1. 서 론

MOLIT(2018)에 따르면 우리나라의 콘크리트 산업에서 연간 골재 소비량은 약 2억 5,000만 m3로 평가되고 있으며, 이 중 모래는 1억 1,000만 m3이다. 정부는 환경보호 측면에서 2022년까지 바다모래 사용량을 현재 수준에서 5 % 감축 목표를 설정하였으며, 남해의 배타적 경제수역(exclusive economic zone, EEZ)에서는 바다모래 채취를 중단하고 있다. 이에 따라 천연모래 의존도가 높은 우리나라 콘크리트 산업에서 골재 수급문제는 중요한 이슈가 되고 있다.

바텀애시 골재는 석탄 화력발전소에서 포집되는 부산물로서 2010년대 국내 연간 평균 발생량은 약 150만 톤으로 평가된다. 바텀애시 골재의 입경은 1~40 mm, 비중은 2.0~2.5 수준으로서 프리캐스트 콘크리트 골재 활용을 위하여 KS F 4570(KATS 2017)에 품질규격을 규정하고 있다. 하지만 바텀애시 골재는 흡수율이 10 % 이상으로 천연골재에 비해 약 5배 이상 높으며, 1 mm 이하의 입경 부족은 잔골재로서 표준 입도분포 만족을 어렵게 한다. 이러한 특성들은 바텀애시 골재들이 콘크리트 적용 시 품질관리를 어렵게 하는 요인이 되며, 이는 결국 바텀애시 골재 콘크리트의 강도발현 감소 및 내구성 저하의 중요한 원인이 되기도 한다. 따라서 바텀애시 골재의 재활용률 향상을 위해서는 이러한 기술적 장애에 대한 극복이 우선하여 요구된다. 한편 환경적 측면에서 천연골재 대체재에 대한 요구의 증가와 함께 바텀애시 골재의 일반 콘크리트 적용 및 경량골재로서의 적용성 검토 등은 사회적 대세로 진행되고 있다(KCI 2016). 특히 미국에서는 인공골재로 이용되고 있는 팽창성 혈암 대체재로서 바텀애시의 활용성에 대해 적극적으로 검토하고 있다. 바텀애시 골재를 사용하여 콘크리트의 단위용적중량을 줄임으로써 구조부재의 자중 절감을 통한 단면크기 저감 효과 등의 구조적 장점도 기대할 수 있다. 하지만 바텀애시 골재의 재활용이 환경적 장점에 대한 정량적인 데이터는 매우 미흡한 편이다.

바텀애시 골재의 콘크리트 재활용은 산업 부산물의 재활용 측면에서 환경적 장점이 있다. 하지만 다공성인 바텀애시 골재는 콘크리트의 압축강도를 감소시킬 수 있다. 따라서, 동일 설계 압축강도에 대해 바텀애시 골재 콘크리트(bottom ash aggregate concrete, BAAC)는 일반 콘크리트에 비해 낮은 물-시멘트비가 요구될 수 있으며, 이는 보통 포틀랜드 시멘트(ordinary portland cement, OPC) 사용량을 증가시킬 수 있다(Ji et al. 2019). OPC의 CO2 인벤토리는 0.931 kg/kg으로서 비교적 높은 값을 보이며, 자원 소모, 지구온난화 및 산성화 등의 환경영향 측면에서도 부정적인 정량평가가 제시되고 있다(Aïtcin 2000, Yang et al. 2015). 따라서 OPC 사용량이 증가할 수 있는 BAAC는 일반 콘크리트에 비해 산업부산물 재활용 외에 긍정적 환경영향이 다소 감소할 가능성도 있다. 따라서 바텀애시 골재가 콘크리트의 환경영향에 미치는 정량적 평가 자료는 바텀애시 골재의 재활용을 위한 중요한 인프라로서 가치가 있을 수 있다.

