[콘크리트 시멘트를 알아야 바다를 살린다]
[백화현상]-[수온상승, 지구온난화]-[적조]의 주원인이 되는 석회는 대부분 콘크리트 시멘트 성분에서 나온다. 그래서 시멘트의 성분 분석과 시멘트의 석회 성분이 바다로 흘러드는 과정을 이해하고, 바다에 농축된 시멘트 석회 성분의 양이 어느 정도인지 실감하는 것이 절실하다는 생각에 이 글을 쓴다.
[시멘트의 원리]
시멘트의 원리는 시멘트가루를 물과 섞으면 뭉치면서 굳어진다는 것이다. 뭉치는 것을 응결이하고 하고 굳어지는 것을 경화라고 하고, 물과 섞어서 응결 경화하는 성질을 수경성(수경화)이라고 한다. 자연적인 상태에서도 응결과 경화가 이루어지는데, 이러한 진행과정을 잘 보여주는 것이 석회동굴에서 석회수들이 흘러내리다가 석회석으로 굳어지면서 종유석이 되기고 하고 석순이 되기도 하고 석주가 되기도 하는 형성과정이다.
시멘트는 ‘석회가 자연 상태에서도 이산화탄소가 포함된 물을 만나 석회수가 되어 동굴의 벽과 천장을 타고 내리면서 종유석, 석순, 석주로 응결되면서 경화하는 원리’를 이용해서, 인간이 인간의 필요에 의해서 석회가 ‘인간이 필요로 하는 시간에 맞추어’ 빨리 응결하고 경화하도록 만들어낸 수경성 건축용 풀이다. 시멘트 풀, 시멘트로 된 접착제인 것이다. 건축용어로는 시멘트 풀을 시멘트 페이스트(paste, 풀)라고 한다.
석회수가 마를 때 뭉치면서 굳어지는 근본적인 원인은 칼슘(Ca) 원소 때문이다. 순수한 칼슘은 반응성이 커서 혼자서는 독단적으로 자연계에 존재하지 못하고 다른 물질들과 결합하여 화합물로만 존재할 수 있는데, 칼슘 원자는 다른 물질에 달라붙으려고 하는 성질이 강하다는 뜻이다.
이 칼슘(Ca) 원소가 반응성이 커서 혼자서는 자연계에 존재하지 못하고 다른 물질들과 결합하여 화합물을 이루고 있는데, 칼슘(Ca) 원자 1개가 탄소(C) 원자 1개와 산소(O) 원자 3개와 결합하여 결정을 이루는 것이 탄산칼슘(CaCO3)이고, 탄산칼슘인 석회석이 이산화탄소가 들어있는 물에 녹았다가 마를 때 다시 돌(석회석)로 뭉치면서 굳어지는 것이 자연산 시멘트의 원리이다. (순수한 칼슘은 1808년에야 영국의 과학자 데이비가 염화칼슘으로부터 분리해서 뽑아냈다.)
즉, 아래 화학식과 같이 칼슘이 많이 포함된 석회석(CaCO3)이 이산화탄소가 들어있는 물을 만나서 녹은 물이 중탄산칼슘이 되고,
CaCO3＋CO2＋H2O → Ca(HCO3)2
(탄산칼슘) + (이산화탄소) + (물) → (중탄산칼슘)
다시, 아래 화학식과 같이
Ca(HCO3)2 → CaCO3＋CO2＋H2O
(중탄산칼슘) → (탄산칼슘) + (이산화탄소) + (물)
중탄산칼슘 용액이 마를 때 이산화탄소와 수증기가 날아가면서 생성되어 남게 되는 탄산칼슘이 스스로 뭉쳐 굳어지면서 종유석과 석순과 석주와 같이 ‘자연 상태에서도 멋있는 건축구조물’로 뭉치면서 굳어지는 것이다.
이러한 자연계에서의 ‘석회석이 녹고 뭉치고 굳어지는 원리’를 이용하여, 인간이 석회암에서 석회석(탄산칼슘)을 채취하여 탄산칼슘에 강제로 열을 가해서 이산화탄소를 쫓아내버리고 생석회가루(산화칼슘)로 만들어서, 그 생석회가루에 물을 섞으면 열을 내면서 자연산 탄산칼슘보다 더 빨리 소석회(수산화칼슘)로 뭉치면서 굳어지는 원리를 이용한 것이 시멘트의 원리이다.
시멘트란 이름은 "부서진 돌"이란 뜻의
고대 로마어(라틴어) “Cementum)”에서 유래한 말이다.
부서진 돌이란 뜻에는 돌가루란 말이 포함되어 있다. 그러니까 고대에도 사람들이 석회석을 가루로 내서, 곱게 빻아서 물과 반죽해서 말려서 뭉치고(응결) 굳어지게(경화) 하여 사용했다는 것을 짐작할 수 있다.
인간이 시멘트를 이용하여 공사를 한 가장 오래된 건축물은 이집트의 피라미드 유적이고, 이때 사용한 시멘트는 석회와 석고였다고 한다. 5,000년 전의 일이다. 그리고 이때 구워서 만든 시멘트를 사용했다는 기록이 없는 것을 보면 피라미드에 사용된 시멘트들은 열을 가해 구워낸 석회가루(산화칼슘)들을 물과 섞어서 버무려서 사용한 것이 아니고 그냥 자연 상태의 석회석(탄산칼슘)을 갈아서 사용한 자연산 시멘트인 것이다.
그리고 그 3,000년 후에, 지금으로부터는 약 2,000년 전에 그리스와 로마에서는 석회에 모래를 혼합하면 수경성 몰탈이 된다는 것을 알고 석회를 구워내기 위해서 수직형 고로를 사용했다는 기록이 있단다. 석회를 구워서 가루를 내면 보다 더 잘 뭉쳐지고 단단하게 굳어진다는 것을 알았다는 것이다.
그런데 역시 로마나 그리스에서도 구워낸 석회가 대중화되었다는 기록이나 건축물들이 없다. 이것은 ‘공사 시 엄청나게 들어갈 수밖에 없는 시멘트’를 구워내기 위해서는 막대한 연료가 필요하고 구워낸 생석회덩어리를 다시 가루로 만들기 위해서도 많은 노동력이 필요할 수밖에 없고, 시멘트는 ‘철재골조가 들어가지 않으면 석재건축물’보다 강도가 약할 수밖에 없어서 무기로 사용되는 철재도 귀한 시기라, 석회를 구워서 그 가루를 내서 시멘트로 사용하는 것보다 돌을 깨고 다듬어서 짓는 석조건물이 경제성이 더 높아서 석회를 대량생산할 필요가 없었을 것이다.
