보고서 정보
주관연구기관 |
부경대학교 Pukyong National University |
연구책임자 |
박솔뫼
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참여연구자 |
양범주
,
장정국
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보고서유형 | 최종보고서 |
발행국가 | 대한민국 |
언어 |
한국어
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발행년월 | 2023-03 |
과제시작연도 |
2022 |
주관부처 |
국토교통부 Ministry of Land, Infrastructure, and Transport |
등록번호 |
TRKO202300002633 |
과제고유번호 |
1615012704 |
사업명 |
(이관)국토교통기술촉진연구(R&D) |
DB 구축일자 |
2023-05-02
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키워드 |
탄소중립 콘크리트.밀도범함수이론.열역학.기계학습.Carbon-neutral Concrete.CCUS.Density Functional Theory.Thermodynamics.Machine Learning.
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초록
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□ 연구개발 목표 및 내용
◼ 최종 목표
○ DFT-열역학 시뮬레이션 기반 콘크리트 CO2 흡수율 최적화 배합설계 기술 개발(예측 정확도: 90% 이내)
○ 기계학습 시뮬레이션 기반 장기성능 예측모델 개발(예측 정확도: 80% 이내)
○ CO2 순배출량 Zero 시멘트 콘크리트 개발(압축강도 50 MPa 이상, CO2 흡수율 20 wt% 이상)
○ 정량적 성과목표: SCI급 논문 4편, 특허출원 2건, 특허등록 1건
◼ 전체 내용
□ 연구개발 목표 및 내용
◼ 최종 목표
○ DFT-열역학 시뮬레이션 기반 콘크리트 CO2 흡수율 최적화 배합설계 기술 개발(예측 정확도: 90% 이내)
○ 기계학습 시뮬레이션 기반 장기성능 예측모델 개발(예측 정확도: 80% 이내)
○ CO2 순배출량 Zero 시멘트 콘크리트 개발(압축강도 50 MPa 이상, CO2 흡수율 20 wt% 이상)
○ 정량적 성과목표: SCI급 논문 4편, 특허출원 2건, 특허등록 1건
◼ 전체 내용
본 연구진이 제안하는 “CO2 순배출량 Zero(Net-Zero) 콘크리트 개발 및 DFT-열역학-기계학습 시뮬레이션 기반 해석적 기술 검증”은 대량의 이산화탄소 발생을 야기하는 포틀랜드 시멘트 기반 콘크리트에서 탄소중립 콘크리트로 전환시키고, 콘크리트 재료개발·성능검증 시험·기준/규격 등에 대한 부분을 전면 디지털화·스마트 화하여 디지털 뉴딜 및 그린뉴딜 실현에 앞장서고자 한다. 세부 연구목표는 CO2 흡수율 20 wt%급 콘크리트 배합설계 기술개발 및 DFT-열역학-기계학습 시뮬레이 션 기반 해석기술 개발이며, 이를 통해 건설재료 부문 탄소경제시장 및 CCUS(Carbon Capture, Utilization, Storage) 신산업 육성 활성화 및 에너지사용 효율성을 제고하고자 한다.
◼ 1년차
❏ 목표
○ 시뮬레이션 기반 성능예측 방법론 개발
- DFT-열역학 시뮬레이션 해석기술: CO2 흡수율 실험결과 대비 시뮬레이션 예측의 정확도 80% 이내 달성
- 기계학습 시뮬레이션 기반 해석기술: CO2 흡수율 포함 측정된 모든 재료물성 예측의 정확도 70% 이내
○ 탄산화 양생의 영향요소 규명 및 시제품 제작
- 압축강도 40 MPa 및 CO2 흡수율 15 wt% 이상의 포틀랜드 시멘트 콘크리트 개발
❏ 내용
○ DFT-열역학 시뮬레이션 기반 해석기술 개발
- 열역학 계산을 수행하기 위해 필요한 고체/액체/기체 상태의 원소에 대한 열역학 특성 데이터베이스를 구축하고, DFT 시뮬레이션을 통해 예측한 수화물의 열역학 특성을 데이터베이스로 활용하기 위한 DFT-열역학 계산 연계기술을 제시함. 또한 콘크리트의 수화거동 및 탄산화 양생에 의한 화학구조 변화 예측연구를 수행함.
