[논문]천연모래 치환율에 기반한 저탄소 경량골재 콘크리트 배합설계 모델

정연백; 양근혁; 태성호

doi:10.4334/jkci.2016.28.4.427

천연모래 치환율에 기반한 저탄소 경량골재 콘크리트 배합설계 모델
Mixture Proportioning Approach for Low-CO2 Lightweight Aggregate Concrete based on the Replacement Level of Natural Sand 원문보기

콘크리트학회논문집 = Journal of the Korea Concrete Institute, v.28 no.4, 2016년, pp.427 - 434

정연백 (현대건설 건축구조설계팀) , 양근혁 (경기대학교 플랜트.건축공학과) , 태성호 (한양대학교 건축학부)

초록
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이 연구의 목적은 인공경량골재 콘크리트의 생산에서 $CO_2$ 배출량을 저감시킬 수 있는 천연모래 치환 기반의 배합설계 절차를 제시하는 것이다. 379개의 경량골재 콘크리트 배합 데이터를 사용하여 $CO_2$ 배출량과 콘크리트의 압축강도에 대한 천연모래의 치환율의 영향을 평가하였다. Yang et al.이 제시한 배합설계절차 및 데이터베이스를 이용한 비선형 회귀 분석에 기반하여 목표 성능(압축강도, 초기 슬럼프, 공기량 및 $CO_2$ 저감률)을 만족하기 위한 천연모래의 치환율 및 콘크리트 배합설계를 결정할 수 있는 간단한 모델식을 제시하였다. 뿐만 아니라, 제안된 모델식은 주어진 경량골재 콘크리트 배합표에서 $CO_2$ 배출량을 직접 계산하는데 효율적으로 이용될 수 있다.

Abstract ▼ AI-Helper

The purpose of this study is to propose a mixture proportioning approach based on the replacement level of natural sand for reducing $CO_2$ emissions from artificial lightweight aggregate concrete(LWAC) production. To assess the effect of natural sand on the reduction of $CO_2$ emissions and compressive strength of LWAC, a total of 379 specimens compiled from different sources were analyzed. Based on the non-linear regression analysis using the database and the previous mixture proportioning method proposed by Yang et al., simple equations were derived to determine the concrete mixture proportioning and the replacement level of natural sand for achieving the targeted performances(compressive strength, initial slump, air content, and $CO_2$ reduction ratio) of concrete. Furthermore, the proposed equations are practically applicable to straightforward determination of the $CO_2$ emissions from the provided mixture proportions of LWAC.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

하지만 레미콘 공장과 같은 산업체에서 이 모델 식으로 골재를 산정하는 것은 어려움이 있다. 따라서 본 연구에서는 복잡한 모델식이 아닌 목표 CO₂ 저감률과 사용되는 경량골재 치환율을 결정할 수 있는 골재 설계시트를 개발하였다. 이 도표는 식 (5)와 식 (7)을 이상화한 것으로 Fig.
본 연구의 목적은 천연모래 치환에 따른 LWAC 배합에서 목표성능(압축강도, 슬럼프, 공기량, 기건 단위질량 및 CO₂ 저감률)에 대한 콘크리트 시험배합을 결정하기 위한 절차를 제시하는 것이다. 천연모래 치환이 콘크리트 압축강도 및 CO₂ 배출량 저감에 미치는 영향을 파악하기 위하여 379개의 실내배합 자료를 분석하였다.
산출된 콘크리트 배합설계의 CO₂ 발생량을 평가하여 목표 CO₂ 발생량에 만족하는지 검토한다. 하지만 만족하지 않는 경우에는 2단계 결합재 설계부터 재산정한다.

가설 설정

목표 슬럼프를 고려할 경우 고성능감수제의 종류에 따라서 단위수량의 차이가 발생될 수 있으나 본 연구에서는 고성능감수제의 효과는 고려하지 않았다.
1). 시간적 경계는 1990년~2012년으로, 지역적 경계는 서울로 가정하였다. 일반적으로 콘크리트는 1 m³ 단위로 주문과 생산이 이루어지므로 콘크리트 배합단계에서 CO₂ 평가를 위한 기능단위는 1 m³로 설정하였다.
일반적으로 콘크리트의 배합설계는 설계압축강도에 대해 W/C를 결정하고 유동성 및 건조수축 저감을 고려하여 단위수량을 경험적으로 가정한다. 하지만 기존 방식은 CO₂ 저감을 고려하면 천연모래 치환율 및 그에 따른 단위수량 결정이 매우 어렵다.

