세라믹스 환경재료

흙을 이용한 환경재료

井須紀文 INAX Corp
石田秀輝 Tohoku University

1. 사람과 지구를 생각한 새로운 재료
2005년 2월에 京都議定書가 국제협정으로 발효되어 법적인 구속력을 갖게 되었다. 일본은 2010년에 온실효과 가스 배출량을 1990년 대비 6% 삭감하는 것이 의무화되었다. 단, 지금까지의 증가분을 고려하면 실질적으로는 14%의 삭감이 필요하다. 삭감을 위해 환경세의 도입 등 순환형 사회를 위한 시스템 정비가 본격적으로 시작되었다. 이와 아울러 순환형 사회의 구축에는 자연생태계에서 선택한 것을 만들고, 사용하고, 되돌리는 각 단계에서 에너지와 자원의 소비를 가능한 한 억제하여 순환시키는 혁신적 기술의 창출이 필요하다.
앞으로 ‘제품생산’은 두 가지 조건을 만족시킬 필요가 있다. 하나는 지구를 생각한 만들기, 즉 자연생태계에서 선택하는 에너지와 자원을 가능한 한 줄여서 순환시키는 기술이다. 또 하나는 사람을 생각한 만들기이다. 인간이 한 번 얻은 쾌적성이나 편리성을 쉽게 포기하지 못하는 성질 ‘생활가치의 불가역성’을 가지고 있어, 가령 저환경 부하라고 하더라도 큰 고통이나 인재를 동반한다면 사회에 정착시키기가 곤란하다. 환경부하를 낮추면서 동시에 사람에게 새로운 가치를 부여하는 ‘사람과 지구를 생각한 만들기’를 지향한 기술이 순환형 사회 실현을 위해서는 불가결하다. 이 개념은 정성적(定性的)으로 다음 식으로 나타낼 수 있다.
사람과 지구를 생각한 만들기 = P/(I+O)
여기에서 P(performance)는 물건 만들기로 생겨나는 새로운 가치를, I(input)+O(output)은 물건 만들기가 미치는 지구에 대한 부하를 각각 나타낸다. 이 가치가 10이나 100까지 높일 수 있는 새로운 기술이 앞으로는 필요하리라 생각된다.
본고에서는 흙이 본래 가진 물과의 높은 친화성에 주목하여 그 기능을 살리면서 저환경 부하로 재료화하는 것을 목적으로 한, 수열반응을 이용한 고화기술 및 현장 시공형 상온고화기술에 대해 기술하겠다.
2. 흙의 수열고화기술(水熱固化技術)
가. 수열반응의 특징
수열반응의 특징은 일반적으로 처리온도가 200℃이하로 에너지 소비량이 적으며, CO2배출량도 적다는 것이다. 소비 에너지는 고온소성을 동반하는 세라믹스 제조 프로세스의 약 6분의 1로 예측되고 있다. 또 수열고화의 경우는 출발물질을 모두 반응시킬 필요가 없다. 예를 들면 ALC(오토크레이브 처리 경량기포콘크리트)는 출발물질인 석영의 반응률이 50~60
% 정도이다. 원료로서 순도가 낮고 조성이 일정치 않다는 특징을 가진 폐기물을 출발원료로 이용할 경우에 상당히 유리하다. 수열반응에 의한 강도 발현은 반응 전에 출발원료 입자 사이에 존재하고 있던 직경 몇 ㎛의 공극(空隙)을 반응생성물이 충전하여 10nm정도의 세공(細孔)이 되는 조직변화를 동반한다. 따라서 폐기물을 이용할 경우에도 생성물을 나노 오더까지 미립자화할 수 있게 되면 강도발현이 가능하다.
또한 수열반응은 기능화를 위한 반응장(反應場) 설계가 비교적 용이하다는 특징을 가진다. 예를 들면, 수열처리온도가 안정적인 유기보강섬유나 흡착제 등의 기능성 물질과의 복합화와 고화반응과 동시에 제올라이트 등의 기능성 광물의 합성이 가능하다. 이렇게 수열반응은 큰 P/(I+O)를 실현할 가능성을 갖고 있다.
나. 흙의 수열고화
흙은 예로부터 흙벽으로 된 광(土藏)으로 귀중품을 습도나 화재로부터 지키기 위해 이용되어 왔다. 그 우수한 축열성과 조습성으로 해의 변동이나 계절변동에 대해 광 안의 온습도를 일정하게 유지한다. 그러나 바르기와 건조를 반복하는 숙련을 요하는 장기간의 시공이 필요하기 때문에 현대건축에 적용하기 어렵다. 따라서 흙이 가진 축열성과 조습성능을 향상시키면서 수열반응에 의해 고화하는 방법을 검토했다.
수열고화는 일반적으로 실리카 성분과 칼슘 성분의 반응으로 생성되는 규산칼슘 수화물을 바인더로 하는데 흙은 일반적으로 Al성분이 풍부한 장석이나 카올리나이트를 함유하고 있으며, 수열반응으로 하이드로 가넷(Ca3Al2(SiO4)3-X(OH)4X)이 생성, 고화체의 가도가 저하되는 문제가 있었다. 그러나 원료입자 간격 등의 수열반응장의 제어를 실시, 과포화도(過飽和度)를 높임으로써 핵형성을 우선시켜서 원료입자 간격을 나노미터 사이즈의 생성물(하이드로 가넷)로 충전함으로써 강도 발현이 가능하게 되었다.
이 기술을 응용하여 상품화한 수열고화체의 제조 프로세스를 그림 1에, 물성치를 표 1에 나타내었다. 이 수열고화체에는 흙이 본래 가지고 있는 축열조습성능이 그대로 남아 있어 고기밀 고단열 집합주택의 거실 바닥에 시공한 결과, 실내온도, 습도 모두 변동 폭이 작아져 생활에 따른 소비에너지(전기, 가스, 상수도)가 CO2환산으로 연간 평균 17% 삭감되었다.
