정재용
(Jae Yong Jeong)
1
우진석
(Jin Seok Woo)
1
최원창
(Won Chang Choi)
2iD
김선우
(Sun Woo Kim)
3iD
박완신
(Wan Shin Park)
3iD
윤현도
( Hyun Do Yun)
4*iD
-
충남대학교 건축공학과 대학원생
(Graduate student, Department of Architectural Engineering, Chungnam National University,
Daejeon 34134, Rep. of Korea)
-
가천대학교 건축공학과 교수
(Professor, Department of Architectural Engineering, Gachon University, Seongman 13120,
Rep. of Korea)
-
충남대학교 건설공학교육과 교수
(Professor, Department of Construction Engineering Education, Chungnam National University,
Daejeon 34134, Rep. of Korea)
-
충남대학교 건축공학과 교수
(Professor, Department of Architectural Engineering, Chungnam National University,
Daejeon 34134, Rep. of Korea)
Copyright © Korea Concrete Institute(KCI)
키워드
바이오차, 바이오차 기반 콘크리트, 대체골재, 대체수준, 탄소격리
Key words
biochar, biochar-based concrete, alternative aggregate, replacement level, carbon sequestration
1. 서 론
콘크리트는 우수한 내구성, 높은 압축강도 및 유지관리의 용이성 등으로 인하여 많은 건설구조물의 주요 구조재료로 사용되고 있지만, 큰 수요에 비례해
탄소배출량 증가에 따른 문제 또한 심화되고 있다. 특히 시멘트 제조 과정은 많은 에너지 소비와 이산화탄소 배출을 동반하여 건설 산업 내에서 주요 온실가스
배출원으로 지적되고 있다(Mohamad et al. 2021). 이러한 이유로 건설 산업에서는 기존 재료를 대체하거나, 재활용 자원을 활용한 지속가능한 건설 재료 개발이 활발히 이루어지고 있다(Chen et al. 2024).
2015년 파리기후협약 체결 이후 전 세계적으로 탄소 중립을 위한 정책적･기술적 전환이 가속화되며, 건설 산업에서도 재료 공급 안정성과 환경 영향을
함께 고려한 대체 자원 개발의 중요성이 더욱 부각되고 있으며, 시멘트뿐만 아니라 골재 수급 문제 또한 핵심 과제로 부각되고 있다. 시멘트와 달리 골재는
채취, 운반 과정에서 이산화탄소를 배출하며, 모래, 자갈, 쇄석과 같은 천연골재는 전 세계적으로 건설･토목 분야뿐만 아니라 다양한 분야에서 활용되는
대표적인 재료이다. 하지만 최근 수십 년간 급격한 도시화와 인프라 확대, 개발도상국의 사회기반시설 건설사업 등으로 수요가 증가하는 반면, 공급은 지역별
채취 규제 강화와 자원 고갈로 인해 점차 감소하고 있다. 무분별한 자원 채취는 자원 고갈과 건설 산업의 지속가능성 저해로 이어질 수 있다.
이러한 배경 속에서 재활용 콘크리트 골재(RCA), 인공경량골재(LWA), 슬래그 기반 골재 등 다양한 대체재가 제안되어왔으나, 각각의 재료는 여전히
기술적 성능과 환경적 수용성 측면에서 한계를 가지고 있다.
재활용 콘크리트 골재(RCA)는 폐콘크리트를 분쇄하여 얻은 골재로 자원순환 측면에서 이점을 가지고 있으나, 기존 콘크리트에 잔존하는 모르타르로 인한
높은 다공성 구조와 흡수율 증가, 밀도 감소 등의 물리적 성능 저하가 발생한다(Hu et al. 2022). 또한 생산 장소와 특성에 따라 물성이 달라져 최종 품질 편차를 증가시키고 구조용 콘크리트에 요구되는 기계적 일관성 확보에 어려움을 가진다.
인공경량골재(LWA)는 일반적으로 약 1,000 °C 이상의 고온 소성 공정을 통해 제조되며, 이 과정에서 높은 에너지 소비와 생산 비용을 요구한다.
또한 원료 구성과 소성 조건 변화에 따라 물성이 민감하게 달라져, 대량 생산 시 균질성 확보에 한계가 존재한다(Ling Chuan Hao et al. 2022).
슬래그 기반 골재는 철강 산업의 부산물인 제강슬래그를 활용해 자연 순환의 측면에서 잠재력을 가지나, 생산 조건에 따라 화학적 반응성이 불균일하게 나타나
장기 내구성 확보에 한계가 있으며, 일부 슬래그는 중금속 성분을 포함하고 있어 사용 시 환경적 위해 요소가 될 수 있다. 또한 실제 적용을 위해서는
전처리 및 안정화와 같은 추가 공정이 요구되며, 이로 인해 경제성과 시공성 측면에서 상용화에 어려움을 가진다(Ren and Li 2023).
이와 같은 기존 대체재들의 기술적 한계와 자원 수급 불안정성은 지속가능한 건설 재료 확보를 위한 새로운 대안의 필요성을 부각시키고 있으며, 이에 따라
최근 바이오차의 활용 가능성이 주목받고 있다. 바이오차는 비교적 낮은 온도에서 생산 가능하며, 콘크리트에 혼입 시 기계적 강도 향상, 수축 감소,
탄소 포집 능력 등의 개선 효과를 보이며 다공성 구조로 낮은 밀도, 우수한 단열성능 등을 바탕으로 친환경 건설 재료로 활용하기 위한 많은 연구가 진행되고
있다.
그러나 바이오차 역시 원료의 다양성과 열분해 조건의 차이에 따라 물성이 달라질 수 있어 기존 인공골재처럼 품질 균일성 확보에 일정한 한계를 가진다.
그럼에도 불구하고 바이오차는 탄소격리와 물리적 성능 향상이라는 두 측면을 모두 만족시킬 수 있는 대체재로서의 잠재력을 지니며, 기존 대체재의 한계를
보완할 수 있는 새로운 접근법으로 주목받고 있다.