이 연구에서는 콘크리트 생산 단계에서 BAAC의 CO2 배출량 및 환경영향 크기를 동일 압축강도를 갖는 일반 콘크리트와 비교하여 평가하였다. 바텀애시 골재는 화력발전소에서 포집되는 것들을 대상으로 하였으며 기존에 매립처리 후 재활용되는 경우 및 고비중의 바텀애시 골재는 이 평가에서 제외하였다. 콘크리트의 환경영향 평가절차는 ISO 14044(ISO 2017)의 전과정 평가 프로세스를 기반으로 하였다. 환경영향 평가 크기는 “한국형 환경영향평가지수 방법론(ME 2003)”에 근거하여 산정하였다. BAAC의 배합에 대한 기존 실험자료들을 분석하고 CO2 배출량 및 각 범주별 환경영향 크기들을 단위시멘트양의 함수로 모델링하였다.

2. BAAC 배합의 데이터베이스

BAAC 배합 및 특성평가(유동성 및 압축강도 발현)에 관한 연구는 고로슬래그 또는 플라이애시 혼입 콘크리트에 비하면 아직은 매우 미미한 수준이다. 국내･외에서 발표된 논문(Lee et al. 2001; Choi et al. 2003; Park et al. 2009; Kim 2010; Kim and Lee 2011; Kim et al. 2014; Nikbin et al. 2016; Park et al. 2016; Kim and Park 2017; Ji et al. 2019)을 참고로 BAAC에 대한 90개의 실내배합을 분석하였다(Fig. 1). BAAC의 압축강도는 바텀애시 골재 혼입량의 증가와 함께 감소하는 경향을 보였다. 이에 따라 BAAC의 28일 압축강도는 20~70 MPa 범위에 있었으며, 이때 단위시멘트양은 300~607 $\mathrm{kg} / \mathrm{m}^{3}$ 수준이었다. 이 단위시멘트양은 비슷한 압축강도를 갖는 일반 콘크리트(Yang et al. 2013)에 비해 약 17~33 % 높은 값이다. 즉, BAAC는 바텀애시 골재의 낮은 강도 및 높은 흡수율로 인해 설계 압축강도를 만족시키기 위해서는 일반 콘크리트에 비해 더 많은 단위시멘트양을 필요로 한다. BAAC의 연구는 주로 바텀애시 골재를 잔골재로만 사용한 연구에 집중되고 있으며, 잔골재와 굵은 골재 모두 바텀애시 골재로 사용한 경우는 매우 부족하였다. 바텀애시 골재를 잔골재로 사용한 경우 그 치환율은 10~100 % 범위에 있었는데, 천연 잔골재 대비 바텀애시 잔골재 치환율은 주로 80 % 이상이었다. 바텀애시를 잔골재로 사용한 콘크리트의 단위용적중량은 대부분 1,500~1,900 $\mathrm{kg} / \mathrm{m}^{3}$ 범위에 있었는데, 이는 구조용 경량골재 콘크리트의 일반적 단위용적중량 범위와 비슷한 값이다.

Fig. 1. Distribution of main parameters in database for BAAC

3. BAAC의 전과정 환경영향 평가 절차

BAAC의 전과정 평가(life-cycle assessment, LCA) 목적은 바텀애시 골재를 사용한 콘크리트의 생산 및 운반 단계에서의 환경영향을 평가하고 일반 콘크리트와 비교하는 것이다. 따라서 LCA의 절차는 ISO 14044(ISO 2017)에 기반하여 수행한 Yang et al.(2013, 2014) 및 Choi et al.(2018)의 절차 및 시간적, 지역적, 기술적 경계조건 그리고 각 구성재료들의 운반단계에서 가정한 생산지를 동일하게 적용하였다. 콘크리트 생산지인 레미콘 공장의 위치는 화성시 비봉면으로 가정하였다. BAAC의 전과정 평가절차를 요약하면 다음과 같다. 운반단계에서 고려된 시멘트, 천연골재, 혼화제 및 바텀애시 골재의 생산지는 각각 대전 대덕구, 충북 흥덕, 경기 평택 및 인천 영흥이다. 상수도를 통해 조달되는 물의 운송단계에서의 투입물, 배출물은 무시했다. 운송수단으로서 시멘트는 벌크 트레일러를, 골재는 12 t 트럭을, 감수제와 같은 혼화제는 1 t 트럭을 적용했다. 생산된 콘크리트는 레미콘 트럭에 의해 현장까지 운반되는데, 이때의 운반 거리는 40 km로 가정하였다.

