건축/환경에너지

Nikkei Architecture_2021.4.22 특집 요약 (p20-47)

콘크리트의 초(超)진화
DX와 탈산소로 가속

DX(디지털 트랜스포메이션)나 탈탄소가 콘크리트를 크게 바꾸려 하고 있다. 3D 프린터를 비롯한 디지털 기술이 지금까지의 ‘한계’를 깨고 있다. 탈탄소 대응에서는 제조 과정에서 배출되는 이산화탄소(CO₂)를 줄이는 것뿐 아니라 배출한 CO₂를 콘크리트에 고정해서 카본 마이너스를 목표하는 연구도 활발하다. 차세대를 개척하는 신소재 개발에서 ‘초 진화’를 이루고 있는 콘크리트의 최전선을 소개한다.

디지털①: PERI
Part 1. 독일의 3D프린터 활용
2층짜리 주택을 8일 만에 ‘인쇄’

세계 각국에서 기술 개발이 진행되고 있는 3D 프린터. 독일에 본사를 두고 있는 PERI는 불과 8일 만에 2층짜리 주택을 ‘인쇄’한다. 다양한 기업과 협력해 프린터나 재료의 개발, 재료 시험 등을 진행한 성과다.

디자인의 자유도 향상, 노동력 절감, 자원 절약, 공기 단축. 숨겨진 잠재 능력으로 건설업계에서 주목을 받고 있는 3D 프린터 기술. 해외에서는 이미 주택이나 다리 등을 3D 프린터로 ‘인쇄’하고 있는 사례가 많고, 실용 가능성을 크게 넓히고 있다.

독일 바이센호른에 본사를 두고, 일본을 포함해 세계 60개국 이상에 지사를 두고 있는 건설회사 PERI는 3D 프린터 기술 개발을 적극적으로 추진하고 있는 기업 중 하나다. 15년 무렵부터 기술 개발을 추진한 PERI는 20년에 독일 서부 도시 베쿰에서 독일 최초로 3D 프린터를 활용한 주택 건설에 착수했다고 발표했다.

PERI가 건설하는 주택은 2층짜리로, 연면적 약 160㎡다. 3D 프린터가 토출하는 두께 2cm, 폭 5cm의 콘크리트 층을, 높이 약 6.5m까지 겹겹이 쌓는다. 눈길을 끄는 것은 그 시공 속도다. PERI의 3D 프린터는 건물의 골조 공사를 불과 8일 만에 완성시켰다.

시공 현장에 상주하는 작업자는 3D 프린터의 동작을 확인하는 두 명뿐이다. 건설비는 같은 규모의 주택을 기존 공법으로 건설할 경우와 같은 정도였다. 프로젝트 책임자인 PERI의 파비앙(Fabian Meyer-Brötz) 씨는 “첫 시험이었는데도 불구하고 공기 단축, 노동력 절감 효과를 확인할 수 있었다. 실적을 계속 쌓는다면 시공 기간을 더욱 단축할 수 있다”라고 자신감을 보인다.

-- 건설현장을 ‘공장화’ --
PERI는 덴마크의 건설용 3D프린터업체 코보드(COBOD)와 3D 프린터 ‘BOD2’를 개발했다. 공장에서 프린트한 부재를 건설 현장으로 옮겨 조립하는 것이 아니라 시공 현장을 ‘공장화’할 수 있다는 점이 특징이다.

BOD2는 갠트리식을 채용하고 있다. 기둥(Column)과 보(Beam)로 구성되는 ‘유닛’으로 감싼 범위를, 노즐이 세로와 가로, 높이 방향으로 자유롭게 이동할 수 있다. 건물의 외벽 위치 등 설계한 BIM(건설정보모델링) 데이터를 판독하면, 노즐이 자유자재로 움직이며 건물의 골조를 프린트한다. 유닛은 1~2일 만에 조립할 수 있고, 높이 10m, 가로 15m, 세로 45m까지 확장할 수 있다.

파비앙 씨는 “BOD2를 사용하면 설계자가 세계의 어디에 있어도 BIM 데이터를 송신하기만 하면 어디서나 건물 등을 건설할 수 있게 된다”라고 설명한다.

