지구 온난화 방지를 목적으로 1997년 교토의정서가 협약된 이후의 우리나라는 현재 온실가스 배출량에 대해 2020년까지 최대 30% 수준까지 감축을 실시해야 한다. 또한 국제적으로는 온실가스의 배출을 감소시키기 위해 배출권 거래 제도(ET : emossion trading), 공동이행제도(JI : joint implementation), 청정개발체제(CDM : clean development mechanism) 등의 제도 시행을 추진하고 있다.
하지만 이러한 제도는 온실가스 감축을 위한 기술 개발을 전제로 개발된 기술에 의해 온실가스의 감축된 부분을 거래하는 제도로서 실질적인 온실가스의 감축을 위해서는 탄소배출을 저감시키는 기술의 확보가 선결돼야 한다.
대표적인 온실가스인 CO₂의 국내 배출량은 2009년 기준 6억7백만톤에 달하며, 1990년에 비해서는 120 % 이상의 배출량 증가폭으로 OECD 국가 중 가장 높은 증가율을 보이고 있다. 국내 산업 분야별 온실가스 배출량 중 건설교통부분이 차지하는 비중은 약 42%로 매우 높은 비중을 차지한다.
본지는 지난 586호에 ‘신년특집 - CO₂ 저감 시급하다’를 보도한 바 있다. <2014년 1월 28일자 참조> ‘탄소저감형 콘크리트 구조재료 및 에너지 절감형 건축재료 자재 개발 연구단’(단장: 이세현 한국건설기술연구원 선임연구원)은 현재 3차년도 연구, 각 기관별 ‘요소 기술 완성단계’를 진행하고 있다.
1세부: 탄소저감형 콘크리트 구조재료 개발(책임자: 조재우 박사), 2세부: 환경부하 저감형 건툭재료 개발(책임자: 이세현 선임연구위원, 한국건설기술연구원), 3세부: 건설재료의 CO₂ 통합관리 기술개발(책임자: 채창우 연구위원, 한국건설기술연구원) 등에서는 연구가 활발하게 진행되고 있다.
이번호에는 유진기업 ‘HVMA(High Volume Mineral Admixture) 고강도 레미콘 실용화 기술개발’ 연구테마를 집중분석 보도한다.
<편집자주>
2010년 당시 국토해양부(국토교통부 전신)에서는 2020년 대비 온실가스 예상 배출량 대비 30% 수준 감축을 목표로 설정하고, 건설산업에서도 동일한 목표치로 감축을 위한 국토해양 R&D 전략을 수립 발표했다. 국내 건설산업 규모는 GDP의 17%인 117조에 달하며, 이중 38%의 비중을 차지하는 건설재료산업은, 시멘트, 철강 산업 등이 국가 에너지소비의 약 25%를 소모해 다량의 CO₂를 배출하고 있다.
주요 건설자재별로는 시멘트가 약 3천9백만톤/년, 철강이 약 6천7백만톤/년을 배출하고, 콘크리트가 약 4천3백만톤/년을 배출한다. 특히 콘크리트의 경우에는 사용되는 주요 원자재가 시멘트인 관계로 시멘트의 사용량을 감소시키면 시멘트 산업 및 콘크리트 분야에서 온실가스를 감축시키는데 매우 효과적이라고 할 수 있다.
시멘트는 주 원료인 석회석과 기타 점토질 광물 등을 혼합 분쇄해 1천450℃ 이상의 고온에서 소성시켜 클링커를 제조하고, 제조된 클링커와 석고를 적당량 혼합 분쇄하면 시멘트가 제조되는 공정으로 시멘트 공정은 크게 원료공정, 소성공정, 마무리 공정 이상의 3단계로 구분이 가능하다.
원료 공정은 석회석을 채광하고 석회석과 부원료를 혼합, 분쇄, 건조 시키는 공정으로 이때 분쇄과정에서 대량의 전력을 사용한다. 소성공정은 분쇄된 석회석과 부원료의 혼합물을 고온으로 소성하는 과정으로 이때 화석연료를 사용해 원재료들을 킬른에서 소성시킨다.
