19세기 후반 산업혁명 이후 화석연료 사용 급증에 따른 지구 온실효과 증대 (enhanced greenhouse effect)로 지구온난화 (global warming)가 전 세계적인 문제로 대두되고 있다. 지구 온난화방지를 위한 기후변화협약 (쿄토의정서 : COP3, 1997, 발리협약 :2007)으로 각 국에 대한 CO2배출량 삭감목표 설정 및 실천기한 준수 압력이 증가되고 있다.
이에 따라 21세기는 산업전반에 걸쳐 이산화탄소 저감을 목표로 하는 국가차원의 지속가능기술 개발(Sustainable Development) 확립 및 대처가 모든 산업의 전제가 되고 있고 전 세계는 개발을 지속하면서도 생태적 수용력을 확대시키기 위해 경제·사회와 환경을 동시에 추구하는 지속가능개발의 개념에 근거한 저탄소, 녹색성장으로 산업을 개편하고 국가 성장 동력으로 발전시키고 있다.
우리나라 정부도 ‘저탄소 녹색 성장’을 국정기조로 해 모든 산업에서 CO2 저감을 위한 정책/법률/기술개발/연구개발을 실시 중에 있다.
특히 국내 건설산업은 그 규모가 GDP의 17%인 117조에 달하며, 이중 38%의 비중을 차지하는 건설재료는 시멘트, 철강과 같이 대량의 CO2 발생과 국가 에너지소비의 약 25%를 소모하는 산업부문으로 건설분야의 탄소저감을 위해 건설재료분야(약 13% 차지)에서의 탄소저감은 필수적이라 할 수 있다.
건설 산업은 모든 CO2 배출량의 42%를 차지하며, 건축분야와 토목분야로 구성되고 CO2 배출은 건축공사 시 9.5%, 건축물 운영 시 23.2%등 총 32.7%가 발생되고 있고, 토목공사에서 9.7%의 탄소를 배출하고 있다.
이중 건축물 운영 시 23.2%를 제외한 공사 시 배출량 19%는 건설재료·자재의 제조 및 생산, 설치, 활용 등을 위한 활동에서 발생하며 그중 건설재료·자재의 제조 및 생산에서 대부분을 차지한다.
예를 들어 콘크리트 구조물 제작을 위한 레미콘 생산 시 발생하는 CO2 배출비율을 보면 레미콘 1m3 생산하는데 발생하는 총 CO2 발생량은 346kgCO2/m3이며 이 중 레미콘의 구성 원료인 시멘트가 차지하는 양이 329.46kgCO2/m3로 천체의 97.73%를 차지한다. <표1 참조>
따라서 건설재료에서 탄소를 줄이는 방법으로는 레미콘 생산 시 시멘트를 적게 사용하는 방법과 시멘트 생산 시 탄소를 줄이는 방법이 유효적이라 할 수 있다.
이를 위해 “탄소저감형 건설재료 개발”연구단의 1세부에서는 CO2 배출저감형 구조재료 개발을 위해 1)CO2 대량배출 건설재료의 대체기술 개발, 2)CO2 저감·생산 및 재료기술 개발을 중심으로 연구를 진행한다.
먼저 1)CO2 대량배출 건설재료의 대체기술 개발로서는 ①시멘트 저감형 결합재를 이용한 50MPa급 고성능 콘크리트 실용화 기술개발, ②에너지 저감형 비정질 강섬유 개발 및 실용화를 통해 CO2 대량배출 건설재료의 대체기술을 확립하고자 하며, 2) CO2 저감·생산 및 재료기술 개발로서는 ①비소성 결합재를 활용한 CO2 저감형 시멘트·콘크리트 개발, ②Carbon negative 시멘트 제조 및 활용기술 개발을 통해 CO2 저감·생산 및 재료기술을 확립하고자 한다.
