재활용 시멘트는 강도를 늦추지 않고 배출량을 줄인다

상파울루 대학과 프린스턴 대학의 엔지니어들은 철거 후 건축 자재에 새 생명을 불어넣기 위해 시멘트 폐기물을 재활용하여 업계 표준과 성능이 비슷한 지속 가능하고 탄소 배출이 적은 대안을 개발했습니다.

시멘트 및 콘크리트 산업의 탄소 강도를 낮추는 것 외에도 이 공정은 콘크리트가 중요한 구성 요소인 건설 및 철거 폐기물에 대한 새로운 용도를 가능하게 할 수 있습니다. 2018년 미국에서 건설 및 철거 폐기물의 총량은 가정 폐기물의 두 배 이상이었습니다.

"건설 폐기물은 일반적으로 매립지로 가거나, 재활용되는 경우 포장도로나 토양과 같은 저급 응용 분야에 사용됩니다." 상파울루 대학교의 토목 및 도시 건설 공학 교수이자 연구 책임자인 세르지오 앙굴로는 말했습니다. "실제로 이 회수된 시멘트 폐기물을 고품질 응용 분야로 재활용할 수 있다는 것을 보여주는 것은 흥미로운 일입니다."

ACS Sustainable Chemistry & Engineering 에 게재된 논문에서 연구자들은 이 재활용 시멘트를 최대 80%까지 함유한 혼합물이 기존 포틀랜드 시멘트만큼 강하면서도 탄소 배출량은 일부에 불과하다는 것을 입증했습니다. 포틀랜드 시멘트는 콘크리트를 만드는 데 사용되는 가장 일반적인 바인더이지만, 높은 탄소 강도가 시멘트 및 콘크리트 산업이 전 세계 배출량의 약 8%를 차지하는 주된 이유입니다.

시멘트를 대체하는 다른 신기술과 함께 완전히 실현되고 배치된다면, 연구자들은 시멘트 산업의 배출량을 최대 61%까지 줄일 수 있다고 추정했습니다. 추정된 감소는 Global Cement and Concrete Association이 클링커 대체 접근 방식으로 가능할 것이라고 예상한 9%의 배출량 감소를 훨씬 넘어섰습니다.

공동 저자이자 토목 및 환경 공학 교수이자 Andlinger Center for Energy and the Environment의 Claire White는 "여기서 획기적인 점은 포틀랜드 시멘트 자체와 본질적으로 동일한 단기 및 장기적 특성을 얻을 수 있고, 재활용 재료로 구성된 저탄소 대안을 얻을 수 있다는 것입니다."라고 말했습니다.

재활용 시멘트 자체(왼쪽), 일반 포틀랜드 시멘트(가운데), 연구자들이 재활용 시멘트와 미세 분쇄 포틀랜드 시멘트를 최적화한 혼합물(오른쪽)을 물을 첨가하기 전에 비교한 것입니다. 최적화된 시멘트 혼합물은 일반 포틀랜드 시멘트와 유사한 물 요구량, 강도 증가 및 작업성을 보여주지만 탄소 배출량은 훨씬 적습니다. (사진은 상파울루 대학교에서 Angulo와 함께 일하는 박사 과정 학생인 제1 저자 Mateus Zanovello의 제공)

원형 시멘트 활성화

재활용 방식의 핵심은 열입니다.

콘크리트를 미세한 가루로 분쇄하거나 으깬 후(연구원들은 매년 생산되는 5기가톤의 콘크리트 폐기물 중 약 1기가톤의 이 가루를 산업계에서 회수할 수 있다고 추정했습니다) 팀은 이를 500°C로 가열했습니다. 이 온도는 시멘트 가루를 탈수하고 바인더로서의 특성을 회복하기에 충분히 높았지만, 재료의 탄산염 성분이 분해되는 것을 방지하기에 충분히 낮았습니다. 분해되면 이산화탄소가 추가로 배출됩니다.

이 '열활성화' 시멘트는 그 자체로 콘크리트를 만드는 데 사용될 수 있지만, 연구자들은 혼합 과정에서 표면적이 크고 물 수요가 높아 최종 재료가 다공성이 높고 강도가 약하다는 것을 발견했습니다. 그러나 재활용 시멘트를 소량의 미세 분쇄된 포틀랜드 시멘트나 석회암과 결합하면 결과적으로 나온 시멘트 바인더는 산업 표준과 동등한 강도 증가와 작업성을 보였습니다.

강도가 향상되는 이유는 미세 분쇄된 포틀랜드 시멘트나 석회암이 재활용 시멘트의 기공을 물이 아닌 다른 재료로 채워 전체적인 물 수요를 줄이고, 심지어 혼합 과정 후에 수화 생성물이라는 새로운 제품을 형성하여 재료의 강도를 높이기 때문입니다.

"이전에는 열활성 재활용 시멘트만 사용했다면 수용 가능한 대체재가 될 만큼 성능이 좋지 않았습니다."라고 White는 말했습니다. "하지만 표면적을 낮추고 재료의 미세 구조에서 입자의 패킹을 최적화함으로써 포틀랜드 시멘트와 상당히 비슷한 성능을 보이는 것을 얻을 수 있었습니다."

