3.1.1 입도분포

Fig. 2는 제작된 BALA의 입도분포곡선을 나타낸 것이다. 각 골재의 입도분포는 KS F 2527에 따라 분석되었으며, 점선으로 표시된 영역은 해당 기준에서 제시한 상한치와 하한치를 의미한다. 모든 골재의 입도곡선은 KS 규준 범위 내에 포함되어 있어, 기준에 적합한 입도 특성을 보이는 것으로 확인되었다. 이 중 BC는 2.5 mm 이하 체크기 구간에서 누적 통과율이 급격히 감소하는 경향을 보여, 코팅이 되지 않은 바이오차의 불균일한 입도 특성을 시사한다. 반면, BT10에서 BT50까지의 골재들은 LWA와 유사한 완만하고 균일한 입도 분포를 나타냈으며, BT 혼입률에 따른 변화 폭은 미미하였다. 이는 BT 코팅이 골재의 외부에 얇은 층으로 분포되어 물리적 입자 크기에는 영향을 미치지 않음을 보여준다. 결과적으로, 제작된 BALA 골재들은 혼입률 변화와 무관하게 LWA와 유사한 입도 특성을 유지하였으며, 모두 표준 입도 범위 내에 포함되어 골재 품질 기준을 만족하였다.

Fig. 2 Particle size distribution of fine aggregate

3.1.2 물리적 특성

Fig. 3(a)는 골재의 단위용적질량, Fig. 3(b)는 표면건조포화밀도, Fig. 3(c)는 흡수율을 나타낸 것이다. ASTM 및 KS 기준에 따르면, 경량 잔골재의 단위용적질량은 1.12 kg/L 이하이어야 하며, 본 연구에서 사용된 모든 골재가 이 기준을 만족하였다.

Fig. 3 Physical properties of fine aggregate

BT10-BT30의 단위용적질량은 각각 0.897, 0.906, 0.902 kg/L로, LWA(0.544 kg/L)보다 약 65% 이상 높은 값을 기록하였다. BT40(0.850 kg/L) 및 BT50(0.862 kg/L)은 다소 낮은 수치를 보였으나, 여전히 LWA보다 높은 밀도 특성을 유지하였다. 이는 분말도가 높은 BT와 OPC가 바이오차의 표면 공극을 충진함으로써 밀도가 향상된 것으로 판단된다. 또한, BT와 OPC의 수화 과정에서 생성되는 수화 생성물의 영향일 가능성도 있다 ^{(Ahmad et al., 2022)}. 반면, 코팅되지 않은 BC는 0.239 kg/L로 기준은 만족했으나, 구조용 활용에는 부적절한 수준의 매우 낮은 밀도를 나타냈다.

표면건조포화밀도의 경우, ASTM C330/330M에서는 구조용 경량 콘크리트용 골재로서 1800 kg/m³ 이하일 것을 요구하고 있다. 실험 결과, BT 코팅 골재들은 1600∼1680 kg/m³ 범위로 나타났으며, 이는 LWA(1650 kg/m³)와 유사하고, 규격 기준을 모두 충족하였다. 반면 BC는 1100 kg/m³로, LWA 대비 약 33% 낮은 밀도를 보여 높은 공극률을 가진 다공성 구조임을 시사한다.

흡수율 측정 결과 역시 벤토나이트 코팅의 효과를 확인할 수 있었다. BT10과 BT20은 각각 28.04%, 27.7%로, LWA(29.8%)보다 낮은 수치를 기록하였다. 이는 코팅층이 수분 침투를 차단하는 보호막 역할을 수행함을 보여준다. 그러나 BT30부터는 흡수율이 증가하여, BT50에서는 35.1%에 도달하며 LWA를 초과하였다. 이러한 증가는 과도한 벤토나이트로 인한 수화 방해, 공극 구조 변화 등이 복합적으로 작용한 결과로 판단된다^{(Reddy et al., 2017; Fode et al., 2024)}. BC는 123.5%의 흡수율을 보여, 다공성 구조에 의해 수분을 포화 이상으로 흡수할 수 있는 특성을 드러냈다.

