3.2 OPC와 HPCC의 배출계수 및 배출량 산출결과
Tier 3 배출계수를 산정하기 위해 클링커 내 CaO 및 MgO의 질량분율을 소수로 변환하여 계산하였으며, 기타 탄소 성분에 기인하는 원료인
KR 슬래그의 CaO 및 MgO 기여분은 제외하였다. KR 슬래그 기여분을 제외할 때에는 KR 슬래그의 혼입 비율에 따라 해당 성분 질량에 배합비를
곱하여 반영하였다. HPC/OPCC 값은 HPC 대비 OPC 클링커(OPC Clinker, OPCC)의 배출계수를 백분율로 표현한 것이며, OPC
클링커의 배출계수는 CaO 질량분율 63.13%, MgO 질량분율 3.55%를 Tier 3 산정식에 적용하여 계산한 0.5343 tCO₂/t-clinker를
사용하였다. Tier 3 배출계수 및 배출량 산정을 위한 가정과 제한사항은 다음과 같다.
(1) ClinCaO와 ClinMgO를 산출 시 내재된 매개변수인 미소성 CaO와 미소성 MgO는 0으로 가정하였으며(완전 소성)마찬가지로 내재된 매개변수인 비탄산염CaO와 비탄산염
MgO는 KR 슬래그의 실측값을 통해 유래분을 제외하였다.
(2) 시멘트 킬른 더스트(CKD)의 외부 반출량은 0으로, CKD에 대한 배출계수 역시 0으로 가정하였다.
(3) CKD의 반출량, 미소성 CaO와 미소성 MgO를 0으로 가정할 경우 배출계수가 낮게 추정될 수 있으며 본 연구에서는 가정사항을 기반으로
OPCC 배출계수와 비교한 것에 의의를 둔다.
미소성 CaO 및 MgO에 대한 배출계수 산출 방법은 원칙적으로 클링커 배출계수 계산과 유사하나, 기원별 구분값이 중첩되고 정확한 분리⋅정량이
어려워 현장 실무에 적용하기에는 한계가 있다. 따라서 추계치 기반 또는 원료 혼합비를 이용한 예측식에 의존할 필요가 있으나, 본 연구에서는 이를 적용하지
않았으며 향후 추가적인 연구가 요구된다. 각 클링커 배합에 대한 배출계수 산정 결과는 Table 5에 제시하였다.
Table 5 Carbon emission factor for each HPCC
|
Category
|
CliCaO (-)
|
ClinCaO (-)
|
CliMgO (-)
|
ClinMgO (-)
|
EFi (tCO₂/t-clinker)
|
HPC/OPCC
|
|
OPC Clinker
|
0.63130
|
0
|
0.03550
|
0
|
0.53434
|
100.0%
|
|
LSF 95 (Slag : 0%)
|
0.65528
|
0
|
0.02953
|
0
|
0.54664
|
102.3%
|
|
0.65799
|
0
|
0.02956
|
0
|
0.54879
|
102.7%
|
|
0.66039
|
0
|
0.0296
|
0
|
0.55071
|
103.1%
|
|
LSF 98 (KR : 0%)
|
0.66179
|
0
|
0.02966
|
0
|
0.55190
|
103.3%
|
|
0.66448
|
0
|
0.02969
|
0
|
0.55404
|
103.7%
|
|
0.66684
|
0
|
0.02972
|
0
|
0.55592
|
104.0%
|
|
LSF 95 (KR : 5%)*
|
0.65328
|
0.02244
|
0.02961
|
0.00117
|
0.52626
|
98.5%
|
|
0.65600
|
0.02257
|
0.02964
|
0.00118
|
0.52832
|
98.9%
|
|
0.65837
|
0.02268
|
0.02966
|
0.00118
|
0.53012
|
99.2%
|
|
LSF 98 (KR : 5%)*
|
0.65978
|
0.02261
|
0.02975
|
0.00118
|
0.53137
|
99.4%
|
|
0.66246
|
0.02274
|
0.02978
|
0.00119
|
0.53340
|
99.8%
|
|
0.66479
|
0.02285
|
0.029780
|
0.00119
|
0.53516
|
100.2%
|
|
LSF 95 (KR : 3%)*
|
0.65409
|
0.01340
|
0.02958
|
0.00070
|
0.53447
|
100.0%
|
|
0.65679
|
0.01348
|
0.02961
|
0.00070
|
0.53656
|
100.4%
|
|
0.65916
|
0.01355
|
0.02963
|
0.00071
|
0.53839
|
100.8%
|
|
LSF 98 (KR : 3%)*
|
0.66058
|
0.01351
|
0.02971
|
0.00071
|
0.53963
|
101.0%
|
|
0.66326
|
0.01358
|
0.02974
|
0.00071
|
0.54170
|
101.4%
|
|
0.66562
|
0.01365
|
0.02977
|
0.00071
|
0.54352
|
101.7%
|
앞서 제시한 가정 중 CKD 관련 가정을 적용할 경우, 배출량 산정식에서 클링커 배출계수를 적용한 항 이외의 항목은 없거나 그 기여도가 매우
미미하다. 따라서 클링커 1 t 생산을 기준으로 할 때, 단위를 제외한 배출량 산정값과 배출계수의 수치 간에는 유의미한 차이가 나타나지 않았으며,
그 결과는 Table 6에 제시하였다.