○ 기계학습 입력값의 지문화 및 초기모델 구축
- Net-Zero 콘크리트 물질의 구조와 성분이 물성에 끼치는 영향을 파악하기 위한 고유의 입력 및 결과값의 범주 정밀분류. 분류된 재료지문과 물성 사이의 통계적 상관관계를 찾기 위하여 현재까지 발표된 기계학습 훈련모델(현재 적용 고려 중인 방법: Linear regression, Decision tree, Support vector machine, Deep belief network, Gaussian process regression, Genetic algorithm, Bagging ensemble, Random forest ensemble, Boosting ensemble)을 비교시험하여 초기 모델을 구축함.
○ 탄산화 양생의 영향요소 규명 및 시작품 제작
- 탄산화 효율 최적화를 목표로 실험실 조건 하에서 다양한 탄산화 양생 조건에 대해 실험을 수행함. 문헌조사를 바탕으로 탄산화 양생의 영향 요소를 분석하며, 실험을 통해 시중에서 활발히 사용되고 있는 포틀랜드 시멘트 콘크리트의 탄산화 양생 최적 조건을 도출함. 혼화재료를 혼입하지 않고 포틀랜드 시멘트만을 사용한 CO2 흡수율 15 wt%급 콘크리트 개발을 목표로 함.
◼ 2년차
❏ 목표
○ 시뮬레이션 기반 성능예측 방법론 심화
- DFT-열역학 기반 콘크리트 CO2 흡수율 최적화 배합설계 기술: CO2 흡수율 실험결과 대비 시뮬레이션 예측의 정확도 90% 이내 달성
- 기계학습 시뮬레이션 기반 해석기술: CO2 흡수율 포함 측정된 모든 재료물성 예측의 정확도 80% 이내
○ CO2 순배출량 Zero 시멘트 콘크리트
- 압축강도 50 MPa 및 CO2 흡수율 20 wt% 이상의 산업부산물 혼입 시멘트 콘크리트 개발
❏ 내용
○ DFT-열역학 시뮬레이션 기반 콘크리트 CO2 흡수율 최적화 설계기술 개발
- 1년차에 개발한 DFT-열역학 연계기술을 활용하여 콘크리트의 CO2 흡수율을 극대화하기 위한 배합 시뮬레이션을 수행함. 결합재 종류 및 조성 등 재료 및 조건 변수에 따른 CO2 흡수율을 예측함. CO2 흡수에 의한 콘크리트의 물리적 특성변화를 모사하여 CO2 흡수율을 극대화하면서 콘크리트의 역학적 성능을 개선하기 위한 방안을 조사함. 시뮬레이션 해석결과를 제공함으로써 CO2 순배출량 Zero 콘크리트 배합기술개발에 기초자료로 활용함.
○ 기계학습 모델의 고도화 및 Net-Zero 콘크리트 장기성능 예측기술 개발
- 1차 연도에 도출한 기계학습 입⋅출력값 분류와 관련 실험 데이터베이스 추가조성을 통한 개발 시뮬레이션 방법론을 고도화하며, 이를 통해 실험적으로 접근하기 어려운 범위의 특성치를 계산함. 또한 탄산화로 인한 광물의 결정구조, 에너지 변화 및 물성에 대한 장기특성 변화를 예측하여 이를 토대로한 최적 반응조건 및 구조형상을 제안함.
○ CO2 순배출량 Zero(Net-Zero) 콘크리트 개발 및 건설재료 시뮬레이션 기술 검증
- 1차 년도에 개발한 콘크리트 배합을 기반으로 다양한 혼화재료를 혼입함으로써 보다 친환경적인 콘크리트를 제조하며 CO2 흡수율뿐만 아니라 압축강도, 내구성 등을 종합적으로 평가하여 기존 성능 대비 동등 이상(압축강도 50 MPa, CO2 흡수율 20 wt%급)의 성능을 발현하도록 함. 결과적으로, 시멘트 제조 시 소성 과정에서 발생되는 이산화탄소량 대비 산업부산물 대체율과 탄산화양생으로 흡수 가능한 이산화탄소량을 합산하여 “CO2 순배출량 Zero“ 콘크리트를 제조하는 것을 목표로 함. 또한 1, 2차 년도 연구 데이터와 결과를 바탕으로 건설재료 시뮬레이션 기술 검증에 활용함으로써 기술의 신뢰도를 높임.