기존 선행 연구들은 주로 바이오차를 시멘트 대체재 혹은 보조 혼화재로 활용하여 콘크리트 및 모르타르의 역학적 특성과 내구성, 투수성 등에 미치는 영향을
분석하는 데 초점을 맞추어 왔다(Han and Choi 2023). 이러한 연구에서 콘크리트 성능 관점에서 시멘트 대체 가능비율로 5~7 %를 제시하고 있으나 최근 다량의 탄소격리를 목적으로 바이오차를 골재로
대체재로 활용하려는 시도가 증가하고 있다. 일부 실험에서는 바이오차를 일정 비율로 골재를 대체했음에도 압축강도 저하 없이 내열성, 흡음성, 단열성과
같은 부가적 성능 향상을 보고하였으며, 이는 바이오차가 기존 대체재들이 가지는 물성 한계를 일정 부분 보완 가능함을 시사하고 있다(Roychand et al. 2023).
이 논문에서는 구글학술검색을 통하여 지난 10년간 발표된 국내외 학술논문에서 바이오차를 골재 대체재로 활용한 논문만을 분석 대상으로 하여, 바이오차의
원료, 열분해 조건, 혼입률 등 주요 변수에 따른 바이오차 콘크리트 및 모르타르의 물성 변화와 그 적용 가능성 및 한계성을 종합적으로 분석하고 향후
연구방향을 제시하고자 한다.
2. 바이오차의 대체골재로 활용 연구 분석
2.1 문헌 검색 및 결과
이 연구는 “Biochar”, “Aggregate”, “Concrete” 등의 키워드를 사용하여 지난 10년간의 문헌을 검색하고, 이 중 바이오차를
활용해 인공경량골재를 제조한 후 이를 굵은 골재 또는 잔골재로 대체한 콘크리트 및 모르타르 관련 연구를 분석 대상으로 선정하였다. 바이오차의 적용
방식에 따라 연구들을 “굵은 골재 대체”와 “잔골재 대체”로 분류하였으며, 시멘트 대체재나 혼화재로 활용된 사례는 본 분석에서 제외하였다.
문헌 분석 결과, 바이오차를 골재로 활용한 논문은 총 21편(굵은 골재 9편, 잔골재 12편)으로 확인되었다. Fig. 1(a)는 연도별 논문 수의 변화를 보여주며, 2021년 이전에는 관련 연구가 전무했으나 이후 점차 증가하는 추세를 보인다. 그러나 여전히 연구 수는 제한적이며,
해당 분야의 학술적 기반은 초기 단계에 머무르고 있다.
Fig. 1(b)는 바이오차를 활용한 연구에서 다루어진 주요 시험 항목을 제시한다. 대부분의 연구가 압축강도, 휨강도 등 기계적 특성에 집중되어 있으며, 내구성 관련
연구는 상대적으로 미흡한 것으로 나타났다.
이러한 연구 동향은 탄소중립 실현과 자원 순환형 건설 재료 개발에 대한 사회적･학술적 관심이 증가하고 있음을 반영하며, 바이오차의 천연골재 대체 가능성에
대한 논의가 점차 활발해지고 있음을 시사한다. 이 연구에서는 정량적 결과와 해석이 포함된 문헌을 중심으로 분석을 진행하였으며, 단순 기술적 언급에
그친 문헌은 분석에서 제외하였다.
Fig. 1 Research trends on biochar aggregates: (a) annual publications, (b) distribution
of test category
2.2 바이오차 원료 및 생산 공정
바이오매스는 열분해, 가스화, 수열탄화 등의 열화학적 공정을 통해 바이오차, 바이오가스, 바이오오일과 같은 유용한 자원으로 전환될 수 있다. 이 중
열분해는 가장 널리 활용되는 공정이며, 본 연구에서는 이를 중심으로 바이오차의 생성 과정과 특성을 고찰하였다.
건설 재료로 활용되는 바이오차는 주로 유기성 바이오매스를 원료로 하며, 이 중 톱밥(sawdust), 옥수수 줄기(corn stover), 목재 폐기물(wood
waste) 등과 같은 식물성 고형물은 리그노셀룰로오스계 바이오매스로 분류된다. 바이오차의 물리적･화학적 특성은 열분해 조건에 따라 크게 달라지며,
열분해 온도, 가열 속도, 체류 시간, 원료의 종류가 주요 변수로 작용한다.
리그노셀룰로오스는 셀룰로오스, 헤미셀룰로오스, 리그닌으로 구성된 복합 고분자 구조체로, 식물 세포벽의 기계적 안정성과 내화학성을 제공한다. 이러한
구조적 특성은 열분해 과정에서 높은 탄소 잔존율, 발달된 미세공극, 넓은 비표면적을 유도하며, 이는 바이오차의 흡착 능력, 수화 반응성, 탄소 고정력에
직접적인 영향을 미친다(Kumar et al. 2009).
일반적으로 바이오차는 300~1,000 °C 범위의 열분해 온도에서 생산되며, 다공성 구조와 낮은 밀도를 특징으로 한다. 이러한 특성은 콘크리트의
경량화 및 단열 성능 향상에 기여할 수 있으나, 높은 흡수율로 인해 시공성 저하나 압축강도 감소 등 부정적인 영향을 초래할 수 있다.
Fig. 2는 목질계 바이오차의 생산 과정을 단계별로 도식화한 것이다. 해당 공정에서는 원료를 분쇄하고 건조한 후, 열분해를 통해 다공성 구조를 형성하게 된다.
본 연구에서는 바이오차를 골재로 활용할 경우의 물리･기계적 특성에 대한 기존 문헌을 정리하였으며, Table 1과 Table 2는 각각 바이오차를 굵은 골재 및 잔골재로 활용한 연구들을 요약하고 있다. 각 표에는 사용된 원료의 종류, 바이오차의 생산 공정, 콘크리트 내 혼입
비율 등의 주요 정보가 포함되어 있다.
