1. 서    론

우수한 내구성 및 높은 강도 발현 그리고 비교적 자유로운 구조물 설계를 구현할 수 있는 콘크리트는 가장 많이 사용되는 중요한 건설재료이다. 그러나 콘크리트의 70 % 이상을 차지하는 골재의 공급을 위해 천연골재의 무분별한 채취로 자원 고갈현상이 심화되고 있다(Kim et al. 2014)_. 이에 따라 천연골재의 대체 및 콘크리트 물성개선을 위하여 인공경량골재에 대한 관심이 점차 증가하고 있다. 경량골재 콘크리트(lightweight aggregate concrete, LWC)의 단위용적질량은 일반적인 보통중량 콘크리트(normal-weight concrete, NWC)에 비해 20∼35 %까지 낮출 수 있으며(Jeong et al. 2012), 구조물의 부재단면 축소 및 유효 공간의 활용성 향상 등의 효과를 기대할 수 있다(Kim and Jeong 2011). 이에 따라 인공경량골재에 대한 성능향상 및 최적 배합설계에 대한 연구가 지속적으로 수행되고 있다.

구조물의 설계단계에서 CO₂ 배출량에 대한 정량적 평가 및 감축기술에 대해 사회적·정책적 요구가 증가하고 있다. 일반 NWC 구조물의 경우 전과정 CO₂ 평가에 대한 다양한 연구들이 수행되었지만(Yang and Jeong 2015) 인공경량골재 콘크리트 구조물의 경우 전과정 CO₂ 평가에 대한 정량적 자료 및 연구는 매우 미흡한 실정이다. ISO 14044(ISO/TC 207/SC 5 2017) 시리즈에서 제시하고 있는 전과정 평가 프로세스에 기반한 경량 골재 콘크리트 구조물의 환경영향평가 자료는 재료의 재활용 및 자원보존효과와 함께 환경적 장․단점을 정량적으로 판단하기 위해서도 중요하다.

본 연구에서 콘크리트 생산 단계 및 구조물 적용단계에서 LWC의 적용 시 환경영향을 정량적으로 평가하고 일반 NWC의 경우에 대한 환경영향 크기와 비교하였다. LWC의 생산을 위하여 굵은 골재로서 인공경량골재를 100 % 사용하고 잔 골재로서 최대직경 5 mm인 인공경량골재를 천연모래 대비 0 %에서부터 100 %까지 25 % 간격으로 치환시켰다. 콘크리트의 전과정 환경영향 평가결과에 기반하여 콘크리트 생산단계에서 각 범주별 환경영향 크기를 단위용적질량과 압축강도의 함수로 모델링하였다. 더불어, 콘크리트 구조물에서 LWC를 적용할 경우 고정하중 감소에 따른 부재단면의 축소를 고려한 환경영향 크기를 평가하였다.

2. 콘크리트의 전과정 환경영향 평가 절차

이 연구에서 수행한 전과정 평가(life-cycle assessment, LCA)의 목적은 콘크리트 생산 시 환경영향 및 구조물 설계 단계에서의 환경영향을 콘크리트의 단위용적질량 및 압축강도의 변화에 따라 평가하는 것이다. 콘크리트의 기능단위는 1 m³이며, 시스템의 경계는 콘크리트 구성요소들인 원재료의 생산에서부터 현장에서 타설 직전까지의 단계로서 구성재료, 운반 및 콘크리트 생산 등으로부터의 대기 배출물, 수계 배출물, 고형 배출물 등을 고려했다(Fig. 1). 콘크리트 배합에 대한 시간적 경계는 2017년이며, 지역적 경계는 서울 인근이며, 기술적 경계는 실내실험 및 표준기(3∼5월 및 9∼10월) 레미콘 공장의 배합자료이다(Yang et al. 2014b).

Fig. 1

System boundary for the present concrete LCA

운반단계에서의 환경영향을 산정하기 위해 레미콘 공장의 위치는 화성시 비봉면으로 가정했다. 인공경량골재의 생산지는 인천 영흥이다. 시멘트는 대전 대덕구, 굵은골재와 잔골재는 충북 흥덕, 혼화제는 평택에서 운송됨을 가정했다. 물은 상수도를 통해 조달되므로 물의 운송단계에서 투입물, 배출물은 무시했다. 콘크리트 구성 재료들의 운송에서, 시멘트계 재료들은 벌크 시멘트 트레일러를, 골재는 12톤 트럭을, 감수제와 같은 혼화제는 1톤 트럭을 적용했다. 생산된 콘크리트는 6 m³ 용량의 레미콘 트럭에 의해 현장까지 운반되며 운반거리는 최대 40 km로 가정했다.

