혼화재로서 고로슬래그가 콘크리트의 전과정 환경영향에 미치는 효과를 정량적으로 평가하기 위하여, 3395개의 실내 배합 및 1263개의 레미콘 배합을 분석하였다. 콘크리트의 환경영향을 평가하기 위한 전 과정 평가 방법을 요약하면, 1) 고려된 시스템 경계는 요람에서 시공 전단계까지이며, 2) 재료, 운송 및 콘크리트 생산에서의 환경부하 평가는 국가 생애주기 데이터목록을 주로 기반으로 하였으며, 3) 환경부하는 분류화, 특성화, 정규화 및 가중치 단계를 거쳐 정량적인 환경영향 지표로 환산되었다. 콘크리트 전과정 환경영향은 주로 지구 온난화, 광화학 산화생성물 및 무생물 자원고갈의 세 범주로 분류될 수 있었다. 또한, 콘크리트의 환경영향 지표들은 주로 보통 포틀랜드 시멘트의 양에 의해 결정되었으며, 고로슬래그 치환율의 증가와 함께 감소하였다. 이를 고려하여, 콘크리트의 환경영향 지표들은 단위 결합재 양 및 고로슬래그 치환율의 함수로 간단하게 모델링 될 수 있었다.
혼화재로서 고로슬래그가 콘크리트의 전과정 환경영향에 미치는 효과를 정량적으로 평가하기 위하여, 3395개의 실내 배합 및 1263개의 레미콘 배합을 분석하였다. 콘크리트의 환경영향을 평가하기 위한 전 과정 평가 방법을 요약하면, 1) 고려된 시스템 경계는 요람에서 시공 전단계까지이며, 2) 재료, 운송 및 콘크리트 생산에서의 환경부하 평가는 국가 생애주기 데이터목록을 주로 기반으로 하였으며, 3) 환경부하는 분류화, 특성화, 정규화 및 가중치 단계를 거쳐 정량적인 환경영향 지표로 환산되었다. 콘크리트 전과정 환경영향은 주로 지구 온난화, 광화학 산화생성물 및 무생물 자원고갈의 세 범주로 분류될 수 있었다. 또한, 콘크리트의 환경영향 지표들은 주로 보통 포틀랜드 시멘트의 양에 의해 결정되었으며, 고로슬래그 치환율의 증가와 함께 감소하였다. 이를 고려하여, 콘크리트의 환경영향 지표들은 단위 결합재 양 및 고로슬래그 치환율의 함수로 간단하게 모델링 될 수 있었다.
To quantitatively evaluate the influence of ground granulated blast-furnace slag (GGBS) as a supplementary cementitious material on the life-cycle environmental impact of concrete, a comprehensive database including 3395 laboratory mixes and 1263 plant mixes was analyzed. The life-cycle assesment st...
To quantitatively evaluate the influence of ground granulated blast-furnace slag (GGBS) as a supplementary cementitious material on the life-cycle environmental impact of concrete, a comprehensive database including 3395 laboratory mixes and 1263 plant mixes was analyzed. The life-cycle assesment studied for the environmental impact of concrete can be summarized as follows: 1) the system boundary considered was from cradle to pre-construction; 2) Korea life-cycle inventories were primarily used to assess the environmental loads in each phase of materials, transportation and production of concrete; and 3) the environmental loads were quantitatively converted into environmental impact indicators through categorization, characterization, normalization and weighting process. The life-cycle environmental impacts of concrete could be classified into three categories including global warming, photochemical oxidant creation and abiotic resource depletion. Furthermore, these environmental impacts of concrete was significantly governed by the unit content of ordinary portland cement (OPC) and decreased with the increase of the replacement level of GGBS. As a result, simple equations to assess the environmental impact indicators could be formulated as a function of the unit content of binder and replacement level of GGBS.
To quantitatively evaluate the influence of ground granulated blast-furnace slag (GGBS) as a supplementary cementitious material on the life-cycle environmental impact of concrete, a comprehensive database including 3395 laboratory mixes and 1263 plant mixes was analyzed. The life-cycle assesment studied for the environmental impact of concrete can be summarized as follows: 1) the system boundary considered was from cradle to pre-construction; 2) Korea life-cycle inventories were primarily used to assess the environmental loads in each phase of materials, transportation and production of concrete; and 3) the environmental loads were quantitatively converted into environmental impact indicators through categorization, characterization, normalization and weighting process. The life-cycle environmental impacts of concrete could be classified into three categories including global warming, photochemical oxidant creation and abiotic resource depletion. Furthermore, these environmental impacts of concrete was significantly governed by the unit content of ordinary portland cement (OPC) and decreased with the increase of the replacement level of GGBS. As a result, simple equations to assess the environmental impact indicators could be formulated as a function of the unit content of binder and replacement level of GGBS.
