Journal of the Korean Geo-Environmental Society. 1 February 2025. 5-13
https://doi.org/10.14481/jkges.2025.26.2.5

ABSTRACT


MAIN

  • 1. 서 론

  • 2. 순환골재 생산공정 및 실험시료 선정

  •   2.1 순환골재 생산공정

  •   2.2 실험용 시료 선정

  • 3. 실내시험을 통한 순환자원 물성 평가

  •   3.1 입도분석

  •   3.2 광물 성분 분석

  •   3.3 입자 형상

  •   3.4 다짐 특성 평가

  •   3.5 수리 특성 평가

  •   3.6 전단강도 특성 평가

  • 4. 결 론

1. 서 론

2015년 파리기후협정 이후, 기후 온난화 문제에 공동 대응할 수 있는 목표인 지속가능발전목표(Sustainable development goals, SDGs)를 수립하고, 참여국은 온실가스 감축을 위한 다양한 계획을 실천하고 있다. 우리나라도 2050년 탄소 중립을 목표로 K-SDGs를 발표하고 한국형 순환경제 혁신 이행 계획 2050을 수립하는 등 온실가스 감축을 위한 대책을 마련하였다(Ministry of Trade, Industry and Energy, 2021). 탄소 저감 목표를 달성하기 위해서는 다양한 산업분야에서 폐기물량을 획기적으로 저감해야 한다. 환경부의 조사에 따르면 2021년 기준 전체 산업폐기물 발생량은 연간 19,738만t에 달한다고 보고되었으며, 이마저도 매년 증가하고 있는 실정이다. 이 중 건설분야에서 발생하는 건설폐기물은 전체 발생량의 42.5%(8,381만t/y)에 달하여, 이에 건설폐기물의 저감이 절실한 상황이다(Ministry of Environment, 2022). 한편, 2021년 기준 건설폐기물 중 가장 큰 비중을 차지하는 것은 폐콘크리트로 총발생량의 65%(5,449만t/y)를 차지한다(Ministry of Environment, 2022). 정부에서는 2011년 「건설폐기물의 재활용촉진에 관한 법률」을 제정하고 폐콘크리트로 재생된 순환골재를 도로, 콘크리트, 아스팔트 제품 제조 등에 40% 이상 의무적으로 사용하도록 권고하고 있다(Ministry of Environment, 2017).

이러한 노력에도 불구하고 2014년 한국건설기술연구원의 조사에 따르면 순환골재는 품질과 안전 등의 이유로 80% 이상이 성토, 복토 및 도로 공사용 등 극히 제한된 용도로만 사용되고 있는 것으로 조사되었다. 순환골재 활용에 있어 주요한 문제점으로 품질 및 신뢰성 문제가 47%로 가장 높은 비율을 차지했으며, 품질인증제도의 인지도 문제 37%, 발주처 사용 제한이 20%를 각각 차지해 순환골재의 품질에 대한 낮은 인식이 주요한 문제로 지목되고 있다(KICT, 2014). 이러한 문제를 해결하기 위해 국내와 국외에서는 순환골재의 품질을 평가하기 위해 다양한 실내실험들이 진행되어 왔으며, 다음과 같은 선행 연구들이 실시되었다(O’mahony, 1997; Kianimehr et al., 2019; Tavakol et al., 2019; Thomas et al., 2018; Park et al., 2017; Kim et al., 2009).

O’mahony(1997)는 대형 직접전단박스를 통해 순환골재-자연골재 간 강도 특성을 비교하고 순환골재가 자연골재와 유사성이 있음을 검증하였다. 본 연구에서 순환골재는 자연골재와 비교 시 다공성을 띄며, 표면에 부착된 모르타르 성분으로 인해 낮은 밀도가 보임을 확인하였다. Kianimehr et al.(2019)Tavakol et al.(2010)은 순환골재와 점토의 혼합을 통한 점토지반의 안정화 가능성을 다짐시험을 통해 검증하였으며, 순환골재 비율이 증가할수록 최적함수비의 증가와 최대건조밀도의 감소를 유발한다고 보고하였다. Thomas et al.(2018)은 X-선회절분석(XRD)을 통해 순환골재의 재활용 횟수와 시료의 특성 간 상관성을 확인하였으며, 재활용 횟수의 증가는 입자의 구형도(Sphericity)를 증가시켜 단위 부피당 입자 수를 증가시키나, 재활용 횟수의 증가 시 골재가 분쇄되어 자연골재의 비율이 줄어들고 상대적으로 시멘트 모르타르의 비율이 증가하게 되어 시료의 밀도가 감소하기 때문에 부피가 증가한다고 보고하였다. Park et al.(2017)은 다짐으로 인한 순환골재의 파쇄 특성을 실험적으로 평가하였으며, 파쇄지수가 순환골재의 투수성과 마찰각에 영향을 미친다는 것을 입증하였다. Kim et al.(2009)은 입도 분석과 XRD분석, 주사전자현미경(Scanning electron microscopy, SEM)을 통해 폐콘크리트 미립분의 물성과 파쇄 횟수의 상관성을 연구하였으며, 파쇄 횟수에 따른 입자의 미립화는 습식공정에서 두드러지게 나타나는 것을 확인하였다.

