2.1 바이오차

바이오차는 왕겨, 목재, 가축 분뇨 등 다양한 바이오매스를 원료로 하여 제조될 수 있으며, 원료의 종류 및 제조 조건에 따라 물리⋅화학적 특성이 상이하다. 본 연구에서는 ^{Kang et al. (2025a)}를 참고하여 높은 탄소 함유량을 가지는 목질계 바이오차를 사용하였다.

해당 바이오차는 국내 K사에서 생산된 목재 팰릿 기반 제품으로, 650∼850°C 범위에서 열분해된 것이다. 바이오차는 높은 흡수성을 고려하여 100±5°C 조건에서 24시간 동안 충분히 건조하였으며, 이후 시멘트 매트릭스 내의 filler effect를 기대하여 Roll mill을 이용해 250 rpm 조건에서 30분 이상 분쇄하였다. 분쇄된 바이오차의 입도 분포는 PSA (Particle Size Analiysis)를 통해 정량적으로 평가하였으며, 미세구조 및 화학적 조성을 분석하기 위해 SEM (Scanning Electron Microscope), SEM-EDX (Scanning Electron Microscope-Energy Dispersive X-ray Spectrometer) 및 XRF (X-ray Fluorescence) 분석을 수행하였다.

2.2 배합 및 시편 제작

본 연구에서 제작한 콘크리트의 배합비는 Table 1에 제시하였다. 콘크리트의 목표 설계기준강도는 24 MPa로 설정하였으며, 주요 변수는 시멘트 중량 대비 바이오차 (Biochar, BC)의 치환율 (3%, 5%, 7%)이다. 바이오차의 혼입률은 선행연구를 참고하여 혼입률 별 차이를 비교하기 위해 3∼7% 범위로 설정하였다. 바이오차의 높은 수분 흡수율은 작업성을 저하시키는 것으로 보고되고 있으며^{(Choi et al., 2012; Gupta and Kua, 2018)}, 이를 고려하여 바이오차를 혼입한 배합에는 결합재 중량 대비 0.2%의 고성능 감수제 (Super Plasticizer, SP)를 혼입하였다.

콘크리트 타설 직후 굳지 않은 콘크리트의 특성을 평가하기 위해 슬럼프 시험과 공기량 시험을 각각 ^{KS F 2402, KS F 2421}에 따라 수행하였다. 압축강도, 휨강도 및 건조수축 시험을 위한 공시체는 각 시험 당 Table 2에 제시한 수량의 공시체를 제작하였다. 압축강도 시험용 공시체는 ^{KS F 2403}에 따라 ⌀100 mm × 200 mm의 원주형으로, 휨강도 시험용 공시체는 100 × 100 × 400 mm 각주형으로 제작하였다. 압축강도 시험은 수중양생 및 기건양생 조건으로 구분하여 재령 28일에 수행하였으며, 휨 강도 시험은 수중양생 조건에서 재령 28일에 실시하였다. 압축강도시험 시 공시체 양측에 LVDT (Linear Variable Differential Transformer)를 설치하여 축방향 변형을 계측하고 이를 바탕으로 정적 탄성계수를 산정하였다. 휨강도 시험은 4점 재하 방식으로 수행하였으며, 압축강도, 휨강도 및 건조수축 시험 전경은 Fig. 1에 제시하였다.

건조수축 시험용 공시체는 ^{KS F 2424}를 참고하여 100 × 100 × 400 mm 각주형 공시체로 제작하였으며, 자유 건조수축 조건에서 길이 변화를 측정하였다. 건조수축 측정 시 ^{Park et al. (2011)}의 연구를 참고하여 측정 편차가 큰 다이얼 게이지 대신 매립형 게이지를 사용하였다. 매립형 게이지는 표점거리 60 mm의 센서를 사용하여 각주형 공시체의 중앙부에 매립하였으며, 이에 대한 개략적인 배치는 Fig. 2에 모식도로 나타내었다. 건조수축 시험은 온도 20 ± 3°C, 상대습도 60 ± 5% 조건에서 90일간 수행하였다.

