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2023년 12월 19일 (화) 22:39 판

프로젝트 개요

기술개발 과제

국문 : 폐콘크리트 슬러지를 이용한 콘크리트 강도 예측

영문 : Prediction of Concrete Strength Using Waste Concrete Sludge

과제 팀명

슬러지들

지도교수

김지수 교수님

개발기간

2023.09.06 ~ 2023.12.06

구성원 소개

서울시립대학교 토목공학부·과 2020860005 권준우 (팀장)

서울시립대학교 토목공학부·과 2017860030 이종세

서울시립대학교 토목공학부·과 2018860017 박준호

서울시립대학교 토목공학부·과 2018860040 임도현

서울시립대학교 토목공학부·과 2018860033 전성민

서울시립대학교 토목공학부·과 2020860030 이재혁

서론

개발 과제의 개요

개발 과제 요약

폐콘크리트를 이용하여 재생골재를 만드는 과정에서 발생하는 슬러지를 활용하여 콘크리트(실험군)를 제작 후 일반 콘크리트(대조군)와 강도를 비교한다. 
실험군에서 폐콘크리트 슬러지의 치환율을 지속적으로 변경하여 콘크리트를 제작하고 강도를 측정하여 데이터를 얻어낸다. 얻어낸 데이터를 기반으로 dnn 모델을 사용하여 슬러지-콘크리트의 압축강도 예측 모델을 생성한다.

개발 과제의 배경

최근 건설공사의 대형화, 건설화로 인해 골재의 사용량 증가로 콘크리트 골재 부족현상이 나타났다. 이에 더하여 환경 관련한 여러 이슈가 사회적으로 대두되고 있다. 건설폐기물 또한 이와 관련되어 건설폐기물 재활용에 대한 연구와 관심이 높아지고 있다. 이러한 상황 속에서 자재 비용 절감, 환경 보호의 목적으로 재생 골재를 활용하려는 움직임이 눈에 띄게 많아지고 있다. 
이때, 폐콘크리트를 다시 골재로 재생하는 공정에서 발생하는 슬러지 및 폐수를 더욱 친환경적으로 처리하고 재활용하기 위해 슬러지를 이용한다. 슬러지는 시멘트와 모래 성분으로 이루어져 있으며, 이를 분리하여 모래는 잔골재로, 시멘트 성분은 콘크리트 혼화제로 활용하는 방법이 제시 되었다.
우리 조는 위 아이디어를 채택하여 실험군 콘크리트를 제작하여 강도를 검증하고, 데이터를 활용하여 dnn(알고리즘 모델)을 통한 강도 예측 모델을 생성하고 이를 기존 예측식과의 비교를 통해, 보다 개선된 예측 모델을 얻어내고자 한다.

개발 과제의 목표 및 내용

◇ 1차 목표 
 : 논문에서 제시된 재생골재 및 슬러지를 이용한 콘크리트 비빔의 압축 강도 검증(사용 가능성 검증)

◇ 2차 목표
 : 이후, 임의로 물-시멘트비 및 슬러지의 대체율을 달리하여 공시체 양생 및 강도 시험 후, 이를 통해 얻어낸 데이터를 기반으로 dnn(알고리즘 모델)을 이용하여 최적의 강도 예측 모델 산정

◇ 3차 목표
 : 위에서 얻어낸 강도 예측 모델과 논문에서 제시된 기존 경험식을 이용하여, 특정 강도에 대한 콘크리트 비빔 및 강도 검증 후 둘의 강도 실현율 비교, dnn(알고리즘 모델)을 통해 얻어낸 강도 예측 모델의 적합성 평가

◇ 건설폐기물을 재활용하기 위하여 폐콘크리트를 사용한다. 하지만 폐콘크리트를 재사용하는 과정에서 슬러지가 또 다시 발생한다. 이 폐콘크리트 슬러지를 이용하여 콘크리트의 재료로 사용하고자 한다. 콘크리트는 시멘트, 물, 골재 등의 성분으로 이루어져 있다. 콘크리트 제작 시 폐콘크리트 슬러지로 시멘트를 대체하고, 치환율을 달리하여 여러 공시체를 제작한다. 제작한 공시체를 재령 7일차에 강도를 측정하고, 일반 콘크리트의 값과 비교한다.
해당 과정에서 축적된 데이터를 dnn(알고리즘 모델)에 적용하여 강도 예측 모델을 제작한다. 현장에 존재하는 예측식을 사용한 예측 모델과 비교하고, 더 나은 모델을 개발한다. 그리고 이 과정에서 폐콘크리트 슬러지 콘크리트의 최적 혼합률을 확인하여 가장 높은 강도를 콘크리트를 개발하고자 한다.

관련 기술의 현황

시장상황에 대한 분석

기존/경쟁 기술/제품 조사 비교

◇ 폐콘크리트 슬러지 속 미분말 재활용
: 폐콘크리트의 재생순환 자원화 과정 중 분쇄과정에서 미분말과 표면세척 및 불순물 분리에 사용되는 물이 혼합된 슬러지 속 미분말을 회수하여 골재 및 시멘트 대체재로서 재활용할 수 있다. 아래는 슬러지에서 분리한 미분말(이하 ‘슬러지 잔골재’)의 표준체(45, 140, 200, 270,325 mesh)를 이용한 입도 분포이다.

◇ 일반 순환잔골재 혼입 콘크리트
: 슬러지는 순환골재 생성 과정의 부산물로서 이를 활용하여 잔골재 등으로 활용할 수 있는데, 비교할 만한 유사 기술로 일반적인 폐콘크리트 순환 잔골재를 들 수 있을 것이다. 이에, 일반적인 순환잔골재는 다음의 특성을 가진다.