이 과정에서 소성용 연료의 연소에 의한 CO₂ 가스의 배출량은 시멘트 제조 전 공정에서 배출되는 CO₂ 가스의 약 90%를 차지한다. 마무리 공정에서는 클링커와 석고 및 기타 부재료를 첨가해, 혼합, 분쇄하는 공정으로서 석고의 탈탄산과정 및 분쇄 과정에서의 전력 사용으로 인해 CO₂ 가스가 발생되며, 특히 석고의 탈탄산 과정에서도 다량의 CO₂ 가스가 발생된다.
에너지 소비산업인 시멘트 산업에서는 소성과정에서의 에너지 소비 효율을 향상시키는 것만으로도 CO₂ 가스 배출을 감소시킬 수 있으나, 이미 연소효율이 우수한 NSP킬른 등의 사용, 연소 연료로서 폐타이어, 폐유 등의 활용이 확대되고 있어서 설비 및 제조 공정에 의한 CO₂ 가스 감축인 한계가 있다. 콘크리트 산업에 있어서는 제조 과정에서 사용되는 원재료들에 의한 CO₂ 가스 발생이 대부분을 차지하며, 시멘트 0.93 CO₂-kg/kg, 고로슬래그미분말 0.03 CO₂-kg/kg, 플라이애시 0.02 CO₂-kg/kg, 골재 0.03 CO₂-kg/kg, 혼화제 0.25 CO₂-kg/kg 등의 원자재에 의한 CO₂ 발생 비율 중 시멘트에 의한 CO₂ 발생량이 가장 높은 비중을 차지하고 있다.
따라서 콘크리트 산업에 있어서 시멘트의 사용을 감소시키는 것이 효과적인 CO₂ 저감 방안이며, 콘크리트 산업에서의 CO₂ 저감을 위한 노력으로 콘크리트의 제조 및 해체 전과정에 대한 LCCO₂(Life Cycle CO₂) 평가 및 기술 개발에 관한 관심이 증가되고 있는 추세이다.
LCCO₂ 저감 콘크리트의 기술 개발 방향으로는 ▷건축물의 완전리사이클링화 기술 ▷폐콘크리트의 분쇄과정에서 발생하는 미분말을 저온소성해 재가공한 재생시멘트 제조 기술 ▷시멘트 이외의 플라이애시, 고로슬래그미분말과 같은 산업부산물과 알칼리 무기질을 혼합하는 혼합 시멘트 제조 기술 ▷천연점토와 산업 부산물인 가성소다의 혼합물을 저온소성시켜 제조하는 저온소성 시멘트 제조 기술 등에 대한 연구가 진행 되고 있다. 특히, 혼화재의 활용을 통한 시멘트 사용량의 감소를 유도하는 기술이 가장 활발히 검토되고 있다.
2010년 국토해양부에서 발표한 온실가스 저감을 위한 국토해양 R&D 전략에 의해 2011년부터 탄소출 저감 건설재료 기술 개발 연구사업단을 구성하고, 중장기 연구 과제로서 건설재료에서 원자재 및 건축자재 전반에 대한 CO₂ 저감화 기술 개발 사업에 국가 지원을 진행하고 있다.
탄소저감 건설재료 연구사업단 5개년 계획
1~3세부, 건설재료·자재·시공·시스템 구축 등 다양한 시도
탄소배출 저감 건설재료 기술 개발 연구 사업단은 총 연구기간을 5년으로 계획하고, 기술 개발 방향을 3세부로 구분해 연구 방향을 설정했다.
주요 연구 방향으로서 1세부에서는 CO₂ 배출저감형 건설구조재료 개발을 테마로, ①시멘트 저감형 결합재를 이용한 50MPa급 고성능 콘크리트 실용화 기술, ②비소성 결합재를 활용한 CO₂ 저감형 콘크리트 개발, ③에너지 저감형 비정질 강섬유 개발 및 실용화, ④Carbon negative 시멘트 제조 및 활용기술 개발 등 고성능 콘크리트 중심의 레미콘 및 콘크리트용 섬유의 CO₂ 저감 기술 개발을 중점적으로 다루고 있다.
