탄소중립형 소파블록을 위한 바이오차 혼합 모르타르의 성능 평가
Assessment on Cement Mortar Containing Biochar for Carbon Neutral Wave Dissipating Block
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Abstract
This study provides a foundational investigation on the potential of sequestering biochar with high carbon content in wave dissipating block, especially tetrapod. By replacing some portion of cement for mortar with rice husks and wood materials in type of biochar, the research evaluates the workability and mechanical properties of biochar-mixed mortar based on varying biochar replacement ratios. The findings reveal that workability remained consistent through all replacement ratios, while mechanical properties showed variability depending on the biochar type. For rice husk biochar, compressive strength increased with higher replacement ratios, albeit with variations under different curing conditions. Both flexural and compressive strengths met standard requirements up to a 6% replacement ratio. In contrast, wood biochar showed a decline in compressive and splitting tensile strengths as the replacement ratio increased, with curing conditions significantly influencing the results. However, flexural strength remained comparable to conventional paving concrete. Overall, both flexural and compressive strengths satisfied standard requirements up to a 6% replacement ratio for both biochar types. The strengths shows possibility for replacement with biochar mortar for tetrapod material.
1. 서 론
전 세계적으로 지구온난화를 비롯한 환경적 파괴를 최소화하기 위해 탄소 저감, 탄소 중립 등 다양한 친환경적인 연구들이 진행 중이며 건설 산업 또한 예외가 아니다. 시멘트는 가장 흔히 사용되는 건설 재료이며 필수적인 요소 중 하나이다. 전 세계적으로 시멘트 산업은 매년 약 5%의 인공 이산화탄소(CO2)를 배출하며, 미국에서의 시멘트가 전체 CO2 배출량의 대략 1% 정도 담당하고 있다. CO2 배출은 온실가스(GHG) 효과에 기여하므로 많은 국가에서 환경에 미치는 부정적인 영향을 완화하기 위해 CO2 배출량을 줄이는 데 노력하고 있다. 따라서 콘크리트 제조 과정에서 시멘트를 대체할 바이오차를 통해 CO2 배출을 저감하는 모르타르의 역학적 특성을 파악하는 것을 목적으로 한다. 특히, 연안에서 방재목적으로 설치되는 소파블록은 다양한 이유로 무근콘크리트로 많이 제작되고 있다. 국내 연안의 경우 대부분의 방파제는 사석보다는 소파블록을 사용하고 있어 콘크리트와 시멘트의 상당한 양이 사용되고 있다. 더불어, 해양과 접한 구조물로 인해 방재 기능과 함께 환경적 문제가 이슈화되고 있다. 아직까지 대부분 소파블록은 시멘트와 골재로 이루어진 콘크리트와 모르타르가 사용되고 있어 이를 대체할 수 있는 재료에 대한 요구는 커지고 있다.
바이오차는 바이오매스(biomass)와 숯(charcoal)의 합성어로, 다공성 구조라는 대표적인 특징이 있으며, 산소가 제한된 환경에서 바이오매스를 열분해하여 만들어지는 탄소 함량이 높은 고형물로 현재 주로 토양개량제로 사용되고 있다. 이 특성을 활용하여 바이오차를 토양에 적용하면 탄소의 저장과 함께 보수력과 양분 흡수력의 증가, 산성화 방지 및 오염물질 흡착 등의 효과를 얻을 수 있다고 알려져 있다(Ippolito et al., 2012; Oliveria et al., 2017). 목재의 주성분인 셀룰로오스와 왕겨를 고온으로 소성할 경우 변환되는 성분인 실리카는 이미 콘크리트의 휨 또는 인장강도의 개선과 내구성 향상을 위한 섬유 보강재와 혼화재로서 많이 활용되고 있으므로, 이들을 주성분으로 갖는 목재 또는 왕겨로 만들어지는 바이오차도 콘크리트와 모르타르에 적용이 가능할 것으로 판단된다(Gupta et al., 2018; Kim et al., 2024; Madandoust et al., 2011; Maljaee et al., 2021; Muthukrishnan et al., 2019; Sirico et al., 2021). 이와 같이 탄소 함량이 높고 콘크리트의 역학적 특성을 개선하는데 효과적인 바이오차를 보통 모르타르에 혼합하여 소파블록을 제작한다면, 시멘트 사용량 저감을 포함한 탄소중립과 휨 또는 인장강도 개선을 통한 균열저항성 및 내구성이 향상될 수 있을 것으로 기대된다.
