■ 건설부산물의 재활용 (폐콘크리트 중심)

오재일/하재인(중앙대학교 건설환경공학과)

1. 서 론

2. 건설부산물, 건설폐기물 정의 및 종류

3. 건설 폐기물 재활용 동향 (일본, 유럽, 미국, 국내)

4. 폐콘크리트의 발생 원인 및 예측

5. 폐콘크리트의 재활용 기술

6. 결론

1. 서 론

국내의 경우를 살펴보면, 건설공사 시 발생하는 건설부산물을 처리할 때 지금까지는 주로 매립에 의존하여 왔다. 하지만 이러한 매립의 경우에도 막대한 수송비와 처분비용으로 인해 최근까지 국내 건설현장에서 발생된 건축폐기물 상당부분이 불법매립, 투기 및 소각과 같이 적절치 못하게 처리되었으며, 특히 IMF 이후 폐기물 업체들의 잇따른 도산으로 간척지 또는 도로변 임야 등에 불법적인 처분이 증가하여 환경의 파괴 및 오염을 가중시키고 지역주민과의 민원발생을 종종 일으켰다(건설폐기물의 처리 및 재활용방안 연구(1), 1997; 이진용, 1998 ). 한편, 과거 2-30년전 고도성장시기에 건설된 많은 공동주택(APT 등)과 업무용 건물 등이 이제는 노후화되기 시작하여 현재 재개발 시점에 이르렀다. 이러한 도시개발의 가속화와 재개발 사업의 급속한 팽창으로 인해 건설부산물은 급격히 증가할 것으로 예상되어 건설부산물 처리 어려움은 더욱 가중될 것이다. 따라서 이들 노후건물의 해체시 발생할 막대한 양의 건설 부산물을 그대로 폐기하는 것은 국가자원의 낭비이며 국토의 오염을 초래할 것이다 (폐콘크리트의 재활용기술 개발방안에 관한 연구, 1996).

건설부산물을 처리하는데 단순매립에 의존하고 있는 우리나라와는 달리 선진 외국의 경우에는 일찍부터 재활용의 중요성을 인식하여 이 분야에 많은 연구실적과 재활용 경험이 축적되어 있다. 이에 반해 우리나라는 최근에 들어서야 이에 대한 관심을 갖기 시작했으나 현재까지 그 실적은 미미한 실정이다. 건설부산물은 본래 무해하고 재자원화 비율이 높은 반면 기술기준이 그다지 높지 않기 때문에 재활용시 그 부가가치는 높다고 할 수 있다. 특히, 폐콘크리트의 재활용은 그 중에서도 부가가치가 높고 수요가 많기 때문에 이의 재생 및 활용방안에 대한 연구는 필수적이다(폐콘크리트의 재활용기술 개발방안에 관한 연구, 1996).

날로 심각해지는 매립장의 부족과 각종 환경규제의 강화로 인하여 건설폐기물 단순매립을 극복하는 새로운 재자원화 방안 돌출은 자원이 부족한 우리나라에 절실히 요구되는 기술이다 하겠다.

2. 건설부산물촵건설폐기물 정의 및 종류

건설부산물이란 토목공사 및 건축공사시 발생하는 잔토, 콘크리트, 아스팔트 등과 같은 재료의 파편촵부스러기 및 이들 공사시 사용되는 각종 포장재, 폐도구 등을 총칭하는 말로써 건설 부산물 = 재활용 또는 재이용 + 건설폐기물 이라는 관계가 성립된다(서성원, 1995). 여기에서 건설폐기물이란 건축공사촵토목공사 및 건설구조물 해체공사에서 배출되는 불요물 혹은 불용물(더 이상 필요하지 않은 물건 혹은 원래의 목적에 맞게 사용할 수 없도록 된 것)을 총칭하는 것으로서, 이것에는 잔토, 콘크리트 폐재, 아스팔트 폐재, 건설오니, 목편, 종이류, 금속류, 폐프라스틱류, 폐유리 및 폐도자기류 등이 포함된다(건설폐기물 처리 및 재활용방안 연구(1), 1997). 건설부산물은 주로 건축물이나 구조물의 해체, 보수 또는 건축물의 신축시에 발생하게 되는데, 신축이나 구조물의 신설시에 배출되는 폐기물의 양은 그다지 많지 않은 반면에, 건축물이나 구조물의 해체시에는 막대한 양의 부산물이 발생하게 된다(서성원, 1995).

미국 EPA(1998) 자료에 의하면 건설 및 해체 부산물(debris)이란 구조물(structures)의 건설, 수리(renovation), 혹은 해체 과정에서 생산되는 폐 재료(waste material)라고 정의했다. 여기서 구조물이란 도로와 교량 그리고 모든 타입(주거용 혹은 비주거용)의 빌딩을 포함한다. 건설 및 해체 부산물(debris)은 일반적으로 무해폐기물로 분류되며 그 종류는 다음과 같다.

● 빌딩관련 폐기물(건설, 해체, 수리)

● 도로관련 폐기물

● 교각관련 폐기물

● Landclearing & inert debris waste

건설공사에서 배출되는 부산물촵폐기물의 종류는 구조별, 용도별 다소간의 차이가 있으나 일반적으로 철근, 철골, 목조건축물에는 신축 및 해체에서도 여러 가지 폐기물이 배출되고 특히 해체에서는 건축물 전체가 불용물이 된다. 다음은 건설공사장에서 발생되는 폐기물 종류이다(국가폐기물관리종합계획, 1996).

● 건설폐재류 (토사/폐콘크리트/폐아스팔트 콘크리트/폐벽돌/폐타일/폐석재/폐기와/폐블럭/     기타 비금속광물자재류)

● 폐목재류 (버팀목/목형틀/폐가구잔재물 등)

● 폐합성수지류 (합성수지자재/스티로폼 등)

● 금속류 (철근/금속자재 등)

● 폐종이류 (포장재/벽지 등)

● 오니류 (굴착오니/침전물 등)

● 폐섬유류 (의류/실/끈 등)

● 소각잔재물 (지정폐기물이 아닌 것)

● 기타 (기타 지정폐기물외의 공사관련 폐기물)

또한 구조물별 건설부산물촵폐기물의 종류는 다음과 같다(건설폐기물의 처리 및 재활용방안 연구(1), 1997).

● RC(Reinforced Concrete), SRC(Steel Reinforced Concrete, 철골 철근콘크리트) 건축

- 신축 : 포장재, 용기, 잔토, 폐거푸집 목재, 석고보도, 금속류, 폐콘크리트류, 모르터,

플라스틱류, 유리 및 도자기류, 섬유류 등

- 해채 : 콘크리트덩이, 철골류, 목재류, 돌 및 벽돌촵블록류, 도자기류, 섬유류, 유리류,

플라스틱류, 섬유류 등

● 콘크리트 구조물

- 신축 : 폐거푸집, 잔토, 폐모르터, 양생시트류

- 해체 : 콘크리트류, 철재류, 방음촵방진시트

● 목조건축

- 신축 : 포장재, 용기, 폐목, 유리 및 도자기류, 플라스틱류, 섬유류

- 해체 : 폐가구촵건구, 목재류(방부목재), 잔토, 아스베스트류, 콘크리트덩이, 유리류 등

● 실드공사 지하연속벽공사 : 건설오니, 불량잔토, 잔여모르터

● 아스팔트포장공사(굴삭, 보수)

- 아스팔트덩이, 노반재, 굴삭잔토, 파이프류, 콘크리트덩이등

● 존설공사 : 침적쓰레기, 준설토사

3. 건설 폐기물 재활용 동향

폐콘크리트 및 아스팔트를 재활용한 농어촌 도로포장 공법의 개발(1), 1995 (참조)

3.1 일본의 건설 폐기물 재활용

일본은 환경문제에 국민적 관심이 높아지면서 1985년 7월에 "시가지토목공사 공중재해방지 대책요강"을 전면적으로 개정하여 신고 항목을 설치하고 잔토와 폐기물에 관한 처리 계획, 위탁 처리, 운반 경로, 운행 관리에 필요한 조치를 강구하였다.

1988년 11월 7-11일 사이에 일본의 일본대학교에서는 철거 폐기물 재활용에 관한 국제 심포지엄(주제: 구조물의 철거 방법과 철거물 재료의 재활용)을 일본 건설성과 RILEM(The International Union of Testing and Research Laboratories for Materials and Structure) 주관 하에 개최하였다. 이 심포지엄에서는 일본 대학의 Kasai 등(1988)을 비롯한 여러 연구자들 논문 총 30편이 발표되었고, 학회 발표 논문을 분석해보면 다음과 같다.

● Methodology and Practice for Recycling Cement Concrete and Demolition Wastes

● Evaluation of Properties and Strength of Recycled Concretes

● Use of Demolished Materials for Road Base Materials

● Use of Recycled Concrete for Concrete Pavement Materials

● Recycling for Reinforced Concrete

한편 잔토 이외의 건설폐기물 대책은 1990년 2월 종합적인 건설폐기물 대책 연구회를 설치하여 환경청, 건설청, 통산성 등 8개 부처의 공동법안으로 1991년 재활용법 및 건설부산물 적정 처리 추진 요강 등을 제정하여 건설부산물 재활용을 추진하였다. 여기에는 건설폐기물에 관한 재활용 내용을 상세히 명시하고 있으며, 일본에서 추진하는 건설폐기물 대책의 3가지의 과제로써 부산물의 발생억제, 리싸이클 추진, 부산물의 적정관리라는 측면을 중점적으로 관리하고 있으며, 그 중에서 리싸이클의 추진에 더 많은 비중을 두고 있다(신희덕, 1993).

