2.1 사용재료 및 제조 방법

바이오차는 산소가 제한된 조건에서 바이오매스를 열분해하여 얻어지는 바이오 숯으로 바이오매스 원료에 따라 생성되는 바이오차의 재료적 성질이 달라진다. 대표적인 바이오매스로는 왕겨(rice husk), 음식물쓰레기(food waste), 목재(wood) 등을 사용한다. ^{Qambrani et al.(2017)}에 따르면 저속열분해와 열수탄화를 통해 생성되는 바이오차가 탄소격리 효율이 가장 높다고 연구되었으며 그중 목질계 바이오차가 가장 높은 탄소 함유량을 나타났다. ^{Gupta et al.(2018a)}에 따르면 450~500 °C 부근에서 생성된 바이오차가 가장 높은 탄소 함유량을 나타낸다고 연구되었다. 이에 본 연구에서는 목질계 바이오매스로 450 °C 부근에서 열 분해된 목질계 바이오차를 선정하여 실험에 사용하였다. 목질계 바이오매스는 다른 바이오매스보다 높은 탄소 함유량을 갖는 것이 특징이며 이는 목질계 물질들의 세포 구성인 셀룰로스(cellulose)의 40 % 이상이 탄소로 이루어졌기 때문이다. 목질계 바이오차를 시멘트 대체재로써 사용하기 위해 시멘트 입도와 비슷하게 만들기 위해 Roll-mill을 이용하여 250~350 RPM으로 30분 이상 분쇄하여 사용하였으며 Fig. 1(a)는 분쇄 전 목질계 바이오차의 모습이고, 본 연구에서는 Fig. 1(b)와 같이 분쇄된 목질계 바이오차를 사용하였다.

Fig. 1 Images of wood-based bio-char in different forms

2.2 목질계 바이오차 재료적 특성

Fig. 2(a), (b)에 분쇄된 목질계 바이오차의 SEM(scanning electron microscope)을 나타냈으며 각각 ×1,500, ×3,500의 배율로 촬영하였다. 대다수의 목질계 바이오차가 분쇄되었음에도 셀룰로스(cellulose)의 세포구조 형상에 의한 다공성 구조를 시각적으로 확인하였으며 대다수는 100 µm 이하로 분쇄되었음을 확인하였다.

Fig. 2 SEM of wood-based bio-char

분쇄된 목질계 바이오차의 BET 실험을 통해 진 밀도 평균 1.649 g/cm³으로 나타났으며 ^{Maljaee et al.(2021)}의 목질계 바이오차의 진 밀도가 1.635 g/cm³인 것과 유사한 결과를 확인하였다. 비표면적은 244 m²/g, 전체 기공 부피는 0.12 cm³/g, 평균 기공 크기는 1.98 nm로 2~4 nm의 기공이 많은 것으로 확인하였다. ^{Lehmann(2007)}, ^{Shafie et al.(2012)}에 따르면 기공의 크기가 30 µm 이하일 때, 바이오차의 수분 보유 성능이 극대화된다고 연구되었다.

이러한 비표면적과 기공 크기로 인해 수분의 흡수가 가능하다고 판단된다. 그러나 ^{Edeh et al.(2022)}의 연구에 따르면 바이오차는 소수성 특징을 가지며 입자의 크기가 감소함에 따라 물 보유 성능이 향상된다고 연구되었다. 시멘트 모르타르에 함유되었을 때, 수분을 흡수하지만 물과 반응하지 않고 보유한 채 경화 과정에서 방출되어 양생 효과를 기대할 수 있다고 예측된다^{(Choi et al. 2012)}.

SEM과 함께 SEM-EDX(scanning electron microscope-energy dispersive X-ray spectrometer)를 통해 목질계 바이오차의 원소분석을 진행하였으며 원소분석 결과를 Table 1에 나타냈다. 연구에서 사용된 목질계 바이오차는 탄소 함유량이 86.92 %로 가장 높게 나타났으며 이는 ^{Gupta et al.(2018c)}에서도 동일하게 나타났다. 또한, 왕겨나 음식물쓰레기를 활용한 바이오매스보다 높은 탄소 함유량을 나타났다. ^Spokas(2010)에 따르면 산소와 탄소의 비(oxygen to carbon ration)이 0.2보다 작을 때, 반영구적으로 화학적 안정성을 갖는다고 연구되었다. 본 연구에서 사용된 목질계 바이오차는 Oxygen to Carbon Ration(O/C)가 0.14로 화학적 안정성을 갖는다고 판단되며 이는 시멘트 모르타르에 함유되어도 화학적 변화 없이 목질계 바이오차의 탄소격리가 가능하다고 예측된다.