기존에 수행된 순환골재의 공학적 특성에 관한 연구는 자연사와 유사한 입경(0-5mm)보다는 상대적으로 큰 입경을 가진 순환굵은골재(10-90mm)를 중점으로 연구되고 있으며, 순환잔골재에 관한 연구들은 콘크리트 배합용 골재에 초점이 맞추어져 있어 지반재료로써의 순환잔골재 특성에 관한 심층적인 연구는 부족한 실정이다.

본 연구에서는 순환잔골재의 지반공학적 특성을 평가하기 위해 현장에서 채취한 순환잔골재를 이용해 다양한 실내실험을 수행하였으며, 그 결과를 천연골재 중 하나인 주문진 표준사와 비교·분석하였고, 이를 통해 순환잔골재의 지반재료로써 사용성을 평가하였다.

2. 순환골재 생산공정 및 실험시료 선정

2.1 순환골재 생산공정

순환골재란 「순환골재 품질기준」(Ministry of Land, Infrastructure and Transport, 2021)에 따라 건설폐기물 중 폐콘크리트 및 폐아스팔트 등을 물리-화학적 처리 과정을 통해 재활용하여 골재화한 제품을 말한다. 순환골재는 주로 도로의 노반과 노상, 콘크리트, 아스팔트 제품 제조 등 다양한 건설 분야에서 사용된다. 이러한 순환골재의 생산 공정은 건식공정과 습식공정으로 구분되며, 처리 과정은 Fig. 1과 같다.

https://cdn.apub.kr/journalsite/sites/jkges/2025-026-02/N0480260201/images/kges_26_02_01_F1.jpg
Fig. 1

Production process of recycled concrete aggregate (RCA)

2.1.1 건식공정

건식공정은 처리 과정에서 물을 사용하지 않고, 풍력 설비를 이용하여 순환골재의 표면에 남아 있는 미립분을 제거하는 방식이다. 이 과정에서 제거된 미립분은 집진 장치를 통해 포집된다. 별도의 폐수 처리 과정은 필요하지 않으며, 습식공정 대비 초기 설비 비용이 저렴하고 설비의 유지 관리가 용이하여 소규모 업체에서 사용하기에 적합하다. 그러나 골재 표면에 부착된 미립분을 완벽히 제거하기가 어려워 습식공정 대비 상대적으로 골재의 품질이 떨어지는 단점이 있다(Kim et al., 2009).

2.1.2 습식공정

습식공정은 건식공정과 달리 물을 사용하여 순환골재의 표면에 남아 있는 미립분을 세척하는 방식으로 골재 표면의 미립분을 효과적으로 제거할 수 있으며, 건식골재 대비 상대적으로 고품질의 순환골재를 생산할 수 있다. 그러나 습식공정은 생산 과정으로 인해 폐수가 발생하여 환경적 문제와 처리에 따른 추가적인 비용이 발생하고, 미립분을 처리한 슬러지의 재활용이 어려운 문제가 있다. 또한 건식공정 대비 초기 설비 비용이 증가하고 설비의 유지 관리가 어려워 소규모 업체에서 사용하기 어려운 단점이 있다.

2.2 실험용 시료 선정

본 연구에서 사용된 순환골재 시료는 강원, 경기, 충청 3개 권역에서 4개의 순환골재 생산업체를 선정하여 현장 채취한 시료로 강원권역 2개, 경기권역 1개, 충청권역 2개로 총 5개의 순환골재 샘플을 현장에서 직접 획득하였다.

실험에 앞서 순환잔골재와 자연잔골재 간 비교를 위해 주문진표준사를 비교군으로 선정하였으며, 실험의 일관성을 유지하고, 결과의 신뢰성을 높이기 위해 모든 시료를 #20 (0.850mm) 표준체에 통과시킨 뒤 실험에 사용하였다. Table 1은 순환잔골재의 시료명, 위치 및 생산방식(건식 또는 습식)을 요약한 것이며, 주문진 표준사는 JS-1으로 명시하였다.

Table 1.

