우진석
(Jin-Seok Woo)
1
정재용
(Jae-Yong Jeong)
1
이진희
(Jin-Hui Lee)
1
윤현도
(Hyun-Do Yun)
2*iD
박완신
(Wan-Shin Park)
3iD
최원창
(Won-Chang Choi)
4iD
-
충남대학교 건축공학과 석사과정
(Graduate Student, Department of Architectural Engineering, Chungnam National University,
Daejeon 34134, Rep. of Korea)
-
충남대학교 건축공학과 교수
(Professor, Department of Architectural Engineering, Chungnam National University,
Daejeon 34134, Rep. of Korea)
-
충남대학교 건설공학교육과 교수
(Professor, Department of Construction Engineering Education, Chungnam National University,
Daejeon 34134, Rep. of Korea)
-
가천대학교 건축공학과 교수
(Professor, Department of Architectural Engineering, Gachon University, Seongnam 13120,
Rep. of Korea)
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핵심용어
바이오차, 잔골재, 시멘트 기반 복합체, 실리카흄, 기계적 특성
Keywords
biochar, fine aggregate, cement-based composite, silica fume, mechanical property
1. 서 론
높은 이산화탄소(CO2) 배출과 천연 골재의 부족은 현재 건설 산업이 직면한 주요 환경적 문제 중 하나이다. 전 세계적으로 공정 관련 CO2 배출의 약 39%가 건설 자재 생산과 건물 운영 과정에서 발생하며, 이에 따라 건설 산업은 탄소 중립 목표 달성을 위한 핵심 분야로 인식되고 있다(Huang et al. 2018). 이와 동시에 매년 증가하는 건설 폐기물의 발생과 천연 골재의 무분별한 채취는 생태계에 심각한 훼손을 초래하고 있어, 여러 국가에서는 천연 골재
채굴을 제한하는 정책을 시행하고 있다. 이로 인해 건설 현장에서 사용할 수 있는 골재의 공급이 점차 부족해지고 있으며, 대체 자원 개발과 CO2 감축 기술 확보가 건설 산업의 지속 가능한 발전을 위해 필수적으로 요구되고 있는 실정이다(Bendixen et al. 2019).
이러한 배경 속에서, 최근 기후변화에 관한 정부 간 협의체 IPCC가 CO2 중립을 위한 유망한 재료로 인정한 바이오차(Biochar)는 건설 자재 분야에서 주목받고 있다. 바이오차는 바이오매스와 숯의 합성어로, 산소가 차단된
상태에서 바이오매스를 열분해하여 생성되는 고탄소 함량의 고형물이다(Woo et al. 2024). 이 물질은 다공성 구조와 높은 탄소 함량을 동시에 갖추고 있어 탄소 격리와 CO2 포집에 우수한 특성을 보이며, 저비용으로 생산이 가능하다는 점에서 건설 재료로서의 활용 가능성이 크다. Gupta 등(2021)의 선행연구 이후, 바이오차를 시멘트 기반 재료에 통합하여 구조적 기능 향상과 탄소 저감을 동시에 달성하려는 연구가 활발히 진행되고 있다. 초기 연구들은
주로 바이오차의 열분해 조건을 최적화하여 시멘트 매트릭스 내 기능성 첨가제로 적합하도록 초점을 두었다. 일반적으로 낮은 열분해 온도(약 300 °C)에서는
비정질 탄소 구조가 형성되며, 높은 열분해 온도(1,000 °C 이상)에서는 다공성이 증가하지만 무질서한 탄소 배열이 나타난다(Chen et al. 2018). 이에 따라 다수의 연구에서는 구조적 안정성과 기능적 성능의 균형을 고려해 400~650 °C 범위의 열분해 온도를 권장하고 있다(Méndez et al. 2013).