2세부에서는 환경부하 저감형 건축재료 개발을 테마로, ① 열손실지수 30% 저감형 EEH(Energy Efficiency Housing) 시스템 개발, ②고효율 에너지저감형 건축단열도료 및 단열재 실용화 기술개발, ③무양생 공정에 의한 친환경 기능성 콘크리트계 건축 내외장재 및 시공기술 개발 등 에너지 효율 증대를 위한 자재 및 시공 분야에서의 기술 개발을 추진하고 있다.
3세부에서는 건설재료의 CO₂ 통합관리 기술 개발을 테마로, ①건설재료의 LCCO₂ 평가기술 및 탄소배출 저감 관리기술 개발, ②건설재료의 라이프사이클 흐름도 개발, ③건설자재분야 LCI DB 구축 및 탄소라벨링 시스템화 등 건설산업에서의 CO₂ 관리 시스템 구축을 목표로 연구를 진행하고 있다.
유진기업 ‘HVMA 고강도 레미콘 실용화 기술개발’ 진행
시멘트 사용량 최대 20% 설계배합비 축소
유진기업은 탄소저감형 건설재료 기술 개발 연구단에 2011년 연구단 설립과정부터 참여하고 있으며,
연구단 1세부 연구 테마 중 ‘HVMA(High Volume Mineral Admixture) 고강도 레미콘 실용화 기술개발’을 전담 진행하고 있다. HVMA(High Volume Mineral Admixture)는 고강도 콘크리트 제조시 기존에 사용되던 결합재 설계 방식에서 시멘트 사용량을 최대 20% 이내로 설계 배합비를 축소하는 대신에 고로슬래그 미분말이나 플라이애시와 같은 콘크리트용 혼화재를 다량 설계한 혼합시멘트 개념이다.
기존의 고성능 콘크리트 제조시 결합재에 의해 발생되는 CO₂ 발생량을 80% 이상 낮추는 것이 가능한 친환경 혼합시멘트를 의미한다. 유진기업에서 진행된 HVMA 고강도 레미콘 실용화 기술 개발 연구 사업은 년차별 기술 개발 목표를 설정해 단계별로 연구 사업을 진행하고 있다.
먼저 탄소 배출저감형 고강도 레미콘의 제조를 위해서 적합한 원자재를 개발하고, 2단계로 개발된 원자재를 사용해서 최적 레미콘 배합설계를 실시하고 설계된 콘크리트의 성능 평가를 진행한다.
3단계에서는 탄소 배출 저감형 고강도 콘크리트의 기초 물성 및 내구성능 등 전반적인 콘크리트 특성을 규명해 품질 수준을 제시하고, 마지막 단계로서 현장 시공 및 품질 모니터링을 통해 실용화 기술을 확보하는 것으로 계획 진행되고 있다.
1차년도, ‘혼합시멘트 개발’ 목표
‘친환경 콘크리트용 결합재 조성물’ 특허 진행
1차년도에서는 먼저 탄소 배출 저감형 HVMA(High Volume Mineral Admixture) 혼합시멘트의 개발을 목표로 진행했다.
개발 목표 혼합시멘트는 현재 시공되고 있는 50 MPa 고강도 콘크리트의 일반적인 결합재량에 대해 시멘트 사용량을 20% 수준 이내로 낮추는 것으로 1차 기술 개발 목표로 설정했다.
낮은 시멘트 사용량에 따른 강도 발현 지연 발생, 콘크리트의 적정 시공성 확보 등을 고려해 고로슬래그 미분말, 플라이애시 이외에 다양한 광물질의 종류 및 배합비에 따른 혼합시멘트의 특성을 평가해, 탄소 배출 저감형 고강도 레미콘 제조에 적합한 저시멘트 혼합 무기결합재의 개발을 진행했다.