그럼에도 불구하고, 모든 BALA 골재들은 BC보다 현저히 낮은 흡수율을 보였으며, 이는 시멘트 기반의 코팅층이 흡수율 저감에 효과적임을 입증한다. BT10, BT20은 단위용적질량과 밀도 측면에서 구조용 성능을 만족하는 동시에, LWA보다 낮은 흡수율을 구현하여 내구성 측면에서도 우수한 결과를 보였다. 반면, BT30 이상에서는 벤토나이트 과잉 혼입에 따른 공극 증가, 밀도 저하, 흡수율 상승이 발생하며 재료 성능이 저하되는 경향을 나타냈다. 따라서 벤토나이트 함량을 10∼20% 수준으로 제한할 경우, 기존 LWA 대비 더 우수하거나 동등한 성능을 갖춘 구조용 경량골재의 개발이 가능할 것으로 판단된다.

3.1.3 파쇄강도

Fig. 4(a)는 파쇄강도 시험의 설치 상황을, Fig. 4(b)는 각 골재의 파쇄강도 비교 결과를 나타낸다. 실험 결과, BALA 골재는 LWA와 비교하여 파쇄강도 측면에서 일정 수준의 우수성을 보였으나, 동시에 벤토나이트 함량 증가에 따른 기계적 한계도 함께 나타났다.

BT10의 파쇄강도는 2.3 MPa로, 이는 BT 결합재가 바이오차 표면을 효과적으로 결합시켜, 골재의 구조적 일체성을 강화한 결과로 해석된다. 그러나 BT 혼입률이 증가할수록 파쇄강도는 점진적으로 감소하였으며, BT50의 경우 1.1 MPa로, BT10 대비 약 52%의 강도 저하가 발생하였다. 이러한 결과는 과도한 벤토나이트가 공극률 증가 또는 내부 미결합층 형성을 유도하여, 골재의 기계적 저항성을 저하시키는 원인으로 작용했기 때문으로 판단된다. 이와 같은 경향은 ^{Ahad et al. (2018)} 및 ^{Akbar et al. (2013)}의 연구 결과와도 일치하며, 두 연구에서는 벤토나이트 치환율이 증가할수록 압축강도가 감소했으며, BT 입자가 시멘트 입자 주변에 응집되어 수화반응을 방해하고, 그로 인해 수화 생성물의 형성이 제한되면서 입자 간 결합력이 저하된다고 보고하였다. ^{Mushtaq et al. (2022)} 역시 벤토나이트 혼입률의 임계치를 10%로 제시하며, 이보다 높은 함량에서는 오히려 강도 저하가 발생한다고 보고하였다. 또한 BT 함량이 증가하면 시공 시 작업성이 저하되고 다짐이 어려워지며, 결과적으로 기계적 성능이 낮아지는 경향도 함께 나타난다.

코팅이 적용되지 않은 BC는 0.1 MPa 수준의 매우 낮은 파쇄강도를 보여, 구조용 경량골재로서의 활용이 사실상 불가능함을 시사한다. 결론적으로, BT10은 LWA 대비 약 27.8% 향상된 파쇄강도를 기록함으로써, 상용 경량골재를 대체할 수 있는 충분한 성능과 적용 가능성을 지닌 것으로 평가된다.

Fig. 4 Crushing strength of fine aggregate

3.2.1 압축특성

Fig. 5(a)는 압축강도 시험의 설치 상황을, Fig. 5(b)는 다양한 골재를 활용하여 제작된 모르타르의 압축강도 결과를, Fig. 5(c)는 압축에너지 측정을 통해 재료의 파괴 저항성을 나타낸다. 압축에너지는 만능재료시험기(UTM) 상부에 변위계를 설치하여 상대 변위를 측정한 후, 이를 바탕으로 계산되었다.