그러다가 2,000여년이 지난 18세기 중반, 영국에서부터 산업화가 시작되면서 영국에서부터 산업용 시멘트가 본격적으로 연구 개발되기 시작했다. 산업혁명이 시작되면서 공장을 지을 수 있는 건축자재가 대량으로 필요하게 된 것이다.
1756년 영국의 존 스미턴(Smeaton, J.)은 순수한 석회석보다 점토가루(흙가루)가 섞인 석회석을 구워내서 가루로 만든 시멘트가 물과 섞여지면 잘 굳는다는 것을 알고서 수경성 석회를 발명했는데, 석회에 점토 가루를 혼합하면 효과적이라는 이유는 밝히지 못했고, (나중에 밝혀지지만 점토가루에는 실리카와 알루미나가 들어있었기 때문임)
1796년 영국의 제임스 파커(Packer, J.)는 흙가루가 섞인 석회석을 더 높은 온도로 구워내서 시멘트와 물을 5:2로 섞으면 1시간 이내에 뭉쳐서 굳어지는 급결성 시멘트(로만시멘트)를 발명하고,
1824년 영국의 벽돌공 조셉 애스프딘(Aspdin.J.)은 석회석과 점토를 혼합하고 융제(Flux)를 사용해서 융점(녹는점)을 낮추어 제조하는 시멘트를 만드는 방법을 발명하였는데, 이 시멘트가 영국의 포틀랜드 섬에서 산출되는 석재와 색깔이 비슷하여 포틀랜드 시멘트(Portland Cement)라고 부르게 되었는데, 이것이 오늘날 대량 유통되는 포틀랜드 시멘트의 원조이다.
1844년 영국의 사업가 존슨(Johnson, I. C.)은 벽돌공 조셉 애스프딘(Aspdin.J.)이 규명하지 못한 석회석과 점토의 배합비율 및 소성온도 등의 제조 조건을 밝히는 등 포틀랜드 시멘트 제조에 성공하였고,
1851년 런던 공업박람회에 벽돌공 조셉 애스프딘 측과 사업가 존슨 측에서 동시에 따로따로 포틀랜드 시멘트를 출시하여 박람회 측으로부터 양측 공동으로 포틀랜드 시멘트에 대한 공로를 인정받고, 1851년 런던 공업박람회를 계기로 포틀랜드 시멘트 품질의 우수성이 널리 알려진 이후로 시멘트 제조방법이 전 세계로 퍼져나가 1800년대 후반에 들어와 시멘트공업은 세계 각국에서 그 형태를 갖추게 되고....... 오늘날 지구상에 거대한 콘크리트 도시가 건설될 수 있게 된 것이다.
앞서도 말했지만, 산업용 시멘트는 석회석이 자연 상태에서도 이산화탄소가 들어있는 물에 녹고 물과 이산화탄소가 날아가면 뭉치면서 돌로 굳어지는 원리를 인간의 필요에 의해 발전시킨 것이다.
그리고 석회석을 주원료로 하는 시멘트에 그 효과를 높이기 위하여 몇 가지 광물질이 들어가는데, 빨리 굳어지게 하는 물질, 단단하게 굳어지게 하는 물질, 잘 섞이게 하는 물질, 너무 빨리 못 굳어지게 조절하는 물질, 석회석을 굽는 온도를 낮추는 물질 같은 첨가물질들이다.
[포틀랜드 시멘트]
포틀랜드 시멘트를 만드는 방법은 -
- 석회(CaCO3, 탄산칼슘)가 63% 정도를 차지하고
- 미세한 점토 규사(모래)에 많이 들어있는 실리카(Sio2) 23% 정도
- 미세한 점토 규사에 많이 들어있는 알루미나(Al2O3) 6% 정도
- 산화철 Fe2O3 소량
- 무수황산(SO3) 극소량
- 산화마그네슘(MgO) 극소량
의 성분들을 섞어서 굽는데,
석회석 가루와 점토 가루(점토 속에 실리카와 알루미나가 들어 있음)를 혼합하고 산화철, 무수황산, 산화마그네슘 가루를 조금씩 첨가하여 석회석의 이산화탄소가 날아가는 825℃보다 훨씬 높은 온도인 1,400~1,500℃ 정도의 온도에서 도자기 굽는 것처럼 충분히 구우면 일부 성분들이 녹아서 그 가루들이 뭉쳐지면서 클링커라고 하는 새로운 광물질 덩어리(단괴, 구슬)들로 소성된다. 소성이란 구워서 새로운 형태를 만드는 것을 말한다.
이때, 시멘트 만들 때 새롭게 생기는 광물질을 세라믹이라고 하지 않고 클링커라고 하는 것은 그 클링커의 성분이 물에 녹는 성분이 있기 때문이다. 반면에 세라믹은 화학적인 결합이 되면 더 이상 성질변화가 없다. 클링커는 ‘한번 구우면 자연 상태에서는 더 이상 화학적인 변화가 없는 세라믹’과 구분하기 위해 비교적 근래에 만들어진 이름(전문용어)인 것이다.
[클링커]
이렇게 만들어진 클링커는 -
- 규산삼석회 3CaO·SiO2,
- 규산이석회 2CaO·SiO2,
- 알루민산삼석회 3CaO·Al2O3 및
- 알루미노아철산사석회(철화합물) 4CaO·Al2O3·Fe2O3
과 같은 혼합물질들이 주성분을 이루게 된다.
