[논문]순환잔골재 혼입 콘크리트의 강도 특성 및 전과정 환경영향 평가 연구

최원영; 김상헌; 이세현; 전찬수

doi:10.14190/jrcr.2019.7.2.123

순환잔골재 혼입 콘크리트의 강도 특성 및 전과정 환경영향 평가 연구
A Study on the Strength Properties and Life Cycle Assessment of Recycled Fine Aggregate Concrete 원문보기

Journal of the Korean Recycled Construction Resources Institute = 한국건설순환자원학회 논문집, v.7 no.2, 2019년, pp.123 - 130

최원영 (한국건설기술연구원 국민생활연구본부) , 김상헌 (한국건설기술연구원 국민생활연구본부) , 이세현 (한국건설기술연구원 국민생활연구본부) , 전찬수 (한국건설기술연구원 국민생활연구본부)

초록
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본 연구에서는 순환잔골재의 혼입률에 따른 콘크리트의 강도 특성을 실험을 통해 확인하고, 전과정평가(LCA, Life Cycle Assessmet) 기법을 이용하여 순환잔골재의 전과정 환경영향을 평가하여, 콘크리트를 제조함에 있어서 순환잔골재 사용의 유효성을 확인하여 순환골재 콘크리트 활용을 위한 기초적 자료로 사용하는 것을 목적으로 한다. 이를 위해, 목표설계기준압축강도는 27MPa로 하였으며, 순환골재 실용화를 고려하여 순환잔골재의 혼입률을 0, 30, 60, 100%로 설정하여 굳지 않은 콘크리트 및 굳은 콘크리트에 대한 실험을 통해 슬럼프, 공기량, 압축강도 등을 확인하였고, 순환잔골재의 전과정 환경영향을 평가하고 타 골재와 환경영향을 비교 분석 하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

The purpose of this study is to confirm the strength characteristics of concrete according to the mixing ratio of recycled fine aggregates and to use it as basic data for the use of recycled fine aggregates in concrete. For this purpose, the target design compression strength was set at 27MPa. Considering practical use of recycled aggregate, the mixing ratio of recycled fine aggregate was set at 0, 30, 60, and 100%, and the unconfined concrete and hardened concrete were tested. The LCA method was used to evaluate the environmental impact of recycled fine aggregate concrete, and the effectiveness of recycled fine aggregate in the production of concrete was verified.

주제어

표/그림 (21)

그림 Fig. 1. Grain size distribution ratio of recycled sand
그림 Fig. 2. Grain size distribution ratio of recycled coarse aggregate
표 Table 1. Design of experiment
표 Table 2. Physical properties of cement
표 Table 3. Chemical properties of cement
표 Table 4. Physical properties of aggregate
표 Table 5. Physical properties of recycled aggregate
그림 Fig. 3. Result of slump
표 Table 6. Mixing properties
표 Table 7. Properties of superplasticizer
그림 Fig. 4. Result of air contents
그림 Fig. 5. Result of compressive strength
표 Table 8. Compressive strength
그림 Fig. 6. Process of environmental impact assessment
표 Table 9. LCI database
표 Table 10. Environmental impact of transportation
표 Table 11. Energy source & usage of manufacture
표 Table 12. Environmental impact of manufacture
표 Table 13. Environmental impact of recycled aggregate
표 Table 14. Environmental impact comparison of aggregate
그림 Fig. 7. Environmental impact comparison of aggregate

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 순환잔골재의 혼입률에 따른 콘크리트의 강도 특성을 실험을 통해 확인하고, 전과정 평가 기법을 이용하여 순환 잔골재의 전과정 환경영향을 평가하는 것을 목적으로 다음과 같은 결론을 얻었다.
제조단계는 폐콘크리트를 선별, 파쇄하여 순환잔골재를 제조하는 과정이다. 본 연구에서는 국내 A사의 생산방식에 대한 환경영향을 평가하기 위해 1년간 생산설비에서 사용된 전력 및 에너지원 사용량을 적용하여 평가하였다.
본 연구에서는 순환잔골재 특성을 규명하기 위해 국내 현 실정에 맞는 정규화, 가중화 인자가 개발되어 있지 않은 상태로 특성화 까지만을 평가하였다. Fig.
이에 본 연구에서는 순환잔골재의 혼입률에 따른 콘크리트의 강도 특성을 실험을 통해 확인하고, 전과정 평가(LCA, Life Cycle Assessmet) 기법을 이용하여 순환잔골재의 전과정 환경영향을 평가하는 것을 목적으로 한다. 이를 위해, 설계기준압축강도를 27MPa로 하고, 순환잔골재의 혼입률을 0, 30, 60, 100%로 설정한 뒤굳지 않은 콘크리트 및 굳은 콘크리트에 대한 실험하고, 순환잔골재의 전과정 환경영향을 평가하여 콘크리트를 제조함에 있어서 순환잔골재 사용의 유효성을 확인하였다.
6을 통해 앞서 언급한 환경영향평가의각 과정과 6대 환경영향 범주가 어떠한 연관성을 지니는지를 설명 하였다. 이와 함께 순환잔골재 전과정 환경영향평가를 위해 고려된 범위를 보여주고자 하였다.