바이오차의 기능적 가능성을 검증하기 위한 이후 연구에서는 시멘트 기반 복합체의 기계적 특성을 중심으로 다양한 실험이 수행되었다. Praneeth et al.(2020)은 시멘트 중량비 4 %의 바이오차를 첨가했을 때 28일 압축강도가 향상되었으며, 이는 바이오차 입자의 핵 생성 효과와 C-S-H 겔 형성으로 인한
매트릭스 밀도 증가에 기인한다고 보고하였다. Chen et al.(2020)은 2 %의 바이오차 첨가가 내부 경화 효과를 유발하여 물-시멘트비를 효과적으로 감소시키고, 초기 및 장기 강도 모두를 향상시킨다고 밝혔다. 또한
Gupta et al.(2021)은 3 % 바이오차를 함유한 모르타르에서 탄산화 속도는 증가했지만 탄산화 깊이는 오히려 감소하여, 바이오차가 강도 발현과 탄소 격리에 모두 긍정적인
영향을 미친다고 분석하였다. 이처럼 바이오차는 콘크리트의 기계적 성능과 환경적 지속가능성을 동시에 개선할 수 있는 잠재력을 지니지만, 시멘트 중량비를
기준으로 혼입할 경우 절대적인 CO2 저감 효과는 제한적이라는 한계가 있다. 최근에는 바이오차를 시멘트 혼화재가 아닌 골재 대체재로 활용하려는 연구가 시도되고 있다.
Chen et al.(2022a, 2022b)은 바이오차를 골재 중량비 30%, 50%로 적용한 콘크리트 블록을 제작하여 -137 kg CO2·ton-1의 음의 배출량을 달성하였으나, 압축강도 10.3 MPa, 휨강도 5.5 MPa로 낮은 기계적 성능을 보였다. Praneeth et al.(2021)은 모래를 바이오차로 대체할 경우 높은 다공성과 낮은 지지력으로 인해 압축강도가 최대 42 % 감소한다고 보고하였다. 이는 바이오차의 물리적 특성으로
인한 구조적 취약성 때문이며, 일정 대체 비율을 초과하면 강도가 더욱 저하된다. 한편 Zou et al.(2025)은 바이오차를 활용한 인공 경량골재(ALA)를 냉간 접합 방식으로 상온에서 제조하였으나, 생산된 골재의 입경이 잔골재 기준(5 mm 이하)을 벗어나는
한계를 보였다.
이에 본 연구에서는 순환골재의 파쇄 과정을 접목하여 바이오차를 혼입한 경량골재(Biochar-based Aggregate, BA)를 제작함으로써 KS F 2527(KATS 2021)에서 규정하는 잔골재 입도 분포를 만족하도록 하였다. 또한 실리카흄(SF)을 결합재로 활용하여 바이오차-시멘트 복합 골재를 제조하였으며, 제작된 골재의
파쇄강도, 흡수율, 겉보기 밀도 등 물리적 특성을 평가하였다. 나아가 실제 모르타르 단계에서의 기계적 성능을 분석하여, 바이오차 기반 경량골재의 구조적
적용 가능성과 기능적 성능을 종합적으로 검증하였다.
2. 실 험
2.1 사용재료
이 연구에서 사용된 바이오차는 650 °C에서 열분해하여 제작된 것을 사용하였다. BA 제작 시 결합재로는 밀도 3.14 g/cm3, 분말도 3,750 cm2/g의 일반 포틀랜드 시멘트(Ordinary Portland Cement, OPC)와 밀도 0.425 g/cm3, 평균 입경 0.15 μm의 SF를 사용하였다. Table 1은 BA 제작에 사용된 배합비를, Table 2는 모르타르 제작 시의 배합비를 각각 중량비 기준으로 나타낸 것이다. BA 제작 시에는 결합재와 바이오차의 비율을 2:1로 설정하였다. 이때 물-시멘트
비는 50 %로 유지하였는데, 이는 바이오차가 일반적인 골재에 비해 높은 흡수율을 가지고 있어, 적절한 작업성과 혼합물의 일관성을 확보하기 위함이다.
또한, BC는 코팅을 적용하지 않은 일반 바이오차 혼입 시험체를, LWA는 기존 구조용 경량골재를 혼입한 시험체를 의미한다.
Fig. 1은 BA의 제작 과정을 도식화한 것이다. 본 연구에서는 대형화 설비를 갖추지 못한 관계로 몰탈 믹서를 사용하여 파쇄 과정을 수행하였다. 제작 과정은
다음과 같이 표준화된 절차를 따랐다. 첫째, 시멘트, 실리카 흄, 바이오차를 투입하여 건비빔을 실시한 뒤, 물을 가하여 혼합하고 혼합물을 평판 형태로
펼쳐 고형화를 진행하였다. 둘째, 1일간 양생 후 굳어진 판을 몰탈 믹서에 넣고 약 140 rpm으로 5분간 회전시켜 파쇄하였다. 셋째, 5 mm
표준체를 이용하여 잔골재 입도 규정을 만족하도록 조정하였으며, 이 과정을 통해 과도한 굵은 입자를 제거하였다. 이후 제작된 BA와 이를 혼입한 모르타르의
물리적·기계적 특성을 평가하였다.