RCA sample names and production process

Sample Location Process
KT-1 Kangwon Dry
DH-1
HN-1 Gyeonggi Wet
HG-1 Chungcheong Dry
HG-2
JS-1 - -

3. 실내시험을 통한 순환자원 물성 평가

순환골재의 지반공학적 특성을 확인하기 위해 체분석시험, XRD, SEM, 다짐시험, 흡수율시험, 투수시험, 직접전단시험을 각각 실시하였다. 모든 실험은 일관성을 위해 #20 (0.850mm) 표준체를 통과시킨 시료를 대상으로 실시하였으며, 순환잔골재의 특성을 주문진표준사와 비교·분석하였다.

3.1 입도분석

체분석시험은 시료의 입도분포와 D50값을 평가할 수 있다. 본 연구에서는 KS F 2502(Industrial Standards Council, 2019) 표준시험법을 참고하여 실험을 수행하였으며, #200(75μm) 체를 통과한 시료는 레이저에 의한 빛의 산란으로 입도를 측정하는 레이저식 입도분포측정기(Mastersizer 3000, Malvern Ins. Ltd)를 통해 세립분의 입도를 측정하였다.

Fig. 2Table 2는 체분석시험의 결과를 보여준다. 순환잔골재의 평균입경(D50)은 최소 207.5μm에서 최대 368.9μm로 나타났다. 반면, 주문진 표준사의 경우 평균 입경이 595.7μm로 확인되었으며, 순환골재 대비 전반적으로 평균 입경이 큰 것을 알 수 있다. 또한 순환잔골재의 #200체 통과율은 4.44% ~ 15.94%를 나타냈으며, 주문진 표준사에 비해 세립분 함량이 많은 것으로 나타났다. 건식-습식 공정에 따른 차이는 크게 나타나지 않았다.

https://cdn.apub.kr/journalsite/sites/jkges/2025-026-02/N0480260201/images/kges_26_02_01_F2.jpg
Fig. 2

Grain size distribution

Table 2.

Results of particle size distributions

KT-1 DH-1 HN-1 HG-1 HG-2 JS-1
D50 (μm) 207.5 309.2 337.2 313.4 368.9 595.7
Cu* 5.17 7.03 7.04 5.54 3.79 1.90
Cc** 0.87 1.47 1.49 1.05 1.05 1.11

* Coefficient of uniformity (Cu)

** Coefficient of curvature (Cc)

3.2 광물 성분 분석

XRD는 시료 표면에 X-선을 조사한 뒤 Bragg’s Law에 의해 입자의 결정상에 따른 회절 패턴 분석으로 입자의 구성 성분을 정성적으로 분석하는 기법이다.

본 연구에서는 D8 Discover+(Bruker AXS GmbH) 장비를 사용하였으며, 분석의 정확성을 높이기 위해 실험 전 시료 분쇄기를 이용해 시료를 곱게 분쇄한 후 본 실험을 진행했다. 실험을 통해 획득한 데이터는 X선 회절분석 해석 프로그램인 MAUD를 사용하여 각 시료의 최댓값을 확인하였다. Fig. 3은 X선 회절분석의 해석된 결과를 보여주며, 각 최댓값에 해당하는 물질을 기호로 표기하였다.

https://cdn.apub.kr/journalsite/sites/jkges/2025-026-02/N0480260201/images/kges_26_02_01_F3.jpg
Fig. 3

XRD patterns

Table 3은 X선 회절분석 결과를 통해 확인된 시료의 성분을 나열한 도표이다. 분석 결과 석영(Quartz)과 정장석(Orthoclase) 성분은 순환골재 시료와 주문진 표준사에서 공통으로 발견되었으며, 순환골재 시료에서는 방해석(Calcite)과 백운모(Muscovite)가 공통으로 검출되었다.

Table 3.

XRD test result

Sample Compound ID
KT-1 Quartz (Q), Orthoclase (O) Calcite (C), Muscovite (M)
DH-1
HN-1
HG-1
HG-2
JS-1 Quartz (Q), Orthoclase (O)

석영과 정장석은 콘크리트 제조 시 첨가되는 자연골재의 결정상이며, 골재 시료 내의 입자상을 대표하는 주요 성분이다. 또한 순환잔골재에서 공통으로 나타난 방해석은 시멘트의 수화반응으로 형성되는 대표적인 생성물로, 일라이트 계열의 백운모와 더불어 주로 순환잔골재 시료의 미립분에서 발견되는 성분이다(Kim et al., 2009; Moreno-Perez et al., 2018; Mymrin & Correa, 2007).

본 연구를 통해 순환잔골재 시료는 전반적으로 석영의 구성 비율이 높게 나타나며, 미립분을 구성하는 방해석과 백운모의 피크값(Peak intensity)을 제외했을 경우 주문진 표준사와 유사한 피크값을 보였다.

