KR20130047314A - 표준가스 및 밀폐식 챔버를 활용한 시멘트 및 콘크리트 제품의 탄산화에 의한 이산화탄소 흡착량 분석 장치 - Google Patents

표준가스 및 밀폐식 챔버를 활용한 시멘트 및 콘크리트 제품의 탄산화에 의한 이산화탄소 흡착량 분석 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 시멘트를 바인더로 사용하는 콘크리트 및 2차제품의 탄산화에 의해 화학적으로 흡착하는 CO2의 정량분석이 가능한 시험 장치로 시멘트계 재료의 경년변화에 의한 콘크리트 구조물의 내구성 예측과 탄산화도를 정량적으로 분석할 수 있으며 내구연한의 판단과 콘크리트 구조물의 보수깊이를 산정할 수 있고 CO2 흡착량의 예측 및 수지를 분석할 수 있다.

Description

표준가스 및 밀폐식 챔버를 활용한 시멘트 및 콘크리트 제품의 탄산화에 의한 이산화탄소 흡착량 분석 장치{CO2 uptake quantitative analysis device for cement and concrete carbonation ratio using standard gas and hermetic chamber}
본 발명은 시멘트 및 콘크리트계 재료의 탄산화에 의해 화학적으로 흡착하는 CO2의 정량분석이 가능한 시험 장치로 시멘트계 재료의 경년변화에 의한 시멘트계 재료 및 콘크리트 구조물의 내구성 예측과 탄산화도를 정량적으로 분석할 수 있으며, 또한 탄산화깊이와 연관된 콘크리트 구조물의 보수깊이를 산정할 수 있고 탄산화에 의한 CO2 흡착량의 예측 및 수지를 분석할 수 있는 표준가스 및 밀폐식 챔버를 활용한 시멘트 및 콘크리트 제품의 탄산화 CO2 흡착량 분석 장치에 관한 것이다.
시멘트 산업에서 CO2 수지 계산의 문제점은 시멘트 제조과정에서 발생하는 CO2에만 국한되어 있다는 점이다. 시멘트는 레미콘으로 제조되어 콘크리트 구조물을 형성하는데 콘크리트 구조물은 콘크리트를 구성하는 C-S-H와 Ca(OH)2 등의 수화생성물이 CO2를 흡착하여 탄산화 한다. 또한 구조물의 사용년한이 길어질수록 탄산화깊이도 증가하여 흡착하는 양도 많아진다. 하지만 시멘트 산업에서의 CO2 수지계산은 생산된 시멘트가 구조물을 생성하여 다시 대기 중의 CO2를 화학적으로 흡착하는 탄산화에 대해서는 전혀 고려하지 않고 있다. 일반적으로 산업부산물이나 폐연료의 재활용에 따라 CO2 감소분(0.036kg-CO2/kg)이나 고로슬래그(0.460kg-CO2/kg) 및 플라이애쉬 (0.617kg-CO2/kg) 등의 혼합시멘트의 사용에 따른 수지율과, 시멘트가 구조물을 형성하고 수화생성물이 다시 대기 중의 CO2를 화학적으로 흡착하여 탄산화하는 비율 및 콘크리트 구조물의 탄산화깊이에 따른 총 CO2의 수지율을 고려한 새로운 산정방법에 연구도 최근에 진행되고 있다.
하지만 시멘트 및 콘크리트의 CO2 흡수는 Papadakis 등의 탄산화이론(
Figure pat00001
)을 바탕으로 구성된 예측식에 의해 흡수량이 계산되고 있으며 정량적인 시험분석 방법에 대한 연구는 전혀 이루어지지 않고 있기 때문에 CO2 인벤토리 계산시 전혀 반영되지 못하고 있다. 최근 LCCO2(라이프사이클 CO2) 분석 등을 통해 건축물의 전반에 걸친 CO2의 수지의 예측에 관한 연구들이 진행되고 있지만 이는 건설재료 전반에 걸쳐 발생되는 기초 데이터나 국가 LCA 데이터베이스를 대상으로 자료를 인용하므로 개별 재료에 대한 명확한 값을 제시하지 못하고 있으며 또한 CO2 수지 중 시멘트 콘크리트 구조물의 탄산화에 의한 흡수는 거의 다루어지지 않고 있다.