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문제 정의
이 연구의 목적은 콘크리트 배합에서 GGBS가 혼화재로서 OPC를 치환하여 사용될 경우 환경영향에 미치는 효과를 정량적으로 평가하는 것이다. 콘크리트의 환경영향 평가는 ISO 14040 시리즈9)에서 제시하는 전과정 평가프로세스를 기반으로 하였으며, 환경영향 평가지표는 환경부10)에서 제시한 “한국형 환경영향평가지수 방법론”에 근거하였다.
이 전과정 평가(life-cycle assessment, LCA)의 목적은 콘크리트의 배합조건 및 압축강도에 따른 환경영향 크기를 평가하고, 혼화재로서 GGBS가 그 환경영향 크기에 미치는 효과를 정량화하는 것이다. 콘크리트의 기능단위는 1 m3이며, 시스템 경계는 콘크리트 구성요소들인 원재료들의 채취(요람)에서부터 현장에서의 타설 직전까지 단계11)로서 구성재료, 운반, 콘크리트 생산 등으로부터의 대기 배출물, 수계 배출물, 고형 배출물 등을 고려하였다.
가설 설정
5톤 트럭을 적용하였다. 생산된 콘크리트는 6 m3 용량의 레미콘 트럭에 의해 현장까지 운반되며 운반거리는 운반시간 1시간 이내를 고려하여 30 km로 가정하였다.
운반단계에서의 환경영향을 산정하기 위하여 레미콘 공장의 위치는 서울 방배동으로 가정하였다. 시멘트는 전남담양, 굵은골재와 잔골재는 각각 경기도 광주와 인천, GGBS는 전남 광양, 혼화제는 평택에서 운송됨을 가정하였다. 물은 상수도를 통해 조달되므로 운송에서의 투입과 배출물은 무시하였다.
콘크리트 생산 공정기술의 경계는 표준기의 레미콘 생산공정을 적용하였다. 운반단계에서의 환경영향을 산정하기 위하여 레미콘 공장의 위치는 서울 방배동으로 가정하였다. 시멘트는 전남담양, 굵은골재와 잔골재는 각각 경기도 광주와 인천, GGBS는 전남 광양, 혼화제는 평택에서 운송됨을 가정하였다.
제안 방법
GGBS가 콘크리트의 환경영향에 미치는 영향을 평가하기 위하여 국내 논문집(대한건축학회, 한국콘크리트학회 및 한국건축시공학회 등) 및 레미콘 사를 중심으로 콘크리트 배합 및 28일 압축강도에 대한 데이터베이스를 구축하였다. 이 데이터베이스는 모두 3395개의 실내배합과 1263개의 레미콘 배합을 포함하고 있다(Fig.
GGBS가 콘크리트의 전과정 환경영향 크기에 미치는 영향을 실내배합 3395개와 레미콘 배합 1263개의 데이터를 활용하여 정량적으로 평가하였다. 고려된 경계시스템은 원재료들의 채취(요람)에서 시공 전 단계까지이며, 환경부하량은 국가 생애주기 데이터목록에 기반하여 계산되었다. 환경부하들은 분류화, 특성화, 정규화 및 가중치 단계를 거쳐 정량적인 환경영향 지표로 환산되었다.
콘크리트의 전과정 산성화, 부영향화 및 인간독성의 크기는 무시할 만큼 작았다. 따라서 이 연구에서는 콘크리트의 환경영향에 대한 GGBS의 효과를 지구온난화, 무생물자원고갈 및 광화학 산화물생성 관점에서 분석하였다. 한편, Yang 등15)에 의해 제시된 바와 같이 콘크리트의 환경에 대한 효율성은 소요 압축강도 및 내구연한에 대한 전체 결합재 소비측면에서 정의될 필요가 있다.