콘크리트의 전과정 환경영향 평가를 위하여 무생물 자원고갈, 지구온난화, 광화학산화물 생성, 산성화, 부영양화 및 인간독성 등의 각 범주별 환경영향 크기의 산정은 환경부의 “한국형 환경영향평가지수 방법론(ME 2003)”의 절차를 따라 수행한 Yang et al.(2014)의 방법과 동일하게 적용하였다. 영향 평가 절차에서 분류화, 특성화, 정규화 및 가중치 부여의 과정은 국내 여건을 고려하여 결정한 환경부 데이터를 이용하였다.

Fig. 2. System boundary selected for the present LCA

전과정 목록(life-cycle inventory, LCI) 분석은 2에 나타낸 시스템 경계에서 포함되는 재료와 운송수단들의 투입물과 배출물을 고려하여 제시한 환경부 Korea LCI DB(KEITI 2017) 자료를 이용하였다. 시스템 경계는 콘크리트 구성재료 및 운반단계, 그리고 콘크리트 생산단계를 포함한다. 각 콘크리트 구성재료 및 운송수단들의 LCI 데이터를 Table 1에 요약하였다. 바텀애시 골재는 Fig. 3에 나타낸 석탄 발전소에서의 포집단계를 고려하여 Chun(2007)이 제시한 LCI 데이터를 이용하였다. 바텀애시 골재의 CO2 원단위는 1.09E-03 CO2-kg/kg으로서 8.06E-04 CO2-kg/kg인 천연모래보다 약 35 % 높으며, 4.29E-03 CO2-kg/kg인 파쇄 굵은골재보다 약 75 % 낮다. 콘크리트 배합을 위한 레미콘 설비와 레미콘 트럭은 탄소연구단 LCI G-seed M LCI DB(KEITI 2018)를 이용하였다.

Fig. 3. General production process for bottom ash aggregates

Table 1에 나타낸 LCI 데이터를 이용하여 무생물 자원고갈, 지구온난화, 광화학산화물 생성, 산성화, 부영양화 및 인간독성 등의 각 범주에서 콘크리트의 환경영향 크기($WI_{i}$)는 식(1)을 이용하여 정량화하였다(Yang and Seo 2014).

여기서, $CI_{i}$는 영향범주 $i$에 포함된 모든 목록 항목($j$)들이 소속된 영향범주에 미치는 영향의 크기이며, $Load_{j}$는 $j$번째 목록의 환경부하량이며, $eqv_{i,\:j}$는 영향범주 $i$에 속한 $j$번째 목록의 특성화 계수 값이다. $N_{i}$는 영향범주 $i$의 정규화 기준 값이며, $w_{i}$는 영향범주 $i$의 가중치 값이다.

4. 콘크리트의 환경영향 평가

콘크리트의 배합조건을 고려한 CO2를 포함한 환경부하 요소들의 배출량은 Yang and Seo(2014)가 제시한 성능평가표를 이용하였다. Table 2에는 성능평가표를 이용하여 BAAC 콘크리트의 CO2 배출량 평가 예를 나타내었다. 오일 등의 자원소모 및 CO, NOx, SOx 등의 환경부하 물질들도 성능평가표에서 Table 1에 나타낸 LCI 데이터를 대입하여 산출될 수 있다.