다. 무기폐기물을 이용한 수열고화체
흙의 수열고화기술을 기초로 하여 앞으로 순환형 사회의 구축에 필요한 자원순환기술의 가능성을 검토하기 위해서 도시에서 배출되는 무기계 폐기물을 이용한 기능성 수열고화체에 대해 검토했다.
도시 쓰레기 소각재, 도시 쓰레기 소각 비산재, 하수오니 소각재, 콘크리트 찌꺼기, 건설오니 등 5종류의 무기계 폐기물의 수열고화에 의한 강도발현 및 중금속류의 용출거동을 검토했다. 각 폐기물과 소석회(消石灰)를 9:1의 비율로 혼합, 성형압 30Mpa로 1축 가압성형하고, 180℃에서 처리한 수열고화의 굴곡강도를 그림 2에 나타내었다. 폐기물 사용비율이 80~90%이라도 실용적인 강도를 만족시키는 조건을 얻을 수 있었다.
환경고시 46호에 준거한 중금속류(As, Cd, Cr6+, Pb, Se)의 용출거동을 조사했다. 콘크리트 찌꺼기 및 건설오니는 원료 자체로부터의 중금속류 용출은 확인되지 않았다. 또 원료에서 Pb가 용출된 것이 확인된 도시 쓰레기 소각재와 소각 비산재, As와 Se가 용출된 하수오니 소각재는 모두 수열처리에 의해 용출량이 저하되어 중금속류의 고정화 기술로서의 가능성이 제기되었다. 이상의 기초적인 실험을 기반으로 아이치·지구엑스포(愛·地球博)회장을 건설할 때에 배출된 콘크리트 찌꺼기를 이용한 수열고화체의 공장실험시작실험과 필드 평가를 실시했다. 그 결과, 제조 에너지는 타일의 약 1/6배, 콘크리트 찌꺼기와 폐토를 합한 폐기물 사용량이 85%로 저환경 부하이면서 흙의 보수성과 자연경관에 맞는 풍미는 함께 갖춘 제품으로 만들 수 있었다(그림3).
3. 흙의 상온고화기술
가. 쵸시치타타키
지금부터 120년 전, 1885년 파리 엑스포에 핫토리 쵸시치(服部長七, 1840~1919)가 인조석(長七타타키)를 출품하여 동탑을 수상했다. 인조석은 화강암이 풍화한 흙과 소석회를 약 9:1로 혼합하고, 소량의 물 또는 바닷물을 넣고, 나무망치나 흙손 등으로 두드려 조여서 시공했다고 알려져 있다. 1800년대 후반(明治(1868~1912, 중기)이라는 시멘트의 수입이 곤란한 시절에 항만 시설 등의 토목구조물 건조에 이용되었고, 일본의 중부지구를 중심으로 다수의 유구(遺構)가 현존하고 있다. 長七타타키의 제조에 필요한 에너지는 시멘트의 1/7, 아스팔트의 1/3이라는 것이 해석의 결과 얻어진 것으로, 흙이 가진 보수성에 의한 노면 온도 상승의 제어효과를 기대하며 현장시공형인 흙의 상온고화기술을 개발했다.
나. 흙의 상온고화기술
타타키는 주로 소석회가 공기 중의 이산화탄소와 반응하는 탄산화반응에 의해 고화하는데 강도발현에 필요한 시간은 길다. 또 시공에도 장기간을 필요로 하는 문제가 있다.
따라서 반응촉진제의 첨가로 단기간에도 실용강도를 얻는 방법의 검토와 로드롤러 등의 포장용 중기를 이용, 공기단축과 흙의 충전성을 향상시키는 시공법에 대해서도 검토하여 시공 직후의 고강도화를 실현했다. 또 현지 시공의 경우에도 안정적인 성능을 보증하기 위해 사용토의 규격을 마련할 것을 시도했다.
이 기술에 의해 시공한 포장재의 물성치를 표 2에 나타내었다. 또 포장 후, 여름철 노면 온도의 변화를 그림 4에 나타내었다. 아스팔트나 콘크리트에 비해서 보수성이 높기 때문에 도시에서 문제가 되고 있는 히트아일랜드 현상의 완화에 공헌할 수 있으리라 생각된다. 아이치현 엑스포에는 공원 내의 보도를 중심으로 시공되었다(그림 5).
 4. 맺으며
흙의 특성을 살려서 저환경 부하로 보수기능 등의 기능을 갖는 재료에 대해 기술했다. 이들 기술은 가능한 한 적은 에너지로 지금까지 별로 사용되지 않았던 폐기물 등에서 사람에게 새로운 가치를 줄 수 있는 커다란 가치를 가지고 있다. 예를 들면 수열기술에 관해서는 오니를 원료로 해도 조습성과 VOC
(휘발성 유기화합물) 저감효과를 아울러 갖는 기능성 재료의 가능성이 나타나는 등 진화를 계속하고 있어 京都의 정서의 실현에 조금이라도 공헌할 수 있으리라는 것을 목표로 한 재료개발을 추진해 나가고자 한다.                            (Ceramics Japan)

그림 1. 수열고화체의 제조 프로세스
표 1. 수열고화체의 물성치
그림 2. 무기계 폐기물을 이용한 수열고화체의 굴곡 강도
그림 3. 무기계 폐기물을 사용한 수열고화체의 시공 사진
         (아이치 엑스포장)
그림 4. 흙의 상온고화체의 노면 온도상승 억제 효과
표 2. 흙의 상온고화체의 물성치
그림 5. 흙의 상온고화기술의 시공사진(아이치 . 지구엑스포 회장)