2.1 전과정 목록(life-cycle inventory, LCI) 분석

전과정 목록분석은 Fig. 1에 나타낸 공정에서 이용된 LCI를 이용하였다(Table 1). LCI 데이터는 생산공정, 기온 및 천연자원의 매장량 등에 영향을 받기 때문에 가능하면 국내의 자료를 이용하였다. 콘크리트 구성재료 및 운반수단 등의 LCI는 기본적으로 국내 환경부(Korea LCI DB. 2017)에서 제공하는 데이터를 이용했다. 인공경량골재 및 레미콘 설비와 레미콘 트럭은 탄소연구단 LCI DB(Korea Environmental Industry and Technology Institute 2018)를 이용하였다. Table 1에 나타낸 LCI DB를 이용한 환경영향 평가는 Yang et al.(2014b)이 제시한 절차 및 CO₂ 성능평가 표를 이용했다. 인공경량골재는 소성가공 중 투입 되는 원료 및 생산방법에 따라 CO₂ 배출계수 등 환경부하 발생의 원단위는 상이할 수 있다. 하지만 본 연구에서 사용된 석탄회와 준설토기반의 인공경량골재뿐만 아니라 기존에 생산되었  던 다양한 인공경량골재들의 종류에 따른 LCI DB의 구축은, 투입원료 및 원가분석 상세 자료 확보 등의 제약으로 현실적으로 어려운 실정이다. 이에 본 연구에서는 Jung et al.(2016)이 제시한 석탄회와 준설토 기반의 인공경량골재의 CO₂ 배출 원단위를 이용하였다. 사용된 인공경량골재의 CO₂ 원단위는 5.44E-02 CO₂-kg/kg이며, 2.34E-03 CO₂-kg/kg인 천연모래보다 약 9배 높다.

Table 1 Summary of LCI database used for assessing environment loads of concrete

2.2 환경영향 평가

전과정 환경영향 평가는 환경부(Korea Environmental Industry and Technology Institute 2017) 및 (Yang et al. 2014b)에 의해 제시된 절차를 따랐다. 환경영향 평가를 위해서는 LCI 데이터베이스에 의해 산정된 환경부하량을 각각의 범주에 미치는 영향의 크기로 정량화하는 과정이 필요하다. 이 연구에서는 환경영향 범주를 무생물 자원고갈, 지구온난화, 광화학산화물 생성, 산성화, 부영양화 및 인간독성의 6개로 분류했다. 영향 평가 절차에서 분류화, 특성화, 정규화 및 가중치 부여의 과정은 국내 환경부에서 제공하는 데이터를 이용했으며 한국형 환경영향 평가지표 방법론을 따라 각 범주들에서 콘크리트의 환경영향 크기()를 정량화하였다(Yang et al. 2014b).

 (1)

여기서, 는 영향범주 에 포함된 모든 목록항목()들이 소속된 영향범주에 미치는 영향의 크기이며, 는 번째 목록의 환경부하량이며, 는 영향범주 에 속한 번째 목록의 특성화 계수 값이다. 는 영향범주 의 정규화 기준 값이며, 는 영향범주 의 가중치 값이다.

3. 콘크리트의 환경영향 평가

콘크리트의 압축강도 및 단위용적질량 변화에 따른 환경영향 평가를 위한 콘크리트 배합상세는 Table 2에 나타냈다. Table 2에 나타낸 배합상세는 Yang et al.(2014a) 의 데이터베이스를 이용하여 결정한 것이다. 콘크리트의 설계기준강도()는 24 MPa 및 40 MPa로 선택하였다. 경량골재 콘크리트 생산에서 천연모래에 대한 경량잔골재 치환율()은 0 %, 25 %, 50 %, 75 % 및 100 %로 변화했다. LWC 배합에서 굵은 골재는 모두 인공경량골재를 이용했다. 따라서 가 0 %인 경우는 모래경량 콘크리트(sand-lightweight aggregate concrete, SLWC)이며, 100 %인 경우는 전경량 콘크리트(all-lightweight concrete, ALWC)를 의미한다. NWC 배합에서 굵은골재와 잔골재는 천연골재를 부순 쇄석, 천연모래를 이용하였다. 모든 배합에서 결합재는 보통포틀랜드시멘트 100 %를 이용했다.

