1. 소개

지오폴리머 기술은 1978년 Davidovits에 의해 처음 소개되었다. 그의 연구에 의하면 지오폴리머의 채택은 시멘트 제조로 인한 이산화탄소 배출을 감소시킬 수 있을 것으로 보인다. 지오폴리머 콘크리트의 개발은 환경 친화적인 콘크리트 제조를 향해 나아가는 중요한 단계이다. 지오폴리머 반응(Geopolymerization)은 강알칼리 상태에서 수용성 알칼리 규산염(alkali metal silicates)과 함께 다양한 알루미노규산염(alumino silicate)사이에 일어나는 화학반응을 말한다.

지오폴리머 재료의 개략적 형성은 아래 등식 (A)와 (B)와 같이 표시될 수 있다.

지오폴리머 재료의 응결과 경화에 대한 정확한 메커니즘을 나타내는 것은 분명하지 않다. 그라나 화학반응을 일으키는 대부분의 메커니즘은 다음 단계로 되어 있다고 볼 수 있다. 그러나 이 세 단계는 서로 중첩될 수 있으며 따라서 동시에 이들을 따로 따로 분리하여 조사하기 어려울 수 있다.

 * 수산화 이온의 작용을 통해 원료로 부터의 Si-Al 원자의 용해

 * 단량체(monomers)에 선구이온(precursor ions)의 운반이나 방향결정 또는 응축

 * 이량체 구조(polymeric structures)로 단량체(monomers)의 세팅(setting) 또는 중합반응(polymerization / polycondestion)

2. 지오폴리머 콘크리트의 구성성분

지오폴리머의 두 가지 주요 성분은 원료와 알칼리액체이다. 지오폴리머 원료는 실리콘(Si) 및 알루미늄(Al)이 풍부해야 한다. 이와 같은 원료에는 플라이애시, 실리카 흄, 왕겨, 레드머드와 같은 재료들을 들 수 있다.

2.1 플라이애시

Nawaz(2013)의 연구결과에서 알려진 바와 같이 플라이애시는 화력발전소에서 미분탄을 연소함으로서 생성되는 부산물이다. 현재 인도에서 플라이애시의 연간 생산량은 약 112백만 톤에 달하며 2017년경에는 225백만 톤에 달할 것으로 예상되고 있다. 미분탄이 열을 발생시키기 위해 연소될 때 그 잔류물은 80%의 플라이애시와 20%의 저회(bottom ash)를 포함하고 있다. 바다/ 강/ 연못 등에 버려지는 플라이애시를 적절히 처리하지 못하면 수생생물에도 손상을 줄 수 있다. 슬러리 처리 인공연못/ 침전탱크는 모기와 박테리아의 번식근거지가 될 수 있다. 플라이애시 내에 존재하는 독성 금속성분으로 지하수를 오염시킬 수도 있다. 선진국의 경우 플라이애시의 80% 이상이 다양한 분야에 사용되고 있는 반면에 인도의 경우는 그 사용비율이 아주 낮다. Alam and Akhtar(2011)의 자료에 따르면 플라이애시는 인도에서 10여 년 전 까지만 해도 폐기물로 취급받았지만 이제는 자원으로서 뿐만 아니라 환경 구세주로 등장하기 시작했다고 한다.

2.2 알칼리 용액(Alkaline liquids)

지오폴리머 반응(geopolymerization)에 사용되는 가장 흔한 알칼리 용액은 수산화나트륨 또는 수산화칼슘과 규산 나트륨 또는 규산 칼륨의 조합물이다. 알칼리 용액은 중합과정에서 중요한 역할을 한다. 알칼리 용액은 단지 알칼리 수산화물(alkaline hydroxides)만을 사용하는 것에 비하여 나트륨(sodium)이나 규산 칼륨(potassium silicate) 모두 가용성 규산염(soluble silicate)을 함유할 때 급속히 반응이 일어난다.

Xu와 Van Deventer (2000)은 알칼리 용액 같은 수산화나트륨 액(sodium hydroxide solution)에 규산나트륨(sodium silicate)을 첨가하면 원료와 용액사이에 반응이 개선되는 것을 확인하였다. 또한 16차례에 걸쳐 Al-Si 천연 미네랄의 지오폴리머 반응에 대한 연구를 마치고 그들은 일반적으로 수산화나트륨 용액은 수산화칼륨 용액에 비하여 미네랄이 더 잘 용해된다는 것을 알게 되었다.

2.3 굵은골재와 잔골재

통상적으로 지역에서 이용 가능한 굵은골재와 잔골재는 지오폴리머 콘크리트의 제조에 사용될 수 있다.

