는 1.9 - 2.7이었음. Single edge notched beam geometry를 사용하여 콘크리트 배합의 파괴 시험에 의하면, 임계 응력 강도 비율, 최초 파괴 에너지, 그리고 전체 파괴 에너지는 자연 골재 콘크리트 배합에 비해 재생 골재를 가진 콘크리트에 대해 통계적으로 다르지 않았음(시험군 2는 제외). 전반적으로 이는 판 지지력이 강도 기준보다는 파괴 특성에 의해 더 많이 지배됨을 보여줌.

2. 소개와 문헌 검토

미국 일리노이(Illinois) 주의 유료고속도로국(Toll Highway Authority, Tollway)은 그들의 도로 프로젝트에서 완전히 재생 건설지역을 달성하는 것을 목표로 하고 있음. 그 결과, 재생 물질은 강성 포장도로에서 적용 사례에 대해 연구되고 있음. 특히, 더 높은 비율의 부산물 시멘트 물질(예를 들어, 입자상 고로 슬래그와 플라이 애쉬)이 사용되고 있으며, 자연 조골재를 분별 재생 아스팔트 포장, 재생 콘크리트 골재, 그리고 슬래그 골재로 대체하고 있음. 콘크리트에 부차적인 시멘트 물질, 분별 재생 아스팔트 포장, 재생 콘크리트 골재를 사용하는 것에 대해 많은 실험실 연구가 있음. 그러나 콘크리트 판에서 이러한 부산물과 재생 건설물질을 다룬 연구는 거의 없음.

이 연구의 목적은 콘크리트 판에 더 높은 비율의 분별 재생 아스팔트 포장과 재생 콘크리트 골재, 그리고 더 높은 대체 비율의 슬래그와 플라이 애쉬와 같은 부산물을 사용하는 것의 실현가능성을 평가하는 것임. 전체 16개의 콘크리트 판이 만들어졌고 그들의 최대 휨 하중 지지력을 결정하기 위해 통계적으로 테스트되었음. 전통적인 1 리프트와 2 리프트 콘크리트 판 모두가 만들어졋음. 전체 5개의 콘크리트 배합이 평가되었음: 시험군 1 ？ 4.

3. 2 리프트 콘크리트 판

2 리프트 콘크리트 포장(복합 포장의 한 형태)은 두 개의 콘크리트 층으로 구성되는데, 일반적으로 하층은 상층보다 더 낮은 품질임. 두 층은 웻온웻(wet-on-wet) 기법으로 포장되는데, 콘크리트가 타설되기 전에 상층이 하층 위에 포장됨. 하층은 상층보다 더 두꺼우며, 복합 판의 굽힘 저항 요소로 작용함. 상부 리프트는 일반적으로 표면 특성(예를 들어, 소음, 마찰력, 또는 승차감)의 개선을 위해 고품질의 구성물질로 건설됨.

콘크리트 건설 사례에 대한 많은 평가는 2 리프트 콘크리트 포장이 유럽에서 성공적으로 사용되어 왔음을 보여줌. 2 리프트 콘크리트 포장은 1930년대 이후로 독일에서 사용되어 왔음. 그러나 2 리프트 포장은 미국에서 유래되었고, 첫번째 포장은 1900년대 초에 건설되었음. 2 리프트 사이에 철망(steel mesh)을 넣었던 2 리프트 포장의 변형도 1950년과 1990년 사이에 미국에서 이루어졌음. 미국에서, 실험적인 2 리프트 콘크리트 포장은 1970년대에 아이오와, 플로리다, 그리고 노스다코타에서, 1990년대에는 캔사스와 미시간에서 건설되었음. 2 리프트 검증 프로젝트는 2008년 10월 캔사스에서 있는 주간고속도로 I-70 상에서 건설되었음. 다양한 2 리프트 건설 프로젝트는 Rao et al.(2012)에 의해 요약되어 있는데, 2 리프트 포장의 성능은 수 년간의 서비스(30년까지)와 높은 트럭 교통량(72백만 트럭까지) 후에도 받아들여질 만함.

