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문제 정의
- 이 연구의 목적은 콘크리트 배합에서 CO2 배출량을 비교적 쉽게 예측하고, 이를 바탕으로 목표 압축강도와 CO2배출 저감양에 대한 혼화재의 첨가 및 단위 결합재 양을 결정할 수 있는 방법을 제시하는 것이다. 콘크리트 CO2배출량의 평가는 국가 전과정 목록(life cycle inventory, LCI) 데이터베이스5)에 기반하여 각 구성재료의 생산과 레미콘 공장까지의 운송, 그리고 콘크리트의 생산과 현장까지의 운송 등을 고려하였다.
가설 설정
- 2)Water drawn from Han-river is used for concrete mix.
- 운반단계에서의 CO2 배출량을 산정하기 위하여 레미콘 공장의 위치는 서울 방배동으로 가정하였다. 시멘트는 전남 담양, 굵은골재와 잔 골재는 경기도 광주와 인천, FA는 경남 하동, GGBS는 전남 광양, 실리카 퓸(silica fume, SF)은 인천, 혼화제는 평택에서 운송됨을 가정하였다. 물은 상수도를 통해 조달되므로 운송수단을 통한 평가는 무시하였다.
- -kg/km·kg)이다. 운반단계에서의 CO2 배출량을 산정하기 위하여 레미콘 공장의 위치는 서울 방배동으로 가정하였다. 시멘트는 전남 담양, 굵은골재와 잔 골재는 경기도 광주와 인천, FA는 경남 하동, GGBS는 전남 광양, 실리카 퓸(silica fume, SF)은 인천, 혼화제는 평택에서 운송됨을 가정하였다.
제안 방법
- 결합재의 환경영향을 분석하기 위한 지표로서 Damineli 등6)에 의해 제시된 콘크리트 단위 압축강도(1 MPa) 발현을 위한 결합재 양과 그때의 CO2 배출량을 나타내는 결합재 지수 및 CO2 지수를 이용하였다. 궁극적으로 결합재 지수와 CO2 지수의 상관관계 모델에서 혼화재의 종류와 치환율의 영향을 고려함으로서 혼합 시멘트 콘크리트의 CO2 저감률을 확인하였다.
- 배출 저감양에 대한 혼화재의 첨가 및 단위 결합재 양을 결정할 수 있는 방법을 제시하는 것이다. 콘크리트 CO2배출량의 평가는 국가 전과정 목록(life cycle inventory, LCI) 데이터베이스5)에 기반하여 각 구성재료의 생산과 레미콘 공장까지의 운송, 그리고 콘크리트의 생산과 현장까지의 운송 등을 고려하였다. 결합재의 환경영향을 분석하기 위한 지표로서 Damineli 등6)에 의해 제시된 콘크리트 단위 압축강도(1 MPa) 발현을 위한 결합재 양과 그때의 CO2 배출량을 나타내는 결합재 지수 및 CO2 지수를 이용하였다.
- 콘크리트 환경설계에 중요하게 이용될 수 있는 CO2 저감에 기반한 혼화재의 설계를 위하여 결합재 지수와 CO2 지수 개념을 이용하였다. 3240개의 실험 데이터들에 대한 회귀분석으로부터 콘크리트의 결합재 지수와 CO2 지수의 평가식을 제시하였으며, 이를 이용하여 목표 압축 강도와 CO2 저감율을 만족시킬 수 있는 단위 결합재 양및 각 혼화재(플라이애쉬, 고로슬래그 및 실리카 퓸 등) 의 치환율을 비교적 간단하게 결정할 수 있다.
- 혼화재가 콘크리트의 CO2 배출량에 미치는 영향을 평가하기 위하여 국내 논문집(대한건축학회, 한국콘크리트 학회 및 한국건축시공학회 등) 및 레미콘 사를 중심으로 콘크리트 배합 및 28일 압축강도에 대한 데이터베이스를 구축하였다. 실험 데이터베이스는 모두 3240개의 배합을 포함하고 있는데, 이 중 결합재로서 OPC는 2464 배합, OPC+FA는 481 배합, OPC+GGBS는 92 배합, OPC+FA+ GGBS는 23 배합, OPC+SF는 131 배합, OPC+FA+SF는 46 배합, 기타 3 배합이다(Fig.
