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 C330/330M}에서는 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.

Fig. 4 Crushing strength

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