포틀랜드 시멘트 콘크리트 생산의 환경적 영향은 연구자들과 건설 산업계로 하여금 재생 시멘트 물질과 재생 골재를 콘크리트에 포함하기 위한 대안적인 기술을 평가하도록 하는 동기를 부여하였음. 그와 같은 기술 중 하나는 모래나 포졸란(pozzolan)으로써 분쇄된 유리를 사용하는 것에 기초하고 있음.

현재 미국에서 연간 60만 톤이 넘는 재생 유리병이 축적되고 있는데, 이는 재활용 장소에서 유리 융해 공장까지의 운반 비용 때문임. 이 프로젝트는 이 유리 폐기물과 플라이 애쉬(fly ash) ？ 이는 또 다른 산업 부산물로 연간 42.4백만 톤이 매립되고 있음 ？ 를사용하여 내구성 있고 환경적으로 긍정적인 콘크리트를 개발하는 것으로, 이는 다양한 교통 분야에 적용될 수 있을 것임.

이러한 목적을 위해서, 이 프로젝트는 두 가지의 주요 임무를 포함하고 있음. 첫 번째 임무에서, 실리카 유리 골재의 사용에서 파생되는 유해한 알칼리-실리카 반응(alkali-silica reaction, ASR)이 플라이 애쉬의 사용을 통하여 완화되었음. 혼합물은 여섯 가지의 다른 플라이 애쉬 ？ ASTM C618에 따라 F 등급 4개와 C 등급 2개 ？ 중하나를 사용하여 준비되었음. ASR을 안전하게 제어하기 위한 플라이 애쉬의 첨가량은 ASTM C1567 시험에 따라 결정되었음.

이 임무의 주요 목적은 어떤 매커니즘을 통해 플라이 애쉬가 ASR을 완화시키는지 더 잘 이해하고, ASR에 대한 플라이 애쉬의 효과성을 가장 잘 결정하는 인자를 파악하는 것이었음. 첨단 분석적 측정과 수치적 시뮬레이션을 같이 사용함으로써, 플라이 애쉬가 ASR에 대해 다음과 같이 기능함으로써 효과적인 것으로 결론내렸음:

(1) 알칼리 바인딩을 통해서 간극 용액(pore solution)의 알칼리도를 낮춤;
(2) 콘크리트에서 질량 이동을 줄임;
(3) 콘크리트의 인장 강도를 향상시킴; 그리고
(4) 실리카 골대의 단위 표면적 당 수산화 이온(OH-)의 농도를 낮춤으로써 골재의 용해률(dissolution rate)을 감소시킴.

추가적으로, 낮은 산화 칼슘과 알칼리 함량, 높은 이산화실리콘(SiO2)과 산화알루미늄(Al2O3) 함량을 가진 플라이 애쉬가 ASR에 대해 가장 효과적인 것으로 밝혀졌음.

이 프로젝트의 두 번째 임무 목표는 공학자들과 재료 공급자들이 글래스크리트 혼합물(glasscrete mixtures)？ 즉, 천연 모래의 완전 대체재로써 재생 유리 세골재를 포함하는 콘크리트 ？ 의적절한 생산이 가능하도록 하는 제안사항과 설계 도구를 제공하는 것이었음.

이 임무에서, 목표로 한 슬럼프(slump), 공기 함량과 압축 강도를 가진 글래스크리트 혼합물이 준비되었고, 이 혼합물의 경화 전과 후의 성질이 천연 모래를 사용한 콘크리트와 비교되었음. 특히, 세 가지의 글래스크리트 혼합물이 준비되었음: (1) 빌딩 초구조물(superstructures)을 위한 5000-psi, 5-inch 슬럼프 콘크리트; (2) 교량 상판을 위한 4000-psi, 5-inch 슬럼프 콘크리트; 그리고 (3) 슬립폼(slip-form) 포장을 위한 4000-psi, 1.5-inch 슬럼프 콘크리트. 모든 혼합물은 ASR을 완화시키기 위해 포틀랜드 시멘트의 질량 대체재로써 20%의 F 등급 플라이 애쉬를 포함하였음.