일본은 덴마크에서 열린 제 3차 RILEM 심포지엄에도 여러 편의 논문을 발표하였다. 이중 Kasai 는 일본에서 철거된 콘크리트의 재활용에 관한 현재 실태와 재활용 지침 안을 제시하였고, 다른 연구자들 Kikuchi 등(1994), Yagishita 등(1994), Sano 등(1994), Yanagi 등(1994)이 콘크리트의 재활용에 관한 논문을 발표하여 일본의 높은 재활용 관심도를 보여주었다. 이 이외에도 현재 일본에서는 많은 연구와 실용화가 이루어지고 있는 것으로 보고되고 있다.

1994년 4월에는 2000년을 목표로 한 "건설 부산물 대책 행동 계획(재활용계획 21)"을 발표하였으며 그 내용은 다음과 같다.

● 설계의 연구 등에 의한 철저한 발생원 규제

● 공사간의 정보 교환 등에 의한 최대한의 재활용 추진

● 재활용이 곤란한 폐기물의 적정 처리 추진

● 적극적인 기술개발 추진

이 계획은 2000년까지 건설 폐기물을 예측 발생량의 약 10% 감소시키고, 또한 아스팔트 콘크리트 덩이, 콘크리트 덩이의 재활용 율을 1990년의 50%에서 90%로, 건설 폐기물 전체의 재활용 율을 42% 에서 80% 로 증가시키는 것을 목표로 하고 있다. 또한 목표를 달성할 경우에는, 현재와 비교하여 재생 쇄석의 사용량을 년간 4,000 만톤(덤프 330만대 분) 증가시킴으로 자연산 쇄석 사용 절감 등의 효과를 기대하고 있다.

3.2 유럽의 건설 폐기물 재활용

일본과 함께 건설폐기물의 재활용이 잘 추진되고 있는 나라가 독일이다. 독일의 경우 일찍부터 건설폐기물에 대한 재활용촉진대책을 마련하여 시행하였다. 1951년에는 폐벽돌 재활용기준을 고시하여 폐벽돌을 콘크리트골재로 재활용하는데 기여하였다. 서독의 연방통계국의 발표에 따르면 1987년 발생한 산업 및 특수폐기물(Special Waste)은 약 2억 600 백만톤이고 이중 건설업과 관련한 토사, 건설폐기물이 1억 2,000 만톤으로 가장 많아 전체의 60%정도를 점유하고 있다. 산업별 폐기물 발생량에서 건설업이 차지하는 비율은 1977년 54.2 %, 1982년 59.3 %, 1987년 53%등으로 항상 50 % 이상이었다(정명채, 2000).

독일의 Schulz는(1988년) 독일의 폐콘크리 재활용에 관한 논문을 발표하였고, 네덜란드의 Hendricks와 함께 벽돌 파쇄 재료를 재활용하는 연구를 공동 수행하였다. 콘크리트와 달리 파쇄 벽돌로부터 얻어진 골재는 그 특성이 다르다. 따라서 그것의 재활용에 따른 연구는 별도로 취급되었다. 여기서 말하는 벽돌이란 건물의 벽체 재료로 사용된 벽돌, 시멘트 벽돌, 경량 벽돌, 붉은 벽돌 등을 모두 포함하며 경우에 따라서 타일 부스러기도 포함된다. 그들은 결론에서 독일이나 네덜란드에서 벽돌 파쇄 재료를 콘크리트용 재료로 사용할 수 있도록 규정하고 있으나, 사용되는 재료의 다양성 때문에 철저한 시험을 거쳐야 한다고 언급하였다. 또한 그는 독일에서 건물 파쇄물을 콘크리트용 골재로 사용하는 과정을 소개하였다. 독일의 "DIN 4226 Part 2"는 벽돌 재활용 재료에 불순물 한계 치를 규정하고 있다. 벽돌 재활용 콘크리트 단위 중량은 경량 콘크리트와 보통 콘크리트의 중간 정도로 측정되었으며, 수축 계수와 크리프가 큰 것으로 나타났다. 89년 통독 후에는 구동독 지역의 개발과 함께 이 지역으로부터 건설폐재 발생량이 급격히 증가하였다. 통일 후 독일 연방정부는 1990년 "건설폐기물 억제를 위한 목표 결정안"을 마련하여 건설폐기물의 재활용 대책을 강구하였다. 이 대책의 내용을 보면 재활용의 촉진을 위하여 시공자, 건설업자, 관청 등에서 해체 및 건설공사가 체계적으로 연계되도록 하였으며 폐기물의 감량 목표를 설정하여 이의 달성에 역점을 두었다.

다른 유럽국가들의 건설폐기물 재활용 현황을 보면 영국의 Nixson(1978)은 RILEM 기술 위원회 1차 회의 위임으로 콘크리트 재활용에 관한 논문을 Material and Structure에 게재하였다. 여기에서 그는 그간의 여러 연구를 몇 가지 분야로 구분하여 항목별로 분류하였다. 그는 2차대전 직후 1946년 구 소련의 Glushge의 연구와 1946년 독일의 Graf의 연구를 최초의 콘크리트 재활용 사례로 소개하고 있다. 2차 대전 직후 당시의 문헌에 의하면 각종 벽돌이 건축물 재료로 가장 널리 사용되었음을 Nixon(1978)은 기술하고 있다. 하지만 당시에는 이 분야에 대한 깊이 있는 연구가 별로 없었고, 1970년대에 접어들면서 전후 또는 그 이전에 지은 노화된 콘크리트 구조물의 철거와 새로운 건설 물량의 증가와 일부에서의 미래 천연골재의 고갈에 대한 우려가 시작되며서 폐콘크리트를 골재로 사용하기 위한 관심이 증가되었다.

O'Mahony(1991)는 영국의 Milligan과 함께 파쇄 폐콘크리트의 재활용을 위한 연구를 수행하였다. Collins(1994)는 영국에서 해체 폐기물의 약 40 % 가 재활용되고 있으나 그중 대부분은 채움재 등과 같은 저급의 재료로 쓰이며 콘크리트 등과 같은 고급 재료로의 사용은 미약하다고 하였다. 그는 그 이유를 적절한 규정의 부족에 기인한다고 지적하였다. Wainwright 등(1994)은 재생 굵은골재와 잔골재를 사용한 재생 콘크리트의 성능을 고유동화재, Pulverised Fuel Ash(PFA) 및 천연모래를 사용하여 개선하는 연구를 수행하였다.

영국은 매년 2,000 만톤 이상의 건설 폐재가 발생되고 있으며 그 중 콘크리트가 50~55 %, 폐벽돌이 30~40 % 에 달하고 있다. 현재 영국의 경우 대부분의 건설폐기물이 재생골재로 재활용되고 있으며 천연골재의 고갈, 자원 및 에너지 절약의 중요성이 재인식되면서 건설폐기물의 재활용이 증가되고 있다(정명채, 2000).

덴마크는 폐콘크리트를 1929년에 도로포장, 1959년에는 공항에서의 도로포장, 1969년에는 자동차용 도로포장에 활용하였다. 덴마크의 Hansen은 Narud와 1983년에 3편의 연구 논문을 발표하였다. 그 중 하나는 파쇄 콘크리트의 굵은골재로 만든 재생 콘크리트의 강도에 관한 연구이며 나머지 둘은 재생 콘크리트와 Silica Fume, 그리고 Fly Ash를 이용하여 Calcium Silicate 벽돌을 개발한 연구이다. 그는 Silica Fume 을 첨가하여 상당한 압축강도의 증진을 얻었으며 Autoclave 양생 방법을 사용하였다. Hansen의 다른 연구에서는 재생골재의 성질이 본래 콘크리트의 혼화제에 따르는 영향, 재생 콘크리트의 탄성과 건조수축에 관한 연구, 토질의 개질 재료로써 파쇄 잔골재의 재활용에 관한 연구 등이 있다. 그 외에도 덴마크에는 많은 연구자들이 있다. 재활용 재료를 효율적으로 확보 할 수 있는 구조물 해체(Demolition) 방법에 관한 경험적 연구가 Lauritzen과 Jannerup(1994)에 의하여 수행되었다. 또 다른 Hansen(1994)은 벽돌 파쇄물을 전체 다 재활용하는 기술을 제시하였다. 그는 진흙 벽돌과 몰탈을 한꺼번에 900℃ 이상의 고온으로 가열하여 이를 칼슘 실리카질로 변화시켜 재활용에 사용하는 방법을 발표하였다. 이와 유사하게 진흙 벽돌을 다시 구워서 100% 재활용하는 연구를 Kristensen(1994)이 발표하였다. Gottfredsen과 Thogersen(1994)는 악조건 하에서의 콘크리트 재활용에 관한 연구에서 Fly Ash가 알칼리 반응 등을 저지시켜 준다고 보고하였다.

네덜란드의 Barth(1994)는 건설폐기물의 재활용에 따른 경제적, 사회적, 정치적 면에서의 문제점등을 기술하고 있다. 한편 네덜란드의 재활용 규정초안에는 종이, 플라스틱 등 불순물이 중량과 용적으로 1% 미만이어야 한다고 규정하고 있다.

