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(이론적 계산 및 시뮬레이션)
(관련 기술의 현황)
 
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 +
 
<div>__TOC__</div>
 
<div>__TOC__</div>
  
 
==프로젝트 개요==
 
==프로젝트 개요==
 
=== 기술개발 과제 ===
 
=== 기술개발 과제 ===
국문 : 딥러닝을 이용한 콘크리트 공극 탐지 및 강도 측정 프로세스 구축
+
''' 국문 : ''' 재활용 소재, 폐기물을 사용한 경제적, 친환경 콘크리트 연구
  
영문 : Process of Concrete void detection and strength measurement using deep learning
+
''' 영문 : ''' Recycled and Eco-friendly Concrete Research
  
 
===과제 팀명===
 
===과제 팀명===
공극을 찾아조
+
1조
  
 
===지도교수===
 
===지도교수===
문영일 교수님
+
김지수 교수님
  
 
===개발기간===
 
===개발기간===
2022년 3월 ~ 2022년 6월(총 4개월)
+
2025년 9월 ~ 2025년 12월 (총 4개월)
  
 
===구성원 소개===
 
===구성원 소개===
서울시립대학교 토목공학과 20178600** 김*승(팀장)  
+
서울시립대학교 토목공학과 2020860047 최효광(팀장)
 
 
 
 
서울시립대학교 토목공학과 20178600** 박*규
 
 
 
  
서울시립대학교 토목공학과 20178600** 박*배
+
서울시립대학교 토목공학과 2020860009 김민혁
  
 +
서울시립대학교 토목공학과 2020860031 이정우
  
서울시립대학교 토목공학과 20178600** 유*관
+
서울시립대학교 토목공학과 2020860033 조현진
 
 
 
 
서울시립대학교 토목공학과 20178600** 이*호
 
 
 
 
 
서울시립대학교 토목공학과 20178600** 고*서
 
  
 
==서론==
 
==서론==
 
===개발 과제의 개요===
 
===개발 과제의 개요===
 
====개발 과제 요약====
 
====개발 과제 요약====
  ◇ 토목분야에서 핵심재료인 콘크리트의 강도는 구조물의 안정성과 사용성 확보에 있어 매우 중요함. 따라서 콘크리트의 강도를 확인하는 것은 필수적인 과정임. 또한 기존 구조물의 콘크리트에 대해서도 지속적인 안전진단이 필요함.
+
본 과제에서는 꾸준히 증가하는 폐기물 처리를 위해 플라스틱 필렛, 물티슈를 대체제로 적용하여 제작 단가를 낮추고 탄소 배출을 줄이면서도 우수한 강도와 내구성을 확보하는 공법을 연구한다. 이를 통해 건설 산업의 자원 순환과 탄소중립 실현에 기여할 수 있는 지속 가능한 건설재료 기술을 제시하고자 한다.
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  ◇ 목표
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    - 폐기물과 재활용 소재를 활용해 경제성 및 친환경성을 갖춘 콘크리트 개발
  
  ◇ 콘크리트 강도측정방식은 크게 실험적 방법과 비파괴적 시험의 두 가지 방식으로 이루어져 왔음. 실험적 방법은 샘플링된 콘크리트에 대해 직접 압축력을 가해 압축강도를 실험하는 방식이 대표적이며, 비파괴적 방법은 표면을 타격하여 강도를 측정하는 반발경도법과 콘크리트를 통과하는 음파의 속도를 통해 강도를 측정하는 초음파법이 대표적임. 이러한 두 가지 방식 모두 콘크리트 미세구조를 직접적으로 반영하지 않고 물리적인 측정값을 도출해내 강도를 판단하는 방식임. 콘크리트 특성상 그 강도는 내부 미세구조가 결정하는데, 내부구조와 강도의 상관관계에 대한 학술적 연구는 많이 진행되어 왔지만 실무에서 강도를 측정할 때에 적용되진 못함.
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  ◇ 방법
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    - 플라스틱 필렛, 물티슈를 골재 대채제 및 첨가제로 활용
  
  ◇ 기존의 측정방식을 이용해 각각의 대상 콘크리트에 대해 반복적인 측정을 하게되면 비용적, 시간적 소모가 크며, 특히 구조물의 안전진단시 매 진단마다 긴 측정과정을 반복해야 함.
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  ◇ 핵심성과
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    - 제작 단가 절감
 +
    - 탄소 배출 감소
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    - 강도 및 내구성 확보
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 +
====개발 과제의 배경====
  
  ◇  최근 콘크리트분야에 X-ray 및 CT기법이 도입되며 활발한 연구가 진행되고 있음. 또한 머신러닝기술이 발전하여 CT기법과 연계된 연구들이 진행되고 있는 추세임. 하지만 실무에서의 강도측정은 여전히 이전의 방식들에 의해 이루어지고 있음. 따라서 CT기법과 머신러닝의 연계를 통해 자동화된 콘크리트 강도측정 프로세스를 구축하여 기존 측정방식의 비용적, 시간적 소모를 감소하고자 함.
+
  ◇ 폐기물 처리 문제
 +
    - 2026년부터 수도권 3개 시도 생활폐기물 직매립 전면금지
 +
    - 새로운 폐기물 자원화 기술 개발 필요성 증가
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====개발 과제의 배경====
+
  ◇ 원자재 가격 상승
구조물 축조 시에 콘크리트가 차지하는 비율이 압도적으로 높음
+
    - 건설 자재 대부분을 수입에 의존하여 가격 불안정성 증가
+
    - 최근 고환율이 지속되어 건설자재 비용 부담
철근콘크리트 구조물 설계시 콘크리트의 극한 변형률(강도)을 기준으로 하여 설계하도록 되어있으며 이는 콘크리트의 강도가 증가할수록 더 경제적이고 더 안정적인 구조물 설계를 가능함을 뜻함
 
[[파일:화면 캡처 2022-06-14 134312.png]]
 
  
광주 붕괴사고 이후, 건설업계 내부제보에 따르면 배합기준을 지키지 않은 콘크리트 사용으로 건축물의 불안전성 증가로 인한 붕괴
+
탄소 중립 트렌드
 +
    - 글로벌 탄소 배출 감축 요구 강화와 ESG 경영의 확산
 +
    - 탄소 저감 기술 개발 필요성 및 친환경 건설 자재 개발 중요성 증가
  
 
====개발 과제의 목표 및 내용====
 
====개발 과제의 목표 및 내용====
 +
◇ 성능 목표
 +
    - 기존 콘크리트 대비 70% 이상 강도 확보
 +
 +
◇ 경제 목표
 +
    - 제작 원가 20% 절감
 +
    - 경제성 분석을 통해 사회적 비용 절감
  
 +
◇ 환경목표
 +
    - 탄소 배출량 감소
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    - 폐기물 처리 및 재활용률 향상
  
 
===관련 기술의 현황===
 
===관련 기술의 현황===
 +
====관련 기술의 현황 및 분석(State of art)====
 +
*전 세계적인 기술현황
 +
전 세계적으로 탄소 중립 및 지속 가능한 건설기술 관련 연구 및 개발이 활발하다. 그중 본 과제와 관련 있는 폐기물·재활용 골재 활용 콘크리트 기술의 최신 동향과 연구 성과는 다음과 같다
  
 +
'''Foti, D. (2012)
 +
:PET 병을 절단하여 제작한 섬유로 보강한 콘크리트 공시체에 대해 연구를 진행. 콘크리트의 연성이 향상. 콘크리트와 PET 사이의 부착 성능이 우수하다는 결과'''
  