제안 방법

굳은 콘크리트의 실험항목으로는 Ø100×200mm 원주형 공시체를 제작하여 양생을 실시한 후 에 의거하여 3, 7, 28일 압축강도를 골재의 혼입률별로 측정하였다(KS F 2405, 2017).
굳지 않은 콘크리트에 대한 실험으로 슬럼프와 공기량 시험을 실시하였다. <KS F 4009 레디믹스트 콘크리트>에 의거하여 슬럼프 시험은 기준치(190±15)mm로 설정 후 실시하였으며, 추가적으로 30, 60분 경시변화를 측정하였으며, 공기량은 <KS F 2421 압력 법에 의한 굳지 않은 콘크리트의 공기량 시험 방법>에 준하여 실시하였으며, 이를 기준으로 순환굵은골재 사용에 따라 4.
그러나 환경영향 평가 시 폐콘크리트는 부산물의 형태로 구분하며 이전의 산업공정은 환경영향 평가범위에 포함 되지 않는다. 따라서 건설구조물 해체 시 폐콘크리트가 배출되는 과정은 환경영향 평가범위에서 제외하고 운송, 제조단계를 순환잔 골재의 생산단계로 구분하였으며, 1년 동안 각 단계별로 투입 (Input)/배출(Output) 물질이 대기 및 수계 에 미치는 환경영향을 평가하였다. 이를 위해 Table 9와 같이 환경부에서 구축한 LCI DB(Life Cycle Index DataBase)를 적용하였다.
5%로 설정하였다. 또한 30, 60분 경시변화를 측정하였다.
5%로 설정하였다. 본 실험의 단위수량은 고정하였으며, 혼화제 투입량 조절을 통해 슬럼프 기준에 맞추어 실시하였다. 혼화제로는 표준형 AE 감수제를 사용하였으며 혼화제의 특성은 Table 7과 같다.
본 연구에서는 순환잔골재를 활용한 콘크리트의 특성을 평가하기 위하여 목표 압축강도를 27MPa로 설정하고, 순환굵은골재 0, 30%에 따라 순환잔골재 혼입률을 0, 30, 60, 100% 수준으로 하였다.
분석 3.1 개요 순환잔골재의 전과정 환경영향 평가는 ISO 기준의 전과정평가 (LCA)기법을 준수하여 앞서 강도특성을 규명하기 위해 사용한 국내 A사의 순환잔골재를 생산하는 과정에서 발생하는 6가지 영향에 대하여 실시하였다.
콘크리트 배합비는 Table 6과 같다. 순환골재 품질기준에서 규정하고 있는 단위시멘트량 280kg/m3 이상, 단위수량 185kg/m3 이하의 조건을 만족하는 27MPa 콘크리트의 배합으로 물시멘트비 49.5%, 잔골재율 48.5%로 설정하였다. 본 실험의 단위수량은 고정하였으며, 혼화제 투입량 조절을 통해 슬럼프 기준에 맞추어 실시하였다.
실험 항목으로는 굳지 않은 순환잔골재 콘크리트의 유동 특성 파악을 위하여 공기량, 슬럼프, 경시변화 실험을 실시하였으며, 경화된 콘크리트의 특성을 파악하기 위해 순환잔골재 콘크리트의 재령 3, 7, 28(일)의 압축강도 시험을 진행하였다. 실험계획은 Table 1과 같다.
에 의거하여 슬럼프 시험은 기준치(190±15)mm로 설정 후 실시하였으며, 추가적으로 30, 60분 경시변화를 측정하였으며, 공기량은 에 준하여 실시하였으며, 이를 기준으로 순환굵은골재 사용에 따라 4.5±1.5%로 설정하였다.
이때의 물량과 트럭 1대당 적재량으로 장비 대수를 산출하고, 거리를 적용하여 환경영향을 평가하였다.
이에 본 연구에서는 순환잔골재의 혼입률에 따른 콘크리트의 강도 특성을 실험을 통해 확인하고, 전과정 평가(LCA, Life Cycle Assessmet) 기법을 이용하여 순환잔골재의 전과정 환경영향을 평가하는 것을 목적으로 한다. 이를 위해, 설계기준압축강도를 27MPa로 하고, 순환잔골재의 혼입률을 0, 30, 60, 100%로 설정한 뒤굳지 않은 콘크리트 및 굳은 콘크리트에 대한 실험하고, 순환잔골재의 전과정 환경영향을 평가하여 콘크리트를 제조함에 있어서 순환잔골재 사용의 유효성을 확인하였다.
기준물질 및 영향지수는 환경성적 표지제도에서 6가지로 제시하고 있다. 지구온난화(GWP), 자원고 갈(ADP), 오존층영향(ODP), 산성화(AP), 부영양화(EP), 광화학적 산화물생성(POCP) 등이며 보호 대상 관점에서 정량화 가능한 모델로, 본 연구에서도 순환잔골재의 전과정 환경영향 평가를 위한 범주로 선정하였다.

