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문제 정의
- 제조단계는 폐콘크리트를 선별⋅파쇄하여 순환골재를 제조하 는 과정이다. 본 연구에서는 건식방식에 대한 환경영향을 평가하 기 위해 제조설비에서 사용된 전력량을 조사하고, 에너지원 사용 에 따른 환경영향을 평가하였다.
- 본 연구에서는 순환굵은골재의 혼입률에 따른 콘크리트의 강도 특성을 실험을 통해 확인하고, 전과정 평가 기법을 이용하여 순환 골재의 전과정 환경영향을 평가하는 것을 목적으로 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 이에 본 연구에서는 순환굵은골재의 혼입률에 따른 콘크리트의 강도 특성을 실험을 통해 확인하고, 전과정평가(LCA, Life Cycle Assessmet) 기법을 이용하여 순환골재의 전과정 환경영향을 평가하는 것을 목적으로 한다.
제안 방법
- 공기량은 에 준하여 실시하였으며, 이를 기준으로 순환굵은골재 사용에 따라 5.5±1.5%로 설정하였다.
- 굳은 콘크리트의 실험항목으로는 Ø100×200mm 원주형 공시체를 제작하여 양생을 실시한 후 에 의거하여 3, 7, 28일 압축강도를 골재의 혼입률별로 측정하였다(KS F 2405).
- 굳지 않은 콘크리트에 대한 실험으로 슬럼프와 공기량 시험을 실시하였다. 슬럼프 시험은 <KS F 2402 포틀랜드 시멘트 콘크리트의 슬럼프 시험방법>에 의거하여 기준치 190±15㎜로 설정 후 실시하였으며, 추가적으로 30, 60분 경시변화를 측정하였다.
- 5%로 설정하였다. 또한 30, 60분 경시변화를 측정하였다.
- 전과정 환경영향 평가 시 기능단위는 1kg로 하였으며, 시스템 경계는 콘크리트 생산단계(Cradle to Gate)로 하였다. 또한, 순환골재의 생산단계(Product stage)를 원재료, 운송, 제조단계로 구분하였으며, 각 단계별로 투입(Input)/배출(Output) 물질이 대기 및 수계에 미치는 환경영향을 평가하였다. 이를 위해 한국의 LCI DB(Life Cycle Index DataBase)를 조사 및 적용하였다.
- 순환골재 콘크리트 제작에 사용된 천연굵은골재는 20mm 부순 자갈을 사용하였으며, 순환골재 생산 인증을 받은 업체인 H사의 고도처리방식에 의해 생산된 KS F 2573(콘크리트용 순환골재)에 의거 이에 부합하는 순환잔골재 및 굵은골재를 사용하였다. 또한, 천연잔골재는 일산쇄사 및 세척사를 각각 50%씩 혼입하여 사용하여 실험을 진행하였다. 본 실험에 사용된 천연굵은골재와 천연잔골재의 물리적 특성은 Table 2에 나타냈으며, 순환굵은골재와 잔골재의 물리적 특성은 Table 3과 같다.
- 본 연구에서 목적으로 하는 순환굵은골재 혼입률에 따른 콘크리트의 경화 전후 역학적 특성을 평가하기 위해서는 동일한 물시멘트비가 설정되어야 할 것으로 판단되어 33.9%로 설정하였으며, 순환잔골재의 혼입률을 0, 30(%), 순환굵은골재는 0, 30, 60, 100(%) 수준으로 하였다.
- 본 연구에서 순환굵은골재 혼입에 따른 콘크리트의 유동특성을 평가하고자 슬럼프 기준을 190±15㎜로 설정하였으며, 30, 60분 경시변화를 측정하여 슬럼프 유지성을 평가하였다.
- 본 장에서는 ISO 기준의 전과정평가(LCA)기법을 준수하여 순환골재의 환경영향을 평가하고 인공경량골재와 슬래그 골재의 환경영향과 비교⋅분석하였다.
- 슬럼프 시험은 에 의거하여 기준치 190±15㎜로 설정 후 실시하였으며, 추가적으로 30, 60분 경시변화를 측정하였다.
- 실험 항목으로는 굳지 않은 순환굵은골재 콘크리트의 유동 특성 파악을 위하여 공기량, 슬럼프, 경시변화 실험을 실시하였으며, 경화된 콘크리트의 특성을 파악하기 위해 순환굵은골재 콘크리트의 재령 3, 7, 28(일)의 압축강도 시험을 진행하였다. 실험계획은 Table 1과 같다.