3.3 입자 형상

시료의 지반공학적 특성에서 입자 형상은 시료의 강도 특성에 영향을 주는 주요 인자이다. Cho et al.(2006)의 연구에 따르면 입자의 불규칙한 형상은 입자의 회전과 재배치를 방해하여 팽창성을 증가시키고 전단저항력을 증가시키는 것으로 보고되었다. 본 연구에서는 재료 거동에 영향을 미치는 입자의 형상을 확인하기 위해 SEM 실험과 실체현미경(Optical microscope) 관찰을 실시하였다. SEM은 입자의 형상과 입자 표면의 상태를 확인하기 위해 수행되었으며, 실체현미경은 입자의 형상과 색상, 불순물의 유무를 확인하기 위해 수행되었다. SEM 실험은 S-4800 SEM(Hitachi) 장비를 사용하였고, 실체현미경 관찰은 GB-742 장비를 사용하였다. SEM 실험은 EM ACE600(Leica) 시편 코팅기를 이용해 시료 샘플을 카본 코팅(carbon coating)한 뒤 실험을 실시하였다. Fig. 4는 SEM을 통해 건식공정 시료(KT-1), 습식공정 시료(HN-1), 주문진 표준사(JS-1)를 대상으로 각각 x100배율과 x400배율로 촬영한 이미지이며, Fig. 5는 실체현미경을 통해 x25배율 x100배율로 촬영한 이미지이다.

https://cdn.apub.kr/journalsite/sites/jkges/2025-026-02/N0480260201/images/kges_26_02_01_F4.jpg
Fig. 4

SEM images for KT-1, HN-1, and JS-1

https://cdn.apub.kr/journalsite/sites/jkges/2025-026-02/N0480260201/images/kges_26_02_01_F5.jpg
Fig. 5

Optical microscope images for KT-1, HN-1, and JS-1

분석결과 x100배율에서 순환잔골재와 주문진 표준사간 입자의 형상 차이가 뚜렷하게 나타났다. 주문진 표준사는 전반적으로 표면이 매끄럽고 둥근 형상을 보이는 반면, 순환골재는 표면에 미립분과 같은 작은 입자가 부착되어 있었으며, 주문진 표준사에 비해 모나고 세장하며, 불규칙한 입자형상을 보였다. Wadell(1932)은 골재의 모난 형상을 정량적으로 평가하고자 각 모서리에서 곡률의 반경과 입자의 최대 내접원의 반경을 통해 입자의 원마도(Roundness)를 계산하는 식을 제시하였다.

(1)
R=ri/Nrmax-in

R은 시료의 원마도를, ri는 각 모서리의 내접하는 원의 반경을, N은 각 모서리에 내접하는 원의 갯수를 나타내며, rmax-in은 시료의 최대 내접원의 반경을 나타낸다.

Eq. (1)을 통해 계산된 입자의 원마도 R은 1에 가까울수록 둥근 형상을 띄며, 1보다 작을수록 모난 형상을 나타낸다. Cho et al.(2006)은 해당 수식을 통해 다수의 자연모래와 파쇄모래 시료를 이용하여 입자의 원마도를 도표화하였고, 제시된 도표에서 자연모래와 파쇄모래의 원마도 평균은 각각 0.564와 0.231인 것을 확인하였다. 본 연구에서 SEM을 통해 촬영된 시료의 이미지를 사용하여 순환잔골재와 주문진 표준사의 원마도를 확인한 결과 순환잔골재는 0.228~0.341의 범위(평균 0.269)를 보였고, 주문진 표준사는 0.381~0.412(평균 0.400)를 보였다. Cho et al.(2006)의 선행 연구와 현행 연구 결과를 비교한 결과, 순환잔골재는 파쇄모래의 원마도와 유사한 결과를 보였고, 주문진 표준사는 자연모래와 파쇄모래의 중간 정도의 수치를 보였다.

이를 통해 순환잔골재는 전반적으로 파쇄모래와 비슷한 원마도 특성을 가지며, 이러한 특성은 전단력 발생 시 입자의 회전과 재배치를 방해하여 전단저항력을 증대시킬 것으로 판단된다.

실체현미경을 통해 SEM상으로 분석하기 어려운 골재의 색상을 중점으로 관찰하였으며, 순환골재는 전반적으로 주문진 표준사 대비 갈색, 흑색 입자와 함께 시멘트 모르타르로 인해 전반적으로 회색빛을 보였고, 자연사로 대부분이 석영질로 이루어진 주문진 표준사의 특성과 비교하여 해당 입자는 벽돌, 아스팔트 등 건설 부자재들이 파쇄되어 이러한 색상을 보이는 것으로 분석된다. 또한 순환잔골재 시료상에서 식생 등의 이물질이 관찰되어 품질의 영향을 줄 것으로 분석된다.

