1. 소개

- 콘크리트는 자갈 또는 쇄석(굵은골재), 모래(잔골재) 및 수화시멘트(바인더)로 구성된 복합자재임.

- 콘크리트는 지난 1세기 동안 모든 건설공사에 사용되어 왔음.
- 현재까지 콘크리트 기술 분야에서 기능, 강도, 경제성 및 내구요건을 만족시키면서 지속적인

건설업계의 수요와 함께 다양한 신규 자재들이 개발되었음.

- 콘크리트 생산에 쓰이는 모래(잔골재)의 전 세계적인 소비가 매우 증가된 상태이며, 일부 개발도상

   국가들은 최근 수년동안 인프라 개발의 필요성 증대로 자연산 모래의 공급에 제동이 걸렸음.

- 강모래(river sand)의 수요와 공급부족 문제를 극복하기 위해 건설분야의 연구진과 종사자들은 몇

   가지 대안을 모색하였음.

- 세계의 철 및 비철금속 주조산업계는 수백만톤의 부산물을 쏟아내고 있음.

- 폐주물사(WFS - Waste Foundry Sand)는 금속 주조업계의 주요 부산물이며 여러해 동안 토지

매립재로 성공적으로 사용되었음.

- 그러나 토지 매립재로 사용되는 폐주물사는 처리비용의 급속한 증가로 문제가 되고 있음.
- 폐주물사(WFS)를 사용하기 위한 노력의 일환으로, 콘크리트 제조에 쓰이는 잔골재를 부분적으로

   대체하는데 폐주물사를 대규모로 사용하는 것이 가능하도록 하는 연구가 수행되어 왔음.
- 주조산업은 주조과정에 많은 양의 부산물을 배출함.

- 철금속 주조에는 주철과 강철이 있으며 비철금속에는 알미늄, 구리, 황동 및 청동이 있음.
- 주조용 몰드가 일반적으로 주조용 모래로 되어 있기 때문에 전체 부산물의 70% 이상이 모래로 되어

   있음. 주조용 모래는 쉽게 구할 수 있으며, 값이 싸고 열손상에 견디는 성질과 몰드내의 바인더와

   기타 유기물질의 접착이 용이한 특성을 가지고 있음.

- 주조업계는 몰드제작과 주조과정에 많은 양의 특정 크기의 실리카계 모래를 사용함.
- 이 폐주물사는 색깔이 검고 많은 양의 미립자(fines)들을 함유함.
- 폐주물사의 일반적인 물리적, 화학적 특성은 투입되는 금속의 유형, 주조과정, 사용 기술, 용광로의

  (인덕션, 전기 아크 및 용선로)과 마감공정의 유형(그라인딩, 블라스트 클리닝 및 코팅)에 따라 달라짐.
 

2. 관련 문헌

- 'Rafat Siddique et al. (2008)'에서는 잔골재(regular sand)가 부분적으로 기사용 주조사(UFS -

   usedfoundry sand)로 대체된 콘크리트의 기계적 특성을 평가하기 위해 수행된 실험조사

   결과를 제시했음.
- 잔골재는 잔골재 중량의 10%, 20% 및 30%의 비율로 기사용 주조사로 대체되었음.

- 시험은 생콘크리트 상태로 수행되었음.

- 압축강도, 쪼갬인장강도, 휨강도 및 탄성계수 등의 성능이 재령 28, 56, 91 및 365일 상태에서

   확인되었음.

- 시험결과는 기사용 주조사(UFS)로 잔골재(모래)를 일부 대체한 양에 따라 약간씩 강도가 증가되었고

   좋은 품질의 콘크리트와 건설자재를 만드는데 효과적으로 사용될 수 있는 것으로 나타났음.

- 'Gurpreet Singh and Rafat Siddique (2011)'에서는 자연사(natural sand)가 일부 폐주물사(WFS)로

    대체된 콘크리트의 강도 및 내구성을 평가하기 위하여 실험조사를 수행하였음.

