지역과 계절이 콘크리트의 전과정 환경영향에 미치는 효과를 정량적으로 평가하기위해 6331개의 레디믹스 콘크리트 배합을 분석하였다. 콘크리트의 환경영향은 국가 생애주기 데이터목록을 기반으로 산출한 환경부하 발생량을 분류화, 특성화, 정규화 및 가중치 단계를 거쳐 6가지 환경영향 범주(지구온난화, 자원고갈, 광화학산화물생성, 산성화, 부영향화, 인간독성)로 나타났다. 단위압축강도에서의 환경영향 지표를 평가하기 위해 콘크리트 압축강도로 무차원한 환경영향 지수로 정의하였다. 국내에서 가장 많이 사용되는 콘크리트의 압축강도($f_{ck}$)는 24 MPa와 27 MPa이다. $f_{ck}$이 24 MPa일때 환경영향 지표가 가장 낮은 지역은 울산이었으며 가장 높은 지역은 광주와 대구였다. 지역에 따른 환경영향의 차이는 지역에 따라 사용되는 혼화재의 종류와 치환율이 다르기 때문이다. 또한 압축강도 24 MPa일때, 콘크리트의 환경영향지수는 동절기가 하절기 및 표준기에 비해 약 5% 높았다. 반면에 콘크리트의 환경영향 지수는 콘크리트 압축강도가 35 MPa을 넘어서면서 계절의 영향은 미미하였다.
지역과 계절이 콘크리트의 전과정 환경영향에 미치는 효과를 정량적으로 평가하기위해 6331개의 레디믹스 콘크리트 배합을 분석하였다. 콘크리트의 환경영향은 국가 생애주기 데이터목록을 기반으로 산출한 환경부하 발생량을 분류화, 특성화, 정규화 및 가중치 단계를 거쳐 6가지 환경영향 범주(지구온난화, 자원고갈, 광화학산화물생성, 산성화, 부영향화, 인간독성)로 나타났다. 단위압축강도에서의 환경영향 지표를 평가하기 위해 콘크리트 압축강도로 무차원한 환경영향 지수로 정의하였다. 국내에서 가장 많이 사용되는 콘크리트의 압축강도($f_{ck}$)는 24 MPa와 27 MPa이다. $f_{ck}$이 24 MPa일때 환경영향 지표가 가장 낮은 지역은 울산이었으며 가장 높은 지역은 광주와 대구였다. 지역에 따른 환경영향의 차이는 지역에 따라 사용되는 혼화재의 종류와 치환율이 다르기 때문이다. 또한 압축강도 24 MPa일때, 콘크리트의 환경영향지수는 동절기가 하절기 및 표준기에 비해 약 5% 높았다. 반면에 콘크리트의 환경영향 지수는 콘크리트 압축강도가 35 MPa을 넘어서면서 계절의 영향은 미미하였다.
This study analyzed a comprehensive database including 6331 ready-mixed concrete plant mixtures to quantitatively assess the environmental impact of concrete under mixture proportions variable according to the domestic region and season. The environmental impact indicator includes global warming, ph...
This study analyzed a comprehensive database including 6331 ready-mixed concrete plant mixtures to quantitatively assess the environmental impact of concrete under mixture proportions variable according to the domestic region and season. The environmental impact indicator includes global warming, photochemical oxidant creation, abiotic resource depletion, acidification, eutrophication and human toxicity, which are determined from categorization, characterization, normalization and weighting process based on Korea lifecycle inventories. The determined environmental impact indicator was also normalized by concrete compressive strength ($f_{ck}$), which is defined as impact index, to calculate the environmental impact per unit strength of 1 MPa. The most common compressive strength of concrete used in the country is estimated to be 24 MPa and 27 MPa. For $f_{ct}$ of 24 MPa, the lowest environmental impact indicator is observed in Ulsan, whereas the highest region is Gwangju and Daegu. This difference according to domestic region is primarily resulted from by the replacement of different supplementary cementitious materials. Furthermore, the impact index of concrete with $f_{ck}$ of 24 MPa is higher by approximately 5% at wintertime than at summertime and standard season. The impact index gradually decreases with the increase of $f_{ck}$ up to 35 MPa, beyond which it remains constant.