Table 1 Mix proportions of materials for coating biochar-based lightweight aggregate
|
Mixture
|
W/B
|
Water
|
Cement
|
Silica fume
|
|
kg/m3
|
|
SF10
|
0.5
|
1,000
|
1,800
|
200
|
|
SF20
|
1,600
|
400
|
|
SF30
|
1,400
|
600
|
|
SF40
|
1,200
|
800
|
|
SF50
|
1,000
|
1,000
|
Table 2 Mix proportions of mortar specimen
|
Mixture
|
W/B
|
Water
|
Cement
|
Aggregate
|
SP
|
|
kg/m3
|
|
BC
|
0.3
|
240
|
800
|
557
|
4
|
|
LWA
|
877
|
|
SF10
|
836
|
|
SF20
|
841
|
|
SF30
|
795
|
|
SF40
|
790
|
|
SF50
|
780
|
Fig. 1 Manufacturing process of biochar-based lightweight aggregate and mortar specimen
2.2 실험방법
BA의 겉보기 밀도와 흡수율은 KS F 2504(KATS 2020)에 따라 측정하였고, 파쇄 강도는 EN 13055:2016(CEN 2016) 기준에 따라 평가하였다. 파쇄 강도 측정 시, 피스톤에 가해지는 하중을 점진적으로 증가시켜 100초 동안 시료가 20 mm의 압축 변형에 도달하도록
하였으며, 이때의 최대 하중을 기록한 후 실린더의 단면적으로 나누어 파쇄 강도를 산정하였다. 압축강도 시험은 ASTM C109M을 기준으로 하였으며, 800 N/s의 일정한 하중 속도로 시험을 수행하였다.
3. 실험결과 및 분석
3.1 골재 특성
3.1.1 입도분포
Fig. 2는 제작된 BA의 입도분포곡선을 나타낸 것이다. 각 골재의 입도분포는 KS F 2527(KATS 2022)에 따라 분석되었으며, 점선으로 표시된 부분은 해당 기준에서 제시한 상한치와 하한치를 의미한다. 모든 골재의 입도곡선은 KS 규준 범위 내에 포함되어
있어, 기준에 적합한 입도 특성을 보이는 것으로 나타났다. 이 중 BC는 2.5 mm 이하의 체크기 구간에서 누적 통과율이 급격히 감소하는 경향을
보여주며, 이는 코팅이 진행되지 않은 바이오차의 특성상 상대적으로 입도 분포가 불균일함을 시사한다. 반면, SF10-SF30은 구조용 경량골재와 유사한
완만하고 균일한 입도 분포를 보였으며, SF40 및 SF50은 BC와 유사하게 다소 불균일한 경향을 나타내었다. 그럼에도 불구하고 제작된 모든 골재들은
KS F 2527(KATS 2022)에서 제시한 입도 기준을 충족하였으며, 경량골재로서의 활용 가능성을 확인할 수 있었다.
Fig. 2 Particle size distribution curve
3.1.2 골재의 물리적 특성
Fig. 3(a)는 골재의 표면건조포화밀도, Fig. 3(b)는 단위용적질량, Fig. 3(c)는 흡수율을 각각 나타낸다. 각 그래프의 오차막대는 표준편차를 의미한다. ASTM C330/330M에서는 구조용 경량콘크리트에 사용되는 골재의 품질 기준으로 표면건조포화밀도가 1,800 kg/m3 이하일 것을 규정하고 있다. 본 연구에서 제작된 BA는 1,540~1,650 kg/m3 범위에 속하며, 이는 LWA와 유사한 수준으로, 표준 규격을 만족한다. 이 중 SF10 및 SF20은 동일하게 1,650 kg/m3의 밀도를 유지하였으며, SF30에서 1,570 kg/m3, SF40에서 1,560 kg/m3, SF50에서 최저인 1,540 kg/m3로 점차 감소하는 경향을 보였다. 이는 시멘트의 혼입률이 감소함에 따라 수산화칼슘 등 주요 수화 생성물의 형성이 줄어들고, SF와의 반응성 또한 낮아지며,
기공 구조의 발달로 인해 밀도가 감소했기 때문으로 판단하였다. 반면, BC는 1,100 kg/m3로, LWA 대비 약 33 % 낮은 밀도를 나타냈다. 이는 바이오차의 높은 다공성, 낮은 밀도 특성에 기인하며, 구조물 자중 저감에는 유리하나 강도
및 안정성 측면에서는 보완이 요구된다. LWA의 경우 1,650 kg/m3 수준으로, BA와 유사한 밀도를 보였다.
