바이오차 표면 전처리가 플라이애시 지오폴리머 모르타르의 압축강도 및 탄소 저장에 미치는 영향

국문 초록 (Abstract)

기후 위기 대응을 위해 시멘트 산업의 CO2 감축이 시급한 가운데, 지오폴리머가 대안으로 부상하고 있다. 재료 자체에 능동적인 탄소 고정 능력을 부여하기 위한 연구도 요구된다. 이를 위해 바이오차를 혼입하는 접근이 제안되지만, 바이오차의 소수성 표면과 지오폴리머 겔 사이의 계면 비친화성은 복합체의 역학적 성능을 저하시키는 근본적인 한계로 작용한다. 따라서 본 연구는 왕겨 바이오차의 표면 전처리 방식이 플라이애시(FA) 기반 지오폴리머 모르타르의 압축강도와 탄소 저장 능력에 미치는 영향을 규명하였다. 실험을 위해 무처리(U), 산처리(A, 1M HNO3), 알칼리처리(K, 1M NaOH), 산-알칼리 연속처리(AK)의 네 가지 조건으로 바이오차를 준비하여 표준사 질량 대비 2~6% 치환하였다. 결합재는 FA 단독, 활성화 용액은 8M NaOH와 Na2SiO3 (Na2SiO3/NaOH=2.5, Solution/Binder=0.60)를 사용하였으며, 60°C에서 24시간 초기 양생을 거쳤다. 28일 압축강도 측정 결과, 전처리 방식에 따라 성능 차이가 관찰되었다. 기준배합(REF, 20.56 MPa) 대비, 4% 치환율에서 산-알칼리 연속처리(AK-4) 시편이 16.74 MPa (약 81%)로 가장 우수한 강도를 보였다. 반면 산처리(A-4, 12.32 MPa, 약 60%), 무처리(U-4, 9.27 MPa, 약 45%), 알칼리처리(K-4, 8.88 MPa, 약 43%) 시편은 상대적으로 낮은 강도에 머물렀다. 초기(재령 3일 및 7일) 강도에서도 AK 전처리가 초기 반응부터 장기 강도까지 전반적인 지오폴리머 겔화 균형을 달성하는 데 효과적임을 시사하였다. 이러한 강도 차이는 전처리에 따른 바이오차의 물리·화학적 특성 변화에 기인한다. AK 처리는 BET 비표면적을 73.3 m2/g 수준으로 크게 확대시키고(U, A는 약 6-7 m2/g), O/C 원자비를 0.092에서 0.204로 높여 표면의 산소 작용기(-OH, -COOH)를 풍부하게 만들었다. 또한 현탁액 pH를 10.33으로 조절하여 지오폴리머 반응 환경과의 화학적 친화도를 높였다.
미세구조 분석은 AK 처리가 계면 치밀화에 미치는 영향을 뒷받침한다. FT‑IR 분석에서 AK‑4 시편은 지오폴리머의 주 결합 밴드(Si‑O‑T, ~985 cm-1)가 기준배합과 유사한 위치에서 상대적으로 강하게 나타난 반면, U‑4는 밴드가 고파수(~994 cm-1)로 이동하여 겔 발달이 불충분함을 보였다. 고배율 SEM 관찰에서는 AK‑4 시편의 바이오차 주변을 따라 비교적 연속적인 밝은 겔 띠가 확인되어, 계면전이영역(ITZ)이 상대적으로 치밀하게 형성된 것으로 해석되었다. MIP 분석에서 AK‑4는 총공극률(29.38 %)이 U‑4(27.25 %)보다 높았음에도 불구하고, 벌크 밀도는 1.845 g/mL 로 U‑4(1.632 g/mL)나 REF(1.639 g/mL)보다 높게 나타났다. 이는 AK 전처리가 바이오차의 습윤성을 향상시키고 이종 핵 생성을 촉진하여 보다 균일한 겔화를 유도함으로써, ITZ 부근의 하중 지지 골격을 상대적으로 조밀하게 만들었기 때문으로 해석된다. 그 결과 벌크 밀도 상승이 총공극률 증가에 따른 강도 저하를 부분적으로 상쇄한 것으로 볼 수 있다. 탄소 저장 성능 평가 결과, 4% 치환 시 AK‑4가 3.629 wt%, 6% 치환 시 AK‑6가 5.444 wt%로 동일 치환률 조건에서 비교적 높은 CO2 저장량을 보였다. 산‑알칼리 연속 전처리(AK)는 산세척을 통한 불순물 제거 및 작용기 도입과 알칼리 전처리를 통한 비표면적 및 알칼리성 확보가 함께 작용하여 ITZ의 겔 코팅과 치밀화를 유도하는 경향을 보였다. 이로 인해 바이오차 혼입에 따른 공극 증가가 완화되고, 역학적 성능 저하를 어느 정도 억제하면서 탄소 저장 효율을 향상시킬 수 있는 가능성이 확인되었다. 본 연구 결과는 강도 유지가 상대적으로 중요할 경우에는 AK-4가, 탄소 저장량을 우선할 경우에는 AK-6가 본 연구 범위에서 실용적인 설계 대안이 될 수 있음을 시사한다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

