2.1 실험 계획

바이오차 및 탄소 포집 박테리아가 혼입된 생태 모르타르의 역학적 특성을 평가하기 위한 배합 상세를 Table 1에 나타내었다. 바이오차 혼입률은 ^{Gunn et al.(2024)}의 실험결과를 참고해 결정하였다. 해당 연구에서는 바이오차를 결합재 대비 20 % 혼입할 경우 가장 우수한 탄소 성능 및 압축강도 결과를 보였다. 이를 참고하여 바이오차는 결합재 대비 0 %, 10 % 및 20 %의 비율로 혼입하였다. 박테리아 고정화 재료의 혼입률은 선행연구 ^Park(2025)를 참고하여 설정하였다. 경화된 모르타르 내에서 박테리아의 생장성 확보를 위해 고온･고압의 오토클레이브 환경에서 음압 처리된 다공질의 팽창질석을 사용하여 박테리아와 배양액을 고정하였다^{(Hwang and Yang 2023)}. 박테리아 배양액을 고정한 팽창질석의 치환율(replacement ratio of expanded vermiculite, $R_{E}$)은 잔골재 부피의 0 %, 10 % 및 20 %로 설정하였다. 비교를 위해 바이오차 및 박테리아가 혼입되지 않은 기준 시험체(C)도 준비하였다.

모든 배합에서 물-결합재비(water-to-binder ratio, $W/B$) 및 잔골재-결합재비(sand-to-binder, $S/B$)는 각각 35 % 및 2.0으로 고정하였다. 시험체 명은 바이오차 및 박테리아의 혼입률에 따라 정의하였다. 예를 들어, B10-20 시험체의 경우 바이오차가 결합재 질량 대비 10 % 혼입되었으며, 박테리아 고정화재료가 잔골재 부피 대비 20 % 혼입된 모르타르를 의미한다.

결합재로는 보통포틀랜드시멘트(ordinary portland cement, OPC), 아크릴계 폴리머(acrylic polymer) 및 바이오차를 사용하였다. OPC 및 폴리머의 밀도 및 분말도는 각각 3.15 g/cm³, 3,284 cm³/g 및 0.5 g/cm³, 3,540 cm³/g이다. 바이오차의 밀도는 2.06 g/cm³이고 흡수율은 57 %이다. 아크릴계 폴리머는 전체 결합재 양의 10 %의 질량비로 고정하여 사용하였다. OPC는 폴리머 및 바이오차의 질량비에 따라 70∼90 % 질량비로 이용하였다. 잔골재로는 0.05∼0.17 mm, 0.17∼0.25 mm 및 0.25∼0.7 mm의 입경을 가지는 6호, 7호 및 8호 규사를 동일한 질량비로 혼입하여 사용하였다.

2.2 광합성 박테리아 선별

^Park(2025)의 연구에서 선별된 R. palustris 균주는 그람 음성(gram negative)균으로 선택적으로 광합성을 하여 공기 중에서 호기성 호흡을 통해 생장한다. 이 균주의 단백질 소화기관인 카르복시솜은 캘빈회로 사이클을 통해 이산화탄소를 에너지원으로 사용한다. 캘빈회로 사이클은 Fig. 1에 나타낸 바와 같이 3가지 단계를 거쳐 탄소를 포집하고 소모한다. 이들 단계를 요약하면: (1) 카르복시솜 내부의 루비스코 효소가 CO₂를 고정한다; (2) 고정된 CO₂는 에너지원으로 사용되며 박테리아 세포 내에서 균주의 에너지원으로 사용된다; (3) 탄소 수용체 재생 단계를 통해 카르복시솜 내 루비스코 효소가 이산화탄소를 다시 고정할 수 있게 된다. 이러한 사이클은 CO₂ 농도가 낮은 환경에서 효율적으로 CO₂ 포집을 가능하게 하며 지속적인 탄소 포집을 돕는다.