기존의 재료들이 열에 녹아 합쳐져서 새롭게 ‘일정한 화학적인 비율로 결합된 고체 혼합 결정물인 고용체’들을 만들어낸 것인데,
클링커의 재료 중 63%를 차지하고 있던 석회석(탄산칼슘, CaCO3)가루가 825℃에서 이산화탄소가 날아가고 산화칼슘으로 변한 생석회(CaO)가루 대부분이 23%를 차지하고 있던 실리카(SiO2, 이산화규소, 아주 미세한 규사 모래)에 달라붙어서(결합하여) 규산삼석회 (3CaO·SiO2)와 규산이석회(2CaO·SiO2)로 바뀌고,
생석회(산화칼슘) 가루 일부가 6%를 차지하고 있던 알루미나(Al2O3)에 달라붙어서 알루민산삼석회(3CaO·Al2O3)로 바뀌고,
생석회(CaO) 소량과 알루미나(Al2O3)와 산화철(Fe2O3)이 서로 달라붙어서 알루미노아철산사석회(철화합물, 4CaO·Al2O3·Fe2O3)로 화학적인 변화를 한 것이다.
이때, 클링커의 구성 광물 중 규산3석회가 가장 많은 함량을 차지하고 있는데, 클링커에 열을 가할 때 낮은 온도 단계에서 먼저 규산2석회가 되고 거기에 열을 더 가하면 규산3석회가 되는 것이다.
그러니까 규산3석회는 규산2석회를 거친 다음에 추가로 생겨난 광물이고, 규산3석회는 물과 접촉 시 규산2석회보다 많은 열을 내서 시멘트가 빨리 뭉치고 굳어지는데, 이것이 1796년 영국의 제임스 파커(Packer, J.)가 흙가루가 섞인 석회석을 더 높은 온도로 구워내서 시멘트와 물을 5:2로 섞으면 1시간 이내에 뭉쳐서 굳어지는 급결성 시멘트(로만시멘트)를 발명한 원리이다.
클링커가 만들어지면 열에 녹아서 구슬같이 소성된 클링커 덩어리들에 3~5%의 석고가루들을 섞어 혼합하여 다시 곱게 빻아서, 시멘트 가루의 표면적이 넓어져서 물에 최대한 잘 녹으라고 아주-아주 곱게 빻아서, 뜨거운 열을 식혀서 절대건조 상태에서 바로 포장을 해버린다. 드디어 완전한 시멘트가 만들어져서 포대에 담긴 것이다. 이것이 시중에 판매되는 포틀랜드 시멘트이다.
시멘트를 만들 때 클링커가루에 석고가루를 섞는 이유는 석고가 다른 물질과 화학적으로 결합하지 않고 물에 녹지 않아서 시멘트를 물에 탔을 때 건데기가 남아서 시멘트 풀이 힘이 있고, 시멘트가 너무 빨리 굳어지는 것을 막아내는 응결조절제(凝結調節劑)로써 역할을 하라는 이유에서이다.
절대건조 상태에서 바로 포장을 해버리는 이유는 애써 만들어놓은 시멘트가루가 공기 중에서 이산화탄소가 포함된 습기를 빨아들이지 못하도록 하기 위해서인데, 시멘트가 이산화탄소를 빨아들이면 산화칼슘이 탄산칼슘으로 바뀌기 시작하여 시멘트로써 가치가 상실되기 때문이다.
[시멘트 가루]
이렇게 만들어진 시멘트 가루가 물을 만나면 -
클링커의 성분을 구성하고 있는 규산3석회, 규산2석회, 알루민산3석회, 알루미노아철산사석회(철화합물들)에 들어있던 생석회(CaO) 성분들이 제 각각 시간적인 차이를 두고 일부는 물에 녹고 물과 화학적인 수화현상을 일으키면서 열을 내는 발열반응 후에 단단하게 굳어지면서 경화되는데,
이 열을 내는 성질은 규산3석회, 규산2석회, 알루민산3석회, 알루미노아철산4석회 중 어느 석회화합물에 생석회(CaO)가 얼마나 들어있느냐에 따라 열을 빨리 내느냐, 열을 천천히 내느냐, 열을 많이 내느냐, 열을 적게 내느냐가 결정된다.
클링거의 구성화합물들이
물과 만났을 때 수화 반응 속도는 -
규산3석회는 수화(水和)가 빠르고 잘 굳어져서 빨리 굳어지는데 기여하고, 규산이석회는 수화속도가 상대적으로 늦지만 장기간에 걸쳐서 시멘트가 단단해지게 하고, 알루민산삼석회는 수화속도가 가장 빨라 물과 급격히 반응하여 굳어지는데 이때 석고가 굳어지는 속도를 조절하는 응결조절제 역할을 하고, 철화합물은 알루민산3석회 다음으로 수화속도가 빠른데 석고가루가 있으면 알루미산3석회도 철화합물과 수화속도가 비슷한 반응을 한다.
클링커 구성화합물의 수화열량은 -
알루민산삼석회가 가장 크고, 그 다음이 규산삼석회이고,
시멘트의 수화 시 발열량에 따라 -
빨리 굳어져야 하는 공사 시에는 규산삼석회의 양이 많은 조강(早强) 시멘트가 필요하고, 댐이나 고층 아파트와 같이 압력을 많이 받는 콘크리트 구조물에 쓰이는 시멘트에는 알루민산삼석회나 규산삼석회의 양이 제한된다.
그래서 시멘트의 종류는 -
당연히 시멘트를 만들기 전에 재료의 비율에 따라 결정되는 것이고,
시멘트의 쓰임새에 따른 성분 비율은 -
포틀랜드 시멘트를 만드는 비율(석회 63%, 실리카 23%, 알루미나 6%, 산화철 소량, 무수황산 극소량, 산화마그네슘 극소량 등)을 기본으로 하여 더할 것은 더하고 뺄 것은 빼고 특수한 목적에 적합한 극소량의 첨가물을 첨가해서, 클링커를 만들기 전에 혼합재료들의 양으로 조절되는 것이다.
그러니까 시멘트는 -
시멘트 재료의 63%를 차지하는 석회석(탄산칼슘, CaCO3)이
열을 받아 825℃에서 이산화탄소(CO2)가 날아가서
생석회(산화칼슘, CaO)로 변했고,
탄산칼슘(석회석 가루)이 산화칼슘(생석회 가루)으로 변한 다음에도 도자기 굽는 것처럼 계속해서 열을 가하자 여전히 주성분인 생석회가루들이 실리카(23%), 알루미나(6%), 산화철 같은 첨가물에 나누어 달라붙어서 규산3석회, 규산2석회, 알루민산3석회, 알루미노아철산사석회(철화합물들) 같은 새로운 고용체 물질들이 되었는데, 그것은 사람이 일정한 비율로 섞어놓은 대로 일정한 비율들로 나누어 달라붙어서 사용될 용도에 맞게 시멘트의 성질(종류)이 결정된 것이고,
시멘트 가루 고용체들 속에는 여전히 석회가 주성분(산화칼슘)이고, 그 생석회(산화칼슘) 성분은 여전히 ‘자연산 석회석(탄산칼슘)이 원래부터 가지고 있던 물에 녹고(수화), 뭉치고(응결), 굳어지는(경화)’ 성질들을 가지고 있는데, 사람들한테 좋으라고 자연산 석회석(탄산칼슘) 가루보다 빨리 녹고 빨리 뭉치고 빨리 단단해지도록 성질이 급하게 변해있는 것이다.