 +
'''Kim, Byung-Chul et al. (2015)
 +
: LCD 폐유리 미분말을 사용하여 고강도 콘크리트에 대한 연구를 진행. 대부분의 경우 강도가 저하되었으나 미분말의 입도 및 입경을 균질하게 한다면 강도가 향상될 것으로 평가'''
  
====기술 로드맵====
+
'''Toghroli, A. et al. (2018)
◇  콘크리트의 비파괴 강도측정법에는 여러 가지가 있지만 최근들어 및 CT기법을 이용한 이미지 분석법이 활발히 연구되고 있다. 여러 가지 상으로 구성되어 있는 콘크리트의 특성상 콘크리트의 내부구조, 특히 그 중에서도 공극이 콘크리트의 강도에 큰 영향을 미치므로 이러한 콘크리트의 공간적, 구조적 특성을 파악하기 위한 방법으로 이미지를 이용한 기법들이 대두되었다. 더불어 CT기법과 현재사회에서 각광받고 있는 딥러닝의 연계를 통한 콘크리트 분석에 관한 연구가 활발히 진행되고 있고, 균열탐지 작업 등의 분야에서 그 활용성을 인정받고 있다.
+
:재활용 분쇄 유리, 강섬유, 폐타이어, 플라스틱 등의 폐기물을 이용한 포장용 포러스 콘크리트에 대해 연구시멘트 사용을 줄이고 폐기물 문제를 완화하는 효과 확인'''
  
◇  CT기법은 X-ray를 통해 3차원 대상의 단면을 생성하는 단층 촬영 기법이다. 대상에 손상을 가하지 않고 마이크로 단위의 픽셀 크기를 가진 단면 이미지를 얻을 수 있다는 장점 때문에 토목 및 여러 공학 분야의 기술 및 연구에 적용되고 있다.
+
'''Babafemi, A. et al. (2018)
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:폐플라스틱을 혼입하여 제작한 콘크리트의 기계적 특성과 내구성에 대해 연구. 압축강도, 휨강도 등의 특성들은 전반적으로 감소하였으나 공학적 요구를 충족, 폐플라스틱의 전처리 방법에 대해 추가 연구의 필요성을 제시'''
  
◇  딥러닝은 머신 러닝의 한 방법으로, 학습 과정 동안 인공 신경망으로서 예시 데이터에서 얻은 일반적인 규칙을 독립적으로 훈련하는 기술이다. 이미지처리와 음성 인식분야에서 두각을 드러내어 현대 산업에 연관되어 사용되고 있다. 토목분야에서도 교량, 교각의 균열을 탐지하는 기술에 사용되며, 콘크리트 재료적 분석에도 접목되어 활발한 연구가 진행되고 있다.
+
'''Yang, I.-H. (2021)
 +
:플라스틱 재활용 섬유를 콘크리트 제작에 사용하여 균열저항성 및 인장강도의 개선확인
 +
'''
  
====특허 조사====
+
'''Deng, J.-X. et al. (2023)
+
:재활용 골재, 볏짚, 유약 처리한 구슬 등을 이용하여 재활용 단열 콘크리트를 개발. 기계적 성능 기준을 충족하면서 우수한 단열 성능을 제공하는 최적 배합비를 도출
====특허 전략====
+
'''
  
===시장상황에 대한 분석===
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'''Woo, G.-S., Kim, J.-H. (2024)
====경쟁제품 조사 비교====
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:30~40MPa 이상의 순환골재 콘크리트 제조를 위한 실험적 연구를 진행. 해당 연구에서는 순환골재의 품질 개선 강도 증진을 위한 기초자료를 제공하여 순환골재 콘크리트의 폭넓은 활용을 도모'''
◇  콘크리트 강도를 추정하는 비파괴 시험에는 반발경도법, 초음파속도법, 조합법, 충격반향기법, 충격공진법 등이 있으며, 이 중에서 반발경도법, 초음파속도법이 간편성을 인정받아 자주 사용되고 있음. 이러한 방법들은 직접적 실험에 의한 방법에 비해 편리하지만, 매번 시험 결과분석의 과정을 거쳐야하는 번거로움은 여전히 존재함.
 
  
◇  최근, 컴퓨터 기술의 발달에 따라 시뮬레이션을 통한 해석적 강도추정 방법이 존재하기는 하지만 이러한 방식 또한 각각의 대상마다 일련의 과정을 반복해야 함. 따라서 자동화된 통합적 프로세스가 요구됨.
+
*특허조사 및 특허 전략 분석
  
◇  노후건축물은 일반적으로 사용승인 후 30년 이상 지난 건축물을 의미하며, 노후건축물 비율은 2005년 29%, 2010년 34%, 2019년 37.8%로 계속 상승하는 추세임.
+
'''폐도자기와 폐애자를 경량 골재 대체재와 포장용 골재로 사용하는 재활용법'''
+
:폐애자를 가능한 구에 가깝도록 파쇄, 연마하여 정형한 것을    천연 자갈을 대체할 수 있는 골재(상품명: 리포세라)로 사용. 아스팔트 포장의 노반 하층부의 쇄석의 일부로 사용. 골재에 열경화성 합성수지를 바인더로 사용하여 아스팔트 포장의 표층용 골재로 사용한다.
◇  2019년 제정된 건축물관리법이 2020년 5월부터 시행되어 의무적으로 정기점검, 긴급점검 등을 시행하여야하며 특히 노후건축물은 모두 적용대상임
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'''유리병컬럿을 경량 골재 대체재와 포장용 골재로 사용하는 재활용법'''
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:빈 병의 컬럿을 천연 모래의 경량골재 대체재나 컬러 투수 포장용 골재 등으로 사용하는 재활용법. 컬릿은 파쇄된 입체형의 입자로서 모서리각이 예리하여 위험성이 많으므로 새로 발명한 시스템을 적용
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'''재활용 경량 복합 단열골재'''
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:스치로폴 발포체가 갖는 물성 중 단열성을 유지하면서 여러 강도를 증진시킬 수 있는 방법 관한 것. 강도, 색상, 모양, 크기 등도 다양하며 방습, 투습, 내부식성 또한 우수. 재활용 원료를 사용하므로 원료비 및 작업비용도 크게 절감
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'''Recycled Plastic Aggregate for use in Concrete (US10294155B2)'''
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:폐플라스틱을 입자화해 콘크리트용 골재로 사용. 입자 크기 및 형상을 제어하여 시멘트와의 부착력을 개선
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'''Method for producing concrete using recycled plastic (WO2020000106A1)'''
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:폐플라스틱을 골재로 활용한 단열 콘크리트 제조 공정. 플라스틱 골재에 시멘트 및 모래를 코팅하여 콘크리트 혼합물과의 부착력을 높이고 균일하게 혼합
  
◇  2019년 12월 말 기준 노후건축물 비율이 부산은 54.3%, 대구, 대전은 48.9% 전남은 48.2%이며 모두 건축물의 유지관리를 위해 정기적으로 점검해야하는 대상
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====시장상황에 대한 분석====
  
◇  시설물 유지관리시장 규모는 2007년 1조 8천억 수준에서 2016년 4조원 시장으로 성장, 시설물 점검과 진단 시장의 규모는 2007년 749억에서 2016년 2279억까지 성장했고 앞으로도 더 커질 전망임
 
  
◇  따라서 정확하고 편리한 시설물 점검·진단 방법이 시설물 유지관리 및 점검·진단 시장에서 시장성을 확보할 것으로 예상됨
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'''부산항만공사(BPA)'''
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:케이슨 속채움재로 순환골재를 사용해 약 25억 원의 예산 절감 효과, 이산화탄소 배출 저감을 통한 약 121억 원 규모의 경제적, 환경적 편익을 창출
  
◇  서울 용산구 상가 붕괴사고 (18년 6월), 강남구 대종빌딩 기둥 균열로 인한 퇴거조치(18년 12월), 광주 클럽 붕괴사고(19년 7월) 등 건축물의 안전에 대한 사회적 관심이 높아지는 추세임
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'''롯데건설'''
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:시멘트를 5%만 사용하고도 기존 대비 동등 이상의 강도를 발현하는 '저탄소 수화열 저감 콘크리트'개발, '고로 슬래그’가 80% 이상 포함, 첨가제가 일부 사용,고로 슬래그는 시멘트에 비해 탄소 배출량은 10분의 1, 가격은 시멘트의 70% 수준.
  
