KR20230154258A - 시멘트 조성물, 및 이의 제조방법 - Google Patents

시멘트 조성물, 및 이의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 개질된 바이오차 및 시멘트 조성물을 포함하는 조성물뿐만 아니라 그러한 조성물을 제조하고 특성화하는 방법, 및/또는 그러한 조성물, 이들의 제조 및/또는 이들의 용도와 관련된 기술을 제공한다.

Description

시멘트 조성물, 및 이의 제조방법
관련 출원에 대한 상호참조
본 출원은 2021년 3월 12일에 출원된 미국 가출원 제63/160,397호의 우선권 및 혜택을 주장하며, 이의 전체 내용은 본원에 참고로 편입되어 있다.
본 발명은 개질된 바이오차 및 시멘트 조성물을 포함하는 조성물뿐만 아니라 그러한 조성물을 제조하고 특성화하는 방법, 및/또는 그러한 조성물, 이들의 제조 및/또는 이들의 용도와 관련된 기술을 제공한다.
시멘트는 건축용으로 사용되는 결합제로, 다른 재료에 세팅, 경화되고, 부착하여 이들을 결합하는 데 사용되는 물질이다. 시멘트는 일반적으로 모래와 자갈(골재)과 함께 혼합된다. 시멘트를 미세 골재와 혼합하여 벽돌 공사용 몰탈을 만들 수 있으며, 또는 모래와 자갈과 혼합하면 콘크리트를 생산할 수 있다. 콘크리트는 가장 널리 사용되는 재료 중 하나이다.
본 발명은 시멘트 조성물 및 바이오차를 포함하는 조성물 및 해당 조성물을 제조하고 사용하는 방법을 제공하며, 또한 해당 조성물을 제조, 사용 및/또는 특성화하는 다양한 기술도 제공한다.
무엇보다도, 본 발명은 시멘트 조성물을 포함하는 특정 조성물에서 최소한 하나의 문제의 원인을 확인한다. 대안적으로 또는 추가로, 다양한 실시예에 따르면, 제공된 기술은 특정 이점을 표시하고/하거나 이전 기술과 관련된 하나 이상의 문제를 해결한다.
일부 구현예에서, 본 발명은 바이오차 및/또는 바이오차를 포함하는 조성물의 특정 특성을 향상시키는 기술을 제공한다. 일부 구현예에서, 본 발명에 따른 바이오차를 포함하는 조성물 (예: 바이오차를 포함하는 시멘트 조성물(들))은 (예: 바이오차를 포함하지 않는 시멘트 조성물 대비) 높은 소수성을 나타낸다. 무엇보다도, 본 발명은 예를 들어 물 흡수를 감소시킴에 의해, 조성물의 화학적 및 물리적 분해 과정을 감소시키는데 특히 적합하고/하거나 특정 이점을 제공할 수 있는 기술을 제공한다.
일부 구현예에서 본 발명에 따른 바이오차를 포함하는 조성물은 (예: 바이오차를 포함하지 않는 시멘트 조성물 대비) 높은 전도도를 나타낸다. 따라서, 무엇보다도, 본 발명은 예컨대 전기 저항 측정을 통해, 조성물의 응력-변형(stree-strains)의 실시간 모니터링에 사용되는 데 있어, 특히 적합하고/하거나 특정 이점을 제공할 수 있는 기술을 제공한다.
일부 구현예에서 본 발명은 적어도 하나의 시멘트 조성물을 포함하는 조성물; 및 바이오차 및 소수성 제제를 포함하는 개질된 바이오차 (예: 바이오차보다 더 소수성인 것)을 제공한다.
일부 구현예에서, 개질된 바이오차는 바이오차보다 더 소수성이다.
일부 구현예에서, 조성물은 압저항성(piezoresistive) (예: 조성물이 인가된 응력과 저항률의 변화 사이에 선형 상관관계를 갖는 것을 특징으로 하는 것)이다.
일부 구현예에서, 조성물은 시멘트 조성물과 개질된 바이오차의 조합의 1 중량 %에서 30 중량 % 범위 내의 개질된 바이오차를 포함한다.
일부 구현예에서, 소수성 제제는 스테아르산, 올레산, 미리스트산 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된다.