이때, 시멘트가 물을 만났을 때 열을 내는 원리는 물통에 생석회 가루를 넣어서 소석회를 만들 때 열을 내는 원리[CaO+H2O→Ca(OH)2 +열]와 같은 원리이고, 소석회를 만들 때는 열이 많이 나지만 콘크리트를 만들 때는 열이 덜 나는 것은 콘크리트에는 시멘트가루보다 훨씬 많은 양의 모래와 자갈이 열을 흡수하기 때문이고, 콘크리트에 열이 나면 빨리 마르는 것은 뜨거운 물에 담갔다가 꺼낸 접시가 자체의 뜨거운 온도 때문에 빨리 마르는 원리와 같다.
이상으로 시멘트의 성분은 여전히 석회가 주성분이고, 석회는 탄산칼슘에서 산화칼슘으로 바뀌었지만 여전히 물에 녹고 뭉치고 굳어지는 성질을 가지고 있고, 산업용 시멘트는 자연산 시멘트를 응용한 것이라는 것이 확인되었다.
일반적인 포틀랜드 시멘트의 경우 -
상온(평상 시의 온도)의 물과 섞으면 수화반응 후에 시멘트의 성분 60% 정도가 규산칼슘수화물(C-S-H)로 경화되고, 시멘트의 성분 25% 정도가 수산화칼슘으로 경화된다.
이것을 나타내는 반응식은 다음과 같다.
규산삼석회 : 2(3CaO.SiO2) + 6H2O --> 3CaO.2SiO2.3H2O + 3Ca(OH)2
규산이석회 : 2(2CaO.SiO2) + 4H2O --> 3CaO.2SiO2.3H2O + Ca(OH)2
시멘트 원료의 63%를 차지하는 주성분인 탄산칼슘이 변한 산화칼슘과 시멘트 원료의 23%를 차지하는 실리카가 규산3석회(=규산3칼슘)과 규산2석회(=규산2칼슘)로 변한 것들이 물을 만나자 규산칼슘수화물과 수산화칼슘으로 분리된 것이다.
규산3석회는 1,250℃ 이하의 온도에서는 오랜 시간을 두고 규산2석회와 생석회(CaO)로 다시 분해되고, 규산2석회는 물에는 녹지 않지만 물과 여러 가지 비율로 수화물(水化物)을 만들어 콜로이드 상태가 되어 물과 같은 성격으로 움직이고, 수산화칼슘(소석회)은 1리터의 물에 0.82g 녹아 포화상태의 수용액이 되는데, 수산화칼슘이 탄산칼슘으로 경화되는 데는 78cal/g의 반응열을 발생시킨다.
이처럼, 시멘트가 물을 만났을 때 생성되는 규산칼슘수화물과 수산화칼슘은 [갯녹음 백화현상]과 [적조]와 [연근해 바닷물 온도상승과 지구온난화]를 이해하는데 빼놓을 수 없이 중요하다.
시멘트를 물과 섞었을 때 ‘생성되는 60% 정도의 규산칼슘수화물과 25% 정도의 수산화칼슘을 제외한’ 나머지 15% 정도는 석고와 같이 응결조절제의 역할을 하거나, 시멘트가 골고루 잘 섞이라는 융제 역할을 하거나, 시멘트의 수축과 균열을 방지하는 등 기능제의 역할을 한다.
[콘크리트]
콘크리트는 ‘시멘트 가루를 물과 섞어서 만든 시멘트 풀’로 모래와 자갈 표면에 묻혀서, 시멘트풀이 마르면서 전체를 하나로 달라붙게 하는 원리이다.
그것을 쉽게 하는 방법이 [시멘트+물+모래+자갈]을 적당한 비율로 섞어서 삽으로 비비는 것이고, 더 발전된 방법이 콘크리트 공장에서 대규모로 [시멘트+물+모래+자갈]을 섞어서 아직 굳지 않은 상태로 차에 실어 빙빙 도는 통 속에서 뒤섞으며 현장으로 배달하는 콘크리트인 레미콘이다.
[시멘트+물+모래+자갈]을 섞어서 비비면, 비싼 시멘트를 조금만 쓰더라도 싸고 튼튼한 자갈이 전체 구조물을 튼튼하게 하고, 모래는 자갈과 자갈들 사이의 빈틈(공극)을 메우고, 모래와 자갈은 가만히 있는 상태에서, 시멘트와 물이 결합(응결)하는 수화현상을 일으키면서 열을 발산하여 마르기 시작하면서 굳어져서(경화) 콘크리트 구조물을 형성하게 되는 것이다. 이때 구조물이 더 튼튼해지라고 콘크리트 안에 철재골조를 넣는 것이고.
콘크리트를 만들 때 모래를 섞고 흙을 섞지 않은 이유는 아주 작은 시멘트 가루 입장에서 볼 때 모래는 바위덩어리와 같이 시멘트가 스며들지 않는 반면에 흙은 그 입자가 시멘트가루보다 더 작아서 흙가루 속으로 시멘트 가루가 스며들어버리기 때문에, 시멘트 풀이 흙속으로 스며들어버리면 모래와 자갈을 달라붙게 할 수 없기 때문에 흙은 사용하지 않는 것이다. 이러한 원리가 (뒤에서 설명하겠지만) 화산섬인 제주도와 갯바위 지대인 동해안에서는 백화현상이 무성하고, 서해안 같은 갯벌지대에는 서울 수도권에서 한강을 타고 엄청난 석회수가 흘러 들어가는데도 백화현상이 안 나타나는 이유이다.