마지막으로 입도분석 PSD(particle size distribution)을 통해 분쇄된 목질계 바이오차의 정확한 입도를 분석하였으며 Fig. 3은 분쇄된 목질계 바이와의 입도분포 결과이다. D10의 경우 3.47 µm, D50의 경우 14.21 µm, D90의 경우 46.64 µm로, 평균 20.65 µm이다. 대다수 시멘트가 50 µm 이하의 입자 크기인 것을 고려하였을 때, 연구에서 사용 중인 목질계 바이오차는 시멘트와 비슷한 입도를 갖는다고 판단된다.

Fig. 3 Particle size distribution of wood-based bio-char

^{Gupta and Kua(2019)}에 따르면 바이오차가 20 µm 이하로 분쇄되었을 때 시멘트 복합체에서 Filler effect와 Pore-blocking effect가 기대된다고 연구되었으며 ^{Elyamany et al.(2014)}에 따르면 125 µm 이하의 물질이 시멘트 모르타르에 배합되면 Filler의 역할을 수행하며 포졸란 반응의 유무는 크게 중요하지 않다고 연구되었다. ^{Tan et al.(2021)}에서는 분쇄된 바이오차가 콘크리트의 Hygroscopic filer 역할을 할 수 있다고 연구되었다. 이를 통해 목질계 바이오차가 시멘트 복합체에 함유되었을 때, Filler effect, Pore-blocking effect와 더불어 수분 보유를 통해 경화 단계에서 양생 효과를 끌어낼 수 있다고 예측되나 작은 입자의 크기와 기공으로 인한 수분흡수로 인해 시멘트 매트릭스 내 플로우, 작업성의 감소가 있을 것으로 예측된다.

2.3 실험 계획 및 실험 방법

본 연구에서는 목질계 바이오차를 시멘트 대체재로 사용하고자 목질계 바이오차를 함유한 시멘트 모르타르의 압축강도, 휨강도, 인장강도 등 역학적 특성 평가를 하고자 한다. Table 2에는 목질계 바이오차 함유량 변수에 따른 시멘트 모르타르의 배합 상세로 ^{ASTM C 109(2021)}에서 제시한 표준 시멘트 모르타르의 물-시멘트비(W/C) 0.485와 시멘트와 표준사를 1:2.75의 비율로 하여 시멘트 모르타르를 배합하였다.

실험 변수로는 선행연구에서 최대로 설정한 시멘트 질량비 5 %를 치환 최대치로 설정하여 목질계 바이오차의 함유량을 시멘트 질량비 0 %, 1 %, 3 %, 5 % 치환하는 방식으로 설정하였으며 목질계 바이오차 함유량에 따른 시멘트 모르타르의 역학적 특성을 비교하고자 한다. 목질계 바이오차 함유량과 시멘트량을 제외한 물과 모래의 양은 모두 같게 설정하였다.

본 실험에 사용한 시멘트 모르타르를 배합하기 위한 재료는 포틀랜드 시멘트, 분쇄된 목질계 바이오차, 주문진 표준사를 사용하였다. 시멘트 모르타르 배합은 모르타르 믹서에 개량한 표준사, 시멘트, 분쇄된 목질계 바이오차 순으로 넣고 건비빔을 한 후에 물을 넣고 비빔 후 시험체를 제작하였다. 모든 시험체는 타설 후 20 °C의 항온항습실에서 1일간 양생된 후 탈형을 진행하고 20 °C의 양생수조에 재령일까지 습윤 양생을 진행하였다.