이 논문은 탄소중립의 대표적 방법인 탄소의 격리 또는 저장이 가능한 새로운 형태의 혼화재료로서 바이오차를 혼입한 모르타르를 소파블록에 활용하기 위한 기초 연구이다. 이를 위하여 탄소함량이 높은 목재와 왕겨를 원료로 하는 바이오차를 시멘트 대체재로서 사용하는데 따른 소파블록용 모르타르의 작업성과 역학적 특성을 파악하는 것을 목적으로 한다. 특히, 모르타르의 성능 중 압축과 인장력에 대한 검토를 통해 시멘트를 바이오차로 대체함과 더불어 성능적인 장점을 검토하고 이를 통해 소파블록으르서의 적용가능성을 평가하고자 한다.
2. 시험
2.1 시험 재료
이 연구의 시험에 사용한 바이오차는 목재(Wood), 왕겨(Rice Husk)를 원료 바이오매스로 하여 생산하는 바이오차 제품을 시멘트 대체할 수 있도록 볼밀을 이용하여 Fig. 1(a)의 시멘트 대체용 목재(Cement Replacement-Wood Based Biochar, CR-WBB)와 Fig. 1(b)의 왕겨(Cement Replacement-Rice Husked Biochar, CR-RHB)를 보인 바와 같이 평균 지름이 10μm 이하로 가공하였다. 그리고, 가공된 바이오차들의 다공성 구조는 전자주사현미경(Scanning Electron Microscope, SEM) 이미지로 Fig. 2와 같이 확인하였다.
Photos of the biochar
SEM image of the biochar
2.2 배합설계
Han and Choi(2023)의 연구에 따르면, 바이오차를 혼입한 시멘트 모르타르 또는 콘크리트의 기초 물성과 역학적 특성은 시멘트 대체율 5%까지 개선 효과가 있는 것으로 보고되었다. 여기서 대체율은 전체 시멘트양에서 바이오차로 대체하는 비중을 의미한다. 또한, Ryu et al.(2024)은 왕겨 바이오차를 혼입한 경우 5% 이상에서 강도가 증가하였다고 보고하였다. 이에 본 연구에서는 선행연구 결과들을 참고하여 바이오차의 시멘트 대체율(Cement Replacement, CR)을 최대 6%까지로 하고, 바이오차 혼입 시멘트 모르타르 배합을 Table 1에 정리한 바와 같이 바이오차를 혼입하지 않은 시멘트 모르타르(C0)와 시멘트 대체율 1%(C1)부터 시멘트 대체율 6%(C6)까지 총 7가지로 하였다.
Design of the mortar mixture
시멘트를 대체한 모르타르의 배합설계는 소파블록에 적용할 수 있도록 휨강도가 높은 시멘트 콘크리트 포장 배합설계지침을 준용하였으며, 작업성 파악을 위하여 KS F 2594에 따른 굳지 않는 모르타르의 플로우 시험을 진행하였다. 바이오차의 대체율과 종류에 따른 모르타르의 역학적 특성을 파악하기 위한 공시체 제작을 위하여 바이오차를 혼입하지 않은 모르타르를 기준으로 시멘트 콘크리트 포장 배합설계지침에서 규정하는 휨강도 4.5MPa 및 국가건설기준(KDS 34 60 10)에서 규정하는 압축강도 17.64MPa을 설계기준강도로 하여 Table 1과 같이 적용하였다.