This study analyzed a comprehensive database including 6331 ready-mixed concrete plant mixtures to quantitatively assess the environmental impact of concrete under mixture proportions variable according to the domestic region and season. The environmental impact indicator includes global warming, photochemical oxidant creation, abiotic resource depletion, acidification, eutrophication and human toxicity, which are determined from categorization, characterization, normalization and weighting process based on Korea lifecycle inventories. The determined environmental impact indicator was also normalized by concrete compressive strength ($f_{ck}$), which is defined as impact index, to calculate the environmental impact per unit strength of 1 MPa. The most common compressive strength of concrete used in the country is estimated to be 24 MPa and 27 MPa. For $f_{ct}$ of 24 MPa, the lowest environmental impact indicator is observed in Ulsan, whereas the highest region is Gwangju and Daegu. This difference according to domestic region is primarily resulted from by the replacement of different supplementary cementitious materials. Furthermore, the impact index of concrete with $f_{ck}$ of 24 MPa is higher by approximately 5% at wintertime than at summertime and standard season. The impact index gradually decreases with the increase of $f_{ck}$ up to 35 MPa, beyond which it remains constant.
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문제 정의
이 연구의 목적은 국내의 지역과 기후조건이 콘크리트의 배합설계와 환경영향에 미치는 영향을 평가하는 것이다. 환경영향 평가를 위한 시스템 경계는 콘크리트 구성원재료들의 채취단계(요람)에서부터 시공 전 단계까지이다.
제안 방법
6331 개의 레디믹스 콘크리트 데이터를 기반으로 지역별, 계절별 콘크리트 배합비를 분석하였으며 지역과 계절이 전과정 환경영향 크기에 미치는 영향을 평가한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.
Fig. 3과 4를 바탕으로 지역에 따라 주로 사용되는 콘크리트배합을 선택하여 6개 도시(서울, 인천, 대구, 광주, 울산, 부산)의 콘크리트의 환경부하 발생량과 환경영향지표를 평가하였다(Fig. 8). 일반적으로 6개 도시에서 주로 사용되는 콘크리트는 혼화재가 치환된 콘크리트배합이었으며 도시에 따라 혼화재 종류와 혼화재 치환율이 상이하였다.
계절에 따른 콘크리트 배합은 표준기(3～5월, 9～10월), 하절기(6～8월), 동절기(11～2월)로 구분하였는데, 각 계절별 데이터 수는 각각 1176배합, 2931배합, 1359배합이다(Fig. 2). 데이터베이스에서 콘크리트의 재령 28일 압축강도의 범위는 18 MPa～40 MPa이다.
환경영향 평가지표는 LCI DB에 의해 산정된 환경부하량이 각각의 영향범주에 미치는 영향을 정량화한 것이다. 이 연구에서는 환경영향 범주를 무생물 자원고갈, 지구온난화, 광화학산화물 생성, 산성화, 부영양화 및 인간독성의 6개로 분류하였다. 환경영향을 객관적으로 평가하기 위하여 분류화, 특성화, 정규화 및 가중치 부여하는 과정이 필요하다.
환경영향 평가를 위한 시스템 경계는 콘크리트 구성원재료들의 채취단계(요람)에서부터 시공 전 단계까지이다. 평가요소는 절대 부하량으로서 CO2 발생량을 평가하였으며, 환경영향 지표로서 지구온난화, 광화학산화물생성, 자원고갈, 부영양화, 산성화 및 인간독성을 평가하였다. 평가지표는 환경부에서 제시한 ‘한국형 환경영향지수방법론9)’에 근거하였으며, 환경영향평가는 ISO 14040 시리즈8)를 기반으로 하였다.
대상 데이터
계절과 지역의 변화가 콘크리트의 환경영향에 미치는 영향을 평가하기 위하여 국내 14개 레미콘 사에서 제공한 6331개의 콘크리트 배합설계 데이터베이스를 정리하였다. 구축된 콘크리트 배합설계 DB는 레미콘 회사에서 검증을 거친 후 실제적으로 건설현장에서 사용되는 자료이다.
콘크리트 구성재료의 운송단계에서는 시멘트, GGBS, FA와 같은 결합재는 23톤 벌크차를, 골재는 15톤 트럭을 적용하였다. 생산된 콘크리트의 운반은 6 m3 용량의 레미콘 트럭을 사용하였다.
지역별로는 서울, 경기권 3311배합, 강원권 228배합, 충청권 21배합, 전라권 195배합, 경상권 2823배합이다. 이 연구에서는 충청권과 전라권의 콘크리트 배합 데이터의 도(부산)로 하였다. 지역에 따른 콘크리트 배합설계의 분포경향은 큰 차이가 없었다.