개발된 무기결합재(혼합시멘트) 제조 기술은 최초 시멘트 사용량을 20% 이내 수준으로 설정한 목표를 초과해, 시멘트 사용량 10% 수준에서도 고강도 콘크리트의 제조가 가능한 혼합시멘트의 제조 기술을 확보했다.
개발된 무기 결합재에 대해서 ‘친환경 콘크리트용 결합재 조성물’로 개발 기술에 대한 특허 출원을 진행했다.
특허 출원된 무기결합재 제조기술은 기존 콘크리트의 배합 설계시 시멘트 중심에 혼화재를 혼합하는 배합설계 방식을 역발상으로 전환해, 혼화재 특히 시멘트와 유사하면서도 산업부산물인 고로슬래그 미분말을 기본 결합재로 하고, 플라이애시, 석고 이외에 다양한 산업부산물들과 시멘트를 최적 배합비로 혼합해 제조된 결합재이다.
특히 기존에 혼화재로 활용되던 고로슬래그나 플라이애시는 콘크리트의 강도 발현을 증가시키기 위해 분말도를 증가시켜야 되는 것으로 알려져 있으나, 본 연구에서는 분말도를 증가시키는 공정에 의해 탄소 배출이 추가 발생되는 부분을 고려해 분말도를 증가시키지 않고 현재 시판되는 제품을 대상으로 탄소 배출 저감형 혼합시멘트의 제조가 가능한 무기결합재를 개발했다.
이를 통해 탄소 배출량의 감소를 간접적으로 증대시킬 수 있는 부수적인 효과를 기대할 수 있게 되었으며, 일반 고로슬래그 미분말과 플라이애시를 80% 수준까지 사용함에 따라 탄소 저감형 무기 결합재의 제조 용이성도 확보하게 됐다.
2차년도, ‘원자재 개발 1단계 연장 과정’
고기능성 감수제 개발 진행
2차년도에서는 탄소 배출 저감형 고강도 레미콘 제조를 위한 원자재 개발 1단계 연장 과정으로 진행되었으며, 1차년도 개발된 무기결합재(혼합시멘트)에 적합한 고기능성 감수제 개발을 진행했다.
고기능성 감수제의 개발 방향은 콘크리트 적정 시공성을 확보하기 위해, 고유동성(고감수성), 재료분리저항성 등의 감수제가 갖춰야 할 본래의 기능 이외에, 낮은 시멘트의 사용량에 의한 혼화재의 수화 진행 지연을 촉진시키기 위한 콘크리트 내부에 알칼리 환경을 조성하는 특화된 기능을 결합한 제품 개발이 목표다.
고성능 콘크리트의 제조를 위해 감수효과 및 재료분리저항성 등을 고려해 기존에 가장 효과적인 감수제로 알려진 폴리카르본산을 주요 원자재로 구성하고, 여기에 수화 진행을 촉진시키는 기능성 부원료의 개발을 중점 연구로 진행했다.
기존에 알려진 부원료들의 대부분은 주원료와 혼합시 융화되지 못하고 분리가 돼 감수제로서 제품 개발에 한계가 있거나, 매우 고가로 실용성이 매우 낮기 때문에 새로운 부원료의 개발 및 제품화가 2차년도 연구 개발의 핵심이라고 할 수 있다.
다양한 부원료들의 검토를 통해 기존에 검토 되었던 재료와 다른 변형된 원료들의 활용을 통해 탄소 배출 저감형 무기결합재에 적합한 고기능성 감수제를 개발하게 되었으며, 관련 기술 또한 ‘HVMA용 알칼리자극제, 혼화제 및 이를 이용한 HVMA 콘크리트 조성물’로 특허 출원해 원천기술을 확보했다.