Table 6 Carbon emissions for each HPC
|
Category
|
Qi (t)
|
EFi (tCO₂/t-clinker)
|
Qtoc (t)
|
EFtoc (tCO₂/t-clinker)
|
Ei (t)
|
HPC /OPCC
|
|
OPC Clinker
|
1.0000
|
0.53434
|
0
|
0.00073
|
0.53434
|
100.0%
|
|
LSF 95 (Slag : 0%)
|
1.0000
|
0.54664
|
0
|
0.00073
|
0.54664
|
102.3%
|
|
1.0000
|
0.54879
|
0
|
0.00073
|
0.54879
|
102.7%
|
|
1.0000
|
0.55071
|
0
|
0.00073
|
0.55071
|
103.1%
|
|
LSF 98 (KR : 0%)
|
1.0000
|
0.55190
|
0
|
0.00073
|
0.55190
|
103.3%
|
|
1.0000
|
0.55404
|
0
|
0.00073
|
0.55404
|
103.7%
|
|
1.0000
|
0.55592
|
0
|
0.00073
|
0.55595
|
104.0%
|
|
LSF 95 (KR : 5%)*
|
1.0000
|
0.52626
|
0.043237
|
0.00073
|
0.52630
|
98.5%
|
|
1.0000
|
0.52832
|
0.043486
|
0.00073
|
0.52836
|
98.9%
|
|
1.0000
|
0.53012
|
0.043704
|
0.00073
|
0.53015
|
99.2%
|
|
LSF 98 (KR : 5%)*
|
1.0000
|
0.53137
|
0.043573
|
0.00073
|
0.53140
|
99.5%
|
|
1.0000
|
0.53340
|
0.043817
|
0.00073
|
0.53343
|
99.8%
|
|
1.0000
|
0.53516
|
0.044031
|
0.00073
|
0.53518
|
100.2%
|
|
LSF 95 (KR : 3%)*
|
1.0000
|
0.53447
|
0.025824
|
0.00073
|
0.53449
|
100.0%
|
|
1.0000
|
0.53656
|
0.025972
|
0.00073
|
0.53658
|
100.4%
|
|
1.0000
|
0.53839
|
0.026101
|
0.00073
|
0.53841
|
100.8%
|
|
LSF 98 (KR : 3%)*
|
1.0000
|
0.53963
|
0.026023
|
0.00073
|
0.53965
|
101.0%
|
|
1.0000
|
0.54170
|
0.026168
|
0.00073
|
0.54172
|
101.4%
|
|
1.0000
|
0.54352
|
0.026295
|
0.00073
|
0.54352
|
101.7%
|
가장 낮은 공정배출량을 보인 클링커는 LSF 95, Slag 4.32% 조건의 HPCC로, 배출계수는 0.52626 tCO₂/t-clinker로
산정되었다. 배출계수는 KR 슬래그 혼입량 및 LSF에 대해 반비례하는 경향을 나타냈으며, 이는 CaO와 MgO 함량이 높을수록 시멘트 배출계수가
증가하기 때문이다. 즉, KR 슬래그 혼입량 증가는 클링커 배출계수 산정에 사용되는 CaO 및 MgO 질량분율을 감소시키며, 낮은 LSF에서는 CaO
함량 자체가 감소하는 영향이 복합적으로 작용한 결과로 해석된다. 이를 기준으로 기존 OPC 클링커(0.5343 tCO₂/t-clinker)의 배출계수와
배출량을 산정하여 비교하였다.
배출량 비교는 시멘트 총량에서 석고 함량을 6%로 고정한 후, 잔여 비율 내에서 클링커 대비 혼화재 비율을 0%에서 20%까지 증가시키는
방식으로 수행하였다. 각 조건에 대해 산정한 결과는 Table 7에 정리하였다.