3.4 다짐 특성 평가

시료의 다짐 특성은 구조물의 안정성과 지지력을 산정하는데 필요한 설계 정수로 다짐시험을 통한 최적함수비, 최대건조밀도 산정을 통해 평가할 수 있다. 본 시험은 KS F 2312(Industrial Standards Council, 2022) A 다짐 방법으로 수행되었다. Fig. 6은 다짐시험 결과를 시각화한 그래프이며, Table 4는 시험 결과에 따른 각 시료의 최적함수비와 최대건조밀도를 정리한 도표이다. 시험결과 순환잔골재 시료의 다짐곡선은 다양한 분포를 보였다. 특히, DH-1과 HG-2 시료가 타 순환골재 시료 대비 높은 최대건조밀도와 낮은 최적함수비를 보였다.

https://cdn.apub.kr/journalsite/sites/jkges/2025-026-02/N0480260201/images/kges_26_02_01_F6.jpg
Fig. 6

Soil compaction test result

Table 4.

Results of soil compaction test

Sample name Optimum moisture content (%) Maximum dry density (g/cm3)
KT-1 17.8 1.49
DH-1 14.2 1.72
HN-1 17.4 1.55
HG-1 11.8 1.35
HG-2 15.3 1.55

Aqil et al.(2005)은 서로 다른 시멘트 모르타르 비율을 가진 순환골재를 대상으로 한 실내시험을 통해 시멘트 모르타르 비율의 증가는 최적함수비를 감소시키고 최대건조밀도를 증가시킨다고 보고하였다. 해당 연구에서 시멘트 모르타르는 입자의 물 흡수를 방해하여 최적함수비를 감소시키고 시멘트 페이스트가 부착된 자연골재 대비 파쇄성이 높아 다짐 시 시멘트 모르타르가 파쇄되며, 다짐 효과를 증가시킨다고 하였다. 이를 통해 시멘트 모르타르의 비율이 증가하면 다짐시험에서 낮은 최적함수비 대비 높은 최대건조밀도를 보인다고 하였다. 본 연구에서도 선행연구와 같이 시멘트 모르타르를 다량 포함한 시료에서 낮은 최적함수비와 높은 최대건조밀도를 보였다. 이러한 결과는 XRD분석에서도 나타난다. Aqil et al.(2005)의 연구 결과에서 동일한 시멘트 모르타르 비율을 가진 시료라도 더 양질의 시멘트 모르타르를 사용할 경우 더 높은 최적함수비와 최대건조밀도를 가진다고 보고하였다. 이러한 연구 결과와 비교 시 KT-2 시료는 타 순환골재 시료와 비교 시 더 양질의 시멘트 모르타르 성분을 가져 이러한 다짐 특성을 보이는 것으로 분석된다.

3.5 수리 특성 평가

시료의 수리특성을 평가하기 위해 흡수율 시험과 투수시험을 실시하였다. 본 시험은 KS F 2504(Industrial Standards Council, 2020) 잔골재의 흡수율 시험과 KS F 2322(Industrial Standards Council, 2020) 투수시험에 따라 수행되었다. 표준사 대비 상대적으로 미립분이 많은 순환골재 시료는 변수위 투수시험을 사용하여 각 시료의 물리적 특성에 맞게 실험을 수행했다.

3.5.1 흡수 특성

시료의 흡수율을 확인하여 골재 입자의 공극을 확인하고 시료의 흡수율을 산정하여 수리특성 평가에 활용하기 위해 흡수율 시험을 진행하였다. Table 5는 흡수율 시험의 결과를 나타낸 도표이다.

Table 5.

Results of absorption test

Sample KT-1 DH-1 HN-1 HG-1 HG-2 Sand
Absorption rate 0.44 0.23 0.83 0.70 0.79 0.43 (Kang, 2017)

흡수율 실험결과 순환골재 시료의 흡수율은 0.23 ~ 0.83%(평균 0.60%) 범위를 보였다. 본 연구에서 수행된 순환잔골재는 한국토지주택공사에서 제시한 LHCS 11 20 40 10 순환골재(Korea Land and Housing Corporation, 2020)의 잔골재 흡수율 최소 기준인 4.0% 이하와 국토교통부에서 제시한 KCS 44 55 15 골재(Ministry of Land, Infrastructure and Transport, 2023)의 잔골재, 부순 잔골재 기준 3.0% 이하를 모두 만족하는 것으로 나타났다.

Aqil et al.(2005)의 연구에서 서로 다른 모르타르 비율을 가진 순환골재 시료를 분석하여 시멘트 모르타르의 비율에 따른 흡수율을 확인한 결과 더 많은 시멘트 모르타르 비율을 가진 시료에서 흡수율이 증가하였다. 따라서 흡수율이 낮은 DH-1 시료는 타 시료 대비 시멘트 모르타르의 비율은 낮으나 앞서 다짐시험의 결과와 연계 시 낮은 비율 대비 양질의 시멘트 모르타르를 가지는 것으로 분석된다.

