부상하는 시멘트 기반 복합소재, 재난으로부터 도시를 보호하다

원문 : https://www.theearthandi.org/post/emerging-cement-based-composites-secure-cities-against-disasters

과학자들은 오랫동안 로마가 지은 건물의 내구성에 흥미를 가져왔습니다. 예를 들어, 세계에서 가장 큰 비철근 콘크리트 돔을 가진 유명한 판테온은 서기 128년에 지어졌고 오늘날에도 여전히 서 있습니다. 같은 콘크리트로 지어진 로마 시대의 수로인 아쿠아 비르고는 여전히 물을 공급합니다.

1년 남짓 전, 매사추세츠 공과대학의 아드미르 마식 교수와 이탈리아와 스위스의 공동 연구자들은 고대 로마에서 사용된 콘크리트에 대한 놀라운 발견을 발표했습니다  . 연구자들은  Science Advances 저널에 게재된 논문에 따르면, 콘크리트에 자가 치유 특성을 부여한 탄산칼슘 과립인 소위 석회 파편의 존재를 발견했습니다 .  

핵심은 소석회(차갑고 느리게 작용하는 형태) 대신 소석회(물과 섞으면 열을 생성하는 반응성 칼슘 형태)를 뜨거운 혼합으로 사용하는 것이었습니다. 그 결과 석회 파편이 존재하기 때문에 콘크리트에 생긴 균열은  혼합물에 포함된 화산재와 같은 수분과 포졸란 물질과 접촉했을 때 스스로 치유될 수 있었습니다.

시한폭탄

이와 같은 새로운 지식은 헤아릴 수 없는 가치를 가질 수 있습니다. 영국의 벽돌공 조셉 애스프딘이 1824년에 포틀랜드 시멘트를 발명하고 특허를 취득한 이래로 철근 콘크리트는 전 세계적으로 건물, 고속도로 교량, 해상 플랫폼, 댐, 도로 등에 사용되었습니다. 이러한 구조물의 일반적인 사용 수명은 평균 50년으로 예상되며 특별한 주의와 특별한 조치를 취하면 최대 200년까지 가능합니다.

그러나 로마 시대에 사용된 콘크리트와 비교하면 지난 몇 세기 동안 건설된 거대한 인프라는 시한폭탄과 같습니다. 사용 수명 동안 잦은 수리와 유지 관리가 필요합니다. 또한 결국 철거하거나 재건해야 합니다.

환경적 영향도 있습니다. 유엔 환경 계획과 건물 및 건설을 위한 글로벌 연합에 따르면 건물과 인프라 건설 부문은  구체화된 탄소 발자국과 운영적 탄소 발자국 측면에서 온실 가스 배출량의 약 40%를 차지하는 것으로 추산됩니다 .

이제 "자체 치유" 콘크리트에 대한 새로운 지식을 활용하고 현대 콘크리트를 수정하여 고대 건축 자재의 수명을 연장하고 탄소 발자국을 크게 낮추는 경쟁이 시작되었습니다.

회복력의 필요성

회복성은 지진, 태풍, 폭발 등과 같은 극한의 하중 사건을 견뎌내고 가능한 한 빨리 복구할 수 있는 구조물의 능력입니다. 허리케인, 폭풍, 홍수, 지진, 쓰나미, 열파, 화재, 테러 등과 같은 극심한 자연 재해( 그림 1 참조 ) 및 인재 재해의 빈도는 최근 수십 년 동안 증가해 왔습니다.

©The International Disaster Database (https://emdat.be/)

이는 내구성 있고 안전하며 보안이 강화된 인프라의 필요성을 강조했습니다. 비극적인 예로, 2023년 2월 6일 터키-시리아  지역에서 규모 7.8의 지진이 발생했습니다. 160,000개 이상의 건물이 파괴되거나 심하게 손상되었고, 53,000명 이상이 사망했습니다. 약 270만 명이 집을 잃었습니다.

The Guardian전쟁으로 파괴된 시리아에는 2023년 지진으로 인한 시멘트 잔해 외에도 4천만 톤의 시멘트 잔해가 있는 것으로 추정됩니다. 2023년 기사에 따르면Journal of Materials in Civil Engineering 의 연구를 인용하여 , 국가를 재건하기 위해 지역 잔해를 준비하고 강화하는 방법을 보여주는 노력이 진행 중입니다.가디언토목공학 저널, 국가를 재건하기 위해 지역 잔해를 준비하고 강화하는 방법을 보여주는 노력이 진행 중이라고 보도했습니다.에서 Journal of Materials in Civil Engineering 에 실린 연구를 인용하여 , 국가를 재건하기 위해 지역 잔해를 준비하고 강화하는 방법을 보여주는 노력이 진행 중입니다.

©Alaa Ealyawi/Wikimedia CC BY-SA 4.0

새로운 저탄소 발자국 소재

최근 몇 년 동안 아시아와 아프리카에서 급속한 도시화가 진행됨에 따라 시멘트 생산의 환경 영향을 줄이기 위한 협력이 이루어졌습니다( 그림 2 참조 ).

그림 2. 세계 인구의 도시화 추세.