제안 방법

LWAC 배합단계에서의 CO₂ 평가를 수행함에 있어서, 그 시스템 경계는 ISO 13315-2¹²⁾에서 제시하는 시스템 경계를 고려하여 원재료 채취 및 가공에서부터 콘크리트 생산단계까지 고려하였다(Fig. 1). 시간적 경계는 1990년~2012년으로, 지역적 경계는 서울로 가정하였다.
LWAC 생산단계에서 목표성능을 만족시키면서 CO₂ 배출량을 저감시키기 위한 천연모래 치환율 결정 및 그에 따른 배합설계 절차를 제시하였다. 본 연구에서는 천연경량골재가 아닌 인공경량골재와 천연모래의 LCI를 사용하였으며, CO₂ 저감에 기반한 LWAC 배합설계 절차에 대한 기초연구로부터 다음과 같은 결론을 얻었다.
천연모래 치환이 콘크리트 압축강도 및 CO₂ 배출량 저감에 미치는 영향을 파악하기 위하여 379개의 실내배합 자료를 분석하였다. 기존 배합들에서 평가된 CO₂ 배출량을 기반으로 LWAC 목표 성능에 대해 천연모래 치환율을 결정할 수 있는 식을 제안하였다.
데이터 베이스를 이용하여 LWAC의 압축강도에 따른 CO₂ 지수(C_i) 및 경량 굵은골재 지수(V_{G_i})를 평가하였다.
이 단계에서는 사용자가 사용하는 콘크리트 구성재료의 물리적 특성을 입력하는 것으로 Input data로는 시멘트계 재료들의 비중 및 골재의 비중, 직경, 흡수율 등이 있다. 또한 콘크리트의 목표 CO₂ 저감률과 일반적인 목표성능(기건단위질량, 슬럼프, 콘크리트 압축강도, 공기량)을 설정한다.
이 제시한 절차를 이용하였다. 배합단계에서의 CO₂ 평가를 위해서 콘크리트 구성재료들의 원료채취에서부터 생산단계지까지의 CO₂ 원단위와 각 재료의 생산지 출구에서부터 레미콘 공장까지의 거리 및 운송 수단의 CO₂ 원단위 등을 이용하였다.
배출량을 저감시키기 위한 천연모래 치환율 결정 및 그에 따른 배합설계 절차를 제시하였다. 본 연구에서는 천연경량골재가 아닌 인공경량골재와 천연모래의 LCI를 사용하였으며, CO₂ 저감에 기반한 LWAC 배합설계 절차에 대한 기초연구로부터 다음과 같은 결론을 얻었다.
이 분석 결과를 통해 목표 CO2 배출 저감률과 설계 압축강도를 만족시키기 위한 VG 설계 모델식을 개발하였다.