□ 연구개발성과
○ DFT-열역학 시뮬레이션 기반 해석기술 개발
- DFT 계산 및 열역학 시뮬레이션을 연계하는 방법론을 개발하였으며, 이 방법론을 통해 콘크리트의 CO2 흡수율을 예측하는 기술을 개발하였다.
- 개발한 DFT-열역학 시뮬레이션 해석기술 기반의 콘크리트 CO2 흡수율을 실험결과와 비교하여 교차검증하였다.
○ 기계학습 입력값의 지문화 및 초기모델 구축
- 다양한 기계학습 알고리즘의 비교검토 후 유전알고리즘에 기반한 탄산화 콘크리트 성능예측 모델을 선정 및 구축하였다.
- 문헌을 통해 확보한 다양한 실험결과를 시뮬레이션의 훈련 및 검토 데이터에 활용하였으며, 콘크리트의 탄산화에 따른 강도와 공극률 예측기술을 개발하였다.
- 콘크리트의 탄산화에 따른 장기성능 예측을 위하여 시간이력을 고려한 알고리즘에 대한 초기모델을 구축하였다.
○ 탄산화 양생의 영향요소 규명 및 시작품 제작
- 탄산화 양생한 벨라이트 시멘트 콘크리트를 제조하여 기존 연구 대비 동등 이상의 이산화탄소 흡수율을 확보함으로써 Net-Zero 콘크리트로 응용 가능성을 검증하였다.
- 콘크리트의 물시멘트비가 수축률과 질량 변화에 미치는 영향을 복합적으로 고려하여 Net-Zero 콘크리트로써 실제 적용되었을 때의 치수안정성을 고려하였다.
- 콘크리트의 물리화학적 분석을 통해 생성물과 공극 구조 등을 분석하여 콘크리트의 특성을 평가하였으며, 다양한 물시멘트비의 시멘트 페이스트를 탄산화 양생한 경우 각 시료의 이산화탄소 흡수능을 정량화하여 비교하였다.
○ DFT-열역학 시뮬레이션 기반 콘크리트 CO2 흡수율 최적화 설계기술 개발
- 기존 문헌의 데이터 및 기계학습을 통해 주어진 배합조건에 대한 반응도 예측모델을 제안하였으며, 이를 DFT 계산 및 열역학 시뮬레이션 방법론과 접목시켜 Net-Zero 콘크리트의 CO2 흡수율 최적화 설계를 위한 예측기술을 제안하였다.
- 제안한 기술의 검증을 위해 슬래그를 혼입한 포틀랜드 시멘트 시편을 제작하여 탄산화양생 후 열중량분석을 실시하였으며, 열중량분석으로부터 계산한 탄산칼슘 생성량을 예측결과와 비교하여 검증하였다.
○ 기계학습 모델의 고도화 및 Net-Zero 콘크리트 장기성능 예측기술 개발
- Net-Zero 콘크리트 재료 구성비 및 양생조건 메커니즘의 이해 및 관련 내용을 바탕으로 구축된 장기성능 예측 알고리즘 적용 전략을 도출하였다.
- 장기성능에 관한 해석을 위한 시계열 알고리즘 후보군으로 LSTM과 GRU를 고려하였으며, 단기성능 비교 및 알고리즘 수정의 용이성을 고려하여 LSTM을 최종 선정하여 이에 대한 해석을 수행하였다.
- LSTM의 Hyperparameter에 대한 수치해석 수행을 통하여 적정 변수값을 도출하였으며, 이를 토대로 다양한 시편의 장기성능 실험 측정값과 해석결과를 비교검토하였다.
