서론
최근 ｢2050 탄소중립｣이 전 세계적 과제로 자리매김함에 따라 세계 각국에서는 CO2 배출 저감을 통해 변화하는 기후 위기에 대응하는 것을 공동의 목표로 설정하였다. 산업 부문 내 CO2 배출 비중을 살펴보면, 철강, 석유 ⋅ 화학, 시멘트 산업이 전체의 약 70%를 점유하고 있으며 그 중 시멘트 산업은 3번째로 높은 배출 비중을 차지하고 있다.[1] 또한 시멘트 산업은 콘크리트 제조 및 시공 등 전반적인 건설 산업과도 연계되어 있어 건설분야에서의 CO2 배출량 감축과 연계되는 주요한 산업이다.
시멘트 산업에서 탄소 배출 저감을 위한 움직임은 유럽을 중심으로 시작되었으며 이후 미국을 비롯한 주요 선진국으로 확대되었다. 유럽 시멘트 협회(CEMBUREAU)에서는 단순히 시멘트 산업에서의 탄소 배출 저감만을 강조하는 것이 아닌 Clinker 단계를 시작으로 Cement, Concrete, Construction, (Re)Carbonation까지의 5C-Value-Chain의 중요성을 언급하면서 파리협정의 2℃ 시나리오에 맞춰 1990년 CO2 배출량의 약 40%를 2030년까지 감축시키기 위한 기술 경로를 제시하였으며, 2050년까지 탄소중립을 실현시키기 위한 정량적인 목표치를 제시하였다.[2] 나아가 유럽의 2050 시멘트 산업 탄소중립 로드맵을 유럽 그린딜(European Green Deal)의 목표와 맞추고, 구체적인 항목별로 탄소 배출량을 감소시킬 방법에 대해 제시하였다. 이와 마찬가지로, 미국 시멘트 협회(PCA, The Portland Cement Association)에서 발표한 로드맵[3]에서도 시멘트 산업을 기반으로 순환 경제를 통합하기 위해 건설 환경의 전체 수명주기 확장을 통한 Value-Chain의 구성을 강조하고 있다.
국내의 경우, 2021년 10월 탄소중립녹색성장위원회에서 ｢2050 탄소중립 시나리오 최종안｣을 발표하여 시멘트 산업을 포함한 산업계 전체의 탄소중립과 지속 가능한 발전에 대한 비전과 이념을 제시하였다. 유엔기후변화협약 사무국에 제출한 ｢2030 국가 온실가스 감축목표(NDC) 상향안｣에 의하면 산업 부문의 감축 목표는 2018년 배출량 대비 14.5%로 설정되어 있었다. 제2기 탄소중립녹색성장위원회에서는 현실적인 여건을 고려하여 Table 1과 같이 산업 부문의 감축목표를 11.4%로 하향 조정하였다.[4] 이는 산업 부문에서의 단기적인 배출량 감축 목표 달성이 쉽지 않다는 산업계의 의견이 받아들여진 것으로 해석할 수 있다. 산업 부문 중에서도 탄소다배출 산업으로 분류되는 시멘트 부문에서는 2018년 대비 2050년 감축률 목표를 53%로 설정하였으며, 크게 연료 전환과 원료 전환을 통한 감축 수단을 제시하였다.[1] 연료 전환 측면에서는 기존 유연탄의 사용을 100% 폐합성수지 등으로 교체하는 것을 목표로 설정하였으며, 원료 전환 측면에서는 다양한 산업 부산물을 활용한 클링커의 원료 대체 및 보통 포틀랜드시멘트의 혼합재 비중 확대를 핵심 감축 수단으로 제시하였다.
Table 1.
Government targets for reducing greenhouse gas emissions according to each sector
현재 국내 시멘트 관련 KS 표준은 2050 탄소중립의 관점에서 전술한 두 가지 추진 전략을 수행하기에는 환경적 및 제도적 한계가 존재한다. 향후 연료 및 원료 전환을 위해 다양한 산업부산물과 폐기물이 시멘트 산업으로 유입될 경우 환경 문제에 대한 사회적 우려가 발생할 수 있다. 또한 현재 국내 KS 표준은 과거 일본과 미국의 표준을 참고하여 제 ⋅ 개정되어 왔으며 현재의 탄소중립적 요구를 충족하고 있지는 못하기 때문에 탄소 배출 감축 수단으로 제시된 전략을 추진하기에는 무리가 있다. 반면 유럽에서는 1990년대부터 기후변화에 대응하기 위한 적극적인 움직임을 보여 왔으며, 수십 년 전부터 지속적으로 시멘트 관련 표준을 제 ⋅ 개정함에 따라 현재의 환경적, 기술적 요구를 수용할 수 있을 뿐만 아니라 향후 지속 가능한 시멘트 산업의 Value-Chain 구성을 위한 제도적 기반이 마련되어 있다. 따라서 국내에서도 유럽 및 미국 등 해외 선진국의 시멘트 관련 최신 기술 및 표준 동향을 참고하여 국내 산업구조에 적합한 방향으로의 환경친화적이고 지속 가능한 시멘트 산업 2050 로드맵 개발이 필요하다. 또한 이를 뒷받침할 수 있는 KS의 제 ⋅ 개정이 함께 이루어져야 할 것이다.
본 연구에서는 국내 시멘트 산업 탄소중립을 위한 2050 로드맵 개발을 위해 해외 시멘트 관련 표준 및 로드맵을 기반으로 국내 시멘트 관련 표준 제 ⋅ 개정 대상 아이템을 정리하였다. 크게 1)포틀랜드시멘트 혼합재 비율 증대, 2)포틀랜드시멘트 혼합재 종류 다양화, 3)혼합시멘트 표준 제정, 4)기타 포틀랜드시멘트 표준 개정 고려사항 등으로 구분하여 정리하였으며, 최종적으로 시멘트 관련 표준 제 ⋅ 개정 로드맵(안)을 제안하였다. 본 로드맵은 앞으로 정부 또는 시멘트 산업이 주도하는 우리나라의 시멘트 탄소중립 로드맵을 만들어 가는 데 중요하게 활용될 수 있기를 희망한다.