미시간의 실험적 2 리프트 프로젝트는 디트로이트 도심에 있는 주간고속도로 I-75를 따라 건설되었고 1993년 11월에 교통에 열려졌음. 이는 1992년에 유럽 여행 후 결정된 독일 및 오스트리아 식의 2 리프트 설계에 근거하였음. 1년간의 운영 후에 2 리프트 포장은 표면 파쇄가 거의 없었던 반면, 통제군으로써 일반적인 포장은 패널의 50%에서 하나 또는 두개의 가로방향 균열을 가졌음. 부착 테스트가 두 층 사이에 부착강도(bond strength)를 측정할 의도가 있었지만 코어(cores)가 적절한 압밀(consolidation)을 가진 것으로 나타나서, 부착 테스트 대신 인장 부착 테스트가 하부 리프트과 얇은 콘크리트 기층의 접촉면에 적용되었음. 15년의 서비스 후에, 2 리프트와 통제군 포장도로 모두 낮은 균열 평가와 비슷한 승차감을 가졌음.

전략적 고속도로 연구 프로그램 2(Strategic Highway Research Program 2, SHRP2)의 프로젝트 R21은 2010년에 미네소타 교통부(Minnesota Department of Transportation, MnDOT)의 실험적 포장도로 부분 MnROAD 상에 2 리프트 시험부분을 만들었음. 두 곳의 시험부분이 만들어졌고, 각각은 6 인치 하부 리프트와 3 인치 상부 리프트를 가졌음. 하나의 시험부분은 50%의 재생 콘크리트 골재와 40% 플라이 애쉬를 가진 하부 리프트를 가졌고, 다른 시험부분은 60% 플라이 애쉬와 값싼 조골재를 하부 리프트에 포함하였음. 두 시험부분에서의 상부 리프트는 3/8 인치의 파쇄된 화강함 조골재였음. 1년 후에 어떤 균열도 관측되지 않았고, 직접인장시험(pull-off test) 결과 2 리프트는 양호한 부착을 가지고 있는 것으로 밝혀졌음.

분석을 통하여, SHRP2 프로젝트가 발견한 바에 의하면, 2 리프트 포장도로는 전통적인 콘크리트 포장도로와 똑같은 균열 형태를 가짐. 상층에서 더 높은 품질의 골재는 표면 마모 및 소음의 감소, 향상된 마찰력 및 승차감을 포장도로에 제공할 수 있음.

2 리프트 콘크리트의 한가지 장점은 하부 리프트가 재생 골재와 같은 저품질 또는 값싼 골재로 구성될 수 있다는 것임. 2 리프트 판이 하부 리프트에 재생 골재를 포함한 연구가 일부 출간되었음. 유럽에서 2 리프트 건설에 대해 오스트리아는 재생 콘크리트 골재나 재생 아스팔트 포장이 하부 리프트에 사용되도록 요구하며, 독일은 하부 리프트에 재생 물질의 사용을 허용함.

4. 재생 아스팔트 포장을 가진 콘크리트 포장도로

현장 연구에 의하면, 재생 아스팔트 포장(reclaimed asphalt pavement, RAP)은 콘크리트에 성공적으로 사용될 수 있음. Sommer(1994)는 기존의 도로에서 파쇄된 골재(약 10%의 RAP를 포함)를 사용한 1991년부터 1993년까지 오스트리아의 고속도로의 재건설을 보고하였음. 현재의 오스트리아 건설 시방서는 2 리프트 콘크리트 포장도로에서 RAP를 20%까지 허용함. 실험적 2 리프트 포장도로는 1976년에 아이오와에서 건설되었고, 재생 골재를 가진 7 인치의 하부 리프트와 천연 골재를 가진 4 인치의 콘크리트 상부 리프트로 구성되었음. 하부 리프트는 부피 기준으로 25%의 RAP를 가졌음.