- 자연사가 자연사 중량의 5가지 비율(0%, 5%, 10%, 15% 및 20%)의 폐주물사로 각각 대체되었음.

- 압축강도 시험과 쪼갬인장강도 시험이 재령 7, 28 및 91일 상태에서의 콘크리트 강도특성을 평가하기

   위해 수행되었음.

- 시험결과는 잔골재를 부분적으로 대체한 만큼 폐주물사 함유량에 따라 일반 콘크리트 강도특성과

   비교하여 미미한 강도증가를 나타내었음.

- 'H. Merve Basar and Nuran Deveci Aksoy (2012)'에서는 레미콘 생산시 폐주물사의 재사용

   잠재력을 연구했음.

- 정상적인 모래가 그 중량에 대한 5가지 비율(0%, 10%, 20%, 30%, 40%)의 폐주물사로 대체되었으며,

  고형화/안정화(Solidification/Stabilization,S/S) 프로세스가 모든 콘크리트에 적용되었음.

- 폐주물사를 사용한 레미콘(WFS-based-RMC)에 대한 3가지 측면의 적합요건(즉, 기계적 특성, 침출

   특성 및 미세구조적 특성(micro-structural properties)을 조사하였음.

- 경화된 제품의 기계적, 물리적 성능에 대한 다양한 시험이 수행되었으며, 시험결과 모래를

   폐주물사로 대체한 양 만큼 강도와 밀도는 줄었고 콘크리트의 흡수율도 증가되었음.
- 그럼에도 불구하고, 20%의 폐주물사를 함유한 콘크리트는 대조표준(the control one)과 거의 유사한

   결과를 나타내었음.
- 본 연구 결과, 폐주물사는 부정적인 기계적, 환경적 및 미세구조적 영향 없이 잔골재를 부분적으로

   대체하는 좋은 품질의 레미콘을 만드는데 효과적으로 이용될 수 있다는 것이 밝혀졌음 ; 그러나

   부분적으로 대체하는 폐주물사의 양은 잔골재 양의 20%를 초과해서는 안됨.

- ‘Rafat Siddique and El-Hadj Kadri (2011)’에서는 지표면 가까이의 콘크리트 특성에 관한 주물사(foundry

   sand)와 메타카올린(metakaolin-혼화재의 일종)의 영향을 다루었음.

- 시멘트 함유량 450kg/m3 및 물시멘트비(w/c) 0.45를 갖는 대조표준 콘크리트(A control concrete)가

   제작되었음.

- 시멘트 중량의 3가지 비율(5%, 10% 및 15%)이 메타카올린으로 대체되었고 잔골재 중량의 20%가

   주물사로 대체되었음.

- 시험은 재령 35, 56 및 84일에서 초기표면 흡수율(initial surface absorption), 흡수성(sorptivity), 흡수율

   (water absorption) 및 압축강도에 대해 행해졌음.
 

3. 실험조사

3.1 재료(Materials)

 
<시멘트>
 
- 그레이드 53(IS 12269-1987) 보통포틀랜드 시멘트(Ultra tech cement)가 사용되었음.

- 'IS 4031(part II)-1988'에 따른 물리적 성분과 IS 12269에 따른 화학적 성분이 실험실(lucid laboratories,

   Hyderabad)에서 시험되었음.

<골재>
 
- 골재의 규격, 모양 및 입도(gradation)는 적합한 콘크리트를 얻는데 중요한 역할을 함.
- 표피가 약하거나 길쭉한 모양의 입자는 제한된 영역(confined zones) 내에서 공극을 일으키는

  문제를 낳을 것임.

- 골재의 규격은 철근의 간격에 따라 달라질 것임.

- 종래의 콘크리트에 적합한 최대 규격보다 작고 입도가 좋으며 대체로 모난 형태였음 ; 일반적인 기존

   콘크리트의 최대 골재규격은 20mm이어야 함.

- 입도는 굵은 골재의 선택에 중요한 요인임.

