1. 개요

이 연구의 주요 목적은 재생 콘크리트 골재(recycled concrete aggregate, RCA)를 포함하고 있는 콘크리트의 장기 내구성을 가속화된 연구실 테스트를 통해 연구하는 것임. 특히 관심있는 부분은 활발한 알칼리-실리카 반응(alkali-silica reaction, ASR) ？ 확장하는 반응(expansive reaction)으로 균열이나 콘크리트 구조물의 서비스 수명을 줄일 수 있음 - 을 가지고 있을 수 있는 재생 콘크리트 골재를 포함하고 있는 새로운 콘크리트에서 알칼리-실리카 반응의 가능성임. 이러한 우려에 대해 최근의 연방 고속도로청(Federal Highway Administration, FHA) 연구에서 주요 연구분야로써 여러 주에 의해 파악되었음.

미국에서 골재로써 현재 재생 콘크리트를 사용하는 것은 포장의 기층(base) 이나 보조기층(subbase) 물질 및 비구조적 채움재로 사용하는 것으로 압도적으로 제한되어 있음. 자연적인 골재원의 가용성이 줄어들고 공공의 수요 및 정부의 시책이 지속가능한 건설 사례의 사용을 강조함에 따라, 대체 골재원에 대한 필요성은 계속될 것임. 가장 논리적이고 환경친화적인 사례는 서비스에서 떼어낸 콘크리트를 신규 건설에 대한 골재원으로 재생하는 것임. 이는 아스팔트, 알루미늄, 철, 그리고 유리 산업에서 일반적인 사례임. 폭넓은 사용의 부족은 주로 재생 콘크리트 골재가 얼마나 효과적으로, 효율적으로 사용될 수 있는냐를 보여주는 과학적 증거의 부족 때문임. 특히, 재생 콘크리트 골재는 차선의 물질이고 그 장기 성능은 보장될 수 없다는 낙인이 찍혀있음. 설계자들, 시방서 제작자들 그리고 계약자들이 일관적이고 신뢰성있게 재생 콘크리트 골재를 사용하도록 하기 위해 연방정부 차원에서의 통일적인 안내서가 가용하지 않음.

이 프로젝트의 1단계는 다음의 목적을 가지고 있음:

·잠재적으로 유해한 알칼리-실리카 반응에 대해 재생 콘크리트 골재원을 어떻게 평가할지에 대한 안내서를 개발
·재생 콘크리트 골재를 포함하고 있는 콘크리트에서 알칼리-실리카 반응의 예측을 제공할 가속화된 연구실 테스트 방법을 파악
·재생 콘크리트 골재를 포함하는 배합 (여기서, 알칼리-실리카 반응이 잠재적으로 장기 성능을 제한할 수 있음) 의 내구성을 확실히 할 성능 테스트를 통해서 잠재적 완화 전략을 파악
·재생 콘크리트 골재를 도로 포장과 구조적 콘크리트 배합에 허용하는 것에 필수적인 벤치마크(benchmark) 데이타 생성
·출간된 보고서와 문서, 핵심적인 국가 회의에서 발표를 통하여 연구의 결과를 확산
·이 분야에서 기존의 문헌과 현재 지식을 확대하고 재생 콘크리트 골재를 포함하고 있는 콘크리트의 장기 내구성 관련 오레곤(Oregon)주와 와이오밍(Wyoming)주에 새로운 전문지식을 도입
 

캐나다 퀘벡주의 퀘벡시에 위치한 레이발 대학(Universite Laval, Quebec City, Quebec, Canada)과 캐나다 온타리오주의 토론토시에 위치한 라이어슨 대학(Ryerson University in Toronto, ON, Canada)에 있는 연구진과 협력의 결과로, 프로젝트의 범위와 1단계에 대한 목적이 수정되었음. 1단계의 모든 목적은 여전히 충족될 것임. 그러나, 프로젝트의 두단계 사이에서 연구의 우선순위를 약간 옮길 필요가 있었음. 짧게 말해서, 가속화된 테스트 방법에 대한 더 많은 검증이 1단계에서 수행되었음. 따라서 다섯번째 목표인 교통부 설문조사와 데이타베이스 수집은 1단계 마지막까지 시작되지 않았음. 이 설문조사의 완벽한 결과는 2단계 보고서에 포함될 것임.

전반적으로, 연구진이 발견한 바에 의하면 ASTM C 1260 테스트 방법으로부터의 결과는 이 프로젝트에서 재생 콘크리트 골재원 연구에 대해 재현될 수 있었음. 연구팀은 ASTM C 1260 시험편에 포함된 재생 콘크리트 골재가 현장에서 유해한 알칼리-실리카 반응을 벌써 겪었다 할지라도 특정 재생 콘크리트 골재원으로 인한 확장에 대한 잠재력이 여전히 존재한다는 것을 발견하였음. ASTM C 1260 테스트를 위해 재생 콘크리트 골재를 적절한 크기로 부수기 위해 사용된 절차도 반응의 정도에 영향을 미칠 수 있음. 여러 연구실 테스트에서의 변동성은 자연상태의 반응적인 골재 테스트에 대한 변동성보다 더 컸음. 네 곳의 연구소는 정확도나 편차에 대한 요약을 말하기에 최소한의 연구소 수를 만족하지 않는 반면, 하나의 그룹에 대한 공분산(covariance, COV)은 13.6%에서 94.1% 사이임. 후자 (94.1%) 는 여러 연구소의 공분산인 43%보다 상당히 높았음.

