산업부산물을 이용한 저클링커 시멘트의 성능 및 탄소발생량 저감 평가 = Evaluation of Performance and Carbon Emission Reduction of Low-Clinker Cement Using Supplementary Cementitious Materials

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

In this study, tests were carried out to propose a way to reduce carbon emissionin the cement manufacturing process by manufacturing low-clinker cement, which was replaced partially by various supplementary cementitious matrials(SCMs). The performances of low clinker cement subjected to varous SCMs types and replacement ratio were studied. And, the performances and carbon emission reduction effect of the mortar incorporating low clinker cement were studied. For the experimental variables, the four different levels of Water to Cementratio(W/C) ranged from 45~55% of mortar were chosen. For SCMs, 4 levels of Lime stone Powder(LP), Cement Kiln Dust(CKD), Fly Ash(FA), and Blast furnace Slag powder (BS) were adopted. They were replaced by the clinker from 0~15%. Engineering properties of the low clinker cement and the mortar incorporating low clinker cement at fresh and hardened state were investigated under various W/C and SCMs combinations and then, carbon emission reduction effect were evaluated and compared. Test results indicated that the density decreased and the powder density of the low clinker cement in this study increased as the replacement rate of SCMs increased, regard less of the types of SCMs. It isbelieved that this is due to the characteristics of low density and high blaine fineness compared to ordinary Portland cement in LP, CKD, FA, and BS, which are clinker replacements.
The results of the chemical composition analysis of low-clinker cement satisfied the KS standard in the case of MgO and SO3 content regardless of the replacement of the clinker substitute. In the case of heat reduction, it was found that when LP and CKD were replaced, it increased significantly and was out of the range of quality regulations. It is judged that CaCO3 of LP and CKD was exposed to high temperatures and the mass was reduced by decarbonization reaction.
Due to the characteristics of non-hardened mortar using low-klinker cement, liquidity increased as the replacement rate of the clinker substitute increased in the case of Flow, and when FA was replacedby 5%, it increased by up to 120%. In the case of air volume, it increased when LP and CKD were substituted and decreased when FA and BS were substituted. In the case of condensation time, there was an overall delay in replacing the clinker substitute, which is believed to be the result of a decrease in the proportion of clinkers involved in initial hydration as the substitute substitution.
For the characteristics of hardened mortar, the overall compressive strength decreases when the ratio of SCMs in low clinker cement is increased. In particular, replacement of LP and CKD resulted in reduce the compressive strength by up to 57%, while the compressive strength of the mortar with FA an BS increases by up to 122%. In the case of flexural strength, it showed a similar tendency with compressive strength. In the case of mortar length change, the length change decreased with increas of SCMs, regardless of the type of SCMs,especiallywhenFA wasreplaced,itdecreased to up to 43%. In the case of the carbonation, it was found that carbonation was promoted when the SCMs were replace-d. When CKD was replaced, carbonation depth was up to 211% deep, and when FA was replaced, it was 113% and showed the thinnest neutralization depth among cases where clinker replacement was replaced.
TheCO2 emission evaluationo flow-clinker cement-based mortar showed a reduction in CO2 emission by about 28.4% when replacing LP and CKD based on OPC, about 28.6% when replacing FA, and about 27.4% when replacing BS. In addition, as a result of analyzing the CO2 emission ratio of mortar, it is thought that the amount of CO2 generated from clinker was dominant. Through this, it is believed that it will be effective to reduce CO2 emission and maintain the performance comparable to those of ordinary Portland cement if FA is replaced by the clinker as the substitution.
According to the cost analysis of low-clinker cement according to the type and replacement rate of SCMs in this study, the use of low clinker cement can reduce the materials cost. In particular, it was confirmed that the material cost can be reduced most when replacing FA, and the cost was saved to 70% compared to OPC.
In this study, in order to reduce carbon emission in cement manufacturing, low clinker cement is proposed under various types and replacement rate of SCMs. If fly ash (FA) and blast furnace slag fine powder (BS) are replaced by 5%, the performance of mortar and carbon emission effect can be improved compared to conventional Portland cement. Limestone fine powder (LP) and cement kiln dust (CKD), on the other hand, are expected to improve flowability and to reduce carbon emission as the replacement rate increases, but when they are replaced, they do not meet the quality standards of ordinary Portland cement stipulated by the current Korean industrial strandards. Therefore, if LP or CKD, which is effective in reducing carbon generation, is used as a substitute for mixed cement standards with low strength in the future, it is highly effective and will contribute to carbon neutral policy in the cement industry.