박테리아 배양에 사용된 배지의 구성은 Table 2에 나타내었다. 박테리아의 배양액은 27S 배양 배지와 함께 수신산이나트륨(disodium succinate hexahydrate)을 사용하였다. 증류수(distilled water, D.W)는 박테리아 최적의 생장을 위해 중성에 해당하는 pH 6.8(±0.2)로 제작하여 사용하였다. 배양액에 접종된 박테리아는 멸균 상태의 인큐베이터에서 72시간 동안 1×10⁹ CFU/mL 이상의 고농도로 배양된 상태로 사용하였다. 배양이 완료된 박테리아는 극한환경인 모르타르 내부에서 지속해서 탄소 포집 활동을 할 수 있도록 다공성 재료에 박테리아를 고정화하여 사용하였다. 고정화 재료는 pH 6∼7의 중성 환경을 제공하여 박테리아의 생장 환경에 적합한 다공성의 팽창질석을 사용하였다^{(Yoon et al. 2019)}. 박테리아 고정화는 120 °C의 고온 및 1.2 kg/m³ 고압의 오토클레이브(Autoclave) 환경의 음압 상태에서 팽창질석을 멸균 처리한 후 사용하였다. 팽창질석의 입자 크기, 밀도 및 전기전도도는 각각 1.2 mm, 0.12 g/cm³ 및 0.09 ㎲/cm이다.

Fig. 2(a), (b)에는 R. palustris 균주의 투과 전자 현미경(transmission electron microscope, TEM) 이미지 및 전자 현미경(scanning electron microscope, SEM) 이미지를 나타내었다. Fig. 2(c)에는 팽창질석에 고정화된 박테리아의 SEM 이미지를 나타내었다. 팽창질석은 다량의 기공을 갖고서 우수한 이온 교환 능력으로부터 수많은 박테리아 고정화 능력을 보여준다.

Fig. 1 Calvin cycle mechanism of bacteria

Fig. 2 Microscope images of R. palustris

2.3 바이오차

바이오차는 축분 바이오차(manure biochar)의 일종인 우분 바이오차를 사용하였다. 이 바이오차는 국내 Y사에서 제작한 것으로 650 °C 이상 온도에서 약 4시간 30분 동안 열분해 처리한 것이다. Table 3에는 바이오차의 기초 특성을 나타내었다. 바이오차는 시멘트 입도를 고려하여 300 μm 이하의 분말 형태로 입도를 조절하여 사용하였다. 입도를 제어한 바이오차는 수은 압입법(mercury intrusion porosimetry, MIP) 및 비표면적 분석법(brunauer-emmett-teller, BET)을 실시하여 공극률과 비표면적을 평가하였는데, 이들 값은 각각 61.29 % 및 109.18 m²/g이었다.

Table 3 Basic properties of biochar

Type	BET (m2/g)	Porosity (%)	Controlled particle sizes image	SEM image
Manure biochar	109.18	61.29

2.4 배합, 양생 및 측정

모르타르 배합은 KS L 5109^{(KATS 2017)}를 참고해 잔골재 및 결합재를 투입하여 3분간 건비빔 하였다. 이후 박테리아 고정화재료 및 배합수를 투입하여 습비빔을 실시하였다. 배합 시 고정화 재료에 포함된 배양액은 단위수량에서 보정하였다. 배합이 완료된 모르타르는 각 측정 항목에 따라 해당 몰드에 타설하였다. 타설된 시험체는 온도 20±2 °C, 상대 습도 60±5 %가 유지되는 환경에서 양생 후 3일 뒤 탈형하였다.

모르타르의 플로는 KS F 4039^{(KATS 2004)}에 따라 측정하였다. 압축강도는 KS L 5105^{(KATS 2007)}에 따라 50 mm×50 mm×50 mm 몰드를 이용하여 재령 3, 7, 14, 28, 56 및 91일에 측정하였다. 모르타르의 응력-변형률 관계 및 쪼갬인장강도는 Φ 100 × 200 mm³ 크기의 원주형 공시체를 이용하여 재령 28일에서 측정하였다.

