포틀랜드 시멘트 생산은 연간 전 세계 배출량의 7% 이상인 약 26억 톤의 이산화탄소(CO₂)를 생성한다. 시멘트 배출량은 지난 20년 동안 두 배로 증가했다. 그리고 향후 40년 동안 건설은 전 세계적으로 건물 바닥 면적을 두 배로 늘릴 것으로 예상된다.
생산된 시멘트 1톤에는 연료 및 기타 자원을 포함하여 약 1.6톤의 원료가 사용된다. 콘크리트 생산은 또한 모래와 자갈과 같은 많은 양의 골재를 사용한다. 이를 위해서는 재생 불가능한 천연 자원을 고갈시키는 에너지 집약적인 채석 작업이 필요하다. 전 세계에 건물용 모래가 고갈되고 있다.
배출 및 자원 고갈의 문제는 포틀랜드 시멘트 및 천연 골재에 대한 적절한 대체물이 필요함을 의미한다. 우리의 연구는 천연 섬유를 사용하여 강화된 보다 지속 가능한 건축 자재를 개발하는 것이 가능함을 보여준다. 산업 부산물 및 폐기물은 시멘트 바인더 및 골재를 대체하여 배출, 자원 고갈 및 폐기물을 줄이는 데 사용할 수 있다.
재활용하면 낭비가 줄어든다.
건설 중인 폐기물을 재활용하면 콘크리트 및 모르타르 생산과 매립지 폐기물 처리가 환경에 미치는 영향을 줄이는 데 도움이 된다.
이러한 물질에는 산업 부산물(비산회 및 고로 슬래그), 폐유리 및 납 슬래그가 포함된다. 비산회는 석탄 화력 발전소에서 나온다. 고로 슬래그는 철강 생산의 부산물이다.
새로운 형태의 친환경 소재인 지오폴리머가 기존 콘크리트의 대체재로 주목받고 있다. 지오폴리머는 단단하고 내구성이 뛰어난 인공 물질이다. 지오폴리머 생산은 기존 콘크리트보다 최대 90% 적은 CO₂ 배출량을 생성한다.
폐유리와 납 슬래그의 특성으로 인해 지오폴리머 제조에 사용하기에 적합하다.
천연 섬유 강화는 지속 가능
강철 또는 기타 합성 섬유는 지오폴리머의 기계적 특성을 향상시키기 위한 보강재로 널리 사용되었다. 그러나 강철 섬유는 고가이며 열악한 환경에서 부식된다.
합성 대체물인 폴리비닐 알코올 및 폴리프로필렌과 같은 광물 섬유는 항산화제와 아민을 사용하여 생산된다. 이 공정은 이러한 섬유를 친환경적이지 않은 재료로 만든다.
식물에서 얻은 천연 섬유는 재생 불가능하고 부식성이 있으며 값비싼 합성 섬유에 대한 실행 가능한 대안이다. 천연 섬유는 재생 가능하고 친환경적이며 부식성이 없으며 저렴하고 풍부하다. 이러한 특성은 천연 섬유를 지속 가능한 재료로 만든다.
연구는 무엇을 찾았을까?
오늘날 사용되는 콘크리트와 모르타르의 대체품은 강도 및 내구성과 같은 공학적 특성과 최소한 일치해야 한다. 우리의 연구는 천연 모래 대신 폐유리와 납 슬래그로 만든 지오폴리머의 생산과 성능을 평가했다. 우리는 포틀랜드 시멘트 대신에 플라이애시와 입자화된 고로슬래그의 조합을 바인더로 사용했다.
이 지오폴리머는 코이어, 모시, 사이잘삼, 대마, 황마 및 대나무 섬유와 같은 다양한 유형의 천연 섬유로 강화되었다.
우리의 실험 결과는 폐유리 모래를 포함하는 지오폴리머가 납 슬래그 및 천연 모래를 포함하는 것보다 강도가 더 높고 물을 덜 흡수한다는 것을 보여주었다. 수분 흡수는 콘크리트의 내구성을 감소시킨다.
납 슬래그로 제조된 지오폴리머는 폐유리 모래 및 납 슬래그로 만든 지오폴리머보다 건조 수축이 더 낮다. 건조 수축은 또한 어떤 종류의 하중을 견디기 전에 콘크리트에 균열을 일으키기 때문에 내구성을 감소시킨다.
우리는 모시, 대마 및 대나무 섬유가 1% 포함된 지오폴리머가 비보강 지오폴리머보다 압축 및 인장 강도가 더 크다는 것을 발견했다. 이것은 강화된 지오폴리머가 압착될 때(압축 하중 하에서) 그리고 분리될 때(인장 하중 하에서) 파손에 저항한다는 것을 의미한다. 천연 섬유 강화 혼합물의 더 높은 강도는 지오폴리머 내부 섬유의 가교 효과 때문이다.
우리의 연구는 또한 모시, 대마 및 대나무 섬유 강화 지오폴리머가 비보강 지오폴리머보다 덜 수축한다는 것을 보여준다.
다음은?
이 연구의 다음 단계에는 다음에 대한 연구가 포함된다.
-호주에서 연간 2,700만 톤으로 성장한 건설 및 철거 폐기물에서 얻은 재활용 골재 사용 – 전체 폐기물의 44%
-지오폴리머에 사용하기 전에 천연 섬유를 처리하여 특성을 수정한다.
-자동화된 건설을 위한 3D 프린팅에서 개발된 지오폴리머를 사용할 가능성.
지속 가능한 콘크리트를 개발하면 배출 및 기타 환경 영향을 줄이는 동시에 해당 부문의 자원 효율성을 크게 향상시키는 차세대 건축 자재를 제공하게 된다.