Table 7 CO2 emissions of cements with diverse mixing ratio of raw materials
|
Cement* raw material proportion
|
t-CO2/t-cement
|
|
Clinker
(t)
|
Gypsum
(t)
|
Non-carbonate
materials
(t)
|
Non-carbonate
materials ratio
(%)
|
OPC
|
HPCC
|
|
0.940
|
0.060
|
0.000
|
0
|
0.502
|
0.495
|
|
0.931
|
0.060
|
0.009
|
1
|
0.497
|
0.490
|
|
0.921
|
0.060
|
0.019
|
2
|
0.492
|
0.485
|
|
0.912
|
0.060
|
0.028
|
3
|
0.487
|
0.480
|
|
0.902
|
0.060
|
0.038
|
4
|
0.482
|
0.475
|
|
0.893
|
0.060
|
0.047
|
5
|
0.477
|
0.470
|
|
0.884
|
0.060
|
0.056
|
6
|
0.472
|
0.465
|
|
0.874
|
0.060
|
0.066
|
7
|
0.467
|
0.460
|
|
0.865
|
0.060
|
0.075
|
8
|
0.462
|
0.455
|
|
0.855
|
0.060
|
0.085
|
9
|
0.457
|
0.450
|
|
0.846
|
0.060
|
0.094
|
10
|
0.452
|
0.445
|
|
0.837
|
0.060
|
0.103
|
11
|
0.447
|
0.440
|
|
0.827
|
0.060
|
0.113
|
12
|
0.442
|
0.435
|
|
0.818
|
0.060
|
0.122
|
13
|
0.437
|
0.430
|
|
0.808
|
0.060
|
0.132
|
14
|
0.432
|
0.426
|
|
0.799
|
0.060
|
0.141
|
15
|
0.427
|
0.421
|
|
0.790
|
0.060
|
0.150
|
16
|
0.422
|
0.416
|
|
0.780
|
0.060
|
0.160
|
17
|
0.417
|
0.411
|
|
0.771
|
0.060
|
0.169
|
18
|
0.412
|
0.406
|
|
0.761
|
0.060
|
0.179
|
19
|
0.407
|
0.401
|
|
0.752
|
0.060
|
0.188
|
20
|
0.402
|
0.396
|
공정배출량을 단순 비교한 결과, HPC에 석회석, 포졸란 등 혼합재 총량을 약 9% 수준까지 혼입한 경우 0.450 t-CO2/ t-Cement, 기존 OPCC에 혼합재를 10% 사용한 경우 0.452 t-CO2/t-Cement로 나타나 OPCC에 혼합재 10%를 혼합한 경우 HPC에 혼합재 9%를 혼합했을 때와 동등한 공정배출량을 나타냈다. 혼합재를 9%
혼합했을 때 HPCC 1 톤 당 이산화탄소 배출량 산출방법은 다음 예시와 같으며 해당사항이 없는 항을 제외하면 OPC의 경우도 이와 동일한 방법으로
산출할 수 있다.
$E_{i}=(Q_{i}\times EF_{i})+(Q_{CKD}\times EF_{CKD})+(Q_{toc}\times EF_{roc})\\
0.52630=(1\times 0.52626)+(0\times 0)+(0.04324\times 0.00073)$
$E_{i}=0.52630$ (tCO₂, CO₂ per ton of clinker)
$Q_{i}=1$ (ton, Clnker weight)
$EF_{i}=0.52626$ (tCO₂/t-clinker, LSF 95%, KR Slag ratio 4.32%)
$Q_{CKD}=0$, $EF_{CKD}=0$ (Assumptions)
$Q_{toc}=0.04324$ (ton, KR slag replacement ratio per ton of clinker)
$EF_{toc}=0.00073$ (tCO₂/t-clinker, Default value)
$Emission=C\ln\ker weight\times E_{i}\\
0.450=0.855\times 0.52630$
$Emission=0.450$(tCO₂, CO₂ emissions)
$C\ln\ker weight=0.855$ (Clinker content when 9% supplementary cementitious materials
are blended)
$E_{i}=0.52630$ (tCO₂, CO₂ per ton of clinker)
KR 슬래그의 CaO 및 MgO 질량분율은 일반 석회석보다 상대적으로 높기 때문에, 적정 범위 내에서 투입량을 증가시킬수록 공정배출량 감소에
유리하다. 다만 과도한 슬래그 혼입은 시멘트의 물리⋅역학적 성능을 저하시킬 수 있으므로, 허용 혼입량에는 공학적 한계가 존재한다.
따라서, Table 7의 결과를 공정배출에 한정한 단순 비교치로 보고, 전체 배출량 중 공정배출 비율을 약 60%로 가정하여 실제 총 배출량을 예측해보면 OPC의 총 배출량은
0.753 tCO₂/t-cement, HPCC 총 배출량은 0.750 tCO₂/t-cement로 산정할 수 있으며 현재 통상적인 시멘트 시스템과 유사한
수준의 총 배출계수를 보이는 것으로 나타났다(Williams and Yang, 2024). 그러나 이러한 결과를 실제 산업 현장에 적용하기 위해서는 시멘트 원료 채굴⋅전처리부터 소성, 분쇄, 출하에 이르는 전 공정의 배출량을 정밀하게
산정하고, 고성능 클링커를 반복 생산하여 교정값을 반영한 측정불확도를 확보한 매개변수에 근거해 Scope 1∼3 전 범위의 배출량을 종합적으로 평가할
필요가 있다.
