- 일경컨스트럭션_2021/7/12_차세대 새로운 콘크리트의 탄생日経コンストラクション
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- 저자 : 日経BP社
- 발행일 : 20210712
- 페이지수/크기 : 74page/28cm
요약
Nikkei Construction_2021.7.12 집중특집 2탄(p28~47)
차세대 새로운 콘크리트의 탄생
자기수축 없는 콘크리트, 슬래그 고화체, 부식 억제 콘크리트 등
골재와 시멘트, 물을 섞어서 수화 반응으로 경화시키는 콘크리트. 그 구성재료와 경화 메커니즘을 바꿔 새로운 성능을 부여한 ‘새로운 콘크리트’가 속속 생겨나고 있다. 자기수축이 거의 없는 콘크리트나 시공성이 뛰어난 슬래그를 이용한 고화체, 낫토균으로 부식을 억제하는 콘크리트 등이 있다.
이산화탄소 배출량 감축은 중요한 문제이지만, 미(未)이용 자원의 활용과 장기 내구성의 확보 시점 또한 간과해서는 안 될 것이다. 다양한 시점에서 환경부하 경감을 도모하는 새로운 콘크리트의 동향을 살펴본다.
Part 1. 사막의 모래들을 접착시켜 제조, 시멘트가 필요 없는 경화체
도쿄대학 생산기술연구소
도쿄대학 생산기술연구소는 품질이 낮아 거의 쓸모 없는 사막의 모래를 이용해 콘크리트 대체재를 만들려는 시도를 하고 있다. 굵은 골재의 돌이나 결합재가 되는 시멘트는 불필요하다. 과연 세계적으로 문제가 되고 있는 ‘모래 부족’의 해결책이 될 수 있을까?
모래, 자갈, 시멘트, 물처럼 비교적 쉽게 구할 수 있고 저렴한 소재로 만들어지는 콘크리트는 인프라 구조물에 필수적인 재료로서 오랫동안 자리매김해 왔다.
다만 앞으로도 영구적으로 사용할 수 있는 재료인지에 대해서는 의문이 든다. 원료가 되는 시멘트는 제조 시에 대량의 이산화탄소(CO2)를 배출하기 때문에 탈(脫)시멘트나 저(低)탄소화를 위한 기술 개발은 아직 추진 중에 있다. 또한 모래나 시멘트 재료가 되는 석회석은 고갈될 우려가 있으며, 이미 현실로 직면한 국가도 있다.
그런 가운데, 도쿄대학 생산기술연구소의 사카이(酒井) 부교수는 콘크리트에 사용되지 않는 소재를 이용해 콘크리트를 대체하는 경화체를 만들기 위한 연구 개발을 추진하고 있다. 그것은 시멘트나 수지 등을 이용하지 않고, 사막의 모래들을 서로 접착시키는 기술이다. 사막의 모래는 입자가 미세하고 균일한 크기의 입자로 대부분 구성되어 있어 콘크리트 재료에 적합하지 않았다.
원료는 모래를 제외하고는 알코올과 촉매뿐이다. 이들을 밀폐용기에 넣어 가열∙냉각하고, 모래의 화학 결합을 절단 및 재생함으로써 경화체를 제조한다. 본격적인 개발을 시작한 지 수 개월 밖에 지나지 않았지만, 현 시점에서 1㎟당 8N의 압축 강도를 확보하는데 성공했다.
-- 물을 남겨서 화학적 평형 상태로 --
“산업기술종합연구소가 모래로부터 유기규소 원료를 제조하는 기술을 이미 개발한 상태이며, 그 점에서 아이디어를 얻었다”라고 사나이 부교수는 말한다.
모래에 포함된 주성분인 이산화규소(SiO2)와 알코올(ROH)을 반응시키면, 테트라알콕시실란(Si(OR)4, 규소화합물)과 물(H2O)이 생성된다. 테트라알콕시실란은 전자 디바이스 보호막이나 절연막 원료 등으로 쓰이는 유기규소의 원료이다.
