정화조 ‘분뇨’ 구워 시멘트 대신 넣었더니…석 달 뒤 콘크리트 더 단단해졌다 [후암동 논문 연구소]

입력 2026-09-28 20:10:00

정화조 속 분뇨 구워 만든 재료로 시멘트 일부 대체

시멘트 5% 대체한 콘크리트 가장 단단

10% 대체하면 4주 차엔 약했다가 석 달 뒤 강해져

[헤럴드경제=장윤우 기자] 건물과 다리를 짓는 콘크리트는 시멘트에 모래와 자갈, 물을 섞어 굳혀 만든다. 시멘트는 만드는 과정에서 여러 자원도 많이 필요하고 시멘트 1톤을 만들 때마다 이산화탄소도 1톤가량 나온다. 시멘트 생산에서 나오는 이산화탄소는 전 세계 배출량의 5~8%를 차지한다.

그래서 건설업계는 시멘트를 덜 사용하기 위해 석탄을 태우고 남은 재나 왕겨를 태운 재처럼 버려지는 재료로 시멘트 일부를 대신해 왔다. 이런 재료는 시멘트가 물과 반응해 굳을 때 생기는 부산물과 다시 반응해 콘크리트를 단단하게 하는 성분을 만들어낸다.

그런데 정화조에서 거둔 분뇨를 구워 만든 숯가루인 ‘바이오차’로 시멘트 5~10%를 대체한 콘크리트가 석 달 뒤 일반 콘크리트보다 더 단단해졌다는 연구 결과가 나왔다.

유기물을 산소가 거의 없는 상태에서 구워 만들어낸 숯가루는 바이오차라고 불린다. 바이오차는 그동안 주로 흙을 기름지게 하거나 중금속에 오염된 흙을 정화하는 데 사용됐다.

최근 국제학술지 사이언티픽 리포트 2026년호에 인도 마니팔대 자이푸르 라구베시 티와리와 프리얀샤 메라 연구팀은 분뇨로 만든 바이오차를 시멘트 대신 넣은 콘크리트의 강도와 물 흡수율을 측정한 결과를 발표했다.

(A) 바이오차 원물. (B) 바이오차를 곱게 간 가루. (C) 밀도 측정 장면. [사이언티픽 리포트 2026년호]

분뇨로 만든 재료 넣자 콘크리트 더 단단해져

연구팀은 인도의 분뇨처리시설에서 나온 침전물을 말린 뒤, 산소를 줄인 가마에서 350~450도로 2시간 구워 바이오차를 만들었다.

연구팀은 물과 시멘트의 비율을 다섯 단계로 달리하면서 시멘트 무게의 0%, 5%, 10%, 15%를 바이오차로 바꿔 모두 20가지 종류의 콘크리트를 만들어 실험했다. 연구팀은 콘크리트를 굳히면서 4주, 8주, 13주 차에 누르는 힘을 견디는 압축강도와 휘는 힘을 견디는 휨강도를 쟀다.

시멘트의 5%를 바이오차로 바꾼 콘크리트는 4주, 8주, 13주 차 모두 압축강도와 휨강도가 가장 높았다. 시멘트의 10%를 바이오차로 바꾼 콘크리트는 4주 차에 압축강도와 휨강도 모두 바이오차를 넣지 않은 일반 콘크리트보다 낮았다.

시멘트에 바이오차를 섞어 만든 콘크리트 강도 실험. [사이언티픽 리포트 2026년호]

콘크리트 강도는 보통 굳힌 지 4주 차 이후 크게 늘지 않아 이 시점을 기준으로 삼는다. 반면 바이오차를 넣은 콘크리트는 4주가 지나도 계속 단단해졌다. 시멘트 10%를 바꾼 콘크리트는 13주 차에 압축강도가 4주 차보다 평균 21%, 휨강도가 42% 높아지면서 대부분 일반 콘크리트보다 조금 더 단단해졌다.

연구팀은 바이오차에 든 규소 성분이 시멘트가 굳을 때 생기는 수산화칼슘과 반응해 단단한 물질을 더 만들어냈고 바이오차 알갱이가 시멘트 사이 빈틈을 메운 것도 강도를 높였다고 설명했다.

시멘트의 15%를 바이오차로 바꾼 콘크리트는 대체로 일반 콘크리트보다 약했다. 콘크리트를 붙잡아 굳히는 시멘트가 크게 줄어든 값이기 때문이다.

중금속 높진 않았지만…새어 나오는지 확인 못 해

연구팀은 분뇨에서 나온 재료인 만큼 콘크리트 속 중금속 농도도 쟀다. 바이오차를 넣은 콘크리트는 수은과 구리, 아연 등 농도가 원료인 바이오차보다 낮았다. 다만 바이오차 비율이 5%에서 15%로 높아질수록 콘크리트의 중금속 농도도 높아졌다.

다만 연구팀은 한 곳의 처리시설에서 나온 분뇨만 썼고 실험실의 통제된 조건에서만 시험했다는 점을 한계로 꼽았다.

또한 연구팀은 기상 조건이나 염분이 많은 바닷가 등 극한 환경에서 콘크리트가 얼마나 버티는지는 확인하지 못했다. 콘크리트에서 중금속이 물에 녹아 나오는지도 실험을 진행하지 않아 확인할 수 없었다고 밝혔다.

참고논문

DOI : 10.1038/s41598-026-66956-6

논문 정보 : Tiwari, R., Mehra, P., Hussain, S. et al. Mechanical, durability, and microstructural performance of biochar-modified concrete using faecal sludge–derived biochar. Sci Rep (2026).