3.3 OPC와 HPCC의 내구성 평가 결과
일반적인 OPC와 HPC에 석회석 미분말 및 슬래그 미분말을 각각 5% 혼합한 HPCC를 이용하여 제조한 콘크리트의 압축강도를 평가한 결과는
Table 8과 같다. 콘크리트의 시험결과 중 압축강도는 각 바인더 별 1조의 공시체에 대한 압축강도 평균이며, Table 2에 제시한 배합목표인 27 MPa 이상을 만족하였다. 해당 배합의 물-결합재비는 0.54로 내구성 평가에 활용하기에는 다소 높은 값으로 판단되나 본
배합은 OPC와 HPCC의 비교와 목표한 강도를 만족하고자 설정한 배합으로 향후 실제 적용을 위해서는 용도에 맞게 개선할 필요가 있을 것으로 판단된다.
Table 8 Test result of concrete properties
|
Binder
Type
|
Slump
|
Air content
|
Compressive strength
|
|
㎜
|
%
|
(MPa)
|
|
7 days
|
28 days
|
|
OPC
|
160
|
4.4
|
25.2
|
32.67
|
|
HPCC
|
170
|
4.7
|
26.3
|
34.61
|
동결융해 저항성 평가의 일환으로 질량의 변화율을 측정한 결과는 다음 Fig. 3과 같다. HPCC 및 OPC를 사용한 콘크리트 배합 모두 0.5 % 이하의 질량 감소율이 나타났으며 이는 반복적인 동결융해 작용에도 콘크리트의 스케일링
또는 박리 등의 내구성 저하가 일어나지 않았음을 의미한다. 동결융해 시험을 완료한 후 압축강도를 평가한 결과는 Fig. 4와 같다. OPC를 사용한 콘크리트의 경우 시험 전의 압축강도에 비하여 98.23 %의 강도를 나타냈으며, HPCC의 경우 99.84 %의 강도를
발현했다. 따라서, HPCC를 사용한 콘크리트의 동결융해를 통한 압축강도의 저하는 OPC를 사용한 콘크리트에 비하여 적은 것으로 나타났으며 모든 배합에서
1 MPa 미만의 강도 저하를 나타냈다.
Fig. 3 Mass loss rate as a function of freeze-thaw cycles
Fig. 4 Compressive strength before and after freeze-thaw test
콘크리트의 탄산화 저항성을 평가한 결과는 다음 Fig. 5와 같다. HPCC 콘크리트의 탄산화 저항성은 초기 OPC 콘크리트에 비해 높았으나, 시간이 지남에 따라 그 차이가 점차 감소하는 경향을 보였다.
4주령에는 오히려 OPC 콘크리트보다 깊게 탄산화가 진행되는 결과를 나타냈지만, 이는 1% 내외의 근소한 차이였다. 이러한 경향은 탄산화 속도계수에서도
유사하게 나타났으며, 탄산화 깊이를 기반으로 분석한 탄산화 속도계수는 Table 9에 나타냈다. 탄산화 속도 계수에서도 유사한 경향을 나타냈으며, 급속 탄산화 4주차에는 0.01 ㎜/week0.5의 차이만을 나타냈다. 이러한 결과는
HPCC의 고수화성 특성으로 더 치밀한 모세관공극 구조를 형성하여 급속 탄산화 시험 초기에는 OPC보다 탄산화 저항성이 우수한 것으로 평가되었으나
수화가 진행되고 탄산화에 의한 중성화로 Ca(OH)2가 CaCO3로 변환됨에 따라 점진적으로 공극이 감소함에 따라 탄산화 저항성이 두 배합 모두 일정하게
수렴된 것으로 판단된다.
Fig. 5 Carbonation resistance of Specimens
Table 9 Carbonation coefficient of concrete
|
Time(week)
|
Carbonation coefficient
(㎜/week0.5)
|
|
OPC
|
HPCC
|
|
1
|
3.74
|
3.34
|
|
2
|
4.10
|
3.67
|
|
3
|
3.72
|
3.74
|
|
4
|
3.51
|
3.52
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본 연구에서 수행한 내구성 평가결과는 단일배합에서 수행된 결과로서 그 한계가 명확하며 HPCC에 대한 보다 일반적인 내구성능을 평가하기 위해서는
향후 연구에서 다양한 배합에서 제조한 콘크리트를 대상으로 내구성능을 평가해야 할 것으로 판단된다.