굳지 않은 시멘트 모르타르에서는 플로우 및 공기량을 측정하였다. 플로우 실험은 ^{ASTM C 1437(2020)}에 따라 측정하였다. 공기량 실험은 ^{ASTM C 185(2020)}에 따라 플로우가 80~95 %가 될 때까지 수행하였으며 본 실험에서는 플로우가 90 %일 때로 설정하여 실험을 수행하였다.

굳은 시멘트 모르타르에서는 밀도, 휨강도, 압축강도, 인장강도, 탄성계수를 측정하였다. 밀도 실험은 ^{ASTM C 109 (2021)}에 제시된 50×50×50 mm³ 시험체를 부피 측정법을 이용하여 공기 중에서와 수중에서 측정하였다. 휨강도 실험은 KS L ISO 679^{(KATS 2022)}에 따라 40×40×160 mm³ 시험체를 Fig. 4(c)와 같이 용량 1,000 kN인 만능재료시험기(UTM)를 사용하여 시멘트 모르타르가 파괴될 때까지 가력하였다. 압축강도 실험은 ^{ASTM C 109(2021)}, ^{ASTM C 349(2018)}에 따라 50×50×50 mm³, 휨강도 실험으로 파단된 40×40×80 mm³ 시험체를 Fig. 4(a)와 같이 용량 1,000 kN인 만능재료시험기(UTM)를 사용하여 시멘트 모르타르가 파괴될 때까지 가력하였다. 인장강도 실험은 ^{ASTM C 307(2018)}에 따라 브래킷형(briquette) 시험체를 Fig. 4(d)와 같이 용량 20 kN인 인장강도시험기를 사용하여 직접 인장실험을 실시하였다. 탄성계수는 ^{ASTM C 469(2022)}에 따라 φ100×200 mm2 시험체에 콤프레소미터(compressometer)와 변위계를 부착하여 Fig. 4(b)와 같이 용량 2,000 kN인 만능재료시험기(UTM)를 사용하여 시멘트 모르타르가 파괴될 때까지 가력하였다. 또한 시멘트, 목질계 바이오차를 이용하여 시멘트 페이스트를 제작하여 SEM을 통해 미세구조를 분석하였다.

Fig. 4 Test setup

3.1 굳지 않은 시멘트 모르타르의 역학적 특성

3.1.1 플로우 실험 결과

시멘트 모르타르의 유동성을 평가하는 플로우 실험 결과는 Fig. 5에 나타냈다. Plain의 경우 122.0 mm로 목질계 바이오차가 함유된 시멘트 모르타르보다 높은 플로우 값을 확인하였다. 또한 목질계 바이오차의 함유량이 증가함에 따라 목질계 바이오차의 수분 보유 현상이 증가하여 플로우는 감소하는 경향을 보였으며 목질계 바이오차의 함유량에 따라 1~7.8 %의 플로우 감소를 확인하였다.

Fig. 5 Flow and air content of cement mortar

3.2 굳은 시멘트 모르타르의 역학적 특성

3.2.1 밀도 실험결과

시멘트 모르타르의 밀도를 평가하는 밀도 실험 결과는 공기 중에서 측정된 밀도와 50 °C에서 4시간 건조된 밀도를 비교하여 Fig. 6에 나타냈다. 모든 시편에서 건조에 따른 수분 증발로 인한 밀도 감소가 나타났으며 BC_3%의 경우 밀도가 가장 높게 나타났다. 그러나 Plain과 비교하였을 때 밀도 값의 차이가 3 % 이내인 것을 고려하면 밀도의 변화가 크지 않다고 확인되었다. 공기량 실험 결과와 동일하게 목질계 바이오차의 함유량이 증가함에 따라 공기량은 감소하고 밀도가 증가하다가 BC_5%에서 일부 감소하는 결과가 나타났다.

