친환경 콘크리트

돌 원형 구조물, 피라미드, 거대한 성벽, 심지어 모래성까지, 인간은 늘 뭔가를 짓는 걸 좋아해 왔어요. 그리고 쓸 수 있는 건축 자재는 많지만, 콘크리트만큼 인기 있는 건 없어요.

독특한 강점 덕분에, 콘크리트는 세계에서 가장 널리 쓰이는 고체 재료예요 ^[1,2,3]. 사실, 콘크리트는 - 다른 인공 재료들과 함께 - 이제 지구상의 모든 식물과 동물을 합친 것보다 더 무거워요 ^[4,5,6].

콘크리트 생산 과정에서는 안타깝게도 해로운 온실가스가 나오고, 전 세계 탄소 배출량의 8%를 차지해요 ^[7,8]. 콘크리트가 나라라면, 지구에서 세 번째로 큰 오염 배출국일 거예요 ^[9,10].

그러니 우리가 더 깨끗한 세상을 만들고 싶다면 해결책이 필요해요; 그 핵심은 친환경 콘크리트예요.

원시적인 형태의 콘크리트는 1만 년도 더 전에 중동에서 바닥을 만드는 데 쓰였지만 ^[11,12,13], 이를 처음으로 제대로 다룬 건 고대 로마인들이었고, 이들은 오늘날까지 세계에서 가장 큰 무보강 콘크리트 돔인 판테온을 지었어요 ^[14,15,16].

안타깝게도 콘크리트의 비밀은 세월 속에 묻혀버렸어요 ^[11-16]. 1824년이 되어서야 영국의 벽돌공 Joseph Aspdin이 부엌에서 이것저것 만지작거리며 콘크리트의 핵심 재료인 시멘트를 만드는 법을 다시 알아냈고 ^[12,17,18] 고대 로마 콘크리트에 맞먹는 콘크리트의 길을 열었어요.

오늘날 인류는 이 물질을 매년 300억 톤씩 만들어내요 ^[19]. 매년 오스트리아 전체를 15cm 두께의 콘크리트로 덮을 수 있는 양이죠! ^[20,21,22]. 수요가 늘면서 배출량도 늘고 있어요. 그런데 콘크리트는 대체 어떻게 CO₂를 만들어낼까요?

그러니까, 콘크리트는 기본적으로 인공 암석이에요. 모래성처럼, 모래와 자갈, 물로 만들어요. 하지만 모든 걸 단단히 붙여 주는 마법의 재료인 시멘트를 더하면 ^[23-27] 혼합물은 돌처럼 단단해져요.

안타깝게도 시멘트는 배출량의 거의 전부를 만듭니다 ^[26-29]. 왜 그런지 알려면, 시멘트가 어떻게 만들어지는지 봐야 해요.

레시피는 놀랄 만큼 간단하지만, 만드는 과정은 꽤 복잡해요:

먼저, 수백만 년 전 살았던 바다 생물의 껍데기와 화석으로 보통 만들어진 석회암을 넉넉히 준비해요. 시멘트에 필요한 칼슘과 갇혀 있는 탄소가 저장돼 있죠 ^[30-33].

칼슘을 얻으려면 석회석을 부순 뒤 점토를 조금, 모래를 한 줌 넣어요. 이 혼합물은 먼저 예열한 다음 회전 가마에 넣어, 석회석이 타듯 구워질 때까지 1,450°C의 뜨거운 열로 함께 섞어요. 그러면 클링커라는 칼슘이 풍부한 물질이 만들어져요 ^{[23-27,34-37]}.

하지만 화석화된 바다 생물을 태우면 CO₂가 많이 나오고, 열을 만들려고 화석연료까지 태우니 CO₂가 더 많이 나와요 ^[38-42].

아직 따라오고 있나요? 지금 여기예요!

다음으로 클링커에 석고와 다른 첨가물을 섞은 뒤, 분쇄기에서 함께 갈아 시멘트 가루를 만들어요 ^[34,35].

이제 시멘트를 물, 모래, 자갈, 그리고 다른 골재 ^[23-27] 와 섞기만 하면 짠! 콘크리트가 완성돼요!

온갖 오염도 함께요. 그리고 보시다시피, 배출량 대부분은 시멘트를 만들 때 나오는데, 가장 큰 부분은 그 많은 석회석을 태우면서 생겨요! ^[38-43]

실제로, 혼합물 속 시멘트 1,000킬로그램마다 CO₂ 900킬로그램이 배출돼요 ^[43,44,45].

그럼 인류는 자신들이 좋아하는 가짜 돌의 배출량을 어떻게 줄일 수 있을까요? 음, 몇 가지 해결책이 있어요 ^[43-50].

단기적으로 가장 쉬운 해결책은 그냥 콘크리트를 더 효율적으로 쓰는 거예요 ^[43-48,50]. 현재 대부분의 구조물에는 실제 필요한 양보다 훨씬 많은 콘크리트가 들어가서, 많은 건축가가 이제 콘크리트를 덜 쓰도록 설계를 최적화해 수요와 배출량을 줄이고 있어요.