2.3 시험방법
바이오차 종류 및 대체율에 따른 모르타르의 작업성을 파악하기 위해 Fig. 3(a)에 보인 바와 같이 바이오차 혼입 모르타르를 대상으로 10분 단위로 플로우값를 측정하였다. 역학적 특성을 파악하기 위하여 각 바이오차별로 Table 1의 배합설계를 적용한 압축, 휨 및 쪼갬인장강도 시험용 공시체를 변수별로 각 3개씩 제작하여 28일간 수중양생(Water curing)과 대기중양생(Air curing)을 실시하였다. 그리고, Fig. 3(b)에서 Fig. 3(d)와 같이 만능재료시험기(UTM)을 이용하여 KS에 규정하는 시험방법에 따라 강도시험을 실시하고 파괴 시 측정된 하중들의 평균값으로 휨, 압축 및 쪼갬인장강도를 각각 산정하였다.
Setup of the strength test
3. 시험 결과
3.1 플로우 시험 결과
시멘트 모르타르의 유동성을 평가하는 플로우시험 결과는 Fig. 4(a) and (b)에 나타냈다. Fig. 4(a)를 보면 왕겨 바이오차를 혼입한 경우 대체율이 증가함에도 불구하고 배합 후 40분까지 작업성은 바이오차를 혼입하지 않은 모르타르와 차이가 크지 않은 것으로 나타났다. Fig. 4(b)를 보면 목재 바이오차를 혼입한 경우 또한, 대체율이 증가함에 따라 배합 후 40분까지 작업성이 개선되거나 바이오차를 혼합하지 않은 모르타르와 차이가 크지 않은 것으로 나타났다.
Flow test
3.2 압축강도
탄소 함량이 높고, 모르타르의 성능 개선에 역할을 할 수 있을 것으로 예상되는 목재, 왕겨 바이오차를 시멘트 대체재로 활용하여 28일 동안 수중양생(Water curing)과 대기중양생(Air curing)을 통해 배합한 바이오차 혼입 모르타르 압축강도 시험 결과를 Figs. 5, 6, 7 and Table 2에 정리하였다.
Compressive strength of the biochar-mortars by water curing
Compressive strength of the biochar-mortars by air curing
Comparison of the compressive strength of the CR-WBB and CR-RHB
Results of the compressive strength test
수중양생(Water curing)의 경우 바이오차를 혼입하지 않은 모르타르의 압축강도는 43.25MPa로서, 적용한 설계기준 압축강도 17.64MPa을 만족하는 것으로 나타났다. 바이오차의 종류와 시멘트 대체율에 따라 압축강도가 서로 다르게 측정되었지만, 모두 바이오차를 혼입하지 않은 모르타르보다 높게 측정되었다. Fig. 5를 보면 왕겨 바이오차를 혼입한 경우 비슷한 강도를 나타냈으며, 시멘트가 3% 대체하였을 때 53.44MPa로 가장 높게 나타났고, 목재 바이오차를 혼입한 경우에도 비슷한 강도를 나타냈으며, 시멘트가 6% 대체하였을 때 52.40MPa로 가장 높게 나타났다.
대기중양생(Air curing)의 경우 바이오차를 혼입하지 않은 모르타르의 압축강도는 40.17MPa로 동일하게 설계기준 압축강도를 만족하였다. 수중양생과 같이 바이오차의 종류와 시멘트 대체율에 따라 압축강도가 서로 다르게 측정되었지만, 모두 바이오차를 혼입하지 않은 모르타르보다 높게 측정되었다. Fig. 6을 보면 왕겨 바이오차를 혼입한 경우 비슷한 강도를 나타냈으며, 시멘트가 4% 대체하였을 때 48.35MPa로 가장 높게 나타났고, 목재 바이오차를 혼입한 경우에도 비슷한 강도를 나타냈으며, 시멘트가 5% 대체하였을 때 46.03MPa로 가장 높게 나타났다.