3.5.2 시료의 투수 특성

시료의 투수계수는 지반구조물의 투수 침투에 관여하여 안정성에 영향을 주는 요소로 시료가 가진 물리적 특성에 따라 정수위 투수시험 변수위 투수시험을 사용하여 투수계수를 산정할 수 있다. 투수계수를 산정하기에 앞서 Table 2에서 제시된 순환골재와 주문진 표준사의 평균입경 D50을 통해 상대적으로 평균입경이 큰 주문진 표준사는 정수위 투수시험을 사용하였고, 상대적으로 평균입경이 작고 미립분이 많은 순환골재 시료는 변수위 투수시험을 사용하여 투수계수를 산정하였다. Table 6은 투수시험의 결과를 나열한 도표이다.

Table 6.

Results of permeability test

Sample name Coefficient of permeability (cm/s)
KT-1 1.129 × 10-4
DH-1 1.254 × 10-4
HN-1 3.09 × 10-4
HG-1 0.68 × 10-4
HG-2 5.564 × 10-4
JS-1 2.755 × 10-2

투수시험 결과 순환골재의 투수계수는 0.68 × 10-4 ~ 5.565 × 10-4cm/s의 범위로 나타났으며, Table 7의 도표와 비교 시 모래와 실트질 모래 사이의 수치를 보였다. 주문진 표준사의 경우 2.755 × 10-2cm/s로 양질 모래의 수치를 보였다. 또한 순환골재 시료 중에서 0.075mm 이하의 미립분 비율이 가장 적은 HG-2의 투수계수가 높게 나타났다. 이러한 결과는 미립분의 비율에 기인하며, 주로 흡수율이 낮은 시멘트 모르타르로 이루어진 미립분이 골재의 간극을 채워 투수계수를 낮추기 때문에 상대적으로 미립분이 적은 HG-2의 투수계수가 높게 나온 것으로 분석된다.

Table 7.

Permeability of soils (Terzaghi et al., 1967)

Sample Coefficient of permeability (cm/s)
Gravel > 1
Clean sand
Sandy gravel
Fine sand
10-3 to 1
Sand
Dirty sand
Silty sand
10-7 to 10-3
Silt
Silty clay
10-9 to 10-7
Clay < 10-9

3.6 전단강도 특성 평가

본 연구에서는 순환골재와 표준사의 전단강도 비교를 통해 지반공학적 사용성을 검증하고자 직접전단시험을 실시하였다. 해당 시험은 KS F 2343(Industrial Standards Council, 2022)을 참고하여 진행되었으며, 전단 변위 곡선에서 최대 전단응력이 발생한 지점을 파괴로 간주하여 시료의 전단강도를 측정하였다.

Table 8은 직접전단시험의 결과이며, 시료의 내부마찰각과 몰드 내 밀도를 나타낸다. Fig. 7은 각 시료의 전단강도와 수직응력의 관계를 시각화한 그래프이다.

Table 8.

Result of direct shear test

Sample name Avg.density (g/cm3) Friction angle (°)
KT-1 1.40 33.7
DH-1 1.51 43.3
HN-1 1.50 33.3
HG-1 1.30 44.5
HG-2 1.40 47.3
JS-1 1.51 43.0

https://cdn.apub.kr/journalsite/sites/jkges/2025-026-02/N0480260201/images/kges_26_02_01_F7.jpg
Fig. 7

Direct shear test result

시험 결과, 순환잔골재의 마찰각은 33.3° ~ 47.3° 범위를 보이며, 느슨한 모래(30 ~ 35°)에서 조밀한 모래(40 ~ 45°)의 범위에 걸쳐 나타났다. Das(2016) 또한 Table 2에서 제시된 값에서 순환잔골재는 표준사 대비 평균입경 D50의 크기가 상대적으로 작으나 Table 8에서 제시된 순환골재의 마찰각 값은 표준사와 비교 시 전반적으로 유사하거나 높은 경향을 보였다.

이는 순환골재의 입자 형상에 기인하며, Figs. 4 ~ 5에서 SEM 분석으로 촬영한 시료의 형상으로 평가된 원마도 R의 평균값은 순환골재 0.269, 주문진 표준사 0.400으로 순환골재는 표준사 대비 약 32.8% 작은 값을 보이며, 더 모난 형상을 보이기 때문이다. Cho et al.(2006)의 연구에 따르면 이러한 입자의 모난 형상은 입자의 회전과 재배치를 방해하여 전단 저항력을 증대시킨다고 보고하였다. 이러한 선행 연구를 통해 순환골재의 입자 형상이 시료의 지반공학적 특성에 긍정적인 영향을 보임을 확인하였다.