◇  일반적으로 교량이나 건축물 등 사회적 간접자본에 해당하는 구조물들은 국민들의 시간적, 공간적으로 이용률이 높으며 특히 구조물의 노화나 외력에 의한 균열들로 인하여 사고가 일어날시 인명, 재산 피해가 다른 사고에 비해 압도적으로 높음
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'''대우건설'''
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:자체 개발 저탄소 콘크리트를 아파트 전체 공사로 확대한다는 계획, 기존 대비 시멘트 사용량과 이산화탄소 배출량을 절반 넘게 줄이면서 강도 지연과 품질 하자 문제를 해소
  
◇  결과적으로 이러한 구조물에 대한 안정성의 신뢰부재는 사회에 불안감 조성을 야기하므로 이를 해소 할 있는 정확하고 신속한 구조물 점검·진단은 사회성에 부합할 것으로 판단됨
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'''포스코 이앤씨'''
 
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:저탄소 초고강도 콘크리트 파일 개발, 시멘트 대신 무수석고와 제철슬래그를 배합해 이산화탄소 발생량을 4% 수준으로 절감, 강도가 기존 파일보다 높아 시공 수량을 줄일 있어 공사 기간 단축과 원가 절감 가능
====마케팅 전략====
 
  
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'''삼성물산 건설부문'''
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:콘크리트 생산 과정에 이산화탄소를 주입해 화학적 반응을 일으켜 콘크리트 강도를 높이는 기술을 확보, 시멘트 사용량과 비용 절감 가능, 이산화탄소가 콘크리트 내부에 저장되기 때문에 탄소 배출량이 70% 가까이 줄어드는 효과
  
 
===개발과제의 기대효과===
 
===개발과제의 기대효과===
 
====기술적 기대효과====
 
====기술적 기대효과====
◇  CT기법과 딥러닝 기술의 연계를 통한 강도 측정의 통합적 프로세스를 구축하게 되면 CT기법을 통해 얻은 콘크리트 내부구조로부터 강도를 손쉽게 얻어 낼 수 있게 되어, 기존에 사용되던 비파괴적 강도측정법(초음파법, 반발경도법 )에 비해 매 과정을 반복해야 하는 번거로움을 제거할 수 있음. 
+
    - 재활용으로 건설 자재의 원료 다양성 확대
 
+
    - 재료에 따른 콘크리트의 강도, 내구성 특성 변화 파악 가능
◇  구축될 프로세스를 기존 구조물에 대한 안전진단에 적용할 뿐만 아니라, 새로운 콘크리트 시공시에도 적용하여 강도측정의 편리성 증진을 통해 최선의 배합을 손쉽게 선택할 수 있도록 함.
+
    - 폐기물 전처리 방식에 따라 접착력, 공극률 등이 달라지므로 최적 조건 도출 가능
 
+
    - 경량화, 단열성 등 특정 성능을 개선 가능
 +
    - 요구 특성에 따른 맞춤형 콘크리트 제작 가능
 
====경제적, 사회적 기대 및 파급효과====
 
====경제적, 사회적 기대 및 파급효과====
◇  구조물 안전진단에 필수적으로 들어가는 과정을 축소 및 자동화 시켜 소모되는 인적, 비용적 자원을 저감할 수 있음.
 
  
◇  통합적 프로세스를 통한 콘크리트 강도 측정으로 구조물 안정성 확보 유지관리의 용이성이 향상되어 사회적으로 높아지는 구조물 안전에 대한 우려의 해소를 기대할 수 있음.
+
    - 건설 재료의 가격이 상승하는 상황에서 원가 절감 가능
 +
    - 시공 수량을 줄여 공사 기간 단축 가능   
 +
    - 산업 생활폐기물의 처리 비용 절감, 지자체 및 기업의 부담 완화
 +
    - 폐기물 처리 문제를 일부 해결, 생산 과정의 탄소 배출량 감소 가능
 +
    - 환경 보호 및 친환경 건설 기술 실현에 기여
  
 
===기술개발 일정 및 추진체계===
 
===기술개발 일정 및 추진체계===
 
 
 
 
 
 
 
 
====개발 일정====
 
====개발 일정====
[[파일:화면 캡처 2022-06-14 135426.png]]
+
[[파일:개발일정.png]]
  
 
====구성원 및 추진체계====
 
====구성원 및 추진체계====
 
+
건설순환 재료학회, 콘크리트 학회지 자료를 참조한 다양한 배합의 공시체를 시험하여 최적의 배합을 찾는 과정을 반복합니다.
◇ 3월 - 데이터 자료 실험 및 수집 ( 김현승 유병관 고은서 )
 
  4월~5월 - Deep Learning coding ( 이선호 고은서 박현배 )
 
  5월~6월 - 코드 러닝 후 결과 값 해석 ( 박현배 박승규 이선호 )
 
    6월 – 최종 보고서 작성 ( 박승규 김현승 유병관 )
 
  
 
==설계==
 
==설계==
 
===설계사양===
 
===설계사양===
 
====제품의 요구사항====
 
====제품의 요구사항====
[[파일:화면 캡처 2022-06-14 135455.png]]
+
[[파일:2020860037_요구사항.png]]
 
 
====제품 평가내용====
 
 
 
 
 
  
 
====설계 사양====
 
====설계 사양====
 +
[[파일:2020860037_설계사항.png]]
  
 
===개념설계안===
 
===개념설계안===
< 콘크리트 내부구조 데이터 도출 >
+
[[파일:2020860037_개념설계.png]]
<콘크리트 내부 CT사진 확보>
 
  
[[파일:화면 캡처 2022-06-14 134359.png]]
 
  
< 콘크리트 내부 CT사진 예시 >
+
배합비
 +
물:시멘트:잔골재=1:2:4.8
  
  ◇  콘크리트 내부에 대한 20000여장의 단면 CT사진을 확보함.  
+
  필렛량
 +
  잔골재 무게의 15%
  
<콘크리트 단면 CT사진 이진화>
+
물티슈량
 +
공시체 부피의 0%, 1%, 2%, 4%
  
[[파일:화면 캡처 2022-06-14 134415.png]]
+
===상세설계 내용===
 +
배합비
  
< 이진화 된 CT사진 예시 >
+
  기본 공시체
 +
[[파일:2020860037_기본.png]]
  
 +
  플라스틱 필렛 포함 공시체
 +
[[파일:2020860037_필렛.png]]
  
< 콘크리트의 해석적 강도 추정 >
+
  물티슈량
 +
[[파일:2020860037_물티슈.png]]
  
<콘크리트 모델링>
+
 
  
[[파일:화면 캡처 2022-06-14 134555.png]]
+
일축압축강도 시험
 +
기본공시체 6개와 필렛을 넣고 물티슈를 다르게 넣은 공시체 각각 6개씩 총 30개의 공시체를 제작한다.
 +
각각의 공시체 중 5개를 선정해 일축압축강도 시험을 실시하고 그 값을 정리한다.
 +
[[파일:2020860037_압실.png]]
  
