도로 내구성 70% 향상 및 탄소 배출 획기적 저감 기대
온도와 습도 저항성 커 도로변형 및 포트홀 예방효과 

​도로 위 운전자의 안전을 위협하는 ‘도로 위의 지뢰’ 포트홀 문제를 해결하고, 동시에 탄소 중립을 실현할 수 있는 혁신적인 도로 포장 기술이 공개돼 화제다.
​최근 애리조나 주립대학교(ASU)의 엘함 피니(Elham Fini) 교수팀은 기존 석유 기반 아스팔트 결합제인 비튜멘(Bitumen.역청)을 대체할 수 있는 해조류(Marine Algae) 기반의 ‘바이오 바인더’ 연구 결과를 발표해 업계의 비상한 관심을 불러 모으고 있다.
미국화학학회(American Chemical Society, ACS)에서 발간하는 Journal of ACS Sustainable Chemistry & Engineering' 최근호에 실린 벤콕스워스(Ben Coxworth)의 과학기사 “내구성 높은 친환경적 도로포장재가 될 해조류 바인더 화합물”에 따르면 해조류는 추운 날씨에도 도로가 깨지지 않게 돕는 강한 내구성을 가졌을 뿐만 아니라, 적은 양으로도 탄소 배출을 획기적으로 줄일 수 있는 혁신적인 친환경 도로 포장 결합재로 기존의 역청기반의 아스팔트 바인더를 대체할 획기적 신소재다.
미국 애리조나 주립대 피니(Fini) 교수는 “해조류를 이용한 화합물은 아스팔트의 습기 저항성, 유연성, 자가 치유(self-healing) 능력을 개선하여 도로 수명을 연장하고 유지보수 비용을 절감할 수 있다”고 주장했다, 
실제 피니교수팀의 ​애리조나 주립대학교, 태평양 연안 북서부 국립연구소(PNNL) 등이 참여한 연구팀은 해조류를 바인더로 이용할 경우 장기적으로 지속 가능하고 탄력적인 도로를 만들 수 있는 점을 확인했다고 밝혔다.

​동절기 포트홀 주원인 아스팔트 역청의 한계 극복
영하의 기온과 교통스트레스 변형 회복력 70% 향상

기존 아스팔트의 핵심 성분인 비튜멘(역청)은 날씨가 추워지면 쉽게 부서지는 성질이 있어 도로 균열과 포트홀의 주원인이 되어 왔다. 
아스팔트내의 역청 성분은 끈적끈적한 성질을 갖고 있어 도로 포장 시 자갈 모래 등 골재들을 하나로 묶어주는 결합제 역할을 한다.
이번에 애리조나 주립대 피니교수 연구팀이 개발한 해조류 추출 오일 기반 바인더는 저온에서도 높은 유연성을 유지하는 것으로 나타났다. 
특히 담수 녹조류인 ‘헤마토코쿠스 플루비알리스(H. pluvialis)’를 활용한 바인더는 영하의 기온과 교통 스트레스가 반복되는 실험에서 기존 대비 변형 회복력이 최대 70% 향상되는 탁월한 성과를 보였다.
연구팀이 네 가지 조류를 테스트한 결과, 헤마토코쿠스 플루비알리스(H. pluvialis)라는 조류에서 추출한 오일이 가장 뛰어난 성능을 보였는데 실제 교통 스트레스와 빙결 주기를 결합한 실험실 테스트에서, 조류 바인더를 섞은 아스팔트는 기존 방식보다 변형 회복력이 최대 70% 향상되는 것으로 드러났다.
​또한 습기로 인한 손상에도 가장 강한 저항력을 보였으며, 이는 도로의 수명을 획기적으로 늘릴 수 있는 중요한 성능으로 도로내구성 향상에 크게 이바지 할 것으로 예상된다, 
현재 도로포장재로서의 해조류 바인더 개발에 대한 연구는 ​기존 역청가격 대비 가격 경쟁력을 고려해 아스팔트 바인더 전체를 바꾸기보다는 일부를 대체하거나 보충하는 방식으로 사용하는 기술을 검토 중인 것으로 알려졌다.
대한토목회장 및 콘크리트학회장을 역임한 변근주 전 연세대 교수는 “이 기술이 아스팔트의 자가 치유(self-healing) 능력을 개선하고 유지보수 비용을 줄여, 장기적으로 훨씬 지속 가능한 도로 인프라를 구축할 것”이라며 “현재 미국에서 연구된 이 결과를 잘 활용하면 국내 아스팔트콘크리트 업계가 친환경적이고 내구성이 뛰어난 도로포장 기술을 도입을 통해 도로포장의 신기원을 마련하게 될 것”이라고 말했다.
변 교수는 “도로의 수명을 연장하고 유지보수 비용을 절감하며, 환경을 보호하는 ‘지속 가능한 도로’를 만드는 것이 도로포장 연구자들의 최종 목표인 만큼 이 신소재 바인더가 진정한 탄소중립 도로의 꿈을 실현해줄 것으로 기대한다”고 목소리를 높였다.