일부 구현예에서, 소수성 제제 대 바이오차의 질량 비는 약 1:100에서 1:10 범위 내에 있다.
일부 구현예에서, 조성물은 물을 추가로 포함한다.
일부 구현예에서, 물 대 시멘트 조성물과 개질된 바이오차의 조합의 질량 비는 약 0.25에서 0.8 범위 내에 있다.
일부 구현예에서, 조성물은 미세 골재를 추가로 포함한다.
일부 구현예에서, 시멘트 조성물과 개질된 바이오차의 조합 대 미세 골재의 질량 비는 약 2에서 3 이다.
일부 구현예에서, 조성물은 시멘트 조성물 (또는 개질된 바이오차를 포함하지 않은 시멘트 조성물을 포함하는 조성물)보다 낮은 압축 강도(예: 약 1%에서 25% 낮은)를 갖는다.
일부 구현예에서, 조성물은 시멘트 조성물 (또는 개질된 바이오차를 포함하지 않은 시멘트 조성물을 포함하는 조성물)보다 낮은 굽힘 강도(flexural strength)(예: 약 1%에서 20% 낮은)를 갖는다.
일부 구현예에서, 조성물은 시멘트 조성물 (또는 개질된 바이오차를 포함하지 않은 시멘트 조성물을 포함하는 조성물)보다 높은 열 방출량(예: 약 1%에서 20% 더 높은)을 갖는다.
일부 구현예에서, 조성물은 시멘트 조성물 (또는 개질된 바이오차를 포함하지 않은 시멘트 조성물을 포함하는 조성물)보다 적은 화학적으로 결합된 물(예: 시멘트 조성물 당 그램당 약 1%에서 10% 더 적은)을 갖는다.
일부 구현예에서, 조성물은 시멘트 조성물 (또는 개질된 바이오차를 포함하지 않은 시멘트 조성물을 포함하는 조성물)보다 적은 Ca(OH)2(예: 약 1%에서 50% 더 적은)를 갖는다.
일부 구현예에서, 조성물은 시멘트 조성물 (또는 개질된 바이오차를 포함하지 않은 조성물)보다 낮은 흐름 지수를 갖는다 (예: 시멘트 조성물 당 그램당 약 1%에서 95% 더 낮음).
일부 구현예에서, 조성물은 시멘트 조성물 (또는 개질된 바이오차를 포함하지 않은 시멘트 조성물을 포함하는 조성물)보다 낮은 수분 흡수율(예: 약 1% 내지 90% 더 낮은)을 갖는다.
일부 구현예에서, 조성물은 시멘트 조성물 (또는 개질된 바이오차를 포함하지 않은 시멘트 조성물을 포함하는 조성물)보다 높은 전기 전도도(예: 약 1%에서 40% 더 높은)를 갖는다.
일부 구현예에서, 개질된 바이오차의 평균 크기는 1에서 50 μm 범위 내에 있다.
일부 구현예에서, 시멘트 조성물의 평균 크기는 1에서 50 μm 범위 내에 있다.
일부 구현예에서, 개질된 바이오차는 탄소(예: 약 80% 중량), 수소(예: 약 1% 중량), 질소(예: 약 0.2% 중량)을 포함한다.
일부 구현예에서, 조성물은 페이스트(paste) 또는 몰탈(mortar)이다.
또 다른 측면에서, 본 발명은 바이오차와 소수성 제제를 혼합하여 개질된 바이오차를 제조하는 단계, 여기서 개질된 바이오차는 바이오차보다 더 소수성이고; 및 시멘트 조성물과 개질된 바이오차를 조합하여 조성물을 형성하는 단계를 포함하는 방법을 제공한다.
일부 구현예에서, 바이오차는 우드 칩을 열분해함으로써 제조된다.
일부 구현예에서, 소수성 제제는 열분해 후에 혼합된다.
일부 구현예에서, 바이오차는 소수성 제제의 존재하에서 분쇄된다.
일부 구현예에서, 소수성 제제 대 바이오차의 질량 비는 약 1:100에서 1:10 범위 내에 있다.
일부 구현예에서, 바이오차는 몰탈 및 페슬(pestle)로 분쇄된다.
일부 구현예에서, 방법은 조성물에 물을 첨가하는 단계를 추가로 포함한다.
