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과제기본정보

반응성 커피찌꺼기 애쉬를 재활용한 그린자원 콘크리트 개발2년차

사업개요
사업개요에 대한 사업명, 분류코드(기술분류), 과제명, 주관연구기관, 총괄연구 책임자(성명, 소속, 전화번호), 총 연구기간, 당해연도 연구기간 정보제공
사업명 국토교통기술촉진연구사업 과제번호 22CTAP-C163675-02
국가과학표준분류 1순위 원자력 | None | None 적용분야 건설업
2순위 원자력 | None | None 실용화대상여부 비실용화
3순위 원자력 | None | None 과제유형 응용
과제명 반응성 커피찌꺼기 애쉬를 재활용한 그린자원 콘크리트 개발
주관연구기관 (재)한국건설생활환경시험연구원오창
총괄연구 책임자 성명 최윤석
소속 (재)한국건설생활환경시험연구원오창 직위 책임연구원
전화번호 010-9267-6954 FAX 043-753-3129
총 연구기간 2021-04-01 ~ 2022-12-31
당해연도 연구기간 2022-01-01 ~ 2022-12-31

(단위:원)

년도별 정부출연금, 기업부담금, 계 정보제공
년도 정부출연금 기업부담금 계
현금 현물 소계
2차년도 210,000,000 3,500,000 31,500,000 35,000,000 245,000,000
과제기본정보의 연구개발개요, 최종목표, 연구내용 및 범위 정보제공
연구개발개요 ○ [정의] 커피찌꺼기 애쉬 혼화재를 개발하고 이를 적용한 콘크리트 제품화 기술임(기존의 커피찌꺼기 기능성 제품과 달리 커피 찌꺼기를 탄화시킨 애쉬 혼화재를 적용한 프리캐스트 콘크리트 개발 기술).
○ [핵심기술] 반탄화방식이 아닌 약 800~850℃에서 완전 탄화시켜 애쉬화하는 방식으로 유기물인 커피찌꺼기를 무기물로 안정화시키고, pH 3.5~5인 약산성의 커피찌꺼기를 pH 12 수준의 강알칼리로 특성화한 혼화재 개발 기술과 이를 적용한 PC 제품 제조 기술임.
○ [활용방안] 연구결과인 커피찌꺼기 애쉬 및 커피찌꺼기 애쉬 혼합 콘크리트에 대한 성능 결과를 바탕으로 다양한 프리캐스트 콘크리트 제품을 개발하고 사업화가 즉각적으로 가능한 수준의 시제품을 제작하여 현장적용을 추진하고자 함.
○ [기대효과] 매년 대량으로 발생하는 생활폐기물인 커피찌꺼기의 바이오에너지(연료자원화)에 따라 2차적으로 발생하는 유기성 커피찌꺼기 애쉬의 콘크리트 재상산 기술을 정립하고 실용화함으로써 ‘그린 뉴딜 정책’에 부합할 수 있음.
최종목표 ○ 최종 목표
- 대량으로 발생하는 생활폐기물인 커피찌꺼기를 대상으로 고온탄화공정(바이오재생에너지화)을 통해 커피애쉬 혼화재로써의 적용성을 검증하고 콘크리트와의 혼합 비율을 최적화하여 다양한 커피찌꺼기 애쉬 콘크리트 제품을 개발하는 것을 최종목표로 함.

○ 목표치
- 분말도 2600cm2/g 이상, pH 10 확보, 치환율 10% 이상
- 압축강도 24MPa 이상, 인장강도 3MPa 이상, 휨강도 2MPa 이상
- 탄산화 20mm 이하, 염해내구성 3000C 이하, 건조수축 800 με이하
- 시작품 개발 3종 이상, 제품 제작 오차 ±5 이내

○ 양적목표
- 반응성 커피 애쉬 혼화재(제조공정법, 시작품 포함)
- 커피애쉬 혼화재 프리캐스트 콘크리트 시작품(3종 이상)
- 특허 출원 2건, 등록 1건
- SCI 논문 1건, 비SCI 논문 2건, 학술발표 4건
- 시작품 3종, 현장적용 2건, MOU 2건
- 일자리 창출 1명
연구내용 및 범위 ○ 매년 대량 발생하는 커피찌꺼기를 폐기물을 대상으로 고온탄화공정(바이오재생에너지화)을 통해 커피애쉬 혼화재로써의 적용성을 검증하고 콘크리트와의 혼합 비율을 최적화하여 다양한 커피찌꺼기 애쉬 콘크리트 제품을 개발하고자 함. 최종적으로 개발하는 다양한 콘크리트 제품은 일반 콘크리트 수준 이상의 역학성능과 내구성능을 확보하고, 제품화를 위한 특허, 성적서, 인증 등을 확보하여 사업화를 추진함.