Fig. 2 Biochar production process from lignocellulosic biomass
Table 1 Biochar use for coarse aggregate as featured in the literature
|
Source
|
Feedstock
|
Production method
|
Dosage
|
|
Liu et al. (2023a)
|
Bagasse
(from
sugarcane),
corn stalks,
sawdust
|
Pyrolysis
500°C
|
5
(wt%, slag replacement)
|
|
Liu et al. (2023b)
|
Sawdust
|
Pyrolysis
500°C
|
1, 3, 5
(wt%, slag replacement)
|
|
Liu et al. (2023c)
|
Sawdust
|
Pyrolysis
500°C
|
5, 10, 15
(wt%, slag replacement)
|
|
Xu et al. (2023)
|
Corn
stover
|
Pyrolysis
600°C
|
1, 3, 5, 7
(as additive)
|
|
Zou et al. (2024)
|
Corn
cobs
|
Pyrolysis
500°C
|
12.5
(as additive)
|
|
Wyrzykowski et al. (2024)
|
Wood
waste
|
Pyrolysis
680°C
|
2
(BC:CEM=2:1 by wt)
|
|
Liu et al. (2024a)
|
Corn
stalks
|
Pyrolysis
500°C
|
5, 10, 15
(as additive)
|
|
Liu et al. (2024b)
|
Corn
stover
|
Pyrolysis
500°C
|
5, 10, 15
(as additive)
|
|
Zou et al. (2025)
|
Corn
cobs
|
Pyrolysis
500°C
|
11.1 (binder wt%),
12.5 (vs OPC)
|
Table 2 Biochar use for fine aggregate as featured in the literature
|
Source
|
Feedstock
|
Production method
|
Dosage
|
|
Praneeth et al. (2021)
|
Poultry
litter
|
Pyrolysis
450°C
|
10, 20, 40
(wt%, sand replacement)
|
|
Chen et al. (2022)
|
Wood
waste
|
Pyrolysis
700°C
|
10, 20, 30
(wt%, RFA replacement)
|
|
Kim et al. (2022)
|
Wood
waste
|
Pyrolysis
1,000°C
|
5, 10, 15
(% of total solid)
|
|
Roychand et al. (2023a)
|
Coffee
grounds
|
Pyrolysis
350°C
500°C
|
5, 10, 15, 20
(vol%, sand replacement)
|
|
Roychand et al. (2023b)
|
Wood
waste
|
Pyrolysis
500°C
|
10, 20, 30
(vol%, sand replacement)
|
|
Kim et al. (2023)
|
Wood
waste
|
N/A
|
5, 10, 15, 20
(% of total solid)
|
|
Zhang et al. (2024)
|
Palms, apricots, dates, peaches (shells)
|
N/A
|
1, 2, 4, 8, 10, 20, 30, 40
(wt%, sand replacement)
|
|
Chen et al. (2024)
|
Food waste digestate
|
Pyrolysis
550°C
650°C
750°C
|
20
(wt%, sand replacement)
|
|
Mensah et al. (2024)
|
Fruit pit
|
Pyrolysis
700°C+
|
10, 15, 20
(wt%, sand replacement)
|
|
Roychand et al. (2025)
|
Coffee grounds
|
Pyrolysis
450°C
|
13.8
(vol%, sand replacement)
|
|
Liu et al. (2025a)
|
Soybean
dregs
|
Pyrolysis
300°C
500°C
700°C
|
1, 2, 3, 4, 5
(wt%, sand replacement)
|
|
Liu et al. (2025b)
|
Bamboo
|
Pyrolysis
600°C
|
10.20.30
(vol%, sand replacement)
|
2.3 바이오차 기반 굵은 골재 대체 동향 분석
Table 3은 바이오차를 굵은 골재로 활용한 연구 중, 적용 방식, 평가 대상, 강도 시험 방법 등을 기준으로 가장 정량적 물성 결과를 보인 대표적 혼입률 사례를
요약한 것이다. Fig. 3은 Table 1의 연구 동향을 바탕으로, 바이오차 기반 콘크리트의 압축강도 결과를 보여준다.
Fig. 3 Biochar concrete compressive strength (coarse aggregate) reported in different
sources
Table 3 Biochar incorporation methods and mechanical performance in coarse aggregate
applications as reported in the literature
|
Source
|
Test method & application type
|
Summary of results
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|
Liu et al. (2023a)
|
Pelletized cold-bonded artificial aggregates (ALCA)
- OPC 10 %, GGBFS 15 %, MSWIBA 70 %, biochar 5 %
- Single particle compression test (ALCA)
|
- Aggregate compressive strength: 2.2→2.36 MPa (↑7.3 %)
- CO2 absorption: 33.06 kg/ton at 7d curing, 48h CO2 exposure test
- Sequestration efficiency: 84.9 % at 56d
- Sawdust showed highest synergy in CO2 uptake and strength
|
|
Liu et al. (2023b)
|
Pelletized cold-bonded artificial aggregates (CCAA)
- OPC 10 %, GGBFS 15–20 %, MSWIBA 70 %, biochar 1~5 %
- Single particle compression test (CCAA)
|
- Aggregate compressive strength (7d): 3.42 MPa, ↑11.4 % (BC3)
- Aggregate compressive strength (28d): 3.45 MPa, ↑14.6 % (BC5)
- CO2 uptake(BC5): 26.67 kg/ton (↑93 % vs control)
|
|
Liu et al. (2023c)
|
Pelletized cold-bonded artificial aggregates (CASSA)
- OPC 10 %, GGBFS 5–15 %, BOFS 70 %, biochar 5~15 %
- Single particle compression test (CASSAs)
|
- Aggregate compressive strength (7d): 8.49 MPa (B15: after cabonation)
- CO2 uptake: 6.5 wt% (B15)
- CO2 emission: -39.9 kg/ton (B15)
- Carbonation completed within 72h under low CO2 (10.79 %)