또한, 시멘트 및 콘크리트의 CO2 흡수는 기존의 탄산화 이론식을 바탕으로 탄산화깊이를 예측할 수 있는 탄산화 시험 장치는 기 개발되어 있으며 콘크리트 구조물의 내구성을 판단하기 위한 시험 장치로 주로 이용된다. 약 5~10%의 CO2 가스를 대상으로 하여 약 2~8주간 챔버 내에 시험체를 방치하여 탄산화된 깊이로서 단순하게 구조물의 내구성을 판단한다.
하지만 이러한 장치는 CO2의 소모량과 흡착량에 대한 정량적인 분석이 불가능하므로 CO2의 흡착량을 계산하기 위해서는 본 발명의 CO2 흡착량을 정량적으로 분석할 수 있는 장치가 필요하다.
따라서 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로서, 시멘트를 바인더로 하는 건축 및 토목용 콘크리트 구조물과 시멘트 2차 제품을 대상으로 하는 탄산화에 의해 흡착되는 CO2의 흡착량을 정량적으로 분석할 수 있는 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 다른 목적은 시멘트 및 콘크리트의 CO2 흡수가 기존의 탄산화 이론식을 바탕으로 탄산화깊이를 예측할 수 있는 기 개발되어 있는 탄산화 시험 장치 및 콘크리트 구조물의 내구성을 판단하기 위한 시험 장치로 주로 이용됨에 따라 CO2의 흡착량을 정량적으로 계산하기 위한 표준가스 및 밀폐식 챔버를 활용한 시멘트 및 콘크리트 제품의 탄산화 CO2 흡착량 분석 장치를 제공하는데 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 표준가스 및 밀폐식 챔버를 활용한 시멘트 및 콘크리트 제품의 탄산화 CO2 흡착량 분석 장치의 특징은 완전하게 밀봉이 가능한 동일 부피의 제 1, 2 챔버와, 상기 제 1, 2 챔버 내에 시멘트계 시료를 적치할 수 있는 선반과, 상기 제 1, 2 챔버 내의 온도를 분석할 수 있는 온도계와, 상기 제 1, 2 챔버 내의 CO2 농도를 분석할 수 있는 CO2 센서와, 상기 제 1, 2 챔버 내의 환경상태 변화를 갖는 입력정보를 분석할 수 있는 전기신호 분석 장치인 데이터로그와, 상기 제 1, 2 챔버 내로 동일한 농도의 CO2 가스를 제공하는 가스 제공부를 포함하여 구성되는데 있다.
바람직하게 상기 제 1, 2 챔버는 동일한 부피를 가지는 유리 또는 고분자 제품으로 구성되는 것을 특징으로 한다.
바람직하게 상기 제 1, 2 챔버 중 하나의 챔버는 측정하고자 하는 측정 챔버로 이용되고, 나머지 하나의 챔버는 더미 챔버로 이용되는 것을 특징으로 한다.
바람직하게 상기 측정 챔버의 측정치로부터 더비 챔버의 측정치를 뺀 후 CO2 흡착량 분석하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게 상기 제 1, 2 챔버의 내부용적으로부터 CO2 양을 계산하여 흡수로 인해 감소된 CO2의 중량을 시험편의 중량으로 나누어 시멘트를 바인더로 하는 제품의 CO2의 수지를 계산하는 것을 특징으로 한다.
이상에서 설명한 바와 같은 본 발명에 따른 표준가스 및 밀폐식 챔버를 활용한 시멘트 및 콘크리트 제품의 탄산화 CO2 흡착량 분석 장치는 다음과 같은 효과가 있다.
첫째, 본 발명의 표준가스 및 밀폐식 챔버를 활용한 시멘트 및 콘크리트계 제품의 CO2 흡착량 분석은 시멘트 콘크리트의 CO2 흡착에 따라 자연적으로 발생하는 탄산화 현상을 정량적으로 분석할 수 있다. 실제 탄산화된 부위의 TG-DSC 결과는 C-S-H와 Ca(OH)2로서 분석이 가능하고 특히 Ca(OH)2는 CO2와 반응하여 CaCO3를 형성하므로 손실량과 생성량을 파악하여 탄산화도를 파악할 수 있다.