○ 본 연구개발의 목표 수치는 다음과 같음.
- 치환율 10% 이상 : 커피찌꺼기 애쉬 혼화재의 시멘트 치환율 10% 이상으로 재활용율 향상
- 분말도 2600cm2/g 이상, pH 10 확보 : 커피찌꺼기의 고온탄화 공정을 통한 분말도 2600cm2/g 이상의 애쉬 혼화재 개발
- 압축강도 24MPa/인장강도 3MPa/휨강도 2MPa 이상 : 커피애쉬 혼화재를 혼합한 프리캐스트 PC 제품의 성능 강화
- 탄산화 20mm 이하, 염해내구성 3000C 이하, 건조수축 800 με이하 : 커피애쉬 혼화재를 적용한 콘크리트제품의 내구성 검증
- 시작품 개발 3종 이상(제작오차: ±5 이내) : 개발 혼화재를 적용한 PC 제품 개발 (카스토퍼, PC 패널, 흡음판, 경계석 등)

○ 커피 애쉬 혼화재의 반응 메카니즘 규명 및 기본 배합설계
- 커피애쉬의 성분분석 및 메커니즘 규명
- 커피애쉬 모르타르의 수화 반응성 및 미세구조 분석(SEM, XRD, TG 등)
- 커피애쉬 모르타르의 기본 배합설계
- 초기반응성 및 경화특성 분석(응결 및 경화속도 검토)
- 커피애쉬 대체에 따른 기초물성 평가(압축강도, 인장강도 등)

○ 커피 애쉬 제조방법 및 혼화재 개발
- 커피찌꺼기 확보 및 회수 방안 수립(MOU협약 등)
- 커피찌꺼기 애쉬화 전처리방법 정립(건조방식 등 정립)
- 고온 탄화 공정에 의한 커피애쉬 제조방법 개발
- 커피찌꺼기 분말도를 고려한 최적 혼화재 제조
- 고온 탄화 온도에 따른 애쉬의 물질안정화 (pH변화,식생영향성)

○ 커피애쉬 콘크리트의 최적설계 및 성능 검증
- 커피애쉬가 혼합된 3성분계 콘크리트 최적배합 도출
- 커피애쉬 콘크리트의 물리적 성능 검증 및 평가
- 커피애쉬 콘크리트의 장기내구성 평가(염해, 탄산화 등)
- 커피애쉬 콘크리트의 건조수축 특성 평가
- 커피애쉬 콘크리트의 환경영향성 평가(중금속 용출 등)

○ 커피애쉬 혼화재를 적용한 PC 제품화 및 현장 적용성 검증
- 커피찌꺼기 애쉬 혼입 콘크리트의 성능 개선을 위한 혼화제 최적화
- 최적배합에 대한 작업성 및 품질 변동성 검토
- 커피애쉬 PC 제품 다양화 및 시작품 제작
- 현장 적용(Test-bed)을 통한 사용성 검증
건설기술연구개발사업 주요내용
건설기술연구개발사업 주요내용의 구분, 연구개발목표, 연구개발 내용 및 방법 정보제공
구분 연구개발목표 연구개발 내용 및 방법
2차년도 ○ [주관] 커피 애쉬 혼화재의 반응 메커니즘 규명 및 기본 배합 설계
○ [공동] 커피 애쉬 제조방법 및 커피애쉬 혼화재 개발 		○ 주관
- 커피애쉬의 성분분석 및 메커니즘 규명
- 커피애쉬 모르타르의 수화 반응성 및 미세구조 분석(SEM, XRD, TG 등)
- 커피애쉬 모르타르의 기본 배합설계
- 초기반응성 및 경화특성 분석(응결 및 경화속도 검토)
- 커피애쉬 대체에 따른 기초물성 평가(압축강도, 인장강도 등)