|
|
Xu et al. (2023)
|
Pelletized cold-bonded artificial aggregates (SALA)
- Steel slag, fly ash, cement, biochar 1–7%
- Single particle(SALA) & Concrete compressive test (100×100×100 mm3)
|
- Aggregate crushing strength : 5.7 MPa (BC3)
- Concrete compressive strength (90d): 49.1 MPa (B3)
- CO2 uptake: 8.09 wt% (B3, after carbonation)
- Expansion reduced from 143.9 to 73.1 µε (B3), indicating improved volumetric stability
|
|
Zou et al. (2024)
|
Cold-bonded core–shell artificial aggregate (CSA)
- Biochar (500°C), GGBS (0~90 %, OPC replacement)
- Single particle (CSA) & concrete compressive test
|
- Aggregate crushing strength (28d): 6.84 MPa
- Concrete compressive strength (28d) : 42.2 MPa (90 % CSA : MG90)
- CO2 emission: −123 kg/ton (MG90)
|
|
Wyrzykowski et al. (2024)
|
Pelletized cold-bonded biochar-rich LWA (C-LWA)
- Cement : biochar : water=1:2:2.4 slurry pelletizing
- Concrete compressive test (150×150×150 mm3)
|
- Concrete compressive strength: 39.7 MPa (C-LWA graph estimate)
- Density: 2074 - 2118 kg/m3 (↓12–14 %)
- CO2 emission: −1.05 kg CO2/kg (C-LWA basis)
|
|
Liu et al. (2024a)
|
Pelletized cold-bonded artificial aggregates (CSW-ALCBA)
- Concrete slurry waste : OPC=90:10, biochar 0–15%
- Curing type: standard (ST), sealed (SE), carbonation (CA)
- Single particle compression test (ALCBA)
|
- Aggregate compressive strength (28d): 6.18 MPa (B10)
- CO2 uptake(B15): 7.13 wt% (↑90 %) Density: 1,600~1,850 g/L
|
|
Liu et al. (2024b)
|
Pelletized cold-bonded artificial aggregates (RM-ALCBA)
- Red mud 90 %, OPC 10 %, biochar 0~15 %
- Single particle compression test (RM-ALCBA)
|
- Aggregate compressive strength (28d): 1.98 MPa (M2:B5)
- CO2 uptake (B15): 29.1 kg/ton
- Density: 1.85~1.98 g/cm3
- Cost: ~5 USD/ton
|
|
Zou et al. (2025)
|
Cold-bonded core–shell artificial aggregate (BCSA)
- Core: biochar (94 kg/t), shell: OPC (750 kg/t)
- Single particle (BCSA) & concrete (MC100) compressive test
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- Aggregate compressive strength (BPC6): 8.05 MPa
- Concrete compressive strength (28d): 35.8 MPa (↓57 % vs control)
- Concrete density: 1,778 kg/m3
- CO2 uptake(BDC6): 5.44 wt%
- CO2 sequestration: 250.4 kg/t (ALCBA), 247.1 kg/m3 (concrete)
|
2.3.1 인공골재 제조 방식과 골재 특성
모든 연구에서는 바이오차, 시멘트계 결합재, 산업 부산물을 분쇄한 후 디스크 펠렛타이저를 활용하여 냉간 결합 방식으로 인공골재를 제조하였다(Fig. 4). 세부 공정으로는 각 재료를 트레이에 넣고 2~3분간 건식 혼합한 뒤, 분무기를 이용해 소량의 물을 분사하여 재료의 응집력을 높였다. 이후 약
5분간 장비를 회전시켜 원심력과 중력을 이용해 구형의 인공골재를 형성하였다. 이때 장비의 경사각은 45°, 회전 속도는 35 rpm으로 설정되었다.
Liu et al. (2023b), Liu et al. (2023c)은 톱밥 바이오차, 시멘트(OPC), 고로슬래그 미분말(GGBFS)을 기준으로 하고, 도시고형폐기물 소각재 또는 제강슬래그를 추가 혼합한 인공골재를
동일한 방식으로 제작하였다. 이들 연구에서는 바이오차 혼입률이 5 %일 때 가장 높은 압축강도를 보였으며, 혼입률이 증가함에 따라 강도는 다소 감소하였으나,
천연골재 대비 경제성과 탄소 배출 저감 측면에서의 이점이 있음을 제시하였다.
동일한 제조 방식은 Liu et al. (2024a), Liu et al. (2024b)의 연구에서도 적용되었으며, 각각 OPC 및 옥수수 줄기 바이오차를 기반으로 슬러리 폐기물, 붉은 진흙을 혼합하여 골재를 제작하였다. 이들 연구는
바이오차 혼입률이 5~10 %일 때 기계적 특성이 향상되었으나, 그 이상 혼입 시에는 성능이 저하된다고 보고하였다. 한편, Zou et al. (2024)은 동일한 장비를 사용하면서도 분말 혼합 방식이 아닌 코어-쉘 구조 제조법을 도입하였다. 해당 방식에서는 옥수수 바이오차를 코어로, GGBFS와 OPC
혼합 결합재를 쉘로 사용하였으며, OPC의 약 80 %를 GGBFS로 대체했을 때 가장 높은 압축강도를 보였다. 또한, 제조된 골재의 겉보기 밀도는
일반 경량골재와 유사한 수준으로 보고되었다.
Fig. 4 Biochar artificial lightweight aggregate production process
2.3.2 탄소 포집 및 격리 성능
바이오차 기반 인공골재는 제조 과정에서 생성되는 CaO, Ca(OH)2와 바이오차의 다공성 구조로 인해 우수한 탄산화 반응성을 나타낸다. Liu et al. (2023a)은 사탕수수 찌꺼기, 옥수수 줄기, 톱밥 등 다양한 바이오차 분말을 도시고형폐기물 소각재, OPC, GGBFS과 혼합하여 인공경량골재를 제조하고,
그 탄소 포집 성능을 평가하였다. 이 중 톱밥 바이오차 기반 골재는 약 33.06 kg/톤의 CO2를 흡수하고 84.9 %의 격리 효과를 보여 가장 우수한 성능을 나타냈다. Liu et al. (2023b), Liu et al. (2023c)은 바이오차 혼입률이 증가할수록 CO2 흡수량도 함께 증가하는 경향을 보였으며, 천연골재 대비 경제성과 탄소 저감 측면에서의 장점을 제시하였다. Zou et al. (2025)은 동일한 제조 방식을 통해 제작한 골재가 1톤당 250.4 kg의 CO2를 흡수할 수 있으며, 이를 적용한 콘크리트는 1 m3당 최대 247.1 kg의 CO2 포집이 가능하다고 보고하였다. 또한 경화 전부터 양생까지 CO2를 혼입한 시편은 수화도는 낮았으나 탄산화도는 경화 후부터 CO2를 혼입한 시편보다 높게 나타났다.