둘째, 시멘트 및 콘크리트계 재료의 탄산화에 의해 화학적으로 흡착하는 CO2의 정량분석이 가능하기 때문에 시멘트를 바인더로 사용하는 콘크리트 제품 및 구조물의 경년변화에 의한 내구성 저하 정도의 예측과 탄산화도를 정량적으로 분석할 수 있다. 이러한 내구성 저하 정도로부터 구조물 내구연한의 판단과 콘크리트 구조물의 보수깊이를 산정할 수 있다.
셋째, 콘크리트 구조물과 관련하여 활용범위가 넓기 때문에 관련 신기술 확보가 가능하고 관련 제품 개발 및 상업화에 따른 국내 제반 기술력을 증대할 수 있으며 국내 고유 기술 개발에 의한 세계적 수준의 선도 기술을 확보할 수 있다.
도 1 은 본 발명의 시멘트 콘크리트 제품의 탄산화에 의한 CO2 흡착량 분석장치를 보여주는 모식도
도 2 는 본 발명의 CO2 흡착량 분석장치를 이용하여 시멘트계 재료의 CO2 흡착량 계산에 이용할 수 있는 할 수 있는 분석 전후의 TG-DSC 그래프
도 3 은 본 발명의 분석장치를 이용하여 나타낸 시멘트계 재료의 챔버 및 더미챔버의 CO2 흡수율을 나타낸 그래프
도 4 는 챔버 내부의 온도변화를 나타낸 그래프
도 5 는 더미챔버의 손실분을 반영하여 최종 산정된 시멘트계 재료의 CO2 흡수율을 나타낸 그래프
본 발명의 다른 목적, 특성 및 이점들은 첨부한 도면을 참조한 실시예들의 상세한 설명을 통해 명백해질 것이다.
본 발명에 따른 표준가스 및 밀폐식 챔버를 활용한 시멘트 및 콘크리트 제품의 탄산화 CO2 흡착량 분석 장치의 바람직한 실시예에 대하여 첨부한 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록하며 통상의 지식을 가진자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 따라서 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
도 1 은 본 발명의 실시예에 따른 시멘트 콘크리트 제품의 탄산화에 의한 CO2 흡착량 분석 장치를 보여주는 모식도이다.
도 1과 같이, CO2 흡착량 분석 장치는 완전하게 밀봉이 가능한 동일 부피의 챔버(1)(2)와, 상기 챔버(1)(2)내에 시멘트계 시료를 적치할 수 있는 선반(3)과, 상기 챔버(1)(2)내의 온도를 분석할 수 있는 온도계(4)와, 상기 챔버(1)(2)내의 CO2 농도를 분석할 수 있는 CO2 센서(5)와, 상기 챔버(1)(2)내의 환경상태 변화를 갖는 입력정보를 분석할 수 있는 전기신호 분석 장치인 데이터로그(12)와, 상기 챔버(1)(2)내로 동일한 농도의 CO2 가스를 제공하는 가스 제공부(21)를 포함하여 구성된다.
이하, 본 발명을 보다 상세하게 설명하기로 한다.
본 발명의 챔버(1)(2)는 CO2를 완전하게 밀봉이 가능한 챔버로서, 온도나 습도의 영향을 최소화 하고 동일한 부피를 가진다. 그리고 챔버(1)(2)는 유리 및 고분자 제품 등으로 구성이 가능하다. 이때, 챔버(1)(2)를 유리나 플라스틱 제품으로 구성하는 경우 CO2 가스를 흡착하지 않는 평탄한 제품이 좋다.
또한 상기 챔버(1)(2)는 스토퍼 장치 등을 이용하여 완전하게 밀봉을 유지해야 하지만, 완전한 밀봉이 어렵고 특히 고분자 제품으로 구성하는 경우 챔버 자체가 CO2 가스를 흡착할 수 있으므로 가능한 유리제품으로 구성한다. 그러나 유리제품의 경우도 자체 흡착에 의한 손실양이 발생할 수 있으므로 이를 보정하기 위해 동일한 부피의 밀봉 챔버를 2개 사용하여 하나의 챔버(1)는 측정하고자 하는 시험체를 설치하며, 다른 하나의 챔버(2)는 비워둔다.