따라서 본 1세부 연구의 구성은 ▷시멘트 저감형 결합재를 이용한 50MPa급 고성능 콘크리트 실용화 기술개발, ▷비소성 결합재를 활용한 CO2 저감형 시멘트·콘크리트 개발, ▷에너지 저감형 비정질 강섬유 이용 실용화 기술개발, ▷Carbon negative 시멘트 제조 및 활용기술 개발과 같이 구성되어 있으며, 각각의 연구내용은 다음과 같다.
◇시멘트 저감형 결합재를 이용한 50MPa급 고성능 콘크리트 실용화 기술개발=건설산업은 재료, 시공, 운용, 철거 등의 모든 단계에서 다량의 CO2를 발생시키는 산업으로 CO2 발생저감을 위한 노력을 기울이고 있으나, 보다 근본적이고 CO2의 저감 확대를 위해 건설재료 분야에서의 탄소저감이 필요하다.
따라서 시멘트 대체율 90% 이상, 압축강도 50Mpa 이상 확보하는 레미콘용 시멘트 저감형 고강도 콘크리트 제조기술 및 실용화 연구개발을 목표로 한다.
공동연구과제로 과제명은 “HVMA 고강도 레미콘 실용화 기술개발”이며 유진기업에서 진행하고 있다.
본 과제의 목표는 HVMA(High Volume Mineral Admixture)를 활용한 50MPa급 레미콘 제조기술 및 실용화다.
1차년도 HVMA의 성능향상을 목적으로 고로슬래그 미분말과 플라이애시의 품질향상과 최적 혼화재료 대체율 도출하고, 2차년도에 HVMA 고성능 혼화제 최적화와 비교기술 CO2 저감량 분석 및 개발기술 CO2 저감량 예측, 3차년도에 HVMA 콘크리트 개발로 콘크리트 최적 배합비 결정과 HVMA 콘크리트 시공 지침(안) 제시하고자 한다.
4차년도에 HVMA 레미콘 실용화 단계로서 Mock up 시험을 거쳐 2세부과제와의 연계로 Test Bed를 진행해 중장기 모니터링과 실증 하우스 적용평가를 진행할 실시할 예정이며, 5차년도에 HVMA 활용기반구축으로 HVMA 콘크리트 시공 지침보완과 3세부와 연계해 CO2 저감량 평가를 계획하고 있다.
1세부 공동연구 책임자인 류득현 전무는 건축재료 분야에서 20년 이상 경력을 갖고 있으며, 콘크리트 기술분야의 생산성 향상을 위한 공정·설비 개선 및 신기술개발과 기술전파를 위해 헌신해 온 점이 높이 평가되어 최고의 콘크리트 기술유공자로 선정되어 2007년 대통령 표창을 수상 하였다.
HVMA 고강도 레미콘 실용화 기술개발의 기대효과는 레미콘 측면에서 HVMA 콘크리트는 수화열 저감, 장기강도 증진의 장점이 있어, 대규모 콘크리트 구조물의 기초매트, 단면이 큰 매스콘크리트 등의 구조물에 적용성이 기대된다.
따라서 본 과제는 정부의 저탄소 녹색정책과 기업의 이익에 부합하므로 시장점유율이 향상될 것으로 전망된다.
◇비소성 결합재를 활용한 CO2 저감형 시멘트·콘크리트 개발=건설재료의 기초소재인 시멘트는 온실가스 배출량이 3천900만톤으로 국내 산업부문 총배출량(2억 6백만톤)의 18.9%(2004년 기준)에 달하고 있으며 대부분이 클링커를 소성할 때의 연료의 연소와 석회석의 탈탄산 반응에 의해 시멘트 생산 시 전체의 약 90%가 소성과정에서 발생한다.
따라서 시멘트에서의 CO2배출량을 줄일 수 있는 방법은 시멘트 클링커 생산량을 줄일 수 있는 방법이 가장 유효하며 이를 위해서는 클링커 대체재의 개발 및 혼합시멘트의 활용확대가 가장 유효적인 방법이라 할 수 있다.