국문 초록 (Abstract)

본 연구에서는 시멘트 제조과정에서 탄소 저감을 위한 방안을 제안하고자 클링커 대체재로 다양한 혼화재료를 치환한 저클링커 시멘트를 제조하고 이를 활용한 모르타르의 제반 성능 및 탄소 저감 효과를 분석하기 위한 일련의 실험 및 분석을 진행하였다.
먼저, 물시멘트비(W/C) 45~55%, 클링커 대체 클링커 대체재 종류로 석회석 미분말(LP), 시멘트 킬른 더스트(CKD), 플라이애시(FA), 고로슬래그 미분말(BS)의 4수준에 대하여 클링커 대체재 치환률 0~15% 수준에서 시멘트의 물성, 모르타르의 특성을 통해 저클링커 시멘트 모르타르의 성능을 분석하였다.
연구결과, 클링커 대체재를 치환한 저클링커 시멘트의 특성으로 밀도는 클링커 대체재의 종류와 상관없이 치환률 증가에 따라 감소, 분말도는 증가하였다. 이는 클링커 대체재인 LP, CKD, FA 및 BS 모두 일반 포틀랜드 시멘트 대비 낮은 밀도와 높은 분말도의 특징에 기인한 것으로 분석된다.
저클링커 시멘트의 화학성분 분석 결과는 MgO 및 SO3 함유량의 경우 클링커 대체재 치환에 상관없이 KS 규격에 만족하였다. 강열감량의 경우에는 LP 및 CKD 치환시 크게 증가하여 품질 규정 범위를 벗어나는 것으로 나타났다. 이는 LP 및 CKD의 CaCO3가 높은 온도에 노출되어 탈탄산 반응에 의해 질량이 감소한 것으로 판단된다.
저클링커 시멘트를 사용한 굳지않은 모르타르의 특성으로 플로의 경우 클링커 대체재의 치환률이 증가할수록 유동성이 증가하는 것으로 나타났으며, FA를 5% 치환시 최대 120% 증가하였다. 공기량의 경우 LP 및 CKD를 치환시 증가, FA 및 BS 치환시 감소하였다. 응결시간의 경우에는 클링커 대체재 치환시 전반적으로 지연되었는데, 이는 초기 수화에 관여하는 클링커의 비율이 대체재 치환에 따라 감소하여 나타난 결과로 판단된다.
경화 모르타르의 특성으로 압축강도의 경우 클링커 대체재를 치환할 경우 전반적으로 압축강도가 저하하는 것으로 나타났는데, 특히 LP 및 CKD 치환의 경우 압축강도가 최대 57% 감소하는 것으로 나타난 반면, 광물질 혼화재인 FA 및 BS를 클링커 대체재로 5% 치환시 압축강도가 최대 122% 증가하는 것으로 나타났다. 휨강도의 경우에는 전반적으로 압축강도와 유사한 경향을 나타냈다.
모르타르 길이변화의 경우에는 클링커 대체재 종류와 상관없이 클링커 대체재 치환시 길이변화가 감소하는 것으로 나타났는데, 특히 클링커 대체재로 FA를 치환한 경우 최대 43%로 감소하였다. 중성화 깊이의 경우에는 클링커 대체재 치환시 중성화가 촉진되는 것으로 나타났다. 클링커 대체재로 CKD를 치환한 경우 중성화가 최대 211% 깊게 나타났고, FA를 치환한 경우 113%로 클링커 대체재를 치환한 경우 중 가장 얇은 중성화 깊이를 나타냈다.
저클링커 시멘트 사용 모르타르의 CO2 배출량 평가로, OPC 기준 LP 및 CKD를 치환할 경우 약 28.4%, FA를 치환할 경우에는 약 28.6%, BS를 치환할 경우에는 약 27.4%의 CO2 발생량 절감을 보였다. 또한, 모르타르의 CO2 발생비율을 분석한 결과, 클링커에서 발생하는 CO2량이 지배적인 것으로 분석되었다. 이를 통해 FA를 클링커 대체재로 치환할 경우 CO2 발생량 절감이 효과적일 것으로 판단된다.
대체재 종류 및 치환률에 따른 저클링커 시멘트의 비용분석으로 클링커 대체재 치환시 모르타르 제조 비용이 감소하였다. 특히 FA 치환시 가장 많은 재료비가 감소하였으며, OPC 대비 70%로 비용이 절약되는 것을 확인하였다.
이상을 종합하면, 본 연구 범위에서 시멘트 제조시 탄소발생량 저감을 위하여 클링커의 대체재 종류 및 치환률 변화에 따라 제반 성능을 고찰하였는데, 클링커 대체재로서 플라이애시(FA) 및 고로슬래그 미분말(BS)을 5% 치환한 경우 유동성 및 압축강도 증가, 건조수축 감소, 탄소발생량 및 비용 감축 등 기존의 보통 포틀랜드 시멘트 대비 모르타르의 성능향상 및 탄소발생량 저감 효과가 있어 클링커 대체재로 활용이 가능한 것으로 판단된다. 반면에, 클링커 대체재로서 석회석 미분말(LP) 및 시멘트 킬른 더스트(CKD)는 치환률 증가에 따라 유동성의 개선효과 및 탄소발생량 저감효과는 기대할 수 있을 것으로 판단되나, 이들을 치환할 경우 현행 KS에서 규정하고 있는 보통 포틀랜드 시멘트의 품질규격에 미달되고 있어 현단계에서 활용에 어려움이 예상된다. 따라서 탄소 발생량 저감 측면에서 효과가 큰 LP나 CKD를 향후 강도등급이 낮은 혼합시멘트 규격 제정시 대체재로 활용할 경우 효용성이 커 시멘트 산업에 있어 탄소 중립정책에 기여할 것으로 판단되어, 클링커 대체재로서 LP 및 CKD를 저강도 혼합 시멘트 영역에 국한하여 활용할 것을 제안한다.