실험 결과, 28일 기준 BT10M 시편은 36.8 MPa의 압축강도를 기록하여 LWAM(28.2 MPa) 대비 약 30% 향상된 성능을 나타냈다. BT20M 또한 32.6 MPa로 여전히 LWA보다 우수한 강도를 보였으나, BT30M 이후부터는 압축강도가 점진적으로 감소하였다. 최종적으로 BT50M의 강도는 25.3 MPa로 LWAM보다 낮은 수치를 보였다. 이러한 결과는 벤토나이트 함량이 20% 이상을 초과할 경우, 과도한 코팅층이 공극률을 증가시키고 내부 결속력을 저하시켜 재료의 구조적 강도에 부정적인 영향을 미친다는 것을 시사한다 ^{(Fode et al., 2024)}. 한편, 코팅되지 않은 BCM는 15.2 MPa에 불과하여 구조용으로는 부적합한 수준이었다.

압축에너지 측정 결과에서도 유사한 경향이 확인되었다. BT10M은 127.2 J로 가장 높은 에너지 흡수 능력을 보였으며, 이후 BT20M(114.5 J), BT30M(101.3 J), BT40M(85.4 J), BT50M(84.8 J) 순으로 점차 감소하였다. 이는 벤토나이트 함량 증가에 따라 시멘트 구조체 내의 결합력이 약화되며, 이에 따른 연성 저하 및 파괴 저항성 감소가 발생함을 보여준다. 반면, BCM는 압축강도는 낮았지만 147.7 J의 높은 압축에너지를 기록하였다.

압축에너지와 강도의 비율(J/MPa)을 비교하면, BT10M은 3.45, BT50M은 3.34로 나타났으며, 이는 LWAM(4.22) 및 BCM(9.70)보다 낮은 수준이다. 이 결과는 BT가 혼입된 모르타르가 상대적으로 강도 중심의 특성을 가지며, 높은 연성은 기대하기 어렵다는 점을 시사한다. 이는 BT 입자의 응집력이 낮아 시멘트 매트릭스 내에서 표면을 따라 쉽게 분리될 수 있기 때문으로 해석된다.

BT10M은 수화반응을 방해하지 않으면서, 미세공극을 충진하는 필러 역할을 수행함으로써 기계적 성능 전반에서 가장 우수한 결과를 보였다. 따라서 적정 수준의 벤토나이트 혼입은 모르타르의 압축강도와 파괴 저항성 모두를 향상시키는 데 효과적인 전략이 될 수 있다. 그러나 과도한 혼입은 오히려 성능 저하를 초래할 수 있으므로, 적정 혼입률의 설정이 구조 성능 확보에 있어 핵심적인 요소임을 확인할 수 있다.

Fig. 5 Compressive properties of mortar specimens

3.2.2 변형특성

Fig. 6(a)는 가장 우수한 특성을 보인 BT10M과 기준 시편들의 응력–변형률 곡선을, Fig. 6(b)는 각 시편들의 탄성계수를 나타낸 것이다. 응력-변형률 곡선에서 실선은 14일 재령, 점선은 28일 재령에서의 거동을 보여준다. 압축 탄성계수는 ASTM C469 기준에 따라 산정되었다. Table 3에는 각 시편의 최대 압축 변형률이 정리되어 있다.