2.4 고유동화제(Superplasticizer)

플라이애시를 기반으로 하는 지오폴리머 콘크리트의 시공연도를 개선하기 위하여 고성능감수제인 고유동화제가 사용된다. Fiat et al. (2013)에 따르면 고유동화제는 고성능 감수제이다. 이 재료를 사용하면 시공연도를 떨어뜨리지 않고 약 30% 정도의 물을 감소시키게 한다. 따라서 고유동화제는 골재분리나 블리딩 현상없이 균질성의 응집력이 있는 콘크리트를 제조하게 한다. 고유동화제는 콘크리트의 반죽질기를 얻기 위해 요구되는 물의 양을 크게(40%까지) 감소시키는 수용성 유기합성물질이다.

기존의 시멘트 콘크리트에 사용되는 다양한 고유동화제에는 아래와 같은 재료들이 있다.

 * 술폰화 멜라민 포름 알데히드(Sulfonated melamin formaldehyde)

 * 술폰화 나프탈렌 포름 알데히드(Sulfonated naphthalene formaldehyde)

 * 수정 리그노술포네이트(Modify lignosulphonates)

 * 폴리에테르 폴리카복산(Polyether polycarboxylates)

3. 관련문헌 검토

3.1 지오폴리머란 말은 1978년에 Davidovits에 의해 처음 사용되었는데 실리코 알루민산염을 기반으로 하는 지오폴리머의 화학적 측면의 명칭을 붙이기 위해 폴리(sialate)라는 말이 제시되었다. Sialate는 실리콘 옥소 알루민산염(silicon-oxo -aluminate)의 약어이다. 폴리시알레이트(Polysialates)는 산소와 Si4+및 Al3+의 연결고리를 가진 폴리머이며 비경질에서 반결정성(semi-crystalline)에 이르기까지 다양하다. 이 새로운 용어는 신재료의 성공적 발전의 핵심이 되었다.

지오폴리머 고강도 시멘트인 폴리시멘트의 발명 : 잠재적 수경성 시멘트 제품인 고로슬래그 미분말을 폴리시알레이트 유형의 지오폴리머에 첨가하면 응결시간이 촉진되고 압축강도와 휨강도가 크게 개선되는 것으로 발견되었다.

 : 기존의 포틀랜드 시멘트와는 달리 지오폴리머 시멘트(geopolymeric cements)는 석회석에 의존하지 않으며 산성용액에 의해 용해되지 않는다. 포틀랜드 기반의 시멘트(일반 및 슬래그 혼합)는 산성 환경에서 파괴된다. 칼슘 알루미네이트 시멘트(Calcium aluminate cement)는 생산비가 고가이며 중량손실이 30~60%에 달하여 만족스럽게 사용하지 못한다. 칼륨 폴리(Potassium-Poly/ sialate-siloxo) 유형의 지오폴리머 시멘트는 5~8%의 손실로 안정적으로 유지된다. 이 내산성 시멘트는 실온에서 급격히 경화하며 수경성 바인더 몰탈에 사용하여 기준에 따라 시험을 실시했을 때 섭씨 20도에서 4시간 만에 약 20MPa의 압축강도를 발현하였다. 최종 재령 28일 압축강도는 70~100MPa에 달하였다.

3.2 Davidovits(1994)는 이산화탄소 관련 에너지 세금이 굴뚝에서 측정되는 실질적인 이산화탄소 배출이 아니라 본질적으로 연료소비에 초점을 맞추고 있다는 사실을 연구하였다. 골재업계에서 사용되는 보통 포틀랜드 시멘트는 아래 화학방정식에 나타난 바와 같은 석회석(탄산칼슘)과 실리카의 소성에서 생겨난다.

시멘트 1톤을 생산하는데 1톤의 이산화탄소가 직접적으로 발생한다. 플라이애시 및 고로슬래그와 같은 포틀랜드 시멘트 대체재를 혼합하여 사용함으로서 이산화탄소의 일부는 감소될 수 있을 것이다. 2015년에 세계 글로벌 기후조약(world Global Climate treaties)이 1850백만 톤에 적합한 이 포틀랜드 혼합시멘트 생산을 인가할 것이라는 것을 가정할 때 1650백만 톤 범위 내에서 새로운 저탄소 시멘트계 재료에 대한 보완 필요성은 다양한 기술의 도입을 필요로 한다. 석회석의 소성에 의존하지 않는 참신한 지오폴리머 시멘트는 유사한 특성을 발휘하면서도 현재 높은 이산화탄소를 발생시키는 포틀랜드 시멘트에 비하여 낮은 이산화탄소를 발생시키는 시멘트계 재료이다. 이 기술은 시멘트와 골재업계에 의해 유발되는 이산화탄소 배출의 80%까지 감소시킨다.