시멘트 관련 KS 표준 제 ⋅ 개정 대상 아이템
2.1 포틀랜드시멘트 혼합재 비율 증대
｢ KS L 5201 포틀랜드시멘트｣[5]는 Table 2에 정리한 바와 같이 2013년 개정을 통해 고로 슬래그, 포졸란, 플라이 애시 중 한 종류를 5%, 여기에 석회석을 5% 포함할 수 있도록 개정되어 최대 10%의 혼합재 사용을 허용하고 있다. 시멘트 산업의 주요 CO2 배출은 클링커 생산 공정에서 발생하기 때문에 클링커의 사용을 줄이고 혼합재 함량을 늘리는 것은 시멘트 산업의 탄소 배출을 가장 효율적으로 줄일 수 있는 바람직한 방법 중 하나라고 볼 수 있다.[6] 이러한 관점에서 정부는 ｢2050 탄소중립 시나리오 최종안｣을 통해 혼합재 함량을 2030년까지 15%, 2050년까지 20%로 증가시키는 것을 추진 전략으로 제시하였다.[1]
Table 2.
Amendment history related cement additives of ｢ KS L 5201, Portland cement｣
포틀랜드시멘트에 반응성이 떨어지는 혼합재를 확대 사용한다는 개념은 시멘트 제품의 기계적 성능에 직접적인 영향을 미치므로 반대하는 의견 또한 상당수 존재한다. 이러한 우려는 해외 사례를 통해 해결책을 모색할 수 있다. 먼저 유럽의 CEMⅠ, Portland cement는 소량 혼합 성분(MAC, Minor Additional Constituents)만을 5% 포함하는 것으로 클링커의 함량이 95% 이상인 고품질의 시멘트를 의미하며, 현재 고성능이 요구되는 특정 수요에 집중되어 있다. 그 외 폭넓은 혼합재의 사용은 CEMⅡ∼ CEMⅥ를 통해 관리되고 있으며, 유럽은 지속적으로 표준을 제 ⋅ 개정함으로써 수요처에 따라 다양한 시멘트를 공급할 수 있는 환경을 구축해 왔다.[7,8] 이러한 관점에서 현재 국내 포틀랜드시멘트는 유럽의 포틀랜드시멘트와 비교해 사실상 혼합시멘트 수준으로 볼 수 있다. 게다가 향후 혼합재 함량을 증가시켜 클링커 비율(Clinker to cement ratio)이 더 줄어들 경우 품질저하가 발생할 우려가 있다. 따라서 KS 표준 개정에 있어 품질 저하를 최소화할 수 있는 기술개발이 반드시 수반되어야 할 것이며, 그것이 어렵다면 유럽과 같이 포틀랜드시멘트를 특정 수요처에 고정하고 혼합시멘트를 확대하는 방식의 표준 제 ⋅ 개정도 고려해 볼 수 있다. 한편, 미국의 포틀랜드시멘트 표준인 ｢ ASTM C150, Standard specification for Portland Cement｣[9]에서는 석회석을 5%, 무기 공정 첨가제(IPA, Inorganic Processing Additions)를 5%까지 허용하고 있어 국내 기준과 동일한 혼합재 함량이 규정되어 있다. 다만, 강열감량 기준을 최대 3.5%로 제한하고 있어 석회석을 최대치까지 사용하기는 어렵기 때문에 탄소중립의 관점에서는 국내 포틀랜드시멘트(강열감량 5%)보다 보수적이라고 할 수 있다. 하지만 미국에서는 Fig. 1과 같이 현재의 시멘트를 클링커 비율이 낮은 저탄소시멘트로 전환하는 것을 목표로 하고 있다. PCA 로드맵[3]에 따르면 미국 시멘트의 클링커 비율은 90% 이상이지만, 향후 2030년까지 15%, 2040년까지 20%, 2050년까지 25%로 증가시키는 것을 목표로 하고 있어 클링커 사용량 저감 및 혼합재 확대 적용에 대한 야심찬 계획을 갖고 있는 것을 알 수 있다.
Fig. 1.
Reducing the clinker to cement ratio by 2050. Adapted from Henley et al. 2021, with permission of The Portland Cement Association[3]
이와 같이 유럽과 미국 등 선진국에서는 2050 탄소중립 실현을 위해 클링커 비율을 저감시킨 저탄소시멘트의 비중을 늘려가는 방향의 기술개발에 몰두하고 있다. 다소 논란의 여지는 있지만, 시멘트 혼합재 확대에 대한 정부의 의지를 담은 ｢탄소중립 산업핵심기술 개발 사업｣이 2023년 7월을 기점으로 8년간 수행된다. 이 프로젝트를 통해 포틀랜드시멘트의 품질을 확보하면서도 혼합재 함량을 15%까지 늘리는 기술, 즉 품질 저하 우려를 해소할 수 있는 시멘트가 개발되어 2030년 단기 목표를 달성할 수 있도록 적극적인 연구개발이 필요한 시점이다.
2.2 포틀랜드시멘트 혼합재 종류 다양화
Table 3은 국내 ⋅ 외 각국의 포틀랜드시멘트 제조 시 혼합재로 사용할 수 있는 재료를 비교한 것이다. 현재 국내에서는 포틀랜드시멘트 제조 시 클링커 및 석고와 함께 분쇄할 수 있는 혼합재를 전술한 바와 같이 고로 슬래그, 플라이 애시, 포졸란, 석회석 등 4가지로 규정하고 있다. 이 중 석회석은 경제적 측면과 가용성 부분에서의 이점이 있어 5%까지 고정적으로 사용할 수 있지만, 다른 3가지 재료 중에서 선택적으로 1종만을 5%까지 사용할 수 있다.