일부 구현예에서, 조성물은 압저항성(piezoresistive) (예: 조성물이 인가된 응력과 저항률의 변화 사이에 선형 상관관계를 갖는 것을 특징으로 하는 것)이다.
일부 구현예에서, 조성물은 시멘트 조성물과 개질된 바이오차의 조합의 1 중량 %에서 30 중량 % 범위 내의 개질된 바이오차를 포함한다.
일부 구현예에서, 소수성 제제는 스테아르산, 올레산, 미리스트산 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된다.
또 다른 측면에서, 본 발명은 여기에 기술된 하나 이상의 방법을 통해 제조된 조성물을 제공한다.
또 다른 측면에서, 본 발명은 건축용으로 사용되는 몰탈을 제조하는 방법을 제공하며, 이 방법은 다음을 포함한다:
열분해를 사용하여 바이오차를 제조하는 단계; 바이오차 및 소수성 제제를 혼합하여 개질된 바이오차를 제조하는 단계, 여기서, 소수성 제제는 스테아르산을 포함하고, 여기서 개질된 바이오차는 소수성 제제 약 2 중량% 내지 약 20 중량%를 포함하며, 여기서 개질된 바이오차는 바이오차 및 소수성 제제를 (예컨대 약 1 시간 내지 약 5시간 동안) 분쇄하는 단계를 포함하여 제조되고; 시멘트 조성물과 개질된 바이오차를 조합하여 결합제를 생성하는 단계, 여기서, 개질된 바이오차는 시멘트 조성물과 개질된 바이오차 조합의 약 1 중량% 내지 약 30 중량%를 포함하며; 결합제에 대한 물의 질량비 약 0.25 내지 0.8로 결합제에 물을 첨가하는 단계; 미세 골재와 바인더의 질량비가 약 2 내지 3이 되도록 미세 골재를 바인더에 첨가하는 단계; 및 물, 미세 골재, 및 결합제를 혼합하여 몰탈을 제조하는 단계.
또 다른 측면에서, 본 발명은 건축용으로 사용되는 몰탈을 제공하며, 여기서 상기 몰탈은 다음을 포함한다:
적어도 하나의 시멘트 조성물;
바이오차와 소수성 제제를 포함하는 개질된 바이오차, 여기서, 소수성 제제는 스테아르산을 포함하고, 여기서, 개질된 바이오차는 약 2 중량 %에서 약 20 중량 %의 소수성 제제를 포함하며, 여기서, 개질된 바이오차의 평균 크기는 1에서 50 μm 범위 내에 있거, 여기서 개질된 바이오차는 적어도 하나의 시멘트 조성물과 개질된 바이오차 조합의 총 중량의 약 1 중량% 내지 약 10 중량%를 포함하며; 및
물,
여기서 몰탈은 조성물이 압저항성인 것을 특징으로 하며, 여기서 조성물은 적어도 하나의 시멘트 조성물(또는 적어도 하나의 시멘트 조성물을 포함하나 개질돤 바이오차를 포함하지 않는 조성물)보다 1% 내지 90% 더 낮은 수분 흡수율을 가짐.
도면은, 최소 다음 도면으로 구성된 것은, 예시 목적으로만 제공되는 것이고, 이에 국한되지 않는다.
도 1은 본 발명에 따른 바이오차, 개질된 바이오차 및 시멘트 조성물 및 개질된 바이오차를 포함하는 조성물의 예시적 광학 이미지 및 주사 전자 현미경(SEM) 이미지를 포함한다.
도 2는 시멘트 조성물 및 개질된 바이오차의 예시적 입자 크기 분포를 보여준다.
도 3은 삼-점 굴절 조건에서 샘플의 저항 변화율(FCR)을 측정하는 예시적 셋업을 나타낸다.
도 4A는 시간에 따른 시멘트 조성물 g당 예시적 열량 흐름(mW/g)을 보여주는 그래프이다.
도 4B는 시간에 따른 시멘트 조성물 g당 예시적 총 열량(J/g)을 보여주는 그래프이다.
도 4C는 시간에 따른 시멘트 조성물 및 개질된 바이오차 g당 예시적 열량 흐름(mW/g)을 보여주는 그래프이다.