2.3.3 콘크리트 적용 및 구조 성능 확보
제조된 바이오차 기반 인공골재의 콘크리트 적용 가능성은 다수의 연구를 통해 입증되었다. Xu et al. (2023)은 옥수수 바이오차, 제강슬래그, 플라이애시, 시멘트(OPC)를 혼합하여 인공골재를 제작하였으며, 바이오차를 굵은 골재 중량 대비 3 % 치환한 콘크리트는
재령 90일 기준 49.1 MPa의 압축강도를 기록하였다. 이는 일반 제강슬래그, 플라이애시, OPC만으로 제작된 골재를 사용한 콘크리트의 강도(38.3
MPa)보다 높았고, 천연골재를 사용한 콘크리트보다 2.2 MPa 낮았지만 대체 가능성을 입증하였으며, 자기수축 또한 더 적었다.
Zou et al. (2024)은 2.3.1절에서 보고된 바와 동일한 제조 방식을 기반으로, 천연골재의 90 %를 치환한 바이오차 골재를 활용한 콘크리트에서 28일 압축강도 42.2
MPa, 밀도 1,866 kg/m3를 달성하였으며, 이는 구조용 경량 콘크리트의 기준을 충족하였다. Wyrzykowski et al. (2024)은 OPC, 목질계 바이오차, 물을 혼합하여 인공골재를 제조하고, 천연골재의 27 %를 치환하여 제작한 콘크리트에서 28일 기준 최대 39.7 MPa의
압축강도와 2074~2118 kg/m3의 밀도를 나타냈다. 이 결과는 기존 설계 기준과 비교해 구조 적용 가능성을 시사한다.
또한 Zou et al. (2025)은 2.3.2절의 방식과 동일하게 제작된 인공골재를 활용하여, 경화 이후 6시간 동안 CO2를 주입한 골재로 천연 굵은 골재를 100 % 치환한 콘크리트에서 28일 압축강도 35.8 MPa, 밀도 1,778 kg/m3를 확보하였다. 이는 구조용 경량 콘크리트의 분류 기준을 충족하며, 구조적 성능을 갖춘 콘크리트 구현이 가능함을 보고하였다.
2.3.4 종합 분석 및 평가
바이오차 기반 굵은 골재의 제조 및 실험 연구는 골재의 제조 용이성, 우수한 탄소 포집 성능, 구조용 콘크리트로서의 기계적 성능 확보 측면에서 모두
긍정적으로 평가된다. 모든 연구에서 디스크 펠렛타이저를 활용한 냉간 결합 공정을 적용하였으며, 혼입 원료의 조합과 배합 비율에 따라 물성 변화가 뚜렷하게
나타났다. 분말 형태의 재료를 혼합하여 골재를 제작한 경우, 바이오차 혼입률 5~10 % 수준에서는 기계적 특성과 탄산화 성능 간 일정 수준의 균형을
확보할 수 있었으나, 전반적으로 역학적 성능은 제한적인 수준으로 나타났다.
반면, 코어-쉘 구조를 적용한 제조 방식에서는 더 우수한 기계적 특성과 압축강도 성능이 확인되어, 보다 적합한 인공골재 제조 기술로 평가된다. CO2 격리 성능은 골재 기준 최대 250.4 kg/톤, 콘크리트 기준 247.1 kg/m3에 달해 탄소중립 건설 자재로서의 가능성을 뒷받침하며, 기존 천연골재 대비 환경적 우수성도 함께 입증되었다. 또한 구조용 콘크리트로서의 적용성 측면에서는
압축강도 35~49 MPa, 밀도 1,778~2,118 kg/m3 범위를 확보하며, 국내외 경량 콘크리트 기준을 만족하는 것으로 나타났다. 종합적으로, 바이오차 기반 인공골재는 환경성과 구조 안전성 모두를 고려한
대체 굵은골재로의 활용 가능성이 충분하며, 향후 실제 구조물 적용에서의 장기 내구성능 평가, 전과정평가(life cycle assessment, LCA)
등에 관한 후속 연구가 필요하다.
2.4 바이오차 기반 잔골재 대체 동향 분석
Table 4는 바이오차를 잔골재로 활용한 정량적인 연구를 바탕으로 모르타르 및 콘크리트의 물성 변화에 미친 영향을 정리한 것이며, Fig. 5는 Table 4의 연구 동향을 바탕으로 콘크리트 적용 시 압축강도 결과를 정리한 것이다.