프랑스에서는 1976년 파리근교의 자동차 도로 보조기층과 노반재에 사용된 이후 현재 파리지역에서는 일상적으로 사용되고 있다(정명채, 2000). Marlet와 Pimienta(1994)가 재생 콘크리트의 역학적 특성과 물리-화학적 특성을 연구하였는데 그들은 특히 재생 콘크리트는 건조 수축이 크며, 물의 이동과 탄산화(Carbonation)의 비율도 크다고 지적하였다.

3.3 미국의 건설 폐기물 재활용

Buck(미 육군 공병단 미시시피 연구소)는 콘크리트 재활용 가능성에 과한 실험 논문을 1973년 Highway Research Record에 발표하였다. 그는 불순물이 섞이지 않은 폐콘크리트를 골재 크기로 파쇄 하여 콘크리트용 골재로 사용하였으며, 이 재활용된 콘크리트의 성질을 일반 콘크리트와 비교하였다. Buck는 계속된 그의 연구(1977)에서 재생 콘크리트가 일반 콘크리트보다 같은 물-시멘트 비와 슬럼프에서 낮은 항복 강도와 높은 흡수율을 가지며, 반면에 더 높은 동결 저항성을 보인다는 것을 발표하였다. 그는 이 연구에서 러시아의 Gluzhge의 보고서의 내용을 소개하였는데 그 중 중요한 일부를 보면 다음과 같다.

(1)재생 잔골재의 사용은 시멘트 사용 비율을 크게 증가시킨다.

(2)재생 콘크리트의 압축강도는 일반 콘크리트보다 낮다.

(3)파쇄 콘크리트를 포화되지 않을 정도 적셔서 사용하면 시멘트 비율을 줄일 수 있다.

(4)같은 압축강도에서 재생 콘크리트의 휨 강도가 더 높다.

같은 해 MIT의 Frondistou-Yannas(1977)는 폐콘크리트 재활용의 경제성에 관한 연구를 Itoh와 함께 발표하였다. 여기서 그들은 대부분 대도시 지역에서 15마일 이내의 천연 골재 자원은 고갈되어 가고 있으며 폐콘크리트의 재활용에 의한 재생골재 생산비는 $2/ton 임에 비하여 천연골재의 구입 비는 $3.3/ton 으로 더 높다고 하였다. 또한 그는 굵은골재를 콘크리트 파쇄석으로 대치한 재생 콘크리트의 역학적 성질을 규명한 연구에서 몰탈과 재생골재의 부착력이 일반 콘크리트보다 55-88 % 감소되며, 압축강도는 일반 콘크리트 강도의 76 % 내지 그 이상 그리고 탄성계수는 일반 콘크리트의 60-100 % 정도임을 보여 주었다.

Ray(1978)는 국제 공군 pavement 학회에서 Portland 시멘트 콘크리트 재활용에 관한 각종 사례들을 기술하고 있다. 그 중 한가지는 Washinton D.C. 에서는 2군데의 재활용 플랜트가 설립되었으며 지하철 공사에서 나오는 폐콘크리트를 장거리 운송하여 폐기하는 것보다 이곳에서 재활용 할 수 있도록 덤프하는 것이 경제적이었다는 사례 등을 소개하고 있다. D-균열이 많이 나타난 콘크리트 포장을 재활용한 사업이 1980년 Minesota 주 교통국에 의해서 최초로 시행되었다. 대상은 1955년 건설된 이 주 남부 US-25 도로 16 마일 이었으며, 이 도로는 D-균열에 취약한 석회석 골재를 주로 사용하여 건설되어 많은 D-균열이 나타나 있었다. 그들은 이 포장 콘크리트를 파쇄 하여 재생 굵은골재는 새로 건설되는 포장의 굵은골재로, 그리고 #4번 체 통과 분은 기존 기층의 안정 처리 재료로 사용하였다. 그들은 Fly Ash를 유동하제로 사용하여 수분의 소요량을 줄였다.

미국의 연방도로국은 1980년대 초 중반 포틀랜드 시멘트 콘크리트 포장의 재활용 시범사업(Demonstration Project Program : DP # 47)을 시행하였다. 이 프로젝트는 미국의 Wyoming 주 등 10여개 주가 참여하여 1980년대 중반 성공적으로 끝났다. 연방도로국 소속의 Forster(1986)는 논문을 통하여 비록 재생 콘크리트가 일반 콘크리트보다 성질상 다소 다르기는 하지만 충분한 실험을 통하여 내구성 있고 강한 콘크리트를 제조할 수 있음을 시사하였다.

미국 콘크리트 포장 협회의 Yrajanson(1989)은 그의 보고서에서 콘크리트 포장이 재건설될 때는 언제나 기존 콘크리트의 재활용을 고려해야 하며 이것이 폐기물 처리에 따른 환경적 문제와 골재 구입비를 줄이는 경제적 문제의 해답이 될 수 있다고 하였다. 그는 또한 파쇄 콘크리트를 재생 굵은골재로 사용할 때는 배합에나 Workability에 큰 문제가 없으나 재생 잔골재를 사용 비율이 30 % 가 넘지 않도록 제한할 것을 제시했다. 따라서 잔골재를 모두 천연 잔골재로 사용하거나 제한된 양의 잔골재를 사용할 경우 재생 콘크리트의 강도는 일반 콘크리트의 강도와 유사하다고 하였다.

미국에서는 Pollution Prevention Act(1990)와 폐기물행동지침(Agenda for Action)을 통하여 발생억제와 재활용을 추진 중에 있고, 모든 50개 주에서 재활용법을 제정함과 동시에 처리장에서 처리 및 처분을 금하는 종목을 확대해 가고 있다(신희덕, 1993). Florida 대학의 Kibert(1994)는 미국에서의 콘크리트/벽돌 재활용 과정을 소개하는 논문에서 미국의 재활용 사업은 아직 어떤 국가적인 규정이 정해져 있지 않은 상태이며 주로 환경 영향적으로 타당할 때 행하여진다고 하였다.

3.4. 국내 건설 폐기물의 재활용

선진국에서는 환경과 자원 고갈에 대한 우려 속에 콘크리트 재활용에 대한 기초 연구는 물론 실용화를 위한 연구가 이미 진행되고 있으며, 이를 위해서 제반규정의 제정 및 법제화, 강도 증진을 위한 연구, 철근 콘크리트에의 사용, 콘크리트 뿐 아니라 벽돌의 재활용과 함께 이미 시범 사업으로의 현장타설 및 그 성능 판정의 단계에 들어가 있다. 하지만 국내에서는 1989년 충남대 김무한 교수 등의 논문이 대한 건축 학회에서 발표되었으나, 그 이후 1990년대 초반까지 대외적인 연구 발표는 거의 없었다. 그러나 1990년 초반이후 급격한 관심의 증가와 함께 1994년 1월 환경처와 건설부 통합 고시에 의해 공사비 250억 이상 대형 공사에서 콘크리트 등 건설 폐기물 재활용이 의무화되면서 이에 대한 연구가 증가하고 있다.

김광우 등(1992)은 폐콘크리트 재생 골재의 성능에 관한 연구를 발표하였고, 여기에서 재생 골재와 새로운 몰탈과의 부착 상태 관측을 위하여 재생골재를 염색하여 파괴 후 그 파쇄선을 조사하였고, 재생 콘크리트의 파괴 특성을 고찰하였다. 그리고 재생 콘크리트의 변형 특성과 동결 융해 저항 특성에 대한 연구도 같은 해 발표하였다. 충남대의 김무한 교수 및 청주대의 한천구 교수 연구진(콘크리트 학회 학술 발표, 1993)에 의한 6편의 콘크리트 재활용 연구가 발표되었고, 여기서는 재생 콘크리트를 건축 구조용 콘크리트로 적용함에 있어 타당성 연구, 재생 골재 혼합 조건이 재생 콘크리트의 공학적 특성에 미치는 연구 및 재생 콘크리트의 강도 조기 추정 및 비파괴 실험의 적용성에 관한 연구가 수행되었다. 후에 2편 연구 논문이 더 발표되었으며 이는 재생 콘크리트의 강도 조기 추정 및 품질관리를 위한 비파괴 검사법의 적용성에 관한 것이었다. 또한 배규웅(1993)은 폐콘크리의 재생 및 재활용 방안에 대한 국내외 연구동향을 소개하였다.

김광우 등(1994) 및 김무한 등 (1995)은 Fly Ash를 사용한 재생 콘크리트의 특성에 관한 연구를 발표하였고, 신현국(1994)은 건축폐기물 관리방안을 첨단환경기술지에 발표하였다. 한상욱 등(1995)은 첨단환경기술지에 "건설 폐기물의 실태와 대책 방안"이란 주제로 2회에 걸친 일련의 연구 발표를 게재하였다. 95년에는 낙후된 농어촌 지역에 도로포장을 시행하는데 있어서 폐콘크리트를 재활용하여 건설하는 공법을 개발하기 위한 연구를 농림수산부 주관하에 강원대학교에서 수행하였고, 이봉학 등(1995)은 재생 폐콘크리트의 성능향상에 관한 연구를 하였다.