기존 포틀랜드 시멘트는 이산화탄소 배출 에 상당히 기여합니다. 에 상당히 기여합니다  (전 세계 배출량의 약 5%~8%). 생산에는 대부분 석회암으로 구성된 클링커를 만드는 에너지 집약적 공정이 필요하며, 그런 다음 시멘트 가루로 갈아야 합니다. 그러나 클링커에 대한 여러 가지 저탄소 대안이 현재 이용 가능합니다.

포졸란 시멘트 콘크리트

역사적으로, 보충 시멘트 재료(SCM)는 오랫동안 건설에 사용되어 왔습니다. 로마인들은 화산재를 사용했고, 세계의 다른 지역에서는 석회와 최근에는 시멘트와 같은 주요 바인더의 보충으로 다양한 형태의 반응성 점토 등을 사용했습니다.

SCM 또는 포졸란은 시멘트나 석회의 1차 반응에서 발생하는 물과 수산화칼슘이 존재할 때 약한 결합 특성을 갖는 재료입니다. 플라이 애시(화력 발전소의 석탄 연소 잔류물), 슬래그(고로의 잔류물), 실리카 퓸(페로실리콘 산업의 잔류물)과 같은 현대 산업 부산물은 포틀랜드 시멘트의 부분 대체재로 사용할 수 있습니다.

 콘크리트 구조물의 SCM을 통합하면 클링커 생산의 필요성이 줄어들어 이산화탄소 배출량이 줄어듭니다. 중국과 인도와 같은 국가에서는 더 많은 양의 SCM을 시멘트 제조 공정에 직접 통합하여 포틀랜드 포졸란 시멘트(PPC), 포틀랜드 슬래그 시멘트(PSC), 복합 시멘트(플라이 애시와 슬래그 모두 사용)와 같은 제품을 만듭니다. SCM은 구체화된 탄소를 줄이고 폐기물을 줄이는 것 외에도  콘크리트 구조물의 장기적 성능과 내구성을 개선합니다 .

 혼합물 전체에 일부 복합재가 불완전하게 이러한 새로운 SCM은 장점과 잠재력에도 불구하고 포틀랜드 시멘트와 비교했을 때 단점과 한계가 있습니다. 예를 들어, 불완전한 분산 문제가 있을 수 있습니다.물 소비 요구 사항이 증가할 수 있습니다. 이러한 SCM은 비교적 새롭기 때문에 장기적인 기계적 특성  에 대한 일부 테스트가 분명히 부족합니다 . 혼합물 전체에 걸쳐 일부 복합재의 사용, 작업성에 영향을 미칠 수 있는 물 소비 요구 사항 증가 등 기타 문제가 있습니다. 이러한 SCM은 비교적 새롭기 때문에 장기적인 기계적 특성  에 대한 일부 테스트가 분명히 부족합니다 . 

지오폴리머 콘크리트

포틀랜드 시멘트 제조에서 온실가스 배출의 주요 원인 중 하나는 석회암과 점토로부터 클링커를 생산하는 고온 공정입니다.

석회암을 사용하지 않고 포틀랜드 시멘트를 만드는 실온 공정을 상상할 수 있다면, 지오폴리머 시멘트가  그 놀라운 재료가 될 것입니다. 플라이 애시나 슬래그와 같은 알루미노실리케이트 재료를 강한 알칼리성 용액으로 활성화하여 생산합니다.

이 대체 시멘트 재료는 포틀랜드 시멘트 기반 콘크리트와 비교했을 때 비슷하거나 더 우수한 기계적 특성을 제공합니다. 지오폴리머 콘크리트는 탄소 발자국이 상당히 낮고 화재, 화학 ​​물질 및 피로에 대한 우수한 저항성을 보입니다. 불행히도 포틀랜드 시멘트 생산량은 연간 40억 톤이 넘습니다. 포틀랜드 시멘트 콘크리트는 인간이 두 번째로 많이 사용하는 재료(물 다음)가 되었습니다. 이로 인해 지오폴리머 콘크리트만으로는 수요를 충족할 수 있는 포졸란 원료가 부족합니다.

석회석 소성 점토 시멘트(LC3)

남아시아에서 인도 표준국(BIS)은 작년에 LC3 라는 새로운 유형의 저탄소 시멘트에 대한 독점적인 인도 표준(IS 18189: 2023)을 발표했습니다 . 이 시멘트는  약 50% 포틀랜드 시멘트 클링커, 30% 소성 점토, 15% 석회암, 5% 석고로 생산됩니다. 다양한 새로운 시멘트 제형 중에서 LC3는 여러 국가에서 가장 성공적인 신흥 상업 제품입니다. 생산된 소성 점토 1톤은 600kg(1,322파운드)의 CO2를 절감합니다. 스위스 지원 LC3 프로젝트  에 따르면 2025년 말까지 LC3가 4,500만 톤을 절감할 것으로 예상됩니다 .

실제 사례

PPC, PSC 및 복합 시멘트로 만든 대용량 포졸란 콘크리트는 일반 포틀랜드 시멘트 콘크리트가 사용되는 모든 유형의 건설에서 흔히 볼 수 있습니다. LC3 시멘트 기반 콘크리트의 경우도 점점 더 그렇습니다.

