범세계적으로 기후변화의 속도는 점차 증가하고 있으며 국제사회는 변화하는 기후 위기에 대응하기 위해 1990년대 중반부터 지구 평균 기온 상승 억제를 위한 논의를 해왔다. 2015년 파리협정에서는 산업화 이전 대비 지구 평균기온 상승을 2℃보다 상당히 낮은 수준으로 유지하고 1.5℃ 이하로 제한하는 것을 목표로 설정하였다. 또한 기후변화에 관한 정부 간 협의체(Intergovernmental Panel on Climate Change, IPCC)는「지구온난화 1.5℃ 특별 보고서」를 통해 지구 온도를 1.5℃ 이하로 억제할 것을 제안하였으며 이를 달성하기 위해 2050년까지 전지구적인 탄소중립(Carbon neutrality, Zero carbon, Net zero)이 이뤄져야 한다고 권고하였다. 이러한 배경하에 세계 각국은 공식적으로 2050 탄소중립을 선언하기 시작하였으며 일부 국가에서는 이를 법제화하는 움직임을 보이고 있다. 특히, 유럽연합은 유럽 그린 딜(European Green Deal)을 발표함으로써 탄소중립 달성을 위한 선도적인 역할을 수행하고 있으며 미국, 일본, 중국 등 주요국에서도 국제사회 흐름에 맞춰 탄소중립을 선언하였고 에너지, 건물, 농·축산, 교통을 포함한 모든 분야에서 국가 정책 방향에 맞춰 적극적으로 대응하고자 노력하고 있다.
국내에서도 국제적인 분위기에 따라 탄소중립의 첫걸음으로써 2020년 7월 한국판 뉴딜을 발표하고 이를 핵심 국정 목표로 하여 같은 해 10월 2050 탄소중립을 선언하였다. 또한 철강, 시멘트, 석유 화학 등 산업계에서도 탄소중립 달성을 위한 수단으로 다양한 정책을 제시하고 있다. 이 중 시멘트 산업에서는 시멘트 그린 뉴딜 위원회를 구성하여 탄소중립을 위한 공동 선언문을 발표함으로써 시멘트 산업의 탄소중립에 대한 뚜렷한 목표를 나타내고 있다.
시멘트 산업은 연간 약 4천만 톤의 탄소를 배출(국가 전체 배출량의 5.6%, 산업부문의 10%)하는 대표적인 탄소 다배출 산업이다. 배출원으로써 소성 과정에서 주원료인 석회석의 탈탄산 반응으로 인한 탄소 배출이 약 2천 3백만 톤(57%), 연료 소비에서 약 1천 2백만 톤(30%), 전력 사용으로 약 5백만 톤(13%)이 배출되고 있다. 이와 같이 탄소 배출의 절반 이상이 소성 공정에서 배출되기 때문에 클링커의 생산량 및 사용량을 줄이는 것이 시멘트 산업에서 탄소 배출 저감 및 탄소 중립 달성을 위한 가장 효과적인 방법 중 하나로 생각된다. 또한 국제 에너지 기구(International Energy Agency, IEA)에서 2018년 발표한「Techn-ology Roadmap Low-Carbon Transition in the Cement Industry」에서는 시멘트 산업에서의 탄소 감축 방향을 에너지 효율 개선, 대체 연료 사용, 클링커 비율 감소, 탄소 포집 등으로 구분하고 있으며, 이 중 클링커 비율 감소가 37%로 시멘트 산업에서의 CO2 감축에 선도적인 역할을 할 것으로 예측하고 있다.
국내에서도 탄소 중립을 선언함에 따라「2050 탄소중립 시나리오」 를 발표함으로써 부문별 탄소중립 감축 목표를 제시하고 있다. 시멘트 산업에서는 2018년 대비 2050년까지 시멘트의 연료 전환 및 일부 원료 전환을 통해 탄소 배출량을 53% 감축하는 것을 최종적인 목표로 설정하였다. 또한 보통 포틀랜드 시멘트 혼합재 비중을 20%까지 확대해 클링커의 사용 비율을 감소시키는 등의 감축 수단을 제시하고 있어 보통 포틀랜드 시멘트의 혼합재 증가에 대한 기술 개발이 필요한 시점이다. 혼합재 비중이 증가함에 따라 시멘트 강도 발현에 중추적 역할을 하는 클링커 계수가 감소하고 희석 효과로 인해 수화 및 역학적 특성 등의 품질 저하가 발생할 수 있다. 석회석 미분말은 자체 수화 특성이 없지만, Filler로서 시멘트 입자 사이의 공극을 충전하고 수화 생성물의 Nucleation seed로 작용하여 초기 수화를 촉진하는 효과를 나타내며, 시멘트의 알루미나 성분과 반응하여 새로운 수화 반응을 통해 전체 수화 생성물 부피를 증가시켜 시멘트 매트릭스 내 공극을 줄이는 역할을 한다. 따라서 석회석 미분말은 단순한 충전재의 역할뿐만 아니라 시멘트 수화 반응에 참여하여 클링커 계수 감소에 따른 희석 효과의 문제점을 해결할 수 있을 것으로 생각된다. 이러한 관점에서 석회석 미분말의 사용 비율이 높고 클링커 계수가 낮은 시멘트에 대한 물성 변화를 실험적으로 검토하고 품질 신뢰성을 검증·확보하는 것은 가장 선행적으로 이뤄져야 할 과제일 것이다.
따라서 본 연구는 국제적인 탄소중립 배경하에 시멘트 클링커를 대체할 수 있는 혼합재의 활용을 통해 클링커 계수가 낮은 시멘트의 수화 특성을 검토하기 위한 연구로써, 혼합재로 사용한 석회석 미분말의 분말도와 치환율이 시멘트 수화에 미치는 영향을 검토하였다. 이를 바탕으로 기존 생산되는 시멘트의 혼합재 비율에서 석회석 미분말의 사용량 변화에 따른 시멘트를 제조하여 혼합재 비율 증대에 따른 탄소중립형 포틀랜드 시멘트의 수화 특성을 검토하고자 한다.