단위용적질량 역시 유사한 경향을 보였다. ASTM 및 KS 기준에 따르면 경량 잔골재의 단위용적질량은 1.12 kg/L 이하이어야 하며, 실험에 사용된
모든 골재가 이 기준을 충족하였다. SF10의 단위용적질량은 0.887 kg/L로 가장 높았으며, SF 혼입률이 증가함에 따라 점진적으로 감소하여
SF50의 경우 0.823 kg/L로 나타났다. 이는 전체적으로 약 7.2 % 감소한 수치이다. BC는 0.248 kg/L로, 모든 골재 중 가장
낮은 밀도를 보였고, 이는 LWA의 0.483 kg/L보다도 절반 이하 수준이다.
흡수율은 SF 혼입률이 증가할수록 전반적으로 상승하였다. SF10의 흡수율은 25.9 %였으며, SF20에서 30.2 %, SF30에서 32.9 %,
SF40에서 33.8 %, SF50에서는 39.9 %로 혼입률 증가에 따라 점차 증가하는 경향을 나타냈다. SF50은 SF10 대비 약 54 % 높은
흡수율을 기록하였으며, 이는 과도한 SF 사용이 시멘트의 수화 반응을 저해하고 내부 미세공극을 증가시켜 수분 흡수를 촉진하는 것으로 해석된다. LWA의
흡수율은 27.8 %로 비교적 낮은 편에 속했으며, BC는 123.5 %의 매우 높은 흡수율과 편차를 보이며 전혀 다른 특성을 나타냈다. 이는 다공성
재료 특성상 시료 내 기공 분포가 균일하지 않으며, 수분 흡수와 관련된 측정값에 영향을 미쳤을 가능성이 있다. BA는 BC보다 현저히 낮은 흡수율을
보였으며, 이는 시멘트 기반 코팅층을 통한 흡수율 저감 효과가 있음을 입증한다. 본 연구에서 개발된 BA는 표면건조포화밀도, 단위용적질량, 흡수율
측면에서 ASTM C330/C330M 및 KS 기준을 모두 충족하며, 상용 LWA와 비교해도 동등한 수준의 물성을 확보하였다. 이는 구조용 경량콘크리트의 대체 골재로서 적용 가능성을
충분히 보여준다.
Fig. 3 Physical properties
3.1.3 파쇄강도
Fig. 4(a)는 파쇄강도 시험 설치상황, Fig. 4(b)는 각 골재의 파쇄강도를 비교한 결과를 나타낸다. 실험 결과, BA는 전반적으로 LWA보다 높은 파쇄강도를 나타내어, 구조용 경량골재로의 적용 가능성을
시사한다. SF 혼입률 변화에 따라, SF10~SF30의 파쇄강도는 점진적으로 증가하였으며, SF30에서는 2.8 MPa로 가장 높은 값을 기록하였다.
이는 SF의 치환율이 기계적 성능 향상에 기여하는 임계값에 도달했음을 나타낸다. SF 시멘트 중량 대비 10~30 % 범위에서 치환할 경우 강도가
증가하는 경향을 보이며, 이는 Kalkan et al.(2004)의 연구에서 보고된 30% 치환 시 최대 강도 확보 결과와도 일치한다. 반면, SF40과 SF50에서는 파쇄강도가 각각 2.7 MPa, 2.4 MPa로
소폭 감소하였다. 이는 과도한 실리카흄 치환으로 인한 시멘트 함량 감소, 그에 따른 수화 생성물 저감, 기공률 증가 및 구조적 연속성 저하로 해석할
수 있다.
BC는 파쇄강도가 0.09 MPa에 불과하여, 구조용 골재로 사용하기에는 기계적 성능이 매우 낮음을 보여준다. LWA는 1.8 MPa의 파쇄강도를
보였으며, BA는 이보다 높은 수치를 기록하였다. 특히 SF30은 LWA 대비 약 55 % 향상된 강도를 나타내어, BA가 상용 경량골재를 대체할
수 있는 충분한 잠재력을 지니고 있음을 입증한다.