Table 3.
Comparison of Portland cement additives established in different standards
하지만 International Energy Agency보고서[6]에서는 시멘트 구성 재료의 약 20%를 차지하는 고로 슬래그와 플라이 애시의 사용량이 향후 대폭 감소할 것으로 보고하고 있어 기존 혼합재를 지속적으로 사용하기에는 어려움이 따를 것으로 예측하고 있다. 고로 슬래그의 경우, 현재 세계적으로 약 300 백만 톤이 시멘트에 활용되고 있지만 최근 철강 산업이 탄소중립 관점에서 기존의 고로 중심의 철강생산을 전기로 중심의 제품 생산 체제로 전환하는 것을 하나의 추진 전략으로 내세움에 따라 전통적으로 시멘트의 혼합재로 사용되는 슬래그의 종류 혹은 성분의 변화가 발생할 것이며 생산량 또한 대폭 줄어들 것으로 예상된다. 플라이 애시도 약 260 백만 톤이 활용되고 있으며 추가로 약 580 백만 톤의 가용량이 존재하지만 품질 편차가 크고 성능이 떨어진다는 단점이 존재한다. 또한 고로 슬래그와 마찬가지로 기존의 석탄화력발전에서 신재생에너지 및 바이오 에너지와 같은 환경친화적이고 지속 가능한 방향으로 전력 수급 방식이 변화됨에 따라 생산량이 감소할 것이다. 이러한 관점에서 전통적으로 사용되는 고로 슬래그와 플라이 애시의 수요를 충족시키기 위해 지속가능한 측면에서 석회석과 소성 점토에 대한 관심이 높아지고 있으며, 이 두 가지 재료는 현재 사용되는 시멘트양 대비 가용성 부분에서 큰 장점을 가지고 있다. 따라서 국내에서도 기존에 사용되는 혼합재를 대체할 수 있는 신규 혼합재에 대한 연구가 시급히 필요한 실정이다. 이를 위해 다양한 종류의 혼합재 사용을 허용하는 유럽 등 선진국의 표준을 기초 자료로 활용하는 것도 국내 KS 표준을 제 ⋅ 개정하는데 있어 유의미할 것으로 생각된다.
전 세계적으로 유럽은 시멘트 제조 시 다양한 혼합재를 가장 폭넓게 활용할 수 있는 환경이 구축된 연합이다. 유럽은 EN 197-1[7]을 통해 총 9가지의 혼합재를 클링커와 함께 주원료로 사용할 수 있도록 규정하고 있으며, 여기에 EN 197-6 Draft[10]가 표준으로 제정될 경우 폐콘크리트 미분말을 포함하여 총 10가지의 재료를 시멘트 혼합재로 사용할 수 있게 된다. 특히, 유럽은 포졸란계 재료와 플라이 애시를 세분화하여 천연 및 소성 포졸란, F급 플라이 애시, C급 플라이 애시에 대한 규정이 제정되어 있다.[7] 반면 국내의 경우 포졸란계 재료에 대한 명확한 규정이 없으며, 플라이 애시 또한 F급 플라이 애시만 다루고 있기 때문에 C급 플라이 애시를 준용하기에는 어려움이 따른다. 따라서 명확한 재료의 구분과 품질을 포함하는 방향으로 KS 표준 개정 논의가 필요한 시점이라 생각된다.
미국의 경우, 포틀랜드시멘트 제조 시 혼합재로 사용할 수 있는 무기계 재료를 석회석과 IPA로 규정하고 있다. 국내와 달리 미국 규정은 사용할 수 있는 혼합재를 단일종으로 한정하고 있지 않다. IPA로써 사용할 수 있는 무기계 재료는 고로 슬래그, 플라이 애시, 바텀 애시, 시멘트 킬른 더스트, 소성 부산물 등이 있으며, 이 중 한 가지 재료만을 사용할 수 있다.[11]
또한 미국에서는 2011년 다양한 무기계 순환자원을 콘크리트용 대체 혼합재(ASCM, Alternative Supplementary Cementitious Materials)로 활용할 수 있도록 하기 위한 표준을 제정하였다. 표준명은 ｢ ASTM C1709: Standard Guide for Evaluation of Alternative Supplementary Cementitious Materials (ASCM) for Use in Concrete｣[12]이며, 새로운 재료를 시멘트 또는 콘크리트에 사용할 때 평가방법을 정의한 것이다. 이 표준에서 규정하고 있는 단계별 평가 내용을 Table 4에 나타내었다. 표준에서는 재료 자체의 특성 검토를 시작으로 최적 분말도, 기존 콘크리트용 혼합재(SCM, Supplementary Cementitious Materials)와의 비교 평가, 콘크리트 특성, 현장 장기 성능 및 내구성 평가에 이르기까지 총 5단계의 체계적인 평가 기준을 마련하여 다양한 부산자원을 활용할 수 있는 가이드라인을 제시하고 있다. 국내에서도 이처럼 ASCM 개발을 위한 평가 가이드 표준이 제정될 필요가 있다. 이를 통해 자원 재활용의 관점에서 다양한 대체자원 개발 및 신속한 적용이 가능하게 될 것이고, 기존 SCM의 수급 문제도 해결할 수 있을 것이다. 또한 콘크리트 단계뿐만 아니라 시멘트 단계까지 그 개념을 확장하여 시멘트 및 콘크리트의 특성에 유리하게 기여하는 모든 재료를 활용할 수 있도록 하는 표준 제정이 이루어진다면 더욱더 많은 부산물의 활용 가능성은 극대화될 수 있다. 특히, 기존 KS 표준에 시멘트 혼합재로 제정되어 있지 않은 소성점토, 괴재 고로 슬래그, 실리카 퓸, 페로니켈 슬래그, 건식 바텀 애시, 제강 슬래그 등 시멘트 대체 재료로서의 활용 가능성이 있는 무기계 자원에 대한 적용 가능성 검토와 기존 혼합재와의 복합사용에 따른 품질 검토를 통한 신규 SCM 개발에 초점을 맞춘다면 포틀랜드시멘트에 다양한 무기계 미활용 자원을 사용할 수 있는 환경이 구축될 수 있을 것이다.
