적층 제조
콘크리트를 대체하는 빠른 건조 3D 프린팅 클레이-헴프 폴리머
콘크리트의 환경적 한계: 모래 사용 및 CO₂ 배출
콘크리트는 지난 수십 년간 특히 밀집된 도시 환경에서 건설의 핵심 재료가 되었습니다. 비용이 저렴하고 사용이 간편하며 확장성이 뛰어나 벽돌, 석재, 목재를 점차 대체했습니다.
하지만 문제점이 없습니다.
첫째, 자원 소비 측면에서 지속 가능한 제품이라고 할 수 없습니다. 엄청난 양의 모래를 사용하는데, 보고서에 따르면 전 세계가 “모래가 고갈되고 있다.”
시멘트 생산 또한 매우 에너지 집약적인 활동입니다. 거의 전적으로 화석 연료에 의존하여 시멘트 생산이 전 세계 CO₂ 배출량의 8%를 차지합니다.
이는 자동차와 밴에서 배출되는 양과 비슷한 수준이며, 전 세계 배출량의 10%를 차지합니다. 따라서 콘크리트를 보다 지속 가능하게 만드는 것은 전 세계 자동차를 전기차로 전환하고 친환경 에너지만으로 충전하는 것만큼 큰 영향을 미칠 수 있습니다.
클레이-헴프 3D 프린팅이 저탄소 콘크리트 대안을 만드는 방법
전통 콘크리트의 친환경 대안을 찾는 과정과 병행하여 주택을 건설하기 위해 3D 프린팅 원리를 활용한다는 아이디어가 떠올랐습니다.
벽돌 쌓기와 같은 노동 집약적인 방법 대신 자동화된 3D 프린팅 기계가 벽을 빠르게 조립할 수 있습니다.
하지만 벽을 프린팅한다고 해서 콘크리트가 요구하는 긴 경화 시간을 없앨 수는 없습니다; 구조가 완전한 강도를 얻기 위해서는 여전히 28일을 기다려야 합니다.
오리건 주립대학 연구진은 이제 3D 프린팅 기술과 호환되면서 탄소 집약도가 크게 낮은 콘크리트 대체재를 개발했습니다.
그들은 이 결과를 Advanced Composites and Hybrid Materials1에 “바이오 기반 첨가제를 사용한 급경화 클레이 콘크리트를 이용한 지속 가능한 인프라 3D 프린팅”이라는 제목으로 발표했습니다.
스크롤하려면 스와이프 →
| 속성 | 전통 포틀랜드 시멘트 콘크리트 | 클레이–헴프 폴리머 콘크리트 (OSU) | 저탄소 전해조 시멘트 (Sublime) |
|---|---|---|---|
| 결합제 | 포틀랜드 시멘트, 가마에서 구운 클링커 | RICFP를 사용한 아크릴아마이드 기반 폴리머 결합제 | 상온에서 제조된 전해조 기반 시멘트 |
| 바이오 기반 / 현장 내용 | 낮음; 주로 채석된 골재 | 무게 기준 약 75% 점토, 모래, 헴프 섬유, 바이오차 | 지역 칼슘 원천에 따라 다름(산업 부산물, 암석) |
| 배치 직후 강도 | 실질적으로 0 MPa; 거푸집 필요 | 3D 프린팅 직후 약 3 MPa | 조기 강도 프로파일은 아직 확대 및 테스트 중 |
| 구조적 강도 17–24 MPa에 도달하는 데 걸리는 일수 | 보통 최대 28일 | 약 3일에 17 MPa 초과 | 유사하거나 더 나은 목표, 혼합물 및 공장에 따라 다름 |
| 전체 경화 시간 | 약 28일 | 약 8–14일 (40 MPa 이상) | 공장별; 가마 공정을 피하도록 설계 |
| 일반 포틀랜드 시멘트 대비 CO₂ 발자국 | 높음(가마 및 공정 배출) | 바이오 기반 골재와 시멘트 가마 없음으로 낮음 | 석회석 소성 회피로 크게 낮게 설계 |
| 3D 프린팅 가능성 | 지지대 필요, 경화 속도 느림, 오버행 제한 | 지지대 없이 자유형 오버행 및 틈새 프린팅 가능 | 초기 단계; 저탄소 시멘트 배치 생산에 초점 |
클레이-헴프 폴리머 내부: RICFP와 바이오 기반 골재
시멘트는 일반적으로 칼슘, 실리콘, 알루미늄, 철로 구성되며, 최종적으로 가마에서 가열되어 미세한 가루로 분쇄됩니다.
