10% 대체했더니 압축·휨 강도 ‘껑충’
인분을 고온으로 달궈 만든 바이오차가 용기에 담겨 있다. 마니팔대 연구진 제공시멘트 일부를 인분으로 대체하는 새로운 콘크리트 제조법이 고안됐다. 시멘트 소비를 줄여 온실가스 배출량을 감축하고, 콘크리트 강도도 높일 수 있다. 건설 현장에 널리 보급될지 주목된다.
인도 마니팔대 자이푸르캠퍼스와 미국 루이지애나공대 소속 과학자들이 구성한 공동 연구진은 최근 국제학술지 ‘사이언티픽 리포트’에 신개념 콘크리트를 개발했다고 발표했다.
일반적인 콘크리트는 물과 자갈, 모래에 시멘트를 섞어 만든다. 형성 초기에는 죽처럼 물렁거리지만 굳으면 돌처럼 단단하다. 교량과 도로, 건물 등을 지을 때 필수재다.
그런데 콘크리트에는 문제가 있다. 콘크리트 핵심 물질인 시멘트 완제품을 만들려면 석회석을 1500도의 초고온으로 달궈야 한다. 열을 만들기 위해 석탄 같은 화석 에너지를 다량 소모한다. 인류가 배출하는 전체 온실가스의 8%가 시멘트 생산 과정에서 나온다.
연구진은 콘크리트에 들어가는 시멘트 일부를 덜어낸 뒤 이를 인분으로 바꿨다. 시멘트 소비량을 줄여 자연스럽게 온실가스 배출도 감소하도록 한 것이다.
시멘트를 대체한 인분은 정화조에 쌓인 것을 그대로 쓰지 않았다. ‘바이오차(Biochar)’로 형태를 바꿨다. 바이오차는 나무나 풀, 배설물 같은 유기물을 산소가 거의 없는 환경에서 뜨겁게 구워 만든다. 숯 제조 때와 비슷한 공정이다. 연구진은 인분을 건조한 뒤 350~450도로 가열해 바이오차를 생산했다.
열처리가 끝난 뒤에는 반복적으로 빻아 고운 가루로 만들었다. 이를 시멘트 대신 콘크리트에 섞었다. 바이오차 생산 중 가해지는 열 때문에 인분에서 나오는 냄새는 사라졌다.
연구진이 바이오차 원료로 하필 인분을 사용한 데에는 이유가 있다. 인분은 악취나 감염 때문에 처리하기가 매우 까다로운 폐기물이다. 재활용할 길도 마땅치 않다. 연구진 기술을 쓰면 현재는 없는 생산적인 방식으로 활용처를 찾을 수 있다.
인분은 건설 공학적인 이점도 제공했다. 연구진은 논문에서 “콘크리트가 더 튼튼해졌다”고 했다. 분석에 따르면 시멘트 10%를 인분으로 대체했을 때의 강도 향상 효과가 가장 높았는데, 콘크리트 ‘압축 강도’(위아래로 짓누르는 힘을 견디는 능력)가 일반 콘크리트보다 21% 올라갔다. 특히 ‘휨 강도’(가운데가 구부러지는 힘을 견디는 능력)는 무려 42% 증가했다. ‘슈퍼 콘크리트’가 만들어진 셈이다.
연구진은 인분으로 형성한 바이오차에 숯처럼 많은 구멍이 뚫린 점이 콘크리트 강도가 향상된 이유라고 봤다. 구멍이 수분을 저장했다가 조금씩 배출하면서 시멘트를 더 단단하게 만들었고, 결과적으로 콘크리트 강도를 높였다는 뜻이다.
인분 바이오차에 풍부한 규소가 콘크리트 내에서 ‘칼슘 실리케이트’라는 강도 촉진 물질을 다량 형성한 것도 단단한 콘크리트를 만드는 데 일조했다고 연구진은 덧붙였다.
연구진은 “인분이 외부 환경으로 콘크리트 내부 중금속이 배출될 가능성을 낮추는 점도 확인했다”고 설명했다. 온실가스 배출량 감소와 건축물 강도 향상이라는 두 마리 토끼를 잡기 위한 이번 기술이 건설 현장에 안착할지 주목된다.