오래된 콘크리트를 부숴 새 콘크리트 혼합물에 다시 쓰면 효율도 높아져요 ^[51,52,53], 전기 재활용 같은 흥미로운 신기술도 시험 중이에요 ^[54]. 재생에너지 전기로 전기로에서 콘크리트와 철강을 함께 재활용해 철강 생산 배출량을 줄이고, 그 과정에서 시멘트도 만들어요. 더 좋은 건, 이 시멘트는 이론적으로 탄소 배출이 제로라는 거예요 ^[54].

이건 엄청난 개선이지만, 사람들이 콘크리트를 너무 많이 써서 재활용 콘크리트만으로는 수요를 절대 못 맞춰요.

다음 전략은 생산에 필요한 화석연료를 대체하는 거예요. 풍력과 태양광에서 나오는 깨끗한 재생에너지 전기로 분쇄기를 돌릴 수 있어요 ^[55,56]. 하지만 가마의 뜨거운 온도에 전기만으로 도달하기는 어려워서, 그린 수소 ^[57-61] 나 지속가능한 바이오매스 ^[61-64] 같은 대체 연료를 쓸 수 있어요. 석탄 같은 화석연료가 필요 없게 하면, 이런 대체 연료로 CO₂ 배출량을 크게 줄일 수 있어요 ^[50].

하지만 안타깝게도 몇 가지 문제가 있어요…

바이오매스는 주로 나무에서 얻는데, 나무를 베어야 해서 지속 가능하게 생산하기가 어려워요 ^[65,66,67]. 그리고 그린 수소도 유망하지만, 충분히 생산하려면 만드는 데 필요한 재생에너지를 엄청나게 늘려야 해요 ^[68,69,70].

그러니, 당분간은 이런 해결책들이 큰 영향을 내기엔 아직 갈 길이 멀어요. 그리고 이런 연료로 가마를 돌린다고 해도, 시멘트 생산 배출량의 절반 이상을 차지하는 석회석은 여전히 태워야 해요 ^[38-43].

분명 인류에게는 다른 방법도 필요해요.

탄소 포집은 흔히 해답이라고 불려요 ^[71-78]. 탄소가 배출될 때 CO₂를 잡아 지하에 저장하면 배출량을 줄일 수는 있지만, 전부 잡을 수는 없어요 ^[50,79,80]. 더 나쁜 건, 그렇게 많은 탄소를 포집하고, 운반하고, 저장하기는 어렵고 엄청 비싼 데다 항상 그렇게 효과적인 것도 아니라는 거예요! ^{[43,77,78,81]}

하지만 그 CO₂ 일부를 콘크리트 생산 자체에 쓸 수 있다면 어떨까요?

탄소 경화 등장:

이 널리 쓰이는 방식은 포집한 CO₂ 일부를 배합 중 콘크리트에 다시 주입해 화학적으로 고정하는 것으로, 콘크리트를 더 튼튼하게 하고 비용도 낮출 수 있어요 ^[82-91]. 깔끔한 해결책이지만 시멘트 생산 배출량의 일부만 처리할 수 있어요 ^[92].

그러니까 진짜 친환경 콘크리트를 만들기 위해 사람들은 배합을 바꾸고 있고, 그중 가장 좋은 방법 하나는 SCMs라는 재료를 넣어 오염을 일으키는 시멘트 일부를 대체하는 거예요 ^{[45-49,93-97]}.

이런 재료는 석탄 발전소의 비산재나 철강 산업의 슬래그처럼 고운 가루 형태의 물질로 만들어요. 둘 다 폐기물이기 때문에 환경을 정리하는 데도 도움이 되고, SCM은 필요한 시멘트 양을 줄여서 배출량을 15~40% 낮출 수 있어요 ^[48,97]. 더 좋은 점은 콘크리트의 강도와 내구성도 높여 준다는 거예요 ^[98,99,100].

안타깝게도, 이것들만으로는 시멘트를 완전히 대체할 수 없지만, 해결책이 있어요… 알칼리성 해결책이요!

SCMs에 쓰이는 산업 폐기물 같은 물질을 알칼리성 용액과 섞으면, 시멘트를 완전히 대신할 수 있는 결합재를 만들 수 있어요 ^[101-104]. 기존 시멘트에 들어가는 재료를 캐고, 부수고, 갈고, 굽지 않아도 되기 때문에, 이렇게 만든 콘크리트는 배출량을 최대 90%까지 줄일 수 있어요 ^[49,104-107].

알칼리 활성화 콘크리트라고 하는데, 아직 대규모로 쓰이진 않았지만 ^{[108,109,110]}, 이미 전 세계에서 사용되고 있어요 ^[111-123].

인류는 그 어느 때보다 뭔가 짓는 걸 좋아해서 3일마다 맨해튼만 한 면적을 짓고 있는데, 지구를 뜨겁게 하지 않고도 이걸 할 수 있을까요? ^[124]

네, 맞아요!

연구 개발에 투자하고, 활용 가능한 모든 해결책을 도입하고, 이를 뒷받침할 재생에너지 발전을 확대하면, 인류는 마침내 친환경 콘크리트의 비법을 완성하고 탄소 제로 미래를 만들 수 있어요!