단 테트라알콕시실란을 생성해도 물과 반응해 이산화규소와 알코올로 되돌아가는 가역반응이 곧바로 일어난다. 이에, 물을 제거하고 테트라알콕시실란을 효율적으로 얻을 수 있는 기술을 개발한 것이 산업기술종합연구소이다.
한편, 사카이 부교수는 일부러 물을 남김으로써, 화학적인 평형 상태를 만들 수 있다는 점에 주목했다. 이산화규소(고체)와 테트라알콕시실란(액체)이 공존할 수 있게 만드는 것이다.
이 때 테트라알콕시실란은 물과 반응하여 젤 상태의 물질이 되어 이산화규소의 입자와 입자 사이에 들어가 접착제와 같은 역할을 한다. 냉각하면 최종적으로 모래 입자의 틈새를 채워 접착함으로써 경화체의 강도가 높아지는 구조이다.
-- 폐유리로도 경화체를 만들 수 있다 --
사용 가능한 재료는 모래에만 국한되지 않는다. 폐유리 등 이산화규소를 포함하고 있는 재료라면 똑같이 경화시킬 수 있다.
“촉매에 수산화칼륨 등을 사용해, 약 200℃로 가열 후에 하룻밤 두면 덩어리가 되어 있다” 라고 사카이 부교수는 말한다. 1,000℃ 이상이 필요한 용융 등에 비하면 가열 온도가 낮으므로 CO2의 배출량을 억제할 수 있다.
모래에 의한 경화체에는 시멘트 페이스트가 없기 때문에, 시멘트 경화체가 갖고 있는 결점을 피할 수 있다. 칼슘이 녹아 나오는 일이 없는 다공질이어서 건습에 강하고, 부피의 변화가 쉽게 생기지 않으며, 산 등의 약품에 강하다--- 라고 하는 특징이 있어, 높은 내구성을 기대할 수 있다. 반복해서 이용이 가능한 점도 특징이다.
실용화를 위한 향후의 연구과제는 강도 향상 및 경화체의 대형화 등이다. 강도에 대해서는 예를 들어 젤 상태의 생성물인 테트라알콕시실란이 이산화규소로 되돌아가도록 반응을 촉구하는 대책을 생각할 수 있다. 앞서 말한 화학식 평형상태에서 알코올을 제거함으로써 그 반응을 촉진시켜 경화체의 강도를 높인다.
이 밖에 모래의 입도(粒度) 분포를 최적화는 등으로 강도를 높이는 방법도 있다. “가능한 한 에너지를 사용하지 않는 방법을 찾아내어 실용화에 접근하고 싶다”(사카이 부교수).
대형화에 대해서는 보다 용량이 큰 제조장치로 실험을 실시할 예정이다. 대형이라고 해도 물성에 큰 변화가 생기지 않는지를 검증할 방침이다.
-- 식물과 해양 쓰레기를 콘크리트로 --
사카이 부교수는 모래로 구성된 경화체 이외에도, 식물이나 플라스틱을 재료를 이용하는 콘크리트 대체재의 개발을 추진하고 있다.
예를 들면, 바이오 아파타이트(시가 현)와 공동으로 개발한 보태니컬 콘크리트에서는 식물을 이용한다. 콘크리트의 기왓조각과 폐목재 등을 분쇄해 1대 2의 비율로 혼합. 물을 추가해 가열하면서 압축, 성형하여 제조한다.
목재의 주성분인 ‘리그닌’이 녹으면서 접착제와 같은 작용을 한다. 리그닌 함유율이 높을수록 굴곡강도가 높아지는 경향이 있다. 가장 강도가 낮은 대나무를 이용한 보태니컬 콘크리트에서도 일반적인 포장용 콘크리트의 굴곡강도인 5N/㎟의 5배 이상을 나타낸다.