대상 데이터

LWAC의 목표 CO₂ 저감 및 목표성능에 대한 천연모래 치환율 및 배합변수의 영향을 평가하기 위하여 기존 문헌들의 실험 결과들로부터 379개의 데이터베이스를 구축하였다. 다양한 자료들로부터 구축된 LWAC의 배합비 분석은 절대용적방법을 이용하였다.
에 중요한 영향을 미친다. f_ck와 V_{G_i}의 관계는 379개의 실험 데이터를 분석하여 평가하였다(Fig. 6). 이 분석 결과를 통해 목표 CO₂ 배출 저감률과 설계 압축강도를 만족시키기 위한 V_G 설계 모델식을 개발하였다.
콘크리트 구성 재료 및 운반단계에서의 LCI 데이터 베이스는 국내 자료¹⁴⁾를 이용하였다. 경량골재에 대한 국가 LCI 데이터는 아직 구축되어 있지 않기 때문에 태성호¹⁵⁾가 제시한 인공경량골재 LCI DB를 사용하였다. 이 값은 인공경량골재 업체를 직접 방문하여 조사한 데이터(원재료 및 에너지 투입량) 등을 가지고 LCI DB 도출 프로그램인 TOTAL을 이용하여 산출한 값이다.
다양한 자료들로부터 구축된 LWAC의 배합비 분석은 절대용적방법을 이용하였다. 골재는 경량 굵은골재와 천연모래의 조합(sand-lightweight) 또는 경량 굵은골재 및 경량 잔골재의 조합(all-lightweight)을 사용하였다. 사용된 경량골재들은 대부분 플라이애시 또는 점토를 팽창하여 제조된 것으로, 경량 잔골재와 경량 굵은골재의 단위용적질량은 각각 1,000~1,850kg/m³와 1,000~1,600 kg/m³이다.
저감률)에 대한 콘크리트 시험배합을 결정하기 위한 절차를 제시하는 것이다. 천연모래 치환이 콘크리트 압축강도 및 CO₂ 배출량 저감에 미치는 영향을 파악하기 위하여 379개의 실내배합 자료를 분석하였다. 기존 배합들에서 평가된 CO₂ 배출량을 기반으로 LWAC 목표 성능에 대해 천연모래 치환율을 결정할 수 있는 식을 제안하였다.
평가를 수행하기 위한 전과정 목록(lifecycle inventory, LCI) 데이터는 콘크리트 구성재료들의 생산, 콘크리트 생산 단계에서 수반되는 각 활동들에서 필요한 입력요소와 배출요소들을 포함해야 한다. 콘크리트 구성 재료 및 운반단계에서의 LCI 데이터 베이스는 국내 자료¹⁴⁾를 이용하였다. 경량골재에 대한 국가 LCI 데이터는 아직 구축되어 있지 않기 때문에 태성호¹⁵⁾가 제시한 인공경량골재 LCI DB를 사용하였다.

이론/모형

LWAC의 배합단계에서의 CO₂ 평가 절차는 Jung and Yang¹³⁾이 제시한 절차를 이용하였다. 배합단계에서의 CO₂ 평가를 위해서 콘크리트 구성재료들의 원료채취에서부터 생산단계지까지의 CO₂ 원단위와 각 재료의 생산지 출구에서부터 레미콘 공장까지의 거리 및 운송 수단의 CO₂ 원단위 등을 이용하였다.
저감 및 목표성능에 대한 천연모래 치환율 및 배합변수의 영향을 평가하기 위하여 기존 문헌들의 실험 결과들로부터 379개의 데이터베이스를 구축하였다. 다양한 자료들로부터 구축된 LWAC의 배합비 분석은 절대용적방법을 이용하였다. 골재는 경량 굵은골재와 천연모래의 조합(sand-lightweight) 또는 경량 굵은골재 및 경량 잔골재의 조합(all-lightweight)을 사용하였다.
이상의 배합에 따른 CO₂ 발생량은 Jung and Yang¹³⁾이 제시한 CO₂ 평가방법을 이용해서 계산하면 배합단계에서의 총 CO₂ 발생량은 543.2 CO₂-kg이다. 참고로 위 목표값에 대해 전경량 콘크리트 배합을 하면, 그 때의 CO₂ 배출량은 약 716.