목차 (Table of Contents)

• 1. 서 론 1
• 1.1 연구배경 및 목적 1
• 1.2 연구범위 및 방법 3
• 1.3 연구동향 5
• 2. 이론적 고찰 9
• 2.1 산업부산물의 개요 9
• 2.1.1 석회석 미분말 9
• 2.1.2 시멘트 킬른 더스트 13
• 2.1.3 플라이애시 15
• 2.1.4 고로슬래그 미분말 22
• 2.2 시멘트 제조 및 폐자원 활용 27
• 2.2.1 시멘트의 제조공정 27
• 2.2.2 시멘트 원료로서의 폐자원 활용 31
• 2.3 시멘트 제조시 CO2 발생량 절감 35
• 2.3.1 시멘트산업의 탄소배출량 감축 35
• 2.3.2 탄소중립형 시멘트의 제조 39
• 2.3.3 LCCO2 평가 방법 43
• 3. 저클링커 시멘트의 성능분석 50
• 3.1 서언 50
• 3.2 실험계획 및 방법 51
• 3.2.1 실험계획 51
• 3.2.2 사용재료 51
• 3.2.3 실험방법 54
• 3.3 실험결과 및 분석 56
• 3.3.1 실험결과 56
• 3.4 소결 66
• 4. 저클링커 시멘트를 사용한 모르타르의 특성분석 68
• 4.1 서언 68
• 4.2 실험계획 및 방법 68
• 4.2.1 실험계획 68
• 4.2.2 배합표 69
• 4.2.3 실험방법 70
• 4.3 실험결과 및 분석 75
• 4.3.1 실험결과 75
• 4.4 소결 149
• 5. CO2 발생량 분석 및 조합별 재료단가 비교분석 151
• 5.1 서언 151
• 5.2 CO2 배출량 및 조합별 재료단가 비교분석 151
• 5.2.1 CO2 배출량 151
• 5.2.2 조합별 재료단가 비교분석 161
• 5.3 종합분석 163
• 6. 결 론 167
• 참 고 문 헌 171
• ABSTRACT 177