그리고 시멘트가 수분을 흡수하여 한번 수산화칼슘이 되면 이산화탄소를 흡수해서 다시 안정된 원래의 탄산칼슘으로 변하려는 성질이 있는데, 이것은 콘크리트 건물에 있어서 철재골조에 대단히 중요한 사항이다. 철근은 강한 알칼리성의 수산화칼슘에서는 녹이 안 슬지만 알칼리성이 낮은 탄산칼슘에서는 비교적 쉽게 녹이 슬기 때문이다.
콘크리트 구조물을 버티는 힘은 철근 같은 철재골조 덕분인데, 콘크리트 속에까지 철골이 녹이 슨다는 것은 철이 산소와 결합하면서 부피가 팽창되어 콘크리트가 터지는 균열이 생기고 그 균열로 부식이 가속화되어 건축구조물의 수명이 짧아진다는 말과 같다. 이것을 막으려고 ‘레미콘 회사에서 일단 물과 섞어서 '한번 버무린 콘크리트는 최대한 빨리 형틀에 부어넣어서 양생한다'고 레미콘 차가 오면 공구리팀(콘크리트팀)들이 그렇게 급하게 설치는 것이다.
형틀에 부어넣지 않은 콘크리트가 공기 중에 오래 노출되면 pH 12.5 정도의 수산화칼슘이 이산화탄소를 흡수해서 pH 9.0~9.5 탄산칼슘으로 바뀌게 되어 알칼리도가 약해지고, 그렇게 되면 콘크리트 속에서도 철근이 쉽게 녹슬게 되어 건물의 수명이 짧아지게 된다. 이런 이유 때문에 고층건물이나 댐이나 방파제의 경우 사용하다 남은 콘크리트는 사용해서도 안 되고, 새로 만든 레미콘에 섞어 써서도 안 되는 것이다.
아파트를 지어 올렸는데 아랫부분에 푸석푸석해지는 콘크리트가 섞여 있으면 안 되지 않겠는가? 댐이나 광안리 대교를 세워놨는데, 콘크리트 시멘트에 들어있는 수산화칼슘이 너무 빨리 탄산칼슘으로 변해서 콘크리트 속에 철재골조가 녹슬기 시작하여 100년은 버티어야 될 댐이나 다리가 수명이 50년으로 짧아지면 안 되지 않겠는가?
이렇게 해서, 공사가 끝나고 콘크리트 건축구조물로 굳어지면 한번 물과 섞인 시멘트는 콘크리트 안에서 규산칼슘수화물과 수산화칼슘 상태로 모래와 자갈들의 표면을 꽉 붙들어 잡고 있게 되는 것이다.
이것은 칼슘(Ca) 원소 덕분이다. 칼슘이 자연계에서는 독단적으로 존재할 수 없는 성격 때문에 다른 물질들과 합해져야 안정을 찾는데, 칼슘이 규산이란 놈들의 분자와 수산이란 놈들의 분자들을 만나서 자기들보다 훨씬 더 큰 모래도 잡아버리고, 자기들하고는 비교도 할 수 없이 어마어마하게 큰 자갈이란 놈들까지 잡아서 꼼짝을 못하게 하는 것이다.
콘크리트를 만들 때, [시멘트+물+모래+자갈]을 섞으면 시멘트는 물을 만나 주성분이 규산칼슘수화물과 수산화칼슘으로 화학적인 변환(치환)을 하는데 이때의 칼슘수화물과 수산화칼슘은 콜로이드 상태다. (수산화칼슘은 극히 일부가 수용액 상태임)
콜로이드란 물에 녹지는 앉지만 용액 속의 용질이 완전히 골고루 분산되어 있는 것처럼, 기체나 액체 속에서 분자나 이온보다 큰 어떤 물질의 미립자(미세한 입자)들이 뭉치거나 가라앉지 않고 골고루 분포되어 분산되어 있는 상태를 말한다. 그러니까 콘크리트 속에서 규산화칼슘과 수산화칼슘도 녹지는 앉았지만(수산화칼슘은 일부 녹아 있음) 거의 녹은 것과 마찬가지로 뭉치지도 않고 가라앉지도 않고 골고루 분산되어 있다는 것이다.
그리고 콘크리트가 굳으면 규산칼슘수화물과 수산화칼슘은 겔 상태가 된다. 겔(gel)이란 콜로이드 용액이 쫄아서(졸 상태) 일정한 농도 이상으로 진해져서 튼튼한 그물조직이 형성되어 굳어진 것을 말한다. 우뭇가사리(한천)을 생각하면 이해가 쉽다. 우뭇가사리 말려서 물기를 제거하고, 그것을 찜통에 물과 같이 넣고 끓이면 우뭇가사리가 녹아서 형체가 없어졌다가 걸죽해지고(콜로이드 상태), 더 쫄이면 진해지고(졸 상태), 식히면 꼬득꼬득한 겔(gel)상태가 된다. 콘크리트를 만드는 시멘트도 물을 만나면 규산칼슘수화물과 수산화칼슘으로 녹으면서 콜로이드 상태가 되고, 수화반응으로 열을 내면서 수분이 증발하면 졸 상태가 됐다가, 식으면서 규산칼슘수화물(calcium silicate gel)과 수산화칼슘(소석회)이 겔 상태가 되는 것이다.
그리고 겔 상태의 시멘트가 들어있는 콘크리트 건물은 수십 년을 두고 그 콘크리트 건물은 더 단단해진다. 수산화칼슘에 포함된 물기(H2O)가 빠져나가고 탄산칼슘(CaCO3)으로 바뀌는 동안이다. 그렇다고 그것이 좋은 것만은 아니다. 물기가 빠져나가면서 콘크리트의 수축과 균열이 일어날 수 있고, 수산화칼슘이 탄산칼슘으로 바뀌면서 pH 11 이하로 떨어지면 콘크리트 속의 철근에 녹이 슬기 시작하기 때문이다. 그래서 콘크리트 속에 녹이 못 슬게 하려고, 즉 수산화칼슘이 탄산칼슘으로 바뀌지 못하게 하려고 시멘트벽에 페인트칠을 해서 공기의 접촉(침투)을 차단하는 것이다.
이렇게 해서,
인류가 전 세계적으로 메트로폴리탄(대도시)을 만들어냈다.
