시멘트를 대체할 수 있는 친환경 대체재

 (According to the scientists, the new material "surpasses 17 megapascals, the strength required of residential structural concrete, in just three days, compared to as long as 28 days for traditional cement-based concrete" Credit: Oregon State University)

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현대 산업 사회를 지탱하는 주요 건축 소재 중 으뜸은 바로 철강과 콘트리트입니다. 문제는 두 소재 모두 막대한 양의 에너지를 소비하고 온실가스를 내놓는다는 것입니다. 철강의 경우 수소환원제철법처럼 친환경적인 대안이 있지만, 시멘트의 경우 제조 공정상 이산화탄소 배출을 억제하기가 어렵습니다.

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현대적인 시멘트 제조 과정은 주원료인 석회석과 다른 원료를 섞은 후 섭씨 1450도까지 가열하는 하소(煆燒, Calcination)라는 과정을 거치는데, 가열하는 데 화석 연료가 들어가고 가열하면서 하소 과정의 결과물로 이산화탄소가 나오기 때문에 상당한 양의 이산화탄소 배출이 불가피합니다. 결과적으로 인류가 배출하는 온실가스 중 5-8%는 시멘트 제조 과정에서 나오고 있습니다.

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이 문제를 극복할 수 있는 친환경 시멘트나 콘트리트 대체제 연구가 활발한 가운데 오리건 주립 대학의 데빈 로치 교수와 대학원생인 니콜라스 곤살브스 (Asst. Prof. Devin Roach, doctoral student Nicolas Gonsalves and colleagues at Oregon State University)는 진흙 (clay soil)에 식물성 섬유인 마와 모래 바이오숯 (hemp fibers, sand and biochar)을 혼합한 대체제를 선보였습니다.

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일단 소재 자체가 친환경적이고 상대적으로 많은 에너지가 들어가지 않으며 이산화탄소 배출이 적은 점은 이해가 되지만, 기존의 콘크리트 대비 강도에는 의구심이 들 수밖에 없습니다. 하지만 연구팀에 따르면 이 소재는 사실 콘크리트보다 훨씬 빨리 굳는 특징을 지니고 있습니다.

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이런 특징 때문에 연구팀이 만든 친환경 시멘트는 3D 프린터로 출력하기에 이상적인 특징을 지니고 있습니다. 노즐을 통해 출력한 직후에도 3 megapascals의 강도를 지녀 벽면 뿐 아니라 지붕도 만들 수 있으며 3일 후에는 17 메가파스칼의 강도를 지녀 28일 된 콘크리트 같은 강도를 지니고 있습니다. 그리고 10일 후에는 최고 강도에 도달해 40 메가파스칼에 도달합니다.

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이 정도면 일반적 건축 소재로 활용할 수 있을 정도이지만, 실제 건축 현장에 쓰이기 위해서는 두 가지 중요한 문제를 검증해야 합니다. 첫번째는 내구성입니다. 콘크리트의 장점은 점점 더 단단해져 50년 후, 100년 후에도 내구성에 문제가 없다는 것입니다. 그리고 더 큰 장점은 가격이 매우 저렴하다는 것입니다. 가격에서 경쟁력이 없다면 시장에서 성공은 쉽지 않습니다.

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식물성 소재와 바이오숯, 점토, 모래 만으로 이론 높은 강도를 확보할 수 있다는 점은 놀랍지만, 실제 상용화는 이 문제를 극복하지 못하면 어려울 것입니다.

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참고

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https://newatlas.com/materials/3d-printable-concrete-alternative/

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Gonsalves, N.A., Morgan, A., Thiele, H. et al. 3D printing of sustainable infrastructure using rapid-set clay concrete with biobased additives. Adv Compos Hybrid Mater 8, 359 (2025). https://doi.org/10.1007/s42114-025-01456-1