대신 연구진은 Radical-Induced Cationic Frontal Polymerization (RICFP)이라고 알려진 방법을 사용해 3D 프린팅 가능한 점토 기반 건축 재료를 개발했습니다.
이는 세 가지 핵심 화학 성분에 의존합니다:
- 자유 라디칼이 존재할 때 중합되는 단량체.
- 폴리머 사슬을 서로 연결하는 교차결합제.
- 고온에서 자유 라디칼을 방출해 중합을 시작하는 개시제.
연구진은 RICFP 결합제에 점토 골재, 모래, 바이오차, 헴프 섬유를 결합해 압축 강도, 단열성, 지속 가능성을 향상시켰습니다. 여기에 아크릴아마이드(ACR) 단량체, 메틸렌비사크릴아마이드(MBA) 교차결합제, 과황산암모늄(APS) 개시제로 만든 결합제를 추가했습니다.
전체적으로 무게 기준 70–80%의 바이오 기반 재료를 사용했습니다.
전통 콘크리트보다 우수한 강도와 빠른 경화
이 재료가 콘크리트에 비해 제공하는 주요 개선점은 특히 3D 프린팅 직후의 높은 강도입니다.
3 메가파스칼(MPa)의 구축 강도를 가지고 있어 다층 벽과 지붕과 같은 자유형 오버행을 건설할 수 있습니다.
이 강도는 시간이 지남에 따라 증가하여 매우 견고한 최종 건물을 만들게 됩니다.
“주거용 구조 콘크리트에 필요한 17 메가파스칼 강도를 단 3일 만에 초과했으며, 전통 시멘트 기반 콘크리트는 최대 28일이 걸립니다.”
Devin Roach – 오리건 주립대학 기계공학 조교수
또 다른 장점은 경화 시간입니다: 이 재료는 주거용 구조 콘크리트에 필요한 17 MPa 강도를 단 3일 만에 달성하고, 전체 경화는 2주 미만에 완료됩니다—전통 시멘트 기반 콘크리트는 약 28일이 소요됩니다.
연구진은 다양한 3D 프린팅 건설 방법도 테스트했습니다. 높은 강도와 빠른 중합 덕분에 새로운 혼합물을 기반 구조 없이도 프린팅할 수 있음을 입증했습니다.
이 새로운 방법은 일반적으로 추가 재료나 특수 공정이 필요한 문과 창문 같은 형태도 프린팅할 수 있게 합니다.
“이 재료는 지지대를 사용하지 않고 자유형 구조를 프린팅할 수 있는 능력을 가지고 있으며, 전면 중합 콘크리트 프린팅의 다양한 독특한 기능을 제공합니다.”
클레이-헴프 3D 프린팅이 미래 건물에 의미할 수 있는 것
초기에는 3D 프린팅 주택과 건축 재료가 콘크리트를 사용했지만, 이 새로운 건설 방법은 새로운 재료의 혜택을 받을 가능성이 높습니다.
현재는 아직 실험 단계이기 때문에 클레이-헴프-바이오차 기반 재료는 콘크리트보다 비용이 더 많이 듭니다.
하지만 3D 프린팅 효율성 덕분에 비용이 최적화되고 건설 비용이 감소하면 궁극적으로 전통 재료와 가격이 맞먹을 수 있을 것입니다.
또한, 뛰어난 탄소 발자국은 탄소세가 시멘트 비용에 큰 영향을 미치기 시작한다면 결정적인 요인이 될 수 있습니다.
시멘트 생산에 투자하기
투자자 요약 – 클레이-헴프 3D 프린팅 및 CRH
클레이-헴프 폴리머 콘크리트는 아직 실험실 및 파일럿 단계에 있지만, 건설 탈탄소화, 자동화된 3D 프린팅 건축, 프로젝트 일정 단축을 가능하게 하는 빠른 경화 재료라는 세 가지 강력한 흐름의 흐름에 놓여 있습니다. 오리건 주립대학 혼합물은 바이오 기반 골재와 폴리머 화학이 주당 며칠 안에 구조적 강도를 제공하고 전통 시멘트보다 훨씬 낮은 CO₂ 발자국을 갖는 방법을 보여줍니다. 공개 시장 투자자에게 CRH는 이 전환에 노출될 수 있는 가장 명확한 방법 중 하나입니다. 이 회사는 북미 최대 재활용업체이며, 대체 연료를 사용해 시멘트 배출을 이미 감축하고 있으며, Sublime Systems와 같은 저탄소 시멘트 혁신가, 탄소 포집 기술, AI 기반 혼합 최적화에 자본을 투입하고 있습니다. 전해조 기반 시멘트와 고급 3D 프린팅 혼합물이 상업적으로 규모화된다면, 전 세계 유통망, 자본, 규제 관계를 보유한 기존 기업—예: CRH—가 전환을 주도할 최적의 위치에 있게 됩니다.
