02분반 6조 업크리트

프로젝트 개요

기술개발 과제

국문 : 객체 탐지 기술을 활용한 순환골재 내 건설폐기물 제거

영문 : Construction Waste Elimination in Recycled Aggregates Using Object Detection Technology

과제 팀명

업크리트

지도교수

서명원 교수님

개발기간

2023년 9월 ~ 2023년 12월 (총 4개월)

구성원 소개

서울시립대학교 환경공학부 2020XXX0** 황**(팀장)

서울시립대학교 환경공학부 2020XXX0** 박**

서울시립대학교 환경공학부 2020XXX0** 이**

서울시립대학교 환경공학부 2020XXX0** 최**

서론

1,개발 과제의 개요

1.1개발 과제 요약

최근 기후변화와 지구온난화에 대응하기 위해 세계 주요 선진국들은 탄소중립을 지향하고 있다. 파리 협정과 2050 탄소중립 목표를 실현하기 위해 국내에서도 각기 다른 분야에서 노력이 이루어지고 있다. 그중 건설산업에서 배출되는 온실가스는 전 세계 온실가스 배출의 약 25%를 차지하고 있으며, 탄소중립의 주요 대상인 이산화탄소는 전 세계 배출량의 약 37%를 차지한다. 탄소중립 실현을 위해 건설산업에서도 ESG 경영이 부각되고 있다. 1970년대 고도성장기에 급속도로 증가하는 인구를 감당하기 위해 본격적으로 주택들이 공급되었고, 현재 이러한 주택들이 노후화됨에 따라 재건축  재개발이 활발하게 이루어지고 있다. 건설단계에서 자원 낭비를 최소화하거나, 한 번 사용한 자원을 재사용하는 자원순환을 통해 지속가능한 순환 경제의 실현을 위한 자원 순환형 건설이 추진되고 있다. 특히 환경보존 및 기존 골재원 고갈 등에 기인한 골재수급 문제는 건설산업의 위험 요소로 평가된다. 정부는 건설폐기물의 재활용촉진에 관한 법률 시행령 제5조(순환골재 등 의무사용 건설공사의 범위)를 통해 순환골재의 사용을 촉진하고 있다. 여기서 순환골재란 건설폐기물의 “재활용 촉진에 관한 법률” 제2조7호의 규정(건설폐기물을 물리적 또는 화학적 처리과정 등을 거쳐 같은 법 제35조의 규정에 의한 품질기준에 적합하게 한 것)에 적합한 골재를 말한다. 한편 2020년 기준 순환골재 사용 비중은 전국 골재 수요의 14.6%에 불과했다. 현재 생산되는 순환골재는 배출되는 건설폐기물 내 높은 불순물 함유량으로 인해 순환골재의 품질이 낮아 저급골재라는 인식이 확산되어 단순 복토/성토용, 되메우기용, 도로보조기층용 등 저부가가치의 활용이 대부분이며, 콘크리트용 순환골재 등 고부가가치의 활용은 미미하다. 또한 폐콘크리트에 부착되어있는 모르타르 성분으로 인한 강알칼리성 침출수의 문제도 존재한다. 본 과제에서는 순환골재의 저조한 사용률에 대한 이유로 이물질 유입으로 인한 순환골재의 신뢰성 저하와 순환골재의 알칼리성으로 인한 환경오염의 우려라고 판단하였다. 따라서 순환골재의 사용률을 증대시키기 위해 혼합 건설폐기물에서 이미지 분류기술을 활용하여 이물질 선별률을 높이고 화학적 처리를 통해 순환골재의 알칼리성을 조절하고자 한다.

