서언
콘크리트의 탄산화란 대기 중의 CO2가 콘크리트의 표면으로부터 내부로 오랜 기간 침투하여 시멘트 수화생성물인 Ca(OH)2 등과 서서히 반응하여 탄산칼슘(CaCO3)을 만드는 과정을 말한다. 그런데 이와 같은 탄산화 과정은 콘크리트를 중성화시켜 철근의 부식과 연관하여 내구성을 저하시키는 고전적인 디메리트(Demerit) 면과 CO2 발생량과 흡수량이 균형을 이루는 탄소 중립사회에서는 CO2를 고정화하고 콘크리트의 품질도 향상시키는 신개념의 메리트(Merit) 면이 존재한다. 따라서 콘크리트 중성화의 디메리트 면은 기술강좌 제 167~169회에서 소개한 바 있어 생략하고, 이번 강좌에서는 신개념의 메리트 면에 대하여만 소개해 본다.

콘크리트의 탄산화
CO2가 콘크리트에 침투되면 모세관 공극 중의 Ca(OH)2가 탄산칼슘으로 변하는 탄산화가 주를 이루지만, 기타로 규산칼슘수화물(CSH), 에트린가이트, 모노설페이트도 CO2와 반응하여 탄산화되는데 그 반응식은 다음과 같다.
 
1) 수산화 칼슘
  • Ca(OH)2+CO2→CaCO3+H2O-----------------(1)
2) 규산칼슘 수화물(CSH)
  • 3CaO·2SiO2·3H2O+CO2
    → 3CaCO3+2SiO2+3H2O--------------------(2)
3) 에트린가이트
  • 3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O+CO2
    → 3CaCO3+2Al(OH)3+3CaSO4+29H2O-----(3)
4) 모노설페이트
  • 3CaO·Al2O3·CaSO4·12H2O+3CO2
    → 3CaCO3+2Al(OH)3+CaSO4+9H2O--------(4)

특히 콘크리트 내부에서 CO2와 반응한 탄산칼슘(CaCO3)은 열역학적으로 안정한 결정형(Vaterite)으로 매우 강한 상태이다.

콘크리트 탄산화에 의한 물성변화
촉진 탄산화와 관련하여 외국에서는 콘크리트 혼합 및 성형 후 수일 혹은 수십 일의 단시간에 인위적으로 고농도의 CO2를 공급하면서 양생하는 강제 탄산화(촉진 탄산화) 방법이 있다. 이 과정에서 콘크리트는 CaCO3의 석출 반응으로 탄산화가 진행되면서 공극 충전 효과로 조직이 치밀화 되어 강도가 향상되고, 또한 치밀화 된 조직은 내구성 저하 물질의 침투를 막음으로써 큰 내구성을 갖게 되는 것이다.

일반환경에서의 탄산화는 그림 1 및 2와 같다. 즉, W/C=60%인 보통 콘크리트를 대상으로 그림 1의 좌측은 재령 경과에 따른 중성화 깊이를 나타낸 것이고, 오른쪽은 재령 1년~30년에서 표면으로부터의 깊이에 따른 CaCO3 양의 분포를 나타낸 것이다. 일반적으로 알고 있는 것처럼 재령이 경과 할수록 중성화 깊이가 깊어지는데, 당연히 표면부가 재령이 경과 할수록 CaCO3 양이 증가하고 또한 침투 깊이도 깊어짐을 알 수 있다.
여기에 그림 2는 동일한 상황인 경우의 공극률과 압축강도의 변화를 나타낸 것이다. 그래프에서 알 수 있는 바와 같이 재령 1년부터 30년으로 재령이 경과 할수록 탄산화에 따른 CaCO3의 공극 충전 효과로 공극률이 작아짐을 알 수 있고, 또한, 공극률이 작아지면 압축강도는 향상되는 것을 볼 수 있다. 특히 압축강도의 경우 재령 1년은 건조에 따른 수화불량과 탄산화의 복합작용으로 표면부의 강도가 크지 않지만 10년 이상인 경우는 중심부보다 표면부가 월등히 크게 나타나고 있다.

그런데 이번에는 그림 3과 같이 고로슬래그 미분말을 54%와 88%를 치환한 시멘트 페이스트를 대상으로 재령 7일부터 촉진 탄산화를 진행하였다. 그림의 왼쪽과 같이 고로슬래그 미분말 54%는 촉진 탄산화를 2일간 진행 시킨 것이 진행 시키지 않은 것보다 전체적으로 공극은 감소하였지만, 0.1~1µm의 비교적 큰 공극이 증가하는 결과를 얻었다. 반면 오른쪽과 같이 고로슬래그 미분말 88%는 촉진 탄산화한 것이 전체적으로 현저하게 공극이 증가하였다. 이는 보통 포틀랜드 시멘트의 CSH량에 비해 고로슬래그 미분말을 다량 치환한 경우는 칼슘 실리케이트 비가 크게 저하하고, 또한 탄산화에 의해 CSH의 분해가 생긴 것 등에 기인한 것으로 분석된다. 따라서 혼화재를 다량치환한 콘크리트를 촉진 탄산화시킬 경우에는 주의가 필요함을 시사하고 있다.

건설구조물에의 대응
결국, 건설구조물은 생애주기 동안 다양한 환경에 노출되어 환경에 따라 대응이 달라질 수 있다. 즉, 비를 맞으면서 외부에 노출되는 콘크리트는 실내의 콘크리트보다 수화반응도 계속해서 진행되고, 주변의 CO2는 낮아 중성화는 늦을지라도 일단 철근까지 중성화가 진행되면 물 및 산소에 의해 철근이 부식될 수 있으므로 중성화가 디메리트로 작용된다. 따라서 이런 경우는 중성화 억제대책 및 철근 부식 방지 대책을 고려할 필요가 있다.
반면, 실내조건의 콘크리트라든가 철근이 삽입되지 않는 콘크리트 2차 제품의 경우는 중성화가 진행되더라도 물이 없거나 철근이 없으므로 피해가 없다. 오히려 CO2에 의한 탄산화 반응은 조직 치밀화로 강도가 상승되고 염화물이나 황산화 물질 등의 침투가 억제되어 내구성이 향상되며 포집된 CO2 및 자연에 존재하는 CO2를 고정화함에 따라 탄소 중립에도 기여하여 메리트로 작용 될 수 있다.

결 언
그간 탄산화는 콘크리트의 내구성 개념에서 불리한 디메리트 관점으로만 인식되었다. 그러나 탄소중립 사회로의 전환 관점에서 콘크리트의 탄산화는 CCUS(Carbon Capture, Utilization and Storage; 탄소의 회수, 이용, 저장)에서 탄소 저장의 이점과 콘크리트 품질관점에서 콘크리트의 강도 증진 및 내구성 향상 등의 메리트도 있으므로 구조물 환경 및 조건을 충분히 검토하여 효과적으로 대응하기를 기대해 본다.