이 연구 프로젝트의 일부로써 수행된 테스트는 또한 다음의 결과를 발견하였음:

·표준적인 골재 테스트와 특성 기준에 대한 보정이 재생 콘크리트 골재에 필수적임.
·흡수용량(absorption capacity) 테스트는 골재 전체 흡수량의 95%를 흡수하기 위해서 적어도 24시간 담굼 기간을 요구했음.
·ASTM C 305에 대한 보정은 재생 콘크리트 골재를 포함하는 배합 모르타르에 대해 요구되었음. 예를 들어, 건조 골재와 적절한 배합에 의해 적절한 흡수량을 확실히 하기 위해 모든 골재에 대해 30분의 담굼 기간을 가짐.
·이 연구 프로젝트에서 테스트에 근거하여, ASTM C 1260에서 정확도와 편차 명세는 재생 콘크리트 골재에 적용되지 않음. 적어도 여섯 곳의 연구소에서 똑같은 물질을 테스트함으로써 적절한 정확도 및 편차 명세서를 작성할 수 있을 것임.
 

2. 소개 및 문헌 검토

미국 교통부(U.S. Department of Transportation)는 2006-2011 재정년도에 대한 목표가 에너지 보존, 오염 방지, 그리고 재생 제품을 사용함으로써 지역사회의 혜택에 대해 교통부가 소유하거나 통제하는 시설들을 개선하는 것을 포함함. 환경적으로 지속가능한 작업 사례에 대한 필요성이 증가함에 따라, 건설 산업계는 공사와 파쇄 절차 모두에서 폐기물을 줄이거나 재활용하는 방법을 찾고 있음. 빌딩 파쇄 폐기물의 가장 큰 요소들 중 하나는 콘크리트임. 연방 고속도로청의 설문조사에 의하면, 41개 주는 현재 건설에서 재생 콘크리트를 사용하고 있으나, 이러한 주들의 대부분이 그 사용을 기층 또는 보조기층에의 적용으로 제한하고 있음. 이는 긍정적인 추세인 반면, 재생 콘크리트 골재의 사용은 미국 교통부가 그 환경 목표를 달성하는데 큰 잠재력을 가지고 있음.

이전의 연구는 신규 콘크리트에서 재생 콘크리트 골재의 사용과 이 골재가 휨 성능(flexural performance) 기준과 압축강도(compressive strength) 기준에 부합하는 능력을 조명했음. 그러나, 재생 콘크리트 골재를 포함한 콘크리트의 내구성과 수명은 여전히 주요한 걱정꺼리임. 특히, 내구성은 새로운 사용을 위해 파쇄되고 있는 재생 콘크리트의 상태에 의해 영향을 받음. 그 콘크리트가 서비스 수명 동안 열화되었다면 유해한 효과가 새로운 콘크리트로 전이될 수 있음. 이러한 효과는 재생 콘크리트 골재가 하나 이상의 출처에서 재활용된다면 모니터링하고 완화하기에 어렵게 됨.

알칼리-실리카 반응은 재생 콘크리트 골재를 포함하고 있는 콘크리트의 장기 성능을 제한할 수 있는 여러 기존의 열화 매커니즘 중 하나임. 알칼리-실리카 반응이 콘크리트의 내구성을 제한할 수 있는 반면, 자연 골재가 초기에 반응적이라고 파악된다면 완화될 수도 있음. 그러나, 현장에서 알칼리-실리카 반응을 보였던 재생 콘크리트를 추가하는 것은 더 높은 비율의 완화제(mitigating agents)를 요구함. 이 이슈는 재생 콘크리트 골재의 잠재적 현장 반응성을 신속하고 효율적으로 결정할 표준적인 테스트에 대한 필요성을 강조함. 현재, 그와 같은 테스트는 존재하지 않음.

자연적인 골재의 알칼리-실리카 반응에 대해 가장 많이 사용되는 가속화된 테스트 방법은 ASTM C 1260 가속화된 모르타르 바 테스트임. 또다른 가용한 테스트로는 ASTM C 1293이 있으나, 이는 일년에 걸친 테스트 기간 때문에 이 연구에 대해서는 선택사항이 아님. 다른 옵션은 더 빠른 테스트 기간을 제공하지만, 이는 종종 정확성을 떨어뜨림. 평균적으로 골재는 차가운 상태보다는 따뜻한 상태에서 더 빨리 확대함. 이러한 가속화된 테스트는 테스트를 위해 극한적인 온도를 필요로 하고 결과는 더 빨리 얻어짐. 그것이 잘못된 결과를 만들어낼 수 있지만, ASTM C 1260은 일반적으로 골재에 대해 좋은 스크리닝 테스트(screening test)로 받아들여짐.