탄소 중립 모르타르의 역학적 특성은 일반 콘크리트의 설계를 위해 제시된 설계기준^{(fib 2010; KDS 14 20 2022)} 및 모델식들^{(Yang et al. 2014; Kwon et al. 2021; Her et al. 2024)}과 가능한 범위에서 비교하였다. 이 비교는 탄소 중립 모르타르의 역학적 특성에 대한 적용의 타당성을 파악하기 위함이다.

탄소 포집 성능 평가는 국내･외적으로 관련 기준 및 규격이 마련되어 있지 않아 ^{Won et al.(2025)}이 제시한 절차를 따랐다(Fig. 3). 탄소 포집 성능 평가를 위한 용기는 내부에 공기 순환을 위한 소형 팬 및 CO₂ 측정 센서를 부착한 600 mm×600 mm×600 mm 크기로 제작된 밀폐형 아크릴 박스를 사용하였다. 시험체를 투입하고 밀폐한 후에는 CO₂를 9,000∼9,999 ppm 범위가 되도록 투입하였다. 이후 CO₂ 투입 벨브를 통해 48시간 간격으로 CO₂를 추가 투입하였다. 탄소 포집량은 48시간 간격으로 측정한 데이터를 바탕으로 누적 탄소 포집량을 산정하였다. 탄소 포집량 측정에 사용된 모르타르 시험체는 Φ 100×50 mm³ 크기로 제작하였으며 제작이 완료된 시험체는 공기와의 노출 면적을 15,708 mm²로 제한하기 위해 윗면을 제외한 나머지 면을 모두 에폭시로 코팅하였다.

모르타르의 탄소 포집량 평가는 재령 28일 이후 시작하여 91일간 측정하였다. CO₂ 포집의 정량적 평가는 시간과 인력의 제한으로 인하여 시험체 C, B0-20, B20-0 및 B20-20에서만 측정하였다.

경화된 모르타르에서 박테리아의 지속생장성은 ^Park(2025)의 연구에서 제시된 생존 개체수(Viable cell count method) 방법에 따라 측정하였다. 모르타르 내에서 생존 개체수는 탄소포집 실험 노출 재령 91일에서 수행하였다.

Fig. 3 Setup for assessing CO₂ sequestration of mortar

3.1 모르타르의 플로

시멘트 모르타르의 플로 평가 결과를 Fig. 4에 나타내었다. B0-10 및 B0-20 시험체의 유동성은 기준 시험체 대비 모두 약 4.5 % 미만의 저감율을 보였다. 박테리아 고정화 재료의 혼입은 고정화 담체인 팽창질석의 다공질의 특성으로 인해 혼입률 증가에 따라 플로가 소폭 감소하는 경향을 나타냈다. 그러나 박테리아 배양액을 음압 환경에서 침지하는 과정에서 내부 공극이 충분히 충진됨에 따라, 박테리아 고정화 재료의 혼입이 모르타르 유동성 저감에 미치는 영향은 미미한 수준으로 판단된다. 반면, B10-0 및 B20-0 시험체의 플로는 기준 시험체 대비 각각 8.3 % 및 20.8 % 감소한 결과를 보였다. 이는 바이오차의 높은 비표면적과 공극률에 기인한 다공질 구조 및 높은 흡수율로 인해 배합 과정에서 배합수를 즉시 흡수한 결과 때문으로 판단된다(Han and Choi 2023).

Fig. 4 Flow of fresh mortar specimens

3.2 모르타르의 재령별 압축강도

Table 4에는 모르타르 시험체들의 재령에 따른 압축강도를 나타내었다. Fig. 5에는 시험체들의 재령별 압축강도를 재령 28일 압축강도로 무차원화($f_{ck}(t)/f_{ck}(28)$)한 강도 발현율을 나타내었다. 동일 그림에 KDS 14 20에 따라 평가한 압축강도 발현율을 함께 나타내었다.

