대체 시멘트의 필요성과 효과

시멘트의 역할

미국 서부에 후버댐과 그랜드쿨리댐이 건설되기 수 세기 전에 콘크리트 공학의 대표적인 위업으로 로마의 다리와 아치, 콜로세움, 수도교가 있었다. 로마의 콘크리트는 웅장한 판테온을 만드는 데 사용되었다. 128년에 완공된 이 신전은 무게 5000톤, 높이 43미터로 무근 콘크리트로 만들어졌고 2000년이 지난 지금까지도 세계에서 가장 큰 돔으로 잘 알려져 있다. 오늘날의 콘크리트로 지어져 300년 동안 사용되었다면 로마가 몰락하기 전에 무너졌을 것이다. 로마의 콘크리트는 현대의 콘크리트와 마찬가지로 모래와 바위가 섞여 있었지만, 특정 화산에서 나온 석회, 소금물, 그리고 포촐라나라 불렸던 재도 추가되었다. 화산 분진을 오푸스캐멘티시움이라 불렀던 시멘트에 섞으면 수중 공사도 가능했다. 

 

콘크리트의 기술과 과학은 대부분 로마 제국 자체와 함께 사라졌다가 19세기에 부활해 진화를 거듭했다. 오늘날 콘크리트는 세계 건설 자재를 장악하고 있으며 거의 모든 인프라에서 찾아볼 수 있다. 콘크리트의 배합은 간단하다. 모래와 쇄석, 물, 시멘트를 섞어 굳힌다. 석회, 실리카, 알루미늄, 철로 구성된 시멘트는 접합재 역할을 하는데, 모래와 바위를 함께 코팅하고 접착시키는 이것은 굳은 후 돌과 같이 놀랍도록 단단한 재료가 된다. 시멘트는 또한 회반죽에도 사용되며, 보도블럭이나 기와와 같은 건축재에도 사용된다. 질량을 기준으로 했을 때 시멘트의 사용량은 계속 증가 중인데, 인구 증가보다 훨씬 더 빠른 속도다. 질량을 기준으로 했을 때 시멘트는 물 다음으로 세계에서 가장 많이 사용되는 물질 주 하나다.

 

시멘트의 문제점

시멘트는 인프라를 지탱하는 힘의 원천이지만, 온실가스 배출의 원천이기도 하다. 세계적으로 가장 흔한 형태인 포틀랜드 시멘트를 생산하기 위해 분쇄한 석회암과 규산 알루미늄 점토의 혼합물을 섭씨 약 1450도의 거대한 가마에서 구워낸다. 그렇게 하면 석회암의 탄산칼슘을 분리하여 원하는 석회 함량을 함유한 산화칼슘과 폐기물인 이산화탄소로 분리할 수 있다. 가마의 다른 쪽에서는 클링커라고 하는 작은 덩어리가 나오는데, 이 덩어리는 식힌 후 석고와 결합되어 우리가 시멘트라고 알고 있는 밀가루 같은 가루에 섞이게 된다. 탈탄소화된 석회암은 시멘트 산업 배출량의 약 60퍼센트를 차지한다. 나머지는 에너지 사용의 결과물이다. 시멘트 1톤을 제조하려면 181킬로그램의 석탄을 태우는 것과 동등한 에너지가 필요하다. 이 배출물까지 고려하면 1톤의 시멘트가 생산될 때마다 거의 1톤의 이산화탄소가 대기 중으로 방출된다. 매년 약 46억톤의 시멘트가 생산되는데, 이 중 절반은 중국에서 생산되며 이 과정에서 배출되는 탄소량은 연간 인위적 탄소배출의 5~6퍼센트를 차지한다.

 

