시멘트 및 경량골재 사용 저감에 기반한 보통중량·경량 콘크리트 구조물의 저탄소 설계 :Low CO₂design approach of normal-weight·lightweight concrete structures based on the minimized use of cement and lightweight aggregates

정연백

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자료유형: 학위논문

저자정보: 정연백 (경기대학교, 경기대학교 대학원)

지도교수: 양근혁

발행연도: 2015

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이 논문의 연구 히스토리 (2)

2016

천연모래 치환율에 기반한 저탄소 경량골재 콘크리트 배합설계 모델

정연백 , 양근혁 , 태성호 콘크리트학회 논문집 2016.08 학술저널

2015

시멘트 및 경량골재 사용 저감에 기반한 보통중량·경량 콘크리트 구조물의 저탄소 설계

정연백 건축공학과 2015.01 학위논문

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본 연구에서는 현장 적용성 측면에서 보통중량 콘크리트 배합에서 GGBS 및 FA와 같은 혼화재가 OPC를 치환하여 사용될 경우 CO2 저감에 미치는 효과와 경량 콘크리트 배합에서 천연골재의 치환에 따른 CO2 저감 효과를 정량적으로 평가할 수 있는 방법 및 전과정 CO2 저감에 기반한 콘크리트 구조물 설계방법 제시를 주요 목적으로 하였다.
혼화재가 보통중량 콘크리트 생산 시 CO2 저감에 미치는 영향을 평가하기 위하여 5,231개의 실내배합 데이터와 7,306개의 레미콘 공장 배합데이터 구축하였으며 경량 콘크리트 생산 시 천연모래가 CO2 저감에 미치는 영향을 평가하기 위해 379개의 실내배합 데이터 구축하였다. 구축된 데이터베이스를 통하여 GGBS 및 FA의 치환율이 보통중량 콘크리트의 압축강도에 미치는 영향을 평가하고 GGBS 및 FA의 치환율이 콘크리트 CO2 배출에 미치는 영향을 평가하였다. 평가에 있어서 보통중량 콘크리트에서 감수제 사용에 따른 슬럼프 평가는 하지 않았으며 경량 콘크리트에서는 혼화제 치환은 무시하였다.
콘크리트 및 콘크리트 구조물의 전과정 CO2 평가는 ISO 13315-2(2013)에서 제시하는 각 공정별 시스템 경계를 고려하여 수행하였다. CO2 저감을 고려한 콘크리트 배합설계 모델에 적용된 콘크리트의 CO2 평가는 국내 LCI DB 및 ISO 14040 시리즈에서 제시한 절차를 이용하였다. 배합단계에서의 시스템경계는 재료 채취 및 가공에서부터 콘크리트 타설 전 단계까지로 고려하였으며, 시간적 경계는 1990년∼2012년으로, 지역적 경계는 서울로 가정하였으며 콘크리트 CO2 평가의 기능단위는 1 m3로 설정하였다. 콘크리트 구조물 설계에서의 시스템 경계는 재료 채취 및 가공에서부터 구조물의 시공단계, 사용단계 및 폐기/재활용 단계까지 고려하였으며, 지역적 경계는 서울로 가정하였다. 콘크리트 탄산화에 의한 CO2 포집량은 ISO 13315-2(2003)에서 제시하는 시스템 경계에 포함되지는 않지만, 그 평가방법의 이해 및 CO2 포집량과 배출량의 관계를 비교하기 위하여 콘크리트 구조물의 사용단계와 재활용단계에서 CO2 포집량의 시스템 경계를 포함하였으며 CO2 포집량 평가를 위해서 탄산화 모델을 제시하였다.
보통중량 콘크리트의 배합설계 모델개발을 위해서 콘크리트 단위압축강도 1 MPa에 대한 결합재 지수() 및 CO2 지수() 모델을 개발하였으며 실내 및 현장 배합 데이터들의 비선형 회귀분석을 통해 결합재지수()와 CO2 지수()의 상관관계를 분석하였고 결합재 지수()와 CO2 지수()에 대한 혼화재 치환율의 영향도 평가하였다. 경량 콘크리트의 배합설계 모델개발을 위해서 콘크리트 단위압축강도 1 MPa에 대한 경량굵은골재지수() 모델을 개발하였으며 실내 및 현장 배합 데이터들의 비선형 회귀분석을 통해 경량굵은골재지수()와 CO2 지수()의 상관관계를 분석하였다. 뿐만 아니라 현장 적용성을 위해 목표 CO2 저감에 따른 혼화재 및 천연골재의 치환율을 산정하기 위한 모델식을 실무용 도표로서 제시하였다.
보통중량 콘크리트 및 경량 콘크리트 구조물의 CO2 저감을 고려한 설계를 위해 위에서 제시한 콘크리트의 성능 평가 지수 및 모델을 통해 콘크리트 구조물 설계 프로세스를 제시하였으며 콘크리트 구조물의 전과정 CO2 배출량 평가를 위한 CO2 평가표도 제시하였다.