1997년, 캔사스 교통부(Kansas Department of Transportation)는 연결철근이 포함된(doweled) 콘크리트 시험 부분을 많이 건설하였는데, 그 중 하나는 중간 골재 크기를 대체하기 위해 15%의 RAP를 포함하였음. 이러한 테스트 부분은 2009년에 평가되었고, RAP 부분은 85%의 하중전달 효율성(load transfer efficiency)을 가진 것으로 나타남.

프랑스에서, 다양한 RAP 함량을 가진 삼유강화 롤러 압축 콘크리트(fiber-reinforced roller-compacted concrete, FRCC) 시험부분이 2009년에 고속도로 A6에 건설되었음. 9개월에 걸쳐 수집된 데이타는 실험적 포장도로 설계를 만들기 위해 사용되었음. 기층으로써 RAP을 가진 FRCC는 천연 석회암 골재를 가진 FRCC보다 약간 더 두꺼울(1 ？ 2 cm) 필요가 있음. 그러나, FRCC를 가진 전체 포장도로 두께는 FRCC가 없는 일반적인 프랑스의 포장도로보다 더 작음.

5. 재생 콘크리트 골재(RCA)를 가진 콘크리트 포장

콘크리트에서 RCA의 사용은 여러 실험실 연구에서 연구되었지만 콘크리트 포장도로에서 RCA에 특히 중점을 둔 연구는 훨씬 작음. 아래는 RCA를 가진 콘크리트 포장도로에 대해 수행된 현장 연구의 일부분을 요약한 것임:

· Yrjanson(1989)는 1975년부터 1986년까지 RCA를 가진 여러 콘크리트 포장도로의 건설에 대해 보고하였음. 포장층에서의RCA 사용은 1964년까지 거슬러 올라가는데 그때 댈라스(Dallas)에 있는 러브필드(Love Field)에서 시멘트 처리된 기층으로 사용되었음.
· 1986년에서 1987년까지 일리노이 교통부는 100% RCA 조골재와RCA를 포함한(35%까지) 세골재를 포함한 지속 강화 콘크리트 포장도로(continuously reinforced concrete pavement) 인레이를 주간고속도로 I-57 상에 건설하였음. 공사 다음해에 포장도로는 모니터링되었고 어떤 열화도 보고되지 않았으며 5 - 6년의 서비스 후에 어떤 유지관리도 요구되지 않았음. 20년후 포장도로는 재평가되었고, 포장도로는 설계 기준보다 더 우수하게 기능하는 것으로 밝혀졌음. 주요 포장도로 균열은 가로방향 균열이었음.
· 지속 강화 콘크리트 포장도로는 1995년에 텍사스에 건설되었는데 조골재 및 세골재로 100% RCA가 사용되었음. 10년 이상의 서비스 후에도 어떤 심각한 구조적 균열이 없는 것으로 밝혀짐.
· Sturtevant(2007)은RCA를 포함한 다양한 노후 콘크리트 포장도로를 재평가하기 위한 연구를 수행하였음. RCA 포장도로는 완화되지 않은 알칼리-실리카 반응을 경험하고 있지만 일반적인 콘크리트 포장도로만큼 잘 기능하였음.
· Anderson et al.(2009)에 의해 수행된 검토에 의하면, 아이오와, 미시간, 미네소타, 위스콘신, 그리고 와이오밍은RCA를 가진 많은 시험 포장도로를 건설하였고, 15개 주는RCA를 가지고 있는 적어도 하나의 시험 포장도로를 건설하였음.
· 하부 리프트에RCA 를 가진 MnROAD의 2 리프트 콘크리트 포장도로는 양호한 성능을 가진 것으로 평가되었음. 하나의 시험 부분은 50%의RCA를 하부 리프트에 포함하였음. 많은 트럭 교통량을 가진 일년 후, RCA를 가진 포장도로는 적절하게 기능하였음.