콘크리트 배합설계에 대한 자료는 국내 14개 레미콘사에서 제공한 6331개 데이터를 이용하였다. 콘크리트 구성재료의 운송단계에서는 시멘트, GGBS, FA와 같은 결합재는 23톤 벌크차를, 골재는 15톤 트럭을 적용하였다. 생산된 콘크리트의 운반은 6 m3 용량의 레미콘 트럭을 사용하였다.
전과정 평가에서는 소모되는 자원과 발생하는 대기 배출물, 수계 배출물 등이 고려되었다. 콘크리트 배합설계에 대한 자료는 국내 14개 레미콘사에서 제공한 6331개 데이터를 이용하였다. 콘크리트 구성재료의 운송단계에서는 시멘트, GGBS, FA와 같은 결합재는 23톤 벌크차를, 골재는 15톤 트럭을 적용하였다.
LCI DB는 천연자원 매장량과 에너지원 등의 환경에 영향을 받기 때문에 자국의 DB를 이용하는 것이 바람직하다. 하지만 국내에 구축된 건설자재의 LCI DB는 현저히 부족하기 때문에 GGBS, FA, SF은 일본 토목학회의 자료를 이용하였다.11) 고려된 시스템 경계에서 콘크리트의 환경부하량은 Yang et al.
이론/모형
하지만 국내에 구축된 건설자재의 LCI DB는 현저히 부족하기 때문에 GGBS, FA, SF은 일본 토목학회의 자료를 이용하였다.11) 고려된 시스템 경계에서 콘크리트의 환경부하량은 Yang et al.6)에 의해 제시된 평가절차를 따랐으며, 다음에 요약하였다.
평가지표는 환경부에서 제시한 ‘한국형 환경영향지수방법론9)’에 근거하였으며, 환경영향평가는 ISO 14040 시리즈8)를 기반으로 하였다. 각 재료의 원재료 채취단계부터 운반단계까지의 전과정 목록(lifecycle inventory; LCI)은 한국환경산업기술원10)에서 제공하는 국가 LCI 데이터베이스 정보망을 기반으로 하였다.
평가지표는 환경부에서 제시한 ‘한국형 환경영향지수방법론9)’에 근거하였으며, 환경영향평가는 ISO 14040 시리즈8)를 기반으로 하였다.
성능/효과
1) 콘크리트 배합설계에서 하절기의 혼화재 치환율은 동절기의 혼화재 치환율과 비교하여 약 10% 높았다.
2) 6331개의 국내 레미콘 배합설계에서는 고로슬래그와 플라이애쉬를 30% 이상 복합치환한 콘크리트를 가장 많이 사용하였으며 다음으로 플라이애쉬를 10～20% 치환한 콘크리트를 많이 사용하였다.
3) 콘크리트 압축강도가 24 MPa 이하의 콘크리트에서는 하절기에서 동절기로 계절이 변함에 따라 환경부하 발생량이 2% 증가하였다. 반면에 27 MPa 이상의 콘크리트는 하절기와 동절기의 환경부하 발생량의 차이가 약 3%였다.
이로 인한 콘크리트 배합성분 비율들의 차이는 전과정 평가(lifecycle assessment, LCA)에 의한 콘크리트 환경부하량에 영향을 끼치게 된다.3) 환경 설계 및 그린 시방서 개념4-8)이 중요하게 다루어지는 시점에서 국내의 계절 및 지역에 따른 콘크리트 생산단계에서의 환경부하량 비교는 설계자 및 시공자에게 귀중한 데이터를 제공할 수 있다.
4) 압축강도 24 MPa일때, 콘크리트의 환경영향지수는 동절기가 하절기 및 표준기에 비해 약 5% 높았다. 반면에 콘크리트 압축강도가 35 MPa를 넘어서면서 계절이 콘크리트의 환경영향 지수에 미치는 영향은 미미하였다.
4개도(강원도, 전라도, 경상도, 경기도)의 콘크리트 환경영향지수에서 강원도와 경기도의 λT는 압축강도가 증가함에 따라 감소하였으며 전라도와 경상도의 λT는 큰 변화가 없었다(Fig. 10).