콘크리트 배합에 대한 데이터베이스(3395개의 실험실 배합 및 1263개의 레미콘 배합)를 바탕으로 콘크리트 전과정 환경영향(주요 범주인 지구 온난화, 광화학 산화물생성 및 무생물 자원고갈)의 크기를 정량적으로 산정할 수 있는 평가 모델을 제시하였다. 또한 콘크리트 배합에서 이들 환경영향의 목표 감소율에 대해 GGBS의 치환율을 결정할 수 있는 설계용 차트를 제시하였다.
분류화는 목록분석에서 도출된 목록항목들을 해당 영향범주로 모으는 과정이다. 이 연구에서는 환경영향 범주를 Table 3에 나타낸 바와 같이 무생물 자원고갈, 지구온난화, 광화학산화물 생성, 산성화, 부영양화 및 인간독성의 6개로 분류하였다.10) 특성화는 목록항목이 영향범주에 미치는 영향을 정량화하는 단계로서 식 (1)에 의해 평가될 수 있다.
콘크리트의 환경영향 평가는 ISO 14040 시리즈9)에서 제시하는 전과정 평가프로세스를 기반으로 하였으며, 환경영향 평가지표는 환경부10)에서 제시한 “한국형 환경영향평가지수 방법론”에 근거하였다. 콘크리트 배합에 대한 데이터베이스(3395개의 실험실 배합 및 1263개의 레미콘 배합)를 바탕으로 콘크리트 전과정 환경영향(주요 범주인 지구 온난화, 광화학 산화물생성 및 무생물 자원고갈)의 크기를 정량적으로 산정할 수 있는 평가 모델을 제시하였다. 또한 콘크리트 배합에서 이들 환경영향의 목표 감소율에 대해 GGBS의 치환율을 결정할 수 있는 설계용 차트를 제시하였다.
여기서 표준기란 3~5월과 9~10월이며, 실내실험은 대학교 또는 각 연구실에서 실시한 콘크리트 배합을 뜻한다. 콘크리트 생산 공정기술의 경계는 표준기의 레미콘 생산공정을 적용하였다. 운반단계에서의 환경영향을 산정하기 위하여 레미콘 공장의 위치는 서울 방배동으로 가정하였다.
이 전과정 평가(life-cycle assessment, LCA)의 목적은 콘크리트의 배합조건 및 압축강도에 따른 환경영향 크기를 평가하고, 혼화재로서 GGBS가 그 환경영향 크기에 미치는 효과를 정량화하는 것이다. 콘크리트의 기능단위는 1 m3이며, 시스템 경계는 콘크리트 구성요소들인 원재료들의 채취(요람)에서부터 현장에서의 타설 직전까지 단계11)로서 구성재료, 운반, 콘크리트 생산 등으로부터의 대기 배출물, 수계 배출물, 고형 배출물 등을 고려하였다. 시스템 경계를 고려한 콘크리트 공정 흐름도는 Fig.
대상 데이터
GGBS가 콘크리트의 전과정 환경영향 크기에 미치는 영향을 실내배합 3395개와 레미콘 배합 1263개의 데이터를 활용하여 정량적으로 평가하였다. 고려된 경계시스템은 원재료들의 채취(요람)에서 시공 전 단계까지이며, 환경부하량은 국가 생애주기 데이터목록에 기반하여 계산되었다.
1에 나타낸 공정에서 이용된 LCI 데이터베이스(DB)를 Table 1에 요약하였다. 이 전과정 평가의 지역적 경계는 한국이므로 각 재료 및 운반에 대한 LCI는 기본적으로 국내 환경부에서 제공하는 데이터12)를 이용하였다. LCI 데이터는 기온, 에너지원 및 천연자원의 차이에 따라 각 나라마다 상이하므로, 자국에서 제공되는 원 단위를 이용하는 것이 가장 바람직하다.
물은 상수도를 통해 조달되므로 운송에서의 투입과 배출물은 무시하였다. 콘크리트 구성재료들의 운송에서, OPC 및 GGBS와 같은 시멘트계 재료들은 23 톤 용량의 벌크차를, 골재는 15톤 트럭을, 감수제와 같은 혼화제는 1.5톤 트럭을 적용하였다. 생산된 콘크리트는 6 m3 용량의 레미콘 트럭에 의해 현장까지 운반되며 운반거리는 운반시간 1시간 이내를 고려하여 30 km로 가정하였다.