3.2 모르타르 특성
3.2.1 압축 특성
Fig. 5(a)는 압축강도 시험 설치상황, Fig. 5(b)는 다양한 골재를 활용하여 제작된 모르타르의 압축강도 결과, Fig. 5(c)는 압축에너지 측정을 통한 재료의 파괴 저항성을 보여준다. 각 그래프의 오차막대는 표준편차를 의미한다. 압축에너지는 만능재료시험기(UTM) 상부에
변위계를 설치하여 상대 변위를 측정하고, 이를 기반으로 계산되었다. 실험 결과, SF의 혼입률 변화와 바이오차 적용은 모르타르의 기계적 성능에 뚜렷한
영향을 미치는 것으로 나타났다. SF30 시편은 14일 재령에서 약 43.2 MPa, 28일 재령에서 약 46.2 MPa의 가장 우수한 압축강도를
기록하며, 동일 재령 기준으로 BC 시편(15.2 MPa) 대비 약 204 % 향상된 성능을 보였다. 또한 이는 LWA의 강도인 28.2 MPa보다도
우수한 수치이다.
SF 혼입률이 10 %에서 30 %로 증가함에 따라 압축강도는 점진적으로 향상되었지만, 40 % 이상에서는 오히려 강도가 감소하는 현상이 나타났다.
SF50 시편의 경우 28일 재령 기준으로 36.9 MPa까지 강도가 저하되었다. 시멘트 복합체 강도의 70~80 %가 골재에 의해 결정된다는 점에서,
SF50 골재에 과도하게 혼입된 SF는 수화 반응의 비효율 또는 미세균열 유발을 통해 기계적 성능을 저해할 가능성이 있다. 이러한 경향은 압축에너지
측정에서도 유사하게 나타났다. SF30 시편은 14일과 28일에서 각각 194.3 J, 205.3 J의 최대 압축에너지를 기록하였으며, 이는 BC
시편(147.6 J) 대비 약 39.1 % 높은 값이다. SF10에서 SF30까지는 파괴에너지가 점진적으로 증가했으나, SF40과 SF50에서는 각각
144.3 J, 137.4 J로 감소하였다.
SF30 혼입률이 단순한 압축강도 향상뿐만 아니라, 재료가 파괴되기 전까지 흡수할 수 있는 에너지인 연성 및 파괴 저항성 측면에서도 최적의 성능을
나타냄을 의미한다. 따라서 적정 수준의 SF 혼입은 골재 뿐만 아니라 모르타르의 기계적 특성 전반을 개선하는 데 효과적이지만, 과도한 혼입은 오히려
성능 저하를 초래할 수 있으므로 적정 혼입률의 설정이 매우 중요하다.
Fig. 5 Compressive properties
3.2.2 변형 특성
Fig. 6은 대표적인 시편들의 응력–변형률 곡선을 나타낸 것으로, 실선은 14일 재령, 점선은 28일 재령에서의 거동을 보여준다. Table 3은 각 시편의 압축 탄성계수와 최대 압축 변형률이 정리되어 있으며, 압축 탄성계수는 ASTM C469 기준에 따라 산정되었다. BC는 28일 기준 최대 압축 변형률이 0.0045 mm/mm로 측정되어 모든 시편 중 가장 높은 변형률을 나타냈다. 그러나
탄성계수는 0.67 GPa로 매우 낮은 값을 보였으며, 이는 높은 연성에도 불구하고 복합체로서 요구되는 초기 강성과 저항 성능이 부족함을 시사한다.