4.1 CO2 배출량 평가

일반적으로 콘크리트는 설계 압축강도의 증가와 함께 단위시멘트양을 어느 한계까지는 증가를 요구한다. 콘크리트의 CO2 배출량은 시멘트양의 증가에 비례하여 증가하므로 압축강도가 높을수록 CO2 배출량은 증가할 수 있다(Damineli 2010). 하지만, 콘크리트 압축강도의 증가는 부재 단면크기를 줄일 수 있으며, 이는 결국 콘크리트 부재의 CO2 배출량을 줄일 수 있다. 이에 따라 Damineli(2010) 및 Yang et al.(2015)은 콘크리트의 CO2 배출량을 단위 압축강도(1 MPa)에 대해 평가되어야 함을 보이면서, 시멘트 지수($B_{i}$)와 CO2 지수($C_{i}$)를 식(2), (3)과 같이 제시하였다.

(2)

$$ B_{i}=B / f_{\alpha}\left(\mathrm{kg} / \mathrm{m}^{3} \cdot \mathrm{MPa}^{-1}\right) $$

(3)

$$ C_{i}=C_{e} / f_{\alpha}\left(\mathrm{kg} / \mathrm{m}^{3} \cdot \mathrm{MPa}^{-1}\right) $$

여기서, $B$는 단위시멘트양($\mathrm{kg} / \mathrm{m}^{3}$)을, $C_{e}$는 CO2 배출량($\mathrm{kg} / \mathrm{m}^{3}$)을, $f_{ck}$는 콘크리트 압축강도(MPa)를 나타낸다.

Fig. 4에는 콘크리트 각 배합표에서 $f_{ck}$ 변화에 대한 $B_{i}$ 값을 나타내었다. Yang et al.(2015)이 구축한 데이터베이스 자료를 이용하여 천연 골재를 사용한 일반 콘크리트(conventional concrete)의 배합에서 $f_{ck}$와 $B_{i}$의 관계에 대한 최적 회귀분석 값을 동일 그림에 나타내었다. 일반 콘크리트 및 BAAC의 $B_{i}$ 값은 $f_{ck}$의 증가와 함께 감소하는데, 그 감소기울기는 $f_{ck}$가 약 50 MPa 이상에서 완만하였다. 이는 $f_{ck}$의 증가에 따른 단위시멘트양의 증가폭이 고강도일수록 작게 있기 때문이다. BAAC의 단위시멘트양은 동일 압축강도($f_{ck}$)를 갖는 일반 콘크리트에서의 단위시멘트양에 비해 약 15 %($f_{ck}$=60 MPa)~31 %($f_{ck}$=21 MPa) 많이 요구되었는데, 이 차이는 콘크리트 압축강도 증가와 함께 감소하였다. 이는 설계 압축강도를 만족하기 위해서는 BAAC는 일반 콘크리트에 비해 더 많은 단위시멘트양을 필요로 함을 의미한다.