기준 시험체인 C의 $f_{ck}(28)$는 32.1 MPa이다. 박테리아 고정화 재료만 혼입된 시험체 B0-10 및 B0-20의 $f_{ck}(28)$는 각각 31.2 MPa 및 30.7 MPa이다. 바이오차만을 혼입한 시험체 B10-0 및 B20-0의 $f_{ck}(28)$는 각각 30.5 MPa 및 29.4 MPa이다. 그리고 박테리아 고정화 재료와 바이오차를 모두 혼입한 시험체 B10-10, B10-20, B20-10 및 B20-20의 $f_{ck}(28)$는 각각 30.4 MPa, 29.7 MPa, 28.5 MPa 및 28.3 MPa이다. 즉, 박테리아 고정화 재료의 혼입은 모르타르의 $f_{ck}(28)$ 감소에 중요한 영향을 미치지 않았다. 박테리아 고정화 재료는 잔골재 부피 대비로 치환하였기 때문에 그 치환율 20 %까지는 모르타르 압축강도에 미치는 영향이 중요하게 나타나지 않았다. 반면 바이오차 혼입 시 기준 시험체 대비 약 5.0∼11.8 %의 강도 저감을 보였다. 이는 바이오차의 높은 공극률과 비표면적에 의한 수분 흡수성 및 보수력의 증가로 시멘트 수화에 실질적으로 작용하는 유효 물-시멘트비($W/C$)를 저하시킨 것으로 판단된다^{(Senadheera et al. 2023)}.

모든 시험체는 KDS 14 20^{(KCI 2022)}의 예측 값 대비 높은 초기 압축강도 발현을 보였다(Fig. 5). 재령 7일에서 $f_{ck}(t)/f_{ck}(28)$ 값은 박테리아 고정화 재료만 혼입된 경우에 0.93∼0.94 범위에, 바이오차만 혼입된 경우에는 약 0.84∼0.86 범위에 있었다. 즉, 박테리아 고정화 재료 및 바이오차 혼입이 초기 압축강도 발현에 미치는 영향은 미미하였다. 재령 56일 이후 장기강도 발현에서도 바이오차 혼입의 영향은 중요하게 나타나지 않았다. 재령 91일에서 $f_{ck}(t)/f_{ck}(28)$ 값은 바이오차 혼입률이 10 %인 경우 1.21∼1.23 범위에, 바이오차 혼입률이 20 %인 경우에는 1.17∼1.27 범위에 있었다. 더불어 재령 91일 압축강도 발현율은 KDS 14 20의 예측 값 대비 동등 이상 수준으로 평가될 수 있었다. ^{Hylton et al.(2024)}은 바이오차의 높은 공극에 의한 내부 양생효과는 콘크리트의 장기강도 발현에 유리할 수 있음을 제시하였지만, 이 연구에서 수행한 모르타르의 경우 바이오차가 장기강도에 미치는 영향은 미미하였다. 더불어 박테리아 고정화 재료의 혼입이 모르타르 장기강도 발현에 미치는 영향도 중요하게 나타나지 않았다.

Fig. 5 Normalized compressive strength ratio of mortar as a function of age

3.3 모르타르의 응력-변형률 관계 및 탄성계수

Fig. 6에는 각 모르타르의 재령 28일 응력-변형률 관계를 나타내었다. 동일 그림에 ^{Yang et al.(2014)}이 제시한 모르타르의 응력-변형률 관계를 함께 나타내었다. 이때 예측 값은 재령 28일 압축강도가 30 MPa인 경우를 이용하였다. 바이오차 및 박테리아 고정화 재료가 혼입된 모르타르의 응력-변형률 그래프는 일반 모르타르와 비슷한 포물선형 거동을 보였다. 압축강도 증가에 따라 초기 기울기가 증가하였으며 최대 응력 이후 취성적인 거동을 보였다. 탄소 중립 모르타르의 최대 응력 시 변형률은 0.0022∼0.0028 범위로 나타났다.