1.1.1개발 과제의 배경 및 효과

  건설폐기물은 공사를 시작할 때부터 완료할 때까지 발생한 5톤 이상의 폐기물을 말하는데, 노후 건축물의 증가함에 따라 건설폐기물의 양이 지속적으로 증가하는 추세이다. 2014년 하루 18만 톤이 발생하던 것에서 2021년 하루 약 23만 톤으로 하루에 배출되는 양이 약 5만 톤 이상 늘었다. 그중 약 65%는 폐콘크리트였다. 폐콘크리트를 순환골재로 재활용할 경우, 2010년 가격 기준으로 순환골재 1톤당 매립 절감에 따른 편익은 19,801원, 천연골재 대체에 따른 편익은 순환골재 1톤당 7,323원이다. 또한 순환골재를 천연골재 대체재로 사용할 경우, 골재채취로 인해 유발되는 산림 및 녹지 훼손과 건설폐기물의 매립을 최소화하여 최근 논란이 되는 수도권매립지의 수명을 연장할 수 있다.
 하지만, 폐콘크리트 중 약 99%는 재활용하는데 이는 품질과 안전등의 이유로 80% 이상이 성·복토 및 도로 공사용 등 극히 제한된 용도로만 사용되고 있다. 또한 순환골재 사용 촉진을 위한 의무사용제도 도입 등에 따라 순환골재 사용이 국가와 지방자치단체 등 공공기관에서 일정 규모 이상의 건설공사를 진행할 경우, 순환골재를 사용하고 있지만 민간 부문에서는 사용 실적이 저조하다. 실제로 전국의 약 170개의 순환골재 수요자(발주자, 시공자)를 대상으로 조사한 순환골재 활용에 따른 문제점 설문조사 보고에 따르면, 순환골재 사용을 회피하는 이유로는 품질 신뢰성의 문제(47%), 품질인증제도의 인지도 문제(33%), 발주처 사용 제한의 문제(20%)를 들고 있으며, 사용 시 애로사항으로는 환경 문제 제기기(53%), 설계기준 반영(30%), 관리 미흡(10%), 사용기준의 복잡성 문제(7%)를 들고 있다. 또한 순환골재는 일반적으로 모르타르를 포함하고 있어 강알칼리성을 띄기 때문에, 우천 시 알칼리 침출수가 발생할 수 있다. 또한 순환골재에 붙어 있는 모르타르 함량에 따라 골재의 비중, 흡수율 등의 기초 물성이 변하게 되고, 이는 결과적으로 콘크리트의 강도 및 탄성계수에도 영향을 미치게 된다. 이러한 점을 고려하여 순환골재의 품질향상이 필요한 상황이다.
  건설폐기물을 중간처리하는 과정에 사용되는 이물질 분리선별 방법은 인력선별, 비중선별, 스크린선별, 자력선별, 풍력 선별 등이 있다. 가연성 건설폐기물에 가장 많이 활용하는 분리 방식은 송풍기에 의한 분리 방식이다. 일반적으로 직경이 25㎜가 초과하는 가연성 이물질은 초기 트롬멜 등의 분리선별 장치를 통하여 분리되며, 10～25㎜ 정도의 가연성 이물질은 스크린 등을 통과할 때 분리된다. 10㎜ 이하의 가연성 이물질은 골재와 함께 이송되면서 송풍에 의해 선별된다. 송풍 이물질 분리선별 장치의 가장 큰 문제는 분진의 비산과 다량의 토사 및 골재 투입시 이물질 분리 효과의 저하이다. 기존의 송풍은 단순하게 후단에서 바람만을 부여하는 구조로 되어 있어 풍압이 강할 경우 이물질과 함께 골재 및 토사가 배출되며, 대량으로 투입될 시 물질 간의 간격이 좁아 송풍에 의한 이물질의 분리가 어렵다. 종래의 기술을 통해 생산되는 순환골재는 규격별 입자가 골고루 분포하지 못할 뿐만 아니라 토사 미분과 비닐 및 장판 조각, 목재 조각, 나무뿌리, 천 조각, 플라스틱 조각, 스티로폼, 담배꽁초 등 각종 잡쓰레기와 이물질(유기 이물질, 유기 불순물)이 부스러기 형태로 일부 혼재되어 있으므로 이를 재활용하는 경우 강도가 떨어지고 흡수율이 높아 골재로서 품질을 보장할 수 없는 문제점이 있다. 특히 드럼 또는 스크린 등의 선별기로 선별하여도 골재와 유사한 크기의 이물질(미분·비닐·목재·가죽·플라스틱·섬유 등)은 드럼 또는 스크린의 망체를 그대로 통과하여 골재에 혼재되기 때문에 완전한 분리 및 선별이 매우 어려운 문제점이 있다.

Fig 1. 순환골재 생산 공정에 따른 시스템 경계

 일반적으로 순환골재로 사용하는 폐콘크리트는 알칼리성을 띄어 그 상태로 자연환경에 노출되면 다양한 문제를 일으킬 수 있다. 폐기물학회에 따르면 순환골재의 사용에 따라 알칼리수가 용출되고 이에 따라 토양과 지하수의 오염이 발생할 수 있다고 지적한다. 또한 폐콘크리트가 미분화되어 더욱 용출되기 쉬운 것도 문제이다. 이를 위해 국내에서는 순환골재 생산 시 파쇄, 박리 등의 공정을 통해 용출수 저감을 방지하고자 하였다. 그러나, 해당 방법들은 pH 저감 효과가 미미한 것으로 나타났으며, 이를 해결하기 위해 노력을 거듭하고 있다. pH 저감을 위해 사용하는 대표적인 방법으로, 이산화탄소를 이용한 탄산칼슘화 공정이 있다. 탄산칼슘화는 아래와 같은 반응이 일어난다.