한편, Table 8과 같이 대부분의 순환골재는 표면의 시멘트 모르타르 성분으로 인해 표준사 대비 약 5.9% 낮은 밀도를 보였으나 전단강도 특성은 일반적인 자연사의 내부마찰각 범위를 보였다. 이를 통해 순환골재의 지반구조물 적용 시 동일한 강도에서 더 작은 중량(또는 단위중량)을 가지는 경량골재로서의 사용성을 가질 것으로 분석된다.

4. 결 론

본 연구에서는 순환잔골재의 지반공학적 물성을 확인하기 위해 5개의 순환골재 샘플과 1개의 주문진 표준사를 선정하여 다양한 실내실험을 실시하였다. 이를 통해 순환잔골재의 지반공학적 특성을 평가하고 주문진 표준사와 비교하여 지반재료로써 순환잔골재의 적용성을 평가하였다. 본 연구의 주요 연구 결과는 다음과 같다.

(1) 순환잔골재는 자연사 대비 평균 입경은 약 48.4% 더 작으며, 미립분 함량이 상대적으로 많은 특성을 보였다. 이러한 특성은 골재 표면에 부착된 시멘트 모르타르와 함께 작용하여 투수계수와 흡수율을 낮추는 주요 요인으로 분석된다.

(2) 시료의 형상 확인을 통한 원마도 분석을 통해 시료의 모난 정도를 분석하였다. 또한 순환잔골재의 원마도는 평균 0.269를 보이며, 선행 연구상 파쇄모래의 원마도 평균 0.231에 근사한 수치를 보였다. 이러한 입자의 모난 형상은 입자의 회전과 재배치를 방해하여 전단강도를 증대시킨다.

(3) 순환잔골재의 다짐 특성은 골재에 포함된 시멘트 모르타르의 비율에 따라 다양한 분포를 보이며, 시멘트 모르타르의 비율이 높아질수록 물의 흡수를 방해해 최대 건조밀도를 높이고 최적함수비를 낮추는 현상이 원인으로 분석된다.

(4) 전단강도 특성에 있어 순환골재는 작은 평균 입경에서 일반적인 자연사의 마찰각과 유사한 값을 보였다. 이는 순환잔골재의 모난 형상으로 인해 전단 저항력이 증대되어 낮은 밀도 대비 높은 전단강도를 보인 것으로 분석된다.

본 연구를 통해 순환잔골재는 낮은 밀도에서 자연사와 유사한 전단강도를 발현함으로써 지반 치환 시 경량골재로써 사용성이 높은 것으로 확인되었다. 그러나 다짐 특성에 있어 시멘트 모르타르의 비율에 따라 변동성이 있음을 확인하였다. 이러한 변동성을 줄이고 품질을 향상시키기 위해서는 순환골재 내에 양질의 시멘트 모르타르가 포함되도록 하는 것이 하나의 대안이 될 수 있으며, 이를 위해 시료의 생산 시 재료의 선별 작업이 중점적으로 개선되어야 할 것으로 사료된다. 한편, 본 연구는 제한된 순환잔골재 표본수로 일반화된 결과를 도출하는데 한계가 있다. 따라서 향후 다양한 샘플에 대한 물성검토와 함께 적용 구조물 별 순환잔골재 품질기준 수립 연구가 필요하다.

Acknowledgements

이 성과는 정부(과학기술정보통신부)의 재원으로 한국연구재단의 지원을 받아 수행된 연구임(No. RS-2023-00221184).

References

1

Aqil, U., Tatsuoka, F., Uchimura, T., Lohani, T., Tomita, Y. and Matsushima, K. (2005), Strength and deformation characteristics of recycled concrete aggregate as a backfill material, Soils and Foundations, Vol. 45, No. 5, pp. 53~72.

10.3208/sandf.45.5_53
2

Cho, G. C., Dodds, J. and Santamarina, J. C. (2006), Particle shape effects on packing density, stiffness and strength: natural and crushed sands, Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering, Vol. 132, No. 5, pp. 591~602.

10.1061/(ASCE)1090-0241(2006)132:5(591)
3

Das, B. M. (2016), Principles of geotechnical engineering, 8th SI Editon, Cengage Learning, pp. 424. (In Korean)

4

Industrial Standards Council (2019), Standard test method for sieve analysis of aggregates, KS F 2502, Korean Industrial Standards, pp. 1~5 (In Korean).

5

Industrial Standards Council (2020), Standard test method for density and water absorption rate of fine aggregates, KS F 2504, Korean Industrial Standards, pp. 1~4 (in Korean).

6

Industrial Standards Council (2020), Standard test method for permeability of saturated soils, KS F 2322, Korean Industrial Standards, pp. 1~8 (In Korean).