< 콘크리트 내부구조 데이터의 mesh화 예시 >
+
휨강도 실험
  콘크리트 CT사진으로부터 도출한 콘크리트 내부구조 데이터를 이용해 격자 형식의 콘크리트 모델 생성
+
  일축압축강도와 같은 배합으로 각각 3개씩 총 15개의 공시체를 제작한다.
 +
  [[파일:2020860037_휨실.png]]
  
<강도 해석>
+
==결과 및 평가==
 
+
'''실험결과'''
[[파일:화면 캡처 2022-06-14 134444.png]]
+
일축압축강도
 
+
[[파일:2020860037_압표.png]]
< 유한요소 해석 프로그램상의 균열 진행 모습 >
+
[[파일:2020860037_압그.png]]
 
 
[[파일:화면 캡처 2022-06-14 134646.png]]
 
 
 
 
 
< 유한요소 해석을 통한 콘크리트 강도 계산 예시 >
 
 
 
◇  유한요소 수치해석 프로그램인 FEAP(Finite Element Analysis Program)을 이용해 대상 격자 구조에 대한 인장강도를 도출.
 
  
  얻어진 인장강도에서 상관관계식을 통해 원하는 값인 압축강도를 계산할 수 있음.
+
  휨강도 실험
 +
  [[파일:2020860037_휨표.png]]
 +
[[파일:2020860037_휨그.png]]
  
< 콘크리트 강도측정 모델 구축 >
+
'''평가'''
 +
환경성 평가
 +
[[파일:2020860037_환식.png]]
 +
[[파일:2020860037_환그.png]]
  
-학습모델 선정-
+
-공시체 6개 제작 과정에서 사용된 폐플라스틱–섬유의 질량을 기준으로 환경적 편익을 산정하였다. 분석 결과, 공시체 6개를 제작하는 과정에서 약 26g CO₂의 온실가스 배출 저감 효과가 확인되었다. 이는 동일한 양의 폐플라스틱을 매립 처리했을 때 발생하는 온실가스 배출을 재활용을 통해 직접적으로 차단한 효과에 해당한다.
 +
-특히 폐기물의 매립은 분해 과정에서 장기적인 온실가스 배출을 야기하는데, 본 연구의 재활용 방식은 이러한 배출원을 근본적으로 감소시키는 결과를 초래한다. 비록 개별 실험 단위에서는 수 g 단위의 저감 효과로 나타났지만, 이는 대량 생산 시 누적 효과가 기하급수적으로 커진다는 점에서 환경적 가치가 크다.
 +
-예컨대 동일한 배합을 산업 규모로 확대할 경우, 수백 kg에서 수 톤 단위까지 CO₂ 절감이 가능해져 건설 산업의 온실가스 감축에 실질적으로 기여할 잠재력을 지닌다.
 +
종합적으로, 폐플라스틱 활용 콘크리트는 폐기물 매립을 감소시키는 동시에 온실가스 배출을 줄임으로써 높은 환경성 개선 효과를 보였으며, 이는 본 연구의 환경성 개발 목표(폐기물 감량 및 CO₂ 배출 저감)를 충분히 충족하는 것으로 평가된다.
  
  ◇  딥러닝 모델에는 여러 가지 종류가 존재함
+
  경제성 평가
 
+
  [[파일:2020860037_경식.png]]
  ◇  딥러닝 모델 정확도가 높아지면 연산시간은 증가함
+
  [[파일:2020860037_경그.png]]
 
 
◇  가용 가능한 수치제원 내에서 최적의 모델인 RESNET50 모델 선정
 
 
 
[[파일:화면 캡처 2022-06-14 134748.png]]
 
 
 
 
 
<모델별 정확도와 연산속도 상관관계>
 
-모델 학습-
 
 
 
[[파일:화면 캡처 2022-06-14 134633.png]]
 
 
 
< 도식화 된 딥러닝 모델 학습 구조 예시 >
 
 
 
◇  선정될 모델에 CT사진의 데이터 셋과 최종 결과값인 강도의 데이터 셋을 학습함으로써 CT사진에서 강도로 직접 연결되는 콘크리트 강도 예측 모델 구축
 
 
 
===이론적 계산 및 시뮬레이션===
 
< 콘크리트 내부구조 데이터 도출 >
 
 
 
◇ 26008장의 콘크리트 내부 구조 CT사진을 보유
 
◇ 위 사진들과 TensorFlow2를 이용하여 현재 콘크리트 내부구조 데이터화를 완료
 
◇ 또한 콘크리트 내부구조사진들을 해석하려면 콘크리트의 CT사진의 이진화가 필요하며, 이를 수행하는 스크립트를 작성하여 자료들을 이진화 완료
 
 
 
[[파일:화면 캡처 2022-06-14 134710.png]]
 
[[파일:화면 캡처 2022-06-14 134729.png]]
 
 
 
< 콘크리트 단면 CT사진 이진화 Code (중간부 생략) >
 
 
 
[[파일:화면 캡처 2022-06-14 134805.png]]
 
 
 
< 이진화된 콘크리트 단면 CT 사진(좌)과 이진화 처리 전 CT 사진(우) >
 
 
 
[[파일:화면 캡처 2022-06-14 134820.png]]
 
 
 
< 2진화된 콘크리트의 요소 행렬 >
 
 
 
  < 콘크리트의 유한요소 해석을 위한 격자점 형성 및 분류파일 형성 >
 
 
 
[[파일:화면 캡처 2022-06-14 134837.png]]
 
 
 
< 격자화(mesh화)된 단면 데이터 >
 
 
 
< 콘크리트 강도 수치모의 >
 
 
 
◇ 본 연구에서 수행하고자 하는 것은 콘크리트 사진을 통해서 콘크리트 강도를 유추하는 것임
 
 
 
◇ 딥러닝 학습을 통해서 콘크리트 강도를 추정하려면 실제의 콘크리트 CT사진과 이와 연결되는 콘크리트 강도 정답값의 표본이 있어야함
 
 
 
◇ 수천에서 수만가지의 표본을 얻기 위해 실험을 반복하는 것은 현실적으로 어려우므로 유한요소해석을 통해서 얻은 콘크리트 강도값을 딥러닝 학습에 이용
 
 
   
 
   
◇ 수치모의 조건
 
- 2차원 평면 가정
 
- 0.1456* 0.1456(m^2) 정방형 구조체
 
- 인장력을 가하여 인장파괴를 유도
 
- 균열을 확인하여 인장파괴강도를 구함
 
- 구한 인장강도로부터 압축강도를 구하게됨 ( 공식: 압축강도는 8~10인장강도)
 
- 가운데 부분에서 파괴가 일어나도록 상하단부 5%는 변형이 없는 강체라고 가정
 
  
  ◇ 재료의 물성치는 다음과 같음
+
  -공시체 6개 제작 과정에서 사용된 폐플라스틱–섬유의 질량을 기준으로 경제적 편익을 산정하였다. 분석결과 우선 재료비 측면에서, 폐플라스틱을 골재로 치환함으로써 약 3.09원의 골재 비용 절감이 발생하였으며, 동일한 양의 폐기물을 매립하지 않음에 따라 약 90원의 폐기물 처리비 절감 효과가 추가로 발생하였다.
 +
-다만 폐기물을 재료로 활용하기 위해 반드시 필요한 전처리 과정에서 약 164원의 추가 비용이 발생하는 것으로 확인되었다. 약 70원 정도의 가격이 증가되어, 오히려 사용하지 않을 때 경제적 이점이 있는 것으로 나타났다.
 +
-폐플라스틱의 전처리 과정과 기업들의 친환경 사업 확대, 유가 상승에 의한 플라스틱 가격 상승이 폐플라스틱 필렛의 가격 상승의 요인으로 판단된다.
  
