시멘트 대신 ‘재(Ash)’로 콘크리트를 만드는 건설재료 개발 연구가 학계의 주목 받았다.
UNIST 도시환경공학부 전동호 대학원생(지도교수 오재은)은 지난 5월 2일(수)부터 4일(금)까지 창원컨벤션센터에서 진행된 2018년 한국콘크리트학회 봄 학술대회에서 ‘우수논문 발표상’을 수상했다.
전동호 대학원생은 석탄 화력발전소에서 발생되는 가벼운 재, 플라이 애시(Fly Ash)를 이용해 고강도의 시멘트 대체재를 제조하는 방법을 다룬 논문을 발표했다. 논문에서 다룬 새로운 결합재는 플라이 애시를 주원료로 기타 화학적 활성화제를 첨가해 만들어졌으며, 기존 무시멘트(Cementless) 결합재보다 빠른 시간 안에 고강도 발현이 가능하다.
플라이 애시는 주로 석탄 화력발전으로 발생하는 산업부산물로, 전 세계적으로 연간 약 7.5억 톤이 발생되고 있으며 이를 재활용할 수 있는 기술에 대한 기대가 크다. 문제는 플라이 애시의 낮은 반응성이다. 플라이 애시와 수산화칼슘은 포졸란 반응(Pozzolanic reaction)을 통해 강도를 얻는데, 둘의 낮은 반응성으로 인해 강도 발현까지 오랜 시간이 걸린다.
전동호 대학원생(왼쪽 두번째)는 설탕을 이용한 새로운 무시멘트 결합재 관련 연구로 수상의 영광을 안았다. | 사진: 한국콘크리트학회 제공
새로운 결합재는 설탕을 이용해 이 반응성 문제를 개선했다. 연구진은 고온의 양생조건에서 설탕을 첨가하면 플라이 애시와 수산화칼슘이 활발하게 반응하여, 강도 발현 물질이 더 많이 생성되는 것을 발견했다. 설탕의 칼슘 복합체 형성(Calcium Complexation) 효과가 결합재 내에 수산화칼슘을 더 많이 녹였고, 이는 수소이온농도(pH) 증가로 이어져 플라이 애시의 활발한 반응을 불러왔다.
이번 결합재는 양생 하루만에 40~50MPa급 고강도 발현이 가능한 것으로 확인됐다. 일반적으로 건축물에 사용되는 콘크리트에 28일 양생 기준 20~30MPa의 압축강도가 요구되는 것을 고려하면, 그 강도 발현 속도와 강도 모두에서 획기적인 수준이다.
전동호 대학원생은 “전 세계적으로 가장 일반적으로 쓰이고 있는 건설재료인 포틀랜드 시멘트는 제조 과정 상 많은 양의 이산화탄소를 발생시킨다.”며 “산업부산물인 플라이 애시를 활용한 무시멘트 결합재의 개발은 이산화탄소 감축은 물론 기존 산업부산물 처리에 쓰였던 매립 공간과 비용도 절감할 수 있는 방법”이라고 말했다.
그는 이어 “새로운 결합재는 가격 또한 기존 포틀랜드 시멘트 가격 대비 80% 수준으로 저렴해 사업화도 기대해볼 수 있다”며 “기존 포틀랜드 시멘트를 사용하지 않고도 콘크리트를 제조할 수 있는 무시멘트 결합재 개발은 환경적 측면, 사회적 측면에서 매우 중요하다”고 강조했다.
전동호 대학원생은 개발된 결합재를 이용해 플라이 애시 기반 고강도 경량(Lightweight) 골재 개발 및 이를 이용한 경량 콘크리트 연구를 진행해나갈 계획이라고 밝혔다.
한편 오재은 도시환경공학부 교수의 ‘나노에임스 구조재료 연구실(Nano-based Advanced Infrastructural Materials Laboratory)’은 산업부산물인 플라이 애시, 고로슬래그 미분말 등을 이용한 무시멘트(Cementless) 콘크리트 개발뿐만 아니라 콘크리트 및 시멘트 등 건설 재료의 미세구조 분석 연구를 진행하고 있다.
논문명: 설탕 첨가에 따른 Ca(OH)2-활성화 플라이 애시 결합재의 온도 의존적 응결 지연 및 강도 증진효과 (The temperature-dependent action of sugar in the retardation and strength improvement of Ca(OH)2-Na2CO3-activated fly ash systems through calcium complexation)
