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UNIST(총장 조무제) 학부생이 ‘포틀랜드 시멘트’를 대체할 수 있는 새로운 ‘무시멘트 결합재’를 개발했다. 이 결합재는 산업 부산물을 원료로 사용해 환경오염을 줄일 수 있을 뿐만 아니라 경제성도 높다. ‘포틀랜드 시멘트’는 최초의 인공시멘트로 가장 보편적으로 사용된다. 하지만 시멘트 1톤 제조 시 대략 0.9톤의 이산화탄소가 발생해 매년 전 세계에서 배출되는 이산화탄소 발생량 중 약 7%가 시멘트 제조 과정에서 발생된다. 따라서 기존 시멘트를 대체하기 위한 ‘저탄소 무시멘트 결합재’ 개발 연구가 활발히 진행되어 왔지만 대부분의 기술들은 ‘포틀랜드 시멘트’보다 제품 단가가 비싸고, ‘수소이온농도(pH)’가 최고 수치인 14를 넘는 고부식성 용액을 사용해 위험하다. |
전동호 학부생(도시환경공학부 4, 제 1저자)과 오재은 지도교수(도시환경공학부)는 화력발전소에서 석탄을 태우고 남은 재인 ‘플라이 애시(Fly ash)’에 ‘화학적 활성화제(Chemical activator: Ca(OH)2, Na2CO3)’를 첨가시켜 높은 압축강도를 확보했다. 하지만 새로 개발된 ‘무시멘트 결합재’는 빠르게 응결되는 단점이 있어 이를 개선하고자 응결시간을 조절하는 기술을 따로 개발해 국내 특허까지 출원했다.
현재 몽골 울란바토르 시청과 몽골과기대가 ‘공동 벤처기업’ 설립을 제안해 협의 중이며, 방글라데시 다카 시의 현지 건설업체와는 ‘무시멘트 결합재’ 생산시설 설립도 추진 중이다. 오 교수는 “건설재료 연구 및 개발은 건설공학에 대한 이해뿐만 아니라 재료과학 및 화학적 지식도 함께 필요하다”며 “이번 기술 개발은 UNIST의 학문 경계를 허무는 융합연구의 대표성과”라고 말했다. 이번 연구결과는 건설 분야 SCI 상위 5% 학술지인 ‘Cement and Concrete Research’ 1월호에 발표됐고, 총 2건의 국내 특허도 출원됐다. (끝) |
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[붙임] 연구결과 개요 |
연구배경포틀랜드 시멘트는 제작과정에 많은 양의 이산화탄소(CO2) 기체가 배출됨으로써 막대한 환경오염을 일으키는 건설 재료이다. 따라서 보다 친환경적인 건설 재료를 만들기 위해 포틀랜드 시멘트를 쓰지 않는 ‘무시멘트 결합재’ 연구가 활발하다. 주로 제철소의 부산물인 ‘고로 슬래그’를 주원료로 하여 고농도의 알칼리 용액을 첨가시킴으로써 고강도의 경화체를 만들 수 있다. 하지만 기존 무시멘트 결합재는 유독성의 알칼리 용액(pH 14이상)을 사용하기 때문에 건설 현장에서 사용하기엔 위험하고, 가격 경쟁력이 떨어진다는 단점이 있었다. 또한 주원료인 ‘고로 슬래그’를 얻기 위해서는 제철소가 있는 나라에서만 상용화가 가능하다는 문제가 뒤따랐다. 때문에 고농도 알칼리 용액이 아닌 수산화칼슘을 이용하여 전 세계적으로 수급이 용이한 플라이 애시를 경화시키는 연구를 시작하게 되었다. 그러나 수산화칼슘의 낮은 pH와 플라이 애시 자체의 낮은 반응성으로 인해 샘플의 경화가 적절히 이루어지지 않아, 위 조합으로는 건설용 재료로 쓸 수 없는 매우 낮은 강도를 나타낸다. 따라서 Ca(OH)2-활성화 플라이 애시 결합재의 경화 메커니즘을 빠르게 하여 샘플의 압축강도를 증가시키는 것이 관건이었다. |
연구내용본 연구에서는 포틀랜드 시멘트를 쓰지 않고도 고강도를 나타내는 무시멘트 결합재(Ca(OH)2-활성화 플라이 애시 결합재)를 개발하였다. 플라이 애시와 수산화칼슘 외에 화학적 활성화제(Chemical activator; Ca(OH)2, Na2CO3)를 일정 비율로 첨가시켜 첨가시키지 않은 실험군과 비교하였다. 여러 가지 미세구조 연구를 수행한 결과, 포틀랜드 시멘트의 강도 발현 물질(C-S-H)과 비슷한 성분이 생성되었음을 확인하였다. 뿐만 아니라 내부의 수많은 공극(pore)들이 메꾸어짐으로써 압축강도가 월등히 향상되었음을 밝혀내었다. |
기대효과현재 본 발명을 기반으로 ‘방글라데시 주택건설시장 진출 개척을 위한 현지 산업부산물 활용한 13MPa급 무(無)시멘트 주택구조용 벽돌 제조 방법 및 생산 설비 개발’ 과제를 수행중이다. 방글라데시는 세계 최빈국으로 사회 인프라시설 및 주택시설들을 갖추기 위한 대규모 원조가 계속되고 있다. 따라서 막대한 양의 시멘트 벽돌이 필요한데, 시멘트의 원료인 석회석이 매장되어 있지 않아 전량 외국수입하고 있는 실정이다. 본 원천기술로 방글라데시 현지 산업부산물을 시멘트 대체재를 만들 경우, 환경오염 방지뿐만 아니라 효율적인 비용으로 사회 인프라시설을 건설할 수 있게 된다. 특히 향후 탄소세 도입 등이 예상됨에 따라 탄소배출량 저감효과가 탁월한 무시멘트 결합재 시장은 크게 늘어날 것으로 예상된다. 이처럼 기존 포틀랜드 시멘트와 비슷한 역학적 성능을 보이면서 친환경적이고 저렴한 새로운 무시멘트 결합재에 대하여 몽골 울란바토르 지역에 벽돌 생산 시설을 설립하는 것을 골자로 울란바토르 경제부시장님 및 몽골과기대 관계자들과 협의가 진행되었다.(2014년 10월) |
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[붙임] 그림설명 |
그림 1. 무시멘트 결합재(CNF)의 재령별 압축강도 비교 본 연구팀에서 개발한 새로운 결합재(CNF)와 그것의 대조군인 Na2CO3를 첨가하지 않은 결합재(CF)의 압축강도를 나타낸 그래프이다. 측정한 결과 새로운 결합재(CNF)의 28일 압축강도는 36MPa로 높은 압축강도를 얻었다. 빨간색으로 표시된 결과가 새로운 결합재(CNF)의 압축강도를 나타낸다. 이는 Na2CO3를 첨가하지 않은 결합재에 비해 약 4~5배 향상된 결과이다. |
그림 2. 무시멘트 결합재(CNF)의 미세구조 새로운 무시멘트 결합재(CNF)와 그것의 대조군(CF)를 주사전자현미경(SEM)으로 관찰한 결과이다. 새로운 결합재(CNF)의 미세구조가 반응 생성물로 매우 빽빽하게 채워져 있고, 입자 사이의 공극들이 매우 적어졌음을 알 수 있다. 그에 비해 대조군(CF)는 내부 공극이 매우 많고, 서로간의 결합이 부실하다. |
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