Fig. 7(a)을 보면 수중양생(Water curing)에서 목재와 왕겨를 비교한 그래프가 정리되어있다. 왕겨 바이오차를 혼입한 경우가 시멘트 대체율이 6%일 때를 제외하고 강도가 더 높게 발현됨을 알 수 있다. Fig. 7(b)를 보면 대기중양생(Air curing)에서 목재와 왕겨를 비교한 그래프가 정리되어있다. 시멘트 대체율이 1%일 때를 제외하고 모두 왕겨 바이오차를 혼입했을 때 더 높은 강도가 발현된 것을 알 수 있다.
3.3 휨강도
압축강도와 함께 모르타르의 역학적 특성에 중요한 영향을 미치는 휨강도에 대한 시험 결과를 Figs. 8, 9, 10 and Table 3에 정리하였다.
Flexural strength of the biochar-mortars by water curing
Flexural strength of the biochar-mortars by air curing
Comparison of the flexural strength of the CR-WBB and CR-RHB
Results of the flexural strength test
수중양생(Water curing)의 경우 바이오차를 혼입하지 않은 모르타르의 휨강도는 6.77MPa로서, 적용한 설계기준 휨강도 4.5MPa을 만족하는 것으로 나타났다. 바이오차의 종류와 시멘트 대체율에 따라 휨강도가 서로 다르게 측정되었지만, 모두 설계기준 휨강도보다 높게 측정되었다. Fig. 8을 보면 왕겨 바이오차를 혼입한 경우 시멘트 대체율이 1%일 때부터 2%까지 감소하다가 3%일 때부터 증가했다가 6% 때 다시 감소함을 알 수 있으며, 시멘트가 5% 대체하였을 때 8.66MPa로 가장 높게 나타났고, 목재 바이오차를 혼입한 경우에서는 시멘트 대체율이 조금씩 증가하다가 시멘트 대체율이 5%, 6%일 때 5.94MPa로 가장 높게 나타났다.
대기중양생(Air curing)의 경우 바이오차를 혼입하지 않은 모르타르의 휨강도는 8.38MPa로 설계기준 휨강도를 만족하였다. 수중양생과 같이 바이오차의 종류와 시멘트 대체율에 따라 휨강도가 서로 다르게 측정되었지만, 모두 설계기준 휨강도보다 높게 측정되었다. Fig. 9를 보면 왕겨 바이오차를 혼입한 경우에서는 시멘트 대체율이 3%일 때까지 비슷하며 4% 때 증가하여 9.33MPa로 가장 높게 나타났고, 5%일 때 감소하는 것을 알 수 있다. 목재 바이오차를 혼입한 경우 시멘트 대체율이 4%일 때까지 조금씩 증가하여 9.75MPa로 가장 높게 나타났으며, 5%일 때부터 감소하는 것을 알 수 있다.
Fig. 10(a)을 보면 수중양생(Water curing)에서 목재와 왕겨를 비교한 그래프가 정리되어있다. 왕겨 바이오차를 혼입한 경우가 시멘트 대체율이 2%, 3%일 때를 제외하고 강도가 더 높게 발현됨을 알 수 있다. Fig. 10(b)를 보면 대기중양생(Air curing)에서 목재와 왕겨를 비교한 그래프가 정리되어있다. 시멘트 대체율이 5%일 때를 제외하고 목재 바이오차를 혼입했을 때 더 높은 강도가 발현된 것을 알 수 있다.
3.4 쪼갬인장강도
쪼갬인장강도는 구조용과 포장용 콘크리트에 적용하는 설계기준 강도는 아니지만, 균열 저항성과 내구성 확보에는 큰 영향을 미친다. 이에 대한 시험 결과를 Figs. 11, 12, 13 and Table 4에 정리하였다.