또한, 백색부후균 등 특정균으로 생분해가 가능하기 때문에 반복적으로 사용할 수 있다. 그러나 장기간 사용하기 위해서는 방부 처리 등을 실시할 필요가 있다. 현재, 카스토퍼에 채택하는 것을 검토 중에 있으며, 가설 주택으로의 활용도 시야에 넣고 있다.
사카이 부교수는 그 외에 플라스틱 분말과 콘크리트의 기왓조각과 잔해를 분쇄한 재료를 모아서 만드는 ‘플라스틱 콘크리트’의 개발도 추진한다. 지금 화제가 되고 있는 미세 플라스틱을 포함한 해양 쓰레기를 콘크리트의 원료로 하는 연구도 추진하고 있다.
Part 2. 낫도균으로 콘크리트 오래 지속, 자기치유와 더불어 철근 부식 억제
에히메대학 외
자기치유 콘크리트는 열화되어도 스스로 치유해 리뉴얼 공사를 줄일 수 있으므로 탈탄소의 일익을 담당할 것으로 기대되고 있다. 양산화에 성공한 아이자와고압콘크리트에 이어 에히메(愛媛)대학 등이 낫토균을 사용한 자기치유재 개발을 추진. 생물의 대사작용을 이용해 철근 부식도 막는 새로운 타입이다.
에히메대학과 해상∙항만∙항공기술연구소 항만공항기술연구소, 안도(安藤)하자마는 공동으로 미생물을 혼입한 자기치유 콘크리트 개발을 추진하고 있다.
자기치유 콘크리트라고 하면, 국내에서는 아이자와고압콘크리트(홋카이도)의 기술을 떠올리는 독자가 많을 것이다. 박테리아와 먹이인 폴리 젖산을 가루 상태로 만든 자기치유화제 ‘바질리스크(Basilisk)’를 반죽할 때 섞어 넣는 콘크리트다. 균열로부터 침입한 물이 박테리아를 활성화시켜 대사물질인 탄산칼슘으로 손상부를 막는다.
에히메대학 등이 개발하는 자기치유 콘크리트에서는 고초균의 일종인 낫토균을 보수재로 이용한다. 낫토균은 콘크리트처럼 높은 pH치의 환경에서도 높은 내성을 갖고 있는 균이며, 이산화탄소를 배출하고 탄산칼슘을 석출해 균열을 메운다. 그 메커니즘은 아이자와고압콘크리트의 것과 다르지 않다.
그러나 낫토균을 이용한 기술 효능은 그 뿐만이 아니다. 에히메대학 등은 ‘균의 호흡’을 통해 철근 부식의 억제도 노린다. 철근은 염화물이온의 침투로 부동태 피막이 파괴됨(아노드 반응)과 동시에, 생성된 전자를 소비하는 음극반응이 여과없이 일어나 부식된다.
지금까지는 아노드 반응을 촉구하는 염화물이온의 침투를 억제하기 위한 대책이 많았다. 예를 들면, 콘크리트 표면에 피복재나 철근에 염분 흡착제 등을 추가하는 방법이다. 그러나, 염해 환경에서는 그 어떤 방법을 선택해도 염화물이온의 침투를 완벽하게 막을 수 없었다.
이에 주목한 것이 또다른 음극반응의 억제이다. 이 반응에 필요한 산소를 줄이기 위해 균을 이용한다.
“콘크리트 속의 산소를 호기성 미생물의 대사로 줄여 철근 부식을 억제한다. 이것은 세계에서도 첫 대응일 것이다” 라고 공동 개발자 중 1명인 항만공항기술연구소 재료연구그룹의 니시다(西田) 주임연구관은 설명한다.