This research is aimed to present 1) effect of adding supplementary cementitious materials (SCMs) on CO2 reduction if SCMs such as ground granulated blast-furnace slag (GGBS) and fly ash (FA) are used being substituted with ordinary Portland cement (OPC) in the normal-weight concrete (NWC) mixture proportions, 2) quantitative assessment method of CO2 reduction effect by substituted natural aggregate for lightweight fine aggregates in the lightweight aggregate concrete (LWAC) mixture, and 3) design method of reinforced concrete (RC) structure based on the life-cycle CO2 reduction.
In this research, 5,231 laboratory concrete mixes and 7,306 ready-mixed concrete plant mixes were used to assess effect of SCMs on CO2 reduction in producing the NWC. Also, 379 laboratory concrete mixes were used to assess effect of natural sand on CO2 reduction in producing the LWAC. Through the established database, effect of substitution level of GGBS and FA on the compressive strength of NWC and effect of substitution level of GGBS and FA on CO2 reduction were assessed. Slump evaluation according to use of the water-reducing agent in the NWC was excluded in assessment, and substitution of SCMs in the LWAC was ignored.
The life-cycle CO2 assessment of concrete and RC structure was implemented considering system boundary for each processing presented in the ISO 13315-2. As for the assessment of concrete applied to the concrete mix designing model considering the reduction of CO2 emissions, design procedures presented in the series of LCI DB and ISO 14040 were used. The system boundary of mixing phase was assumed from the cradle to the gate of the concrete plant. Time boundary was assumed from 1990 to 2012 and regional boundary was assumed Seoul, South Korea in which functional unit for assessment was set as 1 m3. The system boundary in RC structure design was set from cradle to construction, use, and demolition/recycling, and regional boundary was set in Seoul. Although CO2 uptake by concrete carbonation did not fall into the system presented in ISO 13315-2, the system boundary of CO2 uptake in the use and recycling of RC structure was included in order to understand the method and compare the amount of CO2 uptake and emissions. Also, a carbonation model was presented to assess CO2 uptake.
To develop a mix design model of the NWC, the binder intensity () and CO2 intensity () on unit concrete compressive strength (1 MPa) were developed. After analyzing correlation between and through non-linear multiple regression (NLMR) analysis of the laboratory mixes and ready-mixed concrete plant mixes, effect of substitution level of SCMs on and was assessed. As for development of the LWAC mix design model, on 1 MPa was developed and correlation between and was analyzed through NLMR analysis. In addition, a model formula was presented as a practical chart to calculate the substitution level of SCMs and natural aggregate in accordance with the targeted CO2 reduction for field application.
The concrete structure design process through the above-mentioned intensity and model was presented considering CO2 reduction in the LWAC and NWC structures, and an evaluation sheet for life-cycle CO2 assessment of RC structure was also presented.

Keywords: low-CO2 concrete, mixture proportions, CO2 emissions, CO2 uptake, structural design.

제 1 장 서 론 1
1.1 연구배경 및 필요성 1
1.2 연구의 목적 5
1.3 연구의 중요성 6
1.4 연구 내용 및 범위 6
1.5 연구의 방법 8
제 2 장 기존연구 및 국내외 표준 및 지침 분석 11
2.1 일반사항 11
2.2 기존연구 분석 11
2.2.1 콘크리트의 CO2 배출량 평가 11
2.2.2 탄산화에 의한 CO2 포집량 평가 15
2.3 국내외 표준 및 지침 분석 23
2.3.1 노르웨이 CO2 포집 기준 23
2.3.2 IgCC 24
2.3.3 국제표준화기구(ISO) 26
2.3.4 국제콘크리트연맹(fib) 27
2.3.5 미국재료시험협회(ASTM) 27
2.3.6 한국콘크리트학회(KCI) 27
2.4 소결 29
제 3 장 콘크리트 구조물의 전과정 CO2 평가 절차 31
3.1 각 공정별 시스템 경계 31
3.2 LCI 데이터 베이스 35
3.3 콘크리트 배합단계에서의 CO2 평가 절차 36
3.4 콘크리트 탄산화에 의한 CO2 평가 절차 38
3.5 콘크리트 구조물의 전과정 CO2 평가 절차 57
3.6 평가 사례 63
3.6.1 배합단계에서의 CO2 평가 63
3.6.2 구조물의 전과정 CO2 평가 66
3.7 소결 76
제 4 장 CO2 배출 저감을 고려한 콘크리트 배합 설계 77
4.1 일반사항 77
4.2 DB 구축 및 분석 78
4.2.1 보통중량 콘크리트 DB 분석 78
4.2.2 경량 콘크리트 DB 분석 90
4.3 성능평가 지수의 개발 95
4.3.1 보통중량 콘크리트의 성능평가 지수 97
4.3.2 경량 콘크리트의 성능평가 지수 104
4.4 CO2 저감에 기반한 보통중량 콘크리트 배합설계 105
4.4.1 CO2 저감을 고려한 콘크리트 배합설계를 위한 모델 105
4.4.2 CO2 저감을 만족하는 콘크리트 배합설계 프로세스 116
4.4.3 배합설계 프로세스 예시 117
4.5 CO2 저감에 기반한 경량 콘크리트 배합설계 프로세스 124
4.5.1 CO2 저감을 고려한 콘크리트 배합설계를 위한 모델 124
4.5.2 CO2 저감을 만족하는 콘크리트 배합설계 프로세스 139
4.5.3 배합설계 프로세스 예시 141
4.6 소결 146
제 5 장 전과정 CO2 평가에 기반한 콘크리트 구조물 설계 147
5.1 일반사항 147
5.2 CO2 저감을 고려한 콘크리트 구조물 설계 프로세스 147
5.3 사례분석 153
5.3.1 대상 건물 선정 및 사례 분석 153
5.3.2 보통중량 콘크리트의 압축강도 변화에 따른 전과정 CO2 평가 163
5.3.3 보통중량 콘크리트의 혼화재 치환율에 따른 전과정 CO2 평가 185
5.3.4 경량 콘크리트의 압축강도 변화에 따른 전과정 CO2 평가 186
5.3.5 경량 콘크리트의 천연모래 치환율에 따른 전과정 CO2 평가 198
5.3.6 보통중량 콘크리트와 경량 콘크리트의 전과정 CO2양 비교 201
5.4 소결 203
제 6 장 결 론 205
참고문헌 210
발표논문 218
Abstract 219

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