Ca(OH)+ CO2 → CaCO3 + H2O [식1] 탄산칼슘화 공정

 탄산칼슘화 공정은 폐콘크리트의 주성분이 수산화칼슘인 것을 고려하여 사용하는 방법이다. 수산화칼슘이 이산화탄소와 반응하면 pH가 감소함과 동시에 탄산칼슘을 생산할 수 있어 해당 방법을 이용하고 있다. 더 자세하게, 이산화탄소를 사용하는 방법은 유량, 압력 접촉 면적과 같은 변수에 따라 달라진다. 일반적으로 사용하는 방법은 아래와 같다.

Fig 2. 이산화탄소를 사용한 폐콘크리트 중화반응 장치

 그림과 같이 순환골재의 pH를 낮추기 위하여 이산화탄소와 접촉시켜 이를 통해 pH를 낮추는 방법이다. 단순히 강하게 교반하는 것만으로도 pH를 낮추는 효과가 있기에 이산화탄소를 추가적으로 공급하지 않는다. 하지만 그림과 같이 대기 중의 이산화탄소로만 중화반응을 유도하는 것은 시간이 오래 걸린다는 단점이 있다. 한편, 골재 세척수에 이산화탄소를 용해시켜 탄산나트륨을 제조하는 방법도 있지만, 이산화탄소는 용해도가 낮아 시간이 오래 걸리고 기체 이산화탄소를 직접 순환골재에 접촉시킬 경우 과도한 이산화탄소 유실과 같은 문제가 발생할 수 있다. 더불어 이산화탄소를 생산하기 위한 과대한 비용이 발생하게 된다. 이런 단점들을 극복하기 위해서 고안한 방법이 산성 용액을 사용하는 방법이다. 산성 용액과 직접적으로 작용하여 그 중화반응 유도 시간을 줄이고, 아울러 다양한 산성 용액을 사용하여 용액의 종류에 따라 순환골재 중화반응에 가장 적합한 용액을 찾는 것을 본 설계의 목적으로 한다. 
 기존 논문에 따르면 이런 습식 공정은 처리 전에 건식과 달리 세척과정을 거치어, pH 저감제로 제1인산나트륨, 염화암모늄 등을 사용한다. 이들을 사용한 반응은 아래와 같다.

Na3PO4 + H2O → 3Na+ + HPO4- HPO4- + Ca2+ → Ca(OH)2 + Ca2(HPO)4 [식2] 제1인산나트륨 수화물 반응식

 제1인산나트륨 수화물은 인체에 무해하며 환경 영향성이 적은 식용 인산나트륨으로 물에 해리된 후 인산이온(HPO4-)과 순환골재에서 용출된 칼슘이온(Ca2+)이 반응하여 침전물을 생성하게 되며 이로 인해 골재표면에 코팅막을 형성하고 pH저감효과를 가지게 된다. 또한 공통이온효과로 인하여 인산이온이 물에 해리되면 음이온인 수산화물의 용출이 적게 일어나게 된다.

NH4Cl + H2O → NH4+ + Cl- + H2O → NH4OH + HCl NH4OH → NH4+ + OH- HCl → H+ + Cl- [식3] 염화암모늄 반응식

수산화암모늄의 해리로 인해 수산화이온(OH-)에 의한 염기성 보다 염산의 해리로 인한 수소 이온의 산성이 강해 전체적으로 약산성의 pH를 가진다. 염화암모늄 해리로 인해 수용액이 약산성을 띄며 이는 인산이온과 칼슘 이온의 반응이 용이하게 일어나도록 한다.
본 설계는 위와 같은 산성 용액을 사용해서 반응조에 파쇄된 건설폐기물을 침지시켜 순환골재 품질기준을 맞춘 pH9.8 이하의 양질의 순환골재를 얻고자 한다.
건설산업은 탄소배출이 타 산업들과 비교하면 높은 축에 속하므로 2050년 탄소중립을 위해 탄소배출 감소가 필요한 상황이다. 따라서 자원순환을 통해 지속가능한 건설산업 생태계 구축이 필요하다고 생각된다. 실제로 건식 순환골재 CO2 배출량은 2.977 kg-CO2/ton, 습식순환골재 CO2 배출량은 3.983 kg-CO2/ton, 천연골재 CO2 배출량은 4.290 kg-CO2/ton으로 평가되었다. 또한 경제적 측면에서도 단위용적당 콘크리트의 단가 감소율은 치환율 0% 대비 30%는 3.56%, 50%는 8.73%, 100%는 12.95%로 도출되었으며 최대 5,486원까지 감소하는 것으로 도출되었다. 따라서, 위와 같은 순환골재의 문제점을 해결한다면 자원보존, 환경보호, 경제적 이익, 지속 가능성 향상 측면에서 효과가 있을 것으로 보인다. 순환골재를 얻기 위한 과정에서 나뭇가지, 폐플라스틱, 폐비닐 등과 같은 불순물을 제거하기 위해 기계학습을 이용한 화상 선별을 도입하고 순환골재의 미분말의 강알칼리성을 중화하여 고품질의 순환골재를 얻고자 한다. 고품질의 순환골재를 통해 현재 소비자의 부정적 인식을 바꾸고 자원순환을 통해 탄소중립에 이바지할 수 있을 것으로 보인다.