[[파일:화면 캡처 2022-06-14 134859.png]]
+
강도 평가
 +
[[파일:2020860037_평일.png]]
 +
[[파일:2020860037_평휨.png]]
  
- 재료 1은 상하단부 5%를 제외한 부분의 콘크리트이며 재료 2는 상하단부 5%의 콘크리트이다.
+
-혼입률이 증가함에 따라 압축강도는 전반적으로 감소하는 경향을 보였으며, 그중 4% 혼입 배합의 28일 추정 압축강도는 20.6 MPa로 나타났다. 이는 기준 콘크리트 대비 약 65.8% 수준으로, 본 연구의 주목적이었던 기준 콘크리트 강도 대비 70% 확보에는 미치지 못하였다. 또한 휨강도는 대부분이 기존 콘크리트 강도 대비 70% 이하의 수치를 나타냈다. 즉, 구조용 콘크리트 수준의 성능을 확보하는 데에는 한계가 있는 것으로 평가되었다.
< 유한요소 해석을 위한 재료의 물성치 가정 >
+
  -그러나 재활용 콘크리트의 활용은 반드시 구조용 용도에만 한정되는 것은 아니다. 이에 따라 본 연구에서는 두 번째 목표로 비구조용 포장재(보도블록·조경 블록 등)로의 활용 가능성을 평가하였다. 이를 위해 일반적으로 산업 현장에서 사용되는 기능적 최소 기준인 압축강도 20 MPa 이상, 휨강도 3 MPa 이상을 적용하였다.
 
+
  -4% 혼입 배합의 압축강도는 20.6 MPa로 이 기준을 충족하였으며, 휨강도 역시 평균 4.41 MPa로 나타나 비구조용 포장재 적용 기준인 3 MPa을 충분히 상회하였다. 또한 KS F 4419 보도블록 규격의 최저 휨강도 기준(3.5 MPa) 역시 충족하는 것으로 확인되었다. 다만 KS 규격의 평균강도 기준(5.0 MPa)에는 조금 부족한 수치를 보였다.
< 콘크리트 강도 측정을 위한 학습 모델 구축과정 >
 
 
 
◇ 유한요소 해석을 통해 얻어낸 재료의 강도와 이진화를 거쳐 사전처리를 한 콘크리트 CT사진들을 입력데이터로 넣어서 딥러닝 모델을 구축
 
 
 
  본 연구에서는 26000여장의 사진중 20000장의 데이터를 이용해 딥러닝 학습을 시킨후 나머지 6000여장의 사진으로 검증을 실시할 예정임
 
 
 
  ◇ 문헌조사와 가용가능한 수치제원을 검토한 결과 본 연구에서 채택한 딥러닝 학습모델은 RESNET-50임
 
 
 
◇ 딥러닝 코드는 다음과 같음
 
 
 
[[파일:화면 캡처 2022-06-14 134945.png]]
 
 
 
< CT사진과 강도의 학습을 위한 딥러닝 Code (중간부 생략) >
 
 
 
[[파일:화면 캡처 2022-06-14 135026.png]]
 
 
 
< 딥러닝 학습을 위한 Input 데이터(인장강도) >
 
 
 
< 기보유데이터 활용 검증 및 실제 시공체 검증 >
 
 
 
◇ 본 연구에서는 시간적, 자원적 한계로 일부 요소들에 대해서 단순화 하였으며 전처리가 완료된 자료들을 활용하였으므로 실제 콘크리트 배합을 통해서 확인해볼 필요가 있음
 
 
 
◇ 본 연구에서는 26000여장의 사진 중 유한요소 해석을 마친 4000장의 데이터만을  학습 데이터 셋과 테스트 데이터 셋으로 분할하여 사용
 
 
 
◇ 또한 실제 콘크리트 배합 후 본 설계의 모든 과정을 직접해봄으로서 실제 현장에서의 적용성을 검토해 볼 예정이었으나 시간적 한계로 시공체 제작 및 파괴시험과 CT촬영을 위한 시편 제작의 과정만 완료
 
 
 
===상세설계 내용===
 
====조립도====
 
 
 
 
 
 
 
====부품도====
 
 
 
 
 
====소프트웨어 설계====
 
 
 
 
 
 
 
====자재소요서====
 
 
 
==결과 및 평가==
 
 
===완료 작품의 소개===
 
===완료 작품의 소개===
====프로토타입 사진 혹은 작동 장면====
 
 
 
====포스터====
 
====포스터====
 +
[[파일:SOC종합설계_포스터_1조(최효광).pdf]]
  
===관련사업비 내역서===
+
===완료작품의 평가===
 +
[[파일:2020860037_최.png]]
  
 +
-평가 결과 환경성 면에서는 물티슈 4% 혼입된 배합이 유리하나 강도 면에서 실제 현장에서 사용되기에 무리가 있다. 따라서, 경제성을 제외한 평가에서 준수한 결과를 얻은 물티슈 2% 혼입된 배합을 최적 배합비로 선정했다.
  
===완료작품의 평가===
 
  
 +
-본 과제에서 개발된 재활용 폐기물 콘크리트는 강도, 환경성, 경제성을 종합적으로 분석한 결과, 추가적인 연구를 통한 상용화 가능성이 확인되었다. 건설 산업에서의 자원 순환형 콘크리트로 발전할 잠재력이 높다고 판단하였다.
 +
-본 과제의 재활용 콘크리트는 강도 측면에서 기존 구조용 콘크리트의 표준 압축강도 기준과 비교했을 때 일부 조건에서는 적용에 제한이 있을 수 있다. 하지만 비구조용 콘크리트, 보도 블럭, 도로용 콘크리트 등 저하중 환경에서 충분한 활용이 가능한 성능을 확보하였다. 실제 국내 도로 포장용 콘크리트 및 보도재 기준과 비교했을 때, 본 연구에서 제조된 시편은 기준 강도를 충족하거나 근접한 수준을 나타냈으며, 이는 초기 상용화를 위한 적용 분야가 명확히 존재함을 의미한다.
 +
-제조 과정에서 사용된 폐기물 재료의 형상적 특성 중 플라스틱 필렛의 큰 크기, 매끄러운 표면 등은 콘크리트 내부에서 결합력 감소 및 미세 균열의 원인으로 작용한 것으로 판단된다. 따라서 향후 연구에서 재활용 재료의 표면 거칠기 증가 처리, 필렛 크기 최적화 등을 연구할 경우, 강도가 현재 수준보다 향상될 것으로 예상된다. 이를 통해 장기적으로는 구조용 콘크리트의 강도 수준을 확보할 수 있을 것으로 기대된다.
 +
-환경성 측면에서도 본 재활용 콘크리트는 의미있는 결과를 보였다. 폐기물 기반 재료 활용은 매립량 및 탄소 배출량 감소, 자원 재활용률 증대라는 효과를 가져온다. 이는 국내·외 건설 산업에서 요구되고있는 ESG 정책 및 탄소중립 목표와 방향성이 일치한다. 특히, 정부·지자체의 순환자원 의무 사용 정책, 녹색건축 인증제도와 연계될 경우 시장 확장성이 매우 크다.
 +
-경제성 측면에서는 재활용 폐기물로 대체하면 비용이 증가되는 결과가 나타났다. 하지만 폐기물 전처리 공정이 대규모로 구축된다면 폐기물 전처리에 드는 비용이 감소하여 비용이 감소할 것으로 예상된다.
 +
-따라서 본 연구과제는 기술적 완성도 향상과 규격화 작업을 지속한다면, 향후 지속 가능한 건설 산업과 친환경 콘크리트 시장 확대에 중요한 역할을 수행할 수 있을 것으로 예상된다.
  