Table 4.
The five stages of the test protocol for Alternative Supplementary Cementitious Materials (ASCM)
한편, 일본의 ｢ JIS R 5210 Portland cement｣[13]에서는 포틀랜드시멘트에 사용할 수 있는 혼합재를 소량혼합성분이라는 용어로 사용하고 있으며, 그 종류는 고로 슬래그, 실리카질 혼합재, 플라이 애시, 석회석 등 국내와 유사하게 규정되어 있다. 다만, 사용량 측면에서는 유럽과 같이 5% 범위 이내에서의 사용을 허용하고 있어 국내 대비 혼합재 사용에 대해 다소 엄격한 제한을 두고 있다. 이처럼 일본이 혼합재 사용에 대해 보수적인 자세를 취하는 것은 지진과 같은 빈번한 자연재해로 인해 고품질 및 고내구성을 요구할 수밖에 없는 지리적 특수성으로 인한 것으로 보인다. 국내 시멘트 관련 KS 표준은 초기 제정 당시 일본의 표준을 참고하여 제정되었기 때문에 현재 매우 유사한 형태이다. 하지만 앞으로의 시멘트 표준 제⋅개정은 탄소중립에 매우 부합하는 유럽 및 미국의 표준과 로드맵을 참고하여 국내 산업구조에 적합한 방향으로의 기술개발을 통해 이뤄져야 할 것이다.
2.3 혼합시멘트 표준
혼합시멘트에 관한 연구는 세계적으로 매우 활발하다. 본 절에서는 국내⋅외 혼합시멘트 규격 제정 현황과 최근 제정 또는 제정이 추진되고 있는 혼합시멘트에 대해 구체적으로 추진 현황을 살펴보기로 한다.
2.3.1 국내⋅외 혼합시멘트 표준 제정 현황
Table 5는 국내⋅외 혼합시멘트 표준 제정 현황을 정리한 것이다. 국내 KS 표준에 제정된 혼합시멘트는 ｢ KS L 5210 고로 슬래그 시멘트｣[14], ｢ KS L 5211 플라이 애시 시멘트｣[15], ｢ KS L 5401 포졸란 시멘트｣[16] 등 총 3종류의 표준이 제정되어 있다. 이 중 고로 슬래그 시멘트만이 생산되어 시장에 유통되고 있으며 2021년 기준 국내 시멘트 출하량의 18%를 점유하는 것으로 나타나 아직 국내에서는 보통 포틀랜드시멘트의 의존도가 높다.
Table 5.
Types of blended cement and cement additives of different standards in each country
유럽의 혼합시멘트는 CEMⅡ∼ CEMⅥ로 분류되고 세부적으로 이성분계, 삼성분계 및 다성 분계로 구성되어 있으며 제정될 것으로 예상되는 폐콘크리트 미분말 혼합시멘트를 포함하면 총 12종류의 혼합시멘트가 규정되어 있다. 유럽에서는 혼합시멘트가 시멘트 시장의 약 70% 이상을 차지할 정도로 이미 핵심 트렌드로 자리 잡았다(Fig. 2 참조).
Fig. 2.
Changes in production by the cement types in Europe. Adapted from Knell et. al. 2022, with permission of Verein Deutscher Zementwerke[17]
미국의 경우, 국내와 달리 ASTM C595[18]를 통해 통합형 혼합시멘트의 표준을 따로 제정하여 관리하고 있다. 세부적으로 고로 슬래그를 사용한 Type IS, 포졸란을 사용한 Type IP, 석회석을 사용한 Type IL의 이성분계 혼합시멘트가 규정되어 있으며, 이들을 복합 사용한 삼성분계 혼합시멘트인 Type IT까지 포함하여 총 4종류의 혼합시멘트가 규정되어 있다.
2.3.2 Portland Limestone Cement
현재 석회석을 사용한 포틀랜드 라임스톤 시멘트(PLC, Portland Limestone Cement)는 전 세계적으로 OPC(Ordinary Portland Cement)를 대체하기 위한 탄소중립형 시멘트로 주목받고 있으며 유럽에서는 Fig. 3에 나타난 바와 같이 전체 시멘트 판매량의 약 30%를 차지하고 있다. 또한 혼합재 함량이 5% 이하인 CEMⅠ과 동등한 비율로 유통되고 있으며 혼합시멘트 내에서도 가장 높은 비중을 차지하고 있다.[22] 미국 PCA 로드맵에서도 PLC의 사용 확대를 통해 CO2 저감에 기여하고자 하는 내용을 포함하고 있다.[3] 현재 시멘트 산업의 접근법 및 사고방식을 탈피하여 PLC의 친환경성을 홍보하는 등 적극적으로 대응하고 있다. 또한 Fig. 4에 나타낸 것과 같이 최근 미국 북서부 지역의 대규모 경전철 기반 시설 프로젝트용 콘크리트에 사용되는 시멘트를 OPC에서 PLC로 전환하는 것이 제안되는 등 미국의 다양한 지역에서 PLC를 사용하기 위한 노력이 진행되고 있다.[23,24]
Fig. 3.