- 이를 위해, 목표설계기준 압축강도는 30MPa로 하였으며, 순환골재의 실용화를 고려하여 순환잔골재의 혼입률을 0, 30%로 하고, 순환굵은골재의 혼입률은 0, 30, 60, 100%로 설정한 뒤 굳지 않은 콘크리트 및 굳은 콘크리트에 대한 실험을 통해 콘크리트 제조함에 있어서 순환골재 사용의 유효성을 확인하였다.
- 환경영향평가는 목록분석에서 도출된 물질을 해당 환경영향범주로 취합하는 분류화, 환경영향범주로 분류된 항목들이 미치는 영향을 정량화하는 특성화, 환경영향범주에 미치는 영향을 일정지역, 기간의 영향으로 나누는 정규화, 영향범주 간 상대적 우위를 결정하는 가중화로 구분된다. 현재 국내 실정에 맞춰 개발된 순환골재 정규화, 가중화 인자가 없어 특성화까지만을 평가하였다. 순환골재 생산과정에서 배출된 물질은 대기/수질 생태계에 영향을 미치며, 환경문제로는 지구온난화(GWP), 산성화0(AP), 부영양화(EP), 오존층영향(ODP), 광화학적산화물생성(POCP), 자원고갈(ADP) 등이 있다.
대상 데이터
- 15g/cm3, 분말도 3,602cm3/g인 1종 포틀랜드 시멘트를 사용하였으며, 물리적⋅화학적 특성은 Tables 4, 5와 같다. 또한, 본 실험에서 사용한 혼화제로는 표준형 AE 감수제를 사용하였으며, 사용된 혼화제의 특성은 Table 6과 같다. 콘크리트 배합비는 Table 7과 같으며 순환골재 품질기준에서 규정하고 있는 단위 시멘트양 280kg/m3 이상, 단위수량 185kg/m3 이하의 조건을 만족하는 40MPa 콘크리트의 배합으로 물시멘트비 33.
- 본 연구에서 순환굵은골재를 사용한 콘크리트 시험체 제작을 위해 KS L 5201 포틀랜드시멘트에서 규정하고 있는 밀도 3.15g/cm3, 분말도 3,602cm3/g인 1종 포틀랜드 시멘트를 사용하였으며, 물리적⋅화학적 특성은 Tables 4, 5와 같다.
- 본 장에서는 ISO 기준의 전과정평가(LCA)기법을 준수하여 순환골재의 환경영향을 평가하고 인공경량골재와 슬래그 골재의 환경영향과 비교⋅분석하였다. 순환골재 전과정 영향평가를 위한 환경영향 범주는 지구온난화, 산성화, 부영양화, 오존층 파괴, 광화학적산화물생성, 자원고갈 등을 대상으로 선정하였다. 전과정 환경영향 평가 시 기능단위는 1kg로 하였으며, 시스템 경계는 콘크리트 생산단계(Cradle to Gate)로 하였다.
- 순환골재 콘크리트 제작에 사용된 천연굵은골재는 20mm 부순 자갈을 사용하였으며, 순환골재 생산 인증을 받은 업체인 H사의 고도처리방식에 의해 생산된 KS F 2573(콘크리트용 순환골재)에 의거 이에 부합하는 순환잔골재 및 굵은골재를 사용하였다. 또한, 천연잔골재는 일산쇄사 및 세척사를 각각 50%씩 혼입하여 사용하여 실험을 진행하였다.
- 또한, 순환골재의 생산단계(Product stage)를 원재료, 운송, 제조단계로 구분하였으며, 각 단계별로 투입(Input)/배출(Output) 물질이 대기 및 수계에 미치는 환경영향을 평가하였다. 이를 위해 한국의 LCI DB(Life Cycle Index DataBase)를 조사 및 적용하였다.
성능/효과
- 1. 슬럼프는 모두 190±15mm 기준에 만족하고, 순환골재 혼입 률률 증가에 따라 슬럼프 값은 증가하였으며, 공기량은 3.2~5.4% 범위로 5.5±1.5% 기준에 비해 적어 현장시공성 및 압축강도에 큰 영향은 없을 것으로 확인되었다.
- 2. 압축강도는 순환굵은골재 혼입률이 0%일 때보다 30%일 때 더 높았으며, 60~100%로 증가함에 따라 점차 감소하여 30%일 때 압축강도가 가장 높은 것으로 나타났다.
