시멘트 10%를 인분으로 바꿨더니 콘크리트가 더 단단해졌다 — 휨강도 42% 증가

한눈에 요약

• 무슨 일? 인도 마니팔대 자이푸르캠퍼스와 미국 루이지애나공대 공동 연구진이 분뇨 슬러지로 만든 ‘바이오차’로 시멘트 일부를 대체한 콘크리트의 성능을 분석해 국제학술지 사이언티픽 리포트에 발표했습니다.
• 왜 중요? 시멘트 사용량을 줄이면 온실가스 배출을 줄일 수 있는데, 강도까지 함께 높아졌다는 결과입니다. 버려지는 분뇨를 건설 자재로 쓰는 길이 열릴지가 관심사입니다.
• 핵심 숫자/일정: 시멘트 10% 대체·91일 양생 조건에서 압축강도 21% 증가, 휨강도 42% 증가. 15% 대체 시에는 일부 지표가 오히려 낮아졌습니다.

무슨 일이 있었나

9월 27일 국제학술지 사이언티픽 리포트에 따르면, 인도 마니팔대 자이푸르캠퍼스와 미국 루이지애나공대 공동 연구진은 분뇨 슬러지로 만든 바이오차를 시멘트 일부 대신 사용한 콘크리트의 성능을 분석했습니다.

일반적인 콘크리트는 물과 자갈, 모래에 시멘트를 섞어 만듭니다. 연구진은 여기서 시멘트 일부를 덜어내고 그 자리를 인분으로 대체했습니다.

물론 인분을 그대로 넣은 것은 아닙니다. 연구진은 인분을 ‘바이오차(Biochar)’로 형태를 바꿨습니다. 바이오차는 나무나 풀, 배설물 같은 유기물을 산소가 거의 없는 환경에서 뜨겁게 구워 만듭니다. 숯을 만드는 공정과 비슷합니다. 연구진은 인분을 건조한 뒤 350~450도로 가열해 바이오차를 생산했습니다.

열처리가 끝난 뒤에는 반복적으로 빻아 고운 가루로 만들어 시멘트 대신 콘크리트에 섞었습니다. 바이오차 생산 중 가해지는 열 때문에 인분에서 나오는 냄새는 사라졌습니다.

숫자로 보는 실험 결과

연구진은 시멘트의 5%, 10%, 15%를 각각 바이오차로 대체해 압축강도, 휨강도, 수분 흡수율, 공극률 등을 비교했습니다. 압축강도는 위아래로 짓누르는 힘을 견디는 능력이고, 휨강도는 가운데가 구부러지는 힘을 견디는 능력입니다.

대체 비율	결과
5%	콘크리트 성능 개선
10% (91일 양생)	압축강도 21% 증가, 휨강도 42% 증가
15%	일부 지표에서 5~10% 조건보다 성능 낮아짐

핵심은 ‘많이 넣을수록 좋아지는 것은 아니다’라는 점입니다. 5%와 10% 대체 조건에서 성능이 개선됐지만, 15%를 넣은 콘크리트는 일부 지표에서 오히려 떨어졌습니다.

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

왜 더 단단해졌나

연구진은 인분으로 만든 바이오차에 숯처럼 많은 구멍이 뚫려 있는 점을 이유로 봤습니다.

이 구멍이 수분을 저장했다가 조금씩 배출하면서 시멘트를 더 단단하게 만들었고, 결과적으로 콘크리트 강도를 높였다는 설명입니다. 콘크리트는 물과 시멘트가 반응해 굳는데, 이 반응이 오래 이어질수록 강도가 올라갑니다. 바이오차의 구멍이 물을 머금고 있다가 천천히 내주면서 반응이 더 길게 진행된 셈입니다.

연구진은 인분이 외부 환경으로 콘크리트 내부 중금속이 배출될 가능성을 낮추는 점도 확인했다고 밝혔습니다.

시멘트와 온실가스

이 연구가 주목받는 또 다른 이유는 시멘트 자체가 온실가스 배출량이 큰 재료라는 점입니다. 시멘트를 만들려면 석회석을 높은 온도로 구워야 하는데, 이 과정에서 연료 연소와 화학반응 양쪽에서 이산화탄소가 나옵니다.

시멘트 사용량을 줄이면서 강도를 유지하거나 높일 수 있다면 배출량 감축과 성능 확보를 동시에 노릴 수 있습니다. 이번 연구는 그 가능성을 실험으로 보여 준 사례입니다.

나에게 미치는 영향

당장 건설 현장이 바뀌는 것은 아닙니다. 이번 결과는 실험실 단위의 성능 분석입니다. 실제 건축물에 적용하려면 대량 생산 공정, 원료 확보, 각국 건설 기준 적합성 검증이 필요합니다.

하수 처리 측면에서는 분뇨 슬러지가 처리 비용이 드는 폐기물이라는 점이 중요합니다. 이를 건조·가열해 자재로 쓰는 경로가 생기면 처리 부담과 자재 비용 양쪽에 영향을 줄 수 있습니다.

냄새나 위생이 걱정된다면 연구진은 바이오차 생산 과정에서 350~450도의 열이 가해져 냄새가 사라진다고 설명했습니다. 원료 상태의 인분을 그대로 섞는 방식이 아닙니다.

자주 묻는 질문

Q. 바이오차가 정확히 뭔가요?
A. 나무·풀·배설물 같은 유기물을 산소가 거의 없는 환경에서 높은 온도로 구워 만든 탄소 물질입니다. 숯 제조와 비슷한 공정으로, 이번 연구에서는 350~450도로 가열해 만들었습니다.

Q. 왜 15%는 성능이 떨어졌나요?
A. 기사에는 15% 대체 조건에서 일부 지표가 5~10% 조건보다 낮아졌다는 결과만 나와 있고, 그 원인에 대한 연구진의 설명은 실리지 않았습니다.

Q. 실제 건물에 쓸 수 있나요?
A. 아직 연구 단계입니다. 기사는 건설 현장에 실제로 보급될지 주목된다고 전했습니다.

앞으로 지켜볼 것

첫째, 실험실 단위를 넘어 실제 시공 규모에서 같은 결과가 나오는지입니다. 둘째, 각국 건설 기준과 자재 인증 절차에서 분뇨 유래 바이오차가 허용되는지입니다. 셋째, 시멘트 대체 재료로서 경제성이 확보되는지, 즉 건조·가열·분쇄 공정 비용이 시멘트 값보다 낮아질 수 있는지입니다.

참고 자료

• 문화일보 - 콘크리트에 ‘인분’넣었더니 휨강도 42% 강해졌다…무슨 원리? (2026-09-29)