CRH: 지속 가능한 시멘트 리더 및 탈탄소 전략
(CRH )
전 세계 시멘트 생산의 선두주자 중 하나인 CRH는 시멘트 건설을 보다 지속 가능한 산업으로 전환하는 데 핵심적인 역할을 할 것입니다. 미국과 유럽 시장 모두에서 제공되는 건설 자재 총량 기준 1위에 올랐습니다.
이 회사는 28개 국가와 3,390개 현장에서 활동하고 있으며, 78,500명의 직원을 고용하고 있습니다. CRH Americas는 2023년 전 세계 매출의 65%를 차지합니다.
CRH는 서구 정부의 인프라 지출이 견고하게 유지될 것으로 예상하며, 이는 비즈니스 성장에 도움이 될 것입니다. 재산 산업화와 고부가가치 제조업의 내셔널화 추세도 도움이 될 것입니다.
출처: CRH
CRH는 다음과 같은 일련의 지속 가능성 이니셔티브를 통해 실질적인 진전을 이루었습니다:
- 2023년에 4,390만 톤의 폐기물 및 다른 산업의 부산물을 재활용한 북미 최대 재활용업체입니다.
- 시멘트 공장에서 36% 대체 연료를 사용함으로써 2023년에 CO₂ 배출량을 8% 감축했습니다.
- 2023년 배출량(2021년 대비) 대비 2030년까지 30% 배출량 감축을 목표로 하고 있습니다.
이는 자체적으로는 칭찬할 만하지만, 콘크리트 산업의 탄소 배출을 고려하면 아직 부족하다고 볼 수 있습니다.
다행히도 CRH는 섹터의 근본적인 변화를 주도하고 있습니다. 특히 저탄소 시멘트 기업 Sublime에 7,500만 달러를 투자했으며, 유럽 콘크리트 대기업 Holcim과 공동 투자했습니다.
Sublime Systems는 2020년에 MIT에서 스핀아웃했으며, 전해조를 이용해 상온에서 시멘트를 생산해 에너지와 화석 연료 집약적인 가마를 대체합니다. 또한 석회석 입력으로 인한 CO₂ 배출을 피하기 위해 칼슘 원천을 투입 재료로 활용합니다.
Sublime의 첫 상업 시설은 매사추세츠 주 홀리오크에 위치하며, 2026년 초에 가동될 예정입니다. 성공이 입증된다면 시멘트 산업에 혁신을 가져오고, 저배출 콘크리트의 대규모 생산 길을 열 수 있습니다.
CRH는 또한 다음과 같은 탈탄소 및 지속 가능성 스타트업에 투자했습니다:
- €23.7 million in Cool Planet Technologies, developing carbon capture solutions for industries that have traditionally been difficult to decarbonize.
- $34.7M by CRH and other investors in Carbon Upcycling Technologies, using an all-electric mineralization solution to permanently store CO₂ in industrial by-products and minerals, like cement, plastics, consumer products, fertilizers, and pharmaceuticals.
- AICrete, a ‘recipe-as-a-service’ platform that works with local concrete producers, optimizing local materials and minimizing the amount of cement used using AI analyses, reducing both the CO₂ footprint and the cost of concrete production.
- FIDO AI’s Series B funding is a startup using AI to reduce water consumption and increase water savings.
마지막으로, CRH는 또한 3D 콘크리트 프린팅(3DCP)에 자회사 Amerimix를 통해 투자하고 있습니다.
전반적으로 CRH는 콘크리트 및 건설 산업에서 수익성 있는 리더이며, 기존 시설에서 직접 탈탄소화를 진행하고 혁신적인 스타트업에 자본을 제공함으로써 차세대 시멘트 및 콘크리트 생산 기술(탈탄소화 및 3D 프린팅 포함)의 전환을 적극 준비하고 있습니다.
최신 CRH (CRH) 주식 뉴스 및 개발
참조 연구
1. Nicolas A. Gonsalves et al,. 3D printing of sustainable infrastructure using rapid-set clay concrete with biobased additives. Advanced Composites and Hybrid Materials. Volume 8. 01 2025년 10월. https://link.springer.com/article/10.1007/s42114-025-01456-1