3.3 Hardijito et al. (2004)은 플라이애시 기반의 지오폴리머 콘크리트의 특성에 관한 몇 가지 요인, 특히 압축강도에 미치는 영향을 평가하였다. 시험결과에 미치는 변수에는 콘크리트의 재령, 양생 시간, 양생 온도, 고유동화제의 양, 양생 이전의 대기시간 및 배합에 쓰이는 물의 양 등이 있다. 시험결과 지오폴리머 콘크리트의 압축강도는 콘크리트의 재령에 따라 변화하지 않으며 재령 75시간에 이르기 까지는 양생시간이 길면 중합반응(polymerization process)이 증진되어 보다 큰 압축강도를 발휘한다. 상업적으로 이용 가능한 나프탈렌 기반의 고유동화제는 생콘크리트의 시공연도를 개선하지만 플라이애시 질량에 이 고유동화제의 약 2% 까지는 압축강도에 거의 영향을 미치지 않으며 이 값을 넘어 사용하면 압축강도에 일부 저하가 있으며 양생온도를 섭씨 75도에 이를 때 까지 높여주면 콘크리트 압축강도는 온도에 따라 증가한다.

3.4 Demie et al. (2011)이 수행한 실험연구는 자가 다짐 지오폴리머 콘크리트(SCGC - self- compacting geopolymer concrete)의 압축강도와 시공연도에 고유동화제와 양생온도가 미치는 영향에 초점을 맞추었다. SCGC는 다짐작업이 필요가 없는 콘크리트 타설의 개선된 방법이며 보통포틀랜드 시멘트를 전혀 사용하지 않고 만든 콘크리트이다. 조사대상은 고유동화제(SP-superplasticizer) 사용량과 양생온도이었다. SCGC는 자가 다짐성을 얻기 위해 고유동화제를 투입하였고 수산화나트륨과 규산나트륨액의 조합으로 활성화된 저칼슘 플라이애시로 합성되어진 것이다. SP 사용량은 3%, 4%, 5%, 6% 및 7%이었으며 양생온도는 섭씨 60도, 70도, 80도 및 90도이었다. 충전성(filling ability), 충진성(passing ability) 및 골재분리 저항성과 같은 시공연도에 SP 사용량이 미치는 영향이 평가되었다. 그 결과 시공연도와 압축강도는 SP 사용량의 증가로 개선되는 것으로 나타났다. 양생온도는 섭씨 70도 까지는 온도를 높이면 강도도 증가하는 것으로 관찰되었다. 그러나 섭씨 70도 이상으로 양생하면 강도는 감소하였다. SP 사용량 6%, 양생온도 섭씨 70도 및 슬럼프 690mm인 SCGC에서 얻어진 압축강도는 51.52MPa이었다.

4. 호주에서의 지오폴리머 콘크리트 사례

호주에서는 지오폴리머 콘크리트에 대한 많은 연구 활동이 수행되어 왔다. 호주에서 지오폴리머 콘크리트가 시공된 일부사례가 그림 1(그림 1.1, 1.2 및 1.3)에 표시되어 있다. 호주 퀸즈랜드 투움바에 설치되어 있는 지오폴리머 콘크리트 하수관이 그림 1.1에 표시되어 있다. 그림 1.2는 호주 골번 인근의 멜버른에서 시드니 구간의 본선에 궤도침목의 부분 대체재로 프리스트레스드 지오폴리머 콘크리트 침목이 설치된 사례이다. 그림 1.3에 표시된 지구친화적 콘크리트(Earth Friendly Concrete - EFC)는 호주에서 개발된 특허를 받은 지오폴리머 콘크리트로서 PC와 현장타설용으로 사용된다.

 <그림 1 - 호주의 지오폴리머 콘크리트 시공 사례>

5. 인도에서의 지오폴리머 콘크리트 사례

지오폴리머 콘크리트의 많은 분야를 연구하고 있는 인도의 CSIR-AMPRI Bhopal 연구소에서는 일부 연구결과를 그림 2와 같이 제시하였다. 그림 2.1은 2011년에 개발된 시멘트 없는 현장타설 구조물을 나타내며 그림 2.2는 2014년에 입증된 시멘트 없는 콘크리트 도로를 나타내며 구조물과 도로에 대한 상세한 시방내용도 그림과 함께 표시하였다.