퀸즐랜드 대학교의 글로벌 체인지 연구소(GCI)는 지오폴리머 콘크리트를 사용하여 건설되었습니다 . 공공 사용을 위한 4층 건물이며, 이런 종류의 건물로는 최초라고 합니다. 새로운 시멘트 재료는 광범위한 테스트를 거쳤으며 포장 도로, 옹벽, 물탱크, 프리캐스트 교량 데크에도 성공적으로 활용되었습니다.

초고성능 콘크리트

여러 시멘트 재료는  재해 회복력 측면에서 상당한 가능성을 보여줍니다. 예를 들어, 초고성능 콘크리트(UHPC)는 뛰어난 기계적 특성을 가진 재료입니다. 강도, 연성(강도를 잃지 않고 성형 가능) 및 에너지 흡수 용량이 높아 폭발 방지 구조물에 적합합니다. UHPC는 극한의 하중과 충격을 견딜 수 있습니다. 잠재적인 테러 공격에 노출된 구조물에 이상적인 선택입니다.

©Ultra-High Performance Concrete

UHPC는 입자 충전 원리에 따라 신중하게 선택된 성분으로 구성되어 미세강섬유로 더욱 강화된 치밀한 미세구조를 제공합니다. 반응성 분말 콘크리트(RPC) 또는 고밀도 입자 시스템(DSP)으로도 알려져 있습니다. 치밀한 미세구조는 충격 저항성, 고강도 및 뛰어난 내구성 특성을 제공하여 연장된 서비스 수명을 제공합니다.

섬유 강화 콘크리트 및 엔지니어링 시멘트 복합재(ECC)

이름에서 알 수 있듯이 섬유 강화 콘크리트(FRC)와 엔지니어링 시멘트 복합재(ECC)는 섬유와 다양한 강도, 연성 및 내구성 특성을 가진 시멘트 재료를 결합한 복합재입니다. 충격과 에너지 흡수 용량을 견디도록 설계 할 수 있습니다  . 섬유를 통합함으로써 이러한 재료는 극한 하중 이벤트 동안 에너지를 효과적으로 분배하고 소산시켜 구조적 실패 가능성을 줄일 수 있습니다.

ECC는 그림 3 에 나와 있는 설계 프레임워크를 기반으로 미시간 대학의 Victor C Li 교수와 그의 동료들의 선구적인 작업의 결과입니다 . 그들의 접근 방식은 지진이나 허리케인으로 제방이 무너지는 것과 같은 다중 위험 극한 하중 조건과 기후 변화로 인한 하중 증가의 미래 영향을 고려합니다. 목표는 UHPC나 ECC와 같은 고성능 재료에 대한 초기 투자를 정당화할 수 있는 최적의 설계를 개발하는 것입니다. 이는 원하는 수준의 회복성과 지속 가능성을 제공할 수 있습니다.

그림 3. 성능 중심 설계 접근 방식(PDDA)과 통합 구조 및 재료 설계 철학(ISMD)을 결합한 지속 가능한 인프라를 위한 통합 재료 설계 프레임워크.

UHPC 및 ECC의 많은 실제 적용이 거의 모든 유형의 건설 프로젝트에서 사용 가능하지만, 이러한 적용은 더 광범위하게 이루어져야 합니다. 이러한 재료의 사용 가능성 증가는 연구 개발, 표준화, 생산 확장성 및 시장 수요를 포함한 다양한 요인에 따라 달라집니다. 이러한 재료 중 일부는 상업적으로 사용 가능하지만, 다른 재료는 아직 연구 및 테스트 단계에 있습니다. 이러한 재료의 발전은 계속될 것으로 예상 되며 , 이점이 인식되고 수요가 증가함에 따라 향후 몇 년 동안 가용성이 증가할 가능성이 높습니다.

안전하고 지속 가능한 인프라를 향하여

탄소 발자국이 적고 재해 회복력이 향상된 새로운 시멘트 재료를 개발하고 채택하는 것은 미래를 위한 지속 가능하고 안전한 인프라 개발을 향한 중요한 단계입니다. 이러한 재료는 지진, 태풍, 폭발과 같은 자연 재해 동안 우수한 성능을 제공하는 동시에 기존 포틀랜드 시멘트의 환경적 영향을 줄입니다.

지오폴리머 콘크리트, 석회석 소성 점토 시멘트(LC3) 콘크리트, 초고성능 콘크리트(UHPC), 섬유 강화 복합재(FRC)는 유망한 재료입니다. 인식이 높아지고 규제가 지속 가능성과 회복력에 초점을 맞추면서 이러한 재료의 채택이 증가하여 보다 회복력 있고 환경 친화적인 건설 산업에 기여할 것으로 예상됩니다.

*Dhanada K Mishra has a Ph.D. in civil engineering from the University of Michigan and is currently based in Hong Kong, working for an AI start-up, RaSpect (www.raspect.ai). He writes on environmental issues, sustainability, climate crisis, and built infrastructure.