Cement type sold in Europe in 2015. Adapted from Favier et al. 2018:25-7, with permission of ETHZ[22]
Fig. 4.
State DOT acceptance situation of Portland-Limestone Cement. Tentative date: March 2023. Adapted from Henley et al. 2023, with permission of The Portland Cement Association[23]
석회석을 사용한 혼합시멘트에 대한 연구는 해외에서 수십 년 전부터 연구되어 그 공학적 합리성이 입증되었다. 석회석을 클링커와 함께 사용할 때 시멘트의 공학적 특성을 개선하는 메커니즘에는 크게 두 가지 이론이 거론된다. 우선, 석회석은 대부분 충전 효과(Filler effect)와 핵종 효과(Nucleation effect)의 역할을 통해 시멘트 수화에 기여하며,[25] 일부 시멘트 내 C3A와의 반응을 통해 화학적 반응 효과(Chemical effect)로 새로운 수화물을 형성하여 클링커 사용 저감에 따른 희석 효과(Dilution effect)를 일부 보상한다.[26] 다만, 석회석은 단독적으로 수화하지 않을 뿐만 아니라 반응성이 높지 않아 최대 15% 범위 내에서 사용해야만 OPC와 동등한 성능을 나타낸다고 보고되고 있다(Fig. 5 참조).[27,28]
Fig. 5.
Strength development of PC and Portland Limestone Cement (PLC) without Supplementary Cementitious Materials (SCM). Adapted from Thomas et al. 2010, with permission of The Portland Cement Association[28]
따라서 석회석의 품질 검토를 통해 시멘트의 안정성을 저해하지 않는 범위에서 적정 사용량에 대한 기준 설정이 우선적으로 검토되어야 할 것이다. 또한 클링커의 주요 광물 중 C3A의 함량을 조절하는 것과 반응성 알루미나(Alumina)를 포함하는 SCM과의 복합사용은 석회석의 반응성을 높여 전체적인 시멘트 수화 활성도를 향상시키는 효과적인 해결책이 될 수 있다.
하지만 국내 석회석의 활용은 여전히 OPC 제조 시 최대 5% 사용 수준에 머물러 있어 해외 대비 혼합재 사용에 대한 제도적 기반이 미흡한 실정이다. 석회석은 클링커의 주원료로 사용되기 때문에 시멘트 제조공장에서 간단히 입수할 수 있어 경제성 및 가용성 측면에서 큰 이점이 있다. 전술한 바와 같이 PLC의 품질 및 가용성 등을 종합적으로 고려해 볼 때 이미 해외에서 검증을 마친 PLC 표준의 제정은 가장 우선적으로 이뤄져야 할 과제 중 하나라 생각된다.
2.3.3 LC3
최근 소성 카올리나이트 점토인 메타카올린과 석회석을 혼합하여 시멘트에서의 클링커 비율이 50%인 Limestone Calcined Clay Cement (LC3)가 OPC를 대체하기 위한 차세대 시멘트로 주목받고 있다. 포졸란계 재료인 소성점토를 시멘트의 주성분으로 사용하기 위한 연구는 2004년 Swiss Federal Institute of Technology Lausanne와 쿠바의 University Central “ Marta Abreu” of Las Villas에서 처음으로 논의되었으며 현재까지 시멘트의 제조 및 실용화 기술 개발을 위한 다양한 연구가 진행되고 있다. LC3는 OPC 대비 CO2 배출의 약 30∼40%를 저감할 수 있으며 이는 세계적으로 1∼2%의 CO2 저감 효과를 가져올 수 있다. 비록 천연 카올리나이트 점토를 소성하는 과정에서 연료 연소를 통해 일부 CO2가 배출되지만, 클링커 생산 대비 소성온도가 월등히 낮아 20% 미만의 열에너지를 필요로 하므로 에너지 유래 탄소배출량을 80% 정도 절감하는 것이 가능하다. 또한 원료로 사용되는 점토와 석회석은 전 세계적으로 풍부하게 이용 가능한 자원이며 가용량은 사실상 무제한 수준으로 보고되고 있다. 특히, LC3에 필요한 카올리나이트 함량은 세라믹 혹은 제지 산업에서 사용되는 순수 카올리나이트 점토 대비 훨씬 낮기 때문에 이들 산업에서 폐기물로 간주하여 버려지는 저급 점토를 활용할 수 있다는 장점이 있다. 석회석의 경우에도 클링커 생산에 적합하지 않은 낮은 품위의 석회석을 LC3의 원료로 사용함에 따라 폐기되는 자원을 활용할 수 있다는 장점이 있다(Fig. 6 참조).[29]
Fig. 6.
Five good reasons for adopting LC3. Adapted from SDC et al. 2022, with permission of 2023 LC3[29]
세계적으로 행해진 다양한 연구자료는 LC3가 CEMⅠ과 동등한 성능을 나타내고 있음을 밝히고 있다(Fig. 7 참조). 소성 카올리나이트 점토인 메타카올린은 다량의 반응성 실리케이트(Silicate)와 알루미나로 구성되어 있어 포졸란 반응을 통해 시멘트의 강도 발현에 기여할 수 있기 때문이다. 다만 포졸란 반응으로 인해 초기 강도 발현은 CEMⅠ 대비 늦지만 재령 7일 이후에는 소성 카올리나이트 순도가 낮더라도 CEMⅠ과 동등한 성능을 나타낸다. 또한 석회석은 앞서 전술한 바와 같이 충전 효과와 화학적 반응 효과를 통해 LC3의 수화 반응에 참여하며, 소성 카올리나이트 점토 내 알루미나와의 상호작용에 의해 화학적 반응 효과가 극대화된다.[30]
Fig. 7.
