콘크리트에 ‘인분’넣었더니 휨강도 42% 강해졌다…무슨 원리?

분뇨 슬러지로 만든 바이오차(왼쪽)와 이를 혼합한 콘크리트 재료. 사이언티픽 리포트 캡처

인분을 가공해 만든 물질로 시멘트 일부를 대체했더니 콘크리트 강도가 높아졌다는 연구 결과가 제시됐다. 시멘트 소비를 줄여 온실가스 배출량을 감축하고 콘크리트 강도도 높일 수 있는 획기적인 공법으로, 건설 현장에 실제 보급될지 주목된다.

27일 국제학술지 사이언티픽 리포트에 따르면 인도 마니팔대 자이푸르캠퍼스와 미국 루이지애나공대 공동 연구진은 분뇨 슬러지로 만든 ‘바이오차’를 시멘트 일부 대신 사용한 콘크리트의 성능을 분석했다.

일반적인 콘크리트는 물과 자갈, 모래에 시멘트를 섞어 만들지만 연구진은 콘크리트에 들어가는 시멘트 일부를 덜어낸 뒤 이를 인분으로 바꿨다.

물론 그냥 인분은 아니다. 연구진은 인분을 ‘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.

이후 연구진은 시멘트의 5%, 10%, 15%를 각각 바이오차로 대체해 압축강도(위아래로 짓누르는 힘을 견디는 능력)와 휨강도(가운데가 구부러지는 힘을 견디는 능력), 수분 흡수율, 공극률 등을 비교했다. 그 결과 5%와 10% 대체 조건에서 콘크리트 성능이 개선됐다.

특히 시멘트의 10%를 바이오차로 대체하고 91일간 양생한 콘크리트는 일반 콘크리트보다 압축강도가 21% 높아졌다. 휘어지게 하는 힘을 견디는 휨강도는 42% 증가했다. 다만 바이오차 비율을 계속 높인다고 성능이 함께 좋아지는 것은 아니었다. 15%를 넣은 콘크리트는 일부 지표에서 5~10% 대체 조건보다 성능이 낮아졌다.

내구성 관련 시험에서도 변화가 나타났다. 바이오차를 15% 넣은 콘크리트의 수분 흡수율과 공극률은 28일 양생 뒤 일반 콘크리트와 비슷한 수준을 보였다. 10% 바이오차를 사용한 모르타르의 120일 건조수축 역시 일반 포틀랜드 시멘트 모르타르와 유사했다.

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. 연구진은 “인분이 외부 환경으로 콘크리트 내부 중금속이 배출될 가능성을 낮추는 점도 확인했다”고 설명했다.

임정환 기자