도 4D는 시간에 따른 시멘트 조성물 및 개질된 바이오차 g당 예시적 총 열량(J/g)을 보여주는 그래프이다.
도 4E는 수화 100시간 후에 시멘트 조성물 및 개질된 바이오차 g당 열량 흐름(mW/g) 예시적 변화를 보여준다.
도 4F는 수화 100시간 후에 시멘트 조성물 및 개질된 바이오차 g당 총 열량 방출(J/g)의 예시적 변화를 보여준다.
도 5는 다른 양의 개질된 바이오차를 포함하는 페이스트 샘플의 예시적 열 중량 손실 그래프(thermogravimetric plots)을 보여준다.
도 6A는 경화 7, 14 및 28일 후에 시멘트 조성물 및 개질된 바이오차 g당 화학적으로 결합된 물(chemically bound water)을 나타내는 예시적 그래프를 보여준다.
도 6B는 경화 7, 14 및 28일 후에 시멘트 조성물 및 개질된 바이오차 g당 Ca(OH)2를 나타내는 예시적 그래프를 보여준다.
도 7A는 개질되지 않은 바이오차 및 개질된 바이오차의 예시적 푸리에-변환 적외선 분광학(Fourier-transform infrared spectroscopy, FTIR) 스펙트럼을 보여준다.
도 7B는 수화 28일 후에 시멘트 조성물 및 개질된 바이오차를 포함하는 조성물의 예시적 FTIR 스펙트럼을 보여준다.
도 8은 다른 개질된 바이오차 함량을 포함하는 조성물의 예시적 흐름 지수(flow indices)를 나타내는 그래프이다. 데이터 라벨은 개질된 바이오차 추가로 인한 흐름 지수 감소율을 보여준다. 오차 막대는 표준 편차를 나타낸다.
도 9A는 다른 개질된 바이오차 함량을 포함하는 예시적 조성물의 압축 강도를 나타내는 그래프이다.
도 9B는 다른 개질된 바이오차 함량을 포함하는 예시적 조성물의 굽힘 강도(flexural strength)를 나타내는 그래프이다.
데이터 라벨은 개질된 바이오차 첨가로 인한 대조군 배치(예: 개질된 바이오차 불포함)에 대한 강도 변화율을 나타낸다. 오차 막대는 표준 편차를 나타낸다.
도 10A-10C는 시멘트 조성물 및 개질된 바이오차를 포함하는 조성물을 보여주는 다른 확대 레벨의 예시적 SEM 이미지이다.
도 11A-11C는 다양한 개질된 바이오차 함량에 따른 수분 흡수 대 시간의 제곱근, 초기 수분 흡수율의 감소율, 및 2차 수분 흡수율의 감소율의 예시적 측정치를 보여준다. 데이터 라벨은 개질된 바이오차의 첨가로 인한 수분 흡수율의 변화율을 보여준다.
도 12는 다양한 개질된 바이오차 함량을 포함하는 예시적 조성물의 전기 전도도를 나타내는 그래프이다. 오차 막대는 표준 편차를 나타낸다.
도 13A 및 13B는 각각 0% 개질된 바이오차 (즉, 대조군 배치) 및 15% 개질된 바이오차를 포함하는 조성물에 대한 저항 변화율(FCR)의 부분 변화(fractional change in resistivity, FCF)를 보여주는 그래프이다.
도 14A 및 14B는 시멘트의 부분적 대체로서 개질된 바이오차를 적용한 시멘트 기반 재료의 예시적인 CO2 격리/감소(sequestration/reduction)를 보여준다.
본 출원에서, 문맥상 달리 명확하지 않는 한, (i) 용어 부정관사("a")는 "적어도 하나"를 의미하는 것으로 이해될 수 있고; (ii) "또는"이라는 용어는 "및/또는"을 의미하는 것으로 이해될 수 있으며; (iii) "포함하는(comprising)" 및 "포함하는(including)"이라는 용어는 그 자체로 제시되거나 하나 이상의 추가적인 구성요소 또는 단계와 함께 제시되거나 항목화된 구성요소 또는 단계를 포함하는 것으로 이해될 수 있고; (iv) "약"이라는 용어는 이 기술분야의 통상의 기술자가 이해할 수 있는 표준 변화를 허용하는 것으로 이해될 수 있으며; (v) 범위가 제공되면 종말점이 포함된다.