Fig. 1. Test setup

Fig. 2. Schematic of embedded gauge setup

3.1 바이오차의 재료적 특성

Fig. 3은 분쇄된 바이오차의 PSA 측정 결과를 나타낸 것이다. $D_{10}$, $D_{50}$ 및 $D_{90}$은 각각 3.486 $\mu m$, 20.552 $\mu m$, 및 91.697 $\mu m$로 나타났으며, 평균 입경은 32.92 $\mu m$이다. ^{Gupta et al. (2018a)}은 바이오차의 입경이 20 $\mu m$ 이하일 경우 시멘트 매트릭스 내에서 미세 충진재로 작용할 수 있다고 보고하였다. 본 연구에서는 $D_{50}$이 약 20 $\mu m$ 수준으로 나타났다는 점을 고려하면, 일정 수준의 Filler effect를 기대할 수 있을 것으로 판단된다.

Fig. 4는 분쇄된 바이오차를 각각 ×20k와 ×10k 배율로 관찰한 SEM을 나타낸 것이다. Fig. 4(a)에서는 바이오차의 다공성 미세구조가 관찰되었으며, Fig. 4(b)에서는 ^{Gupta et al. (2020)}의 보고와 유사하게 분쇄 과정에서 일부 거대 기공 구조가 파괴된 형상이 확인되었다.

Table 3는 바이오차의 XRF 분석 결과이다. 분석 결과 MgO, $SiO_2$, CaO 등이 나타났으며, 목질계 바이오차를 활용한 기존 연구와 유사한 결과를 확인하였다^{(Hamidi et al., 2025)}.

Table 4 및 Fig. 5는 바이오차의 SEM-EDX 분석 결과를 나타낸 것이다. EDX 스펙트럼에서 탄소에 해당하는 피크가 우세하게 관찰되었으며, 탄소 원소 맵핑 결과 시료 전반에 걸쳐 탄소가 균일하게 분포하는 것을 확인하였다. 원소 조성은 탄소 함량이 85.35 wt%로 가장 높게 나타났으며, 산소는 12.78 wt%로 확인되었다. 본 연구에서는 EDX로 측정된 wt% 값을 각 원소의 원자량을 고려하여 몰수로 환산한 후 O/C (Oxygen to Carbon) 비율을 계산하였으며, 그 결과 O/C 비율은 0.11로 산정되었다. 이는 목질계 바이오차를 사용한 선행 연구와 유사한 결과를 나타내었다^{(Gupta and Kua., 2018; Kang et al., 2025b)}. 일반적으로 O/C 비율이 0.2 미만인 바이오차는, 최소 1000년 이상의 반감기를 갖는 것으로 보고된다^{(Spokas et al., 2010)}. 이러한 결과로부터, 본 연구에서 사용한 목질계 바이오차는 ASCM 적용 시 장기간에 걸쳐 탄소를 안정적으로 격리할 수 있는 잠재력을 지닌 것으로 볼 수 있다.

Fig. 3. PSA of Biochar

Fig. 4. SEM of biochar

Fig. 5. SEM-EDX Spectrum

3.2 굳지 않은 콘크리트의 특성

Fig. 6은 바이오차의 혼입률에 따른 굳지 않은 콘크리트의 슬럼프 및 공기량 변화를 나타낸 것이다. 바이오차 혼입률이 증가함에 따라 슬럼프와 공기량은 모두 감소하는 경향을 보였다. 공기량은 혼입률 증가에 따라 감소하였으며, 이는 미세 입자의 혼입으로 인해 입자 간 공극이 감소한 데 따른 결과로 예상된다^{(Han and Choi, 2023)}. 슬럼프는 바이오차 혼입률 증가에 따라 현저히 감소하였으며, BC_7% 배합에서는 Plain 대비 약 50% 감소하였다. 이는 바이오차의 높은 흡수성에 인해 유효 수분량이 감소한 것에 기인한 것으로, 선행 연구 결과와 일치한다^{(Abbas et al., 2025)}.