7

Industrial Standards Council (2022), Test method for direct shear test of soils under consolidated drained conditions, KS F 2343, Korean Industiral Standards, pp. 1~5. (In Korean)

8

Industrial Standards Council (2022), Test method for soil compaction in laboratory, KS F 2312, Korean Industiral Standards, pp. 1~7 (In Korean).

9

Kang, S. T. (2017), Understanding the properties of cement mortar with employment of stone dust considering particle size distribution, Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, Vol. 18, No. 1, pp. 715~723 (In Korean).

10.5762/KAIS.2017.18.1.715
10

Kianimehr, M., Shourijeh, P. T. Binesh, S. M., Mohammadinia, A. and Arulrajah, A. (2019), Utilization of recycled concrete aggregates for light-stabilization of clay soils, Construction and Building Materials, Vol. 227, p. 116792.

10.1016/j.conbuildmat.2019.116792
11

Kim, J. M., Kang, C. and Kim, H. S. (2009), Physical and chemical properties of waste concrete powders originated from the recycling process of waste concrete, Journal of the Korean Recycled Construction Resources Institute, Vol. 4, No. 2, pp. 82~89 (In Korean).

12

Korea Institute of Civil Engineering and Building Technology (2014), A Study on the Measures for Promoting the Use of Recycled Aggregate, Report No. 11-1613000-000638-01, Korea Institute of Civil Engineering and Building Technology, pp. 5~8 (In Korean).

13

Korea Land and Housing Corporation (2020), Recycled Aggregate, LHCS 11 20 40 10, Specification, pp. 6~16 (In Korean).

14

Ministry of Environment (2017), Notification on the Mandatory Use of Recycled Aggregate and Recycled Aggregate Products in Construction Projects, Notification No. 2017-175, Ministry of Environment, pp. 1~5 (In Korean).

15

Ministry of Environment (2022), 2022 National Status of Waste Generation and Treatment, Report No. 11-1480000-001552-10, Ministry of Environment, pp. 8~12 (In Korean).

16

Ministry of Land, Infrastructure and Transport (2021), Quality Standards for Recycled Aggregate, Announcement No. 2021-1852, Ministry of Land, Infrastructure and Transport, pp. 1~2 (In Korean).

17

Ministry of Land, Infrastructure and Transport (2023), Aggregates, KCS 44 55 15, Specification, pp. 4~11 (In Korean).

18

Ministry of Trade, Industry and Energy (2021), K-Circular Economy Implementation Plan for Achieving Carbon Neutrality by 2050 (Draft), Report, Ministry of Trade, Industry and Energy, pp. 1~7 (In Korean).

19

Moreno-Perez, E., Hernandez-Avila, J., Rangel-Martinez, Y., Cerecedo-Saenz, E., Arenas-Flores, A., Reyes-Valderrama, M. I. and Salinas-Rodriguez, E. (2018), Chemical and mineralogical characterization of recycled aggregates from construction and demolition waste from Mexico City, Minerals, Vol. 8, No.6, pp. 237.

10.3390/min8060237
20

Mymrin, V. and Correa, S. M. (2007), New construction material from concrete production and demolition wastes and lime production waste, Construction and Building materials, Vol. 21, No. 3, pp. 578~582.

10.1016/j.conbuildmat.2005.09.007
21

O'mahony, M. M. (1997), An analysis of the shear strength of recycled aggregates. Materials and Structures, Vol. 30, pp. 599~606.

10.1007/BF02486901
22

Park, S. S., Chen, K., Lee, Y. J. and Moon, H. D. (2017), A study on crushing and engineering characteristics caused by compaction of recycled aggregates, Journal of the Korean Geotechnical Society, Vol. 33, No. 12, pp. 35~44. (In Korean)

23

Tavakol, M., Hossain, M. and Tucker-Kulesza, S. E. (2019), Subgrade soil stabilization using low-quality recycled concrete aggregate, In: Geo-Congress 2019. American Society of Civil Engineers, Reston, VA, pp. 235~244.

10.1061/9780784482124.025
24

Terzaghi, K., Peck, R. B. and Mersi, G. (1967), Soil mechanics in engineering practice, John Wiley & Sons, Inc., Canada, pp. 73.

25

Thomas, C., De Brito, J., Gil, V., Sainz-Aja, J. A. and Cimentada, A. (2018), Multiple recycled aggregate properties analysed by X-ray microtomography, Construction and Building Materials, Vol. 166, pp. 171~180.

10.1016/j.conbuildmat.2018.01.130
26

Wadell, H. (1932), Volume, shape, and roundness of rock particles, The Journal of Geology, Vol. 40, No. 5, pp. 443~451.

10.1086/623964
페이지 상단으로 이동하기