대상 데이터

본 연구에서 순환잔골재를 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 Table 2, 3과 같다.
본 연구에서 실험을 위한 콘크리트 제조에 사용된 천연 잔골재는 일반 세척사를 사용하였으며, 천연굵은골재는 20mm 부순 자갈을 사용하였다. 또한, 순환골재의 경우 KS F 2573 콘크리트용 순환골재에서 규정한 기준에 적합한 국내 A사의 순환골재를 고도의 처리 방식에 의해 생산하여 사용하였다.
폐콘크리트는 건설구조물 철거/해체 시 발생한다. 순환잔골재는 현장에서 폐콘크리트를 잘게 부수어 분리한 골재만을 모아서 재사용한다. 나머지 물질은 타 제품으로 활용되지 않을 경우에는 건설폐기물로 분류된다.
본 실험의 단위수량은 고정하였으며, 혼화제 투입량 조절을 통해 슬럼프 기준에 맞추어 실시하였다. 혼화제로는 표준형 AE 감수제를 사용하였으며 혼화제의 특성은 Table 7과 같다.

데이터처리

순환잔골재의 전과정 환경영향 평가는 ISO 기준의 전과정평가 (LCA)기법을 준수하여 앞서 강도특성을 규명하기 위해 사용한 국내 A사의 순환잔골재를 생산하는 과정에서 발생하는 6가지 영향에 대하여 실시하였다. 순환잔골재의 환경영향 평가결과는 기존의 연구에서 건축용 골재의 LCI DB로 검토된 산림모래, 바다모래 및하천모래의 환경영향과 비교?분석하였다(KICT 2017).

이론/모형

본 연구에서 실험을 위한 콘크리트 제조에 사용된 천연 잔골재는 일반 세척사를 사용하였으며, 천연굵은골재는 20mm 부순 자갈을 사용하였다. 또한, 순환골재의 경우 KS F 2573 콘크리트용 순환골재에서 규정한 기준에 적합한 국내 A사의 순환골재를 고도의 처리 방식에 의해 생산하여 사용하였다.