1) 슬럼프는 190±15mm 기준에 만족하고, 순환골재 혼입률 증가에 따라 슬럼프 값은 소량 감소하였으며, KS F4009 레디믹스트 콘크리트에서 규정하고 있는 콘크리트의 최저 슬럼프 값인 80mm 이상의 기준에 만족한다.
2) 압축강도는 순환잔골재 혼입률 증가에 따라 점차 감소하였으나, 순환잔골재 혼입률이 0~60%일 때 설계기준강도를 만족하였으며, 100%일 때는 설계기준강도(27mpa)에 비해 적은 것으로 나타났다.

즉, 슬러지 재활용에 있어, 일반 골재 및 시멘트처럼 사용 가능한지를 확인하기 위해서는 다음의 특성을 확인할 필요가 있다.

시장성 분석

◇ 순환골재 생산량의 약 20%가 슬러지로 발생, 이에 대한 매립, 소각 등에 달하는 비용이 매년 증가 추세임

◇ 향후 20년 이내 천연골재 고갈사태가 발생, 이에 대해 대체자원 개발이 시급하므로 잔골재 대용으로 슬러지를 연구할 필요성이 있음

◇ 2004년 YTN의 제천시 순환골재 사용 사례를 보면 순환골재에 의한 연단위 순편익은 약 280억임

◇ 순환골재 생산의 부가적 생산물인 슬러지는 생산비용이 거의 들지 않으며, 순환 골재 생산량의 약 20% 정도를 슬러지라 가정한다. 따라서 매립비용의 20%를 슬러지 절감비용이라 판단하고 기대 순편익을 계산한 결과는 다음과 같다.

◇ 위 가정에 따라 450,000m3를 생산하는데 필요한 비용, 편익을 년단위로 계산할 경우 아래와 같음.
순편익 = (판매이익+매립장 절감비용)-(제반비용 및 사회적 비용)
       = (2,649,325,020 * 0.35 + 26,961,845,181 * 0.2) - (1,478,508,983 * 0.2)
       = 6,023,930,996.6 = 약 60억원/연

사회성 분석

◇ 순환골재의 일반에의 사용 필요 가능성의 증가
: 모래, 자갈 등의 골재의 부족과 증가하는 건설폐기물 발생량에 따라 국교부의 행정 규칙 등으로 공공건설공사에서부터 순환골재의 의무사용이 확대되는 추세이다. 이러한 경향이 지속된다면 현재 공공건축에 국한된 순환골재의 의무사용이, 건설업 전반으로 확대될 수 있다. 즉, 앞으로 순환골재 사용 의무가 건설업 전반으로 확대된다면, 더 효율적이고 값싼 순환골재에 대한 수요가 커질 것이다.

◇ 폐골재 재활용을 통한 esg 건설 실천
: 기후변화가 체감될 정도가 되니, 전 세계적으로 환경에 관한 관심이 급속도로 커지고 있다. 콘크리트의 주성분인 시멘트의 탄소 배출량이 크다 보니 콘크리트 사용량이 많은 토건 기업은 탄소 중립 규제에 민감할 수밖에 없는데, 재생골재 사용을 통해 어느 정도의 환경부담을 해소할 수 있을 것으로 기대된다.

개발과제의 기대효과

기술적 기대효과

A Study on the Development Trends of Wastewater Sudge Treatment Technology(2016) 해당 논문에 따르면 우리나라가 슬러지 처리기술이 취약하다고 제시되어 있다. 슬러지 처리 분야 중 응용기술 분야(연소에 의해 저등급 연료를 소각하는 활용기술과 재료의 화학적, 물리적 성질의 검출에 의해 재료 조사 또는 분석을 통해 슬러지 농축에 따른 성상 변화를 분석하는 분야)에 우리 조의 실험 결과를 데이터로 활용하여 기술 발전에 기여할 수 있다.

경제적, 사회적 기대 및 파급효과

◇ 계속되는 건설공사로 인한 건설폐기물의 효율적인 처리 및 고갈되는 천연골재, 시멘트의 대체제로서의 적극 활용

◇ 건설폐기물의 재활용 촉진에 관한 법률 제1조(목적) [이 법은 건설공사 등에서 나온 건설폐기물을 친환경적으로 적절하게 처리하고 그 재활용을 촉진하여 국가 자원을 효율적으로 이용하며, 국민경제의 발전과 공공복리 증진의 이바지함을 목적으로 한다] 및 지자체 조례 등에 부합하는 정책적 효과

◇ 시멘트 생산 비용 절감 및 운반거리, 슬러지 매설비 감소로 인한 경제성 상승

기술개발 일정 및 추진체계

개발 일정

구성원 및 추진체계

◇ 임도현, 이재혁 : dnn(알고리즘 모델),lstm을 활용하여 데이터 처리, 예측 모델 개발
◇ 박준호, 전성민 : 콘크리트 공시체 제작 및 검토, 데이터 정리 
◇ 이종세, 권준우 : 콘크리트 공시체 검토, 단계별 세부개발 내용 제시 및 검토

설계

설계사양

제품의 요구사항

내용

설계 사양

내용

개념설계안

내용

이론적 계산 및 시뮬레이션

내용

상세설계 내용

내용

결과 및 평가

완료 작품의 소개

해당 콘크리트는 시멘트의 일부를 폐콘크리트 슬러지로 대체하여 제작한 콘크리트이다. 기존의 콘크리트와 다른 강도를 보여주며,

만능 압축기(UTM)으로 강도 측정을 한 뒤의 모습으로 사선으로 금이 가있음을 확인할 수 있다. 콘크리트 기준값인 21MPa와 근사한 값을 보인다.

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 ====프로토타입 사진 혹은 작동 장면====
+[[파일:콘크리트제작.png]]
 ====포스터====