[연구소 기술정보]

친환경․고성능 지오폴리머 콘크리트(Geopolymer concrete)

1. 배경

2004년 10월 3일 국제 에너지기구(IAE)가 공개한 ‘세계 주요에너지 통계’자료에 따르면 2002년 한해 동안 선진국들은 온실가스 배출량이 줄어든 것으로 조사된 반면 한국이 배출한 온실가스, 즉 이산화탄소는 모두 4억 5155만t 으로 국가별로는 세계 아홉 번 째이다. 현재 대부분의 건설현장에서 일반적으로 사용되는 콘크리트는 포틀랜드 시멘트를 결합재로 사용하고 있다. 포틀랜드 시멘트는 제조과정에서 대기 중에 많은 양의 이산환탄소를 배출한다. 전세계적으로 포틀랜드 시멘트의 제조량은 해마다 3%씩 증가하고 있다. 포틀랜드 시멘트의 제조과정에서 발생하는 온실가스 배출량은 약 135만 톤에 이르며 대기 중에 배출되는 전세계 온실가스 배출량의 약 7%를 차지한다.

이에 많은 연구자들이 친환경을 지향하는 미래 산업환경의 변화를 고려하여 이산환탄소의 배출을 줄이기 위한 노력과 시멘트를 대체할 수 있는 새로운 재료의 개발에 많은 관심을 기울이고 최근 몇 년에 걸쳐 친환경적인 콘크리트에 대한 많은 연구가 이루어졌다.

2. 지오폴리머 콘크리트

지오폴리머 콘크리트(Geopolymer Concrete)는 결합재로서 포틀랜드 시멘트를 필요로하지 않는 새로운 개념의 ‘신재료’이다. 포틀랜드 시멘트를 사용하지 않는 대신에 Si와 Al이 풍부한 플라이애시와 같은 무기물이 알칼리성의 액체에 의해 활성화되어 결합재로서 작용하게 된다.
지오폴리머(Geopolymer)에서 중합과정은 고알칼리 상태에서 Al-Si 광물에 화학적 반응이 일어나서 중합체의 Si-O-Al-O 결합을 구성하는 과정을 의미한다. 지오폴리머(Geopolymer)의 화학적 구성은 제올라이트(zeolites)와 유사하지만 비결정질의 미세구조를 보인다는 점에서 다르다. 지오폴리머 재료의 구조모델은 여전히 연구 중에 있기 때문에 지오폴리머가 응결, 경화되는 정확한 메커니즘은 아직까지 명확하지 않다.

지오폴리머 콘크리트에서는 시멘트 페이스트 대신에 지오폴리머를 결합재로 사용한다. 지오폴리머 페이스트가 굵은골재와 잔골재 그리고 비반응성 물질을 결합하여 지오폴리머 콘크리트를 형성한다. 제조과정은 일반적인 콘크리트 제조과정와 동일하다. 포틀랜드 시멘트를 사용한 콘크리트와 마찬가지로 골재가 가장 큰 부피를 차지하며 질량으로 환산하면 약 75~80%이다. 플라이애시 내의 Si와 Al은 수산화나트륨과 규산화나트륨 용액의 화합물에 의해 활성화되어 결합재로 작용하게 된다. 일반적으로 알칼리성 활성화제로는 수산화나트륨(또는 수산화칼슘)과 규산화나트륨(또는 규산화칼륨)의 화합물이 사용되며, 열이 가해질 경우 지오폴리머 생성 화학반응이 가속화되기 때문에 일반적으로 지오폴리머 콘크리트는 고온에서 양생을 실시한다.

3. 지오폴리머 콘크리트의 특성

■ 압축강도는 보통강도에서 고강도에 이르기까지 다양

■ 장기거동 특성을 살펴보면 지오폴리머 콘크리트는 낮은 양의 크리프와 매우작은 값의 건조수축량을 보임

■ 내황산염성과 염해저항성에 대해서도 우수

■ 낮은 투수성와 높은 내구성

[표 1] 포틀랜드 시멘트와 지오폴리머 시멘트의 비교

포틀랜드 시멘트	지오폴리머 시멘트
고강도	단기간에 고강도
산, 바닷물에 민감	산, 바닷물에 영향이 거의 없음
공극에 의해 철근의 부식이 많음	공극에 의해 철근의 부식이 적음
동결융해저항성이 낮음	동결융해저항성 높음
내구성이 불량	내구성이 좋음
CO2 발생량이 많음	CO2 발생량이 적음
증명된 기존 기술	증명되지 않은 새로운 기술

4. 맺음말

지오폴리머 콘크리트는 이산화탄소를 배출하지 않는 친환경․고성능 콘크리트로서 미래사회가 요구하는 개념에 부합하는 콘크리트이다. 지오폴리머 콘크리트는 활성물질과 활성화제의 화학적 성분에 따라 내화․내열 섬유복합체, 밀폐제 등 다양한 분야에서 적용이 가능할 것으로 보이며 또한 낮은 투수성을 가지므로 유독성, 방사성 폐기물의 차단제로도 사용이 가능하고 높은 내구성으로 해안구조물이나 산성 환경 하의 구조물 등에 탁월한 효과를 발휘할 것으로 보인다.

* 출처 : Hardjito D et al., Geopolymer Concrete : Turn Waste Into Environmentally Friendly Concrete, International Conference on Recent Trends in Concrete Technology and Structures (INCONTEST), Coimbatore , Indea, 2003

* 담당 : 토목연구팀 최명성 연구원 (iamfame@dwconst.co.kr)

요약

■ 지오폴리머 콘크리트는 이산화탄소를 배출하지 않는 친환경․고성능 콘크리트로서 미래사회가 요구하는 개념에 부합하는 콘크리트

■ 지오폴리머 콘크리트에서는 시멘트 페이스트 대신에 지오폴리머를 결합재로 사용

■ 내화 ․ 내열 섬유복합체, 밀폐제 등 다양한 분야에서 적용이 가능

■ 낮은 투수성을 가지므로 유독성, 방사성 폐기물의 차단제로도 사용이 가능하고 높은 내구성으로 해안구조물이나 산성 환경 하의 구조물 등에 탁월한 효과