이를 위해 협동연구 책임자인 한국건설생활환경시험연구원(KCL)의 조재우 박사는 비소성결합재를 활용해 클링커 대체재를 개발하고 시멘트의 클링커 대체재의 비율을 증대시킨 시멘트 개발과 동시에 PLC(Portland Limestone Cement) 혼합시멘트를 개발하고 개발된 시멘트의 콘크리트 적용성 연구 및 2세부과제와의 연계로 Test Bed를 진행해 실증 하우스 적용평가를 진행할 실시현장 적용성 연구를 통하여 실용화를 확립하고 시멘트에서 CO2 저감량 120만톤을 목표로 한다.
◇에너지 저감형 비정질 강섬유 이용 실용화 기술개발=건축물이 대형화, 다양화, 고층화됨에 따라 고기능성 재료의 개발과 적용이 필요한 상황이다.
콘크리트의 경우 높은 강도가 요구되지만 압축강도가 증가함에 따라 취성이 증가하여 실용화에 많은 문제점을 내포하고 있어, 콘크리트의 균열 및 취성파괴에 대한 문제점 개선을 위한 관심이 증대되고 있다.
이러한 콘크리트의 균열 및 취성파괴의 문제점을 제어하기 위해 마이크로 및 나노크기의 섬유연구가 수행되고 있으며, 최근에는 기존 강섬유보다 인장강도 및 휨강도가 우수한 비정질 강섬유의 연구가 진행되고 있다.
비정질 강섬유는 용융로에서 녹인 철을 급냉각하여 생산한 비정질 철을 박판 형태의 섬유로 제조한 것으로 일반 철에 비하여 매우 높은 기계적 강도를 가지고 있다.
공동연구 책임자인 포항산업과학연구원의 최세진 박사는 “에너지 저감형 비정질 강섬유 이용 실용화기술”개발을 통해 비정질 강섬유를 콘크리트에 혼입해 균열 저감, 시공성 향상, 원가절감 및 CO2저감을 실현시키고, 개발 후 주차장 바닥용 콘크리트 개발을 목표로 하고 있다.
◇Carbon negative 시멘트 제조 및 활용기술 개발=Carbon Negative 시멘트·콘크리트 기술은 보통 시멘트의 CO2 배출공정인 하소공정, 클링커소성 공정을 Low CO2 하소 및 클링커소성의 신공정으로 대체하고, CO2를 다량 흡수하도록 만들어 최종적으로 CO2 배출량보다 CO2 흡수량이 크도록 설계된 새로운 개념의 기술이다.
세계적으로 기술 도입단계인 Carbon negative 시멘트·콘크리트 기술에 대한 원천기술 확보는 중장기 탄소저감형 시멘트·콘크리트 분야의 세계적 경쟁력 확보를 위한 전략적 가치를 가지고 있다.
따라서 이번 국토해양부의 탄소저감형 건설제료 사업단을 통해 CO2 제로 배출형 Carbon Negative 시멘트의 세계적인 원천기술을 확보하고, Carbon Negative 시멘트를 사용하여 단기적으로 현장적용이 가능한 CO2 흡수형 콘크리트 2차제품 및 건설마감재 기술 개발하고자 한다.
이를 위해 공동연구 책임자인 한국 세라믹기술원의 이종규 박사는 마그네슘실리케이트계 광물 및 MgCO3 원료등을 사용해 Carbon negative cement 클링커 기초합성을 수행하고, Carbon negative cement 클링커의 최적 배함기술을 바탕으로 Carbon negative cement 개발 및 수화반응을 분석함과 동시에 이산화탄소 발생 및 흡수에 대한 연구를 진행할 것이다.
그리고 Carbon negative cement 의 성능 검증 및 Carbon negative cement를 활용한 콘크리트 2차제품을 개발 및 콘크리트 제품에 대한 Mock-up 평가 및 실증하우스 검증이 이루어 질 것이다.
<인터뷰>한국건설생활환경시험연구원 연구개발지원단 조재우 박사
"혼합 시멘트 사용비율 확대 필요하다"
-주요 건설재료인 콘크리트의 CO2를 저감하기 위한 HVMA 콘크리트 개발이 필요하며 이를 건설산업에 실용화를 하기 위해 정부의 지원이 필요할 것이라 생각된다. 현실적인 지원 요청부분이 있다면 어떤 부분인가?