- 갭 그레이드의 굵은 골재(Gap-graded coarse aggregate - 골재입도의 분포가 불연속적인 분포를

   하고 있는 골재)는 입도가 좋은 굵은 골재보다 골재분리를 촉진함.

<잔골재>
 
- 지역에서 채취한 강사(river sand)가 본 실험조사의 잔골재로 사용되었음.

- 모래에는 진흙성분, 소금 및 유기불순물이 없었음.
- 모래는 IS 2386-1963에 따라 비중, 밀도 등의 다양한 특성이 시험되었음.

<굵은골재>

- 지역에서 체취되는 화강암 재질의 20mm 쇄석이 굵은 골재로 사용되었음.
- 그 골재에는 먼지, 점토분 및 유기물과 같은 불순물이 없었음.

- 굵은 골재의 물리적 성분은 IS 2386-1963에 따라서 조사되었음.

<폐주물사>
 
- 폐주물사는 Hinduja Casting Uppal Hyderabad 지역에서 조달되었음.
- 폐주물사는 잔골재(natural river sand-자연강사)의 부분적인 대체재로 사용되었음
- 주물용으로 쓰인 금속은 회철(gray iron)임.

- 모래는 IS 2386-1963에 따라 비중, 밀도 등의 다양한 특성이 시험되었음.

- 잔골재는 표준시방에 일치하고 있었음.
 

<물>
 
- 콘크리트 또는 철근에 해로울 수 있는 유해한 오일, 산, 알칼리, 소금, 설탕, 유기물 또는 기타

  물질이 없으며 식용으로 사용할 수 있고 지역에서 채취가능한 물이 콘크리트 배합용 및 양생용으로

  사용되었음.

<콘크리트 고성능 감수제(Super Plasticizer)>
 
- IS-9103-1979에 일치하는 Fosroc사에서 생산된 Conplast SP 430 유동화제가 요구되는 시공연도를

  얻기 위해 감수제로 사용되었음.
 

3.2 배합(Mixes)

- 본 실험은 잔골재(강사)가 폐주물사로 완전히 대체된 M30급의 콘크리트 배합에 대한 강도특성

  등을 조사하기 위해 수행됨.

- 잔골재는 잔골재 중량의 6가지 비율(10%, 20%, 30%, 40%, 50%, 60%, 70%, 80%, 90%, 100%)로 대체됨.
 

3.3 배합, 타설, 양생 및 시험(Mixing, Casting, Curing and Testing)

- 모두 3가지 종류의 배합이 팬믹서기(pan mixer)에서 혼합되었음.

- 다양한 조합에 대한 공시체들이 타설되었음.

- 재령 7, 28 및 56일에 이르기까지 양생이 계속되었음.
- 배합, 타설, 양생 및 시험이 표준시방에 따라서 수행되었음.

4. 시험결과 및 의견

- 일반콘크리트의 강도에 폐주물사가 미치는 영향을 조사하기 위해 본 연구가 이루어졌음.
- 일반콘크리트에 폐주물사로 잔골재를 여러 가지 비율로 대체했을 때의 압축강도, 쪼갬인장강도

   및 휨강도 등에 대한 영향이 연구되었음.

4.1 시공연도(Workability)
 
- 감수제의 사용량은 시멘트(binder) 중량의 0.5%로 실험 프로그램 중 내내 유지되었음.
- 콘크리트 내에 폐주물사의 비율이 증가되면 시공연도는 감소되었음.

- 이것은 혼합이 되었을 때 높은 응집력을 제공하는 잔골재 보다 더 미세한 폐주물사의 공극을

  채워주는 작용 때문일 것임.

- 콘크리트 내에 폐주물사의 함유량이 증가하면 거칠고, 끈적거리며 뻣뻣해지는 경향이 있음.
·
 
4.2 압축강도(Compressive Strength)
 
- 큐브 시험편은 압축강도 시험이 이루어졌고 종국압축강도는 압축강도 시험기로 측정할 수 없었음.