Compressive strength of LC3-50 as a function of the calcined kaolinite content. Dashed lines indicate plain PC strengths. Adapted from Avet et al. Cem Concr Res 2018;107:124-35, with permission of 2018 Elsevier Ltd.[30]
이와 같은 활발한 연구의 진행과는 달리 LC3에 대한 표준을 제정한 국가는 아직 없다. 그러나 활발한 연구성과에 힘입어 가까운 장래에 표준으로 제정될 것으로 예측할 수 있다. IEA에서 보고한 바와 같이 향후 시멘트 대체재로서 사용량이 급증할 것으로 예상되는 소성점토와 석회석을 활용한 시멘트의 제조 및 실용화 기술 개발은 탄소중립 실현을 위한 국제적인 니즈(Needs)이기 때문이다. 그러므로 가능한 한 빨리 우리나라에서도 한국형 LC3 표준 제정에 대한 논의가 필요하다. 이를 위해 LC3 원료로서 활용하기 위한 국내 자원의 사용 가능성 검토와 종류 및 최적 비율 도출, 콘크리트 단계에서의 역학적 특성 및 장기 내구성 평가 등의 검토가 필요할 것으로 생각된다.
2.3.4 다성분계 혼합시멘트 표준 제정
국내 혼합시멘트는 전부 클링커에 한 종류의 SCM을 혼합한 이성분계 혼합시멘트이다. 반면 유럽에서는 CEMⅡ-Portland composite cement를 통해 주요 혼합 성분(MC, Main Constituents) 9가지 재료를 최대 50%까지 혼합하여 사용할 수 있는 삼성분계 시멘트에 관해 규정하고 있다. 또한 CEMⅣ-Pozzolanic cement 를 통해 포졸란계 재료를 최대 55%까지, CEMⅤ-Composite cement에서 슬래그와 포졸란계 재료를 최대 80%, CEMⅥ-Composite cement에서는 슬래그와 포졸란계 재료 및 석회석을 최대 65%까지의 범위에서 다른 재료의 혼합사용을 가능하게 하였다.
한편, 미국에서도 삼성분계 혼합시멘트 규격인 Type IT에서 두 종류의 다른 포졸란, 즉, 슬래그와 포졸란, 포졸란과 석회석, 슬래그와 석회석의 조합물을 클링커에 혼합하여 사용할 수 있도록 규정하고 있다. 각 재료의 최대 함량은 포졸란의 경우 최대 40%, 석회석은 최대 15%이며 포졸란과 석회석, 슬래그의 합계는 70% 이하로 규정하고 있다.
다양한 SCM의 조합과 최적 비율 설정을 통해 다양한 혼합비율을 갖는 혼합시멘트를 제조하는 것은 각각의 재료가 가진 이점을 살리고 다른 재료와의 상호작용을 통해 시멘트의 수화 활성도 저하를 최소화할 방법의 하나가 될 수 있다. 또한 다양하고 많은 양의 무기계 순환자원을 재활용할 수 있다는 데 의미가 있다. 따라서 국내에서도 다양한 조합을 고려한 다성분계 혼합시멘트의 KS 규격 기반 물성 실험을 통해 표준으로 제정하는 것에 대한 논의가 필요할 것이다.
2.4 기타 포틀랜드시멘트 표준 개정 고려사항
2.4.1 포틀랜드시멘트 염화물 함유량
국내 KS 표준에서는 포틀랜드시멘트의 염화물 함유량에 대한 기준은 별도로 규정되어 있지 않으며, ｢ KCS 14 20 10 일반콘크리트｣[31]에서 굳지 않은 콘크리트 중의 염화물 함유량을 염소 이온양(Cl-)으로서 0.3 kg/m3 이하로 규정하고 있다. 유럽에서의 염화물 함량은 시멘트에서는 1,000 ppm이며, 콘크리트의 경우 결합재 질량에 대한 백분율로 건조 조건에서 0.3%, 습윤 조건에서 0.2%까지 허용하고 있다. 미국의 염화물 함량 기준은 시멘트에서는 없으며, 콘크리트에서는 결합재의 1.0%(건조) 및 0.3%(습윤)으로 규정되어 있다. 유럽연합을 비롯한 미국의 일반 철근 콘크리트 기준 염화물 함유량 기준과 비교할 때 국내 콘크리트의 염화물 기준은 매우 엄격한 수준이기 때문에 수정될 필요가 있다.
한편, 시멘트의 염화물 유입환경은 다양한 대체 연료의 사용과 산업 부산물 원료화의 추진에 의해 악화되고 있다. 특히, 연료 대체물로서 염화물을 함유량이 높은 PVC(Polyvinyl Chloride), PVDC(Polyvinylidene Chloride)를 포함하는 플라스틱을 사용하는 것은 시멘트의 염화물 함량을 높이는 주요 요인이다. 2021년 국내 시멘트 산업에서 가연성 폐기물의 사용은 약 35% 수준이지만[32] 향후 2050 탄소중립 목표 달성을 위해 100%의 유연탄 연료 대체를 목표로 설정하였기 때문에 폐플라스틱 및 가연성 원료로부터 기인하는 시멘트 내 염화물 함량이 증가할 가능성이 존재한다.
시멘트 산업에서도 시멘트의 염화물 함량을 줄이기 위해 염소배출 공정을 설치하여 운영하고 있는 등 시멘트의 염화물 함량이 높아지지 않도록 하는 노력은 매우 열심히 하고 있다. 그러나 콘크리트의 염화물 함량 기준의 변화와 시멘트 염화물 기준의 설정을 연계하자는 콘크리트 산업계의 주장도 있으므로 시멘트의 염화물 함량 기준을 설정하는 노력도 필요할 것이다.