1과 같이 정의될 수 있다. 콘크리트 배합에 대한 데이터 품질로서 시간적 경계는 1990년～2012년이며, 지역적 경계는 서울 중심의 한국이며, 기술적 경계는 실내실험 및 표준기 레미콘 공장의 배합자료이다. 여기서 표준기란 3~5월과 9~10월이며, 실내실험은 대학교 또는 각 연구실에서 실시한 콘크리트 배합을 뜻한다.
LCI 데이터는 기온, 에너지원 및 천연자원의 차이에 따라 각 나라마다 상이하므로, 자국에서 제공되는 원 단위를 이용하는 것이 가장 바람직하다. 하지만 국내의LCI DB는 건설자재에 대해 아직 그 수가 충분치 않기 때문에 GGBS 및 레미콘 플랜트 등에 대해서는 일본토목학회에서13) 제공하는 자료를 이용하였다.
데이터처리
가중치 부여는 전문가 집단에 의한 Delphi-like 방법, 비용으로 환산하는 방법 및 Distance-to-target 등의 다양한 방법에 의해 산정된다. 이 연구에서는 각 영향범주들의 가중치에 대한 신뢰성을 확보하기 위하여 서열정보에 기반한 계층분석법을 이용하여 산정한 환경부 제시값10)을 이용하였다.
더구나 재료단계에서의 골재와 혼화제, 그리고 운송단계와 배합단계가 콘크리트의 환경영향 크기에 미치는 영향은 15% 이내로 작다. 이를 고려하여 콘크리트의 각 범주별 환경영향의 크기를 간단하게 예측하기 위한 모델을 제시하기 위하여 결합재 지수 및 GGBS 치환율을 주요 변수로 다중회귀분석을 수행하였다. 콘크리트의 각 범주별 환경영향의 크기는 GGBS 치환율이 증가함에 따라 비선형적으로 감소하며 이론적으로 결합재가 없으면 콘크리트의 생산이 불가능하므로 환경영향도 없다.
이론/모형
콘크리트의 환경영향 평가에서도 고려된 시스템 전체에서 j번째 목록항목의 환경부하가 i번 째 범주에 미치는 환경영향을 하나의 점수로 나타낼 필요가 있다. 이 연구에서는 환경부10)에서 제시한 한국형 환경영향 평가지표 방법론(식 (2))을 따라 각 범주들에서 콘크리트의 환경영향 크기(WIi)를 정량화하였다.
콘크리트의 환경영향 평가는 ISO 14040 시리즈9)에서 제시하는 전과정 평가프로세스를 기반으로 하였으며, 환경영향 평가지표는 환경부10)에서 제시한 “한국형 환경영향평가지수 방법론”에 근거하였다.
성능/효과
1) 콘크리트의 영향크기는 지구온난화, 광화학 산화생성물, 무생물 자원고갈 순으로 나타났는데, 이들 값에서 OPC가 차지하는 비율은 76% 이상이며, 레미콘 플랜트와 운송이 지구온난화 영향크기에서 차지하는 비율은 각각 0.01%와 14.15%였다.
2) 각 범주별 환경영향 지수 및 총 환경영향 지수는 GGBS 치환율의 증가와 함께 감소하는데, 그 감소 기울기는 GGBS 치환율이 약 30%를 넘어서면서 완만하게 변하였다.
3) 콘크리트의 실내배합과 레미콘 배합에 따른 환경영향 크기의 차이는 무시할 만큼 작았다.
4) GGBS가 치환된 콘크리트의 각 범주에서 환경영향 크기는 단위 결합재 양 및 GGBS 치환율의 함수로 합리적으로 선형 모델링 될 수 있었다.
5) GGBS 치환율이 25% 이상일 때 콘크리트의 총 환경영향 크기를 20% 이상 저감시킬 수 있었다.
4%인 7098천톤이 시멘트 혼화재로 이용되었다.8) 2010년까지 연간 5% 내외의 증가율을 나타내는 GGBS는 현대제철 당진공장에서의 고로 2호기 추가와 광양 제철소에서의 고로확장 예정으로 2013년도에는 2009년 대비 약 30% 증가가 예상되고 있다. 시멘트계 재료로서 GGBS의 활용전망은 그 발생량의 증가 및 잠재적 환경영향을 고려하면 매우 밝다고 인식되고 있다.