B0-10 및 B0-20의 탄성계수는 기준 시험체 대비 각각 0.8 % 및 1.1 % 감소된 결과를 보였다. B10-0 및 B20-0의 탄성계수는 기준 시험체 대비 1.1∼3.0 % 감소된 결과를 보였다. 또한 B10-10, B10-20, B20-10 및 B20-20의 탄성계수는 기준 시험체 대비 1.5∼3.4 % 저감을 보였다. 기준 모르타르(C) 대비 탄소 중립 모르타르의 탄성계수 감소율은 무시할 수준이었다. 결과적으로 탄소 중립 모르타르의 탄성계수는 일반 모르타르와 같이 그 압축강도에 의해 지배되었다.

Table 5에는 탄성계수에 대한 실험결과와 예측 값의 비교를 나타내었다. KDS 14 20 따른 탄소 중립 모르타르의 탄성계수는 27.1∼27.9 GPa 범위로 나타났다. 이에 따라 모든 모르타르에서 탄성계수에 대한 실험 값과 KDS 14 20의 설계 식의 비는 1.06∼1.07로 비슷한 수준의 결과를 나타내었다. ^fib(2010) 설계 식을 적용할 경우에는 실험 값과 예측 값의 비는 1.12∼1.13 범위에 있었다. ^{Yang et al.(2014)}의 모델을 적용할 경우 실험 값과 예측 값의 비는 1.01∼1.02이었다. 더불어 모르타르의 탄성계수에 대한 실험결과의 회귀 분석으로부터 결정된 ^{Her et al.(2024)}의 모델을 적용하면 실험 값과 예측 값의 비는 0.96∼0.97 수준이었다. 즉 박테리아와 바이오차를 이용한 탄소 중립 모르타르의 탄성계수는 설계기준을 이용하여 안전측에서 그리고 ^{Yang et al.(2014)} 모델을 이용하여 비교적 합리적으로 평가될 수 있다고 판단된다.

Fig. 6 Typical stress-strain curves of mortar specimens

3.4 모르타르의 쪼갬인장강도

Table 5에는 탄소 중립 모르타르의 쪼갬 인장강도($f_{sp}$)의 실험결과를 나타내었다. 이들 결과는 ^fib(2010) 및 ^{Kwon et al.(2021)}의 모델 식과 비교하였다. 탄소 중립 모르타르의 $f_{sp}$는 기준 시험체와 비슷한 수준으로 나타났다. 이는 바이오차 및 박테리아 고정화 재료의 혼입이 모르타르의 $f_{sp}$에 미치는 영향은 미미하게 나타났다. 결국 탄소 중립 모르타르의 $f_{sp}$도 탄성계수와 같이 압축강도에 의해 지배되었다. 탄소 중립 모르타르의 $f_{sp}$는 ^fib(2010) 모델 식 대비 약 1.08∼1.11 수준이며, Kwon et al.(2024)의 모델 식 대비는 약 0.98∼1.02 수준이었다. 탄소 중립 모르타르의 $f_{sp}$는 이들 비교모델 식들을 이용하여 적절하게 평가될 수 있다고 판단된다.