따라서 시멘트 품질 및 환경성 측면과 국내 철근 콘크리트 건설 산업의 특성을 고려한 방향으로 염화물 함유량 기준값 설정에 대한 논의가 활성화될 필요가 있을 것이다.
2.4.2 석고 종류 및 품질 기준 설정
시멘트 제조 시 응결 지연 및 초기강도 향상을 위해 클링커와 함께 분쇄되는 석고는 ｢ KS L 5313 시멘트용 천연 석고｣[33]에서 규정하는 천연석고 또는 이에 준한 것을 사용할 수 있도록 규정되어 있다. 우선, 천연 석고는 시멘트 산업 뿐만 아니라 다양한 수요처로 인해 대부분 수입에 의존하며 국내 매장량 또한 부족한 실정이다. 천연 석고를 대체하기 위한 재료로는 배가스 중의 황을 제거하는 과정에서 발생하는 배연탈황석고가 있다. 탈황석고는 시멘트 공정에서 사용하기 적정한 품질을 갖고 있지만, 석고보드업, 석고 플라스터, 등의 산업과 경쟁 관계에 있기 때문에 충분한 양을 확보하기 어려운 환경에 있다. 또 하나의 대체 재료인 인산부산석고는 비료의 주원료인 인산의 생산 공정에서 발생하는 산업부산물이다. 인산 부산석고는 발생량이 많지만, P2O5와 같이 시멘트의 반응성을 저해시키는 미량성분이 존재하기 때문에 사용량의 제한을 받고 있다.
KS 표준에서는 시멘트 제조 시 사용할 수 있는 석고에 대해 물 분자의 형태에 따라 종류를 구분하여 규정하고 있지만, 다양한 산업에서 발생하는 부산석고에 대한 명료한 정의가 없으며 그 품질 기준 또한 제정되어 있지 않다. 반면 유럽의 경우에는 특정 산업 공정의 부산물로도 석고를 활용할 수 있음이 표준에 명시되어 있다. 현재 천연 석고의 경제성과 가용성 측면에서 시멘트 산업에서는 탈황 석고가 지속적으로 사용될 것으로 예측되지만 KS 표준을 통해 관리되고 있지 않기에 향후 다양한 종류의 시멘트 도입 시 품질관리에 어려움이 뒤따를 수 있다. 따라서 시멘트 제조에 사용할 수 있는 석고의 표준 제정에 대한 검토 및 논의가 필요하다고 생각된다.
2.4.3 시멘트 강도 등급 설정
Table 6은 각국의 포틀랜드시멘트 강도 등급 및 재령에 따른 압축강도 시험 값을 나타낸 것이다. 국내 포틀랜드시멘트는 미국, 일본, 호주 등과 같이 단일 강도를 채택하고 있으며, 재령 28일 기준 42.5 MPa 등급이다. 국내 KS 표준에서는 강도의 하한치만 규정하고 있지만, 유럽의 경우 재령 28일을 기준으로 32.5 MPa, 42.5 MPa, 52.5 MPa의 3가지 강도 등급에 따라 상⋅하한치가 정해져 있다. 또한 조기강도 발현 특성에 따라 세 가지 등급(L, N, R)으로 구분되어 총 9가지의 강도 등급을 규정하고 있다.
Table 6.
Standard compressive strength requirements of different standards for Portland cement
현재 국내 포틀랜드시멘트는 콘크리트 단계에서 모든 구조물에 사용되고 있다. 하지만 향후 혼합재 함량이 증가할 경우 강도 저하 등의 문제로 인해 현재와 같은 상태를 유지하기에는 어려움이 존재할 가능성이 있다. 따라서 콘크리트의 내구성 설계 기준 강도를 고려하여 현행 포틀랜드시멘트(혼합재 10%)의 경우 고성능을 요구하는 구조물에 적용하고, 혼합재 함량이 높은 포틀랜드시멘트(혼합재 15∼20%)는 상대적으로 낮은 강도 수준으로 구축할 수 있는 구조물에 적용하는 등의 방안을 고려해 볼 필요가 있다.
2.4.4 저함량 혼합재 관련 용어 개념 추가
유럽과 미국에서는 시멘트 제조 시 클링커와 함께 최대 5%까지 혼합할 수 있는 재료를 각각 MAC과 IPA 라는 용어로 정의하고 있다. MAC는 EN 197-1을 통해 천연 무기 광물 재료나 클링커 생산 공정에서 발생하는 무기 재료 또는 EN 197-1의 MC에서 규정하고 있는 모든 종류의 재료를 의미한다. 미국의 IPA는 ASTM C465의 기준을 만족하는 무기 공정 첨가제로 주로 고로 슬래그 혹은 플라이 애시를 사용하고 있다. 국내의 경우 아직 클링커와 함께 사용되는 저함량 첨가재료를 지칭하는 용어는 정의되어 있지 않다. 특히 공정에서 발생하는 부산물을 시멘트의 원료로 사용하는 규정을 포함할 필요가 있다.
시멘트 KS 표준 제⋅개정 로드맵 제안
Fig. 8은 시멘트 관련 KS 표준 제⋅개정에 대한 2050 로드맵 시안을 나타낸 것이다. 본 로드맵 시안은 4가지로 구분하여 정리하였으며, 요소기술의 개발에 관한 연구개발이 2030년 이전에 완성되고, 이후 실용화 및 상용화 단계로 진입한다는 전제하에 작성되었다.
현재 국내의 탄소중립 목표에서는 포틀랜드시멘트의 혼합재량 증대와 혼합시멘트 표준 제정에 대한 연구개발을 동시에 진행하는 것을 목표로 설정하였기 때문에 개발 시멘트 간의 혼합재 사용량에 대한 중복이 발생할 우려가 존재한다.