1996년에는 폐콘크리트 재활용기술 개발방안에 관한 연구를 코오롱건설, 충북대학교, 한국건설기술연구원이 수행하였으며 이에 대한 내용은 폐콘크리트를 도로성토재용 및 시멘트 2차 제품생산에의 활용 방안이었다. 박재로(1996)은 첨단환경기술에 발표한 내용을 통하여 건설폐기물 관리기법을 연구하였다. 김흥열 등(1996)은 재생골재를 사용한 시멘트 벽돌의 제조 및 성능평가에 관한 연구를 하였고, 재생골재의 품질 및 공학적특성을 규명하였다. 이외에 서상교(1996)는 폐콘크리트로부터 얻은 재생 미분말의 재활용 방안을 연구하였다.

박태순과 김무일(1997)은 재생 콘크리트 골재 기층 및 보조기층의 성능 및 특성을 연구하여 재생 콘크리트 골재가 기층 및 보조기층으로 사용되었을 때 발생하는 거동과 안정성을 실내시험과 시험시공을 실시하여 검토하였다. 그 외 정두영(1997)은 건설잔토와 콘크리트 폐재의 처리대책을 논하였다. 김문섭 등(1997)은 재생골재 콘크리트의 역학적 특성에서 압축강도특성을 중심으로 연구하였다.

윤종수와 김영진(1998)은 국내외 지반공학분야에서 폐기물을 어떻게 재활용하고 있는지, 또는 어떤 분야에서 재활용하기 위한 연구가 이루어지고 있는지 살펴봄으로써 폐기물 재활용에 대한 관심을 높이고, 재활용 영역을 넓혔다. 이진용 등(1998)은 재생 콘크리트의 강도발현 및 동결융해 저항성 특성을 연구하여 재생 콘크리트의 각종 강도특성 및 동결융해저항성을 측정하여 폐콘크리트의 재할용에 따라 수반되는 제특성에 관한 연구자료를 제시하였다. 김인배 등(1999)는 폐콘크리트를 이용한 시멘트 벽돌로의 재활용에서 폐콘크리트 파쇄시료를 이용하여 고형화한 시멘트 벽돌을 연구하였다.

4. 폐콘크리트의 발생 원인 및 예측

60-70년대의 도시집중화 및 건축물 수명, 최근의 건설수요 등을 종합적으로 고려할 때 건설폐기물 배출은 꾸준히 증가할 것으로 전망된다. 우리나라는 건물의 기능 및 견고함 보다는 단시간내 많은 주택을 지어 보급하는 풍조로 인해 계속적인 개보수가 필요하다. 서양의 건축물은 외장은 그대로 두고 내장만을 근대화 하는 경우가 많은 반면, 일본이나 우리나라에서는 이러한 노후 구조물을 일단 해체한 후 다른 구조물로 대체하는 경향이 높아 배출량이 더 많다고 한다. 더구나 90년대 들어서 주택개량, 재개발사업이 활발하게 이루어지고 있고, 사회기반시설 확충공사 등으로 인해 건설폐기물 발생량은 더욱 높은 비율로 증가할 것으로 추정된다(건설사업장의 폐기물 관리요령, 1999).

4.1 폐콘크리트 발생 원인

폐콘크리트는 주로 아파트나 도심 빌딩 등의 재개발 사업으로 인한 해체 공사에서 건설부산물에 포함되어 발생하지만 그 외에도 교량과 같은 콘크리트 구조물의 해체와 보도블럭 교체, 전신주 교체, 콘크리트재포장, 도로개보수 사업장에서도 발생한다. 폐콘크리트 발생의 주요원은 다음과 같다(페콘크리트의 재활용기술 개발방안에 관한 연구, 1996).

● 노후 건축 구조물 : 건축적, 구조적 수명이 다한 빌딩 및 공동주택(아파트)의 재건축시에     기존 건물의 해체로부터 폐콘크리트가 다량으로 발생

● 노후 토목 구조물 : 구조물로서 수명을 다하여 해체시 다량의 폐콘크리트가 발생

● 보도 블록 : 파손 또는 새로운 블록으로 교체시 발생

● 전신주 : 노후된 전신주의 교체 또는 전선의 지중화 공사로 인해 발생

● 불량도로 : 고속도로 및 일반도로 재포장시 발생

● 불량제품 : 콘크리트관, 블록, 판넬 등 제작시 하자가 있는 제품으로부터 발생

4.2 발생량 예측

건설폐기물의 발생량을 예측하는 것은 정부, 건설업체 등에 있어서 폐기물관리를 위한 중요한 문제라고 생각된다. 그러나 건설폐기물은 다른 사업장 폐기물과는 달리 그 인식도가 매우 낮고 유해물질이나 본질적 환경오염을 일으킬 위험성이 상대적으로 낮아 공사현장에서의 적체 또는 불법투기가 빈번히 일어나고 있다. 건축촵토목공사가 활발한 봄촵가을철에 혼재된 상태로 다량 배출되고, 공사단계에 따라 종류가 다종다양하며, 폐기물의 발생장소가 일정치 않은 특성을 가지고 있어 타 사업활동에서 배출되는 폐기물에 비하여 아직까지 적정처리 및 재생 이용되는 비율이 낮은 것이 현재의 실정이라 할 수 있다. 또한, 폐기물은 매립 처분하는 비율이 높은 점 등 여러 가지 특성을 지니고 있어, 정확한 발생량 예측을 통하여 처리 및 재활용 계획을 설정하는 데는 큰 어려움이 있다(건설폐기물의 처리 및 재활용방안 연구(1), 1997).

서성원(1995)의 논문에 의하면 건설부산물의 발생량 예측방법은 부산물의 건설공사별 발생량 또는 건설부산물의 종류별 발생량 원단위를 기초로 하여 산정하게 된다. 원단위는 기존의 조사결과를 기초로 하여, 건설부산물을 토목공사, 건축공사 및 해체공사로 분류하여 산정하며, 각각의 활동량 지표로는, 토목공사는 완성공사비, 건축공사와 해체공사는 건축연면적을 사용 한다.

1)해체공사시 발생량 예측방법 건축물의 구조별 발생 원단위에 해체면적을 곱하여 예측하는    방법과 과거 신축시 투입된 자재의 원단위량을 기초로 하여 현재의 해체면적으로부터 추    정하는 방법

2)건축공사시 건설부산물 발생량 예측방법 건축공사에 의해 배출된 혼합폐기물은 건축물의    용도별, 규모별의 원단위에 연면적을 곱하여 예측한다.

일본의 경우 건설부산물의 발생량 예측은 건축활동의 추이와 건설부산물의 원단위로부터 각 년차별 배출량이 예측되며, 그 예측 절차는 다음과 같다(서성원, 1995).

년차별 배출량 예측 = 건설활동의 추이예측 * 건설부산물의 원단위 결정

여기에서 건설활동의 추이를 보면 활동량 지표의 장래 예측을 실시하는 것은 여러가지 인자로 인하여 곤란하므로, 과거의 활동량 지표의 실적을 단순 trend로 예측하고 있다. 즉, 연도와 공사완료액을 각각 독립변수와 종속변수로 놓고 회귀분석하여 각 지역의 건설활동경향을 추정하는 것이다(서성원, 1995).

건설폐기물의 원단위란 건축단위 면적당 폐기물 발생량으로 정의되는데, 이것은 다년간 신축공사시 또는 해체공사시 건축물의 구조별, 종류별 폐기물 발생량의 자료로부터 산출된다. 그러나 원단위는 폐기물 발생량을 간접적으로 예측할 수 있는 자료일 뿐, 그 신뢰도에 대한 문제를 안고 있다. 따라서, 원단위의 신뢰도를 높이기 위해서는 폐기물의 전국적인 발생현황을 파악할 수 있도록 폐기물의 수집운반 및 중간처리, 재활용 등의 일련의 처리체계의 구축은 물론, 각 현장별로 공사규모, 공사기간, 공사금액 및 주요 사용자재 등 관련 자료의 충분한 축적이 요구된다(김현성, 1996).

우리나라의 건설부산물의 원단위를 보면 신축공사현장에서의 혼합폐기물 배출 원단위는, 도급내역에서의 0.018 ton/m2 에 비하여(투입자재물량*할증률로 환산함) 현장 조사한 폐기물처리 반출송장을 기준으로 산출한 값(0.031 ton/m2 )과는 약 1.7배의 차이가 있었다. 재건축현장조사결과 배출 원단위는 일반폐기물 0.0636 ton/m2, 금속류 0.0178 ton/m2, 재활용 목재 0.0082 ton/m2, 아스콘 0.0149 ton/m2, 특정폐기물 0.0123 ton/m2, 재활용 골재 0.7333 ton/m2 등이다(건설폐기물의 처리 및 재활용방안 연구(1), 1997).

서성원(1995)의 연구에서 전체 건축폐기물 발생량 중 가장 많은 양을 차지하고 있는 콘크리트와 벽돌블럭은 매년 발생되는 건축폐기물의 대부분인 약 93%를 차지하고 있으며 목재나 플라스틱, 기타 발생폐기물량은 그 양이 미미한 것으로 나타났고, 대한주택공사 주택연구소(1997) 자료에 의하면 국내 건설폐기물 발생량 중 폐콘크리트 연평균 예상량을 보면 다음과 같다.