대상 데이터
- 배출량에 미치는 영향을 평가하기 위하여 국내 논문집(대한건축학회, 한국콘크리트 학회 및 한국건축시공학회 등) 및 레미콘 사를 중심으로 콘크리트 배합 및 28일 압축강도에 대한 데이터베이스를 구축하였다. 실험 데이터베이스는 모두 3240개의 배합을 포함하고 있는데, 이 중 결합재로서 OPC는 2464 배합, OPC+FA는 481 배합, OPC+GGBS는 92 배합, OPC+FA+ GGBS는 23 배합, OPC+SF는 131 배합, OPC+FA+SF는 46 배합, 기타 3 배합이다(Fig. 2). 재령 28일 압축강도의 범위는 OPC 콘크리트의 경우 7.
- 이 중 건설 활동에 관련된 데이터는 약 60여 개로서 일본(약 130여개) 등의 선진국에 비해 적은 상황이다. 이 연구에서 고려된 Fig. 1의 시스템에서 각 재료 및 운반에 대한 LCI 는 기본적으로 국내 데이터5)를 이용하였다. 콘크리트 생산단계에서의 CO2 배출량인 CO2−P는 플랜트 가동을 위해 소비되는 전력, 유류, 가스 양 등으로부터 평가될 수있으며, 계절에 따라 다소 변동이 있다.
- 콘크리트 플랜트의 CO2 배출계수에 대한 국내 LCI 데이터베이스는 아직 마련되지 않았기 때문에 이 연구에서는 일본토목학회9) 에서 제시하는 데이터목록을 이용하였다. 재료 중에서도 FA와 GGBS는 일본토목학회9)의 자료를 이용하였으며, SF는 CEN10) 자료를 이용하였다.
- 또한 콘크리트 구조물의 사용연한 동안 탄산화를 통해 흡수되는 CO2 양도 고려될 필요가 있지만 공기에 노출된 콘크리트 면적 및 CO2 농도 등의 평가가 필요하므로 무시하였다. 즉 이 연구에서 고려된 시스템은 요람에서부터 현장에서의 타설 직전까지의 단계로서 구성재료, 운반, 콘크리트 생산 등에서 배출되는 CO2 양을 포함하였다. 이 연구에서 고려된 시스템은 구조물의 사용연한을 고려하지 않기 때문에 내구성도 포함 하지 않는다.
- 콘크리트 생산단계에서의 CO2 배출량인 CO2−P는 플랜트 가동을 위해 소비되는 전력, 유류, 가스 양 등으로부터 평가될 수있으며, 계절에 따라 다소 변동이 있다. 콘크리트 플랜트의 CO2 배출계수에 대한 국내 LCI 데이터베이스는 아직 마련되지 않았기 때문에 이 연구에서는 일본토목학회9) 에서 제시하는 데이터목록을 이용하였다. 재료 중에서도 FA와 GGBS는 일본토목학회9)의 자료를 이용하였으며, SF는 CEN10) 자료를 이용하였다.
데이터처리
- 배출량은 콘크리트 압축강도 및 이에 따른 단위 결합재 양과 혼화재 치환율에 의해 영향을 받았다. 이를 고려하여 콘크리트의 CO2 지수를 간단하게 예측하기 위한 모델에서 결합재 지수 및 각 혼 화재의 치환율의 영향을 주요 변수로 비선형 회귀분석을 수행하였다. 혼화재가 치환되지 않았을 경우에는 단순히 Ci에 대한 Bi만의 영향을 고려하였으며, 각 혼화재 치환율의 영향은 Fig.
이론/모형
- 콘크리트 CO2배출량의 평가는 국가 전과정 목록(life cycle inventory, LCI) 데이터베이스5)에 기반하여 각 구성재료의 생산과 레미콘 공장까지의 운송, 그리고 콘크리트의 생산과 현장까지의 운송 등을 고려하였다. 결합재의 환경영향을 분석하기 위한 지표로서 Damineli 등6)에 의해 제시된 콘크리트 단위 압축강도(1 MPa) 발현을 위한 결합재 양과 그때의 CO2 배출량을 나타내는 결합재 지수 및 CO2 지수를 이용하였다. 궁극적으로 결합재 지수와 CO2 지수의 상관관계 모델에서 혼화재의 종류와 치환율의 영향을 고려함으로서 혼합 시멘트 콘크리트의 CO2 저감률을 확인하였다.
- 따라서 단위 압축강도(1 MPa) 의 발현을 위한 결합재 양 및 이에 따른 CO2 양이 평가될 필요가 있다. 이 연구에서는 Damineli 등6)이 제시한 결합재 지수(Bi)와 CO2 지수(Ci)를 이용하여 결합재의 환경성능을 평가하였다.
성능/효과
- 우리나라는 1919년도에 시멘트 공장의 설립과 함께 1970년대 이후 확장기를 거쳐 1990년대 후반에는 세계 5위권에 달하는 시멘트 생산국으로 도약하였다.1) 1998년도에는 년간 6000만 톤을 초과하는 생산능력을 보유하면서 2000년도 이후 연간 평균 시멘트 소비량은 5000만톤에 달하고 있다. 이에 따라 국내 시멘트 산업은 이전의 성장기반을 발판으로 성숙기에 접어들었다고 평가되고 있다.