해조류 바인더, 도로 수명 연장 및 유지보수 비용 절감
22% 혼합 시 탄소배출량 크게 감소 ‘탄소 중립’ 기여

이번 연구는 환경적 측면에서도 획기적인 전환점을 마련했다는 평가다.
컴퓨터 모델링 분석 결과, 아스팔트 혼합물에 이 바이오 바인더가 1% 포함될 때마다 순 탄소 배출량이 4.5% 감소하는 것으로 조사됐다. 
연구팀은 ​기존 아스팔트 역청에 비해 이 신소재 바이오 바인더가 환경에 미치는 긍정적인 영향을 계산한 결과, ​탄소 배출 저감효과가 매우 탁월하다는 결론을 내렸다.
결론적으로 아스팔트 혼합물에 바이오 바인더를 약 22% 포함하면 탄소 중립(carbon neutral) 상태의 친환경 도로건설이 가능하게 되는 셈이다.
연구를 이끈 피니(Fini) 교수는 “조류 유래 화합물은 아스팔트의 습기 저항성, 유연성, 자가 치유(self-healing) 능력을 개선하여 도로 수명을 연장하고 유지보수 비용을 절감할 수 있다”고 설명하며, 장기적으로 지속 가능하고 탄력적인 도로를 만들 것이라 강조했다.
결국 해조류 바인더가 추운 날씨에도 도로가 깨지지 않게 돕는 강한 내구성을 가졌을 뿐만 아니라, 적은 양으로도 탄소 배출을 획기적으로 줄일 수 있는 혁신적인 친환경 도로 포장 기술이라는 지적이다.

연구를 주도한 피니 교수는 “조류 유래 화합물은 아스팔트의 습기 저항성과 자가 치유 능력을 개선하여 도로 수명을 연장하고 장기적인 유지보수 비용을 줄일 수 있다”고 강조했다.
​​연구팀은 실제 도로 환경을 가정한 다양한 실험을 진행했는데 시뮬레이션 된 교통 스트레스 상황에서 변형에 가장 강한 저항력을 보였으며, 습기로 인한 손상(moisture-induced damage)에도 매우 강한 면모를 보였다.
특히 교통량과 영하의 기온이 반복되는 ‘빙결 주기(freezing cycles)’실험 결과, H. pluvialis 바인더가 혼합된 아스팔트는 기존 비튜멘(석유 기반 역청) 아스팔트보다 변형 회복력이 최대 70% 향상되는 것으로 나타났다.
다만 해조류 기반 바인더는 기존 아스팔트 역청(비튜멘) 바인더 보다 가격이 비쌀 수 있으므로, 전체를 대체하기보다는 아스팔트 비튜멘의 일부를 보완하거나 상쇄(offset)하는 용도로 사용될 가능성이 높다고 연구팀은 설명했다.