-- 프리캐스트로의 실용화를 목표로 한다 --
Part 3. 슬래그와 해수의 신 콘크리트, 반죽 후 2시간 동안이나 유동성 확보
오쿠무라구미 토목흥업 외
앞으로의 콘크리트에 요구되는 것은 ‘탈탄소’ 뿐만이 아니다. 오쿠무라구미(奥村組) 토목흥업 등이 개발한 ‘슬래그 고화체’에서는 산업 부산물인 철강 슬래그를 사용해 제조 시의 이산화탄소를 거의 제로로 할 수 있다는 점 외에도, 슬럼프 로스가 적다는 점을 내세우고 있다. 그 의도는 무엇일까?
오쿠무라구미 토목흥업이 중력식 축대의 콘크리트를 자사의 공장 내에 타설했다. 보기에는 평상적인 콘크리트이지만, 배합한 재료는 특이하다. 시멘트를 전혀 사용하지 않고, 골재나 결합재는 모두 산업 부산물인 철강 슬래그를 사용. 게다가 이것들을 반죽하는데 일반 물이 아닌 해수를 사용하고 있다.
이것은 오쿠무라구미 토목흥업과 스페이스K(도쿄)가 공동으로 개발한 ‘슬래그 고화체’이다. 원자재 제조 과정에서 발생하는 이산화탄소(CO2)를 일반 콘크리트 대비 최대 99% 감축할 수 있다.
수화 반응을 촉진하는 시멘트를 이용하지 않기 때문에 강도의 확보가 과제였다. 오쿠무라구미 토목흥업은 당초에 수산화나트륨 자극제를 섞을 필요가 있다고 생각했다. 다만 실험 과정에서 강도 발현에 약간의 지연은 있었지만 바닷물만으로도 충분한 것으로 나타났다. 해수 중의 염화물이온이 조강성(早强性)에, 황산 이온이 강도 증진에 효과가 있는 것으로 보인다.
재령 28일에서의 압축 강도는 수미분말비 34%로, 35 N/㎟ 정도였다. 단위수량이 다른 경우에도 같은 강도특성을 나타냈다.
슬래그 고화체는 앞에서 언급한 중력식 축대 외에도, 주차장의 콘크리트 포장으로의 실적이 있다. 폴리프로필렌 섬유를 첨가하여 굽힘강도 4.5N/㎟를 확보할 수 있었다. 섬유의 첨가율이 0.4%일 경우, 승용차를 40대 주차한 후에도 균열이 생기지 않았다.
-- 슬럼프 로스는 거의 없다 --
Part 4. 자기수축과 건조수축이 거의 없어, 시멘트를 사용하지 않는 구조 부재로
미쓰이스미토모건설
제조시에 대량의 이산화탄소를 배출하는 시멘트를 사용하지 않아도, 구조 부재로서의 압축 강도를 확보할 수 있는 콘크리트가 서스틴크리트이다. 단위 수량을 줄여 특수한 골재를 사용함으로써 초기의 균열로 연결되는 자기수축과 건조수축을 거의 제로로 억제할 수 있다.
시멘트를 사용하지 않아도 고강도를 실현할 수 있는 콘크리트 ‘서스틴크리트’를 개발한 미쓰이스미토모건설. 탈탄소 사회에서 ‘시멘트 제로’가 각광을 받고 있는 가운데, 이 콘크리트의 최대의 특징은 균열 원인이 되는 자기수축과 건조수축이 거의 제로라는 점이다.
“균열의 리스크를 큰 폭으로 줄일 수 있기 때문에 내구성이 높아진다. 라이프 사이클을 통해 탄소중립에 기여하는 기술이다. 국토 강인화로도 연결된다”. 이렇게 설명하는 것은 미쓰이스미토모건설 기술본부의 마쓰다(松田) 건설기반 기술부장이다.
서스틴크리트는 원래 시멘트를 이용한 초고강도 콘크리트 개발에서 비롯되었다. 개발 목적은 처음부터 ‘자기수축을 하지 않는 콘크리트’였다. 타사보다 개발에 시간을 들여 자기수축을 하지 않는 1㎟당 200N의 압축 강도를 자랑하는 콘크리트를 탄생시켰다.