이러한 특성은 응력–변형률 곡선에서도 확인되며, BC는 최대 응력 도달 전후의 기울기가 완만하고 파괴 이후에도 급격한 강도 저하 없이 연성적인 거동을
지속하는 양상을 보였다. Li et al.(2025) 또한 바이오차 혼입 시멘트 복합체의 연성 거동 메커니즘을 보고한 바 있으며, 바이오차 입자는 콘크리트 내부의 응력장을 조절하여 국부적인 응력 집중을
완화하는 완충 역할을 수행하는 것으로 나타났다. 이에 따라 균열 전파 경로가 단일화되지 않고 다방향으로 분산되어, 파괴가 급격하게 진행되기보다는 점진적이고
확산적인 특성을 띠게 된다. 실제로 BC 시편에서는 주요 균열 외에도 다수의 2차 균열이 형성되며, 이들 균열의 경로와 길이는 복잡하게 발달하는 경향을
보였다. 이러한 균열의 분기와 비선형 전파 특성은 파괴 시 국부 응력 집중을 효과적으로 저감시키며, 결과적으로 재료의 연성과 에너지 소산 능력 향상에
기여한다. LWA는 28일 기준 최대 압축 변형률이 0.0027 mm/mm로 가장 낮은 값을 기록하였으며, 탄성계수는 15.72 GPa로 가장 높게
나타났다. 응력–변형률 곡선에서는 초기 선형 탄성 구간이 매우 가파르며, 전체적으로 가장 취성적인 거동 특성을 보였다. 반면, SF30은 28일 기준
최대 압축 변형률이 0.0038 mm/mm, 탄성계수가 13.18 GPa로 측정되었으며, 강도와 연성 간 균형이 가장 우수한 특성을 나타냈다. BA가
혼입된 모르타르 시편들도 유사한 특성을 보였으며, 이는 앞서 언급한 바이오차의 응력 완화 메커니즘이 반영된 결과로 해석된다. BA 혼입 모르타르는
LWA 대비 우수한 연성 특성을 보였으며, 상대적으로 높은 압축강도를 유지하면서도 파괴 전까지의 변형 수용 능력과 에너지 흡수 능력이 강화되었다.
이는 구조체의 파괴 저항성과 안정성 향상에 긍정적으로 작용할 수 있는 요소로 평가된다.
Fig. 6 Stress-strain curve
Table 3 Ultimate compressive strain and elastic modulus
|
Specimen
|
Ultimate compressive strain (14 days)
|
Elastic modulus (14 days)
|
Ultimate compressive strain (28 days)
|
Elastic modulus (28 days)
|
|
$\epsilon_{cu}$, mm/mm
|
$E_c$, GPa
|
$\epsilon_{cu}$, mm/mm
|
$E_c$, GPa
|
|
BC
|
0.0034±0.0003
|
6.2±0.21
|
0.0045±0.0002
|
6.7±1.82
|
|
LWA
|
0.0020±0.0005
|
13.14±1.35
|
0.0027±0.0003
|
15.72±1.78
|
|
SF10
|
0.0034±0.0002
|
12.97±0.82
|
0.0036±0.0002
|
13.95±1.25
|
|
SF20
|
0.0033±0.0004
|
12.37±1.47
|
0.0037±0.0004
|
12.93±1.89
|
|
SF30
|
0.0041±0.0004
|
12.66±1.92
|
0.0038±0.0003
|
13.18±0.57
|
|
SF40
|
0.0031±0.0001
|
11.83±1.56
|
0.0031±0.0004
|
13.38±1.94
|
|
SF50
|
0.0023±0.0003
|
11.1±0.95
|
0.0029±0.0002
|
12.47±2.33
|
3.3 미세구조
Fig. 7(a)는 BA와 시멘트 페이스트 간 계면 전이대(Interfacial Transition Zone, ITZ)의 대표적인 형태를 나타내며, 재료 간 뚜렷한
경계와 함께 계면 구조가 선명하게 형성되어 있는 것을 확인할 수 있다. BA는 시멘트 결합재와 균일하게 결합되어 있으며, 전체적으로 조밀한 구조를
보인다. 이는 물리적 결합과 바이오차의 반응성에 기인한 결과로 해석된다. Figs. 7(b)~(g)는 BC 및 BA의 주사전자현미경(SEM) 이미지를 1,000–1,500배 배율로 촬영한 것으로, 골재 내 미세구조를 효과적으로 시각화하였다.
모든 SEM 이미지에서 진하게 나타나는 부분은 바이오차 입자에 해당하며, 이를 통해 골재 내 입자 분포 및 공극 구조를 명확히 관찰할 수 있다.
BC 및 BA의 SEM 이미지를 기반으로 공극 및 균열 영역에 대한 정량적 분석을 수행하였다. 분석에는 Python 기반의 이미지 처리 기법(OpenCV
및 NumPy)이 활용되었으며, 이진화, 윤곽선 추출, 면적 측정의 절차를 통해 공극 분포를 수치화하였다. 분석은 BA에 대해서만 진행되었으며, 각
이미지에서 추출된 윤곽선은 공극의 크기 및 분포를 시각적으로 확인하는 데 활용되었다. 분석 결과는 Fig. 8에 정량적으로 제시하였다. SF30의 경우, 큰 공극이 5개, 작은 공극이 91개로 확인되어 전체 시편 중 가장 적은 수의 공극을 나타냈다. 이는
SF의 혼입에 따른 미세입자 충전 효과와 수화 반응을 통해 생성된 C–S–H 겔의 형성이 극대화되어 공극 형성이 효과적으로 억제되었음을 시사한다.