- 3. 순환골재의 전과정 환경영향은 각각 2.94E-02kg-CO2eq/kg, 2.93E-05kg-SO2eq/kg, 5.44E-06kg-PO43eq/kg, 4.70E-10kgCFC11eq/kg, 1.25E-05kg-Ethyleneeq/kg, 1.60E-05kg-Antimonyeq/ kg로 나타났다.
- 4. 순환골재 환경영향은 지구온난화를 제외한 산성화, 부영양 화, 오존층 파괴, 광화학적산화물, 자원고갈에서 인공경량골 재, 슬래그골재 대비 37~93%까지 적게 나타났다.
- 초기 슬럼프기준은 모두 190±15mm에 만족하는 것으로 나타났다. RS0, RG0에 비해 RS0, RG100으로 순환골재 혼입률이 증가할수록 슬럼프 값은 195~205mm로 증가하였으며, RS30, RG0에 비해 RS30, RG100에서도 이와 비슷한 경향을 나타내었다. 이는 일반적으로 천연골재는 입형이 대체로 거칠고 모난 형태이나, 순환골재의 경우 폐콘크리트의 파쇄 공정을 통해 생산되므로 잦은 마모 등에 의해 천연골재에 비해 둥근 형태를 띠게 되므로 순환굵은골재의 혼입률이 높아질수록 콘크리트 슬럼프 값이 증가하는 것으로 사료된다.
- 4(%)로 비슷한 경향을 나타내었다. 경시변화에 따른 공기량 값은 RS0, RG0~RS0, RG100에서 2.3~3.8mm값을 보였으며, RS30, RG0~RS30, RG100에서는 2.9~5.4mm 값을 보였다.
- 하지만 순환골재 생산 시 분별 및 파쇄공정에서 사용된 에너지사용량은 슬래그 골재의 에너지사용량에 비해 높았다. 또한, 순환골재 생산과정의 배출물질에 따른 산성화(AP) 및 부영양화(EP), 오존층 파괴(ODP), 광화학적산화물생성(POCP), 자원고갈 (ADP) 영향은 인공경량골재, 슬래그골재 대비 약 37%에서 최대 93%까지 적은 것으로 확인되었다. 이러한 현상은 순환골재 생산과 정에서 산성화(AP) 및 부영양화(EP), 오존층 파괴(ODP), 광화학적 산화물생성(POCP), 자원고갈(ADP)에 미치는 NOx, NH3, SO2, NH4, Halon, CFC, Softcoal, Hardcoal, Crudeoil이 인공경량골재 및 슬 래그골재 생산과정보다 적게 배출되기 때문으로 사료된다.
- 순환골재 생산과정에서 배출되는 환경영향 중 지구온난화 지수 (GWP)는 인공경량골재 대비 약 43% 적은 것으로 나타났으나, 슬 래그골재에 비해서 약 30% 큰 것으로 나타났다. 이는 인공경량골 재 생산 시 배합 및 성형, 소성공정에서 전기, LNG, 석탄 등의 에너 지사용량이 순환골재의 에너지사용량에 비해 높았다.
- 4와 같다. 순환굵은골재 혼입에 따른 초기 공기량을 살펴보면 순환 잔골재 0%에서 순환굵은골재가 0, 30, 60, 100(%)로 증가할수록 공기량은 3.3, 3.2, 3.7, 3.8(%)로 굵은골재가 30%일 때 소폭 감소한 후 혼입률 증가에 따라 공기량도 증가하였다. 순환잔골재 30%에서도 3.
- Table 8은 각각 순환잔골재가 0%, 30%일 때 순환굵은골재의 혼입률에 따라 3, 7, 28일 강도를 나타낸 것이다. 순환잔골재가 0%일 때에 순환굵은골재의 혼입률이 0%에서 압축강도가 37.11MPa인 것에 반해, 30%일 때 39.97MPa로 더 높게 나타났으며, 60%, 100%로 증가함에 따라 점차 36.12, 35.88MPa로 감소하는 것으로 확인되었다. 순환잔골재가 30%일 때 역시 순환굵은골재 혼입률이 0, 30, 60, 100%로 증가함에 따라 압축강도는 각각 32.
- 88MPa로 감소하는 것으로 확인되었다. 순환잔골재가 30%일 때 역시 순환굵은골재 혼입률이 0, 30, 60, 100%로 증가함에 따라 압축강도는 각각 32.39, 34.48, 31.82, 31.92MPa로 순환잔골재가 0%일 때와 유사하게 순환골재 혼입률이 30%일 때 압축강도가 더 높아지는 경향을 나타내었다. 이는 당초, 순환굵은골재 자체의 낮은 품질로 인해 압축강도의 저하를 예상하였지만, 순환굵은골재가 치환됨에 따라 공기량의 감소와 굵은골재의 연속입자분포의 구성으로 인해 콘크리트 내부 공극을 밀실하게 채워 주는 것에 기인하여 순환굵은골재를 사용하는 것에도 불구하고 압축강도가 증가하는 것으로 판단된다.
