벤토나이트 코팅 바이오차 기반 경량골재의 제조 및 역학적 특성
Manufacture and Mechanical Performance Evaluation of Biochar-Based Lightweight Aggregate Coated by Bentonite
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초록
이 연구는 시멘트 산업의 탄소 배출 문제에 대응하기 위해 바이오차를 활용한 인공 경량골재(BALA)를 개발하고, 이를 모르타르에 적용하여 구조용 건축재료로서의 가능성을 평가하였다. 바이오차는 높은 탄소 저장 능력을 가지나, 콘크리트 혼합 시 물리적 제약이 존재하므로 이를 해결하기 위해 벤토나이트와 시멘트를 결합한 코팅 방식을 적용하여 BALA를 제작하였다. 실험 결과, BALA는 입도, 밀도, 흡수율등 물리적 특성에서 상용 경량골재(LWA)와 동등하거나 더 우수한 성능을 보였으며, 특히 BT10M 시편은 36.8 MPa의 압축강도, 16.5 GPa의탄성계수, 0.0039 mm/mm의 극한 변형률을 기록하며 기계적 성능과 연성에서 우수한 결과를 나타냈다. 미세구조 분석에서도 BT10∼BT20 혼입률에서 가장 치밀하고 균일한 코팅층이 형성되어 높은 강도와 내구성의 기반이 되었음을 확인하였다. 본 연구는 바이오차 기반 골재가 구조용 경량골재에 실질적으로 적용 가능하며, 동시에 탄소 격리 수단으로 기능할 수 있음을 입증하였다.
Abstract
This study aimed to address the carbon emissions issue in the cement industry by developing biochar based artificial lightweight aggregates (BALA) and evaluating their applicability as structural construction materials through mortar incorporation. While biochar possesses high carbon sequestration potential, its direct application in concrete poses physical limitations. To overcome these challenges, a coating technique combining bentonite and cement was employed in the fabrication of BALA. Experimental results demonstrated that BALA exhibited physical properties such as particle size distribution, bulk density, and water absorption that were comparable to or superior to those of commercial lightweight aggregates (LWA). In particular, the BT10M specimen achieved a compressive strength of 36.8 MPa, an elastic modulus of 16.5 GPa, and an ultimate compressive strain of 0.0039 mm/mm, indicating excellent mechanical performance and ductility. Microstructural analysis further revealed that BALA with 10 to 20% bentonite content formed dense and uniform coating layers, contributing to enhanced strength and durability. The findings confirm that biochar based aggregates can be effectively applied as structural lightweight aggregates while simultaneously serving as a viable carbon sequestration strategy in the construction industry.