이것은 콘크리트 덕분이고, 시멘트 덕분이고, 석회 덕분이다. 당신이 살고 있는 집, 당신이 일하는 사무실이나 공장, 축구장, 수영장....... 모두 콘크리트 건물이다. 콘크리트 없이는 현대 문명을 논할 수가 없다. 콘크리트는 인류의 축복이다. 석유(돌에서 나는 기름)가 인류가 동력적인 부를 가능하게 했다면 석회 시멘트 콘크리트는 인류에게 부동산적인 부를 가능하게 했다.
이 글을 읽은 당신이 30평, 40평, 50평, 60평 아파트에 살고 있다면 당신은 그 평수를 먼저 생각할지 모르겠는데 콘크리트의 고마움을 한번쯤은 인식할 줄 알아야 한다. 우리나라만 해도 불과 40년 전만 해도 대부분의 사람들이 흙담에 볏집 얹어서 살았는데, 당신한테 아파트 놔두고 초가집에 살라고 하면 낭만적이겠는가? 하루나 이틀 정도는 감정적으로 체험 관광할 수 있어도 3일 지나면 콘크리트 벽에 깨끗한 벽지가 발라지고 콘크리트 바닥 위로 고급 장판이나 마루가 깔린 아파트로 돌아오고 싶어서 참을 수가 없을 것이다. 현대사회는 도시화의 사회이고, 도시에서의 부의 척도는 얼마나 큰 콘크리트 구조물을 보유하고 있느냐의 차이라고 해도 과언이 아니다.
그것이 당신이 살고 있는 아파트의 평수로 나타나고, 당신의 사무실 평수로 나타나고, 당신이 다니고 있는 회사가 얼마나 안정적인 회사인가는 대부분의 겨우 그 콘크리트 건물의 규모와 층수로 나타난다. 당신을 포함한 인류가 석회 시멘트 콘크리트의 축복 속에 편리와 효율을 만끽하고 있는 것이다. 단일 발명품으로 시멘트만큼 인류의 행복에 공헌한 것이 있는가? 콘크리트의 단점을 부각시키기 전에, 사람들이 석회가 석유만큼 중요하고 고마운 것이란 것을 알아야 한다.
석회의 녹고 뭉치고 굳어지는 성질이 지구의 나이 46억년 최 근래에 전 세계적으로 도시를 형성하는 것을 가능하게 했다. 런던, 파리, 베를린, 모스크바, 암스테르담, 뉴욕, 로스엔젤레스, 멕시코시티, 리오데자네이로, 상파울루, 부에노스아이레스, 도쿄, 오사카, 뉴델리, 자카르타, 싱가폴, 홍콩, 쿠알라룸푸르트, 두바이, 서울, 부산, 대구........ 지금은 상해, 대련, 청도 같은 중국의 동해안 지구가 엄청나게 커지고 있다. 모두 거대한 콘크리트 덩어리들이다. 당신이 서울에 살건 부산에 살건 마음만 먹으면 한 발짝도 안 놓치고 콘크리트를 밟고 지나갈 수 있다. 도시 전체가 하나의 거대한 콘크리트 덩어리로 연결되어 있는 것이다. 그리고 하늘 위로도 수십 미터 수백 미터까지.
[세계의 시멘트 생산량]
세계적으로 시멘트의 생산량을 대략적으로 살펴보면-
1998년을 기준으로 전 세계 시멘트 생산량이 15억4천4백 톤 정도인데 이 중에서 아시아에서 61%의 시멘트를 생산했고, 중국 정부의 발표에 의하면 2007년 시멘트 생산량이 13.5억 톤이고, 중국의 시멘트 생산량이 세계적으로 40% 정도를 차지한다고 하니까 2007 전 세계의 시멘트 생산량은 34억 톤 정도라는 것을 확인할 수 있는데, 1998년과 2007년 사이에 세계의 시멘트 생산량이 2배도 넘게 증가하였다는 것을 알 수 있다.
그리고 우리나라의 동양시멘트 삼척공장에서는 1957년 시멘트 공장을 가동한 이후로 50년만인 2007년 12월말로 2억톤의 시멘트 클링커를 생산해냈는데, 2억 톤의 크링커의 양은 아파트 1000만 세대를 건설할 수 있고 지구 12바퀴에 해당하는 50만km의 2차선 도로를 건설할 수 있는 양이라고 한다.
그러니까 지금 전 세계적으로 1년에 34억 톤 정도의 시멘트를 생산하고 있으니까, 지구를 204바퀴나 돌 수 있는 2차선 도로를 건설할 수 있는 시멘트가 생산되고 소비되고 있다는 말이다. 1년에!
그리고 우리가 깊은 관심을 가져야 하는 것은 전 세계적으로 생산되는 시멘트의 절반 정도를 중국이 소비하고 있는데, 그 대부분이 우리나라의 서해와 맞닿는 중국의 동해안 지역에 사용되고 있다는 것이다. 서해에 대한 대책이 필요하다.
[시멘트 물이 바다로 흘러들다]
시멘트 산업은 1851년 런던 공업박람회에 포틀랜드 시멘트가 출시되어 그 품질의 우수성이 널리 알려진 이후로 시멘트 제조방법이 전 세계로 퍼져나가 19세기 후반에 들어와 시멘트공업은 열강 제국들에 의해서 세계 각국에서 그 형태를 갖추게 되었는데, 각국의 시멘트 제조연대는 영국 1825년, 프랑스 1846년, 독일1855년, 미국 1871년, 일본 1873년, 우리나라는 1919년 일본 小野田시멘트에 의하여 건설된 평양공장이 최초이다.
이때부터 시멘트 녹은 규산화칼슘수화물과 수산화칼슘과 탄산칼슘 녹은 중탄산칼슘이 세계의 바다로 흘러들어갔다는 이야기다. 46억년 지구 나이 중에서 40억 년 전에 바다가 생긴 이후로 석회동굴에서 녹은 석회수(중탄산칼슘=탄산수소칼슘)만 냇물에 합쳐지고 강물에 모여서 바다로 흘러들었는데, 40억년 바다의 나이 중에서 최근 100년 동안, 그것도 제국열강에서 식민지들이 독립하고 산업발전을 시작한 1960년대 이후로, 우리나라도 1960년대 후반부터 새마을운동과 산업화가 성공한 이후로 최근 40년 사이에 바다에 상상도 할 수 없는 양의 시멘트 성분이 흘러들어간 것이다.