○ CO2 순배출량 Zero(Net-Zero) 콘크리트 개발 및 건설재료 시뮬레이션 기술 검증
- 고온에 노출된 CO2 양생 벨라이트 시멘트 콘크리트의 잔류 압축강도 등 물리적 특성 및 XRD, TG, NMR 등 화학적 특성 등의 물성을 복합적으로 평가함으로써 현장 적용 가능성을 검토하였다.
- 벨라이트 시멘트 혼합물에 다양한 산업부산물을 혼입하고 CO2 양생하여 이산화탄소 흡수 콘크리트 혼합물을 제조하였으며, 이들 콘크리트의 물리화학적 성능을 평가함으로써 산업부산물의 재사용율 및 콘크리트 혼합물의 이산화탄소 흡수율을 동시에 증대시킬 방안을 모색하였다.
- 콘크리트의 내측 코어부는 CO2 양생을 채택하되 외측에는 현장타설 콘크리트를 타설하여 콘크리트 부재를 제작하는 방법을 제시함으로써 CO2 양생 콘크리트의 현장 적용성을 개선하고 CO2 양생의 문제점으로 꾸준히 지적되어온 콘크리트 매트릭스의 pH 저하로 인한 철근 부식 문제를 해결하기 위한 대안을 마련하였다.
□ 연구개발성과 활용계획 및 기대 효과
연구개발성과 활용방안
○ 차세대 고부가가치 건자재 개발의 가속화
- 최근 건설분야의 친환경화, 제로 에너지화, 스마트화를 구현하기 위한 핵심요소기술인 건설재료의 고성능화가 기술현안으로 이슈화되고 있으나, 상이한 물리적 특성과 매우 복잡한 구성성분 간의 화학작용으로 상용화에 어려움이 따르고 있음.
- 건자재 시장은 2조7천억 달러 규모의 시장을 형성하고 있으나, 정확한 미세구조 및 메커니즘 규명의 부재는 상업화에 필수적인 재료 안정성, 장기 내구성 등의 평가에 신뢰성을 얻지 못하고 있음.
- 본 연구개발의 성과는 미래 콘크리트가 가져야 할 친환경성과 현장적용에 대한 안정성, 이와 관련한 과학적 근거 및 신뢰성 확보에 활용이 예상됨.
○ 탄산화 콘크리트의 재료⋅구조 해석시스템 정확도 향상
- 대부분의 건설공사에 필수적으로 활용되는 콘크리트 재료의 CO2 흡착을 통한 성능변화 규명과 성능예측 연구를 통하여, 탄산화 콘크리트의 재료⋅구조 해석시스템의 과학적 지식의 진보에 기여할 수 있음.
- 특수 콘크리트의 성능예측을 위한 시뮬레이션 방법론의 국산화 및 선진화를 도모하며, 재료의 정확한 물성예측을 통하여 제조 및 설계에 소요되는 생애주기 비용을 절감함.
- 화학, 신소재, 환경, 전자공학 등 다양한 산업분야에 적용 가능한 해석기술의 원천기술 확보를 통하여, 관련 학문분야의 후속연구 연계 활용방안이 기대됨.
기대효과
○ 기술적 측면
- 현재까지의 연구결과를 바탕으로 제시된 경험식을 바탕으로 건설재료의 이산화탄소 흡착/제거 성능 평가가 일부분 가능하나, 포틀랜드 시멘트 기반의 건설재료에만 한정되어 있어 다양한 건설재료를 접목할 수 없음.
- 대부분의 모델식에서 Portlandite(Ca(OH)2)만 고려하거나 일부의 C-S-H의 탄산화 반응을 고려하나, C-S-H의 탄산화 거동에 대한 이론적 지식이 매우 부족할 뿐만 아니라, AFm, Mg-hydrates 기반의 시멘트에 적용이 불가능함.
- 국내에서도 가장 많이 사용되는 슬래그/플라이애시 혼입 시멘트의 경우 Portlandite가 매우 소량 존재하며, C-S-H의 Al 흡수(C-A-S-H)로 인해 기존에 알려진 탄산화 거동과 매우 상이함.