BT10M-BT50M 시편들은 압축 하중 하에서의 기계적 응답, 강성, 연성 거동에서 LWAM 및 BCM와 뚜렷한 성능 차이를 보였다. 응력–변형률 곡선에서 BT10M은 가장 높은 최대 응력과 가파른 초기 기울기를 나타내면서도, 파괴 이후 급격한 강도 손실 없이 점진적인 연화 곡선을 형성하였다. 이는 BT10M이 초기 강도와 후반부 연성을 동시에 확보한 복합재임을 보여준다. 28일 기준 탄성계수 결과에서는 BT10M과 BT20M이 각각 16.5 GPa, 14.3 GPa로 가장 높았고, 이는 기존 LWAM(15.7 GPa)를 상회하거나 유사한 수준이다. BT30M-BT50M은 벤토나이트 함량 증가에 따라 10.6-12.3 GPa로 점진적으로 감소하였다. 이는 과도한 코팅으로 인한 골재 내 응집 불균일성과 내부 공극 증가로 해석된다. 반면 BCM는 6.7 GPa에 그쳐, 골재의 강성 재료로서 부적절함을 보였다.

극한 압축변형률(ultimate compressive strain, ε c u )은 복합체의 연성을 정량적으로 측정하는 지표이며, Table 3에 따르면 BCM는 28일 기준 최대 압축 변형률이 0.0045 mm/mm로 측정되어 모든 골재 중 가장 높은 변형률을 나타냈다. 이는 ^{Li et al. (2025)}의 연구와 일치하며, 해당 연구에서는 바이오차 입자가 콘크리트 내 응력장을 조절해 국부적인 응력 집중을 완화시키는 완충재 역할을 수행한다고 보고하였다. BALA 골재 혼입 시험체에서도 유사한 경향이 관찰되었다. BT10M의 28일 기준 ε c u 는 0.0039 mm/mm으로, LWAM(0.0027 mm/mm)보다 약 44% 높고, BT50M(0.0023 mm/mm)보다 약 70% 이상 높은 수치를 나타냈다. 이는 BT10M이 높은 강도뿐만 아니라 우수한 변형능력과 연성 확보에도 탁월하다는 것을 입증한다. BT20M과 BT30M도 각각 0.0033 및 0.0032 mm/mm로, 기존 LWAM보다 우수한 수준을 유지하였다. 반면 BT40M∼BT50M은 변형 한계가 감소하며 구조용 재료로서의 연성 요구치를 점차 벗어나는 양상을 보였다. 특히 LWAM는 상대적으로 높은 탄성계수를 유지하였으나, 극한 변형량이 제한적으로, 취성적 파괴 특성을 가지는 재료로 해석된다.

Fig. 6 Mechanical properties of mortar specimens

BCM는 극한 변형률에서 0.0045 mm/mm로 가장 높았으나, 탄성계수와 압축강도가 낮아, 구조용이 아닌 비구조적 흡수재나 충전재로서의 용도에 적합하다고 판단된다. 결론적으로, BT10M-BT20M은 높은 강도, 탄성계수, 변형률을 동시에 확보한 이상적인 구조용 경량골재 복합체로 평가되며, 특히 BT10M은 응력–변형률 곡선상 가장 완만한 파괴 경로를 보여, 실제 구조물에 적용 시 균열 전파 지연, 변형 분산, 에너지 흡수 증가와 같은 다양한 안전성 요소에서 우수한 성능을 기대할 수 있다.

3.2.3 미세구조

Fig. 7(b)–(g)는 BC 및 BALA의 주사전자현미경(SEM) 이미지를 500–1,000배 배율로 촬영한 것으로, 골재 내 미세구조를 효과적으로 시각화하였다. Fig. 7(a)-(f)는 BC 및 BT10∼BT50 골재들의 미세구조를 나타낸 것이다. BC는 매우 불균일한 다공성 구조를 보이며, 다수의 큰 기공과 연결된 내부 공극들이 관찰되었다. 이러한 구조는 흡수율이 매우 높은 실험 결과와 일치하며, 낮은 탄성계수와 압축강도의 주요 원인으로 작용한 것으로 판단된다.