3.5 탄소 포집 거동

각 모르타르 시험체의 탄소 포집 거동을 Fig. 7에 나타내었다. CO₂ 포집 농도는 이상기체 방정식을 이용하여 측정된 ppm 값을 그램(g)으로 환산하여 나타내었다^{(Won et al. 2025)}. 더불어 모르타르의 대기 중 CO₂ 포집능은 노출면적에 의해 결정되므로 CO₂ 포집 농도 값을 시험체 단면적으로 무차원화하여 나타내었다. 기준 모르타르(C)의 CO₂ 포집량은 측정기간 91일에서 약 300.9 g/m²을 보였다. 이는 시멘트 메트릭스의 탄산화에 의한 CO₂ 포집으로서 재령의 증가에 따라 그 포집 기울기가 완만하게 감소하는 경향으로 나타났다. 한편 바이오차 및 박테리아 고정화 재료 혼입률의 증가는 더 높은 CO₂ 포집 성능을 보였다. 시험체 B20-0 및 B0-20의 CO₂ 포집 성능은 측정기간 91일에서 각각 420.7 g/m² 및 580.3 g/m²이다. 즉 바이오차 보다 박테리아의 혼입이 모르타르 CO₂ 포집 성능 향상에 유리하였다. 바이오차의 CO₂ 포집능은 높은 비표면적 및 공극률 기반의 물리적 흡착 방식을 가진다. 물리적인 탄소 흡착은 포집량의 한계가 명확하게 존재하여 모르타르 혼입 전에 이미 많은 CO₂ 포집이 진행될 수 있다^{(Dissanayake et al. 2020)}. 더불어, 시멘트 메트릭스의 코팅 효과로 인해 모르타르 표면에서의 CO₂ 포집에 대한 효율성이 감소할 수 있다.

B20-20의 CO₂ 포집 성능은 측정기간 91일에서 710.6 g/m²이다. 이 값은 기준 시험체 대비 각각 2.4배 높은 결과이다. 즉, 기준 시험체 대비 박테리아 기반 탄소 중립 모르타르의 CO₂ 포집 효율성은 재령의 증가와 함께 중요하게 나타났다. 또한 박테리아는 모르타르 내부에서 지속적인 생장과 대사를 통해 장기적인 CO₂ 포집을 기대할 수 있다(Park 2024). B20-20은 박테리아의 생장활동에 의한 지속적인 CO₂ 포집 성능 외에, 바이오차의 높은 표면적과 다공질의 특성에 기반한 물리적 포집능을 동시에 가지고 있다. 즉, 모르타르 B20-20은 생물학적 CO₂ 포집과 물리적 포집능이 동시에 구현된 복합 CO₂ 포집능을 갖고 있다. 특히 박테리아의 지속 생장활동에 의한 생물학적 CO₂ 포집효과로 인해 이 모르타르의 CO₂ 포집능은 재령의 증가와 함께 기준 시험체 대비 더 큰 효율성을 보였다. 결과적으로 탄산화에 기반한 기준 모르타르(C)의 CO₂ 포집능의 완만하게 감소하는 기울기에 비해 박테리아 기반 탄소 중립 모르타르의 CO₂ 포집능은 선형적으로 증가하는 경향을 확인할 수 있었다.

Fig. 7 Evaluation of CO₂ sequestration capacity

3.6 박테리아 생존성

Fig. 8에는 탄소 포집 거동 평가가 종료된 모르타르 시험체에서 채취한 샘플에서 재배양한 결과를 바탕으로 계산된 박테리아 생존 개체수를 나타내었다. B0-10 및 B0-20에서 박테리아 생균농도는 3.5×10⁴ CFU/mL 및 5.1×10⁴ CFU/mL이다. 이는 극한환경인 경화 모르타르 내부에서도 고정화 기술을 통하여 박테리아의 생존과 번식을 유도할 수 있음을 의미한다^{(Yoon et al. 2019)}. 또한, 바이오차와 박테리아를 동시에 혼입한 시험체에서도 박테리아 생존 개체수는 3.3×10⁴ CFU/mL∼6.3×10⁴ CFU/mL의 결과를 보였다. 이는 바이오차의 혼입이 박테리아의 생존율에 미치는 영향은 중요치 않음을 의미한다.

Fig. 8 Population of bacteria in hardened mortars after CO₂ sequestration measurement