이 보고서는 콘크리트 포장에서 조골재로써 공기 냉각 고로 슬래그(air-cooled balst furnace slag, ACBFS)를 사용하는 것에 대하여 가용한 정보를 제공함. 이 보고서는 ACBFS의 골재 생산과 성질, ACBFS를 조골재로 가진 콘크리트의 성질을 논의함. ACBFS의 물리적, 화학적 성질 모두가 제시되는데, ACBFS를 조골재로 포함한 콘크리트에 대해서도 두 성질 모두가 제시됨. 추가적으로 ACBFS를 조골재로 함유한 콘크리트 포장과 이 포장에서 파괴와 관련된 관찰 물질의 현장 성능이 제시됨. 마지막으로, 콘크리트에 ACBFS 골재를 포함한 콘크리트 포장과 관련된 생애주기 및 유지관리 비용도 이 보고서에서 논의됨.

콘크리트에서 ACBFS 골재를 사용한 경험이 있는 국내 및 해외 경험 모두를 가용한 정보에 포함하였지만, 검토된 정보의 대부분은 ACBFS 골재의 공급을 가지고 있거나 이전에 가지고 있었던 미국의 주 ？ 오하이오(Ohio), 미시간(Michigan), 인디애나(Indiana), 그리고 뉴욕(New York) -- 에서 왔음.
 

고로 슬래그는 칼슘, 마그네슘과 다른 혼합물 - 황, 철, 망간 및 다른 트레이스 원소(trace elements)  과의 실리카(silicates)와 알루미늄실리카(aluminosilicates)로 구성된 비금속 물질임. 이는 고로에서 철과 동시에 용융 상태에서 생산됨. 고형화된 제품은 어떤 과정을 거쳐 용융 상태에서 나왔는지에 따라 더 분류되기도 함. 공기 냉각 고로 슬래그는 대기압 상태에서 용융 고로 슬래그의 상대적으로 늦은 고형화(solidification)를 통해 생산되어, 결정질 광물을 형성(crystalline mineral formation)하게 됨. ACBFS는 가장 일반적으로 사용되는 재생 건설재료의 하나로, 포틀랜드 시멘트 콘크리트(portland cement concrete, PCC)에서 조골재, 고온 혼합 아스팔트(hot-mix asphalt)에서 골재, 도로 기초재료, 그리고 채움재로써 사용됨.

미국 지질조사국(U.S. Geological Survey, USGS)의 2009년 광물 연보(2009 Minerals Yearbook)에 따르면, 대략 5.071백만 톤의 ACBFS가 미국에서 2009년에 사용되었는데, 이는 약 33백만 달러의 가치에 달함. 이 수치는 2008년에 생산된 ACBFS 양(7.606백만 톤)과 가치(약 53백만 달러)보다 줄어든 것으로, 이는 미국 경제에서 상당한 침체를 반영함.

미국 지질조사국의 2009년 광물 연보는 또한 ACBFS의 약 30 퍼센트가 도로 기초 또는 도로 표층으로, 17 퍼센트가 아스팔트 콘크리트에서, 17 퍼센트가 레미콘(ready-mixed concrete)에서, 9 퍼센트가 채움재로, 4 퍼센트가 콘크리트 제품의 제조에서, 그리고 나머지는 사소한 적용 - 예를 들어, 철로의 바닥 다짐재, 지붕재 -- 에서 사용된다고 보고하였음. 2009년에 ACBFS의 판매 가격은 톤 당 3.65 ？ 21.88 달러였고, 그 평균은 톤 당 8.11달러였음.

건설에서 골재로써 사용된 ACBFS의 전체 비율은 상대적으로 낮지만(미국 시장의 약 2 퍼센트), ACBFS 처리 플랜트와 가까운 지역이나 플랜트가 역사적으로 존재해서 ACBFS 재고가 남아있는 곳에서는 중요한 골재원임. 미국 슬래그협회(National Slag Association)에 따르면, ACBFS는 다음의 주에서 생산됨: 앨라배마, 인디애나, 켄터기, 메릴랜드, 미시간, 뉴욕, 오하이오, 펜실베이니아, 유타, 그리고 웨스트 버지니아.

ACBFS를 폐기물로 처리하는 것보다 이를 효과적으로 사용함으로써 얻을 수 있는 경제적, 환경적, 그리고 사회적 편익이 있음. 그 결과, ACBFS의 사용은 지속가능성(sustainability)에 폭넓은 긍정적 영향을 미치고, 이는 점점 더 중요해지고 있음. 첫째, ACBFS의 사용은 철강 생산자들에게 경제적으로 이익이 되는데, 처리 비용을 피하면서 재료의 판매에서 경제적 이득을 얻을 수 있음. 이는 또한 ACBFS의 적접적인 사용자들 ？ 레미콘 생산자, 계약자 -- 에게 경제적으로 이득인데, 왜냐하면 천연 골재와 비교할 때 상대적으로 값싼 재생골재를 얻을 수 있기 때문임. ACBFS의 사용은 또한 대중들에게도 경제적인 이득인데, 왜냐하면 초기 건설 과정에서 재료의 줄어든 가격으로 전반적인 비용 절감을 얻을 수 있기 때문임.