- 재령 7일, 28일 및 56일에 각 부문별 3가지 시편에 대한 압축강도 평균값은 표 1에 정리하였음.
- 일반콘크리트에 다양한 콘크리트 혼합물을 가했을 때의 강도증진 결과도 표 1에 정리되어 있음.

- 폐주물사의 대체비율을 90%까지 증가시킬 경우에는 압축강도가 상당히 증가됨.
- 그러나 폐주물사로 잔골재를 100% 대체시키면 콘크리트 강도가 약간 감소함.
- 양생기간이 증가하면 압축강도도 증가하는 것이 관찰됨.

- 폐주물사의 대체비율이 50%가 도달되었을 때 최대 압축강도가 발현되었음.
 

4.3 쪼갬인장강도(Split Tensile Strength)

- 실린더 시편에 대한 쪼갬인장강도 시험이 이루어졌음.
- 시험은 IS 5816-1970에 따라 수행되었음.
- 이 시험에서 압축하중은 시편의 쪼갬을 일으키는 수직의 대칭평면을 따라 하중이 가해졌음.
- 재령 28일 및 56일에 각 부문별 3개의 시편에 대한 평균값은 표 2에 정리됨.
- 일반콘크리트에 다양한 콘크리트 혼합물을 가했을 때의 쪼갬인장강도 증진 결과도 표 2에 정리됨.

- 폐주물사의 대체비율을 70%까지 증가시킬 경우에는 쪼갬인장강도가 상당히 증가됨.
- 그러나 폐주물사로 잔골재를 80~100% 대체시키면 콘크리트 강도가 약간 감소하였음.
- 양생기간이 증가하면 쪼갬인장강도도 증가하는 것이 관찰됨.

- 폐주물사의 대체비율이 40%가 도달되었을 때 최대 강도가 발현되었음.
 

4.5 휨강도(Flexural Strength)
 
- 휨강도 측정을 위해 프리즘 시편에 대한 시험이 이루어졌음.

- 그 시험은 IS 516-1959에 따라 수행되었음.

- 시편에 대한 시험은 2지점에 하중을 가하는 방식으로 이루어졌음.

- 재령 28일에 각 부문별 3개의 시편에 대한 평균값은 표 3에 정리됨.

- 일반콘크리트에 다양한 콘크리트 혼합물을 가했을 때의 강도증진 결과도 표 3에 정리되어 있음.

- 폐주물사의 대체비율을 50%까지 증가시킬 경우에는 휨강도가 상당히 증가됨.
- 그러나 50%를 초과하면 일반콘크리트에 비하여 강도가 감소되었음.
 

5. 결론

- 수행된 실험조사 결과를 토대로 다음과 같은 결론을 내림.
 
1) 폐주물사는 콘크리트에 기존의 강사를 대체하여 잔골재로서 효과적으로 사용될 수 있음.
2) 잔골재를 대체하는 폐주물사의 함유량이 90%까지 증가되면 일반콘크리트의 압축강도에 비해

    증가되었으나 그 이상 초과하면 약간의 강도감소가 초래되었음.
3) 폐주물사의 대체 함유량이 40% 및 50%에 도달되었을 때 재령 7일에서 최대강도가 발현되었음.

4) 폐주물사의 대체 함유량이 50%에 도달되었을 때 최대압축강도가 발현되었음.

5) 폐주물사의 대체 함유량이 50%에 도달되었을 때 재령 28일에서 일반콘크리트에 비해 압축강도가

    25.45% 증가된 것으로 확인되었음.

6) 폐주물사의 대체 함유량이 70%에 도달될 때 까지 쪼갬인장강도의 증가를 보였으며, 그 이상

   초과시에는 강도가 약간씩 감소되었음.

7) 대체 함유량 50% 도달될 때 까지 휨강도는 증가되었음.
8) 대체 함유량 50%를 초과하면 휨강도는 일반콘크리트에 비하여 감소되었음.