성능/효과

1) 슬럼프는 모두 190±15mm 기준에 만족하고, 순환골재 혼입률률 증가에 따라 슬럼프 값은 소량 감소하였으며, KS F 4009 레디믹스트 콘크리트에서 규정하고 있는 콘크리트의 최저 슬럼프 값인 80mm 이상의 기준에 만족하는 것으로 현장시공성에 대한 문제는 없을 것으로 사료된다.
본 연구 결과로 순환잔골재 콘크리트의 슬럼프, 공기량, 압축강도 등의 성능 저하는 크게 나타나지 않았으며, 환경영향도 바다모래, 하천모래, 산림모래에 비해 적거나 크게 상회하지 않는 것으로 확인되어 콘크리트를 제조함에 있어서 순환잔골재 사용이 유효할 것으로 사료된다.
상기 언급한 바와 같이 광화학적산화물생성에 의한 영향을 제외한 산성화, 자원고갈, 오존층파괴, 산성화, 부영양화 등 5가지 요인을 고려할 시, 순환잔골재 생산에 의한 영향이 타 골재에 비해 적거나 크게 상회하지 않는 것으로 미루어 볼 때, 전과정 환경영향 평가 관점 에서 순환잔골재의 사용이 타 골재를 대체하기 위한 재료로 유효할 것으로 판단된다.
2) 압축강도는 순환잔골재 혼입률 증가에 따라 점차 감소하였으나, 순환잔골재 혼입률이 0~60%일 때 설계기준강도를 만족하였으며 100%일 때 설계기준강도에 비해 적은 것으로 나타났다.
3) 순환잔골재의 전과정 환경영향은 지구온난화 2.91E-03 CO2eq/kg, 자원고갈 1.15E-05 Antimonyeq/kg, 오존층파괴 4.66E-10 CFC11eq/kg, 산성화 7.14E-06 SO2eq/kg, 부영양 화 1.23E-06 PO43eq/kg, 광화학적 산화물 3.98E-06 kg- Ethyleneeq/kg로 바다모래, 하천모래, 산림모래보다 지구온난화, 자원고갈, 오존층파괴, 산성화, 부영양화 측면에서 적거나 크게 상회하지 않는 것으로 나타났다.
경시변화에 따른 공기량 값도 순환굵은골재 0%에서 순환잔골 재가 0, 30, 60, 100%로 증가할수록 공기량은 2.8, 2.3, 2.6, 3.4% 로 잔골재가 30%일 때 소폭 감소한 후 혼입률 증가에 따라 공기량도 증가하였고, 순환굵은골재 30%에서도 2.8, 2.5, 2.8, 3.0%로 비슷한 경향을 나타내었다.
경시변화에 따른 콘크리트의 슬럼프 저감률을 확인한 결과, RG0, RS0에서 RG0, RS100까지 120~140mm의 슬럼프 값을 보이고 있으며, RG30, RS0에서 RG30, RS100까지 115~150mm의 슬럼프 값을 보였다. 이는 KS F 4009 레디믹스트 콘크리트에서 규정 하고 있는 콘크리트의 최저 슬럼프 값인 80mm 이상의 기준에 만족하는 것으로 현장시공성에 대한 문제는 없을 것으로 사료된다.
광화학적산화물생성(POCP)에 의한 영향은 바다모래, 하천모 래, 산림모래 등에 비해 약 2~3배 정도 큰 것으로 나타났다. 광화학 산화물을 생성하는 오염물질로는 휘발성 유기화학물(VOCs, Volatile Organic Compounds), CO, NO 2 , 알데히드, PAN 등이 있으며 순환잔골재의 생산 과정에서 이러한 물질이 다량 배출되어 일어나는 현상으로 순환잔골재 생산 과정에서의 광화학 산화물 생성은 줄이기 위한 추가적인 연구가 필요할 것으로 판단된다.
본 실험 결과에서 순환굵은골재의 혼입량과는 상관없이 순환잔 골재의 혼입률이 0~60%인 범위의 콘크리트에서는 모두 설계기 준강도인 27MPa를 만족하는 것으로 나타났으며 순환잔골재의 혼입률이 100%일 때만 27MPa에 못 미치는 것으로 확인된다.
순환잔골재 생산과정에서 배출되는 환경영향 중 주로 이야기 되는 CO 2 와 직접적인 연관성을 지닌 지구온난화 지수(GWP)는 바다모래와 하천모래에 비해 높게 나타났으나, 산림모래에 비해 약간 적은 것으로 나타났다. 이는 산림모래를 골재로 이용하기 위한 채취 과정에서 전기, LNG, 석탄 등의 에너지사용량이 순환잔골재를 생산하는 과정의 에너지사용량에 비해 높아 지구온난화에 미치는 주요 요소인 CO 2 , CH 4 , N 2 O배출량이 크기 때문으로 사료된다.
순환잔골재 혼입에 따른 초기 공기량을 살펴보면 순환굵은골재 0%에서 순환잔골재 혼입률이 0, 30, 60, 100%로 증가할수록 공기 량은 3.9, 3.7, 4.4, 4.5%로, 순환잔골재가 30%일 때 소폭 감소한후 혼입률 증가에 따라 공기량도 증가하였다. 순환굵은골재 30% 에서도 공기량은 4.
오존층(ODP) 영향은 바다모래와 하천모래에 비해 조금 상회고, 산림모래 영향에 비해 현저히 크게 나타났다. 오존층파괴에 대한 인자는 오존층을 파괴하는 특정물질의 정도를 CFC-11에 의한 오존감소 정도를 기준으로 나타내는 것으로 이러한 물질이 순환잔골 재를 생산함에 있어 다른 골재 생산에 비해 소량 더 발생하여 일어 나는 것으로 사료된다.