1.1.2개발 과제의 목표 및 내용

 순환골재의 특징인 모르타르 부착량, 이물질 함유량, 미분량은 대표적인 문제점이며, 이로 인한 품질저하 및 품질편차 증대는 순환골재의 활용에 매우 큰 장애요인이다. 건설폐기물에는 다양한 물질이 섞여 있으므로, 이물질을 제거하는 여러 단계의 과정을 거치더라도 순환골재에는 일부의 이물질이 포함될 수밖에 없다. 순환골재에 포함되는 이물질은 그 종류가 다양하고 특성도 다르며, 어떠한 이물질이 얼마만큼 포함되느냐에 따라서 순환골재 및 순환골재 콘크리트의 품질에 영향을 미치게 된다. 폐콘크리트는 현재 관련 법령의 미비로 적절한 처리 없이 순환골재로 사용하기 때문에 이물질이 섞여 들어간다는 문제가 있다, 따라서 이 문제를 해결하기 위해 인공지능을 사용한 화상 선별 시스템을 이용할 수 있다. 실제로 국내 플라스틱 재활용 시장에서 기물 선별 장비 생산, 폐기물 선별공정 설계 전문회사인 ACI가 딥러닝 기반 인공지능을 이용한 재활용 폐기물 선별 로봇을 선보이고 있다. 일반 재활용 쓰레기는 현재 다수의 인력을 통해 수작업으로 분류가 이루어지고 있다. 그리고 투명 PET의 경우 재활용의 가치가 높아 고품질 원료로 선호되고 있기에 따로 선별하는 것이 중요하다.

Fig 3. AMP Robotics의 로봇 시스템인 AMP 콜텍(Cortex)

 위 그림과 같이 인공지능을 이용한 이미지 분류 기술을 통하여 건설폐기물 중 순환골재 품질 저하의 원인이 되는 이물질 함유량을 최소화하여 품질향상을 도모하고자 한다. 인공지능을 이용하여 이물질을 이미지 분류한 이후 이미지 분류를 통해 이물질로 결론 난 이물질의 경우 분리해야 하는데 이때 로봇팔을 이용한 분리를 하고자 한다. 인공지능을 활용한 이미지 분류 기술은 이른바 ‘객체 감지(Object detection)과 객체 인식(Object recognition)’으로 나눌 수 있다. 객체 감지는 객체의 위치를 파악하고 그 위치를 경계 상자로 표시하며, 객체 인식은 객체의 종류 또는 클래스를 판별하는 데 중점을 둔다. 일반적으로 객체 감지는 객체 인식을 포함하는 작업 중 하나이다. 따라서 본 과제에서는 재생골재가 아닌 물질의 위치를 확인하고 선별하여야 하므로 객체 감지 기술을 활용한다. 이를 위한 구현방식으로는 주로 딥러닝과 머신러닝 기술이 사용된다. 머신러닝 방식은 다음과 같다.

① 데이터 수집 및 전처리: 머신러닝 모델을 훈련하기 위해 레이블이 지정된 학습 데이터를 수집하고, 데이터를 전처리하여 모델에 입력으로 사용할 수 있는 형태로 가공한다. 이 단계에서는 주로 특징(Feature) 엔지니어링이 수행된다.

② 특징 추출: 데이터에서 유용한 정보를 추출하기 위해 특징 추출기(Feature Extractor)를 사용한다. 이러한 특징은 주로 사전 지정된 규칙 또는 수작업으로 정의된다.