대체 시멘트의 필요성

좀 더 효율적인 시멘트 가마와 다년생 식물 바이오매스와 같은 대체 가마 연료는 에너지 소비로 인한 배출량을 해결하는 데 도움이 될 수 있다. 탈탄소 과정에서 나오는 배출을 줄이기 위해 시멘트의 구성을 바꾸는 것이 결정적인 전략이 될 수 있다. 기존의 클링커는 화산재, 특정 검토, 잘게 분쇄한 석회암 등으로 대체될 수 있다. 여기에 고로 슬래그와 비산재도 포함된다. 고로 슬래그는 원래는 산업폐기물로, 엠파이어스테이트빌딩과 파리메트로 건설에 사용되었던 철 제작 중에 나온 부산물이며, 비산재는 석탄 화력발전소에서 나온 분말 잔여물로 후버댐 건설에도 사용되었다. 이들 재료는 가마 공정이 필요하지 않아 시멘트 생산 공정 중 탄소배출이 가장 많고 에너지 집약적인 단계를 건너뛴다. 이미 고로 슬래그의 90퍼센트 이상이 클링커 대신 사용되고 있다. 비산재의 3분의 1 역시 재사용되며, 이 수치는 더 늘어날 수 있다. 시멘트의 최종 용도와 사용되는 비산재의 종류에 따라 비산재와 포틀랜드 클링커를 다양한 비율로 혼합할 수 있다. 보통 비산재는 혼합물의 45퍼센트를 차지한다. 

 

궁극적으로 세계는 석탄발전을 지양하고 그에 따른 배출물을 줄이는 쪽으로 나아갈 테지만, 석탄을 여전히 사용하는 한 비산재 시멘트는 부산물을 효율적으로 이용하는 사례다. 비산재를 매립지나 축양지로 보내는 것보다야 훨씬 낫다. 가용성이 핵심 요소다. 지역적마다 그 종류가 매우 다양하고, 석탄발전소의 가동이 점점 줄어드는 추세에서 비산재를 활용하는 것은 어려울 수 있다. 비록 더 많은 비용이 들기는 하지만, 과거의 비산재를 얻기 위해 매립지를 채굴하는 것도 미래의 잠재적 자원이 될 수 있다. 운송 비용 관리와 일정한 품질 역시 클링커 대체재로서 비산재에 새 생명을 불어넣기 위해 중요하다. 건강에 미치는 비산재의 영향에 대한 의문은 끊임없이 제기되고 있다. 석탄 부산물인 비산재에는 독소와 중금속이 함유되어 있다. 과학자들은 이런 요소들이 콘크리트 내부에 안전하게 고정되어 있는지, 아니면 누출될 수 있는지의 여부와 구조물의 수명이 끝날 때 어떤 위험이 발생할 수 있는지에 대한 연구를 계속하고 있다.

 

유엔환경계획에 따르면 전 세계 평균 클링커 대체율은 현실적으로 40퍼센트에 이를 수 있고, 연간 최대 4억4000만 톤의 이산화탄소 배출량을 줄일 수 있다고 한다. 특정한 구성 비율에 따라 포틀랜드 시멘트의 대체제는 대기에 미치는 영향 그 이상의 이점을 가진다. 작업하기에 더 편리하고 물이 덜 필요하며, 밀도가 높고,  부식과 불에 더 강하고, 더 오래 지속될 수 있는 것이다. 비록 이 대체재들이 자리를 잡는 데는 시간이 걸리겠지만, 궁극적으로는 굉장한 효과를 낼 수 있다.

 

정부와 기업들은 클링커 대체재의 가능성을 구체화하기 시작했다. 유럽연합은 지역 표준으로 이용 가능한 대부분의 비산재를 재사용한다. 이런 정책 변경 이전에는 활용률이 지역마다 달랐으며, 어떤 곳에서는 10퍼센트에 불과했다. 뉴욕시는 지역적으로 조달할 수 있고 매립 공간을 절약할 새로운 대체물로 간유리병을 채택했다. 이는 성장 가능성이 큰 혁신이다. 도시부터 국제적 수준에 이르기까지, 새로운 표준과 제품 척도 수립은 건설 사업 내에서 관행을 바꾸고 인도와 초고층 건물, 도로, 활주로에 대해 시멘트 사용을 촉진하기 위한 핵심이다.

 

대체 시멘트의 효과

비산재는 연소된 석탄의 부산물이기 때문에 1톤이 생성될 때마다 15톤의 이산화탄소 배출이 뒤따른다. 시멘트에 비산재를 사용해도 배출량의 5퍼센트밖에 절감할 수 밖에 없지만, 2020~2050년에 생산된 시멘트의 9퍼센트가 기존의 포틀랜드 시멘트와 45퍼센트의 비산재를 혼합한 것이라면 2050년까지 6.7기가톤의 이산화탄소 배출을 피할 수 있다. 2750억 달러의 생산 절감액은 대부분 시멘트 수명의 연장으로 인한 것이다.