- 1) 결합재 지수는 혼화재의 치환에 관계없이 콘크리트 압축강도의 증가와 함께 감소하면서 5 kg/m3·MPa-1에 수렴하는 경향을 보였다.
- 2) CO2 지수도 콘크리트 압축강도 증가와 함께 감소하였다. 동일 혼화재 치환율에서는 플라이애쉬 치환이 고로슬래그 치환보다 높은 CO2 지수 값을 나타내었다.
- 3) CO2 지수와 결합재 지수는 각 혼화재들의 치환율을 변수로 선형관계로서 모델링될 수 있었다. 또한 결합재 지수도 콘크리트 압축강도 및 각 혼화재들의 치환율을 변수로 선형관계로 제시될 수 있었다.
- 3) LCI data given in JSCE are referenced wherever Korean LCI database is unavailable.
- 2) 또한 일반적으로 시멘트 산업에서 배출되는 CO2 양은 전세계 배출량의 약 7%로 평가되고 있다.3) 시멘트를 제조할 때 배출되는 CO2 배출은 일반적으로 석회석의 탈탄산 과정, 화석연료 연소, 분쇄 시 소모되는 전력및 발전기 가동을 위한 기름 연소 등에 기인한다. 석회석의 탈탄산 과정에서 발생되는 CO2는 시멘트 제조 시 배출량의 약 59%를 차지하며, 석회석의 소성 시 화석연료 연소로 인한 CO2 발생양은 약 31%를 차지한다.
- 지수 개념을 이용하였다. 3240개의 실험 데이터들에 대한 회귀분석으로부터 콘크리트의 결합재 지수와 CO2 지수의 평가식을 제시하였으며, 이를 이용하여 목표 압축 강도와 CO2 저감율을 만족시킬 수 있는 단위 결합재 양및 각 혼화재(플라이애쉬, 고로슬래그 및 실리카 퓸 등) 의 치환율을 비교적 간단하게 결정할 수 있다. 비록 제안된 모델에서 콘크리트 CO2 평가 시스템은 건축물의 사용연한 및 폐기를 고려하고 있지 않으며, 운반에 의한 CO2 배출량도 콘크리트 공장 및 재료공급자 위치에 따라 약간 변동이 있을 수 있다.
- 4) 이들 노력 중고로슬래그(ground granulated blast-furnace slag, GGBS) 나 플라이애쉬(fly ash, FA)와 같은 산업부산물을 활용한 혼합시멘트의 사용은 일반적으로 현장에서 쉽게 접근할수 있는 방법이다. 더구나 GGBS나 FA의 사용은 천연자원 보존 및 산업부산물의 재활용이라는 부가적인 효과도 기대할 수 있다.
- 4) 콘크리트의 CO2 배출량 저감을 위한 혼화재로서 효율성은 실리카 퓸, 고로슬래그, 플라이애쉬 순으로 나타났다. 시멘트 콘크리트 대비 CO2 저감율을 20% 이상 달성하기 위해서는 고로슬래그 30% 이상, 고로슬래그 20%와 플라이애쉬 10% 이상, 또는 고로슬래그 10%와 플라이애쉬 25% 이상의 치환이 요구되었다.
- 이는 콘크리트 단위 압축강도(1 MPa)를 발현시킬때 배출되는 CO2 양은 OPC+FA+GGBS 결합재가 가장 작게 있음을 의미한다. OPC+FA+GGBS 콘크리트의 Ci값은 OPC 콘크리트에 비해 fck가 20MPa일 때 약 40% 감소하며, fck가 100 MPa일 때 약 50% 감소하였다. 한편, 플라이 애쉬나 실리카 퓸을 치환한 콘크리트의 Ci값은 OPC 콘크리트에 비해 낮았는데, 그 저감율은 약 12% 이내였다.
- 결합재 지수의 감소속도는 fck가 약 60 MPa 이상에서 점차 완화되면서 혼화재 치환에 관계없이 Bi의 값은 5 kg/m3·MPa-1에 수렴하는 경향을 보였다.
- 감소기울기는 fck가 60 MPa 이상에서 다소 완만하였으며 OPC 콘크리트의 경우 약 5 kg/m3·MPa-1에 수렴하였다. 동일 fck에서는 OPC의 Ci값이 가장 높았으며, 플라이애쉬와 고로슬래그가 치환된 콘크리트의 Ci값이 가장 낮았다. 이는 콘크리트 단위 압축강도(1 MPa)를 발현시킬때 배출되는 CO2 양은 OPC+FA+GGBS 결합재가 가장 작게 있음을 의미한다.