재활용 시멘트 그 자체(왼쪽), 일반 포틀랜드 시멘트(가운데), 연구자들이 재활용 시멘트와 미세 분쇄 포틀랜드 시멘트를 최적화하여 혼합한 것(오른쪽)을 물을 첨가한 후의 비교입니다(사진 제공: Mateus Zanovello).

이 공정은 건설 폐기물을 재활용하기 때문에 연구자들은 이 공정이 다른 신생 저탄소 시멘트 대안보다 탄소 배출량을 줄이는 동시에 세계를 보다 순환적인 탄소 경제로 이끌 수 있다고 말했습니다. 예를 들어, 이 논문에서 연구팀은 그들의 시멘트가 미터톤당 198~320kg의 이산화탄소를 배출한다고 추정하는데, 이는 석회석 소성 점토 시멘트(LC 3)로 알려진 상업적으로 이용 가능한 저탄소 대안보다 최대 40% 적은 배출량입니다.

"이 기술을 사용하면 도시가 오늘날보다 훨씬 더 원형이 될 수 있다고 상상할 수 있습니다." Angulo가 말했습니다. "철거된 인프라의 자재는 새로운 건물 프로젝트에 직접 사용될 수 있습니다."

이러한 이점에도 불구하고 Angulo와 White는 이 기술이 광범위하게 배포되기 위해서는 몇 가지 기술적, 경제적, 정책적 장애물이 있다는 점을 지적했습니다.

예를 들어, 그들은 재활용 시멘트를 확장하려면 매립지보다는 순환성을 고려하는 철거 폐기물 분류 및 처리에 대한 더 나은 접근 방식이 필요하다고 설명했습니다. 이 기술은 또한 주로 새 건물이 있는 빠르게 개발되는 지역 대신 노후 건물 재고의 안정적인 공급이 있는 성숙한 도시에서 가장 실용적일 것입니다.

마지막으로, 포틀랜드 시멘트가 콘크리트 생산의 주요 바인더였을 때 개발된 건축 규정은 특정 시멘트 구성을 지정하는 '레시피 기반' 표준에서 성능 기반 요구 사항에 초점을 맞춘 표준으로 업데이트되어야 합니다. Angulo는 유럽과 라틴 아메리카의 여러 국가가 이미 그러한 성능 기반 표준을 채택하기 시작했으며, 이를 통해 그가 연구하는 재활용 시멘트뿐만 아니라 광범위한 저탄소 대안의 사용이 허용될 수 있다고 말했습니다.

"브라질에서는 이미 비구조적 건물 외피와 바닥에 대한 성능 기반 표준을 구현하기 시작했습니다."라고 Angulo는 말했습니다. "건설 규정을 업데이트하는 것은 건설 부문의 혁신을 허용하는 데 중요합니다."

지속적인 협력을 위한 기반 마련

재활용 시멘트에 관한 연구는 앵굴로가 2023년부터 1년간 화이트의 연구 그룹에 방문 연구원으로 프린스턴에 오면서 형성된 협업의 결과입니다.

두 연구자는 앙굴로가 브라질로 돌아온 후에도 계속 진행되고 있는 협력을 통해 새로운 연구 역량과 관점이 생겨 그룹의 작업이 개선되었다고 말했습니다.

Angulo의 경우, 총 X선 산란과 같은 특성화 기술에 대한 White의 전문 지식을 활용함으로써 그가 연구하는 재료의 구동 메커니즘을 더 잘 이해하는 데 도움이 되었습니다. 예를 들어, White와 Angulo는 Angulo의 방문 중에 열 활성화를 거치면서 재료의 원자 구조가 어떻게 변하는지 더 잘 이해하는 데 도움이 되는 실험을 수행했습니다. 이를 통해 여러 사이클 사용에 따른 재활용 시멘트의 내구성과 그것이 진정한 '원형' 재료인지 여부에 대한 질문에 답하는 데 도움이 될 것입니다.

화이트의 경우, 이 협업을 통해 그녀는 저탄소 콘크리트에 대한 광범위한 배경 지식에도 불구하고 이전에는 공부하지 않았던 시멘트 분야에서 일할 수 있었습니다. 재활용 시멘트 프로젝트를 넘어서, 화이트는 Angulo의 방문이 그녀의 그룹에 재활용 시멘트의 세계에서 멀리 떨어져 있는 것처럼 보이는 프로젝트조차도 많은 프로젝트에 대한 완전히 새로운 관점을 제공했다고 말했습니다.

"이 협업은 양방향으로 이점을 가져왔습니다."라고 White는 말했습니다. "Sergio는 자신의 도메인 지식을 가져왔고, 저희 그룹은 고급 특성화 기술에 대한 전문 지식을 가져왔으며, 함께 이 소재에 대한 가장 큰 과제 중 일부를 해결할 수 있었습니다."

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2025/03/250320145018.htm