또한 SEM 이미지에서는 바이오차 입자가 수화 생성물에 의해 피복된 형태가 관찰되었으며(Fig. 7(e)), 이는 바이오차 표면 및 내부 다공성 구조가 수화 생성물에 의해 충진되었음을 의미한다. 이러한 미세구조적 변화는 시편 내 조밀하고 균질한 구조
형성을 유도하였으며, 결과적으로 기계적 강도 증가에 기여한 것으로 판단된다.
반면, SF40 및 SF50에서는 각각 큰 공극이 11개, 15개, 작은 공극은 169개, 213개로 증가하여 공극 수가 많이 늘어났다. 이는 SF의
혼입률이 일정 임계치를 초과할 경우, 반응성 물질의 과잉 축적 및 입자 간 응집 불균형, 수축에 따른 미세균열 발생 등의 현상이 발생하여 미세구조
내 불균질성과 공극률 증가로 이어질 수 있음을 보여준다. 실제로 SEM 이미지에서는 수화 생성물의 형성이 상대적으로 적고, 바이오차의 다공성 구조가
뚜렷하게 노출된 모습이 확인되었으며(Figs. 7(f)~(g)), 이는 수화 반응이 충분히 진행되지 못한 상태에서 잔류한 바이오차가 오히려 공극 형성에 기여했음을 시사한다.
Fig. 7 Scanning electron microscopy images
Table 4는 SEM–EDS 분석을 통해 측정된 각 골재의 주요 원소비를 제시한다. C/O 비율은 바이오차 기반 골재 내 유기 탄소 대비 산소 함량을 나타내는
지표로, 수화반응의 적합성 및 재료의 무기화 정도를 판단하는 데 활용된다. BC는 C/O 비가 7.79로 매우 높아 유기질의 영향력이 크며, 이는
포졸란 반응 또는 수화 반응을 방해할 가능성이 있는 환경으로 해석된다. 반면, BA에서는 이 비율이 급격히 낮아졌으며, SF30은 0.51로 가장
낮은 값을 나타냈다. 이는 산소 함량이 압도적으로 우세한 무기질 환경이 형성되어 수화 반응성과 C–S–H 겔 형성에 유리한 조건을 제공하며, 강도
증가에 직접적으로 기여함을 의미한다.
Ca/Si 비율은 수화 생성물인 C–S–H 겔의 구조 및 밀집도와 밀접한 관련이 있다. SF10에서는 3.49로 칼슘이 우세하였으나, SF30에서는
1.61로 가장 낮은 값을 나타냈으며, 이는 실리카 함량이 상대적으로 증가한 결과이다. 일반적으로 낮은 Ca/Si 비는 보다 조밀하고 안정적인 C–S–H
겔 형성에 기여하며, 미세공극을 효과적으로 충전하여 재료의 기계적 강도와 내구성을 향상시킨다. 이 결과는 SF30이 다른 혼입률 대비 가장 높은 강도
발현을 보인 결과와 일치한다. 또한 Ca/O 비는 수화 생성물 내 칼슘의 산화 정도와 수화 반응 진전 정도를 간접적으로 나타내는 지표로, SF10에서
0.28로 가장 높은 값을 나타냈다. 이는 수화 반응이 덜 진행된 상태에서 칼슘이 상대적으로 많이 존재함을 시사하며, 이후 혼입률에서는 Ca/O 비가
전반적으로 감소하는 경향을 보였다. 이는 실리카흄이 수화환경을 조절하고 C–S–H 겔 생성을 촉진한다는 해석을 뒷받침한다.
Si/O 비는 실리카 기반 반응물의 상대적 함량을 나타내는 지표로, 포졸란 반응 활성 평가에 활용된다. SF30이 0.141로 가장 높은 Si/O
비를 나타냈으며, 이는 반응성 실리카가 가장 효과적으로 제공되어 Ca(OH)2와의 2차 포졸란 반응을 통해 추가적인 C–S–H 겔이 형성되었음을 의미한다. 이러한 반응은 골재 내 미세공극을 충진하고, 내부 결합력을 강화하며,
전반적인 재료의 조밀화를 유도하여 강도 상승을 초래한다.