그리고 상기 CO2 표준가스는 일반적으로 대기의 CO2 농도인 380ppm 정도의 배수로서 선정하는 것이 좋으며 500 배인 19.0% CO2 가스를 이용할 수 있다. 또한 최대 흡수량 산정 및 CO2 흡착을 촉진하기 위해 고농도인 99.9%의 CO2 가스를 이용할 수도 있다. 이때, 밀봉된 챔버를 이용하는 경우 챔버의 용적을 알 수 있으므로, CO2 가스의 양을 확인할 수 있다.
또한 시멘트 및 콘크리트 시험편은 챔버(1)(2) 내부에 설치된 선반(3)에 중량을 잰 후 투입한다. 이때 상기 시험편은 미분쇄된 분말의 형태나 미립의 각형이나 콘크리트의 절취한 시험편을 이용할 수 있다.
그리고 챔버(1)(2)에 CO2 가스를 주입하여 원하는 CO2 농도에 도달하는지 센서의 데이터 값을 확인하며, 이렇게 CO2 센서(5)를 통해 확인이 이루어지 후에 챔버(1)(2)를 완전히 밀봉한다.
또한 챔버(1)(2) 내부에는 시험편을 투입하기 전에 CO2센서(5)와 온도계(6)를 미리 설치해 놓는다. 그리고 상기 CO2 센서는 측정하고자 하는 조건에 맞추어 사용할 수 있으며, 일반적으로 10%, 20% 100% 범위의 CO2가스를 측정할 수 있는 것으로 한다.
그리고 상기 CO2 센서(5)와 온도계(6)를 이용하여 시험전 챔버 내부의 온도 변화 및 CO2 농도의 변화를 확인한 후 시멘트 및 콘크리트 시험편의 흡수량을 계산한다.
이와 같이 구성된 본 발명에 따른 표준가스 및 밀폐식 챔버를 활용한 시멘트 및 콘크리트 제품의 탄산화 CO2 흡착량 분석 장치를 통해 시멘트 및 콘크리트 시험편의 흡수량을 계산하는 과정을 바람직한 실시예로 설명하면 다음과 같다.
먼저 시멘트의 최대 CO2 흡착량을 계산하기 위해 시멘트 모르타르 시편을 미분쇄한다. 이때 시멘트 모르타르 시편의 평균입경은 약 10㎛를 나타냈다.
그리고 상기 분쇄된 시멘트 모르타르 시편은 40g 및 60g을 정밀하게 잰 후 유리로 된 샤아레 위에 넣어 둔다. 이때, 유리로 된 밀봉 챔버의 부피는 약 22.4리터이었다.
그리고 챔버 내에 소형 온도계 및 CO2 센서를 설치하고 시험편 설치대 위에 시험편이 설치된 샤아레를 놓아둔다.
이후, CO2 99.9%의 표준가스를 조금씩 정압으로 밀봉 챔버에 넣는다. 이때 스토퍼는 완전히 개방하고 내부의 공기가 완전히 빠져나가도록 CO2 센서를 확인한 내부가 99.9%가 되도록 한 후 스토퍼를 잠근다.
그리고 챔버가 완전히 밀봉이 됐는지를 확인한 후 더미 챔버에도 동일한 방식으로 CO2 가스를 주입한다. 이때, 완전하게 표준가스가 주입되는 경우 온도조건을 0℃로 가정하면 챔버 내부의 CO2 양은 44g이 된다.
그리고 더미 챔버는 시험편만 설치되어 있지 않고 동일한 조건이 되도록 유지한다. 이때, 측정실은 정온으로 유지할 수 있도록 한다.
시간의 경과에 따라 CO2 흡착량을 측정하는데, 이때 도 4에서 나타내고 있는 것과 같이 동일한 온도조건이 되는 점의 데이터를 확인하여 계산한다. 이때, CO2 가스를 완전하게 밀봉하더라도 유리 챔버 등에 흡착하는 등 자연적으로 소실되는 분을 감안하여 측정된 값에서 더미 챔버의 값을 빼서 계산한다.
