최근 주요 선진국들을 중심으로 온실가스 감축을 위해 적극적으로 노력하고, 이 중 온실가스 감축의 잠재력이 비교적 큰 시멘트 분야에 관련한 연구가 활발하게 진행되고 있다. 대표적으로 산업부산물을 사용하여 콘크리트를 제조하는 알칼리 활성 콘크리트가 있으며, 시멘트(Ordinary Portland Cement, OPC) 사용량 감소에 따라 OPC 생산 시에 발생하는 이산화탄소를 수동적으로 저감하고자 하는 시도이다. 본 연구는 OPC 대체에 따른 수동적인 탄소 저감 효과뿐만 아니라, 알칼리 활성 콘크리트 경화과정에서 대기 중의 이산화탄소를 능동적으로 포집하는 효과를 동시에 극대화 하고자 한다. 본 연구에서는 OPC 대신 고로슬래그를 활용하여 제조한 알칼리 활성 콘크리트로 이산화탄소를 포집이 가능하고 동시에 건설재료로써도 활용할 수 있는 소재를 개발하고자 하였다. 또한 알칼리 활성 콘크리트의 수화 및 탄소 포집 화학 반응과 현장 적용성을 검토하고자 하였다.
다양한 산업부산물 중에서 대상 바인더는 고로슬래그, 대조군으로 플라이 애시와 포틀랜트 시멘트를 선정하였고, 활성화제로는 Ca(OH)와 Na2SiO3를 선정하였다. 고로슬래그와 OPC로 제조한 알칼리 활성 콘크리트는 각각 양생 28일 후 18 MPa, 20 MPa의 압축강도를 발현한 반면, 플라이 애시로 제조한 알칼리 활성 콘크리트는 11 MPa의 낮은 압축 강도가 발현되었다. 고로슬래그 중량 대비 수산화칼슘 투입 비율이 40%인 콘크리트의 압축강도는 양생 28일간 14 MPa에서 21 MPa 까지 지속적으로 증가하였다. 양생 온도 조건으로는 20 ~ 40℃ 범위 내에서 양생할 경우 압축강도가 증가하였고, 특히 40℃에서 양생한 경우가 가장 압축 강도가 높았다. 바인더 종류, 활성화제 투입 비율, 활성화제 종류에 따른 이산화탄소 포집 및 압축강도를 측정하였다. 고로슬래그로 제조한 알칼리 활성 콘크리트의 이산화탄소 포집량은 51.5 g-CO2/kg 로, 동일한 조건으로 제조한 플라이 애시, OPC 콘크리트의 이산화탄소 포집량 42.4 g-CO2/kg, 5.2 g-CO2/kg에 비해 현저하게 높았다. 고로슬래그 중량 대비 활성화제인 수산화칼슘 투입량이 20% 이상일 경우 알칼리 활성 콘크리트의 이산화탄소는 40 g-CO2/kg 이상의 높은 포집량이 유지되었다.
이산화탄소 포집 실험 전/후의 콘크리트 시료의 화학적 정성/정량 분석 결과와 이산화탄소 포집 실험 결과를 기준으로 탄소 포집 화학반응을 검토하였다. 각 콘크리트 시료 정량 분석 결과에서 3CaO?2SiO2(C3S), 2CaO?2SiO2(C2S), Ca(OH)2와 SiO2의 이산화탄소 포집 전후의 변화량으로부터 수화생성물인 3CaO?2SiO2?xH2O 의 생성된 몰을 계산하였다. 또한, 이산화탄소 포집량으로 이산화탄소가 포집된 몰양을 계산하고, 반응에 필요한 3CaO?2SiO2?xH2O 양을 계산하여 분석결과와 비교하였다. 알칼리 활성 콘크리트의 탄소 포집 반응은 기존 OPC 콘크리트 분야의 수산화칼슘에 의한 반응이 아닌 콘크리트 내부에 생성된 수화생성물인 3CaO?2SiO2?xH2O에 의한 탄소 포집 반응이었다.
현장 장기 노출 평가 결과, 알칼리 활성 콘크리트의 이산화탄소 포집 반응은 양생 7일 이내에 가장 활발하게 일어나는 것으로 판단된다. 이산화탄소 포집 이후 휨강도를 측정한 결과 3.4 MPa 이상의 강도가 발현되었고, 기존 콘크리트 분야의 연구와 달리 본 연구에서 제조한 알칼리 활성 콘크리트의 경우 이산화탄소를 포집하여도 강도가 저하되지 않는 것을 확인하였다. 이러한 연구 결과를 바탕으로 본 연구에서 개발한 알칼리 활성 콘크리트는 이산화탄소 포집이 가능한 건설재료로서 활용할 수 있을 것으로 평가된다.
본 연구에서 제조한 알칼리 활성 콘크리트 탄소 포집 반응이 내부에 존재하는 수화생성물에 의한 포집 반응인 것을 확인하기 위해서 탄소 포집 반응 전후의 시료의 비표면적 분석이나 콘크리트 깊이와 부피에 따른 탄소 포집 평가가 추가적으로 필요하다. 본 연구에서는 비표면적이나 공극 분석이 진행되지 못했으나 향후 탄소 포집 전후에 조건별로 제조한 알칼리 활성 콘크리트 시료의 비표면적 및 공극 구조에 대한 평가와 이에 따른 탄소 포집량의 비교가 진행되어야 할 것으로 사료된다.
또한, 콘크리트 수화 gell의 경우 화학식은 동일하나 실제 결정 구조는 다양하며, 이 구조 형상에 대한 탄소 포집에 대한 연구는 이루어진 적이 없다. 알칼리 활성 콘크리트의 제조 조건별 수화 gell의 결정 구조는 강도 뿐만 아니라 탄소 포집에도 큰 영향을 미칠 것으로 예상된다. 이에 다양한 배합 조건 및 양생 조건별로 제조한 알칼리 활성 콘크리트의 수화 gell의 구조 형태를 SEM 기기를 이용하여 분석하고, 탄소 포집 전후의 형태 변화를 측정하여 수화 gell 구조 형태에 따른 탄소 포집에 미치는 영향에 대하여 확인할 필요가 있다.