성능/효과

1) LWAC와 NWC 모두 f_ck의 증가와 함께 C_i가 감소하였으며, LWAC의 C_i가 동일압축강도에서 NWC에 비해 약간 크게 나타났다. V_{G_i}는 f_ck의 증가와 함께 감소하였다.
1) 특히, 구조물의 수직증축에 LWAC를 사용할 경우 기존구조물의 하부구조 보강에 대한 비용을 줄일 수 있다. 또한, LWAC의 자중경감은 콘크리트 구조물의 밑면 전단력을 감소시킬 수 있어 내진저항에도 매우 유리하다.
또한, LWAC의 자중경감은 콘크리트 구조물의 밑면 전단력을 감소시킬 수 있어 내진저항에도 매우 유리하다.²⁾ LWAC는 보통 중량 콘크리트(normal-weight concrete, NWC)에 비해 부력이 크며, 이는 석유 생산시설과 같은 해양구조물 적용에도 유리하다.³⁾ LWAC의 열전도율은 NWC의 1/3 수준으로서 전체 에너지 소비의 약 36%에 달하는 건축물의 냉·난방 에너지의 소비를 저감시킬 수 있을 뿐만 아니라 화재발생 시 유독가스의 원인이 되는 유기단열재의 사용량을 줄일 수 있다.
2) 천연모래 치환율 증가와 함께 전경량 콘크리트 대비 CO₂ 저감률이 증가하였으며, 천연모래의 치환율과 CO₂ 저감률의 관계는 선형으로 모델링 될 수 있었다. 이를 통해 목표 CO₂ 저감률과 사용되는 천연모래의 치환율을 결정할 수 있다.
3) LWAC의 열전도율은 NWC의 1/3 수준으로서 전체 에너지 소비의 약 36%에 달하는 건축물의 냉·난방 에너지의 소비를 저감시킬 수 있을 뿐만 아니라 화재발생 시 유독가스의 원인이 되는 유기단열재의 사용량을 줄일 수 있다.
3) 제시된 저탄소 경량골재 콘크리트 배합절차를 이용하면, 목표성능(압축강도, 슬럼프, 공기량 및 CO₂ 저감률)에 대해 경량골재의 단위용적질량 및 W/C의 결정뿐만 아니라 제시된 배합표에서 CO₂ 배출량을 쉽게 산정할 수 있다.
4) 이와 같은 다양한 장점들과 함께 에너지 절약 및 환경경영에 대한 사회적·정책적 요구사항과 맞물려 건축물에서의 LWAC의 사용은 점차 증가할 전망이다.
비교를 위해 보통중량 콘크리트(NWC)의 결과¹³⁾를 함께 나타내었다. LWAC와 NWC 모두 f_ck의 증가와 함께 C_i가 감소하였으며, LWAC의 C_i가 동일압축강도에서 NWC에 비해 약간 크게 나타났다.

후속연구

3 CO₂-kg으로 평가된다(Table 2). 따라서 본 모래경량 콘크리트 배합절차는 콘크리트 목표 성능을 만족하면서 CO₂ 저감을 고려한 시험배합표의 결정을 위해 활용될 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	인공 경량골재의 단점은?	한편, 인공 경량골재는 콘크리트의 강도 발현 및 내구성에 불리하며6) 경량골재 제조과정에서 발생하는 CO2 발생량이 천연골재와 비교하여 약 32배 높은 단점이 있다.7) 이러한 문제점들을 해결하기 위한 실용적인 대안 중의 하나가 천연모래 일부 치환이다.
	인공 경량골재의 문제점들을 해결하기 위한 실용적인 대안은?	한편, 인공 경량골재는 콘크리트의 강도 발현 및 내구성에 불리하며6) 경량골재 제조과정에서 발생하는 CO2 발생량이 천연골재와 비교하여 약 32배 높은 단점이 있다.7) 이러한 문제점들을 해결하기 위한 실용적인 대안 중의 하나가 천연모래 일부 치환이다.7) Sim and Yang8,9)은 천연모래가 치환된 LWAC의 유동성 및 역학적 특성에 대한 연구를 바탕으로 프리캐스트 콘크리트 부재의 적용기술을 제시하였다.
	LWAC의 장점은?	2) LWAC는 보통 중량 콘크리트(normal-weight concrete, NWC)에 비해 부력이 크며, 이는 석유 생산시설과 같은 해양구조물 적용에도 유리하다.3) LWAC의 열전도율은 NWC의 1/3 수준으로서 전체 에너지 소비의 약 36%에 달하는 건축물의 냉·난방 에너지의 소비를 저감시킬 수 있을 뿐만 아니라 화재발생 시 유독가스의 원인이 되는 유기단열재의 사용량을 줄일 수 있다.4) 이와 같은 다양한 장점들과 함께 에너지 절약 및 환경경영에 대한 사회적·정책적 요구사항과 맞물려 건축물에서의 LWAC의 사용은 점차 증가할 전망이다.

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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