실험 결과, 시멘트 모르타르 시편은 초기에 급격하게 CO2를 흡수하여 탄산화 하였으며, 30일이 경과한 후는 어느 정도 안정된 값을 나타냈다. 그리고 약 30일 경과 후 시험편의 중량에 따라 CO2 흡착량은 다르게 나타냈지만 중량으로 보정을 하는 경우 도 3 및 도 5와 같이 CO2의 흡수율은 약 20% 이었으며, CO2의 흡착량은 8.8g 이었다. 이때, CO2의 흡착량은 도 2와 같이 CO2 흡착량 분석 장치를 이용하여 시멘트계 재료의 CO2 흡착량 계산에 이용할 수 있는 분석 전후의 TG-DSC 그래프를 통해 분석할 수 있다.
실험결과, 시멘트 40g이 30일 동안 8.8g의 CO2를 흡수하였다. 이를 단순하게 CO2의 수지로만 계산하는 경우 시멘트 1kg 생산 시 약 0.81kg-CO2/kg이 발생되므로 위의 예측식(
Figure pat00002
)을 대입하는 경우 약 220g-co2를 흡수할 있으므로 발생량의 약 27%의 CO2를 흡수할 수 있는 것으로 계산할 수 있다.
이와 같은 수치는 단순히 최고로 흡수할 수 있는 수치에 근접하며 실제로는 CO2의 농도 등이 낮기 때문에 시간의 경과와 더불어 아주 서서히 진행하게 된다.
상기에서 설명한 본 발명의 기술적 사상은 바람직한 실시예에서 구체적으로 기술되었으나, 상기한 실시예는 그 설명을 위한 것이며 그 제한을 위한 것이 아님을 주의하여야 한다. 또한, 본 발명의 기술적 분야의 통상의 지식을 가진자라면 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 다양한 실시예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.

Claims (5)

  1. 완전하게 밀봉이 가능한 동일 부피의 제 1, 2 챔버와,
    상기 제 1, 2 챔버 내에 시멘트계 시료를 적치할 수 있는 선반과,
    상기 제 1, 2 챔버 내의 온도를 분석할 수 있는 온도계와,
    상기 제 1, 2 챔버 내의 CO2 농도를 분석할 수 있는 CO2 센서와,
    상기 제 1, 2 챔버 내의 환경상태 변화를 갖는 입력정보를 분석할 수 있는 전기신호 분석 장치인 데이터로그와,
    상기 제 1, 2 챔버 내로 동일한 농도의 CO2 가스를 제공하는 가스 제공부를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 표준가스 및 밀폐식 챔버를 활용한 시멘트 및 콘크리트 제품의 탄산화 CO2 흡착량 분석 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1, 2 챔버는 동일한 부피를 가지는 유리 또는 고분자 제품으로 구성되는 것을 특징으로 하는 표준가스 및 밀폐식 챔버를 활용한 시멘트 및 콘크리트 제품의 탄산화 CO2 흡착량 분석 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1, 2 챔버 중 하나의 챔버는 측정하고자 하는 측정 챔버로 이용되고, 나머지 하나의 챔버는 더미 챔버로 이용되는 것을 특징으로 하는 표준가스 및 밀폐식 챔버를 활용한 시멘트 및 콘크리트 제품의 탄산화 CO2 흡착량 분석 장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 측정 챔버의 측정치로부터 더비 챔버의 측정치를 뺀 후 CO2 흡착량 분석하는 것을 특징으로 하는 표준가스 및 밀폐식 챔버를 활용한 시멘트 및 콘크리트 제품의 탄산화 CO2 흡착량 분석 장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1, 2 챔버의 내부용적으로부터 CO2 양을 계산하여 흡수로 인해 감소된 CO2의 중량을 시험편의 중량으로 나누어 시멘트를 바인더로 하는 제품의 CO2의 수지를 계산하는 것을 특징으로 하는 표준가스 및 밀폐식 챔버를 활용한 시멘트 및 콘크리트 제품의 탄산화 CO2 흡착량 분석 장치.
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