인분 콘크리트, 시멘트 줄이고 휨 강도 42% 높인 친환경 기술

강도 높이고 탄소 줄인 '인분 콘크리트' 개발

미국과 인도 공동 연구팀이 인분을 특수 가공한 '바이오차'로 시멘트 일부를 대체해, 강도는 높이고 온실가스 배출은 줄인 친환경 콘크리트를 개발했다. 이 기술은 건설 산업의 주요 자재인 콘크리트의 환경 문제를 해결할 대안으로 주목받는다. 해당 연구는 인도 마니팔 공과대학교 자이푸르 캠퍼스와 미국 루이지애나 공과대학교 소속 과학자들이 공동으로 진행했으며, 연구 결과는 국제 학술지 '사이언티픽 리포트'에 실렸다.

시멘트 생산의 환경 문제와 탄소 발자국

건설 산업의 필수 자재인 콘크리트는 핵심 결합재인 시멘트 제조 공정에서 주원료 석회석을 고온으로 가열하며 막대한 양의 온실가스를 배출하는 환경 문제를 안고 있다. 콘크리트는 물, 자갈, 모래에 시멘트를 섞어 만든다. 시멘트를 제조할 때는 섭씨 1500도에 달하는 초고온을 유지하기 위해 다량의 화석 연료가 소모되고 이산화탄소가 발생한다. 연구팀은 시멘트 사용량 자체를 줄이는 데서 해결의 실마리를 찾았다.

'바이오차' 변환이 핵심 기술

인분 콘크리트 기술의 핵심은 인분을 '바이오차(Biochar)'로 변환하는 데 있다. 인분을 산소가 거의 없는 환경에서 고온으로 가열하면 악취는 사라지고 탄소 함량이 높은 숯 형태의 물질이 된다. 연구팀은 이렇게 만든 바이오차를 기존 콘크리트 배합의 시멘트 일부를 대체하는 데 사용했다.

휨 강도 42% 향상…성능 입증

연구 결과, 시멘트의 10%를 인분 바이오차로 대체했을 때 일반 콘크리트보다 압축 강도는 21%, 휨 강도는 최대 42%까지 증가했다. 이는 시멘트 사용량을 줄여 환경을 보호하면서도 구조물의 안정성은 오히려 높일 수 있음을 의미한다.

인분 바이오차 콘크리트와 일반 콘크리트 강도 비교

*주: 시멘트 10%를 인분 바이오차로 대체한 경우 기준 (자료: 사이언티픽 리포트)

다공성 구조가 강도 향상의 비결

인분 바이오차의 미세한 다공성 구조가 강도를 높이는 비결로 꼽힌다. 숯처럼 수많은 구멍이 있는 바이오차 입자는 콘크리트 양생 과정에서 수분을 저장했다가 서서히 방출하는 '수분 저장고' 역할을 한다. 이때 나온 물이 시멘트 입자와 더 완전하게 반응하도록 도와, 결과적으로 더 단단하고 치밀한 구조를 만드는 것이다.

상용화 위한 추가 내구성 검증 과제

뛰어난 성능이 확인됐지만, 실제 건설 현장에 적용하기까지는 추가 연구가 필요하다. 동결과 해동, 염분, 극한 온도 등 다양한 외부 환경 요인에 대한 내구성 검증을 거쳐야 한다. 연구진은 실제 환경 조건에서 콘크리트의 성능을 평가하는 시험이 남아 있으며, 이 과제를 해결해야 상용화를 논할 수 있다고 설명했다.