Fig. 6. Fresh concrete properties

3.3 콘크리트의 역학적 특성

압축강도 시험 및 정탄성계수 측정은 KS F 2405 및 KS F 2438을 참고하여 수행하였으며, 그 결과를 Fig. 7에 나타내었다. 전반적으로 바이오차를 혼입한 배합은 기건양생 대비 수중양생 조건에서 더 높은 압축강도를 나타냈다. 이는 바이오차의 높은 흡수성으로 인해 수화에 필요한 유효 수분량이 감소하지만^{(Suarez-Riera et al., 2023)}, 수중양생 시에는 외부로부터의 지속적인 수분 공급으로 인해 수화 반응이 보다 원활하게 진행되었기 때문이다^{(Chen et al., 2023)}. 이러한 경향은 ^{Gupta and Kua (2018)}가 보고한 사전 침지된 바이오차를 혼입 시 압축강도가 증가한다는 결과와 유사하다. 바이오차 혼입 시 압축강도는 내부양생 효과로 3∼5%의 적정 혼입률 범위에서 증가하는 경향을 보였으나, BC_7% 배합에서는 강도하락이 관찰되었다. 이는 시멘트량 감소로 인한 것으로 판단된다.

정탄성계수 시험 결과, 바이오차 혼입률 증가에 따른 일정한 변화 양상은 나타나지 않았다. 이는 바이오차 혼입이 시멘트 기반 재료의 정적 탄성계수에 유의미한 영향을 미치지 않는다는 기존 연구 결과와 일치한다^{(Gupta et al., 2018b; Han and Choi, 2023)}. Fig. 7에서 나타난 바와 같이 BC_3% 배합에서는 탄성계수가 소폭 증가하였으며, 이는 바이오차의 수분 흡수 특성에 따른 내부 함수율 증가와 관련된 것으로 판단된다. 이러한 경향은 콘크리트의 내부 함수율 증가에 따라 탄성계수가 증가함을 보고한 ^{Liu et al. (2014)}의 결과와 유사하다. 반면, BC_5 및 BC_7%에서 관찰된 탄성계수의 감소는 내부 함수율이 증가함에도, 시멘트 치환율 상승에 따라 시멘트 성분의 비율이 감소한 데 따른 결과로 판단된다^{(Gupta et al., 2018b)}.

기건양생 조건에서 혼입률 간 탄성계수 차이는 BC_3%와 BC_7% 배합 사이에서 가장 크게 나타났으며, 약 2.7 GPa로 수중양생 조건(4.1 GPa)에 비해 약 34% 작았다. 이는 수중양생 조건에서 상대적으로 높은 함수율로 인해 수분 조건의 영향이 더 크게 작용한 결과로 해석된다. 종합하면, 본 연구 범위에서 관찰된 탄성계수의 변화는 양생 조건 및 배합 구성 변화에 따른 부수적 영향으로 판단되며, 바이오차 혼입이 정적 탄성계수에 미치는 직접적인 영향은 제한적인 것으로 볼 수 있다.

휨강도 시험은 KS F 2408을 참고하여 수행하였으며, 그 결과는 Fig. 8에 나타내었다. 바이오차를 혼입한 배합에서 휨강도가 향상되는 경향이 관찰되었다. 이는 바이오차가 콘크리트 내부 기공을 충전하여 공극 구조를 조밀하게 형성하기 때문으로 보고되고 있다^{(Patel et al., 2025)}. 또한 ^{Sirico et al. (2022)}는 바이오차 첨가 시 균열 후 거동이 개선되고 연성이 증가함을 보고하였으며, 이러한 특성이 휨 하중 조건에서의 강도 발현에 기여하는 것으로 판단된다.

Fig. 7. Compressive strength and elastic modulus of concrete

Fig. 8. Flexural strength of concrete

3.4 콘크리트의 건조수축 특성

콘크리트의 건조수축은 단위수량의 영향을 크게 받으며, 단위수량이 증가할수록 건조수축이 증가하는 것으로 알려져 있다^{(Jeon et al., 2024)}. 본 연구 배합은 W/B 0.50에 해당하므로 비교적 단위수량이 큰 조건에 해당한다. 또한, 기존 연구에서도 W/B가 비교적 높은 조건에서는 자기수축의 영향이 제한적인 것으로 보고되었으며^{(Rasoolinejad et al., 2019; Tang et al., 2021)}, 바이오차 혼입 시 자기수축이 감소하는 경향 또한 제시된 바 있다^{(Gupta et al., 2020; Lin et al., 2026)}. 이를 종합하면, 본 연구에서 측정된 수축 거동은 총수축에 해당하나, 자기수축의 기여는 제한적일 것으로 판단된다.