레미콘에서 실용화가 가능할려면 건설사의 인식전환 뿐만 아니라 KS 제품으로 승인을 받아야 하는 부분이 있다.
KS 개정작업과 콘크리트 시방서, 건축, 토목공사 시방서에 개정작업이 병행돼야한다.
-시멘트 사용량을 저감한 HVMA 레미콘 실용화 기술의 개발이 성공한다면 적용할 수 있는 건설 구조물의 적용분야 또는 기술의 활용방안이 어떤 것들이 있는가?
레미콘에서 HVMA 콘크리트는 수화열 저감, 장기강도 증진 등의 장점이 있으므로, 대규모 콘크리트 구조물의 기초매트, 단면이 큰 매스콘크리트 등의 구조물에 적용이 가능할 것으로 기대된다.
또한 본 연구를 통해 HVMA 콘크리트 성능을 개선한다면 매스콘크리트 외에도 건축물의 기둥, 슬래브, 보 등에도 적용할 것으로 기대되며, 대규모 콘크리트 물량이 적용되는 토목구조물 등, 모든 콘크리트 구조물에는 활용 가능할 것으로 전망된다.
건설재료로 주요 건설자재인 시멘트, 콘크리트 시장에 진입, 건축, 토목구조물의 구조체 시공을 위한 구조재, 대규모 바닥재, PC부재 등으로의 활용이 예상되며, 혼화제 제조업체, 시멘트업체, 콘크리트 생산업체, PC제조업체와 기술이전 등을 통한 사업화 추진할 계획이다.
-비소성 결합재를 활용하여 시멘트 클링커의 일부를 대체할 경우 품질의 저하 우려는 없는지?
물론 단순 혼합을 할 경우에는 품질 저하가 발생할 수 있다.
이 경우에는 비소성 결합재의 선정, 분쇄기술 그리고 클링커 Module 조정 등의 시멘트 생산기술이 함께 이루어 져야 한다.
따라서 본 연구에서는 한국시멘트협회가 참여기업으로 참여 하고 있어 모든 시멘트 회원사가 기술개발에 직·간접적으로 참여하고 있기 때문에 동등 이상의 시멘트 개발이 가능하다.
-국내 혼합시멘트의 사용비율이 해외 선진국의 사용비율보다 낮은 것으로 알고 있는데?
국내 시멘트 시장은 포틀랜드시멘트(OPC)가 약 80%, 혼합시멘트(슬래그시멘트)가 약 20%정도 활용되고 있다.
그러나 선진국의 경우 특히 유럽의 경우 포틀랜드시멘트(OPC)가 약27.5%, 혼합시멘트가 72.5% 활용되고 있으며 혼합시멘트 중 PLC(Portland Limestone Cement)시멘트의 사용비중이 31.4%(2004년 기준)로 OPC보다 사용비중이 높다.
물론 해외 선진국의 경우 혼합시멘트의 종류가 다양하지만 국내의 경우 현재 생산되고 있는 혼합시멘트는 슬래그시멘트 1종류이다.
따라서 국내에서도 플라이애쉬 시멘트, PLC(Portland Limestone Cement)시멘트 등 다양한 혼합시멘트의 생산을 통해 혼합시멘트의 사용비율을 확대시킬 필요가 있다.
-비정질 강섬유의 제조 공정은 일반 강섬유의 제조 공정과 비교해 어떤 점이 있으며, 일반 강섬유와의 차별성은 어떤 것들이 있나?
일반 강섬유의 제조 공정은 철강의 제조공정인 제선-제강-연주-압연 공정 후, 직선-접착-히팅-냉각-커팅-포장 단계를 통해 제품이 완성된다.
반면에 비정질 강섬유는 제선에서 나오는 쇳물을 부어 급냉시켜 만들어 일체 공정이 단축된다.
제선공정 이후의 공정이 생략되어 부가적으로 발생되는 CO2량을 줄일 수 있어 환경부하 저감효과가 있다.
