현대 시멘트의 발전과 한계

 

 

목차

• 1. 현대 시멘트의 탄생과 발전
• 2. 현대 시멘트의 제조 공정
• 3. 현대 시멘트의 문제점
• 4. 로마 콘크리트 같은 재료를 쓰지 않는 이유
• 5. 문제 해결을 위한 연구와 노력

1. 현대 시멘트의 탄생과 발전

포틀랜드 시멘트의 발명

현대 시멘트의 역사는 1824년 영국의 조셉 애스프딘(Joseph Aspdin)이 발명한 포틀랜드 시멘트에서 시작됩니다. 그는 석회석(CaCO₃)과 점토를 혼합하여 가열한 후 분쇄하는 방식으로 강도가 높고 내구성이 우수한 재료를 개발했습니다. 이 시멘트는 영국의 포틀랜드 섬의 석재와 유사한 색상과 질감을 가져 "포틀랜드 시멘트"라는 이름이 붙었습니다.

산업 혁명 이후 시멘트 기술의 발전

산업 혁명 이후 포틀랜드 시멘트의 생산과 사용이 폭발적으로 증가했습니다. 특히 로타리 킬른(Rotary Kiln)과 같은 새로운 생산기술이 도입되면서 대량 생산이 가능해졌고, 다양한 유형의 시멘트( 빠른 경화, 고강도, 내화성 등)가 개발되었습니다. 이러한 발전은 도시화와 산업화의 기반이 되었으며, 현대 건축과 토목 공학에 혁신을 가져왔습니다.

 

*로타리 킬른(Rotary Kiln):시멘트 생산에서 원료를 고온으로 가열해 소결 과정을 진행하는 회전형 가마

2. 현대 시멘트의 제조 공정

주요 성분과 화학적 원리

현대 시멘트는 주로 석회석(CaCO₃), 점토, 규사(SiO₂), 철광석(Fe₂O₃) 등으로 구성됩니다. 이 재료들은 높은 온도(1,450℃ 이상)에서 가열되어 클링커(Clinker)라는 소결 된 덩어리를 형성합니다. 클링커는 석고(CaSO₄)와 혼합되어 분쇄되며, 이 과정에서 포틀랜드 시멘트가 완성됩니다.

클링커와 수화 반응

시멘트가 물과 접촉하면 수화 반응(시멘트 입자와 물이 화학반응을 일으켜 새로운 결합 구조를 형성하는 과정으로, 경화와 강도를 제공함)이 일어나면서 경화 과정을 시작합니다. 이 과정에서 다음과 같은 주요한 화학반응이 나타납니다.

• 칼슘 실리케이트(C3S, C2S): 강도의 주요 원천이며, C-S-H(칼슘 실리케이트 수화물)을 형성.
• 칼슘 수산화물(Ca(OH)₂): 알칼리성을 제공하며, 철근 부식을 방지하는 역할.

수화 반응으로 인해 시멘트는 점차 단단해지고, 구조적 강도를 갖추게 됩니다.

3. 현대 시멘트의 문제점

탄소 배출의 주요 원인

현대 시멘트 산업은 전 세계 CO₂ 배출의 약 8%를 차지하며, 다음과 같은 이유로 탄소가 배출됩니다.

1. 석회석의 분해: CaCO₃ → CaO + CO₂. 이 반응에서 다량의 CO₂가 방출됩니다.
2. 고온 가열: 클링커를 생성하기 위해 약 1,450°C의 고온이 필요하며, 이 과정에서 화석 연료가 사용됩니다.
3. 에너지 사용: 생산 공정 전반에서 전력과 열 에너지가 소비됩니다.

내구성과 열화 문제

현대 콘크리트는 초기 강도는 우수하지만, 시간이 지나면서 열화(degradation)가 발생합니다. 균열, 물 침투, 철근 부식 등의 문제가 발생하며, 유지보수 비용이 크게 증가합니다. 이는 로마 콘크리트의 내구성과 대비되는 현대 시멘트의 한계입니다.

환경적 영향

현대 시멘트의 생산은 미세먼지, SO₂, NOₓ 등의 대기오염 물질도 배출합니다. 또한, 폐기물 문제와 자원 고갈로 인해 지속 가능성이 의문시되고 있습니다.