Fig. 5 Biochar concrete compressive strength (fine aggregate replaced) reported in
different sources
Table 4 Summary of biochar incorporation and performance outcomes in fine aggregate
replacements
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Source
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Test method & Application type
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Summary of results
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Praneeth et al. (2021)
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Biochar used as fine aggregate replacement
- 10~40 wt% biochar, PC : sand=1 : 2.5 (w/b=0.5~0.65)
- Mortar compressive test (50×50×50 mm3)
- Flexural test (40×40×160 mm3)
- Thermal conductivity test (50×25×3 mm3)
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- Mortar compressive strength: 43 MPa (B-0) →24.6 MPa (B-40)
- Flexural strength: 6.3 MPa (B-20, ↑26 %)
- Dry density: 1,600 k/m3 (B-40, ↓20 %)
- Thermal conductivity: 0.47 W/mK (B-10, ↓26.2 %)
- CO2 emission: ↓20 % (B-40)
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Chen et al. (2022)
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Biochar used as recycled fine aggregate replacement
- OPC 30 %, biochar 10~30 wt%, (w/b=0.18)
- Concrete block with SCMs (MK, SF, PFA, GGBS)
- Concrete compressive test (∅55×55 mm, 28d)
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- Concrete compressive strength (28d): 13.1 MPa (30BC-MK)
- CO2 emission: 421→58 kg/t (↓86.2 %)
- CO2 sequestration: 59 kg/t (30BC-MK)
- Profit: 35.4 USD/m3 (30BC-MK)
- MK & SF improved strength (↑27.5 %)
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Kim et al. (2022)
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Biochar used as fine aggregate replacement
- 5~15 wt% biochar, OPC 12.5 kg/m3, (w/c=0.35)
- Concrete compressive test (size not specified)
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- Concrete compressive strength (28d): 25.7 MPa (5 %)
- Flexural strength : 0.78 MPa (5 %)
- Thermal conductivity: 1.263 W/mK (15 %)
- Insulation performance: 26.7°C (15 %)
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Roychand et al. (2023a)
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Biochar used as fine aggregate replacement
- 10~30 vol% biochar, OPC 350 kg/m3, (w/c=0.5)
- Concrete compressive test (∅75×150 mm, 28d)
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- Concrete compressive strength (28d): 37.7 MPa (20 WBC)
- CO2 curing (10 % WBC, 28d): 42.3 MPa (+37.3 %)
- 7d: +63.9 %(10 %), -9.6 %(30 %) vs control
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Roychand et al. (2023b)
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Biochar used as fine aggregate replacement
- OPC+5~20 vol% biochar
- Concrete compressive test (∅75×150 mm, 28d)
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- Concrete compressive strength (28d): 29.6 MPa (350CBC15)
- 350CBC: good bonding, curing internal curing via pore water
- 500CBC: high porosity, microcracking (strength loss)
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Kim et al. (2023)
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Biochar used as fine aggregate replacement
- 5–20 vol% biochar, OPC 11-17.5 kg/m3, (w/c=0.25-0.40)
- Concrete compressive test (∅100×150 mm, 28d)
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- Concrete compressive strength (28d): 20.48 MPa (5 %)
- Flexural strength : 5.06 MPa (5 %)
- Thermal conductivity: 1.59 W/mK (5 %)
- Best balance between strength and insulation at 5 %
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Zhang et al. (2024)
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Biochar used as fine aggregate replacement
- OPC+SF, 1~40 wt% biochar, (w/c=0.24)
- UHPC mortar test (40×40×40 mm3)
- Flexural test (10×10×160 mm3)
- Shrinkage test (25×25×285 mm3)
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- UHPC mortar strength (28d): 75.56 MPa (1BR1: palm shell 1 %)
- Dry density: -16.2 % (1BR40)
- Absorption: -37.77 % (28d, 1BR20), +81.9 % (3d, 1BR40)
- Electrical flux: lowest at 1 %, 386.36 % (1BR40)
- Shrinkage: reduced (< 1BR8), increased (≥ 1BR30)
- Porosity: 16.8 % (1BR30)
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Chen et al. (2024)
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Direct use of FWD biochar as coarse aggregate
- 20 wt% biochar (550~750°C)
- Mortar compressive test (20×20×20 mm3)
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- Mortar compressive strength: 57.8 MPa (FWD 750BC)
- Density (750°C): 1.77 g/cm3
- Elastic modulus: 11.4 GPa (nanoindentation)
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Mensah et al. (2024)
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Biochar used as fine aggregate replacement
- OPC+FA, 10~20 wt% biochar (2.5 mm), (w/c=0.32)
- Concrete compressive test (100×100×100 mm3)
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- Concrete compressive strength (28d): 97.1 MPa (10 %, 200°C)
- 600°C: 10~15 % retained strength
- 1000°C: all samples showed thermal cracking
- CO2 emission: -10 %(BC 10 %), -20 %(BC 20 %)
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Roychand et al. (2025)
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Biochar used as fine aggregate replacement
- 10 vol% biochar (450°C), GBC 310 kg/m3, (w/c=0.63)
- Field Concrete (N25, cube & core strength, 28~54d)
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- Concrete compressive strength (28d): 28.3 MPa (450CBC Field)
- Flexural strength: 6.3 MPa (450CBC Field)
- Shrinkage consistently reduced (internal curing)
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Liu et al. (2025a)
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Biochar used as fine aggregate replacement
- 1~5 wt% biochar (700°C), OPC 420 kg/m3, (w/c=0.4)
- Concrete compressive & tensile strength test (100×100×100 mm3)
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- Concrete compressive strength (28d): 51.97 MPa (C3: BC 3 %)
- Tensile strength: +16.4 % (C3)
- Flexural strength: +8.24 % (C3)
- Cement or filler replacement: resulted in strength reduction
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Liu et al. (2025b)
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Biochar used as recycled fine aggregate replacement
- 10~30 vol% biochar (600°C), CSW binder,
- Concrete compressive test (size not specified)
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- Concrete compressive strength (28d): 45.9 MPa (BB-30-SF)
- Hydration DoH (C-S-H): 45.1 %→66.9 % (+41.7 %)
- Thermal conductivity: decreased from 1.51 W/mK with increasing BC content
- CO2 emission: 44.9→-114.1 kg/m3 (carbon negative)
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2.4.1 모르타르 제작
Praneeth et al. (2021)은 450 °C에서 열분해한 가금류 분변 바이오차를 분쇄한 후, 벤토나이트 점토, 개미산, 현무암 분진과 혼합하여 개질하였다. 해당 바이오차를 강모래
대비 10 %, 20 %, 40 % 치환하여 모르타르를 제작한 결과, 28일 기준 압축강도는 각각 39.6, 31.6, 27.4 MPa로 점진적으로
감소하였다. 모든 혼입 시편에서 밀도는 대조군보다 낮았으나, 탄소배출량은 최대 20 %까지 감소한 것으로 보고되었다. 한편, Chen et al. (2024)은 열분해 온도를 변수로 하여 음식물 폐기물 유래 바이오차를 일반 골재의 20 % 비율로 치환하고, 프리-웨팅(pre-wetting) 과정을 거쳐
모르타르를 제작하였다. 750 °C에서 생산된 바이오차를 적용한 경우, 28일 기준 압축강도는 57.8 MPa로 고강도 경량 콘크리트 기준을 충족하였다.
그러나 ICP 분석 결과, Na, Mg, Cl의 용존 이온 농도가 높아, 구조용 콘크리트에 적용할 경우 장기 내구성에 부정적인 영향을 미칠 가능성이
제기되었다.