○ 공동
- 커피찌꺼기 확보 및 회수 방안 수립(MOU협약 등)
- 커피찌꺼기 애쉬화 전처리방법 정립(건조방식 등 정립)
- 고온 탄화 공정에 의한 커피찌꺼기 애쉬 제조방법 개발
- 커피찌꺼기 분말도를 고려한 최적 혼화재 제조
- 고온 탄화 온도에 따른 애쉬의 물질안정화 (pH변화,식생영향성)
연구성과 기술적 기대성과 ○ 기존 연구에서 시도되지 않은 유기성의 바이오펠렛 폐기물를 시멘트 대체용 혼화재, 알칼리자극제로 개발함으로써 국외적으로 건설 공학 분야 중 신규 연구개발 선점
○ 새로운 유기성 폐기물 소각재의 적용기술 정립 및 활용방안 수립이 가능하며, 저시멘트 콘크리트의 생산기술과 바이오에너지 재생 기술과의 융합연구가 가능
○ 바이오캐미컬 합성방식 및 2차 산업부산물 응용기술에 기반한 혼화재의 개발을 통해 카스토퍼, 흡음판 등 다양한 콘크리트 2차 제품 생산에 확대 적용이 가능
○ 기술개발과 제품적용을 통해 연구기술정립과 상용화의 동시유도가 가능하며, 시멘트 기반의 건설재료에 취약한 유기성 폐기물 적용과 관련한 연구의 진보적인 기초데이터 제공 가능
사회 경제적 파급효과 ○ 시멘트 사용량 저감(커피애쉬 혼화재 대체)을 통한 CO2 저감으로 정부 ‘그린뉴딜(탄소중립)’ 정책에 부합할 수 있음.
○ 현재의 커피찌꺼기 매립 또는 소각에 따른 처리비용 절감 및 폐기물 발생 감소 효과와 더불어 산업폐기물의 재활용/재사용 양을 확대함으로써 환경부하를 저감하는 등 환경개선에 기여함.
○ 커피 애쉬 혼화재 PC 제품의 사용으로 산업폐기물에 대한 인식 개선 효과 및 국민들의 콘크리트에 대한 사회적 거부감을 감소시킬 수 있으며, 건설 관련 기업의 폐기물을 활용한 제품 사용으로 환경친화적 기업 이미지 상승 효과가 기대됨.
○ 커피찌꺼기 혼화재 생산 및 PC 제품 생산을 위한 인력 증원에 따른 고용창출 효과를 기대할 수 있음.
○ 우리나라의 대표적인 뿌리산업이며 3D 기피산업인 콘크리트 산업의 발전을 위한 과제로 동반성장의 좋은 사례가 될 수 있으며 본 연구개발을 통한 친환경성의 그린 콘크리트 제품은 제로 탄소, 자원순환성의 건설산업 발전에 기여할 수 있음.
활용방안 ○ 커피찌꺼기의 대량 재활용 및 반영구적인 사용 방안 확보(반응성 커피찌거기 애쉬 혼화재 개발)
- 커피찌꺼기 애쉬를 재활용한 건설자재 개발은 기존의 대표적인 건설재료인 시멘트와 보다 ‘Low-cost’, ‘Low-CO2’의 장점을 지니며, 커피찌꺼기의 바이오에너지화를 통한 신재생에너지 창출에도 활용할 수 있음.
- 시멘트 사용량 감소(10%)에 다른 제품의 제조원가 절감 효과를 가질 수 있어 콘크리트의 시멘트 대체재로 활용 가능
- 커피찌꺼기를 활용한 최신 기술인 ‘바이오에너지 분야’와 연계하여 커피찌거기의 재생연료 생산 후 2차 부산물 활용 연구에 응용할 수 있음.
- 자원 재생산 공정에 응용 가능하며, 자원순환형 제품의 품질관리 방안에 활용하여 품질 향상을 통한 콘크리트 등 고부가가치 창출 가능
- 자원순환 및 생산단가 절감을 위해 기타 산업부산물 및 재생골재와 조합하여 새로운 구성의 반영구적인 건설재료 개발에 활용 가능

○ 2차 폐기물인 커피찌꺼기 애쉬를 재활용하는 Re-recycling 방식의 건설재료(콘크리트) 확보
- 유기성폐기물 활용 콘크리트의 핵심원천기술을 선점하고 이를 통해 관련된 그린 자원을 활용한 창의적인 연구개발 분야에 적용 가능
- 비구조용 콘크리트 2차제품(주차스토퍼, 경계석, 흡음판, 콘크리트 블록 등) 뿐만 아니라 건축분야의 마감재, 타일, 벽돌 등 다양한 제품에 적용이 가능
- 기존 콘크리트 구성기술과 차별화된 획기적인 요소기술 개발을 통해 신개념의 구성배합기술을 도출하여 접목함으로써 재생자원을 활용한 콘크리트 기술력 향상의 전환점 마련
핵심어
핵심어의 구분, 핵심어, 핵심어1~핵심어5 정보제공
핵심어 핵심어1 핵심어2 핵심어3 핵심어4 핵심어5
국문 커피애쉬 부산물 혼화재 업사이클링 에코 콘크리트 프리캐스트 콘크리트
영문 Coffee Ash By-product Admixture Up-cycling Eco-concrete Precast Concrete
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