- 본 연구에서 제시한 DFT-열역학 계산 통합 시뮬레이션을 통해 C-S-H 및 C-A-S-H의 생성 여부와 용해도를 정확히 예측할 수 있으며, 포틀랜드 시멘트 계통 콘크리트뿐만 아니라 다른 시멘트(e.g., CAC, CSA, Mg-cements 등)와 혼입 시멘트 등 다양한 종류의 시멘트의 이산화탄소 흡착/제거 성능을 평가할 수 있음.
- 연구개발 성과 중 하나인 열역학 데이터베이스 및 실험 데이터셋 등은 건설재료 분야 다른 연구에서 활용될 여지가 크며, 건설분야 디지털화의 시발점이 될 것임. 그리고 더 나아가 CO2 Net-Zero 콘크리트 기술의 신뢰성을 제고하며 건설재료 CCUS 기술 상용화에 기여할 수 있음.
○ 경제적 측면
- 이산화탄소 포집 및 저장 분야는 2016년 42.5억 달러였으며, 2024년 60억 달러에 규모의 세계 시장을 형성할 것으로 예측되었음.
- 탄소배출권 거래 추이를 보면 2015년에는 총 거래량 124만 톤 및 톤당 1만 1,184원으로 거래되었으며 2017년에는 1,473만 톤 규모 및 톤당 2만 1,143원으로 매우 큰 폭으로 증가하였음.
- 이러한 관련 시장 규모 및 전망을 고려할 때 제안 기술 개발은 CCUS 분야 및 건설 시장의 국가적 선도에 큰 폭으로 기여할 수 있을 것으로 기대됨.
- 또한 제안 연구 수행 시 CCUS 분야 전문가 인력양성을 통해 탄소경제 활성화와 관련 분야 일자리 창출에 기여할 수 있음.
○ 사회적 측면
- 2017년 국민 700명을 대상으로 진행된 지구온난화에 따른 기후변화에 대한 국민 인식 설문조사에 따르면 응답자 중 93.3%가 심각하다고 답했으며 온실가스 배출도 줄여야 한다는 주장에 대해서도 95.7%가 동의하였음.
- 또한 온실가스 배출 저감을 위해 정부의 제도 마련이 기업이나 국민의 참여에 의한 노력보다 더 큰 비율을 차지하였음.
- 제안 기술 개발을 통해 탄소 배출로 인한 지구온난화 저감에 기여함으로 사회적 불안요소를 해결할 수 있을 것으로 기대됨.
(출처 : 요약문 3p)
목차 Contents
- 표지 ... 1
- 제 출 문 ... 2
- 요 약 문 ... 3
- 목차 ... 8
- 1. 연구개발과제의 개요 ... 9
- 1) 연구개발과제의 최종 목표 ... 9
- 2) 연구개발과제의 연차별 목표 ... 11
- 3) 연구개발과제의 내용 ... 12
- 2. 연구개발과제의 수행 과정 및 수행 내용 ... 15
- (1) DFT-열역학 시뮬레이션 기반 해석기술 개발 ... 15
- (2) 기계학습 입력값의 지문화 및 초기모델 구축 ... 18
- (3) 탄산화 양생의 영향요소 규명 및 시작품 제작 ... 22
- (4) DFT-열역학 시뮬레이션 기반 콘크리트 CO2 흡수율 최적화 설계기술 개발 ... 28
- (5) 기계학습 모델의 고도화 및 Net-Zero 콘크리트 장기성능 예측기술 개발 ... 32
- (6) CO2 순배출량 Zero(Net-Zero) 콘크리트 개발 및 건설재료 시뮬레이션 기술 검증 ... 38
- 3. 연구개발과제의 수행 결과 및 목표 달성 정도 ... 47
- 1) 연구수행 결과 ... 47
- 2) 목표 달성 수준 ... 51
- 4. 목표 미달 시 원인분석 ... 52
- 5. 연구개발성과의 관련 분야에 대한 기여 정도 ... 52
- 6. 연구개발성과의 관리 및 활용계획 ... 52
- 7. 참고 문헌 ... 53
- 끝페이지 ... 55
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