유리 모래의 사용은 콘크리트 압축 강도의 감소로 나타났는데, 아마도 이는 골재-시멘트의 부착의 약화때문인 것으로 추정됨. 적절한 비율의 글래스크리트 교반을 가능케 하기 위해 물/시멘트 함량과 7일과 28일의 압축강도와의 관계가 구축되었음. 천연 모래 콘크리트와 비교할 때, 글래스크리트는 더 나은 시공성, 더 낮은 흡수성(sorptivity), 더 낮은 염화물 침투성, 그리고 더 낮은 열팽창 계수를 가진 것으로 나타났음. 다른 한편으로, 글래스크리트는 마모에 대해 더 낮은 저항성을 보였음.
 

포틀랜드 시멘트 콘크리트는 교통과 에너지 인프라의 건설에서 가장 널리 사용되는 물질임. 19세기에 보통 포틀랜드 시멘트()의 개발 이후로, 산업계와 학계는 콘크리트를 더 강하고 더 내구성이 있으며 더 경제적으로 만들기 위한 방법을 모색해 왔음. 이러한 목적을 달성하기 위해 설계 기준과 시방서가 만들어졌고 전문가 위원회가 구성되었음.

콘크리트는 제대로 설계되고 시공되었을 때 다기능적이고, 경제적이며, 내구성 있는 물질임. 2011년 430백만 톤의 레미콘(ready-mixed concrete)이 미국에서 생산되었고, 이는 연간 1인 당 1.43톤의 소비를 의미함. 같은 해에, 전세계적인 포틀랜드 시멘트 생산량은 3,400백만 톤에 달했는데 이는 1인 당 485 kg 정도에 해당함.

시멘트 생산의 에너지 및 탄소 강도(내재된 에너지 = 5.3 MJ/kg; 이산화탄소 발자국 = 0.97 kg/kg)는 최근 콘크리트를 더 환경친화적인 제품으로 만들기 위한 주제가 되고 있음. 천연 골재와 포틀랜드 시멘트 대신 재생 또는 산업폐기물을 포함으로써 더 녹색의 콘크리트가 생산될 수 있음. 이 프로젝트에서 탐색된 기술 중 하나는, 포틀랜드 시멘트의 부분적인 대체재로써 플라이 애쉬를 사용하고 콘크리트에서 세골재로써 파쇄된 유리(유리병이 사용된 후 파쇄된 것)를 사용하는 것에 기반하고 있음.

2010년에 미국 환경보호청(U.S. Environmental Protection Agency, EPA)에 의해 수집된 정보에 의하면, 미국에서 만들어져 사용된 유리 11.53백만 톤 중에서 단지 27.1%(3.13백만 톤)만이 현재 재사용되고 있음. 사용된 유리의 나머지 72.9%는 다른 가정용 쓰레기와 함께 매립지에서 처리됨. 재활용을 위해 수집된 유리 3.13백만 톤 중에서, 80%는 새로운 유리로 재사용되고, 나머지 20%(대략 연간 60만 톤)는 이후 수집된 후 매립지로 다시 보내짐.

수집된 유리의 불완전한 재사용의 주요 이유는 유리를 수집된 곳에서 유리 용융시설로 옮기는 이송비용 때문임. 문제점은 인적이 드문 지역(록키 산맥이나 하와이 지역)뿐만 아니라 인구가 매우 밀집된 지역(북동 지역)에서도 발생함. 유리의 재활용률을 낮추는 다른 요인은 폐기물 처리에서 유리의 혼합된 색상과 유해한 유기물 때문임. 이 연구는 세골재로써 60만톤의 파쇄된 유리를 콘크리트에 포함하기 위한 내구성있는 콘크리트 물질을 개발하는데 중점을 두고 있음. 이와 같은 콘크리트 혼합물이 이 보고서에서는 “글래스크리트”라는 용어로 사용될 것임.
 

이 연구의 결과에 의하면, 플라이 애쉬는 다음의 매커니즘을 통하여 ASTM C1567 시험에서 ASR을 효과적으로 완화할 수 있음:

ㅇ 플라이 애쉬는 모르타르의 이온 확산계수(ion diffusion coefficient)를 상당히 낮춤으로써 공극 용액의 알칼리도를 낮춤. 플라이 애쉬가 충분히 사용되어 포틀랜드 시멘트를 대체하였을 때, 확산도는 4 또는 7배 감소되는 것으로 기록되었음. 이처럼, 외부의 수산화나트륨(NaOH)은 플라이 애쉬 모르타르에 더 천천히 침투하며, 이는 더 낮은 공극 용액 알칼리도로 이어지고 ASR을 상당히 늦춤.