BT10은 미세 입자들이 표면에 균일하게 코팅된 형태를 보였으며, 벤토나이트 입자가 기공을 효과적으로 차단하고 있었다. 시멘트 매트릭스와의 계면에서도 치밀하고 균질한 코팅층이 형성되어 있어, 우수한 계면 결합이 확보되었음을 시사한다. 이러한 구조적 특징은 가장 낮은 흡수율과 동시에 우수한 압축강도 및 탄성계수를 기록한 실험 결과와 일관성을 보인다. BT20 역시 BT10과 유사한 치밀한 구조를 유지하였으나, 일부 영역에서는 벤토나이트 코팅층의 불연속성과 미세공극이 관찰되었다. 물성 측정 결과에서도 흡수율은 낮았지만, 기계적 특성은 BT10 대비 소폭 감소한 것으로 나타났으며, 이는 관찰된 미세구조의 차이에서 기인한 것으로 해석된다. 한편 BT30부터는 벤토나이트 코팅층의 연속성과 조밀함이 감소하고, 내부에 불규칙한 공극이 관찰되기 시작하였다. BT40 및 BT50에서는 공극의 크기가 더욱 커지고, 벤토나이트 층이 불균질하게 분포하며, 부분적으로 균열 또는 박리된 형태로 나타났다. 특히 BT50에서는 두꺼운 벤토나이트 층 내부에서 미세기공과 균열이 형성되었고, 골재와 시멘트 매트릭스 사이의 계면 결합이 느슨해진 모습이 뚜렷하게 확인되었다. 이러한 미세구조 변화는 흡수율 증가, 탄성계수 및 압축강도의 감소, 연성 저하로 이어졌으며, 과도한 벤토나이트 코팅이 오히려 기계적 성능을 저해할 수 있음을 시사한다. 특히 BT30 이상에서는 골재와 매트릭스 간 경계면이 뚜렷하게 드러나고, 계면 접착력이 저하되어 내구성에 부정적 영향을 미칠 수 있다.

Fig. 7 SEM result

BC 및 BALA 골재들의 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. 분석 결과는 Fig. 8에 정량적으로 제시하였다. BC의 경우, 다공성 구조로 인해 큰 공극이 17개, 작은 공극이 271개로 확인되어 전체 골재 중 가장 많은 수의 공극을 나타냈다. BT10의 경우 BT의 혼입에 따른 미세입자와 포졸란 반응으로 인해 형성된 물질들이 공극 충진 역할을 하며 바이오차의 다공성을 억제한 것으로 판단된다. 또한 SEM 이미지에서는 바이오차 입자가 수화 생성물 및 BT에 의해 피복된 형태가 관찰되었으며(Fig. 7b), 이는 바이오차 표면 및 내부 다공성 구조가 생성물들에 의해 충진되었음을 의미한다. 이러한 미세구조적 변화는 시편 내 조밀하고 균질한 구조 형성을 유도하였으며, 결과적으로 기계적 강도 증가에 기여한 것으로 판단된다. 반면, BT40 및 BT50에서는 각각 큰 공극이 10개, 14개, 작은 공극은 223개, 261개로 증가하여 공극 수가 크게 늘어났다. 이는 BT의 혼입률이 증가할 경우, 시멘트의 수화 속도보다 느린 포졸란 반응으로 인해 공극 충진 저하, 시멘트 함량 감소에 따른 C-S-H 겔 형성 감소 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(Fig. 7e-f), 이는 수화 반응이 충분히 진행되지 못한 상태에서 잔류한 바이오차가 오히려 공극 형성에 기여했음을 시사한다. 결론적으로, SEM 분석 결과는 벤토나이트 함량이 10∼20%일 때 가장 이상적인 코팅 구조가 형성되며, 이는 고강도, 고탄성, 낮은 흡수율이라는 실험 결과와 밀접하게 연결되어 있다. 반면, 30% 이상 혼입 시 코팅층의 균일성이 저하되고, 공극 연결성과 계면 결함이 증가하여 구조적 성능의 저하로 이어질 수 있음을 명확히 보여준다.

Fig. 8 Number of pore