The construction sector is a major source of CO2 emissions, largely because Portland cement production is energy-intensive. Geopolymers based on aluminosilicate-rich industrial by-products such as fly ash have been proposed as lower-carbon alternatives to Portland cement binders. In parallel, biochar produced by biomass pyrolysis can store biogenic carbon over long time scales. This study explores a fly-ash-based geopolymer mortar in which rice-husk biochar replaces part of the sand so that the hardened material can act as a carbon sink. A key difficulty is that the hydrophobic surface of untreated biochar adheres poorly to the hydrophilic geopolymer gel, leading to a weak interfacial transition zone (ITZ) and a loss of mechanical strength.
To address this issue, we examined whether adjusting the surface chemistry of biochar could improve the ITZ. Four types of rice-husk biochar were prepared: untreated (U), acid-treated (A, 1 M HNO3), alkali-treated (K, 1 M NaOH), and a sequential acid-alkali treatment (AK). Each biochar was incorporated into a 100 % fly-ash geopolymer mortar (cementless) at replacement levels of 2, 4, and 6 wt% of sand. The binder was activated with a solution of 8 M NaOH and Na2SiO3 (Na2SiO3/NaOH = 2.5; solution-to-binder ratio = 0.60) and cured at 60 °C for 24 h.
At 28 days, the reference mortar (REF) reached a compressive strength of 20.56 MPa. At 4 % replacement, the AK-4 mix achieved 16.74 MPa (~81 % of REF), whereas A-4, U-4, and K-4 showed lower strengths of 12.32, 9.27, and 8.88 MPa, respectively. Similar trends were observed at 3 and 7 days, indicating that surface chemistry affects both early-age gelation and later-age strength within the conditions tested. Microstructural analyses (FT‑IR, MIP, SEM) suggest that the AK treatment promotes formation of a denser ITZ and additional geopolymer gel around the biochar, which partly offsets the mechanical strength loss associated with the internal porosity of biochar. MIP results show that although total porosity increased (AK‑4: 29.38 %), the bulk density of AK‑4 (1.845 g/mL) exceeded that of REF (1.639 g/mL), consistent with an increase in load‑bearing solid skeleton. In terms of carbon storage, AK‑4 stored 3.629 wt% CO2 while maintaining 81 % of the reference strength, and AK-6 reached 5.444 wt% CO2 storage capacity, albeit with a more significant reduction in strength. Overall, the sequential acid-alkali treatment allowed the biochar to act as an active component that promotes interfacial densification, and the proposed mix designs illustrate a viable route to develop geopolymer mortars that store biogenic carbon while maintaining acceptable mechanical performance.

목차 (Table of Contents)

• 제 1장 서론 1
• 제 2장 재료 및 방법 7
• 2.1. 사용 재료, 배합, 시편 제작 7
• 2.2. 바이오차 전처리 및 기초특성 11
• 2.3. 시험 항목 및 세부 분석법 16
• 2.3.1. 압축강도 16
• 2.3.2. 수은압입법(MIP) 17
• 2.3.3. 표면적 및 기공구조 19
• 2.3.4. 푸리에변환 적외선 분광법(FT-IR) 20
• 2.3.5. X-선 형광분석(XRF) 21
• 2.3.6. 주사전자현미경(SEM) 22
• 2.4. 탄소저장 성능평가 22
• 제 3장 결과 및 고찰 25
• 3.1. 압축강도 25
• 3.2. 바이오차 표면·조성 변화와 강도기여 메커니즘 30
• 3.3. FT-IR 분석을 통한 화학결합 구조고찰 39
• 3.4. MIP를 통한 기공구조 분석 45
• 3.5. SEM: 계면접착 메커니즘 51
• 3.6. 강도-기공-밀도 상관관계 분석 55
• 3.7. 탄소저장량 분석 59
• 제 4장 결 론 61
• 참고문헌 64
• Abstract 71