반응성의 정확한 예측을 위해 가장 좋은 접근방법은 여러 보완 테스트(complimentary tests)를 사용하는 것임. 그러니, 개별 테스트가 반대 결과를 만들어 낼 때, 잘못된 결과 또는 가장 보수적인 결과를 가진 테스트가 고려되어야 하며, 더 신뢰성있고 장기적인 ASTM C 1293 테스트 결과가 우선시되어야 함.

재생 콘크리트 골재를 사용하는 또다른 걱정은, 파쇄 활동 중 처리수준이 골재의 반응성에 영향을 줄 수 있다는 것임. 추가적인 파쇄 과정은 재생 콘크리트 골재의 원래 조골재에 균열의 양을 늘릴 수 있음.

알칼리-실리카 반응에 대한 많은 완화 전략들이 건설 산업계에서 가용함. 일반적으로, 이러한 완화 물질들의 필요한 양은 완화되는 골재의 구성과 반응성에 의존함. ASTM C 1260은 포함된 파쇄양 때문에 재생 콘크리트 골재를 테스트하는데 적절하지 않다는 논쟁이 있음. 그러나, 자연 골재에 대한 완화제의 필요한 비율을 결정하기 위해 ASTM C 1260을 사용하는 것은 가능함. 일반적인 완화 조치들로는 C나 F 등급의 플라이애쉬(fly ash), 실리카 흄(silica fume), 질산리튬(lithium nitrate), 고로재(blast furnace slag), 그리고/또는 저 알칼리 시멘트(low alkali cement)가 포함됨. 이 연구의 주요 목적은 재생 콘크리트 골재를 새로운 콘크리트에 포함시키는 것의 장기 영향을 평가하는 신속하고 정확한 방법을 찾는 것임. 연구의 목적은 주로 현장 상태에서 알칼리-실리카 반응을 보였던 재생 콘크리트 골재에 맞춰져있음. 이 보고서에서 제시된 연구는 재생 콘크리트에서 알칼리-실리카 반응을 탐지하기 위한 현재의 가속화된 테스트 방법의 정확성을 평가하는데 중점을 두고 있음. 2단계는 재생 콘크리트 골재의 알칼리-실리카 반응에 대한 다양한 완화 전략에 중점을 둘 것임.

3. 1단계 목적

이 단계는 ASTM C 1260이 다양한 수준의 재생 콘크리트 골재를 포함한 모르타르의 반응성을 적절하게 결정할 수 있는지에 중점을 두었음. ASTM C 1260에 대한 골재 크기 기준은 광범위한 파쇄를 포함하고 재생 콘크리트 골재의 일부를 제거할 수 있기 때문에, 재생 콘크리트 골재에 대한 여러 단계의 파쇄가 시험되었음. 추가로, ASTM C 1260에 대한 원래 절차적 단계는 보통 골재보다 재생 콘크리트 골재에서 더 높은 흡수율때문에 보정되었음.

연방 고속도로청에 의해 수행된 주 설문조사는, 재생 콘크리트 골재가 새롭게 사용될 때 품질 제어 및 보증을 증가시킬 필요가 있음을 보여주었음. 따라서 전반적인 결과의 통계적 신뢰성을 확대하기 위해 두 곳의 추가적인 연구진 (레이발 대학과 라이어슨 대학) 을 포함시키는 것이 유리하였음.

이 연구에서 사용된 재생 콘크리트 골재는 오타와(Ottawa) 지역에서의 커다란 콘크리트 덩어리(blocks) 시험편에서 왔음. 이 덩어리는 현장에서 알칼리-실리카 반응으로 인한 확장을 나타냈음. 덩어리는 파쇄되었고 표본은 네 곳의 참여 대학에 보내졌음. 재생 콘크리트 골재의 네가지 형태가 검토되었음: 버니어(Bernier), 포츠담(Potsdam), 앨버타(Alberta) 그리고 스프링힐(Springhill). 버니어, 스프링힐, 그리고 포츠담은 퇴적 지질환경에서 왔고 다양한 형태의 반응성 암석 형태를 포함하였음. 자연의 버니어 골재는 실리카질/점토질 석회석(siliceous/argillaceous limestone)이고, 자연의 스프링힐 골재는 경사암(greywacke)과 점토암(argillite)의 혼합이고, 자연의 포츠담 골재는 실리카 사암(siliceous sandstone)임. 자연의 앨버타 골재는 사암, 석회암, 규암(quartzite), 그리고 미세 화산암으로 구성된 자연 자갈임.