Table 4 SEM–EDS elemental ratios
|
Specimen
|
C/O
|
Ca/Si
|
Ca/O
|
Si/O
|
|
BC
|
7.79
|
-
|
-
|
-
|
|
SF10
|
2.02
|
3.49
|
0.28
|
0.080
|
|
SF20
|
1.37
|
3.09
|
0.21
|
0.068
|
|
SF30
|
0.51
|
1.61
|
0.23
|
0.141
|
|
SF40
|
2.46
|
2.56
|
0.20
|
0.077
|
|
SF50
|
2.54
|
2.66
|
0.21
|
0.056
|
4. 결 론
건설 산업은 이산화탄소 배출과 천연 골재의 고갈이라는 심각한 환경적 문제에 직면해 있으며, 이는 지속 가능한 건설 재료 개발의 필요성을 더욱 부각시키고
있다. 본 연구는 이러한 문제를 동시에 해결할 수 있는 방안으로 바이오차 기반 경량골재(BA)를 개발하고, 물리적 특성과 기계적 성능을 체계적으로
검토하였다. 연구 결과는 다음과 같은 주요 결론을 도출할 수 있다.
1) BA는 시멘트와 실리카흄(SF)을 결합재로 제조되었으며, KS F 2527 기준을 만족하는 입도 분포를 확보하였다. 표면건조포화밀도와 단위용적질량은 ASTM C330에서 규정한 구조용 경량골재 기준을 충족하였다. 흡수율은 SF 혼입률에 따라 25.9 %에서 39.9 %로 나타났으며, 시멘트 기반 코팅층의 형성으로
인해 일반 바이오차(123.5 %) 대비 크게 낮은 값을 보였다.
2) SF30의 파쇄강도는 2.8 MPa로, 상용 경량골재(LWA)의 1.8 MPa 대비 약 55% 향상된 수치를 나타냈다. 반면, BC는 0.09
MPa에 불과하여 구조용으로 단독 사용하기에는 부적합한 것으로 판단된다. SF40 이상에서는 실리카흄의 과도한 혼입으로 시멘트 수화 반응이 억제되며,
이에 따라 기계적 성능이 저하되었다.
3) BA를 혼입한 모르타르 시편은 압축강도와 에너지 흡수 성능에서 모두 우수한 결과를 보였으며, SF30 시편은 28일 재령 기준 46.2 MPa의
압축강도를 기록하였다. 이는 LWA 대비 약 63 %, BC 대비 약 204 % 향상된 수치이다. 동일 시편의 압축에너지는 205.3 J로, BC
대비 약 39 % 높은 에너지 소산 성능을 나타냈다.
4) 응력–변형률 곡선 분석 결과, BA 시편은 LWA보다 우수한 연성 거동을 보였으며, SF30은 바이오차 입자의 다공성과 탄성 완충 효과로 인해
완만한 파괴 곡선과 높은 최대 변형률을 나타냈다.
5) 미세구조 분석 결과, SF30은 조밀한 조직과 낮은 공극률, 균일한 바이오차 피복 상태를 나타냈다. 낮은 Ca/Si 및 C/O 비, 높은 Si/O
비는 수화 및 포졸란 반응에 가장 유리한 조건이 형성되었음을 보여주며, 공극 충진과 결합력 향상을 통해 강도 증가로 이어졌다. SF40 이상에서는
실리카흄 과잉 혼입으로 인한 수화 반응 저해 및 미세균열 유발에 따른 공극 수와 구조 불균질성이 증가하였다.
본 연구에서 개발된 BA는 상용 경량골재에 비해 물리적, 기계적 성능에서 모두 우수한 특성을 보였으며, 구조용 경량골재로서 실용화 가능성을 실험적으로
입증하였다. 더 나아가 바이오차를 단순한 첨가제를 넘어 고부가가치 친환경 건설 소재로 활용할 수 있는 방향을 제시하였다. 향후 BA의 화학적 반응
메커니즘에 대한 추가적 검토가 필요하다.
감사의 글
본 연구는 한국연구재단의 기초연구실사업의 지원(과제번호 RS-2024-00408370)에 의하여 수행되었으며, 이에 감사드립니다.
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