Table 2 Mixture proportions of concrete with different values of

콘크리트 목표성능을 만족시키기 위하여 가 증가할수록 낮은 물-시멘트 비가 요구되었는데, 이는 일정한 단위수량에서 단위시멘트량을 증가시켰다. ALWC의 배합에서 단위시멘트양은 SLWC에 비해 가 24 MPa일 때 9 %, 가 40 MPa일 때에는 8 % 증가하였다.

3.1 콘크리트 CO₂ 배출량

LWC 배합의 환경부하량은 Table 3에 나타낸 바와 같이 CO₂ 배출량, 무연탄 및 유연탄 소비량 순으로 나타났다. 반면 NWC 배합의 환경부하량은 CO₂ 배출량, 유연탄 소비량 및 CO 배출량 순으로 나타났다. LWC 배합에서 무연탄 소비량이 NWC 배합의 경우에 비해 많은 이유는 경량골재의 무연탄 소모양이 천연골재에 비해 높기 때문이다. LWC 배합의 CO₂ 배출량은 동일 압축강도를 갖는 NWC 배합에 비해 높았다. 이는 경량골재의 CO₂ 배출계수가 일반쇄석에 비해 높으며, LWC 배합의 경우 를 만족시키기 위해서는 NWC 배합에 비해 많은 단위시멘트량이 요구되기 때문이다(Choi 2011). LWC 배합들에서 및 가 증가할수록 CO₂ 배출량은 선형적으로 증가하였다(Fig. 2). 예를 들면 가 0 %에서 100 %로 증가할 때 (즉, SLWC와 ALWC를 비교하면) CO₂ 배출량은 가 24 MPa일 때 12 % 증가하였으며, 가 40 MPa일 때 10 % 증가하였다. SLWC 배합의 CO₂ 배출량은 NWC 배합에 비해 가 24 MPa와 40 MPa일 때 각각 31 %와 29 % 증가하였다.

Table 3 Typical environment loads of the examined concrete

Fig. 2

Effect of on CO₂ emissions of concrete

3.2 환경영향의 크기

환경영향의 크기는 환경영향 평가의 주관적인 측면을 최소화하고 분류화, 특성화, 정규화 및 가중치 부여의 과정에 의하여 정량적으로 산정한 값을 의미하다. LWC 배합의 환경영향 범주별 크기 산정결과는 Fig. 3에 나타내었다. 사용 골재 및 설계기준강도에 관계없이 환경영향에 대한 가장 큰 영향범주는 지구온난화이다. 이는 CO₂ 배출계수가 높은 OPC 사용 때문이다(Cho and Chea 2015). 이외의 환경영향 크기는 NWC 배합의 경우 광화학산화물 생성, 무생물 자원고갈 순이며, LWC 배합은 무생물 자원고갈, 광화학산화물 생성 순으로 높았다. 이는 세척사 및 부순 굵은골재에 비해 인공경량골재의 CO, SO_X 및 NO_X, 등의 배출계수가 높고 무연탄, 유연탄, 천연가스 및 원유 등의 자원소모도 많기 때문이다(Table 1). 그 외의 영향범주(산성화, 부영양화, 인간독성)는 지구온난화 지수의 약 2∼34 %로 수준으로 나타났다. 지구온난화의 증가율은 증가와 함께 선형적으로 증가하는데 가 25 %씩 증가할 때 가 24 MPa와 40 MPa일 때 각각 약 3 %와 2 % 단위로 증가하였다.

Fig. 3

Effect of on environmental impact size of concrete

전체 환경영향 크기에 대한 의 영향은 Fig. 4에 나타내었다. CO₂ 배출량의 평가 결과와 같이 전체 환경영향 크기는 가 0 %에서 100 %로, 가 24 MPa에서 40 MPa로 변화함에 따라 증가했다. 가 25 %씩 증가할 때 환경영향 지수의 증가비는 가 24 MPa와 40 MPa 일 때 각각 약 4 %와 3 %이었다. NWC 배합의 총 환경영향 지수 대비 SLWC와 ALWC 배합는 가 24 MPa일 때 각각 43 %와 66 % 높았으며, 가 40 MPa일 때에는 각각 38 %와 56 % 높았다. 또한 ALWC 배합의 총 환경영향 지수는 SLWC 배합 대비 가 24 MPa와 40 MPa일 때 각각 16 %와 13 % 높았다.