3차년도, ‘콘크리트의 최적 배합 설계’
‘탄소 배출 저감형’ 레미콘 제조로까지 기술확대 위한 토대 구축
3차년도인 현재 연구 단계는 2단계로서 탄소 배출 저감형 고강도 레미콘 제조를 위해 개발된 원자재들을 사용해 콘크리트의 최적 배합을 설계하고 콘크리트의 기초물성 및 내구성능을 규명하는 연구를 진행하고 있다.
배합설계는 기존의 일반적인 50 MPa 배합 수준을 기반으로 해, 결합재량, 감수제 사용량 등을 조절해 최적 배합을 도출했다. 시공성, 강도 발현성은 물론, 수화 발열 특성, 중성화 및 기타 내구성능 등을 평가하고 있어서, 탄소 배출 저감형 고강도 레미콘의 현장 실용화를 위한 콘크리트의 역학특성을 체계적으로 정리해, 품질 관리 지침서 작성시 활용되거나, 초고강도나 일반강도 영역에서의 탄소 배출 저감형 레미콘 제조로까지 기술 확대를 위한 토대를 구축할 수 있을 것으로 예상된다.
향후에는 개발된 원자재들과, 배합설계 기술 및 규명화된 탄소 배출 저감항 고강도 콘크리트의 성능 등을 토대로, 실 구조물을 설계·시공해, 시공과정 및 구조물 구축 후 장기적인 성능 변화를 모니터링해, 레미콘 산업뿐만이 아니라, 건설산업에서의 탄소 배출 저감 기술을 확보하는 것이 남은 연구 사업의 핵심 과제라고 할 수 있다.
이제까지의 연구 성과에 대해서는 2012년부터 한국콘크리트학회 , 한국건설순환자원학회 등의 학술대회에 9편 이상의 연구 실적을 발표했으며, 국내 전문 학술저널에도 2편을 발표해 연구 성과를 관련 학계에 보고하고 있다.
특히 2013년도에는 탄소 배출 저감 기술과 산업부산물의 재활용 기술의 실용화라는 부분이 부각돼 한국건설순환자원학회에서 학술적으로나, 개발 기술의 우수성에 대해 인정을 받아 ‘우수발표논문상’과 ‘기술상’을 수상하기도 했다.
유진기업은 앞으로도 레미콘 분야에서의 탄소 저감화 기술에 대해 특허 출원, 연구 실적 발표 등을 통해, 관련 기술의 보급 및 확대를 선도할 것으로 기대된다.
특히 관련 기술의 연구 개발을 활용해, 다양한 고강도 레미콘은 물론, 일반 강도 영역, 초고강도 레미콘 영역으로의 확대를 추진할 예정이다. 이와 함께 매스 콘크리트 등과 같은 시멘트의 수화열 제어가 요구되는 콘크리트 제품으로의 적용 확대를 추진하므로서 향후 관련 레미콘 산업에서의 시장성 확대를 유도하고 관련 산업의 기술 선도 역할을 담당할 것으로 예상하고 있다.
탄소 배출 저감형 콘크리트는 정부의 저탄소 녹색성장 정책에 부합하는 건설자재분야의 친환경 고부가가치 제품으로 부각될 가능성이 높다.
현재의 연구 실적을 기반으로 향후 독자적인 연구개발 또는 현장과의 기술 교류를 통해 제품 다변화를 추구하고, 건설산업에서의 녹색 혁명을 이끌 수 있는 획기적인 건설 재료 관련 기술로 발전할 것으로 예상한다.
인터뷰- 유진기업 기술연구소 류득현 소장
“탄소 저감형 콘크리트, 건설시장에 공급 기대”
- 본 연구가 건설 산업에 제시하는 의미는·
인류가 이 지구에 존재하기 시작하면서부터 건설 산업은 시작되었으며, 콘크리트의 가장 중요한 재료인 시멘트는 그 기원이 로마시대까지 거슬러 올라갑니다.