- 2001-2005 : 4,674 만톤

- 2006-2010 : 5,674 만톤

이러한 예측은 다른 연구자들의 자료와 유사하다. 이진용(1998)은 국내에서는 매년(1998년 기준) 약 2천만톤의 건설폐기물이 발생하고 있는 것으로 추정되며, 2000년대에는 1998년 2배 이상의 건설폐기물이 발생할 것으로 예상했다. 이외에 김무한 등(1997)이 폐콘크리트의 발생량을 예측한 결과에 의하면 2000년 3,130,000 m3, 2005년 5,333,000 m3 으로 나타났다.

5. 폐콘크리트의 재활용

기술 도시 개발이 가속화되고 건축재개발의 활성화, 지하공간 이용 증대 등으로 한국에도 건설 부산물이 해마다 증가하고 있으며(년간 전체 산업폐기물량의 40 % 이상을 차지), 이에 따른 매립지 확보가 어려워지는 상황 하에서 건설폐기물의 적정처리 및 재활용은 당면 과제중의 하나로 대두되고 있다(신희덕, 1993; 이진용 등, 1998). 건설폐기물의 처리현황을 살펴보면 건설폐기물을 재생처리 하여 성토재, 도로기층재, 보조기층재 등으로 재활용 하는 방식이 주종(58.3%)을 이루고 있으며 나머지는 매립하거나(38.7%), 소각(3.0%) 처리하고 있다. 폐기물의 성상별로 볼 때 재활용률은 금속(81.2%), 콘크리트(71.4%), 토사(62.6%), 아스팔트(55.3%)의 순이다(건설사업장의 폐기물의 관리요령, 1999).

국내 건설폐기물의 자원화는 가정에서 나오는 일반 폐기물이나 다른 사업장에서 발생되는 산업폐기물에 비하여 아직까지는 사회적인 관심이 부족하며, 선별 처리 및 재활용기술의 개발, 보급이 잘 되지 않는 등 폐기물 처리체계가 전반적으로 미흡한 상태이다(정명채, 2000). 한편, 폐콘크리트는 토사, 아스팔트 및 벽돌 등과 같이 건설폐기물에 속하며, 이것은 지자체에서 지정한 건설폐기물 전문 수집촵운반업체 또는 중간처리업체의 적환장으로 반입되어 파쇄촵선별과정을 통해 재생골재, 토사, 미분, 철근, 폐목재 그리고 잡쓰레기로 구분된 후 재생골재와 토사는 유촵무상으로 판매되어 건설현장에서 성토용, 복구용 등으로 처리되고 철근과 목재는 제철회사 또는 제지회사에 판매되어 가공촵재생된다. 그리고 잡쓰레기는 매립장에 반입되어 처분되거나 소각되고 있다(이진용, 1998).

건설폐기물의 재활용 용도는 다음과 같다(정명채, 2000).

● 건축, 토목공사 등 건설공사의 성토재

● 보수공사용

● 도로기층재, 보조기층재

● 포장타르, 아스팔트 혼합용, 도로포장용 아스팔트

● 유화아스팔트

● 파쇄 골재이용

● 건축, 토목공사 자재이용 등

일본의 리싸이클법에 의한 콘크리트괴의 재생자재 구분과 주요용도는 다음과 같다(신희덕, 1993).

● 재생 쇄석 : 도로포장 및 기타 포장의 하층 노반재, 토목 구조물의 충진재 및 기초재건축     물의 기초재

● 재생 콘크리트 모래 : 뒤채움 재료 및 기초재

● 재생입도분리 쇄석 : 기타 포장 상층 노반재

● 재생시멘트 안정처리 노반재료 : 도로포장 및 기타포장의 노반재

● 재생석회 안정처리 노반재료 : 도로포장 및 기타포장의 노반재료

5.1 재생골재 제조

콘크리트 구조물의 해체시 가장 많이 얻어지는 콘크리트덩이는 주로 철근을 포함한 폐콘크리트로 구성되어 있고, 이외에 소량의 폐기물을 함유한다. 따라서 폐콘크리트를 재활용하기 위해 이것을 파쇄하면 철근이 분리되고 굵은골재와 잔골재로 구분된다. 또한 재생골재 생산시스템 구성은 생산시설에 투입되는 폐콘크리트의 질, 최종적으로 생산 계획하는 골재의 크기, 요구되는 재생골재의 품질과 파쇄장비에 투입되는 폐콘크리트의 크기, 파쇄장비의 특성 등에 따라 알맞게 변경되어야 한다(이진용, 1998).

일반적으로 폐콘크리트를 분쇄 양질의 재생골재를 만들기 위해서는 분쇄기의 기종선정을 중요시하며, 성능은 가능한 한 폐콘크리트 내의 골재를 손상시키지 않고 시멘트 페이스트와 모르터의 부착을 적게 하는 것이 좋다. 파쇄는 처음에 기계적 분리를 하는데 1차 파쇄와 2차 파쇄로 나누어 진다. Jaw Crrusher 등의 굵은골재 1차 파쇄기로 15 cm 정도 이하로 파쇄하면서 자선기에 의한 철근의 제거, 인력에 의한 폐목재촵폐섬유촵폐플라스틱 등을 제거한 후 20-40 mm 의 체로 분리한다. 그 다음에 파쇄용 Impact Crusher 에 의해 파쇄입자의 형태나 입도 분포가 개선된다(이진용, 1998). 두번째는 화학적 분리로 각종산은 시멘트 경화체를 침식시킨다. 시멘트는 산화물과 알칼리 화합물로 이루어져 있으므로 산과 만나면 침식을 받게 된다. 침식률을 결정하는 주요 화학적요인은 산의 종류, 농도와 이에 상응하는 pH Value 그리고 Cementitious Binder와 반응시 생성되는 칼슘염의 가용성(Solubility)과 그 분리정도에 따라 달라진다(조윤선, 1994).

폐콘크리트를 재활용한 재생골재는 여러 가지 품질상의 제약으로 인하여 주요 건설재료로 이용하기에는 한계가 있으며, 이들의 물성을 개선하지 않고 콘크리트의 제조에 재이용할 경우 수밀성, 내구성, 압축강도, 탄성계수, 건조수축, 크리이프 등이 천연골재를 사용한 콘크리트와 다르게 나타날 것으로 예상된다. 따라서 폐콘크리트를 재생골재로 재이용하기 위해서는 우선 재생골재의 품질성능에 대한 규명이 선행되어야 하고, 이를 근거로 재생골재를 건축공사에 재활용할 경우 품질확보 및 품질향상에 관한 기술개발이 이루어져야 한다(김문섭 등, 1997).

폐콘크리트의 재활용율은 파쇄 후 대량생산되는 재생골재의 활용기술에 달려있다. 재생골재를 활용하기 위해서는 우선 재생골재의 품질범위를 알아보고, 이것의 특징을 밝히는 것이 필요하다(이진용, 1998).

흡수성

보통골재와 비교해서 재생골재의 가장 다른 물리적 특성은 높은 흡수성이다. 재생골재의 흡수율은 원콘크리트의 품질과는 관계없이 천연골재에 비하여 1.8-4.5 배에 이르고, 그 범위는 굵은골재는 흡수율이 약 3.6-8.0 % 이며, 잔골재는 약 8.3-12.1 % 정도이다. 이것은 원골재 입자에 붙어 있는 오래된 모르터의 높은 흡수율 때문인 것으로 간주된다. 일본에서 제안된 재생골재와 재생 콘크리트 사용에 의하면 재생골재는 흡수율이 굵은골재의 경우 7 %, 잔골재의 경우 13 % 이내의 골재만 사용하도록 규정하고 있다.

밀도

최근 연구 결과에 의하면 재생 굵은골재의 밀도는 2,290-2,510 kg/m3 이고 재생 잔골재는 2,190-2,320 kg/m3 로서 천연골재에 비하여 약 200 kg/m3 정도 낮은 것을 조사됐다. 그 이유는 원골재 입자에 붙어 있는 오래된 모르터의 낮은 밀도 때문에 낮아진 것으로 간주된다. 그러나 재생 콘크리트의 밀도는 원콘크리트의 다양한 물과 시멘트의 비율에는 영향을 받지 않는 것으로 나타났다.

마모감량

재생 굵은골재의 마모감량 범위는 22.4-41.4 % 로서 원콘크리트의 압축강도가 높으면 낮아지고, 압축강도가 낮으면 반대로 높아지는 경향이 있다. ASTM(American Society for Testing and Materials)의 규정 C-33 에 의하면 골재는 마모손실 백분이 50 % 를 넘지 않으면 콘크리트제품에 사용될 수 있으며, 영국표준시방서(BS)(88,1201 Part 2, 1973)에 의하면 골재는 표면 마모가 콘크리트 제품일 경우 30 %를 넘지 않거나 다른 콘크리트에서는 45 % 를 넘지 않으면 사용될 수 있다고 되어있다.

오염물질

재생골재의 불순물 함유량에 관한 많은 연구가 다양한 방법으로 이루어지고 있으며, 또한 천연골재와 재생골재에 부착되어 있는 다양한 오염물질이 콘크리트의 강도에 영향을 미치는 연구를 발표하였다. 골재에 넣어지는 회반죽, 흙, 나무, 탈구된 석고, 아스팔트, 페인트등의 오염물질이 콘크리트의 강도 15 % 감소를 나타내었다. 그러나 타일이나 유리조각 불순물은 재생 콘크리트 압축강도에 미치는 영향은 미미한 것으로 나타났다.