4. 로마 콘크리트 같은 재료를 쓰지 않는 이유

로마 콘크리트는 주로 화산재와 석회, 바닷물을 혼합한 모르타르를 사용하여, 화산암과 같은 골재 위에 부어 제작되었습니다. 이러한 방식은 당시의 건축 기술과 재료에 최적화되어 있었지만, 현대 건축 방식과는 차이가 있습니다. 현대 건축에서는 철근 콘크리트 구조가 일반적이며, 철근과 시멘트 기반의 콘크리트를 함께 사용하여 높은 인장 강도와 압축 강도를 갖습니다. 로마 콘크리트는 이러한 철근과의 결합에 최적화되어 있지 않아, 현대의 구조적 요구 사항을 충족하기 어렵습니다.

또한, Pozzolana와 같은 천연 재료는 지역적 편재성이 강하여 이를 채굴하고 가공하는 비용이 현대 시멘트보다 높습니다. 거기에 로마 콘크리트의 경화 속도가 느려 대규모 건축을 빠르게 증축하기가 어렵습니다. 이러한 이유들로 인해, 로마 콘크리트의 우수한 내구성에도 불구하고 현대 건축에서는 주로 포틀랜드 시멘트를 기반으로 한 콘크리트를 사용하고 있습니다.

최근에는 로마 콘크리트의 자가 치유 능력과 내구성에 대한 연구가 진행되고 있으며, 이를 현대 건축 재료에 적용하려는 노력이 이어지고 있습니다. 지난 글에서 언급한 것과 같이, 로마 콘크리트에서 발견된 석회 쇄설암이 콘크리트의 자가 치유 능력에 기여한다는 연구 결과가 있습니다.

5. 문제 해결을 위한 연구와 노력

저탄소 시멘트와 대체재 개발

과학자들은 탄소 배출을 줄이기 위해 다양한 대안을 연구하고 있습니다.

• 플라이 애쉬(Fly Ash): 석탄 화력발전소에서 석탄을 연소시킨 후 발생하는 부산물로, 주로 실리카(SiO₂)와 알루미나(Al₂O₃)를 포함한 플라이 애쉬(Fly Ash)를 활용하여 시멘트 대체제로 사용. 이 과정에서 시멘트 제조에 필요한 클링커 사용량을 줄여 탄소 배출이 감소하며, 화석 연료 사용도 절감됩니다.
• 고로슬래그(Ground Granulated Blast-Furnace Slag): 철강 산업에서 고로(高爐) 공정 중 발생하는 부산물로, 주로 규산염(Silicates)과 알루미나(Alumina)를 포함합니다. 이 부산물을 미세하게 분쇄하여 시멘트와 혼합하면 클링커의 사용량을 줄일 수 있어, 시멘트 제조 과정에서 발생하는 CO₂ 배출량을 효과적으로 감소시킵니다. 또한, 고로슬래그는 콘크리트의 내구성을 향상시키고, 수화 열을 줄여줍니다.
• 지오폴리머(Geopolymer): 전통적인 포틀랜드 시멘트 없이 알칼리 활성 재료를 사용하는 대체 시멘트 기술입니다. 지오폴리머는 실리카(SiO₂)와 알루미나(Al₂O₃)가 풍부한 천연 자원 또는 산업 부산물을 알칼리 용액으로 활성화하여 제조됩니다. 이 방식은 클링커의 사용을 완전히 배제하여 시멘트 생산 과정에서 발생하는 탄소 배출을 크게 줄입니다. 또한, 지오폴리머는 제조 온도가 낮아 화석 연료 사용이 줄어드는 동시에, 내구성과 내화성이 뛰어납니다.

탄소 포집 및 저장 기술(CCS)

탄소 포집 및 저장 기술은 시멘트 공장에서 배출되는 CO₂를 포집하여 저장하거나 재활용하는 방안입니다. 이 기술은 대규모 시멘트 생산시설에서 사용될 가능성이 크며, 탄소 배출 감소의 핵심 기술로 평가받고 있습니다.