콘크리트 공사를 할 때 거푸집(형틀)에 콘크리트를 부어넣기 위해서는 시멘트회사로부터 시멘트를 공급받은 레미콘 회사에서 [시멘트+물+모래+자갈]을 섞어서, 레미콘차가 레미콘(반죽된 콘크리트)을 싣고 공사현장으로 달려가서, 공기의 압력으로 파이프와 호수로 콘크리트를 쏘아올리는 펌프카에 부어주면 레미콘을 부어주면, 펌프카가 형틀 안으로 콘크리트를 부어넣는 일을 한다. 이때 50층 건물이면 50층까지 쇠파이프를 고정시키고 끝터리 부분에는 움직일 수 있도록 고무호수를 매단다.
그런데, 이 작업을 멈추지 않고 연속적으로 할 수 없다는 데 문제가 있다. 50층 건물을 쌓아올리기 위해서는 매 층마다 3~4회에 나누어서 콘크리트를 부어넣어야 하기 때문이다. 콘크리트가 완전히 마른 다음에 그 위로 콘크리트를 다시 추가로 부어넣어야 하기 때문이다.
그렇다보니, 그때마다 펌프카하고 레미콘 차에 남은 콘크리트 분량과 시멘트가루들을 씻어내야 한다. 펌프카의 쇠파이프나 튼튼한 호수가 막히면 안 되니까 바로 씻어 내야하고, 빙글빙글 도는 레미콘 차도 빙글빙글 도는 레미콘통을 바로 씻어내야 한다.
특히 펌푸카의 경우 파이프나 호수가 꽉 차서 진공상태가 되어야 공기압으로 콘크리트를 쏘아 올릴 수 있는 것인데, 마지막에 가서는 진공상태가 될 수 없기 때문에 잔량이 많이 남게 된다. 바로 씻어내야 한다. 50층까지 쇠파이프를 설치해놨는데, 쇠파이프 안에서 콘크리트나 시멘트 잔량이 굳어서 막혀버리면 공사를 못하고 다시 뜯어내서 바꿔치기 해야 않겠는가? 그래서 펌프카의 경우 마지막으로 콘크리트를 쏘아올리고 바람 소리가 푹푹푹푹-칙칙칙칙....... 들리고 나면, 맨 위에서부터 거꾸로 바로 물을 부어넣어서 그 안을 깨끗이 씻어 내버린다. 깨끗이! 깨끗이 씻어내야 다음 일을 할 수 있으니까 쇠파이프나 고무호수 안에 시멘트가 굳어지기 전에 물을 부어넣어서 깨끗이 씻어 내버린다. 아주 깨끗이.
레미콘 차도 펌프카에 레미콘을 부어 넣어주고는 그 자리에서 통에 물을 부어서 레미콘 통속을 깨끗이 씻어 내버린다. 철판이 쌈빡하게 광나도록 깨끗이. 철판이 깨끗할수록 시멘트풀이 안 달라붙으니까 아주 깨끗이 씻어 내버린다. 그리고 다시 레미콘 회사로 달려가서, 펌프카에 돌아와서는 또 레미콘 통을 깨끗이 씻어낸다.
그리고 펌프카에서 쏟아져 나오는 푸르른 물들과 레미콘 차에서 쏟아져 나오는 푸르른 물들은 하수구로 들어간다. 큰 공사장의 경우, 시멘트 물 받는 임시 구덩이가 있을 수도 있는데 거의 없고, 그 구덩이에 물을 받았다가도 나중에 사람 없을 때 조용히 하수구로 퍼 넣어버린다. 대부분의 콘크리트 공사가 도시에서 이루어지고, 도시에는 하수구 없는 곳이 없고, 대단위 아파트 공사 같은 경우 하수구를 먼저 갖추어놓고 건물을 올리기 때문에 시멘트 물 버릴 하수구 걱정을 할 필요는 없다. 다른 나라는 안 봐서 모르겠고, 우리나라의 경우 거의 대부분의 콘크리트 공사현장에서 이렇게 펌프카를 씻어내고 레미콘을 씻어내서 시멘트 물을 버린다. 도시가 갖추진 이후에 생겨난 대한민국의 거의 모든 건물들이 이렇게 세워졌다. 당신의 아파트, 회사 사무실도 여기에 포함된다.
대규모 공사현장에서뿐만 아니라, 아파트 공사현장에서도 시멘트 미장을 끝내고는 시멘트를 버무린 통과 삽이나 미장칼을 화장실에서 깨끗이 씻어내고는 그 푸르른 물들을 하수구 관으로 흘려 넣어 버린다. 그러면, 미장통, 삽, 미장칼이 깨끗해진다. 아파트 인테리어를 하면서 시멘트를 사용한 공사가 있었다면 이것은 99.9% 정확할 것이다.
바다가 생겨난 40억년 중에서 이런 일이 없었는데,
우리나라의 경우 약 40년 동안에 이런 일이 생겨난 것이다.
당신이 바라보는 도시의 건물들이 오랜 된 것 같아도 대부분 40년이 안 되었고, 40년이 긴 시간 같아도 바다의 나이 40억년에 비하면 찰나에 불과하다. 40억년 나이의 바다에서 볼 때 40년이라는 찰나에 이 거대한 콘크리트 건물구조물들이 순식간에 세워졌고, 공사를 할 때마다 시멘트에서 녹아난 규산칼슘수화물과 수산화칼슘이 콜로이드 상태 또는 수용액 상태로 바다로 흘러든 것이다.
그리고 일단 물에 한 번 녹은 규산칼슘수화물과 수산화칼슘은 더 많은 물을 만나면 희석되는데, 이 말은 하수구에 들어간 규산화칼슘수화물과 수산화칼슘이 여기저기서 들어오는 더 많은 하수구물을 만나 더 잘 녹은 채로 강으로 바다로 흘러들어가서 고체로 변하지 않는 이상 계속 수화물상태로 존재한다는 뜻이고, 그 바닷물이 규산화칼슘수화물과 수산화칼슘 수화물로 농축된다는 것이다.