그러나, 이러한 편익은 단순히 경제를 넘어서서, ACBFS의 적절한 사용은 폭넓은 환경적, 사회적 편익을 가지고 있음. 예를 들어, ACBFS가 사용될 때, 더 적은 양의 천연재료가 채굴되고, 이송되며, 처리되어도 됨. 이는 토양에 대한 더 적은 교란, 더 적은 에너지 소비, 더 적은 오염 및 온실가스를 의미함. ACBFS를 처리하는데 필요한 에너지는 천연 골재를 추출하고 처리하는데 사용되는 에너지보다 더 적음.

ACBFS의 사용 증가는 또한 더 적은 폐기물이 생산되는 것을 의미하며, 이는 처리되어야 할 폐기물이 줄어들어 매립에서의 처리량을 감소시킴. 이 모두를 통해 ACBFS의 적절한 사용은 지속가능성을 상당히 향상시킬 수 있음.
 

이 보고서는 포장 콘크리트에서 조골재로써 ACBFS의 사용과 성능에 대한 가용한 정보를 기술적으로 검토한 경과임. 이 검토의 주요 목적은 연방고속도로청(Federal Highway Administration, FHWA)과 다른 교통 기관들에게 콘크리트 포장배합에서 ACBFS의 사용과 적용에 대한 최신의 가용한 정보를 제공하는 것임.

이러한 기술적 검토에 대한 주요 동력은 미시간 교통부(Michigan Department of Transportation, MDOT)에 의해 표시된 우려였는데, MDOT는 미시간에서 대부분의 콘크리트 포장에 대한 콘크리트 조골재로써 ACBFS의 사용에 대해 모라토리엄(moratorium)을 선언했음. 초기에 이 모라토리엄은 주간 고속도로(interstate highway)의 포장에 사용된 콘크리트를 대상으로 하였지만, 나중에 미시간에 있는 모든 고속도로와 교통량이 많은 콘크리트 도로에까지 확대되었음. 게다가, 이는 MDOT의 “고성능 포틀랜드 시멘트 콘크리트 성능 P1에 대한 특별 규정(Special Provision for High Performance Portland Cement Concrete Grade P1)” 모든 골재가 천연 골재일 것을 요구함 -- 을 사용하여 건설된 도로도 포함함.

FHWA의 문서에서 언급된 것처럼, MDOT는 콘크리트 포장에서 ACBFS를 사용해온 70년이 넘는 경험을 가지고 있고, 조골재로써 고로 슬래그를 사용한 콘크리트 포장의 성능에 대한 심한 우려를 나타냈음. FHWA의 문서는 또한 미시간이 재료의 변동성(materials variability), 시공성(constructability), 성능 이슈를 보이지 않는 고품질의 천연골재를 풍부하게 가지고 있다고도 언급하였음.

FHWA의 문서에 첨부된 것은 그 당시 MDOT의 관리자이던 글로리아 제프(Gloria Jeff)의 문서로, 그 문서는 “미시간의 콘크리트 포장에서 고로 슬래그 조골재의 역사적 연구에 대한 요약(A Summary of Historical Research of Blast-Furnace Slag Coarse Aggregate in Michigan Concrete Pavements)” 보고서를 포함하였음. 이 보고서의 결론에서, 콘크리트 포장에서 제조된 골재 또는 슬래그를 포함 -- 의 모든 사용은 재료의 공학적 특성과 그러한 성질이 포장의 예상 성능에 어떻게 기여하는지에 대한 철저한 이해가 이루어지고난 후에 일어나야 한다고 언급하였음. 이는 더나아가 받아들여질 수 없는 성능과 관련된 비용은 적절한 대안이 역사적으로 검증되어 왔을 때 위험의 증가를 담보하지 않다고도 언급하였음.

현재 연구 노력은 MDOT가 위에서 언급한 우려를 다루기 위한 노력임. 즉, ACBFS 조골재로 만들어진 콘크리트의 공학적 성질과 그 콘크리트로 만들어진 포장의 성능에 대하여 가용한 정보를 수집하고 있음. 이러한 연구의 목적은 기존의 이해 정도를 요약하고, 현재의 지식 기초에서 부족한 부분을 파악하는 것임. 천연 재료의 사용와 비교할 때 ACBFS 조골재를 사용함으로써 야기되는 위험에 대한 고려도 이러한 이해에서 필수적임. 현재 가용한 최고의 기술을 채택하고, 현재의 지식에서 부족한 부분을 다루는 추가적인 연구를 수행함으로써 이러한 위험을 줄이기 위해 여러 제안사항이 제시되었음.