6. 결론

이용 가능한 문헌을 기반으로 한 광범위한 조사를 실시한 결과, 콘크리트의 주요 성분인 시멘트가 대기 중에 이산화탄소를 방출함으로서 환경에 부정적인 영향을 미친다는 것은 쉽게 이해가 가는 문제이다. 시멘트 제조에 있어서 약 1톤의 클링카 생산에 이산화탄소 1톤이 방출되며 전세계 이산화탄소 배출의 약 7%를 차지한다. 따라서 환경 친화적이고 이산화탄소 배출을 감소시킬 수 있는 콘크리트를 준비하는데 테크노 물질을 평가하는 것이 필요하다. 환경 친화적인 건축은 건설업계에서 중요한 이슈가 되고 있다. 지속가능한 콘크리트를 향하여 가는 과정에는 전세계 이산화탄소 배출을 감소시키는 것 뿐만 아니라 재활용 재료로 천연의 재료를 대체함으로서 콘크리트 제조로 인한 환경영향을 최소화하는 것이 큰 몫을 차지한다. 플라이애시 콘크리트 제조용 포틀랜드 시멘트의 부분 또는 완전 대체재로서 플라이애시를 사용하는 방안이 채택되었다.

1978년 프랑스의 Joseph Davidovits 교수는 무기 고분자 재료를 개발하고 그 이름을 지오폴리머라 하였다.

그 독특한 물리적 및 화학적 특성으로 인하여 건설재료, 교통, 도로건설, 항공우주재료, 금속 광산 등 많은 분야에 널리 사용되었다.

이용 가능한 문헌을 토대로 광범위한 조사를 수행한 결과 지오폴리머 콘크리트가 강도 내구성 측면에서 시멘트 콘크리트 보다 훨씬 우수한 것으로 밝혀졌다. 또한 지오폴리머 콘크리트는 보통 포틀랜드 시멘트 콘크리트 보다 이산화탄소 배출이 약 80% 덜하여 환경을 보호하는 것으로 확인되었다.

지오폴리머 콘크리트의 장점은 짧은 기간에 보다 큰 압축강도를 용이하게 얻을 수 있다는 것이다. 지오폴리머 콘크리트의 압축강도에 영향을 미치는 주요 요인은 플라이애시에 대한 알칼리 용액의 비율, 수산화나트륨 농도, 양생시간, 양생온도, 고유동화제 사용량, 양생 이전의 대기기간(rest period) 및 물 추가배합 등이다. 지오폴리머 콘크리트의 양생은 오븐이나 햇빛에 의해 가능하다. 지오폴리머 콘크리트의 높은 강도는 수산화나트륨 용액의 농도가 10M~16M일 때 그리고 수산화나트륨에 대한 규산나트륨의 비율이 0.5~2.5일 때 달성될 수 있다는 결론이 문헌검토 결과를 통해 내려졌다. 또한 양생온도가 섭씨 30~90도 사이여야 하지만 70도가 넘으면 강도가 감소하는 반면에 양생시간은 6~96시간이 있어야 하나 48시간 이상은 중요하지 않은 것으로 알려지고 있다.

관련문헌에 따르면 지오폴리머 콘크리트는 기존 시멘트 콘크리트에 비하여 산(acid)과 황산염에 노출시 우수한 내성을 가진 것으로 알려지고 있다. 따라서 우리는 지오폴리머 콘크리트가 보다 큰 강도, 우수한 체적 안정성(volume stability)과 보다 나은 내구성을 가지고 있다고 말할 수 있다. 그러나 지오폴리머 콘크리트가 직면한 큰 문제는 시공연도로서 기존 시멘트 콘크리트에 비해 시공연도가 좋지 못하다. 일반적으로 시멘트 콘크리트의 시공연도는 고유동화제를 첨가하면 좋아진다. 기존에 이용 가능한 고유동화제는 일반적으로 술폰화 멜라민 포름 알데히드(Sulfonated melamin formaldehyde) 응축액, 술폰화 나프탈렌 포름 알데히드(Sulfonated naphthalene formaldehyde) 응축액, 수정 리그노술포네이트(Modify lignosulphonates), 폴리에테르 폴리카복산(Polyether polycarboxylates) 등이 있다. 지오폴리머 콘크리트의 시공연도에 관해 이용 가능한 문헌은 거의 없다.

지오폴리머 콘크리트는 물 농도를 높이면 강도가 커지지만 시공연도는 떨어지는 것으로도 알려져 있는데 고유동화제의 사용량이 지오폴리머 콘크리트 내에 플라이애시 질량의 2% 보다 클 때 약간의 골재분리가 있고 압축강도에 감소가 있다. 대부분의 문헌자료에 따르면 나프탈렌 기반의 고유동화제는 시공연도는 간과한 채 지오폴리머 콘크리트의 압축강도를 개선하는데 사용되었다. 대부분의 연구결과 지오폴리머 콘크리트의 강도가 커지면 시공연도는 저하되고 그 반대의 경우도 마찬가지인 것으로 드러났다. 따라서 이제 지오폴리머 콘크리트의 시공연도 문제에 대한 해법을 조사할 필요가 있다.