===향후계획===
+
===참고 문헌===
  
===특허 출원 내용===
+
Yang, I.-H. (2021). Manufacturing and characteristics of recycled plastic fiberreinforced concrete. Magazine of RCR, 16(1), 17–22. https://doi.org/10.14190/MRCR.2021.16.1.017
 +
Kim, Byung-Chul, Cha, Tae-Gweon, Jang, Pan-Ki, Kim, Chan-Woo, & Jang, Il Young. (2015). An Experimental Study on High Strength Concrete Using the LCD Waste Glass Powder. Journal of the Korean Recycled Construction Resources Institute, 3(4), 335–341. https://doi.org/10.14190/JRCR.2015.3.4.335
 +
Toghroli, A., Shariati, M., Sajedi, F., Ibrahim, Z., Koting, S., Mohamad, E. T., & Khorami, M. (2018). A review on pavement porous concrete using recycled waste materials. Smart Structures and Systems, 22(4), 433–440. https://doi.org/10.12989/SSS.2018.22.4.433
 +
Foti, D. (2013). Use of recycled waste PET bottles fibers for the reinforcement of concrete. Composite Structures, 96, 396–404. https://doi.org/10.1016/j.compstruct.2012.09.019
 +
Babafemi, A. J., Šavija, B., Paul, S. C., & Anggraini, V. (2018). Engineering Properties of Concrete with Waste Recycled Plastic: A Review. Sustainability, 10(11), 3875. https://doi.org/10.3390/su10113875
 +
Woo, G.-S., & Kim, J.-H. (2024). Experimental Research for the Manufacture of Recycled Aggregate Concrete of 30~40MPa or More That Satisfies Durability Design of Concrete Structures. Journal of the Korea Institute of Building Construction, 24(6), 619–630. https://doi.org/10.5345/JKIBC.2024.24.6.619
 +
엔.알.택 주식회사. 폐도자기와 폐애자를 경량 골재 대체재와 포장용 골재로 사용하는 재활용법
 +
이봉훈. 유리병컬럿을 경량 골재 대체재와 포장용 골재로 사용하는 재활용법
 +
김성환. 재활용 경량 복합 단열골재
 +
Fahad Khshim Alqahtani. Recycled Plastic Aggregate for use in Concrete(US10294155B2)
 +
Francesco Piccone. Method for producing concrete using recycled plastic(WO2020000106A1)
 +
wooups. https://wooups.co.kr/33
 +
삼표그룹. https://sampyo.co.kr/
 +
지표누리. https://www.index.go.kr/
 +
순환자원정보센터. https://www.re.or.kr/info/listCirPricePage.do

2025년 12월 2일 (화) 18:47 기준 최신판

프로젝트 개요

기술개발 과제

국문 : 재활용 소재, 폐기물을 사용한 경제적, 친환경 콘크리트 연구

영문 : Recycled and Eco-friendly Concrete Research

과제 팀명

1조

지도교수

김지수 교수님

개발기간

2025년 9월 ~ 2025년 12월 (총 4개월)

구성원 소개

서울시립대학교 토목공학과 2020860047 최효광(팀장)

서울시립대학교 토목공학과 2020860009 김민혁

서울시립대학교 토목공학과 2020860031 이정우

서울시립대학교 토목공학과 2020860033 조현진

서론

개발 과제의 개요

개발 과제 요약

본 과제에서는 꾸준히 증가하는 폐기물 처리를 위해 플라스틱 필렛, 물티슈를 대체제로 적용하여 제작 단가를 낮추고 탄소 배출을 줄이면서도 우수한 강도와 내구성을 확보하는 공법을 연구한다. 이를 통해 건설 산업의 자원 순환과 탄소중립 실현에 기여할 수 있는 지속 가능한 건설재료 기술을 제시하고자 한다.

◇ 목표
   - 폐기물과 재활용 소재를 활용해 경제성 및 친환경성을 갖춘 콘크리트 개발
◇ 방법
   - 플라스틱 필렛, 물티슈를 골재 대채제 및 첨가제로 활용
◇ 핵심성과
   - 제작 단가 절감
   - 탄소 배출 감소
   - 강도 및 내구성 확보

개발 과제의 배경

◇ 폐기물 처리 문제
   - 2026년부터 수도권 3개 시도 생활폐기물 직매립 전면금지
   - 새로운 폐기물 자원화 기술 개발 필요성 증가

◇ 원자재 가격 상승
   - 건설 자재 대부분을 수입에 의존하여 가격 불안정성 증가
   - 최근 고환율이 지속되어 건설자재 비용 부담
◇ 탄소 중립 트렌드
   - 글로벌 탄소 배출 감축 요구 강화와 ESG 경영의 확산
   - 탄소 저감 기술 개발 필요성 및 친환경 건설 자재 개발 중요성 증가

개발 과제의 목표 및 내용

◇ 성능 목표
   - 기존 콘크리트 대비 70% 이상 강도 확보
◇ 경제 목표
   - 제작 원가 20% 절감
   - 경제성 분석을 통해 사회적 비용 절감
◇ 환경목표
   - 탄소 배출량 감소
   - 폐기물 처리 및 재활용률 향상

관련 기술의 현황

관련 기술의 현황 및 분석(State of art)

  • 전 세계적인 기술현황

전 세계적으로 탄소 중립 및 지속 가능한 건설기술 관련 연구 및 개발이 활발하다. 그중 본 과제와 관련 있는 폐기물·재활용 골재 활용 콘크리트 기술의 최신 동향과 연구 성과는 다음과 같다

Foti, D. (2012)

PET 병을 절단하여 제작한 섬유로 보강한 콘크리트 공시체에 대해 연구를 진행. 콘크리트의 연성이 향상. 콘크리트와 PET 사이의 부착 성능이 우수하다는 결과

Kim, Byung-Chul et al. (2015)

LCD 폐유리 미분말을 사용하여 고강도 콘크리트에 대한 연구를 진행. 대부분의 경우 강도가 저하되었으나 미분말의 입도 및 입경을 균질하게 한다면 강도가 향상될 것으로 평가

Toghroli, A. et al. (2018)

재활용 분쇄 유리, 강섬유, 폐타이어, 플라스틱 등의 폐기물을 이용한 포장용 포러스 콘크리트에 대해 연구시멘트 사용을 줄이고 폐기물 문제를 완화하는 효과 확인

Babafemi, A. et al. (2018)

폐플라스틱을 혼입하여 제작한 콘크리트의 기계적 특성과 내구성에 대해 연구. 압축강도, 휨강도 등의 특성들은 전반적으로 감소하였으나 공학적 요구를 충족, 폐플라스틱의 전처리 방법에 대해 추가 연구의 필요성을 제시

Yang, I.-H. (2021)

플라스틱 재활용 섬유를 콘크리트 제작에 사용하여 균열저항성 및 인장강도의 개선확인

Deng, J.-X. et al. (2023)

재활용 골재, 볏짚, 유약 처리한 구슬 등을 이용하여 재활용 단열 콘크리트를 개발. 기계적 성능 기준을 충족하면서 우수한 단열 성능을 제공하는 최적 배합비를 도출

Woo, G.-S., Kim, J.-H. (2024)

30~40MPa 이상의 순환골재 콘크리트 제조를 위한 실험적 연구를 진행. 해당 연구에서는 순환골재의 품질 개선 및 강도 증진을 위한 기초자료를 제공하여 순환골재 콘크리트의 폭넓은 활용을 도모
  • 특허조사 및 특허 전략 분석

폐도자기와 폐애자를 경량 골재 대체재와 포장용 골재로 사용하는 재활용법

폐애자를 가능한 구에 가깝도록 파쇄, 연마하여 정형한 것을 천연 자갈을 대체할 수 있는 골재(상품명: 리포세라)로 사용. 아스팔트 포장의 노반 하층부의 쇄석의 일부로 사용. 골재에 열경화성 합성수지를 바인더로 사용하여 아스팔트 포장의 표층용 골재로 사용한다.