결과적으로 λCO2는 콘크리트의 총 환경영향 지수의 66%를 차지하였으며, GGBS 치환율이 증가함에 따라 총 환경영향 지수에서 λCO2이 차지하는 비율은 증가하였다.
5에 나타내었는데, 여기서 B는 단위 결합재 양이다. 결합재 지수는 GGBS 치환에 관계없이 콘크리트 압축강도의 증가와 함께 감소하였다. 이는 압축강도가 증가함에 따라 단위 압축강도(1 MPa) 발현을 위한 결합재 양이 감소될 수 있음을 의미한다.
결합재 지수의 감소속도는 fck가 약 60 MPa 이상에서 점차 완화되면서 그 값이 약 5 kg/m3 · MPa-1에 수렴하는 경향을 보였다.
일반적으로 GGBS 치환율이 증가할수록 각 환경부하량은 감소한다. 동일 fdk에서 GGBS 치환율이 0%에서 50%로 증가할 때 CO2 발생량은 41% 절감하였으며, 유연탄 소비량은 43.4% 감소하였다.
3에 나타내었다. 영향크기는 지구온난화, 광화학 산화생성물, 무생물 자원고갈 순으로 나타났는데, 이들 값에서 OPC가 차지하는 비율은 76% 이상이며, 레미콘 플랜트와 운송이 지구온난화 영향크기에서 차지하는 비율은 각각 0.01%와 14.15%였다. 운송단계의 지구온난화 영향이 높게 나타난 이유는 레미콘 트럭의 LCI DB의 환경부하 계수가 다른 운송수단과 비교하여 현저히 높기 때문이다.
회귀분석 결과를 나타낸 Fig. 6으로부터 A1과 B1의 값은 각각 λCO2에 대해 6.0×10-8과와 1.1을, λARD에 대해 9.0×10-9과 0.85을, λPOC에 대해 2.0×10-8와 1.0을, 그리고 λτ에 대해 8.8×10-8와 1.2로서 평가될 수 있었다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
최근 건설방향의 변화는 어떠한가?
구조물의 설계에 환경성능을 고려해야 하는 새로운 개념의 확산과 함께 건설방향도 가격, 품질 및 공사기간을 중요시하는 전통방식에서 환경영향, 문화․사회적 측면 및 경제제약을 우선하는 지속가능 방향으로 급변하고 있다.1-3) 이에 따라 콘크리트 및 콘크리트 구조물에서도 설계, 생산, 시공, 사용, 해체, 폐기 및 재활용에 이르는 전과정 또는 각각의 단계에서 환경영향을 최소화하기 위한 설계기준4) 및 시공가이드라인5)들의 개발을 위한 노력과 투자가 심화되고 있다.
콘크리트 산업분야에서의 환경영향을 평가하기 위한 역량은 어떠한가?
1-3) 이에 따라 콘크리트 및 콘크리트 구조물에서도 설계, 생산, 시공, 사용, 해체, 폐기 및 재활용에 이르는 전과정 또는 각각의 단계에서 환경영향을 최소화하기 위한 설계기준4) 및 시공가이드라인5)들의 개발을 위한 노력과 투자가 심화되고 있다. 하지만 콘크리트 산업분야에서의 환경영향을 정량적으로 평가하는 연구는 초보단계로서, 지속가능 콘크리트 산업체제로 전환하기 위한 정책수립 및 기술지원을 위한 객관적인 자료도 아직까지 매우 미흡한 상태이다.6)
포틀랜드 시멘트의 환경영향은 어떠한가?
한편, 콘크리트의 중요 구성재료인 보통 포틀랜드 시멘트(ordinary portland cement, OPC)는 공학적으로 매우 우수한 건설재료임에도 불구하고 전 세계적인 “지속가능건설”이라는 기치아래 그 사용량을 줄여야 한다는 공감대가 점진적으로 형성되고 있다. 일반적으로 알려져 있는 OPC의 환경영향으로는 막대한 CO2 배출량(우리나라 경우 전체 CO2 배출량의 약 6.5%에 해당7)), 소성과정에서의 에너지고갈 및 석회석 사용에 따른 천연자원 고갈, 그리고 대기배출물인 질소산화물과 탄화수소물에 의한 광화학 산화생성물 등을 들 수 있다. 이에 따라 콘크리트 산업에서는 OPC를 대체 또는 치환하기 위한 다양한 기술 및 연구2)들이 제시되고 있다.
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