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- 오래된 콘크리트를 갈아서 이산화탄소에 담그고 CO2를 사용해 여러 층으로 건조시키는 방법
- 콘크리트 폐기물을 미세하게 분쇄. 이를 반복적으로 적시고 적어도 한 달 동안 공기에 노출
- 분말의 표면적이 넓어 탄산화를 촉진
- 단 7일 후에 수산화칼슘과 물질의 비정질상이 감소하고 탄산칼슘의 비율이 35%로 증가
- 원자재, 에너지 및 온실가스를 절약할 수 있는 기회

CO2 흡수원으로서의 콘크리트 업사이클링
이 과정은 콘크리트 폐기물을 새롭고 안정적인 구성 요소로 바꾸는 동시에 CO2를 흡수한다.

두 가지 이점:
철거된 건물의 오래된 콘크리트는 온실가스인 이산화탄소를 묶는 데 도움이 될 수 있으며 동시에 새로운 벽돌이 될 수 있다. 이는 오래된 콘크리트를 갈아서 이산화탄소에 담그고 CO2를 사용하여 여러 층으로 건조시키는 방법으로 가능하다. 이 소재는 CO2를 흡수하여 단단하고 탄력 있는 돌을 형성한다. 일본 연구자들의 보고에 따르면, 이는 반복적으로 설치하고 재활용할 수 있다. 

▲ 오래된 콘크리트는 기존 벽돌처럼 시공할 수 있는 건축 자재에 CO2를 흡수하면서 재활용할 수 있다. © Maruyama et al./ CC-by-nc 4.0

시멘트와 콘크리트는 인류의 가장 중요한 건축 자재 중 하나다. 그러나 석회석에서 시멘트를 생산할 때 탄산칼슘(CaCo3)이 산화칼슘(CaO)으로 화학적으로 전환되는 과정과 석회 연소에 필요한 가마를 통해 엄청난 양의 CO2가 배출된다. 이것이 바로 과학자들이 예를 들어 표층재, 플라스틱 폐기물 또는 화산재를 추가하는 등 시멘트를 절약할 수 있는 방법을 오랫동안 찾아온 이유다.

빠른 속도로 진행되는 콘크리트 노화

하지만 시멘트와 콘크리트를 더욱 기후 친화적으로 만드는 또 다른 방법이 있다. 바로 업사이클링이다. 도쿄대학의 Ippei Maruyama가 이끄는 팀은 오래된 콘크리트 폐기물에서 새롭고 안정적인 빌딩 블록을 만드는 방법을 개발했다. 이는 시멘트를 절약하고, 이를 존중할 때 방출되는 온실가스도 절약한다. “도시 건물의 콘크리트는 산화칼슘 자원의 도시 광산 역할을 한다”고 연구팀은 말했다.

중요한 점은 이러한 콘크리트 재활용이 공기 또는 산업 배기가스의 CO2를 결합해 온실가스 흡수원 역할을 한다는 것이다. 이는 연구원들이 업사이클링을 위해 콘크리트의 화학적 노화라는 자연적인 과정을 사용하기 때문에 가능하다. 습한 공기와 CO2에 장기간 노출되면 콘크리트 내부의 소석회에 포함된 수산화칼슘(Ca(OH)2)이 공기 CO2와 반응하여 탄산칼슘이 생성되는 탄산화가 발생한다.

모르타르와 콘크리트의 이러한 자연적인 노화는 시멘트 생산 중에 방출되는 CO2의 거의 절반을 흡수할 수 있다. 이는 일반적으로 수십 년이 걸린다. Maruyama와 그의 팀은 이제 이를 가속화하고 탄력 있는 재료가 생성되도록 최적화했다.

업사이클링은 이렇게 진행된다

콘크리트 업사이클링의 경우, 콘크리트 폐기물(테스트에서는 철거된 학교 건물의 건축 자재)을 먼저 미세하게 분쇄한다. 그런 다음 이 덩어리를 반복적으로 적시고 적어도 한 달 동안 공기에 노출시킨다. 분말의 표면적이 넓어 탄산화를 촉진한다. Maruyama와 그의 동료들은 “단 7일 후에 수산화칼슘과 물질의 비정질상이 감소하고 탄산칼슘의 비율이 35%로 증가했다”고 보고했다.

이제 다음 단계는 다음과 같다.
탄산 콘크리트 분말을 주형에 층층이 채워 넣고 탄산수소 용액에 담근 후 고압에서 약 80~100도에서 건조한다. 그 결과 연구진이 결정한 대로 최대 20MPa(메가파스칼)의 압축 압력을 견딜 수 있는 견고한 블록이 탄생했다. Maruyama는 “우리는 이러한 탄산칼슘 콘크리트 블록을 일반 주택이나 포장도로를 건설할 수 있을 만큼 크고 튼튼하게 만들 수 있다”고 말했다.

▲ 탄산 모르타르 미립자를 사용한 표본 (출처:관련논문 Cold-sintered Carbonated Concrete Waste Fines: A Calcium Carbonate Concrete Block / Journal of Advanced Concrete Technology Vol. 22,406-418, July 2024 / Copyright © 2024 Japan Concrete Institute)

이중 혜택

연구원들에 따르면, 그들의 방법은 콘크리트 폐기물을 재활용하여 원자재, 에너지 및 온실가스를 절약할 수 있는 기회를 열어준다. 동시에 이러한 가속화된 탄산화는 공기 또는 산업 배기가스에서 CO2를 제거해 기후 보호에도 도움이 된다. 또 다른 장점은 재활용 콘크리트를 나중에 다시 갈아서 새로운 블록으로 만들 수 있다는 것이다.

Maruyama는 “우리는 순환 경제와 탄소 중립에 기여하는 시스템을 개발하려고 노력하고 있다. 앞으로 몇 년 안에 우리는 생산의 효율성과 산업적 적용성을 최적화할 수 있도록 파일럿 플랜트에서 이 방법을 사용하고 테스트하고 싶다. 또한 팀은 이미 업사이클 콘크리트로 더 큰 구성 요소를 생산하기 위해 노력하고 있다"고 설명했다. 이 소재로 만든 최초의 2층 건물은 2030년까지 완공될 예정이다.
(Journal of Advanced Concrete Technology, 2024; doi: 10.3151/jact.22.406)
출처: University of Tokyo

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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