후속연구

4) 다만, 광화학적산화물생성에 대한 환경영향은 타 골재에 비해 2~3배 많은 것으로 나타나 이에 대한 추가적인 연구가 필요할 것으로 사료된다.
광화학적산화물생성(POCP)에 의한 영향은 바다모래, 하천모 래, 산림모래 등에 비해 약 2~3배 정도 큰 것으로 나타났다. 광화학 산화물을 생성하는 오염물질로는 휘발성 유기화학물(VOCs, Volatile Organic Compounds), CO, NO 2 , 알데히드, PAN 등이 있으며 순환잔골재의 생산 과정에서 이러한 물질이 다량 배출되어 일어나는 현상으로 순환잔골재 생산 과정에서의 광화학 산화물 생성은 줄이기 위한 추가적인 연구가 필요할 것으로 판단된다.
상기 언급한 바와 같이 광화학적산화물생성에 의한 영향을 제외한 산성화, 자원고갈, 오존층파괴, 산성화, 부영양화 등 5가지 요인을 고려할 시, 순환잔골재 생산에 의한 영향이 타 골재에 비해 적거나 크게 상회하지 않는 것으로 미루어 볼 때, 전과정 환경영향 평가 관점 에서 순환잔골재의 사용이 타 골재를 대체하기 위한 재료로 유효할 것으로 판단된다. 다만, 6대 환경영향 범주 간 상대적 우위를 결정할수 있는 지표를 통한 추가적인 연구가 필요할 것으로 판단된다.
다만, 도출된 결과는 모든 순환잔골재의 특성 및 환경영향을 대표하는 값은 아니며, 본 연구를 기반으로 콘크리트의 강도 및환경영향 지수의 범위설정을 하고, 순환잔골재 사용 활성화를 위해 어떠한 노력이 추가적으로 필요할지 정량적인 표현이 가능할 것으로 사료된다.
다만, 순환잔골재 혼입량이 많아짐에 따라 콘크리트의 슬럼프 저감률이 증가하는 경향은 순환잔골재 표면 미분에 의한 높은 흡수율로 입자 사이의 수분이 저감되어 유동성이 저하되는 현상에 의한 것으로 사료되며, 양질의 혼화제 사용 등 슬럼프 저감률에 대한 대비책이 필요할 것으로 판단된다.
다만, 앞서 언급된 바와 같이 순환잔골재 생산 과정에서 시멘트 페이스트가 완전히 제거되지 않고 순환잔골재에 입자형으로 남아 수분을 흡수하여 골재의 유동성을 저하시키고, 순환잔골재 자체의 갈라짐 등 불규칙한 입형이 공기량을 증가시키는 현상 등으로 인해 순환잔골재를 혼입한 콘크리트의 압축강도 추이에 대한 예측이 쉽지 않으며, 현장에서 순환잔골재 실용화를 위해서는 장기적으로 내구성 시험 등 추가적인 검증이 필요할 것으로 사료된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	순환골재의 활용률이 저조한 이유는?	위 상황을 반영하여 순환골재는 천연골재의 대체 재료로 꾸준히 고려되고 있는 실정이나, 폐콘크리트를 원료로 하는 순환골재를 활용한 콘크리트의 강도, 내구성 등 안전에 대한 국내 소비자들의 우려는 저조한 콘크리트용 순환골재의 활용률로 뚜렷하게 확인할 수 있다.
	자원고갈(ADP) 영향이란?	자원고갈(ADP) 영향은 물리적인 자원의 소모?고갈뿐만 아니라 자원의 안정적인 공급과 채굴 시 자연환경 파괴 등의 인체 및생태계에 주는 영향을 고려한 요소이다. 이를 통해 순환잔골재 생산으로 인한 주요 영향물질인 Iron(Fe), Natural gas, Hard coal, Lead(Pb), Uranium(U) 등의 영향에 비해 바다와 하천에서의 모래 채취로 인한 자원소모, 자연환경 파괴 등에 끼치는 영향이 비교적 적은 반면, 산림에서의 모래 채취로 인한 자원 소모의 우려를 비롯해 안정적으로 공급이 가능한 산림자원의 부족과 자연환경을 파괴 하는 영향이 큰 것으로 판단된다.
	부영양화의 원인은?	부영양화(EP) 영향은 토양과 수중에서 영양상의 균형이 깨져 물의 이용에 방해 될 정도의 부착성, 부유성 수중식물이 성장하는 현상을 말한다. 이는 대기 중으로 배출된 질소화합물, 수중으로 배출된 질소, 인 및 유기물질 등으로 인해 일어나는 현상으로 주로 수중에서 많이 일어난다.

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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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