Fig. 4

Environmental impact index by strength

3.3 경량잔골재 치환 콘크리트 환경영향 크기 평가모델

LWC의 각 범주별 환경영향 크기에 대한 의 영향은 단위용적질량() 및 에 의해 영향을 받는다. 이를 고려하여 LWC의 각 범주별 환경영향 크기를 및 를 주요 변수로 회귀분석을 실시하였다. LWC 배합의 각 범주별 환경영향 크기는 치환율이 증가함에 따라 선형적으로 증가한다. 결과적으로 영향 범주 에 서 LWC 배합의 환경영향 지수에 대한 기본 식은 및 의 함수로서 다음과 같이 모델링 될 수 있었다.

 (2)

여기서, , , 및 은 실험상수이다. 회귀분석의 결과를 나타낸 Fig. 5로부터 지구온난화(), 무생물 자원고갈(), 광화학산화물 생성() 및 총 환경영향 지수()의 산정을 위한 식은 다음과 같이 제시 될 수 있었다.

 (3)

 (4)

 (5)

 (6)

Fig. 5

Regression analysis for of LWC

4. 구조물의 CO₂ 및 환경영향 평가

LWC 구조물의 CO₂ 및 환경영향 평가의 대상은 서울에 위치한 지상 11층 규모의 철근 콘크리트 구조물로서, 그 기준층 평면도를 Fig. 6에 나타내었다. 대상 구조물에서 콘크리트 설계기준 강도와 철근의 항복강도는 각각 24 MPa와 400 MPa이다. 구조물에 작용하는 전체 고정하중과 활하중을 고려하여(Table 4) 보, 기둥 및 벽체의 부재설계는 콘크리트 종류(NWC, ALWC, SLWC)에 따라 하였다. 단, 이들 부재에서 철근이 CO₂ 배출량 및 환경영향 지수에 미치는 영향은 전체 구조물에서 평가된 양 대비 3 % 미만으로서 매우 적기 때문에 제외하였다. 또한 슬래브는 휨에 의해 지배받으므로 구조설계에서 콘크리트 종류에 따른 단면크기의 변화는 없었다. 따라서 Table 5에 나타낸 보, 기둥 및 벽체의 단면 상세 비교 및 이에 따른 환경영향 평가에서 슬래브는 제외하였다. LWC의 적용에 따른 고정하중의 감소는 연직하중은 물론 지진하중의 감소를 유도하여 부재의 단면을 축소시켰다.

Fig. 6

Plan view of the concrete structure investigated

Table 4 Load and volume of concrete structure

Table 5 Sectional details of structure according to

대상 구조물의 콘크리트를 SLWC 및 ALWC로 설계할 경우 보, 기둥 및 벽체의 자중은 NWC를 적용한 경우에 비해 16∼27 % 감소하였다(Table 4). 구조물의 LWC 적용 시 NWC 대비 부재의 단면 축소율은 기둥의 경우 SLWC 및 ALWC일 때 10 %로 같았으며, 벽체의 경우 SLWC 및 ALWC일 때 각각 8 % 및 25 %로 나타났다.

4.1 인공경량골재 콘크리트 구조물의 CO₂ 평가

콘크리트 변화에 따른 부재별 CO2 배출량 산정결과를 Fig. 7에 나타내었다. LWC를 적용한 구조물의 각 부재별 CO₂ 배출량은 NWC를 적용한 경우에 비해 높았다. 기둥 및 보에서 NWC 적용의 경우 대비 CO₂ 배출량의 증가율은 SLWC에 비해 ALWC에서 더 높게 나타났다. 기둥 및 보에서 NWC 대비 CO₂ 배출량 증가율은 SLWC를 적용한 경우 각각 19 % 및 31 %이었으며, ALWC를 적용한 경우 각각 33 % 및 46 %이었다. 기둥 및 보와 달리 벽체에서 NWC 적용의 경우 대비 CO₂ 배출량 증가율은 ALWC에 비해 SLWC가 더 높았다. NWC 벽체의 CO₂ 배출량 대비 SLWC 및 ALWC 벽체의 CO₂ 배출량은 각각 21 % 및 17 % 증가하였다. 이는 ALWC를 적용할 경우 고정하중의 감소로 인한 축하중 및 부재 단면크기의 축소 영향이다. 동일 에서 전체 구조물에 대한 CO₂ 배출량은 NWC를 적용한 경우에 비해 SLWC 및 ALWC를 적용한 경우에 각각 30 %와 40 % 높았다. 이와 같은 결과는 환경영향평가 결과와 같이 세척사 및 부순 굵은골재에 비해 경량골재의 높은 CO₂ 배출 계수 때문이다.