- 또한 추세선의 감소기울기는 혼화재 치환율이 약 30% 이상에서 다소 완만하여지는데, 이는 혼화재 치환율이 증가할수록 단위 시멘트 양의 증가와 함께 콘크리트 CO2 배출량 저감율이 다소 둔화됨을 의미한다. 동일 혼화재 치환율에서는 OPC+FA 콘크리트가 OPC+GGBS 콘크리트에 비해 높은 Ci값을 보였으며, 치환율이 25% 이하일 때 OPC+SF 콘크리트의 Ci값이 가장 낮은 경향을 보였다. 따라서 OPC 콘크리트의 CO2 저감을 위해서는 혼화재로서 FA보다는 GGBS와 SF가 더 효율적이라고 판단된다.
- 일반적으로 혼화재의 치환율이 증가할수록 콘크리트의 Ci값은 감소하였는데, 실험결과들의 추세선으로부터 결정된 그 감소기울기는 콘크리트 강도에 의한 영향이 매우 미미하였다. 또한 추세선의 감소기울기는 혼화재 치환율이 약 30% 이상에서 다소 완만하여지는데, 이는 혼화재 치환율이 증가할수록 단위 시멘트 양의 증가와 함께 콘크리트 CO2 배출량 저감율이 다소 둔화됨을 의미한다. 동일 혼화재 치환율에서는 OPC+FA 콘크리트가 OPC+GGBS 콘크리트에 비해 높은 Ci값을 보였으며, 치환율이 25% 이하일 때 OPC+SF 콘크리트의 Ci값이 가장 낮은 경향을 보였다.
- 3240개의 실험 데이터들에 대한 회귀분석으로부터 콘크리트의 결합재 지수와 CO2 지수의 평가식을 제시하였으며, 이를 이용하여 목표 압축 강도와 CO2 저감율을 만족시킬 수 있는 단위 결합재 양및 각 혼화재(플라이애쉬, 고로슬래그 및 실리카 퓸 등) 의 치환율을 비교적 간단하게 결정할 수 있다. 비록 제안된 모델에서 콘크리트 CO2 평가 시스템은 건축물의 사용연한 및 폐기를 고려하고 있지 않으며, 운반에 의한 CO2 배출량도 콘크리트 공장 및 재료공급자 위치에 따라 약간 변동이 있을 수 있다. 하지만 운반거리의 변동에 의한 CO2 배출량의 차이는 매우 미미하며, 콘크리트 CO2 배출량의 80% 이상이 시멘트에 기인하고 있다.
- 57승)하며, 동일 압축강도에서는 혼화재의 첨가에 의해 영향을 받는다. 즉, 동일 압축강도의 OPC 콘크리트 단위 결합재 양에 비해 OPC+FA 콘크리트는 1.05~1.16배 많은 양을, OPC+GGBS 콘크리트는 0.98~1.03배로서 상당히 비슷한 양을, OPC+SF 콘크리트에서는 0.79~0.94배로서 낮은 경향을 보였다. 식 (6)에서와 같이 각 혼화재 치환율의 영향을 개별적으로 적용하면 압축강도(단위 =MPa)와 혼화재 치환율의 영향을 고려한 Bi는 다음과 같이 선형적으로 모델링될 수 있다.
- 단위 결합재 양의 범위는 OPC 콘크리트의 경우 150~1067 kg/m3이며, OPC+SCM 콘크리트의 경우에는 234~1067 kg/m3이다. 플라이애쉬, 고로슬래그, 실리카퓸의 최대 치환율은 각각 70%, 69% 및 30%이었다.
- 9에 나타내었다. 플라이애쉬만을 이용하여 치환하였을 때가 GGBS 및 SF의 치환에 비해 CO2 저감율이 낮았으며, SF 만을 이용하여 치환하였을 때가 CO2 저감에 가장 유리 하였다. Igcc(international green construction code)11)에서는 건축물에서 전과정 평가에 의한 CO2 저감율을 동일 규모의 기준 건축물 대비 20% 이상을 요구하고 있다.
후속연구
- 하지만 운반거리의 변동에 의한 CO2 배출량의 차이는 매우 미미하며, 콘크리트 CO2 배출량의 80% 이상이 시멘트에 기인하고 있다. 따라서 CO2 저감을 위한 콘크리트 혼화재 설계에 대한 이제안모델은 연구 및 레미콘 공장 등의 실용적 측면에서 중요하게 이용될 수 있을 것으로 기대된다.
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