③ 모델 훈련: 추출된 특징을 입력으로 사용하여 머신러닝 모델을 훈련시킨다. 일반적인 알고리즘으로는 서포트 벡터 머신(SVM), 결정 트리, 랜덤 포레스트 등이 사용된다.

④ 모델 평가 및 튜닝: 훈련된 모델을 평가하고 필요한 경우 하이퍼파라미터를 조정하여 성능을 향상시킨다.

⑤ 예측: 훈련된 모델을 사용하여 새로운 데이터에서 객체를 인식하고 예측한다.

 딥러닝 방식은 다음과 같다.

① 데이터 수집 및 전처리: 머신러닝과 마찬가지로 데이터 수집 및 전처리 과정이 필요하다.

② 신경망 아키텍처 설계: 딥러닝에서는 신경망 아키텍처를 설계한다. 이 아키텍처는 입력 데이터로부터 특징을 자동으로 추출하기 위해 여러 계층으로 구성되며, 주로 합성곱 신경망(CNN)이 객체 인식에 사용된다.

③ 모델 훈련: 딥러닝 모델은 데이터로부터 특징 추출과 분류를 동시에 수행한다. 이러한 모델은 역전파(Backpropagation)와 경사 하강법을 사용하여 가중치를 최적화하며 훈련된다.

④ 모델 평가 및 튜닝: 머신러닝과 마찬가지로 훈련된 딥러닝 모델을 평가하고 하이퍼파라미터를 조정하여 성능을 향상시킨다.

⑤ 예측: 훈련된 딥러닝 모델을 사용하여 새로운 데이터에서 객체를 인식하고 예측한다.

딥러닝 방식과 머신러닝 방식에서 공통적인 요소는 데이터 수집 및 전처리 단계이다. 아무리 성능이 좋은 모델이 만들어지더라도 입력 데이터의 질이 좋지 않으면 결과값도 좋지 않다. 따라서 입력 데이터의 질이 매우 중요한데, 본 과제에서는 순환골재와 그 이외의 이물질을 분류하기 위한 훈련 데이터의 수집을 google image와 자체 제작으로 수행할 예정이다. 순환골재만 존재하는 이미지 데이터와 이물질이 혼입된 순환골재 이미지 데이터를 사용하여 모델을 개발할 예정이다.
 본 설계는 산성용액을 사용하여 폐콘크리트의 pH를 낮추고자 하였다. 이를 위해 고안한 것은 이중 반응조 형태의 구조이다. 반응조를 이중으로 한 것은 반응이 진행됨에 따라 산성용액의 pH가 상승하게 되어 교체해주어야 한다. 해당 작업을 수월하게 함과 동시에 2번 반응조에서도 중화반응을 유도하나, 다만 1번 반응조보단 빠른 반응속도로 고안한다.

Fig 4. 설계 예상 모식도

 먼저 첫 번째 반응조에서 제1인산나트륨과 같은 중화제를 투입하여 중화반응을 일으킨다. 차후 실험 및 문헌 조사를 통해 알아낸 적정 값으로 체적과 체류시간을 결정하고, 1차 중화반응이 끝난 순환골재는 2차 반응조로 이동한다. 2차 반응조로 이동하여 미처 중화되지 아니한 pH를 낮추며 또한 일부 폐콘크리트의 일부 수용성 이물질을 제거하여 순환골재의 질적 향상을 도모한다. 또한 본 과정을 수행하기 위해 온도, 압력, 투입 골재량, 산성 용액의 농도 및 pH, 반응조 용량, 체류시간, 반송비 등의 변수를 고려하여 반응조를 설계하도록 한다.
 전반전인 설계의 계획에 대한 설명은 다음과 같다. 먼저 컨베이어 벨트를 타고 이동한 폐콘크리트가 습식 세척을 거친다. 그 후에 이중 반응조를 거쳐 pH를 적정 범위인 9.8 이하까지 낮춘다. 또한 이 과정에서 수용성 이물질을 일부 제거할 수 있다. 마지막으로 AI를 이용한 화상 분리기를 사용하여 폐콘크리트 속, 폐목재와 같은 이물질을 분류하여 양질의 폐콘크리트만을 얻을 수 있도록 한다.

내용

구성원 및 추진체계

내용

설계

설계사양

제품의 요구사항

내용

설계 사양

내용

개념설계안

내용

이론적 계산 및 시뮬레이션

내용

상세설계 내용

내용

결과 및 평가

완료 작품의 소개

프로토타입 사진 혹은 작동 장면

내용

포스터

내용

완료작품의 평가

내용

향후계획

내용

특허 출원 내용

X