(Raman maps show the evolution of the phases within the carbon dioxide-injected cement paste sample over time. Silica gel (gray) gives way to standard hydration products (yellow) as the paste sets. Unreacted cement is shown in green, and stored CO₂ in red. Credit: Image courtesy of the researchers.)
시멘트와 시멘트로 만든 콘트리트는 현대 문명을 받치고 있는 기둥이라고 해도 과언이 아닙니다. 철과 콘크리트 없이 현대의 대도시와 기반 시설은 불가능했을 것입니다. 하지만 둘 다 엄청난 양의 자원을 소모할 뿐 아니라 제조시 이산화탄소를 대량으로 발생시킨다는 것이 큰 문제입니다. 특히 시멘트는 생산량이 엄청나기 때문에 그 만큼 많은 양의 이산화탄소를 배출합니다.
시멘트는 1톤 생산 시 약 0.9톤의 이산화탄소를 배출하는 탄소 다배출 산업입니다. 배출 원인의 약 60%는 주원료인 석회석(탄산칼슘)을 가열하여 분해하는 과정에서 나오고, 나머지 40%는 유연탄 등 화석연료를 태우는 과정에서 발생합니다. 하지만 역설적으로 시멘트(콘크리트)는 수명을 다할 때까지 공기 중의 이산화탄소를 지속해서 흡수(탄산화)하는 성질이 있으며 콘크리트 생성시 이산화탄소를 주입하면 강도가 오히려 강해지는 특징도 있습니다. 따라서 이산화탄소 배출량을 줄이고 콘크리트 강도를 높이기 위해 이산화탄소를 주입하는 시도가 활발합니다.
MIT 콘크리트 지속가능성 허브 및 MIT 토목환경공학과 소속의 아드미르 마시치 부교수와 대학원생 마르친 하이두체크 (associate professor Admir Masic and first-authored by graduate student Marcin Hajduczek, both of the MIT Concrete Sustainability Hub and MIT Department of Civil and Environmental Engineering)는 왜 이산화탄소 주입 시 시멘트의 강도가 더 높아지는지 분석했습니다. 이제까지 강도가 높아진다는 점은 알았지만, 왜 그런지는 명확히 몰랐기 때문입니다.
연구팀은 라만 분광법(Raman spectroscopy)을 통해 눈으로는 볼 수 없는 시멘트 내부의 아주 짧은 화학 반응을 관찰해 그 기전을 분석했습니다. 그 결과 3단계 화학 과정을 통해 이산화탄소가 시멘트의 강도를 높인다는 점이 확인됐습니다.
첫 번째 과정은 칼슘 포획입니다. 시멘트 반죽에 이산화탄소를 넣는 순간, 이산화탄소는 반죽 속의 액체에 녹아든 후 시멘트의 핵심 성분인 클린커(Clinker)에서 나온 칼슘과 결합하여 탄산칼슘(Calcium Carbonate)을 형성합니다. 이 과정에서 칼슘이 탄산칼슘으로 먼저 고정되어 버리기 때문에, 시멘트가 굳는 데 필요한 일반적인 수화 반응(Hydration)이 잠시 느려집니다. 동시에 칼슘을 잃은 실리카(Silica) 성분들이 퍼져 나가며, 반죽 전체에 실리카 겔(Silica gel)이라는 미세한 그물망을 형성합니다.
두 번째 과정은 유령 같은 겔 (Gel)이 등장하는 것입니다. 이산화탄소가 모두 탄산칼슘으로 변해 사라지면(약 4~5시간 후), 멈췄던 수화 반응이 다시 시작됩니다. 그러면 물과 시멘트가 반응하며 수산화칼슘(Calcium hydroxide)이 만들어지는데, 이것이 앞서 형성된 실리카 겔 그물망과 만납니다. 이 둘이 만나면 시멘트의 접착제 역할을 하는 C-S-H(규산칼슘수화물)라는 물질이 만들어집니다. 일반 시멘트는 이 물질이 입자 주변에 뭉쳐서 생기는데, 이산화탄소를 넣은 시멘트는 실리카 겔 그물망을 따라 반죽 전체에 아주 고르게 퍼져서 형성됩니다.
마지막 세 번째 과정은 구조 재구성입니다. 실리카 겔이 모두 C-S-H로 변하며 사라지면, 시멘트 구조는 안정화됩니다. 그 결과 접착제(C-S-H)가 어느 한곳에 뭉치지 않고 전체에 골고루 퍼져 있기 때문에, 결과물인 콘크리트는 구조가 훨씬 균일하고 단단해집니다. 연구 결과, 이산화탄소를 1%만 주입해도 24시간 후 압축 강도가 일반 시멘트보다 평균 13% 더 높게 나타났습니다. 다만 이산화탄소를 너무 주입하는 경우에는 오히려 겔이 형성되기 전 칼슘이 탄산염에 고정되어 강도가 떨어질 수 있습니다.
연구팀은 이 메카니즘을 잘 이해하면 더 효과적으로 탄소를 저장하면서도 강도가 우수한 친환경 콘크리트를 개발할 수 있을 것으로 기대하고 있습니다. 그리고 시멘트 생산 과정에서 발생하는 탄소 배출량을 최대 40%까지 상쇄할 수 있을 것으로 기대하고 있습니다. 하지만 실제 건설 현장에서 균일하게 이산화탄소를 콘크리트에 주입하고 최적의 강도를 유지하는 일은 간단하지만은 않을 것으로 생각됩니다.
참고
https://phys.org/news/2026-06-reveals-hidden-cement-chemistry-stronger.html
Marcin Hajduczek et al, In Situ Raman Spectroscopy of a Silica Gel‐Templated Hydration Pathway in CO 2 ‐Activated Cement, Journal of the American Ceramic Society (2026). DOI: 10.1111/jace.70825
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