Fig. 9는 각 배합의 90일간의 콘크리트 수축 결과를 나타낸 것이다. 본 연구 결과, 바이오차를 혼입한 모든 배합에서 Plain 대비 최대 약 15.9%의 수축 저감이 확인되었다. 이는 바이오차의 다공성 구조가 혼합 및 수화 초기 단계에서 자유수의 일부를 흡수하여 수분 증발에 따른 수축을 완화한 데 기인한 것으로 해석된다. 아울러 바이오차에 저장된 수분이 수화 과정 중 점진적으로 방출되면서 내부 양생 효과를 발현한다. 특히, 바이오차의 다공성 구조는 수분을 방출한 후에도 수축이 거의 발생하지 않아, 건조수축 저감에 기여하는 것으로 보고되고 있다^{(Muthukrishnan et al., 2019; Gupta et al., 2020)}.

또한, 바이오차의 거친 표면은 시멘트 매트릭스와의 기계적 맞물림을 형성하며, 바이오차 기공 표면에서 서서히 공급되는 수분은 계면전이영역(Interfacial Transition Zone, ITZ) 내 수화 생성물의 발달을 촉진한다. 이에 따라 ITZ는 보다 치밀한 미세 구조를 형성하는 것으로 보고되고 있다^{(Chen et al., 2023; Wang et al., 2025)}. 이러한 ITZ의 치밀화는 계면 부근의 모세관 공극률을 감소시켜 수분 증발을 억제하고, 건조수축 저감에 기여하는 것으로 보고되고 있다^{(Chen et al., 2023; Lin et al., 2023)}.

Fig. 10은 건조수축이 완료된 후 시편 일부를 SEM으로 촬영한 결과이다. Fig. 10(a)에서는 골재와 시멘트 페이스트의 경계를 따라 ITZ에 미세 균열이 형성되어 있으며, 균열을 기준으로 골재와 시멘트 페이스트가 명확히 분리되는 양상이 나타난다. 이는 건조 과정에서 해당 계면이 수분 이동 및 응력 집중에 취약한 구간으로 작용했을 가능성을 보여준다. 반면, Fig. 10(b)에서는 바이오차와 시멘트 페이스트 간의 ITZ에서 Fig. 10(a)와 같은 미세 균열이나 이격이 관찰되지 않았으며, 바이오차와 시멘트 페이스트가 비교적 밀착된 상태를 유지하고 있다.

수축량은 Plain, BC_3%, BC_7%, BC_5% 순으로 나타났다. 이는 혼입률 증가에 따라 바이오차가 저장하는 수분량이 증가하면서 내부양생 효과가 강화되어 전반적인 수축 저감 효과가 발현된 결과로 판단된다. BC_3% 배합에서는 Plain 대비 약 95.28 $\mu\epsilon$의 수축 감소가 나타났다. 다만, 치환율이 상대적으로 낮아 BC_5% 대비 수축 저감 폭은 크지 않은 것으로 해석된다. BC_5% 배합에서는 내부양생 효과의 발현과 ITZ의 치밀화가 복합적으로 작용하여 가장 큰 수축 저감을 나타내며, Plain 대비 약 171.38 $\mu\epsilon$ 감소하였다.

특히 BC_7% 배합에서는 초기 재령에서 다른 바이오차 혼입 배합에 비해 수축량이 상대적으로 가파르게 증가하는 경향을 보였다. 이는 Fig. 6에서 나타난 것 처럼 내부 유효 수분량이 일시적으로 감소하여 초기 시멘트 매트릭스의 형성이 다소 저해되었으며^{(Barbhuiya et al., 2024)}, 이와 함께 시멘트 대체율 증가에 따른 매트릭스 치밀성 저하 및 공극률 증가가 복합적으로 작용하였기 때문으로 해석된다^{(Kim et al., 2022)}. 이후 저장된 수분이 점진적으로 방출되면서 수축이 완화되었고, 최종 재령에서 Plain 대비 약 149.09 $\mu\epsilon$ 감소하였다. 이러한 이유로 BC_5% 대비 BC_7%에서 수축 저감 효과가 감소한 것으로 해석된다.

Fig. 9. Shrinkage of concrete under drying condition

Fig. 10. Comparison of ITZ microstructures