안정도

황산을 이용한 골재 안정도 시험에 의하면 무게손실을, 굵은골재는 18 %, 잔골재는 15 %까지로 규정하고 있으나, 재생골재 시험결과 굵은골재는 18-59 % 이고, 잔골재는 7-21 % 로서 ASTM에 정한 규정을 많이 초과한다.

김동환(1996)은 폐콘크리트를 골재로 사용한 재생골재 콘크리트가 콘크리트 구조물에 사용될 수 있는 강도를 확보할 수 있도록 산업부산물(고로슬래그, Bottom Ash, Fly Ash, 폐콘크리트분말)을 이용하여 폐콘크리트용 고강도 시멘트몰탈을 개발하는 연구를 하였다. 이 논문에 의하면 콘크리트의 압축강도에 있어서 재생골재 콘크리트는 재령 7일에 202 kg/cm2, 보통 콘크리트는 재령 7일에 206 kg/cm2 이었다. 재령 28일에는 재생 콘크리트가 311 kg/cm2, 보통 콘크리트는 282 kg/cm2 로서 재생골재 콘크리트가 보통 콘크리트에 비하여 약 10 % 증가되었다고 한다. 그러므로 산업부산물(고로슬래그, Bottom Ash, Fly Ash, 폐콘크리트분말)을 이용하여 특별히 제조된 새로운 시멘트몰탈을 재생골재에 적용하였을 때, 재생골재 콘크리트가 보통 콘크리트보다 강도가 증가되었음을 알 수 있었다.

Topcu(1997)의 연구에서도 콘크리트덩이를 jaw crusher를 이용하여 부순 후, 이들 골재의 비율을 증가시키면서 콘크리트를 만들어서 실험을 수행하였다. 이 실험의 결과를 보면 재생골재를 사용한 콘크리트는 그렇지 않은 콘크리트보다 슈미트 경도(Schmidt hardness)와 초음파 검사가 조금 떨어지지만 사전에 흡수능력(absorption capacity)과 대략적인 강도만 안다면 보통 콘크리트는 물론 고강도 콘크리트에도 사용하는 것이 가능하다고 보고했다.

이진용 등(1998)은 폐콘크리트로부터 생산된 재생 굵은골재를 쇄석골재 대신에 콘크리트에 활용하기 위하여 재생 콘크리트의 각종 강도특성 및 동결융해저항성을 측정하여 폐콘크리트의 재활용에 따라 수반되는 제반특성에 관한 연구를 하였다. 결과를 보면 재생 콘크리트는 재생 굵은골재 대체율이 증가할수록 압축강도 및 휨강도는 저하하였으나, 플라이애쉬를 혼입한 경우에는 보통 콘크리트에 비교하여 장기강도가 향상되었다. 재생 콘크리트의 휨/압축강도비가 보통 콘크리트에 비하여 낮기 때문에 비록 동등한 압축강도인 경우 재생 콘크리트의 휨강도가 보통 콘크리트에 비하여 낮았다. 재생 콘크리트 물촵시멘트비가 0.5 보다 낮은 0.4 인 경우가 동결융해저항성이 우수한 것으로 관찰되었고 재생 굵은골재 혼입량이 증가할수록 보통 콘크리트보다 동결융해저항성이 증가 하였다. 이는 재생골재 혼입에 따른 공기량이 증진하고, 이들 공극이 동결융해에 내부응력을 이완시켜주는 역할을 하기 때문인 것으로 생각된다. Fly ash의 사용은 재생 콘크리트의 장기 강도 향상에는 유리한 것으로 나타났으나 조기강도 감소와 동결융해저항성의 현저한 저하를 가져오는 것으로 나타났다. 이는 미세 분말의 플라이애쉬 입자가 공극을 메워 동결융해저항성을 크게 저하시키기 때문인 것으로 보여진다.

재생골재는 형상이 쇄석상이기 때문에 전반적으로 입형이 불량하고 골재자체의 모르터분에 의해 흡수율이 큰 점 등 골재의 특수성으로 인하여 보통 콘크리트와는 상당히 다른 특성을 지닌다. 다음은 재생 콘크리트의 특성이다(이진용, 1998).

단위수량

재생골재는 흡수율이 높고, 골재 입형이 나쁘기 때문에 일반적으로 Workability가 나쁘게 되는 경향이 많아 보통 콘크리트에 비하여 동일 슬럼프를 얻기 위해서는 단위수량이 많아지는 경향이 있다. 일반적으로 12 cm 이하의 저슬럼프의 콘크리트에서는 콘크리트의 종류에 의한 단위수량의 차이가 적지만, 18 cm 이상의 고슬럼프의 콘크리트에서는 많은 차이를 보인다. 이와 같이 콘크리트의 단위수량이 많아지는 것은 콘크리트의 건조수축에 의한 균열을 발생시키는 원인도 되기 대문에 된비빔 콘크리트의 사용, 유효한 고성능 감수제의 사용 등에 의해 가능한 한 단위수량을 저감시키는 것이 바람직하다.

공기량

재생 콘크리트는 보통 콘크리트에 비하여 공기량을 많이 포함하고 있다. 그 이유는 재생골재의 입형이 나쁘기 때문에 잠재공기량이 많고, 골재자체의 공극이 크기 때문이다.

블리딩

재생 콘크리트는 보통 콘크리트에 비하여 단위수량이 크기 때문에 당초 블리딩이 커질 것으로 예상했지만 시험결과 오히려 작은 값을 나타냈다. 김무한(1993)의 연구에서도 재생 콘크리트의 블리딩양은 물촵시멘트비 60% 보다 40% 에서 현저히 적게 나타나고 있으며, 또한 재생골재의 대체율이 증가함에 따라 블리딩양은 감소하는 경향을 시험결과에서 얻었다.

압축강도

재생골재를 사용한 콘크리트는 보통 콘크리트에 비하여 8-32 % 정도 압축 강도가 낮았다. 재생골재의 대체량이 많아질수록 강도가 낮아지고, 양생기간이 길어질수록 강도차이가 많아지는 것을 발견하였다.

탄성 계수

재생골재는 비교적 낮은 탄성계수를 갖는 구모르터가 원골재 주위에 존재하므로 인해, 재생 콘크리트의 탄성계수는 원골재를 사용한 동종 콘크리트보다 낮다. 재생 콘크리트의 탄성계수는 대체율과 물 시멘트비에 따라 다르나, 약 15-40 % 정도 낮은 것으로 조사됐다.

크리이프

재생 콘크리트의 크리이프는 기존의 천연 굵은골재와 잔골재를 사용하여 제작한 보통 콘크리트보다 50% 높은 것을 발견하였다. 이것은 크리이프가 콘크리트속에 함유된 모르타르의 함유량에 비례하여 증가하기 때문으로 분석된다.

건조수축

일반적으로 모든 재생 콘크리트의 건조수축량은 동일한 천연골재로 생산한 콘크리트보다 배합비나 재생골재의 종류에 관계없이 약 50% 상승하였으며, 분쇄한 골재중 저급의 모르터 성분이 있는 재생골재를 사용하여 생산한 콘크리트보다 3배 정도 건조수축이 증가하였다. 재생 콘크리트의 건조수축은 천연골재를 전부 사용한 콘크리트의 건조수축보다 14-95 % 정도 많은 건조수축이 발생하는 것을 발견하였다.

내구성

재생 콘크리트의 흡수율은 보통 콘크리트의 흡수율보다 약 3배 증가한다. 이것은 천연 콘크리트와 잔골재가 혼합하여, 보통 콘크리트내에서 비교적 밀실한 매트릭스를 형성하는 반면에, 재생 콘크리트는 상대적으로 밀실한 매트릭스안에 분포된 재생골재사이의 많은 공극이 흡수성을 저하시키는 것으로 간주된다.

동탄성계수특성

Fly ash를 혼입하지 않고 물촵시멘트비가 0.4로 일정한 경우 재생 굵은골재 대체율이 증가할수록(0, 20, 40, 60, 80, 100 %) 상대동탄성계수는 높아졌으며, 또한 재생 굵은골재를 100 % 대체하고 물촵시멘트비가 0.4인 경우 동결융해 사이클 수는 물촵시멘트비가 0.5인 경우보다 다소 높은 것으로 나타났다(이진용 등, 1998).

동결융해와 밀접한 관계가 있는 공기량 측정시험에서도 재생 콘크리트의 공기량은 재생 굵은골재량이 증가할수록 증가하였다. 동결융해 사이클의 변화에 따른 콘크리트의 특성은 변화한다. 이것은 콘크리트의 표면에 균열 이외에 부풀어 오르는 현상(Swelling)이 나타나거나 부분적으로 껍질이 벗겨지는 현상(Scaling)등의 상태 변화가 나타나기 시작하기 때문이다. 대부분의 경우 동결촵융해로 인해 표면에 균열이나 Swelling 등이 발생하기 시작하면 오래지 않아 공시체의 동탄성계수가 급격히 떨어져 초기치의 60 % 이하가 되거나 또는 완전 파괴되어 더 이상 동탄성계수의 측정이 불가능하게 된다(이진용 등, 1998).