이렇게 오랜 역사를 갖고 있는 시멘트를 사용하는 콘크리트가 최근 지구환경의 오염에 따라 기존의 관념이 바뀌어 새로운 개념의 콘크리트가 제조될 수 있는 기술적 전환의 계기를 마련한 것이 산업측면에서 가장 큰 의의가 아닌가 생각합니다.
시멘트나 콘크리트 산업은 기존에 굴뚝산업, 3D산업으로 광범위하게 인식돼온 제조업이었지만, 개념의 전환을 통해 향후에는 환경 산업, 화학 기술 산업으로서 인식의 전환 및 관련 영역이 확대될 것으로 예상합니다.
-연구의 핵심 개발 기술은·
기존에 시멘트 대체재로 사용되던 플라이애시, 고로슬래그 미분말과 같은 혼화재는 시멘트의 수화생성물에 의한 2차 반응으로 경화가 진행되는 메카니즘이었습니다. 현재 진행되고 있는 HVMA 고강도 레미콘 실용화 과제는 혼화재가 수화 반응을 할 수 있는 여건을 만들어 주는 시멘트가 극소량 사용됩니다.
이 때문에 정상적인 수화 메카니즘에 의해 혼화재의 수화 반응이 진행되지 못하며, 따라서 이러한 비정상적인 수화 환경을 개선시키기 위한 보조재의 개발 및 콘크리트 배합 설계가 본 연구 프로젝트의 핵심이라고 할 수 있습니다. 부수적으로 상용화를 위한 레미콘 제조 시스템과의 연계도 레미콘 생산 측면에서 중요한 검토 사항입니다.
- 향후 레미콘 산업에서 예상되는 탄소 저감 관련 제품 영역 및 관련 시장의 규모는·
사실 탄소 저감이라는 용어는 콘크리트 산업에 있어서 시멘트의 사용을 감소시키는 기술이면 모두 해당된다고 생각합니다.
이러한 관점에서 보면 2000년대 초만 하더라도 레미콘 제조시 시멘트 이외에 플라이애시를 혼합하던 수준에서 현재는 고로슬래그 미분말 등 다양한 콘크리트 혼화재가 상용화 돼 있어서, 탄소 저감 기술이 부각되지 못했을 뿐이지 부지불식간에 탄소 저감형 레미콘은 광범위하게 활용되고 있다고 생각합니다.
앞으로는 현재 수행되고 있는 다양한 탄소 배출 저감형 콘크리트 제품의 개발 기술이 상용화가 되면, 고강도 콘크리트는 물론 일반강도, 경량콘크리트 등 레미콘 전 제품에서 탄소 저감형 콘크리트가 건설시장에 공급되지 않을까 생각됩니다.
- 유진기업 기술연구소에서 탄소 저감 관련 기술 이외에 기술 개발이나 연구 전략은·
최근의 건설재료와 관련해서 가장 트랜드한 연구 주제는 아마도 탄소 저감형 건설재료 개발이 아닐까 생각합니다. 국가 연구 정책일 뿐만 아니라 기업들의 탄소 거래제 도입 등의 정책이 향후 예상되기 때문에 이에 대한 대비 차원에서 많은 관심이 있습니다.
우리 유진 연구소에서도 지금 수행하는 HVMA 고강도 레미콘 실용화 연구 프로젝트 이외에도 이를 활용한 다양한 콘크리트 제품 실용화 기술을 추진하고 있습니다.
현재 수행중인 연구과제를 통해서 혼화재의 수화 활성화를 응용해 현재 생산 공급 중인 레미콘 제품들의 조기강도 발현성 확보 등 제품 성능 개선 분야에도 연구역량을 확대하고 있습니다. 이외에도 폐기물의 재활용 기술, ECC와 같은 고기능성 콘크리트의 실용화 기술 등, 성능 개선 기술과 신소재, 기능성 제품 개발 기술에 연구 역량을 집중하고 있습니다.
더불어 건설 재료 산업 분야에 있어서 현재와 미래 모두 관련 분야를 선도하기 위한 연구 전략을 수립 운영하고 있습니다.