그렇게, 40억년이란 나이에 비해 40년이란 찰나에 흘러들어간 시멘트 물들의 양을 대충이라도 계산해보라. 콘크리트는 대략 [물(1) : 시멘트(2) : 모래(4) : 자갈(8)] 정도로 혼합하는데, 콘크리트를 칠 때 거기에 섞인 시멘트가 전체 시멘트 양의 0.1% 정도가 레미콘이나 펌프카 같은 도구에 묻어나고 그것들을 씻어낸 물들이 시멘트를 녹인 채 용액(콜로이드 포함) 상태로 바다로 흘러들어갔다고 볼 때, 콘크리트 도시 무게 15 중에서 2를 시멘트의 무게로 잡고, 거기서 1,000을 나누면 40년 동안 바다로 흘러들어간 시멘트의 양을 정확하지는 않지만 짐작은 할 수 있을 것이다. 도시의 건물들이 아무리 높아도 도깨비 방망이로 한 방에 생겨난 것이 아니고 레미콘 한 차 한 차, 펌프카 한 대 한 대씩 차곡차곡 올라간 것이니까 전혀 근거 없는 계산법은 아니다. 어마어마하지 않겠는가?
시멘트가 바다에 들어간 것은 공사 당시에만 들어가는 것이 아니다. 공사 후에도 빗물에 녹고, 햇볕에 말랐다가 바람에 날리어 빗물에 쓸려 녹아서 하수구를 타고 또 바다로 흘러들어가는 것이다. 이때는 규산칼슘수화물하고 중탄산칼슘(탄산수소칼슘) 수용액이다. 콘크리트 외벽에 있는 수산화칼슘이 탄산칼슘으로 변해서, 탄산칼슘이 이산화탄소가 들어있는 물에 녹아서는 수산화칼슘이 아닌 중탄산칼슘이 되기 때문이다.
그런데, 그 표면적이 문제다.
콘크리트 도시가 생겨나기 전까지만 해도 중탄산칼슘은 석회동굴 아래 냇물로만 흘러들어갔는데, 지금은 도시 전체가 탄산칼슘으로 표면을 이루고 있기 때문이다. 도시에서 오래된 시멘트블록 담을 보라. 구멍이 송송송 뚫려있다. 수산화칼슘이 이산화탄소가 들어있는 수분을 흡수해서 중탄산칼슘으로 변하고 그 중탄산칼슘이 빗물에 녹으면서 빠져나가자 규산칼슘화물도 비바람에 쓸리고 떨어져서 생겨난 구멍들이다.
아스팔트와 인도의 경계를 보시라. 시멘트로 되어 있고 하수구 부분인데 자갈이 드러나서 우둘툴툴하다. 시멘트가 이산화탄소가 들어있는 물에 녹아나가자 모래가 떨어지고 씻겨갔기 때문이다. 비가 오면 땅속으로 빗물이 스며들 수 없는 콘크리트 도시 전체에서 이런 일들이 진행되고 있는 것이다. 그렇게 씻겨서 바다로 들어가는 시멘트의 양이 석회동굴에서 흘러드는 석회수(중탄산칼슘)하고 비교가 되겠는가?
인간이 석회로 시멘트를 발명하고 콘크리트 건물구조물을 짓기 시작하면서 지구의 바다 나이 40억년에 비교해볼 때 극히 찰나와 같은 40년 사이에 도시를 건설한다고 콘크리트 공사를 하면서 규산칼슘수화물과 수산화칼슘을 하수구를 통해서 바다로 흘려 넣었고, 콘크리트 공사 후에는 그 건물구조물들 표면의 시멘트들이 녹고 씻기고 떨어져서 규산칼슘수화물과 수산화칼슘 상태로 연근해 바다로 흘러들어가서 농축되었는데, 그 양이 전 세계에서 생산한 시멘트의 양과 비례할 것이다.
그 결과 시멘트의 주성분인
규산칼슘수화물과 수산화칼슘이 바다에서 농축되었고 -
수산화칼슘과 중탄산칼슘이 포화상태에 이르러 연근해 바다에서 탄산칼슘이 석출되는 [백화현상]으로 나타나고, 그 피해는 [갯녹음]의 결과로 나타나고
수산화칼슘이 탄산칼슘으로 변할 때 1g의 수산화칼슘이 78칼로리(cal)나 발생시키는 반응열이 연근해 바닷물의 온도를 세계 평균 바닷물의 온도보다 3배나 빨리 높아지게 하여 [수온상승, 지구온난화]의 주범으로 작용하고,
시멘트 가루 녹은 물이 흘러드는 대도시 근처의 내만에서 1980년대까지는 규산화칼슘을 먹이로 하는 [규조류 적조]가 발생했다가, 1995년부터는 수산화칼슘과 인산의 화합물인 인산칼슘수화물을 먹이로 하는 와편모충류인 [코클로디니움 적조]가 본격적으로 발생하고 있고,
적조가 발생하지 않은 상태에서도 바닷물 속에 규산화칼슘과 같이 녹아있는 수산화칼슘의 강알칼리성 때문에 물고기 아가미의 모세혈관이 헐고, 아가미에서 산소와 이산화탄소를 교환하는 기체의 확산 시에 아가미 부분에서 압력이 급격히 낮아질 때 규산화칼슘수화물과 수산화칼슘이 다시 뭉쳐 시멘트풀이 되면서 물고기들이 숨을 못 쉬게 하여 2006년 전남 흑산도 도곡리 양식장에서 도망갈 수 없는 가두리 양식장의 물고기 300만 마리가 떼죽음 당하고, 그 직후에 경남 거제 통영에서도 가두리 양식장에서 150만 마리가 떼죽음 당한 것처럼, 피해를 발생시키고 있는 것이다. 나는 그렇게 생각한다.
나 윤승환은 이 작업을 한 이후로 -
인류가 시멘트를 개발하고
산업혁명 이후, 특히 1960~1970년대 이후
전 세계적으로 콘크리트 메트로폴리탄을 이루어내며서
바다에 흘려보낸 시멘트 성분을 활용할 수 있느냐에 따라서
바다에 녹아들어간 시멘트 성분은 어마어마한 비료의 역할을 할 것
이라고 예측하게 되었다.
바다에 흘러든 시멘트 성분은 활용할 수 있으면 돈으로는 감당할 수 없는 어마어마한 자원이 되고, 활용하지 않고 내버려두면 환경재앙으로 다가올 것이다.
2008년 6월 2일
부산 해운대에서 윤승환 올립니다.
(2008년 6월 22일 교정)
※ 위 글은 퍼가기와 번역을 허락합니다