유리병컬럿을 경량 골재 대체재와 포장용 골재로 사용하는 재활용법

빈 병의 컬럿을 천연 모래의 경량골재 대체재나 컬러 투수 포장용 골재 등으로 사용하는 재활용법. 컬릿은 파쇄된 입체형의 입자로서 모서리각이 예리하여 위험성이 많으므로 새로 발명한 시스템을 적용

재활용 경량 복합 단열골재

스치로폴 발포체가 갖는 물성 중 단열성을 유지하면서 여러 강도를 증진시킬 수 있는 방법 관한 것. 강도, 색상, 모양, 크기 등도 다양하며 방습, 투습, 내부식성 또한 우수. 재활용 원료를 사용하므로 원료비 및 작업비용도 크게 절감

Recycled Plastic Aggregate for use in Concrete (US10294155B2)

폐플라스틱을 입자화해 콘크리트용 골재로 사용. 입자 크기 및 형상을 제어하여 시멘트와의 부착력을 개선

Method for producing concrete using recycled plastic (WO2020000106A1)

폐플라스틱을 골재로 활용한 단열 콘크리트 제조 공정. 플라스틱 골재에 시멘트 및 모래를 코팅하여 콘크리트 혼합물과의 부착력을 높이고 균일하게 혼합

시장상황에 대한 분석

부산항만공사(BPA)

케이슨 속채움재로 순환골재를 사용해 약 25억 원의 예산 절감 효과, 이산화탄소 배출 저감을 통한 약 121억 원 규모의 경제적, 환경적 편익을 창출

롯데건설

시멘트를 5%만 사용하고도 기존 대비 동등 이상의 강도를 발현하는 '저탄소 수화열 저감 콘크리트'개발, '고로 슬래그’가 80% 이상 포함, 첨가제가 일부 사용,고로 슬래그는 시멘트에 비해 탄소 배출량은 10분의 1, 가격은 시멘트의 70% 수준.

대우건설

자체 개발 저탄소 콘크리트를 아파트 전체 공사로 확대한다는 계획, 기존 대비 시멘트 사용량과 이산화탄소 배출량을 절반 넘게 줄이면서 강도 지연과 품질 하자 문제를 해소

포스코 이앤씨

저탄소 초고강도 콘크리트 파일 개발, 시멘트 대신 무수석고와 제철슬래그를 배합해 이산화탄소 발생량을 4% 수준으로 절감, 강도가 기존 파일보다 높아 시공 수량을 줄일 수 있어 공사 기간 단축과 원가 절감 가능

삼성물산 건설부문

콘크리트 생산 과정에 이산화탄소를 주입해 화학적 반응을 일으켜 콘크리트 강도를 높이는 기술을 확보, 시멘트 사용량과 비용 절감 가능, 이산화탄소가 콘크리트 내부에 저장되기 때문에 탄소 배출량이 70% 가까이 줄어드는 효과

개발과제의 기대효과

기술적 기대효과

   - 재활용으로 건설 자재의 원료 다양성 확대
   - 재료에 따른 콘크리트의 강도, 내구성 등 특성 변화 파악 가능
   - 폐기물 전처리 방식에 따라 접착력, 공극률 등이 달라지므로 최적 조건 도출 가능
   - 경량화, 단열성 등 특정 성능을 개선 가능
   - 요구 특성에 따른 맞춤형 콘크리트 제작 가능

경제적, 사회적 기대 및 파급효과

   - 건설 재료의 가격이 상승하는 상황에서 원가 절감 가능
   - 시공 수량을 줄여 공사 기간 단축 가능     
   - 산업 및 생활폐기물의 처리 비용 절감, 지자체 및 기업의 부담 완화
   - 폐기물 처리 문제를 일부 해결, 생산 과정의 탄소 배출량 감소 가능
   - 환경 보호 및 친환경 건설 기술 실현에 기여

기술개발 일정 및 추진체계

개발 일정

개발일정.png

구성원 및 추진체계

건설순환 재료학회, 콘크리트 학회지 자료를 참조한 다양한 배합의 공시체를 시험하여 최적의 배합을 찾는 과정을 반복합니다.

설계

설계사양

제품의 요구사항

2020860037 요구사항.png

설계 사양

2020860037 설계사항.png

개념설계안

2020860037 개념설계.png


배합비
물:시멘트:잔골재=1:2:4.8
필렛량
잔골재 무게의 15%
물티슈량
공시체 부피의 0%, 1%, 2%, 4%

상세설계 내용

배합비
  기본 공시체
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  플라스틱 필렛 포함 공시체
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  물티슈량
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일축압축강도 시험
기본공시체 6개와 필렛을 넣고 물티슈를 다르게 넣은 공시체 각각 6개씩 총 30개의 공시체를 제작한다.
각각의 공시체 중 5개를 선정해 일축압축강도 시험을 실시하고 그 값을 정리한다.
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휨강도 실험
일축압축강도와 같은 배합으로 각각 3개씩 총 15개의 공시체를 제작한다.
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결과 및 평가

실험결과

일축압축강도
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휨강도 실험
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평가

