?Experimental Method for Evaluating the Carbon Reduction Capability through Direct Air Mineralization (DAM) Technology of Concrete-Based Products = Direct Air Mineralization (DAM) 기술을 통한 콘크리트 제품의 탄소저감 능력 평가를 위한 실험적 방법

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

 This study proposes an experimental method to evaluate the direct air mineralization (DAM) capability of cement-based products, focusing on CO2 uptake during their service life through natural carbonation. As carbon reduction in the cement industry becomes increasingly critical, the carbonation of cement-based products has attracted growing attentions. However, current assessment frameworks lack a methodology to quantify the DAM, especially for products that continually react with atmospheric CO2 after manufacture.
Cement-based products were chosen as the experimental focus due to their standardized dimensions and suitability for laboratory-scale testing. Large construction concrete modules require long-term exposure to ensure the meaningful amount of CO2 reaction and, of course, are difficult to evaluate its carbonation capability quickly through standard experiments. For example, existing standards such as KS F 2584—originally designed to assess carbonation-related durability—can only indirectly estimate DAM capability. They require 26 weeks of CO2 exposure and measure carbonation depth only, which is insufficient for quantifying actual amount of permanently sequestrated CO2 in the products.
To overcome these limitations, this study aimed to establish a laboratory-level DAM evaluation method by comparing the conventional KS F 2584 carbonation process with an accelerated curing condition. A series of cement-based products, including permeable and impermeable paving blocks, along with mortar specimens of identical dimensions, were tested under both standard and accelerated curing environments. The sequestrated amount of CO2 was quantified through thermogravimetric analysis (TGA) to determine the degree of carbonation directly.
The results confirmed that under 50 ℃, 90% RH, and 20% CO2 concentration, just two days of curing were sufficient to simulate service-life carbonation of concrete products. Compared to the KS F 2584, the proposed method drastically reduced the required testing time (from 26 weeks to 2 days) to accurately evaluate the DAM capability by quantifying the carbonation reaction.
This research presents a practical indicator for evaluating DAM capability and is expected to contribute significantly to the establishment of a database for LCA beyond the manufacturing stage. Ultimately, it can be used to develop a standardized methodology, such as International Standard Organization (ISO) or Korean Standard, to incorporate use-phase carbonation into the carbon footprint assessment of concrete-based products.

국문 초록 (Abstract)

 본 연구는 시멘트 기반 제품의 사용 수명 동안 자연 탄산화를 통해 발생하는 이산화탄소 흡수 거동에 주목하여, 직접 공기 광물화(Direct Air Mineralization, DAM) 능력을 평가하기 위한 실험적 방법을 제안한다. 시멘트 산업에서 탄소 저감의 중요성이 점차 부각됨에 따라 시멘트 기반 제품의 탄산화 현상이 주목받고 있으나, 제조 이후에도 대기 중 CO2와 지속적으로 반응하는 제품의 DAM 능력을 정량적으로 평가할 수 있는 방법론은 현재 미흡한 실정이다.
본 연구에서는 대형 콘크리트 구조물과 달리 규격화된 치수와 실험실 규모 시험에 적합한 특성을 지닌 콘크리트 2차 제품을 연구 대상으로 선정하였다. 기존의 KS F 2584와 같은 탄산화 시험 기준은 본래 탄산화 저항성 평가를 목적으로 제정된 것으로, 26주간의 장기 노출과 탄산화 깊이 측정에 의존하여 실제 CO2 고정량을 정량화하는 데에는 한계가 있다.
이러한 한계를 극복하기 위해, 본 연구는 KS F 2584에 따른 기존 탄산화 양생 조건과 가속 탄산화 조건을 비교함으로써 실험실 수준에서 적용 가능한 DAM 평가 방법을 확립하고자 하였다. 투수 및 불투수 블록과 동일한 치수의 모르타르 공시체를 대상으로 두 조건에서 실험을 수행하였으며, 열중량분석(TGA)을 통해 탄산화 정도를 직접 분석하여 이산화탄소 흡수량을 정량화하였다.
그 결과, 온도 50 °C, 상대습도 90%, CO2 농도 20%의 가속 양생 조건에서 단 2일의 양생만으로 콘크리트 제품의 사용 수명 동안 발생하는 탄산화 거동을 효과적으로 모사할 수 있음을 확인하였다. 제안된 방법은 KS F 2584 대비 시험 기간을 획기적으로 단축함과 동시에 탄산화에 의한 CO2 고정량을 직접적으로 평가할 수 있는 장점을 가진다.
본 연구는 시멘트 기반 제품의 DAM 능력을 평가하기 위한 실용적인 지표를 제시하며, 제조 단계를 넘어 사용 단계까지 고려한 전과정평가(LCA) 데이터베이스 구축에 기여할 것으로 기대된다. 나아가 시멘트 기반 제품의 탄소 발자국 평가에 사용 단계 탄산화를 반영할 수 있는 표준화된 방법론을 제공한다.

목차 (Table of Contents)

• Chapter 1. Introduction 1
• Chapter 2. Materials and Method 7
• Chapter 3. Results and Discussion 22
• Chapter 4. Conclusion 40
• Bibliography 42
• Abstract in Korean 45