-- 자동으로 벽에 개구(開口)를 만든다 --
3D 프린터가 제작할 수 있는 부재는 토출하는 콘크리트의 적층 경로가 교차되지 않고, 한번에 그릴 수 있는 것으로 한정된다. 공장에서 프린트한 부재를 조합하는 방법이라면 개구를 만들고 싶은 부분을 고려해 각각의 부재를 프린트해서 대응할 수 있다. 한편, 복수의 부재로 나누지 않고 골조를 프린트할 경우는 개구가 없는 단순한 ‘상자’가 되는 것이 과제였다.

이 과제를 해결하기 위해 PERI는 재료의 토출을 중단∙재개할 수 있는 노즐을 개발했다. 개구나 급수관 등을 통과시키는 공간을 미리 설계한 BIM 데이터를 프린터에 입력함으로써 개구를 만드는 부분에서는 노즐이 콘크리트의 토출을 자동으로 정지한다. 이러한 동작을 반복함으로써 적층해서 만든 벽에 사람이 손을 대지 않아도 개구를 만들 수 있도록 했다.

-- ‘특별한 재료는 사용하지 않는다’ --
-- 일본에서의 실용화도 고려 --

디지털②: 시미즈건설
Part 2. 3D 프린트로 곡면 기둥을 실현
독자 개발한 모르타르로 강도 확보

건설 현장에 도입하기 위해 국내에서도 기술 개발을 추진하고 있는 3D 프린터. 시미즈건설은 독자 개발한 섬유 보강 모르타르로 프린트한 매설 형틀을 실용화해, 높이 약 4m, 직경 2m 이상의 기둥을 8일 동안에 시공했다.

3D 프린터의 실용화를 목표로, 일본 국내에서도 다양한 기업이 기술 개발에 착수하고 있다. 시미즈건설도 그 중 하나다. 시미즈건설은 20년 7월에 시미즈건설 기술연구소 내에 ‘콘크리트 DX 랩’을 신설했다. 21년 2월에는 시미즈건설이 개발∙설계∙시공하는 ‘(가칭) 도요스 로쿠초메 4-2∙3 구획 프로젝트’에서 계획하고 있는 교통광장의 데크(Deck)를 지탱하는 4개의 기둥에, 3D 프린터로 제작한 매설 형틀을 사용했다고 발표했다.

기둥은 원형의 아랫부분에서 윗부분으로 가면서 꼬이면서 꽃잎 모양으로 넓어지는 특수한 모양이다. 높이 4.2m, 아랫부분의 직경은 2.2m, 윗부분의 직경은 2.7m다. 기둥의 매설 형틀은 수평 방향으로 3분할, 수직 방향으로 2분할 해서, 6개 조각으로 나눠서 ‘콘크리트 DX 랩’에서 제작한다. 첫 현장 도입이기 때문에, 프리캐스트 콘크리트(PCa)판 제작 공정을 따라 4주간의 양생 기간을 확보해 건설 현장에 반입했다.

매설 형틀은 콘크리트를 타설했을 때의 측압으로 형틀이 열리지 않도록 단관 파이프 등으로 고정. 그 후에 내부에 철근바구니를 설치하고 생콘크리트를 타설했다. 형틀 설치부터 생콘크리트 타설까지의 일련의 작업을 1단씩 실시해, 하나의 기둥을 약 8일 만에 시공했다. 매설 형틀은 그대로 기둥의 뒷마감으로서 이용할 예정이다.

-- 강도는 콘크리트 이상 --
매설 형틀의 프린트에 이용한 것은 시미즈건설이 독자 개발한 섬유 보강 모르타르 ‘LACTM(Laminatable Cement-based Tough Material)’이다.

락틈(LACTM)의 재료는 통상의 모르타르에 사용하는 시멘트와 모래에, 길이 6mm의 합성단섬유를 추가해서 점성과 경화 후의 인성을 높였다. 또한 고성능 감수제로 굳히는 시간을 제어하고, 실리카 퓸으로 강도를 올렸다. 락틈의 구조 성능은 압축 강도 110N/mm2, 휨강도 10N/mm2로, 일반적인 콘크리트보다 높은 강도를 확보했다. 프린트를 완료한 다음 날에는 시공이 가능한 강도가 된다.

시미즈건설은 이 매설 형틀에 콘크리트를 충전한 기둥 부재의 압축 강도를 측정하기 위해 로딩 실험을 실시했다. 그 결과, 구조 강도나 인성이 동일 단면 치수의 콘크리트 기둥의 성능을 웃돌았다.