그리고 동일한 물촵시멘트 비에서 보통 콘크리트보다 재생 굵은골재 대체율이 비교적 높은 콘크리트(40, 60, 80 %)에서 표면의 상태 변화가 늦게 발생하였다. 또한 물촵시멘트비가 0.5인 콘크리트에서 보면 재생 굵은골재 대체비율이 낮은 콘크리트와 비교하여 재생 굵은골재로만 만든 콘크리트의 표면에 상태 변화가 늦게 발생하였다. 따라서 재생 굵은골재가 대체된 콘크리트의 동결융해 저항성이 상대적으로 높은 것을 알 수 있다(이진용 등, 1998).

이외에 서상교(1996)은 콘크리트폐재의 재처리과정에서 발생한 미분말을 재활용 할 수 있는 방안을 연구하였다. 재생미분말(0.15 mm 이하 크기의 입자, 이하 미분말이라고 한다.)은 재생과정에서 20-30 % 정도 발생하는 것으로 알려져 있다. 이 연구에서 몰탈을 구성하고 있는 재료중 특히 모래의 일부로서 미분말을 혼합하였을 경우, 대체가 가능한지의 조사하였다. 조사는 미분말을 잔골재의 일부로서 치환하였을 경우, 몰탈의 품질특성인 flow test, 압축강도, 휨강도, 건조수축 및 질량감소등에 미분말 치환량의 변화가 어떠한 영향을 주는가 하는 것을 검토하였다. 결과를 보면 다음과 같다.

Flow test와 블리딩

미분말을 표준사의 3%까지 치환한 경우에는 1:2 표준몰탈의 flow test보다 약간 커졌다가 7 % 에서 동등한 값을 나타냈다. 그러나 15 % 이상의 미분말을 혼입한 재생몰탈의 경우에는 1:2 표준몰탈과 비교해서, flow test는 미분말 혼입량의 증가와 함께 점차적으로 저감되는 경향을 나타냈다. 한편, 블리딩현상을 관찰한 바에 의하면 기간이 경과함에 따라 블리딩수는 미분말의 치환량이 많으면 많아질수록 1:2 표준 몰탈에 비해 작아지는 경향이 있었다. 따라서 표면마감 작업을 실시할 때는 블리딩수를 고려하여 표면마감작업의 조절 할 필요가 있다.

압축강도

압축강도 시험결과 재령 7, 14, 28, 90일 모든 양생기간동안에 강도의 발현성상은 양호한 편이었다. 초기 양생기간 7 일의 압축강도의 경우에는 치환량 20 % 까지 1:2 표준 몰탈의 강도와 거의 동등한 값을 나타내었다. 하지만 14일 이후의 압축강도는 1:2 표준몰탈의 압축강도에 비해 미분말의 치환량이 증가함에 따라 작아지는 경향을 나타냈다. 그 이유는 치환량이 증가함에 따라 미분말의 표면에서 흡수 현상이 일어나게 되므로 미분말을 혼입한 몰탈의 유동성이 약간씩 나빠진 결과이며, 또한 미분말을 혼입함에 따라 공극(Pore)이 증가했기 때문으로 생각된다.

휨 강도

미분말 혼입몰탈의 강도는 1:2 표준몰탈과 비교해서 7, 28일 재령시의 휨강도의 발현성상은 양호한 편이었다. 미분말 치환율 7 % 까지의 휨강도는 1:2 표준몰탈의 강도와 거의 같은 정도였으며, 15 % 이상 혼합시에는 약간 저해된다.

건조수축 및 질량감소률

미분말을 혼입한 몰탈의 건조수축은 1:2 표준몰탈과 비교하여, 미분말 치환량의 증가와 함께 건조수축이 비례해서 건조수축의 결과와 비슷한 양을 나타냈다. 그 이유는 비빔에 쓰여야 될 물이 재생 미분말의 표면에서 흡수되었다가 양생 도중에 서서히 증발하므로, 그 수량분 만큼 수축하거나 중량의 감소가 일어난 것으로 생각된다. 건조수축 및 질량감소는 모두 초기에 크게 일어났다.

5.2 벽돌(시멘트 벽돌) 제조

건축폐기물의 재활용 기술개발 방안의 하나로서 상당량을 차지하는 폐콘크리트의 효율적 재활용방안 구축을 위해서 폐콘크리트를 파쇄한 후 얻어지는 재생골재를 콘크리트 2 차 제품인 시멘트벽돌에 활용하기 방법이다(김흥열 등, 1996). 기존의 시멘트벽돌의 투입재료를 보면 시멘트, 모래와 부순 돌을 사용하고 있는데 부순 돌은 약 10 mm(평균 7-8 mm) 이하의 골재를 사용하고 있으며, 시멘트와 부순 돌의 연결재 기능을 가지는 모래는 비교적 굵은 입도의 왕사(최대입도 10 mm)를 사용하고 있다. 이러한 재료의 물리적 특성을 보면 부순 돌의 경우 제품의 골격재로 콘크리트에서의 굵은골재와 동일한 역할로서 상당한 체적을 차지하며 제품과 뼈대를 구성하는 입자로서 사용되고 있으므로 기존에 투입되는 부순 돌과 대체하여 사용하는 것이 적절할 것으로 판단된다. 다음은 시멘트 벽돌의 성능시험 결과이다(김흥열 외, 1996).

치수 및 허용오차

KS 규정에는 치수 및 허용오차는 길이, 나비, 두께에 상관없이 +3 에서 ? mm 의 범위로 규정하고 있는데 실험결과 KS 허용오차를 만족하는 것으로 나타났다. 그러나 재생골재를 사용한 시멘트벽돌의 경우는 기존 시멘트벽돌의 경우보다 허용오차가 다소 높게 나타나고 있는데 이는 재생골재에 포함되어 있는 미립분의 영향에 의해 혼합시료가 성형기에 다소 불규칙적으로 투입되었고, 성형기의 진동과 압축조건이 기존 시멘트벽돌을 기준으로 작동되었기 때문으로 판단된다.

흡수율

KS 규정에는 20 % 이하 인데 기존 시멘트는 11-14.4 % 수준이었고 재생골재를 사용한 시멘트벽돌의 경우는 13.4-15.6 % 의 수준을 보이고 있어 품질기준에 적합한 것으로 나타났다. 약간의 차이는 재생골재에 포함되어 있는 미립분이 흡수율을 높이기 때문이라 판단된다.

압축강도

KS 규정에는 80 kg/cm2 이상으로 규정하고 있다. 재생골재 시멘트벽돌은 압축강도 187-235 kg/cm2 의 값을 보여, 기존 시멘트벽돌의 압축강도 149-208 kg/cm2 에 비하여 높은 값을 보이고 있으며 품질기준에 적합한 것으로 나타났다. 압축강도가 높게 나타나는 이유는 재생골재에 포함되어 있는 미립분이 골재와 골재사이의 공극을 밀실하게 채워주고 있다고 판단된다.

다음은 재생골재 시멘트 벽돌의 현장적용 성능시험 결과이다(김흥열 등, 1996).

단위용적중량

구조물의 자중경감과 경량화에 영향을 미치는 인자이다. 기존 시멘트벽돌의 경우 단위용적중량의 값은 2.06-2.14 t/m3 이고 재생골재 시멘트벽돌의 경우 2.13-2.16 t/m3 의 값을 보이고 있어 비슷한 수준을 나타냈다.

단열성능시험

재생골재 시멘트벽돌의 단열성능 평가에서 열전도율은 0.95-1.07 kcal/mh℃ 로 나타났는데 이는 기존 시멘트벽돌의 열전도율 1.2 kcal/mh℃ 와 비슷한 수준을 보이고 있어 기존 시멘트벽돌과의 대체 사용이 가능할 것으로 판단된다.

동결융해시험

한국산업규격(KS)에는 시멘트벽돌에 대한 동결융해시험기준이 설정되어 있지 않기 때문에 KS F 2456의 급속 동결융해에 대한 콘크리트의 저항 시험방법에 의거하여 실험하였다. 실험결과 일반 시멘트 벽돌과 재생골재 시멘트 벽돌 모두 파손 및 균열의 유무에 이상이 없는 것으로 나타나 동결융해에 대한 저항성이 큰 것으로 나타났다.

조적벽체의 압축강도시험

기존 시멘트벽돌에 대한 벽체의 압축 강도는 58-86 kg/cm2, 재생골재를 사용한 시멘트벽돌에 대한 압축강도는 87-105 kg/cm2 의 값을 보여 재생골재 시멘트벽돌의 벽체 압축강도가 높은 값을 나타내고 있다. 이유는 재생골재 시멘트벽돌의 단위별 압축강도가 기존 시멘트벽돌에 비하여 높기 때문이다.

내화성능 비교촵분석 실험

두 종류의 벽돌벽체 모두 가열 종료시까지 구조강도상 해롭다고 인정되는 변화는 발견되지 않았다.

차음성능

저주파인 125 Hz 대역에서의 음향투과 손실은 기존 시멘트벽돌벽체는 38.17 dB, 재생골재 시멘트벽돌벽체는 34.77 dB 로 나타났다. 고주파 2Hz 기존 시멘트벽돌벽체는 68.90 dB, 재생골재 시멘트벽돌벽체는 65 dB 로 나타났다. 전체적으로 보면 모두 차음성능이 우수한 것으로 나타났다.