그리고 그 다음에 목표로 한 것이 시멘트 제로이다. 시멘트를 플라이애쉬 등의 산업 부산물로 모두 교체해 소량의 팽창재의 첨가로, 재령 28일에 70N를 확보할 수 있다는 것을 알게 되었다. 시멘트를 사용하지 않는 콘크리트를 구조 부재에 이용할 수 있다는 점을 어필해 타사와의 차별화를 도모할 예정이다.
프레스토레스트 콘크리트(PC) 교량에서는 긴장재가 헐거워지는 것에 대한 설계 배려가 필요하다. 수축이나 크리프가 적은 서스틴크리트로는 그러한 영향을 억제할 수 있다”(마쓰다 건설기반 기술부장)
-- 골재에 페로니켈 슬래그 --
Part 5. 내열성, 내산성이 뛰어난 지오폴리머, '제로 시멘트'의 실용화 진행
오바야시구미 외
수화 반응과는 다른 메커니즘으로 경화되는 지오폴리머. 시멘트를 사용하지 않는 콘크리트의 대체재로서 일찍부터 이산화탄소의 배출 삭감 효과가 주목받고 있었다. 최근에는 오바야시구미(大林組) 등이 고온의 슬래그를 놓는 옹벽에 채택. 일반 콘크리트보다 높은 내열성을 가진다는 인상을 남겼다.
시멘트를 사용하지 않는 경화체로서 저탄소 사회의 실현에 기여함으로써 일찍부터 기대를 모으고 있는 재료가 지오폴리머다. 실용화가 해외에서 선행해, 오스트레일리아에서는 공항 에이프런에서 채택되었다. 국내에도 철도침목 및 하수도 집수통 등 2차 제품으로 구현되어 있다.
지오폴리머의 구성 재료는 크게 3가지. 골재와 석탄화력발전소에서 나오는 플라이애쉬, 제철소에서 배출하는 고로 슬래그 미세분말 등 활성 필러, 규산나트륨용액(물유리)와 수산화나트륨 등을 섞은 알칼리 활성제 용액이다.
고화(固化)의 메커니즘은 시멘트에 의한 수화 반응으로 굳게 되는 콘크리트와는 전혀 다르다. 활성 필러로부터 용출한 금속 이온이 알칼리 활성제 용액 등과 접하면 폴리머화. 활성 필러 입자를 무기질의 접착제로 굳힌 것 같은 구조가 된다.
국내에서는 2015년에 일본콘크리트공학회가 ‘건설분야에 대한 지오폴리머 기술 적용에 관한 연구위원회’를 발족하고 2007년도에는 토목학회 콘크리트위원회가 ‘토목분야에서의 지오폴리머 기술 실용화 추진을 위한 연구소위원회’ (위원장: 이치노미야 오이타공업고등학교 교수)를 설립했다. 성능 규정형 설계법의 적용조사나 기준류 작성을 위한 여러 나라의 정보 정리 등을 추진하여 지오폴리머 구현을 서두르고 있다.
다만, 최근에 들어 지오폴리머의 환경이 변하고 있다. 탈탄소 사회를 응시한 석탄 화력 발전소의 축소로 인해, 부산물인 플라이애쉬의 생성량이 줄어 들 가능성이 높아지기 시작했다. 이치노미야 교수는 이 점에서 지오폴리머의 실용화에 일말의 불안감을 느낀다고 했다. 그러나 플라이애쉬의 대체 재료 발견을 통해 지오폴리머를 실용화할 수 있도록 소위원회에서는 설계 등의 프레임을 구축하고 싶다고 말한다.
대체 재료로는 왕겨나 팜오일, 유리, 슬래그, 도시폐기물 소각재, 하수 오니, 수처리 시설 슬러지 등을 들 수 있다. “실리카나 알루미나를 비교적 많이 포함하고 있는 재료가 플라이애쉬의 대체재가 될 가능성이 높다”(이치노미야 교수)라고 한다.
-- 지오폴리머 전용 혼화재 개발 --
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