Splitting tensile strength of the biochar-mortars by water curing
Splitting tensile strength of the biochar-mortars by air curing
Comparison of the splitting tensile strength of the CR-WBB and CR-RHB
Results of the splitting tensile strength test
수중양생(Water curing)의 경우 바이오차를 혼입하지 않은 모르타르의 쪼갬인장강도는 3.54MPa로 일반적으로 압축강도의 비로 평가하는 크기인 1/7~1/15에 있음을 확인할 수 있다. Fig. 11을 보면 왕겨 바이오차를 혼입한 경우 시멘트가 2% 대체되었을 때 3.61MPa이며, 가장 큰 강도로 바이오차를 혼입하지 않은 바이오차보다 높은 강도가 발현되었다. 나머지 대체율에서도 바이오차를 혼입하지 않은 모르타르의 87% ~96%의 강도가 발현되었다. 목재 바이오차를 혼입 모르타르에서도 시멘트가 2% 대체되었을 때 3.43MPa에서 가장 큰 강도를 나타냈으며, 나머지 대체율에서는 바이오차를 혼입하지 않은 모르타르의 79%~97%의 강도가 발현되었다.
대기중양생(Air curing)의 경우 바이오차를 혼입하지 않은 모르타르의 쪼갬인장강도는 3.66MPa로 압축강도의 비로 평가하는 크기 안에 있음을 확인할 수 있다. Fig. 12를 보면 왕겨 바이오차를 혼입한 경우 시멘트가 2% 대체되었을 때 4.56MPa이며, 가장 큰 강도로 바이오차를 혼입하지 않은 모르타르보다 높은 강도가 발현되었다. 나머지 대체율에서도 더 높은 강도 혹은 비슷한 강도로 측정되었다. 목재 바이오차를 혼입한 경우에는 시멘트가 5%일 때 4.01MPa로 바이오차를 혼입하지 않은 모르타르보다 높으면서, 가장 높은 강도로 발현되었다. 나머지 대체율에서는 보통 모르타르의 84%~99% 수준의 강도가 발현되었다.
Fig. 13(a)를 보면 수중양생(Water curing)에서 목재와 왕겨를 비교한 그래프가 정리되어있다. 왕겨 바이오차를 혼입한 경우가 모든 시멘트 대체율에서 강도가 더 높게 발현됨을 알 수 있다. Fig. 13(b)를 보면 대기중양생(Air curing)에서 목재와 왕겨를 비교한 그래프가 정리되어있다. 시멘트 대체율이 4%, 5%일 때를 제외하고 왕겨 바이오차를 혼입했을 때 더 높은 강도가 발현된 것을 알 수 있다.
3.5 바이오차와 시멘트 모르타르의 결합
이 연구의 목적인 바이오차의 종류 및 대체율에 따른 역학적 특성은 시멘트 모르타르와 바이오차의 결합이 중요하다. 이를 확인하기 위하여 공시체에 대한 강도시험을 실시하면서 SEM 이미지를 재분석하였다. 목재 바이오차를 관측한 사진은 Fig. 14(a), 왕겨 바이오차를 관측한 사진은 Fig. 14(b)에 제시하였다. 이 그림을 살펴보면, Fig. 2에서 확인한 바와 같이 다공성 구조가 모든 바이오차 혼입 모르타르에서 계속 유지되고 있음을 확인할 수 있고, 바이오차와 시멘트 화합물이 다공성 구조 내부 및 바이오차 표면에 결합된 형상이 있음을 확인할 수 있다.