ㅇ 플라이 애쉬는 알칼리 부착을 통하여 공극 용액의 알칼리도를 낮춤. 플라이 애쉬는 칼슘/실리카 비율(calcium to silica ration, C/S)을 낮추고, 이는 알칼리 부착 능력을 향상시킴. 이처럼, 침투된 수산화나트륨의 상당량이 공극 용액에서 제거됨. 단순한 수치 모델의 결과에 의하면, 알칼리 부착 향상의 영향보다는 이동 감소의 영향이 더 큰 것으로 나타남.

ㅇ 플라이 애쉬는 모르타르의 인장강도를 증가시키고 균열의 발생을 예방하거나 지연시킴. 이는 또한 균열을 따라 수산화나트륨이 모르타르의 내부로 이동하는 것을 방지함.

ㅇ 플라이 애쉬는 공극 용액의 pH가 일정하게 유지될 때에도 실리카 골재의 용해율(dissolution rate)을 감소시킬 수 있음. 플라이 애쉬는 부식성이 있는 수산화 이온에 접근가능한 큰 면적의 실리카 표면을 제공함. 이처럼, 실리카의 단위 표면 면적 당 수산화 이온의 농도는 상당히 감소됨. 다시 말해, 주어진 PH에서 공극 용액의 단위 부피에 대해 상당한 양의 하이드록실(hydroxyl) 이온이 반응성 골재를 공격하는 대신 플라이 애쉬를 용해하는데 관여하고 있음.
 

이 장의 중점은 글래스크리트 ？ 천연 세골재의 100% 대체재로써 재생 유리를 포함한 콘크리트 혼합물 ？ 배합의 비율을 달리하고 시험하는 것이었음. 7 종류의 콘크리트 배합이 준비되었고 시험되었는데, 여기에는 3 종류의 글래스크리트와 4 종류의 천연모래 콘크리트가 포함되었음. 두 가지 타입의 콘크리트에 대해 경화 전과 후의 성질이 28일 압축강도나 물/시멘트 함량과 같은 기준에 근거하여 비교되었음. 측정치에 의하면, 다음의 결론이 도출될 수 있음:

ㅇ 글래스크리트 배합은 동일한 물/시멘트 함량에서 천연모래 콘크리트보다 더 낮은 압축강도를 가지고 있음. 이처럼 목표 강도를 달성하기 위해서는, 글리스크리트 배합을 설계할 때 더 낮은 물/시멘트 함량이 사용되어야 함. 글래스크리트의 물/시멘트 함량과 7일 및 28일 압축강도의 관계에 대한 그래프가 작성되었음.

ㅇ 글래스크리트 배합은 목표 슬럼프를 달성하기 위해 더 적은 가소제(plasticizer)를 필요로 함. 이는 더 작은 표면 면적을 만들어 마찰을 줄이는 유리 입자의 매끈한 표면 때문일 수 있음.

ㅇ 글래스크리트는 전통적인 콘크리트보다 더 낮은 열팽창계수(coefficient of thermal expansion, COTE)를 보이는 경향이 있음. 이는 대부분의 천연 골재와 비교할 때, 유리의 COTE가 더 낮기 때문일 수 있음.

ㅇ 유사한 물/시멘트 함량에서, 글래스크리트는 천연 모래 콘크리트보다 마모 저항성이 떨어짐. 이는 유리 골재와 시멘트간의 더 약한 부착강도 때문일 수 있음.

ㅇ 글래스크리트는 습기와 이온의 침투에 대해 더 나은 저항성을 지속적으로 보여줌. 이는 물 흡수 측정뿐만 아니라 신속한 염화물 침투 측정의 결과에 근거하고 있음. 이 결론은 유사한 물/시멘트 함량에서 뿐만 아니라 유사한 압축 강도에서도 똑같이 적용됨. 이는 유리 골재에서 공극이 없기 때문에 습기나 이온의 침투 경로를 막기 때문일 수 있음.