2.4.2 초고성능 모르타르(UHPC) 적용
Zhang et al. (2024)은 4종류의 껍질류 바이오차를 활용하여, 강모래 대비 1~40 % 범위에서 치환한 초고성능 콘크리트(UHPC)를 제작하였다. 그 결과, 야자 껍질
바이오차를 1 % 치환한 시편에서 가장 높은 압축강도를 기록하였으며, 이후 혼입량이 증가할수록 성능 저하가 뚜렷하게 나타났다. 바이오차가 혼입된 모든
시편에서는 밀도 감소 현상이 확인되었으며, 특히 잔골재 기준 40 % 치환 시에는 대조군 대비 최대 17 %의 밀도 저하가 발생하였다. 또한 8 %
이하의 치환율에서는 자기수축 억제, 염화물 침투 저항성 향상, 수화도 증가 등의 긍정적인 효과가 나타났으나, 10 % 이상 치환된 시편에서는 전반적인
성능 저하가 관찰되었다.
2.4.3 콘크리트 적용 및 구조 성능 확보
Chen et al. (2022)은 700 °C에서 열분해한 목질계 바이오차를 재활용 잔골재 대비 0~30 % 치환하여 콘크리트를 제작하였다. 추가적으로 시멘트의 30 %를 메타카올린(MK),
플라이애시(FA), 실리카흄(SF), 고로슬래그 미분말(GGBFS)로 각각 치환하였다. 그 결과, 바이오차를 30 % 치환한 시편의 28일 압축강도는
10.3 MPa로, 칸막이용 콘크리트 블록의 강도 기준을 만족하였고, MK 치환 시편에서는 13.1 MPa로 대조군 대비 기계적 성능, 탄소 저감,
비용 측면에서 모두 우수한 결과를 보였다.
Roychand et al. (2023a)은 목질계 바이오차를 잔골재 대비 10, 20, 30 % 치환하여 콘크리트를 제작하였고, 이 중 가장 우수한 작업성을 보인 10 % 치환 시편에 대해
CO2 양생을 수행하였다(CO2 농도 10 %). 7일 기준 압축강도는 10 % 치환 시편이 가장 높았으며, 혼입량이 증가함에 따라 강도는 감소하였다. 그러나 28일 기준에서는
모든 바이오차 혼입 시편이 대조군보다 높은 강도를 나타냈으며, 특히 20 % 치환 시편에서 37.7 MPa로 가장 우수한 결과를 보였다. CO2 양생은 전체적으로 압축강도 향상에 긍정적 영향을 미쳤고, 양생 기간이 길수록 효과가 증가하는 경향을 보였다.
Roychand et al. (2023b)은 폐커피찌꺼기를 350 °C 및 500 °C에서 열분해한 후, 이를 모래 대비 5~20 % 치환하여 콘크리트를 제작하였다. 유기물 함량이 높은 폐커피찌꺼기는
수화 반응을 방해하여 강도 저하를 유발하였으나, 350 °C 열분해 바이오차를 15 %까지 치환한 경우 압축강도가 대조군 대비 29.3 % 향상되었다.
반면 500 °C에서 제조된 바이오차는 전반적으로 압축강도 저하를 보였다.
Liu et al. (2025a)은 700 °C 열분해된 콩찌꺼기 기반 바이오차를 시멘트 및 모래 대비 각각 28 %, 15 % 치환하여 콘크리트를 제작하였다. 그 결과, 시멘트
치환보다 모래 치환에서 더 우수한 기계적 성능을 나타냈으며, 모래 기준 3 % 치환 시 압축강도, 인장강도, 휨강도 모두 가장 높았다. 해당 바이오차의
최적 치환율은 4 % 이하로 보고되었다.
Liu et al. (2025b)은 600 °C에서 열분해한 폐대나무 기반 바이오차를 재활용 잔골재 대비 0~30 % 치환하여 콘크리트를 제작하였다. 이때 슬러리 폐기물(CSW)을
시멘트 대체재로 활용하였는데, CSW는 반응성이 낮아 고비율 치환 시 강도 저하를 유발할 수 있다. 그러나 바이오차 혼입 시 CSW 내 잔류 시멘트의
수화 반응이 촉진되는 효과가 관찰되었다. 이에 따라 30 vol% 조건에서 28일 압축강도는 38.5 MPa까지 상승하였고, 실리카퓸을 1 wt%
추가 혼입 시 45.9 MPa까지 향상되었다. 또한 해당 콘크리트는 열전도율 감소, 염화물 침투 저항 증가 등 내구성과 단열성 향상에도 기여하였다.
2.4.4 내화성능 및 현장 적용
Mensah et al. (2024)은 목질계 및 음식폐기물 기반 바이오차를 혼합하여, 각각 시멘트 또는 잔골재 대비 10~20 % 치환한 콘크리트를 제작하고, 고온 조건(200, 600,
1,000 °C)에서의 기계적 성능 및 내화성을 평가하였다. 그 결과, 바이오차를 잔골재로 치환한 모든 시편에서 압축강도는 일부 감소하였으나, 최대
20 %까지의 치환이 가능하며, 600 °C의 화재 노출 조건에서도 구조적 안전성을 유지할 수 있는 것으로 보고되었다.
Roychand et al. (2025)은 450 °C에서 열분해한 폐커피찌꺼기 기반 바이오차를 모래 대비 10 % 치환하여, 실제 현장 조건의 콘크리트 보도 슬래브를 제작하였다. 28일
및 54일 시점에서 코어링을 통해 성능을 평가한 결과, 28일 기준 압축강도는 앞서 2.4.3절에서 보고된 실험 결과보다 다소 낮았으나, 휨강도 증가
및 건조수축량 감소 등의 긍정적인 변화가 관찰되었다. 특히 54일 기준 코어링을 통해측정된 강도는 기준 배합보다 소폭 우수한 결과를 나타냈다.
2.4.5 종합 분석 및 평가
바이오차 기반 잔골재의 활용은 모르타르, UHPC, 일반 콘크리트, 내화 콘크리트 및 현장 적용에 이르기까지 다양한 분야에서 연구가 수행되었으며,
그 가능성과 한계를 동시에 보여주고 있다. 전반적으로, 바이오차를 잔골재로 치환할 경우 기계적 성능은 치환율에 따라 비선형적 반응을 보이며, 5~10
% 수준의 치환율에서 압축강도, 휨강도, 수화도 등의 물성 개선 효과가 뚜렷하게 나타났다. 반면, 15~30 % 이상의 고배합 조건에서는 강도 저하
및 내구성 악화가 관찰되어, 적정 치환 한계선 설정이 중요함을 시사한다. 고강도 경량 모르타르나 초고성능 콘크리트(UHPC)에 적용 시 낮은 밀도
및 자기수축 억제, 염화물 침투 저항 등 일부 긍정적 효과가 나타났으나, 일정 수준 이상 치환 시 강도 및 내구 성능이 급격히 저하되어, 정밀한 치환율
조정이 요구된다. 프리-웨팅 기법, CO2 양생, 복합 치환(MK, FA, SF, GGBFS) 등은 혼입 바이오차의 물리화학적 한계를 보완하는 전략으로 효과적임이 입증되었다.