- 위 결과를 통해 순환굵은골재 콘크리트의 압축강도 등 성능 저 하가 크게 없으며, 인공경량골재 및 슬래그골재에 비해 환경영향 도 낮은 것으로 확인되어 콘크리트를 제조함에 있어서 순환골재 사용이 유효할 것으로 사료된다. 다만, 도출된 결과는 모든 순환골 재의 특성 및 환경영향 지수를 대표하는 값은 아니며, 향후 다양한 분석을 통해 콘크리트의 강도 특성 및 환경영향 지수의 범위 설정 을 비롯해 순환골재의 사용이 지속가능한 건축에 어느 정도 이바지하고 있는지 정량적인 표현이 가능할 것으로 사료된다.
- 일반적으로 공기량 1% 증가에 따라 콘크리트의 압축강도는 4~6% 감소가 나타나는 현상에 발생할 염려가 있으나 본 연구 결과 공기량은 3.2~5.4% 범위로 4.5±1.5% 기준에 비해 작아 압축강도에 큰 영향은 없을 것으로 판단된다.
- 이는 전기에너지를 생산하기 위하여 화력발전소에서 투입된 석탄이 연소될 때 환경영향 물질이 배출되기 때문이다. 특히, 순환 골재의 자원고갈(ADP)은 인공경량골재 및 슬래그골재 대비 약 77%에서 92%까지 적은 것으로 나타났다. 이는 순환골재가 산업부 산물(Industrial by-product)을 원재료로 사용함에 따라 자원고갈 (ADP)의 주요 영향물질인 Iron(Fe), Natural gas, Hard coal, Lead(Pb), Uranium(U) 등이 적게 배출되었기 때문으로 사료된다.
- 따라서 지구 온난화(GWP)에 미치는 주요 요소인 CO2, CH4, N2O 배출량이 크기 때문이다. 하지만 순환골재 생산 시 분별 및 파쇄공정에서 사용된 에너지사용량은 슬래그 골재의 에너지사용량에 비해 높았다. 또한, 순환골재 생산과정의 배출물질에 따른 산성화(AP) 및 부영양화(EP), 오존층 파괴(ODP), 광화학적산화물생성(POCP), 자원고갈 (ADP) 영향은 인공경량골재, 슬래그골재 대비 약 37%에서 최대 93%까지 적은 것으로 확인되었다.
- 한편, 경시변화에 따른 콘크리트의 슬럼프 값을 확인하였을 때 RS0, RG0에서 RS0, RG100까지 130~150mm의 슬럼프 값을 보이고 있으며, RS30, RG0에서 RS30, RG100까지 110~130mm의 슬럼프 값을 보였다. 이는 KS F 4009 레디믹스트 콘크리트에서 규정하고 있는 보통콘크리트 최저 슬럼프 값인 80mm 이상의 기준을 만족하는 것으로 현장시공성에 대한 문제는 없을 것으로 사료된다.
후속연구
- 다만 본 실험을 통해 생산된 순환굵은골재 콘크리트가 설계기준강도인 40MPa에 미치지 못하는 것은 굵은골재 자체가 콘크리트의 압축강도에 미치는 영향이 상대적으로 적으며, 단위 시멘트양과 잔골재 품질 등의 요소에 의한 편차가 발생하였을 가능성이 있을 것으로 사료되어 시멘트 및 잔골재에 의한 추가적인 연구가 필요할 것으로 판단된다.
- 위 결과를 통해 순환굵은골재 콘크리트의 압축강도 등 성능 저 하가 크게 없으며, 인공경량골재 및 슬래그골재에 비해 환경영향 도 낮은 것으로 확인되어 콘크리트를 제조함에 있어서 순환골재 사용이 유효할 것으로 사료된다. 다만, 도출된 결과는 모든 순환골 재의 특성 및 환경영향 지수를 대표하는 값은 아니며, 향후 다양한 분석을 통해 콘크리트의 강도 특성 및 환경영향 지수의 범위 설정 을 비롯해 순환골재의 사용이 지속가능한 건축에 어느 정도 이바지하고 있는지 정량적인 표현이 가능할 것으로 사료된다.
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