Fig. 7

CO₂ emission in the different structural elements

4.2 인공경량골재 콘크리트 구조물의 환경영향 평가

콘크리트 구조물의 각 부재별 환경영향 지수를 Fig. 8에 나타내었다. 범주별 환경영향 크기는 , , 순으로 높았다. LWC를 적용한 경우 구조물의 및 는 NWC를 적용한 경우보다 높았다. NWC를 적용한 기둥, 보 및 벽체에서의 값에 비해 SLWC를 적용한 경우에는 각 부재에서 2 %, 12 % 및 3 %가 증가하였으며, ALWC를 적용한 경우에는 각 부재에서 14 %, 25 % 및 0.1 % 증가하였다. NWC를 적용한 구조물의 기둥, 보 및 벽체의 값에 비해 SLWC를 적용한 경우에는 각 부재에서 26 %, 39 % 및 28 %가 증가하였으며, ALWC를 적용한 부재들에서는 각각 63 %, 80 % 및 44 %가 증가하였다. 반면, NWC를 적용한 경우 값과 비교하면 SLWC를 적용한 기둥에서는 1 % 감소하였으며, 보 및 벽체에서는 각각 9 %와 1 % 증가하였다. 이 값은 ALWC를 적용한 경우에 보 및 기둥에서 각각 1 %와 19 % 증가하였으며, 벽체에서 5 % 감소하였다. 다른 영향범주에 비해 광화학산화물 생성의 환경영향 크기가 NWC를 적용한 구조부재 대비 SLWC의 기둥과 ALWC의 벽체에서 감소하였다. 즉 값은 콘크리트 구성재료들의 환경부하보다는 구조부재의 단면크기에 의한 콘크리트 물량에 의해 더 중요한 영향을 받았다. 결과적으로 NWC를 적용한 기둥, 보 및 벽체 구조물의 총 환경영향 지수() 값에 비해 SLWC를 적용한 경우에는 각각 6 %, 17 % 및 7 % 증가하였으며, ALWC를 적용한 경우에는 각각 23 %, 35 % 및 8 % 증가하였다.

Fig. 8

Environmental impact size () of structural elements

5. 결    론

콘크리트 설계 기준강도()가 24 MPa 및 40 MPa인 인공경량골재 콘크리트 및 콘크리트 구조물에서 CO₂ 배출량을 포함한 환경영향 크기를 정량적으로 평가한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.

1)경량골재 콘크리트(lightweight concrete, LWC)의 CO₂ 배출량은 천연모래 대비 경량잔골재 치환율()이 증가함에 따라 선형적으로 증가하였다.

2)콘크리트 배합단계에서 전체 환경영향 크기는 CO₂ 배출량의 평가 결과와 같이 가 증가할수록 선형적으로 증가하였다. 결과적으로 LWC의 환경영향 지수 값은 단위용적질량() 및 의 함수로 단순 모델링 될 수 있었다.

3)콘크리트 구조물 전체의 CO₂ 배출량은 보통중량 콘크리트(normal-weight concrete, NWC)를 적용한 경우 대비 모래 경량콘크리트(sand-lightweight concrete, SLWC) 및 전경량 콘크리트(all-lightweight concrete, ALWC)를 적용한 경우 각각 30 % 및 40 % 증가했다.

4)콘크리트 기둥, 보 및 벽체 부재들에서 총 환경영향 지수는 NWC를 적용한 경우 대비 SLWC를 적용한 경우에는 각 부재들에서 6 %, 17 % 및 7 % 증가하였으며, ALWC를 적용한 경우에는 각 부재들에서 23 %, 35 % 및 8 % 증가하였다.