Fig. 6 Hardened density of cement mortar

3.2.2 압축강도 실험결과

목질계 바이오차를 함유한 시멘트 모르타르의 압축강도는 각각 재령 7, 28일로 하여 Fig. 7에 나타냈다. Plain의 경우 재령 7일, 28일 각각 23.9 MPa, 29.6 MPa로 나타났으며 목질계 바이오차를 함유한 시멘트 모르타르의 경우 함유량 증가 순서대로 각각 2 %, 4.3 %, 2.7 % 증가하는 것을 확인하였다. 또한 BC_3%에서 가장 높은 압축강도 30.9 MPa를 확인하였다. 목질계 바이오차의 함유량이 증가함에 따라 시멘트량이 치환되어서 물-시멘트비가 커지는 반면 목질계 바이오차가 시멘트 매트릭스 내 자유수를 흡수하고 보유하여 Plain에 비하여 높은 압축강도를 나타낸다고 확인되었다^{(Gupta et al. 2018b)}. 이는 ^{Choi et al.(2012)}에서도 동일하게 나타났으며 바이오차가 수분을 보유하여 자가 양생 물질로의 역할을 한다고 연구되었다. ^{Gupta et al.(2018b)}에서는 목질계 바이오차 함유량이 1~2 %일 때 강도 증진 효과가 있었지만 BC_5%에서는 압축강도가 감소하는 경향이 나타났다. 이는 밀도 결과와 연관 지어 볼 수 있는데 BC_5%의 시편의 밀도가 BC_3%의 시편보다 감소하는 경향에 따라 압축강도에서도 동일한 결과가 나타났다고 확인하였다.

Fig. 7 Compressive strength of cement mortar

3.2.4 휨강도 실험결과

목질계 바이오차를 함유한 시멘트 모르타르의 휨강도는 각각 재령 7, 28일로 하여 Fig. 8에 나타냈다. Plain의 재령 7일, 28일 각각 5.5 MPa, 5.7 MPa로 나타났으며 재령 28일 기준 목질계 바이오차 함유량이 증가함에 따라 각각 6.5 MPa, 6.1 MPa, 5.9 MPa로 나타났다. Plain과 비교하였을 때, 목질계 바이오차의 함유에 따라 재령 7일 휨강도가 비슷하거나 감소하는 경향을 보이지만 재령 28일 휨강도는 증가하는 경향을 보이며 목질계 바이오차 함유량이 1 %일 때 18 % 증가하는 것으로 가장 높게 나타났다. 휨강도는 압축강도의 각각 19.8 %, 21.6 %, 20.6 %, 21.8 %로 목질계 바이오차를 함유한 경우 전반적으로 Plain보다 강도 증진 효과가 있다고 판단되며 목질계 바이오차 함유량이 5 %까지 증가하여도 Plain과 비슷한 휨강도 결과를 보여 역학적 성능을 유지한 채 시멘트를 대체할 수 있다고 판단된다.

본 연구를 통한 휨강도 실험 결과, 목질계 바이오차 함유량이 1 %일 때, 휨강도가 14 % 증진된 휨강도를 나타냈으며 목질계 바이오차의 함유량이 5 %까지 증가하여도 Plain과 비슷한 결과를 보여 휨성능의 감소 없이 시멘트를 대체 가능하다고 판단된다.

Fig. 8 Flexural strength of cement mortar

3.2.5 인장강도 실험결과

목질계 바이오차를 함유한 시멘트 모르타르의 인장강도는 재령 28일로 하여 Fig. 9에 나타냈다. Plain의 경우 3.25 MPa, 목질계 바이오차 함유량이 증가함에 따라 각각 3.3 MPa, 3.37 MPa, 3.58 MPa로 나타났다. 목질계 바이오차 함유량이 5 %일 때, 인장강도가 10.2 % 증진된 인장강도를나타냈으며 목질계 바이오차의 함유량이 증가함에 따라 인장강도가 증진된 결과를 나타냈다.

Fig. 9 Tensile strength of cement mortar

3.2.6 목질계 바이오차의 미세구조 실험결과

목질계 바이오차를 함유한 시멘트 페이스트의 SEM을 ×3,500 배율로 촬영하여 Fig. 10에 나타냈다. Fig. 10(a)의 경우 목질계 바이오차가 시멘트 화합물 속에 포함되어진 모습을 확인하였다. Fig. 10(b)에서는 비교적 큰 입자의 목질계 바이오차의 다공성 구조 내부에 시멘트 화합물이 생성된 모습을 확인하였다. 이를 통해 목질계 바이오차와 시멘트 화합물이 잘 결합된 형상을 확인하였다.

Fig. 10 SEM of the cement paste