김인배 등(1999)은 폐콘크리트 파쇄시료를 이용하여 고형화한 시멘트 벽돌을 XRD(X-Ray Diffractometer), SEM(Scanning Electron Microscope) 분석하고 pH 변화를 조사하여 고형화 효과에 미치는 영향과 고화재 첨가량 및 수분 함량 변화에 따른 밀도의 변화가 고형화에 미치는 영향을 파악하여, 고화체의 경화반응 메커니즘을 연구하였다. 즉 건설폐기물을 활용, 시멘트 벽돌로의 이용시 함수량 15 % 이하에서는 고화재 첨가량이 많을수록 건조밀도는 증가하며, 건조밀도의 증가에 비례하여 압축강도도 증가하지만 함수량 15 % 이상에서는 건조밀도가 감소하고 이에 따라 압축강도도 감소한다. 따라서 최대건조밀도와 최대압축강도 값을 나타내는 최적함수량은 15% 이다. 또한 최적함수량 15 % 에서의 pH 변화는 양생일수 14, 21일에서 가장 높았으며, 양생일수 21일 이후에는 점차 감소하였다. 이는 양생일수 14, 21일에 수화반응 물질에 의해 가장 활발히 수화반응이 일어난 것이다. 결론적으로 건설폐기물의 시멘트벽돌로의 재활용시 최적함수량은 15% 이며, 양생일수는 21일이 가장 적당하다.

5.3 도로의 기층 및 보조 기층 골재로 이용

1980년대부터 미국과 유럽의 여러나라에서 재생 콘크리트 골재를 도로의 기층 및 보조기층, 콘크리트 골재로 활용하기 위한 노력이 검토되어 오고 있다. 국내 일부 도로 포장공사에도 재생 콘크리트를 사용하여 기층 및 보조기층으로 시공한 실적이 있으나, 재생 콘크리트 골재의 우수성에 비하여 시공실적은 매우 미흡한 실정이다. 그 이유로는 도로 개통후 발생하는 지속적인 교통하중의 작용, 지하수위의 변동 및 강우로 인한 골재의 수침 등 시공 후에 발생하는 환경적인 요소에 대하여 기층 및 보조기층으로 사용된 재생 콘크리트 골재가 우수한 공학적인 성질을 유지할 수 있을 것인가에 대하여서는 많은 의문점이 있으며, 시간 변화에 따른 성능변화 시험자료 및 현장측정 자료가 미비하였던 것이 한 원인이었다(박태순, 김무일, 1997).

이러한 점을 감안하여 박태순, 김무일(1997)은 재생 콘크리트 골재가 기층 및 보조기층으로 사용되었을 때 발생하는 거동과 안정성을 실내시험과 시험시공을 실시하여 검토하였고 결과는 다음과 같다.

● 처짐시험결과 표층처짐의 경우 재생 콘크리트 골재 사용구간 대 혼합골재 구간 처짐량      차이가 거의 발생하지 않는 것으로 분석되었으며, 노상의 조건도 재생 콘크리트 골재 구     간과 혼합 골재 구간이 동일하게 분석되었다. 이 분석으로부터 재생 콘크리트 골재가 혼     합골재와 마찬가지로 상부에서 작용하는 교통하중을 기층 및 보조기층으로 적절하게 분     산 배분시키고 있다는 것을 알 수 있으며, 노상의 조건도 전구간이 동일한 조건을 보이     고 있었다.

● 콘크리트포장의 하중전달 효율과 특성을 분석하기 위해서 간접분석 방법중의 하나인 상     대강성반경(radius of relative stiffness)을 사용하였고, 재생 콘크리트 골재 시공구간과      혼합 골재 시공구간을 비교분석한 자료를 보면 재생골재로 시공된 구간과 일반쇄석골재     로 시공된 구간의 하중전달 효율과 특성이 동일한 것으로 분석되었다.

이를 바탕으로 재생골재로 시공된 도로구간이 상부하중을 지지하는데 필요한 콘크리트의 상대반경이 일반쇄석골재의 상대반경과 유사하여 포장시스템을 지지하는 주요한 요소인 기층 및 보조기층으로 사용될 수 있다.

보통 재생골재를 보조기층이나 기층 등에 재활용하는 경우에는 1차 파쇄 후에 체를 통과시킨 파쇄물과 2차 파쇄 후의 파쇄물은 품질이 달라 별도로 취급하는 경우가 많다. 이것은 1차 파쇄후의 체 통과분에는 그때까지의 공정에서 제거 불가능한 미세한 이물질이 함유되기 때문이다. ASTM(American Society for Testing and Materials)의 규정 C-33 에 의하면 도로공사 목적으로 분쇄한 골재들은 보통 마모감량 손실값이 40 % 까지 규정하고 있다(이진용, 1998).

6. 결론

환경문제에 대한 법규의 강화와 각종 환경단체의 활동으로 인하여 건설폐기물의 적정처리와 재활용에 대한 업계의 관심이 고조되고 있으며, 전세계적으로는 초 국가적인 GR(그린라운드)의 등장 등으로 선진국형 법적 규제의 강화에 따라 각 현장에서는 발생 폐기물의 분리수거 및 소각로 등을 설치하여 각종 건설폐기물의 감량화 및 현장환경관리 방안을 수립하여 환경문제에 적극적으로 대비해야 하는 시대가 도래했다. 또한 골재원의 장기적인 수급대책을 세우지 않는다면 2천년대에는 골재수입이 불가피하게 될 것이라는 평가가 나오고 있으며, 건설교통부에 따르면 우리나라의 골재부존량은 1백31억3백 m3 로 이용가능한 물량은 하천골재 20억6천5백만 m3, 바닥골재 8억3천6백만 m3, 산림골재 8억6천7백만 m3 등 39억6천3백만 m3 로 전체부존량의 31 % 에 해당된다. 그나마 실제 채취가능량은 민원, 토지이용제약 등으로 매년 감소 추세이고 현실적인 채취량은 20억 m3 뿐인 것으로 추정되고 있다. 또한 각종 대형 사업으로 인하여 골재의 소요가 매년 증가될 전망이므로 이로 인해 재생 골재의 이용이 불가피한 현실이다. 이렇게 부족한 매립장과 건설공사의 골재 자원부족에 시달리는 우리나라는 건설폐기물의 재활용을 통한 감량화와 폐기물 발생을 억제하는 건설공정의 도입이 건설폐기물에 대한 가장 이상적인 대책이라고 생각된다(정명채, 2000).

콘크리트괴(덩어리)는 파쇄하여 재이용이 가능하며, 이는 골재자원의 부족현상을 극복할 수 있는 방편이 되기도 한다. 콘크리트덩이 중에서 조골재 및 세골재로 분류하여 재이용하는 것은 자원의 유효이용을 위해서 필요하며, 이들 골재를 골라 내기 위해서는 시멘트를 용이하게 분리하는 기술과 분리된 미분말의 재이용 용도 개발, 동시에 경제성 분석 등의 체계적 시스템 확립이 필요하다. 폐콘크리트의 직접 매립은 많은 문제점을 유발할 수 있다. 먼저 폐콘크리트는 공극률이 커서 쓰레기층으로의 우수침투량 증가로 인한 침출수 발생량이 증가한다. 또한 매립에 따른 복토재 수요증가와 건설폐기물 매립으로 인한 토지활용성 문제점의 발생이다. 그러므로 폐기물 총발생량의 30~40 %를 점하고 있는 건설폐기물의 재생이용은 매립지 사용연한을 늘릴 수 있다는 측면에서 아주 중요하다.

선진국에서 환경과 자원고갈에 대한 우려 속에 폐콘크리트 재활용에 대한 실용화 연구가 이미 많은 성과를 거두고 있으며, 재생골재 및 재생 콘크리트의 품질향상을 위한 많은 연구가 이루어지고 있다. 또한 일부 국가에서는 시험사업으로 현장 타설 및 그 성능판정의 단계에 들어가 있다. 그러나 우리나라는 선진국에 비하여 재활용 기술이 많이 뒤떨어져 있고, 발생억제의 기본이 되는 발생량, 처리, 재활용 등 현황조사가 부족하고, 대비책도 원론적이다. 폐콘크리트의 활용기술에 대한 연구가 일부 산업체와 대학(동아건설, 코오롱건설, 충남대학교, 강원대학교, 청주대학교)의 연구에도 불구하고, 발생억제의 기본이 되는 발생량, 처리, 재활용 등 현황조사가 잘 되지 못하였고, 폐콘크리트를 재활용하는 기술이 선진국에 비하여 현저히 떨어져 있다. 따라서 선진국 수준의 재활용율을 높이기 위해서는 많은 연구와 현장적용실험이 필요하다. 이와 같은 문제들은 해결하기 위해서 우선적으로 재생골재의 품질기준을 정하고, 재활용을 하는 시공업체에게 경제적인 인센티브를 보장해 주며, 발주자 또는 관리 감독자에게도 경제적 또는 사회적 인센티브를 주는 것이 필요하다. 그리고 정부 주도의 재활용 모델사업을 여러 차례 실시하여 기술적 문제를 해결하고, 불법투기 근절, 경제성, 개발과 보급, 공급물량 확보, 수요처 확보, 홍보, 끊임없는 기술개발, 용도 확대 등의 수단이 집합되어야 대량 활용의 길이 열릴 것으로 생각된다(이진용, 1998).

건설폐기물의 발생원에서부터 최종처리까지 종합적인 방안의 마련 및 실시를 통하여 적정처리 및 재활용 등을 꾀함으로써 자원 및 에너지 절약, 환경보전적 건설산업을 이루어야 할 것이다.

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