Fig. 4. Binder intensity (Bi) as a function of $f_{ck}$

Fig. 5. CO2 intensity (Ci) as a function of $f_{ck}$

Fig. 5에는 콘크리트 각 배합표에서 성능평가표(Table 2)를 이용하여 산정한 CO2 배출량에 대한 $C_{i}$ 값을 $f_{ck}$ 변화에 대해 나타내었다. 기존 데이터베이스 자료를 이용하여 일반 콘크리트의 배합에서 $f_{ck}$와 $C_{i}$의 관계에 대한 최적 회귀분석 값을 동일 그림에 나타내었다. 일반적으로 콘크리트의 CO2 배출량은 $B$에 의해 큰 영향을 받는다. 따라서 $C_{i}$ 값은 $B_{i}$ 값의 변화와 같이 $f_{ck}$의 증가와 함께 감소하였다. 일반 콘크리트의 경우 $C_{i}$ 값은 약 5 $\mathrm{kg} / \mathrm{m}^{3}$･MPa-1에 수렴하는 경향을 보였다. 동일 $f_{ck}$에서 BAAC의 $C_{i}$ 값은 일반 콘크리트에 비해 다소 높았다. Table 1에 나타낸 바와 같이 바텀애시 잔골재의 CO2 원단위는 천연 모래에 비해 낮지만 BAAC는 높은 단위시멘트양의 사용으로 일반 콘크리트에 비해 다소 높은 $C_{i}$값을 보였다. 콘크리트 구성재료 단계에서의 CO2 배출량에 대한 골재 양의 영향은 Table 2에 나타낸 바와 같이 약 0.1 % 이하로서 매우 미미하다. 따라서 바텀애시 골재 사용에 따른 콘크리트 CO2 배출량의 변화는 실제로 매우 미미하며, 오히려 바텀애시 골재 사용에 따른 단위시멘트양의 증가로 인한 콘크리트 CO2 배출량의 증가가 더 중요하게 있다.

4.2 CO2 배출량 모델링

Yang et al.(2015)은 일반 콘크리트의 CO2 배출량을 0.97$B$로 평가될 수 있음을 보였는데, 이는 일반 콘크리트의 CO2 배출량은 $B$에 직접 비례함을 의미한다. 바텀애시 골재의 CO2 원단위는 천연골재와 같이 매우 작은 값이다(Table 1). 따라서 바텀애시 골재 자체가 콘크리트의 생산단계에서의 CO2 배출량에 미치는 영향은 미미하였다. 따라서 BAAC의 CO2 배출량도 일반 콘크리트에서와 같이 $B$의 함수로 나타낼 수 있다.

Fig. 6에는 BAAC 및 일반 콘크리트에서 $C_{i}$와 $B_{i}$의 관계를 나타내었다. BAAC 및 일반 콘크리트의 $C_{i}$는 $B_{i}$에 직접 비례하여 증가하였다. 즉, BAAC의 $C_{i}$는 1.0$B_{i}$로, 일반 콘크리트의 $C_{i}$는 0.98$B_{i}$로 제시될 수 있었다. 동일 $B_{i}$ 값에서 BAAC와 일반 콘크리트의 $C_{i}$ 값이 매우 유사(2 % 차이)한 이유는 사용 골재들의 CO2 원단위가 매우 작기 때문이다. 결과적으로 이 연구의 $C_{i}$와 $B_{i}$에 대한 정의로부터 BAAC의 CO2 배출량($C_{e}$)은 식(4)와 같이 제시될 수 있다.

(4)

$$ C_{e}=1.0 B(\mathrm{kg} / \mathrm{m}^{3}) $$

Fig. 6. Regression analysis for relationship between CO2 intensity and binder intensity

4.4 환경영향 크기 평가모델

Fig. 7. Regression analysis for $bold\lambda_{i}$ of BAAC

콘크리트의 CO2 배출량이 $B_{i}$에 직접 비례하듯이(Fig. 6) 콘크리트의 배합조건에 따른 범주별 환경영향 크기도 $B_{i}$에 큰 영향을 받는다. 이를 고려하여 BAAC의 각 배합에 대한 범주별 환경영향 크기를 $B_{i}$에 따라 평가하였으며, 그 결과를 Fig. 7에 나타내었다. 범주별 환경영향 크기는 $B_{i}$ 및 $C_{i}$의 정의에서와같이 단위 압축강도(1 MPa) 관점에서 평가되어야 하므로 $f_{ck}$로 무차원하여 환경영향 크기 지수($\lambda_{i}$)로서 식(6)과 같이 정의하였다.