Table 7은 해외 표준/기술 동향 분석, 시멘트 유관 업계 전문가 설문조사 및 자문회의를 거쳐 향후 개발될 국내 주요 시멘트의 성분 구성을 예상한 것으로 시멘트 표준 간 중복 회피 방법을 제시한 것이다. 우선, 모든 시멘트에 소량 혼합 성분을 5% 사용하는 것으로 설정하여 향후 개발될 신규 SCM의 활용성을 고려하였다.
Table 7.
Scenario of change in content of cement additives (draft)
포틀랜드시멘트의 혼합재의 경우, 석회석의 함량을 증가시키는 것은 향후 개발될 PLC와의 중복이 발생하기에 사용량을 5%로 고정하였다. 또한 전체적인 시멘트의 반응성을 고려하여 고로 슬래그의 함량을 증가시켰다. 하지만 이러한 경우에는 1종 고로 슬래그 시멘트의 슬래그 함량 기준과 중복이 발생하므로 고로슬래그 시멘트의 슬래그 함량 기준을 개정하는 방향으로 시나리오를 구성하였으며 이를 Table 8에 나타내었다. 변경된 시나리오에서는 1종 및 2종의 슬래그 함량의 최소 및 최대값을 조정하였으며, 3종의 경우 유럽 및 미국 기준과 같이 최대 95%까지 사용할 수 있도록 설정하였다.
Table 8.
Draft for slag content amendment of ｢ KS L 5210, Portland blast-furnace slag cement｣
| Types | The present contents | The draft contents |
|---|---|---|
| Ⅰ | over 5 and 30 or less | over 15 and 40 or less |
| Ⅱ | over 30 and 60 or less | over 40 and 60 or less |
| Ⅲ | over 60 and 70 or less | over 60 and 95 or less |
향후 제정을 목표로 하는 PLC와 LC3의 혼합재 함량은 기본적으로 2050년까지 목표로 하고 있는 포틀랜드시멘트 혼합재 함량(20%) 이상이 되도록 종류를 구분하여 혼합재 함량을 증가시켰다. 또한 두 가지 시멘트 모두 포틀랜드시멘트와 같이 소량 혼합 성분을 5%로 설정하여 신규 SCM을 활용할 수 있도록 설정하였다. PLC의 경우에는 선행 연구자들에 의해 공학적 합리성이 입증된 범위인 15%까지를 1종으로 설정하였으며 유럽 기준을 참고하여 사용량을 최대 30%까지 확대시켜 2종으로 구분하였다. LC3의 경우, 유럽의 최신 연구 동향은 클링커 함량을 50% 저감시킨 LC3-50을 중심으로 연구가 이뤄지고 있지만 국내 활용 가능한 점토 및 최종적으로 생산되는 시멘트의 품질을 고려하여 3종류로 구분하였으며 소성점토와 석회석의 최대 사용량을 각각 30%, 15%로 설정하였다.
상기 제시된 시멘트 관련 KS 표준 제⋅개정 2050 로드맵 시안과 시멘트 종류별 혼합재 함량에 대한 시나리오는 향후 철저한 연구개발을 통해 품질을 확보하고 다양한 측면에서 검토되어 2050 탄소중립이라는 대전제 하에 지속적인 수정과 논의가 함께 이뤄져야 할 것이다.
결론
2050 탄소중립은 지속 가능한 발전과 미래를 위해 정부와 산업계를 포함한 다양한 부문에서의 노력이 필수적이며, 나아가 국제적인 협력을 통해서만 해결할 수 있는 세계 공동의 과제이다. 특히, 탄소중립 사회로의 전환기에 들어서는 현시점에서 시멘트⋅콘크리트 산업의 변화는 선택이 아닌 필수가 되어가고 있으며 거스를 수 없는 현실에 직면하고 있다. 이러한 관점에서 시멘트⋅콘크리트 산업은 기존의 규제를 고수하는 것이 아닌 새로운 사회로의 전환을 위해 능동적이고 적극적으로 도전할 필요가 있다. 본 연구에서는 다음과 같은 다양한 시멘트 표준의 변화 방향을 제안하였고, 이에 대한 지속적인 연구와 토의가 진행되어 보다 합리적인 결론을 도출할 필요가 있다.
1) 시멘트의 혼합재 합량을 10%에서 15∼20%로 증대시키는 것은 시멘트 탄소중립에 매우 크게 기여할 것으로 예상되지만, 혼합재 함량 증대에 따른 초기 강도 저하를 예방하기 위한 다양한 기술개발이 선행되어야 한다.
2) 포틀랜드 시멘트의 혼합재는 수재 고로슬래그, 플라이애시, 포졸란, 석회석 미분말의 4종류만을 사용하도록 하고 있으나, 다양한 슬래그, 애시, 폐콘크리트 미분 등의 국내 발생 무기계 순환자원들의 대부분이 시멘트 혼합재로 사용될 수 있도록 개정되어야 하며, 이를 위한 기술개발이 매우 필요하다.
3) 가용 자원의 활용과 생산에너지 소비량을 고려할 때 포틀랜드 석회석 시멘트(PLC, Portland Limestone Cement), 포틀랜드 소성점토 시멘트(LC3, Limestone Calcined Clay Cement)와 다성분계 혼합시멘트는 탄소중립에 크게 기여할 제품이므로 관련 연구의 추진과 규격 제정을 신속히 추진하여야 한다.
4) 시멘트의 염화물 함유량 기준은 콘크리트의 염화물 함량을 합리적 수준으로 변경하는 것과 연계하여 설정할 필요가 있으며, 공정재의 사용이 가능하도록 하는 소량혼합재 기준도 만들 필요가 있다.
5) 본 연구진이 제안한 시멘트 관련 KS 표준 제⋅개정 로드맵과 기타 다양한 제안은 실험자료에 근거한 합리적 토의를 통해 지속적으로 업그레이드 해야 한다.
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