시미즈건설이 개발한 3D 프린터는 노즐을 바꿈으로써 밀어내는 모르타르의 폭을 2~8cm까지 조정할 수 있다. 암이 닿는 직경 약 1.2m, 높이 2.1m의 범위라면, 복잡한 모양의 형틀이라도 제작할 수 있다. 시미즈건설은 앞으로 3D 프린터 자체를 이동시켜, 보다 큰 부재를 만드는 것도 검토하고 있다.

“3D 프린터와 락틈을 조합해서 특수한 모양의 형틀을 만듦으로써 시공 기간을 단축시킬 수 있었다. 앞으로는 락틈의 제조를 자동화해서 생산성을 더욱 향상시키고 싶다”(시미즈건설 기술연구소의 오구라(小倉) 주임연구원).

탈탄소①: 도쿄대학, 홋카이도대학 등
Part 3. CO₂와 폐콘크리트로 신소재
Moonshot형 연구개발 시동

해체한 건물의 폐콘크리트와 CO₂를 사용해 새로운 콘크리트를 만드는 프로젝트가 진행 중이다. 포틀랜드시멘트를 사용하지 않고, 수화반응조차 이용하지 않는다. 최장 10년의 프로젝트가 시작됐다.

콘크리트 공시체처럼 보이는 원통형의 물체. 실제로 직경 10mm정도 밖에 되지 않는다. 신소재 ‘Calcium Carbonate Concrete’(이하 CCC)다.

CCC는 폐콘크리트와 CO₂를 원료로 한다. “포틀랜드시멘트를 이용하지 않고, 수화반응도 하지 않는다. 전혀 새로운 콘크리트가 될 것이다”(연구팀의 프로젝트 매니저를 맡고 있는 도쿄대학 대학원의 노구치(野口) 교수).

이 프로젝트는 내각부가 추진하는 파괴적 이노베이션 창출을 목표하는 Moonshot형 연구개발 사업에 선정되었다. 최장 10년에 달한다. 도쿄대학과 홋카이도대학이 중심이 되어, 건설회사나 시멘트회사와 협력해 추진한다. 테마는 건설분야의 탄산칼슘 순환시스템의 연구개발이다. 열쇠가 되는 소재가 CCC다.

-- 폐콘크리트의 칼슘에 착안 --
포틀랜드시멘트는 생성 과정에서 원료인 석회석(탄산칼슘)에서 CO₂를 분리해 산화칼슘을 만든다(CaCO3→CaO＋CO2). CO₂ 배출은 숙명이다. 완성된 콘크리트는 서서히 표면에서 탄산화가 진행되며 탄산칼슘으로 돌아간다. 이른바 중성화다. 단, 그 깊이는 표면에서 수 cm 정도로, 설계수명 기간 중에 흡수하는 CO₂는 극히 일부다. 즉, 콘크리트 속에는 CO₂를 흡수할 수 있는 칼슘 자원이 풍부하게 존재한다. 연구팀은 이 칼슘에 주목했다.

-- 증발이나 온도 제어로 굳힌다 --
현재, 3개의 프로젝트가 진행 중이다. 프로젝트Ⅰ에서는 CCC의 부재 제조 원리를 개발한다. 그 방법은 칼슘 용액에 폐콘크리트 입자를 담가, 어떠한 방법으로 입자 사이에 탄산칼슘을 석출시켜 CCC를 만드는 이미지다.

탄산칼슘을 석출시키는 방법으로 수분의 증발이나 용액의 온도 제어 등을 검토하고 있다. 이미 작은 경화체는 완성됐다. “이를 어떻게 단기간에 에너지를 들이지 않고 실현할 수 있을지가 중요해진다”(노구치 교수).

프로젝트Ⅱ에서는 원료의 제조 방법을 연구한다. 제조 방법은 폐콘크리트의 파쇄물에 습기를 줘서 믹서로 섞는다. 섞을 때, 공기를 불어넣어 대기 중의 CO₂를 폐콘크리트 속의 칼슘과 반응시킨다고 한다.

프로젝트Ⅲ에서는 사회 실장을 위해 CCC 건축물의 구조설계법이나 성능평가법 등을 연구한다. CCC를 적용할 수 있는 구조물이나 콘크리트 제품의 종별 등을 검토해 수요가 어느 정도인지 추계한다.