5) 혼화재가 치환된 콘크리트에서 6개 대표도시(서울, 울산, 부산, 인천, 광주, 대구)의 환경부하 발생량 및 환경영향 지표가 가장 낮은 지역은 울산이었으며, 가장 높은 지역은 광주와 대구였다.
6) 지역에 따른 콘크리트 환경영향 지표의 차이는 혼화재 첨가의 경우가 무첨가에 비해서 다소 컸다.
OPC 콘크리트의 환경부하 발생량의 대부분은 CO2 발생량이었으며 6개 도시의 평균 CO2 발생량은 324 kg/m3이었다. 또한 6개 도시의 환경영향 지표는 환경부하 발생량과 비슷한 경향을 보였으며 9개의 영향지표 중 지구온난화가 가장 높았다.
또한 지역 간 λT의 차이는 콘크리트 압축강도가 24 MPa에서 40 MPa로 증가함에 따라 3% 감소하였다.
반면에 콘크리트에서 천연가스 및 유연탄의 소비량과 NOx, SOx, NH3의 발생량은 미미하였다. 또한 콘크리트 압축강도 24 MPa 이하의 경우에는 총 환경부하 발생량이 하절기에서 동절기로 변함에 따라 약 2% 증가했지만 27 MPa을 넘어서면서 총 환경부하 발생량은 약 3% 증가하였다. 계절에 따른 콘크리트의 환경영향을 평가하기위해 Fig.
5에 나타내었다. 콘크리트의 환경부하 발생량은 압축강도가 증가함에 따라 증가하는 경향을 보였으며 동절기의 환경부하량이 가장 많았다. CO2는 콘크리트의 환경부하 발생량 중의 약 75%로 가장 많이 발생하였으며 이어서 무연탄, CO와 원유의 순이었다.
환경영향 지표(WIT)값은 동절기, 표준기, 하절기 순으로 나타났다. 표준기 WIT와 비교하여 동절기는 약 2% 증가했으며, 하절기는 약 1% 감소하였다. WIT는 결합재의 양에 의해 결정되기 때문이다.
또한 경기권의 경우 다른 지역과 다르게 압축강도가 증가함에 따라 RG가 약 10% 증가하였다. 플라이애쉬의 치환율(RF)의 경우 압축강도에 큰 영향을 받지 않았으며, 경기권의 RF은 경상권과 비교하여 약 10% 정도 높았다. 반면에 고로슬래그와 플라이애쉬를 복합 치환한 콘크리트에서는 지역의 차이는 거의 없었지만, 강도가 24 MPa에서 27 MPa로 증가함에 따라 혼화재 치환율이 20% 가량 감소하였다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
콘크리트 배합설계는 무엇에 의해 결정됩니까?
콘크리트는 비교적 저렴한 가격과 우수한 성능을 바탕으로 건설산업에서 가장 보편적으로 사용되고 있는 건축 재료이다. 콘크리트 배합설계는 일반적으로 목표 슬럼프와 압축강도에 의해 결정된다. 하지만 콘크리트의 주요 구성성분인 보통 포틀랜드 시멘트(ordinary portland cement, OPC)는 다량의 이산화탄소(CO2)를 발생시킴에 따라 콘크리트 배합단계에서부터 CO2 저감이 중요한 목표로 고려될 필요가 있음이 제시되고 있다.
콘크리트란 무엇입니까?
콘크리트는 비교적 저렴한 가격과 우수한 성능을 바탕으로 건설산업에서 가장 보편적으로 사용되고 있는 건축 재료이다. 콘크리트 배합설계는 일반적으로 목표 슬럼프와 압축강도에 의해 결정된다.
우리나라는 4계절이 뚜렷하며, 재료 공급원도 지역에 따라 차이가 있는데 이로인하여 콘크리트 배합표에 어떠한 특징이 있습니까?
국내의 기후환경은 비교적 4계절이 뚜렷하며, 재료 공급원도 지역에 따라 차이가 있다. 이에 따라 동일 목표 슬럼프와 압축강도에 대한 콘크리트 배합표는 레미콘 공장의 위치에 따라 계절별, 지역별로 다소 차이가 있다. 특히 고로슬래그(granulated ground blast-furnace slag; GGBS), 플라이애쉬(fly ash; FA) 및 실리카퓸(silica fume; SF) 등의 혼화재(supplementary cementitious materials, SCM) 치환율은 이들 공장위치에 따라 지역별로 상당한 차이가 있다.
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