환경성 평가
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-공시체 6개 제작 과정에서 사용된 폐플라스틱–섬유의 질량을 기준으로 환경적 편익을 산정하였다. 분석 결과, 공시체 6개를 제작하는 과정에서 약 26g CO₂의 온실가스 배출 저감 효과가 확인되었다. 이는 동일한 양의 폐플라스틱을 매립 처리했을 때 발생하는 온실가스 배출을 재활용을 통해 직접적으로 차단한 효과에 해당한다.
-특히 폐기물의 매립은 분해 과정에서 장기적인 온실가스 배출을 야기하는데, 본 연구의 재활용 방식은 이러한 배출원을 근본적으로 감소시키는 결과를 초래한다. 비록 개별 실험 단위에서는 수 g 단위의 저감 효과로 나타났지만, 이는 대량 생산 시 누적 효과가 기하급수적으로 커진다는 점에서 환경적 가치가 크다. 
-예컨대 동일한 배합을 산업 규모로 확대할 경우, 수백 kg에서 수 톤 단위까지 CO₂ 절감이 가능해져 건설 산업의 온실가스 감축에 실질적으로 기여할 잠재력을 지닌다.
종합적으로, 폐플라스틱 활용 콘크리트는 폐기물 매립을 감소시키는 동시에 온실가스 배출을 줄임으로써 높은 환경성 개선 효과를 보였으며, 이는 본 연구의 환경성 개발 목표(폐기물 감량 및 CO₂ 배출 저감)를 충분히 충족하는 것으로 평가된다.
경제성 평가
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-공시체 6개 제작 과정에서 사용된 폐플라스틱–섬유의 질량을 기준으로 경제적 편익을 산정하였다. 분석결과 우선 재료비 측면에서, 폐플라스틱을 골재로 치환함으로써 약 3.09원의 골재 비용 절감이 발생하였으며, 동일한 양의 폐기물을 매립하지 않음에 따라 약 90원의 폐기물 처리비 절감 효과가 추가로 발생하였다.
-다만 폐기물을 재료로 활용하기 위해 반드시 필요한 전처리 과정에서 약 164원의 추가 비용이 발생하는 것으로 확인되었다. 약 70원 정도의 가격이 증가되어, 오히려 사용하지 않을 때 경제적 이점이 있는 것으로 나타났다. 
-폐플라스틱의 전처리 과정과 기업들의 친환경 사업 확대, 유가 상승에 의한 플라스틱 가격 상승이 폐플라스틱 필렛의 가격 상승의 요인으로 판단된다. 
강도 평가
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-혼입률이 증가함에 따라 압축강도는 전반적으로 감소하는 경향을 보였으며, 그중 4% 혼입 배합의 28일 추정 압축강도는 20.6 MPa로 나타났다. 이는 기준 콘크리트 대비 약 65.8% 수준으로, 본 연구의 주목적이었던 기준 콘크리트 강도 대비 70% 확보에는 미치지 못하였다. 또한 휨강도는 대부분이 기존 콘크리트 강도 대비 70% 이하의 수치를 나타냈다. 즉, 구조용 콘크리트 수준의 성능을 확보하는 데에는 한계가 있는 것으로 평가되었다.
-그러나 재활용 콘크리트의 활용은 반드시 구조용 용도에만 한정되는 것은 아니다. 이에 따라 본 연구에서는 두 번째 목표로 비구조용 포장재(보도블록·조경 블록 등)로의 활용 가능성을 평가하였다. 이를 위해 일반적으로 산업 현장에서 사용되는 기능적 최소 기준인 압축강도 20 MPa 이상, 휨강도 3 MPa 이상을 적용하였다.
-4% 혼입 배합의 압축강도는 20.6 MPa로 이 기준을 충족하였으며, 휨강도 역시 평균 4.41 MPa로 나타나 비구조용 포장재 적용 기준인 3 MPa을 충분히 상회하였다. 또한 KS F 4419 보도블록 규격의 최저 휨강도 기준(3.5 MPa) 역시 충족하는 것으로 확인되었다. 다만 KS 규격의 평균강도 기준(5.0 MPa)에는 조금 부족한 수치를 보였다.

완료 작품의 소개

포스터

파일:SOC종합설계 포스터 1조(최효광).pdf

완료작품의 평가

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-평가 결과 환경성 면에서는 물티슈 4% 혼입된 배합이 유리하나 강도 면에서 실제 현장에서 사용되기에 무리가 있다. 따라서, 경제성을 제외한 평가에서 준수한 결과를 얻은 물티슈 2% 혼입된 배합을 최적 배합비로 선정했다.


-본 과제에서 개발된 재활용 폐기물 콘크리트는 강도, 환경성, 경제성을 종합적으로 분석한 결과, 추가적인 연구를 통한 상용화 가능성이 확인되었다. 건설 산업에서의 자원 순환형 콘크리트로 발전할 잠재력이 높다고 판단하였다.
-본 과제의 재활용 콘크리트는 강도 측면에서 기존 구조용 콘크리트의 표준 압축강도 기준과 비교했을 때 일부 조건에서는 적용에 제한이 있을 수 있다. 하지만 비구조용 콘크리트, 보도 블럭, 도로용 콘크리트 등 저하중 환경에서 충분한 활용이 가능한 성능을 확보하였다. 실제 국내 도로 포장용 콘크리트 및 보도재 기준과 비교했을 때, 본 연구에서 제조된 시편은 기준 강도를 충족하거나 근접한 수준을 나타냈으며, 이는 초기 상용화를 위한 적용 분야가 명확히 존재함을 의미한다.
-제조 과정에서 사용된 폐기물 재료의 형상적 특성 중 플라스틱 필렛의 큰 크기, 매끄러운 표면 등은 콘크리트 내부에서 결합력 감소 및 미세 균열의 원인으로 작용한 것으로 판단된다. 따라서 향후 연구에서 재활용 재료의 표면 거칠기 증가 처리, 필렛 크기 최적화 등을 연구할 경우, 강도가 현재 수준보다 향상될 것으로 예상된다. 이를 통해 장기적으로는 구조용 콘크리트의 강도 수준을 확보할 수 있을 것으로 기대된다. 
-환경성 측면에서도 본 재활용 콘크리트는 의미있는 결과를 보였다. 폐기물 기반 재료 활용은 매립량 및 탄소 배출량 감소, 자원 재활용률 증대라는 효과를 가져온다. 이는 국내·외 건설 산업에서 요구되고있는 ESG 정책 및 탄소중립 목표와 방향성이 일치한다. 특히, 정부·지자체의 순환자원 의무 사용 정책, 녹색건축 인증제도와 연계될 경우 시장 확장성이 매우 크다. 
-경제성 측면에서는 재활용 폐기물로 대체하면 비용이 증가되는 결과가 나타났다. 하지만 폐기물 전처리 공정이 대규모로 구축된다면 폐기물 전처리에 드는 비용이 감소하여 비용이 감소할 것으로 예상된다.
-따라서 본 연구과제는 기술적 완성도 향상과 규격화 작업을 지속한다면, 향후 지속 가능한 건설 산업과 친환경 콘크리트 시장 확대에 중요한 역할을 수행할 수 있을 것으로 예상된다.

참고 문헌

Yang, I.-H. (2021). Manufacturing and characteristics of recycled plastic fiberreinforced concrete. Magazine of RCR, 16(1), 17–22. https://doi.org/10.14190/MRCR.2021.16.1.017
Kim, Byung-Chul, Cha, Tae-Gweon, Jang, Pan-Ki, Kim, Chan-Woo, & Jang, Il Young. (2015). An Experimental Study on High Strength Concrete Using the LCD Waste Glass Powder. Journal of the Korean Recycled Construction Resources Institute, 3(4), 335–341. https://doi.org/10.14190/JRCR.2015.3.4.335
Toghroli, A., Shariati, M., Sajedi, F., Ibrahim, Z., Koting, S., Mohamad, E. T., & Khorami, M. (2018). A review on pavement porous concrete using recycled waste materials. Smart Structures and Systems, 22(4), 433–440. https://doi.org/10.12989/SSS.2018.22.4.433
Foti, D. (2013). Use of recycled waste PET bottles fibers for the reinforcement of concrete. Composite Structures, 96, 396–404. https://doi.org/10.1016/j.compstruct.2012.09.019
Babafemi, A. J., Šavija, B., Paul, S. C., & Anggraini, V. (2018). Engineering Properties of Concrete with Waste Recycled Plastic: A Review. Sustainability, 10(11), 3875. https://doi.org/10.3390/su10113875
Woo, G.-S., & Kim, J.-H. (2024). Experimental Research for the Manufacture of Recycled Aggregate Concrete of 30~40MPa or More That Satisfies Durability Design of Concrete Structures. Journal of the Korea Institute of Building Construction, 24(6), 619–630. https://doi.org/10.5345/JKIBC.2024.24.6.619
엔.알.택 주식회사. 폐도자기와 폐애자를 경량 골재 대체재와 포장용 골재로 사용하는 재활용법
이봉훈. 유리병컬럿을 경량 골재 대체재와 포장용 골재로 사용하는 재활용법
김성환. 재활용 경량 복합 단열골재
Fahad Khshim Alqahtani. Recycled Plastic Aggregate for use in Concrete(US10294155B2)
Francesco Piccone. Method for producing concrete using recycled plastic(WO2020000106A1)
wooups. https://wooups.co.kr/33
삼표그룹. https://sampyo.co.kr/
지표누리. https://www.index.go.kr/
순환자원정보센터. https://www.re.or.kr/info/listCirPricePage.do