이 보고서는 이러한 주제 -- ACBFS 의 생산, 그 성질, 콘크리트에서 골재로써의 적용 -- 에 대한 기술적 배경을 제공함. 이는 또한 ACBFS 조골재로 만들어진 콘크리트 포장의 기계적 거동과 내구성에 있어서 야기된 우려사항을 파악함. 이 보고서는 8개의 장으로 구성되는데, 첫번째 장은 소개이고, 두번째 장은 ACBFS의 생산과 그 물리적, 화학적 성질을 논의함. 세번째 장은 콘크리트에서 골재로써 ACBFS의 사용을 제시함. 네번째 장은 미시간에서 ACBFS로 만들어진 콘크리트 포장의 성능에 대해 야기된 우려사항을 논의함. 다섯번째 장은 여러 다른 주와 캐나다의 한 주로부터의 경험을 요약함. 여섯번째 장은 오하이오와 인디애나에서 네 군데의 포장 부분에 대한 현장 및 암석학적 평가(petrographic assessment) 결과를 요약함. 일곱번째 장은 포장설계의 특징(또는 기능)에 있어 콘크리트의 열적 성질의 영향을 검토함. 이 보고서는 여덟번째 장으로 마무리되는데, 이 장은 적절한 성능을 담보하고 미래의 연구 니즈를 논의하기 위해 ACBFS 사용에 대한 제안사항을 제공함. 첨부에서는 94번 주간 고속도로(I-94)에서 고로 슬래그 조골재의 사용에 대한 품질 제어 계획을 제시하고(Appendix A), 인디애나와 오하이오에서 수행된 ACBFS 현장 조사에서의 의견을 제공함(Appendix B).
 

이 연구에서 수집된 정보에 근거하여, 다음과 같은 결론이 도출될 수 있음:

ㅇ ACBFS 골재의 개별 입자는 수포(vesicular)와 광물학적 속성으로 인해 매우 다양한데, 이는 처리 과정에서 재료가 어떻게 냉각되느냐에 크게 달려있음. 일반적으로, 천천히 냉각된 슬래그는 더 적은 수의 수포를 가져서 밀도가 증가할 것임. 느린 냉각은 또한 결정 단계의 형성으로 이어져, 화학적 안정성을 증가시킬 것임. 밀도가 더 높고 더 결정화된 ACBFS 골재가 더 바람직하다고 인정됨. Ford Rouge River Complex에서 처리에 있어서 물을 사용하는 것은 ACBFS 골재의 성질에 부정적으로 영향을 미치기 때문에 한 연구에서 제외되었음. 콘크리트에서 사용이 허용된 유리질 입자(glassy particles)의 비용에 대해서는 많은 지역에서 제한사항이 있음.

ㅇ ACBFS의 벌크(bulk) 물리적 성질은 시간에 걸쳐 상대적으로 균일하여, 천연 골재에서 관찰되는 것과 비슷한 변동성을 가짐. 천연 골재의 흡수도보다 ACBFS의 흡수도가 더 높을 것으로 예상되지만, 최상 품질의 ACBFS 골재는 4 퍼센트 이하의 흡수도를 가짐. 추가적으로, 밀도가 높을수록 콘크리트 포장에서 골재로 사용하기 위한 ACBFS의 적합성은 올라감. 일본의 기준에 의하면, 보통의 콘크리트에 ACBFS 골재가 사용되기 위해서는 2.4 g/입방 cm의 최소 오븐 건조밀도(oven-dry density)를 가져야 함.

ㅇ 콘크리트의 성능에 위험을 야기하는 ACBFS의 두 가지 화학적 성질은 철 이상(iron unsoundness)과 이칼슘 실리카 이상(dicalcium silicate unsoundness)임. 현재의 ACBFS에서는 두 현상 모두 극히 드물며, 화학적 제어를 통하여 해결될 수 있음.

ㅇ 콘크리트 포장에서 ACBFS를 사용하는 것에 있어서 최고의 우려가 되는 화학적 성질은 황화 칼슘(Calcium sulfide)임. 황화 칼슘의 용해성은 콘크리트 공극 용액의 알칼리도(alkalinity)가 증가할수록 높아짐.

ㅇ MDOT는 똑 같은 디자인으로 ACBFS가 있고 없는 콘크리트 포장에 대한 유지관리 비용에 대한 분석을 수행하였음. 148건의 프로젝트로부터의 데이터가 분석되었음(천연 골재 107건과 ACBFS 골재 41건). 그 결과에 의하면, ACBFS 콘크리트 포장에 대한 평균 유지관리 비용은 천연 골재로 만들어진 콘크리트 포장의 거의 두 배임.