(6)

$\lambda_{i}=WI_{i}/f_{ck}$

BAAC의 범주별 $\lambda_{i}$는 Fig. 7에 나타낸 바와 같이 $B_{i}$에 직선 비례하였다. 따라서 BAAC의 $\lambda_{i}$는 $\alpha_{1}B_{i}$로 간단하게 정의될 수 있는데, 여기서 $\alpha_{1}$은 각 환경범주에 대해 실험결과들로부터 결정되는 실험상수이다. 환경영향 크기 지수 및 단위시멘트양 지수의 정의로부터 범주별 환경영향 크기($WI_{i}$)는 $\alpha_{1}B$로 단순하게 나타낼 수 있다. 바텀애시 골재 양의 증가와 함께 콘크리트 설계 압축강도를 만족시키기 위한 단위시멘트양은 증가하게 되므로 BAAC의 환경영향 크기에서도 바텀애시 골재 양의 영향이 암시적으로 $\alpha_{1}B$에 반영되고 있다. BAAC 배합들에서 산정된 각 환경영향 크기의 회귀분석의 결과(Fig. 7)로부터 지구온난화($WI_{CO_{2}}$) 광화학산화물 생성($WI_{POC}$), 산성화($WI_{AD}$), 부영양화($WI_{EP}$), 인간독성($WI_{HT}$), 무생물 자원고갈($WI_{ARD}$) 및 총 환경영향 크기($WI_{T}$)의 산정을 위한 $\alpha_{1}$ 값은 각각 $5×10^{-8}$, $2×10^{-8}$, $1×10^{-9}$, $7×10^{-10}$, $2×10^{-10}$, $2×10^{-8}$ 및 $9×10^{-8}$로 제시될 수 있었다.

5. 결 론

이 연구에서는 바텀애시 골재를 활용한 콘크리트(BAAC)의 CO2 배출량 및 환경영향 크기를 평가하였다. 바텀애시 골재는 화력발전소에서 포집되는 것들을 대상으로 하였으며 기존에 매립처리 후 재활용되는 경우 및 고비중의 바텀애시 골재는 이 평가에서 제외하였다. 이 연구는 바텀애시 재활용 측면에서 BAAC의 환경영향 평가에 중점을 두었으므로 BAAC의 압축강도 발현 및 내구성의 향상 등의 기술적 측면은 이 연구에서 고려하지 않았다. BAAC 배합에 관한 기존 실험결과들의 데이터베이스에서 결합재는 모두 OPC만을 고려하였다. BAAC의 전과정 환경영향을 직접적으로 평가할 수 있는 모델을 제시한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.

1) BAAC의 CO2 배출량은 단위시멘트양에 직접 비례하였으며, 동일 압축강도를 갖는 OPC와 천연골재를 사용한 일반 콘크리트의 CO2 배출량과 매우 유사한 수준(2 % 높은 값)이었다.

2) BAAC의 단위시멘트양은 동일 압축강도($f_{ck}$)를 갖는 일반 콘크리트에서의 단위시멘트양에 비해 약 15 %($f_{ck}$= 60 MPa)~31 %($f_{ck}$=21 MPa) 많이 요구되었는데, 이 차이는 콘크리트 압축강도 증가와 함께 감소하였다.

3) BAAC의 각 환경영향 범주에서의 환경영향 크기($WI_{i}$)는 단위시멘트양($B$)의 함수로서 $WI_{i}=\alpha_{1}B$와 같이 모델링 될 수 있었는데, 여기서 실험상수인 $\alpha_{1}$ 값은 지구온난화($WI_{CO_{2}}$) 광화학산화물 생성($WI_{POC}$), 산성화($WI_{AD}$), 부영양화($WI_{EP}$), 인간독성($WI_{HT}$), 무생물 자원고갈($WI_{ARD}$) 및 총 환경영향 크기($WI_{T}$)에 대해 각각 $5×10^{-8}$, $2×10^{-8}$, $1×10^{-9}$, $7×10^{-10}$, $2×10^{-10}$, $2×10^{-8}$ 및 $9×10^{-8}$로 제시 될 수 있었다.