연구팀은 22년까지 CCC가 기존의 콘크리트와 동등 이상의 성능을 갖는 것을 제시한다고 한다. 또한 30년까지 CCC를 이용해 저층 건축물을 건설할 계획이다. 최종적인 목표는, 과거에 시멘트 생산 시에 석회석에서 분리한 CO₂를 CCC로서 반영구적으로 고정하는 것이다.

탈탄소②: 미쓰비시상사
Part 4. 그린 콘크리트 구상
CO₂ 고정 기술에 투자

미쓰비시상사는 20년에 CO₂ 재이용 콘크리트 기술을 보유하고 있는 북미나 영국의 스타트업 기업 3사와의 협업을 추진했다. 생콘크리트나 골재 등의 제조에 관한 탈산소 기술을 조합해, CO₂ 고정량의 최대화와 사업규모의 최대화를 도모하는 ‘그린 콘크리트 구상’을 제시한다.

미쓰비시상사는 복수의 비즈니스 유닛을 횡단하는 CCUS(탄소포집∙활용∙저장) 태스크포스를 설립, 종합상사의 강점을 살려 복수의 산업에 걸친 CO₂ 순환 이용의 사업화를 추진하고 있다. 특히 콘크리트 사업은 CCUS 기술의 성숙도가 높고, 국내외에서 CO₂ 재이용 콘크리트의 상업화나 보급 확대를 목표하는 스타트업 기업이 증가하고 있다.

-- 300개 이상의 공장에 도입 실적 --
21년 1월에 미쓰비시상사가 자본 참여한 캐나다의 스타트업 카본큐어는 생콘크리트 제조 시에 액화 CO₂를 분사해, 탄산칼슘을 생콘크리트 내에 생성한다. 그 반응 촉진이나 강도 향상을 실현하는 기술을 보유한다. 공장에 이산화탄소 탱크와 주입 설비를 설치하면 이용 가능하다. 이미 북미에서 300개 이상의 공장이 도입하고 있다.

“통상의 생콘크리트보다 큰 강도를 발현하기 때문에 시멘트 양을 약 5% 삭감할 수 있다. 콘크리트 1㎥당 15~20kg의 CO₂ 삭감이 가능하다”(미쓰비시상사 CCUS 태스크포스의 다키가와(滝川) 씨).

시멘트량 삭감은 비용 절감으로 이어진다. 또한 콘크리트는 강알칼리성을 보이지만 분사한 CO₂와 칼슘이 반응함으로써 강알칼리성을 잃는다. 그러나 카본큐어의 기술에서는, 반응하는 칼슘이 그렇게 많지 않기 때문에 강알칼리성의 저하가 문제없도록 배려했다. 이 때문에 철근콘크리트 구조의 건축물을 비롯해 모든 시멘트 콘크리트 분야에서 이용 가능하다고 한다.

-- CO₂ 재생 골재를 제조 --
20년 9월에 협업 계약을 체결한 미국 Blue Planet은 CO₂ 재생 골재 제조의 실증 사업에 착수하는 스타트업 기업이다.

건설 현장에서 타설되지 않고 생콘크리트 공장으로 반송되는 콘크리트나 폐기 콘크리트를 골재와 칼슘으로 분리. 칼슘과 CO₂를 반응시켜 탄산칼슘을 생성한다. 그 조건을 제어해서 탄산칼슘의 결정 구조를 작은 돌멩이 정도의 크기까지 성장시키는 기술을 확립했다.

CO₂를 저농도로 이용할 수 있는 것도 특징이다. 폐기 콘크리트 대책과 골재 고갈의 과제를 해결하면서 CO₂ 고정도 완수한다.

21년 2월에 협업을 시작한 영국의 O.C.O. Technology는 Blue Planet과 마찬가지로 CO₂ 이용 골재의 제조기업이다. 영국에서 3개 공장이 가동 중이며, 상업화에도 성공했다.

쓰레기 소각장 등의 재에 포함되는 칼슘을 CO₂와 반응시키고, 동시에 소각재의 유해물질을 화학적, 물리적으로 고정화해서 골재를 제조한다. “집진재를 배출하는 기업은 O.C.O. Technology에 처리 비용을 지불하고 있다. 그 비용과 골재 판매로 사업화에 성공했다”(미쓰비시상사 CCUS 태스크포스의 나카무라(中村) 씨).

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