또한 일부 연구에서는 폐기물 기반 바이오차의 고온 안정성, 열분해 온도별 물성 차이, 수화 반응에 미치는 영향 등을 실험적으로 분석하여 내화성 및
실규모 적용성에 대한 기초 자료를 제시하였다. 특히 Roychand et al. (2025)의 현장 보도 슬래브 적용 사례는, 실제 구조물 내 적용 가능성을 평가한 연구로, 실무적 활용을 위한 중요한 근거로 평가된다. 종합적으로, 바이오차
기반 잔골재는 일정 치환 범위 내에서 물성 개선, 탄소배출 저감, 폐기물 재활용이라는 세 가지 측면에서 효과를 발휘할 수 있으며, 탄소중립형 건설
재료로서의 가능성을 충분히 보여주고 있다.
3. 결론 및 향후 연구방향
3.1 결론
바이오차를 골재로 활용한 최근 연구들은 적용 방식과 물성 변화에 대한 기초적 검토를 넘어, 탄소중립형 건설 재료로서의 가능성이 실험적으로 입증되고
있다. 이 연구는 바이오차를 활용한 인공경량골재의 제조 및 이를 콘크리트의 굵은 골재 또는 잔골재로 대체한 사례들을 체계적으로 분석하여, 해당 재료의
구조적, 환경적 성능을 평가하였다. 분석 결과, 바이오차는 다공성 구조, 경량성, 높은 탄소 저장 능력 등의 특성을 바탕으로 천연골재의 대체재로서
충분한 가능성을 지니며, 제조 방식에 따라 물성 향상 및 탄소 포집 효율이 크게 달라지는 것으로 나타났다.
특히 굵은 골재 대체의 경우, 5~10 % 수준의 바이오차 혼입률에서 구조용 경량 콘크리트의 기준(압축강도 35~49 MPa, 밀도 1,778~2,118
kg/m3)을 만족할 수 있었고, 최대 250.4 kg/톤(골재 기준), 247.1 kg/m3(콘크리트 기준)의 이산화탄소 포집 성능을 확보함으로써 탄소중립 건설 자재로서의 활용 가능성이 입증되었다. 반면, 잔골재 대체의 경우에는 치환율 증가에
따른 성능 저하가 뚜렷하게 나타나며, 적정 치환율은 5~10 % 수준으로 제시되었다. 이를 통해 바이오차 기반 골재는 일정 조건 내에서 환경성과 구조
성능을 동시에 고려한 대체 재료로 활용될 수 있음을 확인하였다.
3.2 향후 연구 방향 및 실용화 가능성
현재까지 바이오차의 건설 분야 적용 가능성에 관한 다양한 연구가 이루어졌으나, 대부분 실험실 수준의 기초 성능 평가에 국한되어 있으며, 여전히 연구의
깊이나 범위는 미흡한 실정이다. 특히, 실제 건설 현장에 적용하기 위한 구체적인 기준이나 설계 가이드라인은 부족한 상황이다. 이에 따라 향후 연구에서는
보다 실증적이고 통합적인 접근이 요구된다.
첫째, 바이오차 기반 인공골재의 장기적인 구조 안전성과 내구성을 확보하기 위해 크리프, 건조수축, 염화물 침투, 동결융해 저항 등 다양한 물리적･환경적
조건에서의 성능 검증이 필요하다. 아울러 바이오차의 입도 및 조직 구조가 콘크리트의 미세구조 및 계면전이대(ITZ)에 미치는 영향을 정밀하게 파악하기
위해 SEM, XRD 등의 미시적 구조 분석도 강화되어야 한다. 둘째, 해당 재료의 지속가능성과 환경 영향을 객관적으로 평가하기 위해 전과정평가(life
cycle assessment, LCA)를 통한 자원 순환성과 탄소중립 기여도에 대한 정량적 분석이 요구된다. 셋째, 초고성능 콘크리트(UHPC),
내화 콘크리트 등 다양한 응용 분야에 적합한 최적 배합설계 및 적용 가이드라인의 마련이 시급하다. 넷째, 폐기물 유래 바이오차는 Na, Cl, Mg
등의 이온 용출 특성으로 인해 장기 내구성에 부정적 영향을 미칠 수 있으므로, 이를 해결하기 위한 전처리 기술 개발 또는 적절한 혼화재 보완 전략이
필요하다. 더불어 바이오차의 물리･화학적 특성에 따른 적정 치환 한계와 설계 기준의 정립도 병행되어야 한다. 마지막으로, Roychand et al. (2025)의 현장 적용 사례처럼, 실제 구조물(예: 보도 슬래브, 구조용 패널 등)에 대한 적용성 평가를 확대하고, 시공성, 경제성, 탄소저감 효과를 종합적으로
분석하는 실규모 실증 연구가 지속적으로 이루어져야 한다.
이 연구의 후속 단계에서는 목질계 바이오차를 활용한 잔골재 대체 조건에서의 강도 변화 및 탄소 저감 효과를 종합적으로 분석하고자 한다. 목질계 바이오차는
비목질계 바이오차에 비해 압축강도 향상 효과가 낮은 경향을 보이지만, 탄소 저감 및 자원 순환 측면에서는 상대적으로 유리한 특성을 지닌다. 이에 따라
향후 연구에서는 강도 성능을 보완하기 위한 병용재 활용, 배합 설계의 조정 등을 통해 목질계 바이오차의 실효성을 검토할 계획이다.
감사의 글
본 연구는 한국연구재단의 기초연구실사업의 지원(과제번호 RS-2024-00408370)에 의하여 수행되었으며, 이에 감사드립니다.
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