SEM of the biochar contained cement mortar
3.6 소파블록 적용성 평가
바이오차 모르타르의 특성 중 압축강도와 휨강도는 소파블록 재료로서 적용성을 판단하는 중요한 기준이 된다. 본 연구의 경우 시멘트 모르타르가 갖는 경화 후 강도와 동일하거나 그 이상의 강도를 바이오차 모르타르가 재현하느냐가 중요한 조건이 될 수 있다. Lim et al.(2014)의 연구에서 인장강도에 따른 소파블록의 파괴에 대한 양상 및 저항성을 제시하였으며, 인장강도가 소파블록의 파괴에 큰 영향을 주는 인자이기 때문에 인장강도 개선은 무근콘크리트로 제작되는 소파블록의 내구성을 향상시킬 수 있는 중요한 방안임을 보였다. 본 연구에서 얻어진 결과를 검토하였을 경우, 바이오차 모르타르는 기존 시멘트 모르타르에 비해 동일하거나 향상되는 결과를 제시한 반면, 전반적인 인장강도는 평균적으로 유사하나 바이오차 대체율과 상관없이 상향된 혹은 하향된 값을 보여주는 것을 확인하였다. 휨강도의 경우 바이오차 대체율이 증가함에 따라 5% 대체율까지는 상승하는 양상을 보였고, 쪼갬인장강도의 경우 부분적으로 상향된 수치를 보였다. 이는 친환경적인 재료를 적용함에도 인장강도가 상승하는 결과를 제시하였다. 다만, 대체율과 상관없이 강도가 큰 편차를 보이지 않고 변동성 있는 결과를 보여준다는 것이기 때문에 대체율과 함께 모르타르 제작시 발생할 수 있는 여러 인자의 영향을 추가적으로 검토할 필요가 있다. 또한, 각 조건 별 시료수가 많지 않은 점 또한 문제점으로 검토할 수 있으며 이에 대한 추가적인 연구가 필요하다. 다만, 바이오차로 시멘트를 대체하면서 탄소저감 및 친환경적인 재료를 적용하면서 최소한 동일한 강도를 유지하였다는 것은 그 적용성에 대한 가능성을 보여준다.
4. 결 론
본 연구에서는 소파블록의 재료로서 탄소 격리 효과가 있는 왕겨와 목재 바이오차를 함유한 시멘트 모르타르의 작업성과 역학적 특성을 평가하였다. 이러한 특성을 평가하기 위해 바이오차의 종류와 대체율을 변수로 하여 공시체를 제작하였고, 국가건설기준 및 지침에 따른 압축, 휨 및 쪼갬인장강도 시험을 통하여 다음과 같은 결과를 얻었다.
(1) SEM 이미지 분석을 통하여 목재 및 왕겨 바이오차의 다공성 구조를 확인하였으며, 바이오차를 혼입한 모르타르의 경우에도 시멘트 화합물이 다공성 구조 내부 및 바이오차 표면에 결합되어 있음을 확인하였다.
(2) 작업성을 평가하기 위한 플로우 시험 결과, 왕겨와 목재 모두 시멘트 대체율이 증가함에도 불구하고 배합 후 40분까지 작업성은 바이오차를 혼입하지 않은 모르타르와 차이가 없는 것으로 나타났다.
(3) 압축강도의 경우, 수중양생과 대기중양생 두 조건에서 모두 바이오차를 혼입하지 않은 모르타르의 값인 43.25MPa, 40.17MPa보다 왕겨와 목재를 혼입한 모르타르에서 높은 압축강도가 발현되었다.
(4) 휨강도의 경우, 수중양생과 대기중양생 두 조건에서 모두 설계기준 휨강도 4.5MPa보다 높은 값으로 발현되었으며, 바이오차를 혼입하지 않은 보통 모르타르와 왕겨와 목재를 혼입한 모르타르가 비슷한 수준의 강도로 발현되었다.
(5) 쪼갬인장강도의 경우, 수중양생과 대기중양생 두 조건에서 왕겨와 목재를 혼입한 모르타르는 바이오차를 혼입하지 않은 보통 모르타르의 79~99% 수준 혹은 더 높은 강도로 발현되었다.
무근콘크리트를 활용하는 소파블록의 특성상 휨 및 쪼갬인장강도는 재료로서의 적용을 위해 중요한 인자이다. 바이오차 대체율에 따라 휩강도의 경우 유사하거나 상승하는 강도를, 쪼갬인장강도의 경우 유사한 수준에서 높거나 낮은 강도를 나타내어 가능성과 문제점을 확인하였다. 탄소저감이라는 장점과 함께 동일한 수준의 기능은 소파블록 재료로서의 적용은 가능하며 추후 성능적 검토를 위한 추가적인 인자에 대한 연구가 필요하다.
감사의 글
이 논문은 2024년도 교육부의 재원으로 한국연구재단의 지원을 받아 수행된 지자체-대학 협력기반 지역혁신 사업의 결과입니다. (2021-RIS-002)