약 : 본원에서 값과 관련하여 사용된 용어 "약"은 참조된 값과 관련하여 유사한 값을 의미한다. 일반적으로, 문맥에 익숙한 이 기술분야의 기술자는 그 문맥에서 "약"에 포함되는 관련 변동 정도를 인식할 것이다. 예를 들어, 일부 구현예에서, "약"이라는 용어는 기준값의 범위를 포함할 수 있으며, 해당 범위는 기준값의 25%, 20%, 19%, 18%, 17%, 16%, 15%, 14%, 13%, 12%, 11%, 10%, 9%, 8%, 7%, 6%, 5%, 4%, 3%, 2%, 1%, 또는 그 이하를 포함할 수 있다.
제제(Agent) : 여기서 사용된 "제제”라는 용어는 실체 또는 현상을 의미할 수 있다. 일부 구현예에서, 제제는 특정 특징 및/또는 효과를 특징으로 할 수 있다. 일부 구현예에서, 제제는 예를 들어 소분자, 폴리펩티드, 핵산, 당류, 지질, 금속, 또는 이들의 조합 또는 복합체를 포함하는 임의의 화학 부류의 화합물, 분자 또는 실체일 수 있다. 일부 구현예에서, 용어 "제제"는 중합체를 포함하는 화합물, 분자, 또는 실체를 지칭할 수 있다. 일부 구현예에서, 이 용어는 하나 이상의 중합체 부분을 포함하는 화합물 또는 실체를 지칭할 수 있다. 일부 실시양태에서, 용어 "제제"는 특정 중합체 또는 중합체 부분이 실질적으로 없는 화합물, 분자 또는 실체를 지칭할 수 있다. 일부 구현예에서, 이 용어는 임의의 중합체 또는 중합체 부분이 결여되어 있거나 실질적으로 없는 화합물, 분자 또는 실체를 지칭할 수 있다. 일부 구현예에서 제제는 시스템 또는 장치이거나 시스템 또는 장치를 포함할 수 있다. 일부 구현예에서 제제는 전기력, 중력, 자기력 등과 같은 힘이거나 이를 포함할 수 있다.
바이오차 : 여기서 사용된 용어 "바이오차"는 고체의 탄소가 풍부한 물질을 나타낸다. 일부 구현예에서, 바이오차는 바이오매스의 열분해(예: 바이오매스를 산소가 없거나 산소가 낮은 환경에서 가열하여 연소하지 않거나 (또는 일부만 연소))함으로써 형성된다. 일 구현예에서, 바이오차는 바이오매스의 산 가수분해 및 탈수 또는 수열 처리에 의해 형성된다. 어떤 경우에는 바이오차를 수화탄(hydrochar)이라고도 할 수 있다.
바이오매스 : 여기서 사용된 용어 "바이오매스"는 임의의 셀룰로오스 또는 리그노셀룰로오스 물질을 의미하며, 셀룰로오스 및/또는 리그노셀룰로오스를 포함하고 선택적으로 헤미셀룰로오스, 리그닌, 전분, 올리고당 및/또는 단당류를 추가로 포함하는 물질을 포함한다. 바이오매스는 또한 단백질 및/또는 지질과 같은 추가 성분을 포함할 수도 있다. 바이오매스는 단일 공급원으로부터 유래될 수 있거나, 바이오매스는 하나 이상의 공급원으로부터 유래된 혼합물을 포함할 수 있는데, 예를 들어, 바이오매스는 옥수수 속대와 옥수수 대의 혼합물, 또는 풀과 잎의 혼합물을 포함할 수 있다. 바이오매스에는, 이로 제한되는 것은 아니나, 바이오에너지 작물, 농업 잔여물, 도시 고형 폐기물, 산업 고형 폐기물, 제지 제조 시 발생하는 슬러지, 정원 폐기물, 목재 및 임업 폐기물 또는 이들의 조합이 포함된다. 바이오매스의 예에는, 이로 제한되는 것은 아니나, 옥수수 낟알, 옥수수 속대, 옥수수 껍질과 같은 작물 잔여물, 옥수수대, 풀, 밀, 밀짚, 보리, 보리짚, 건초, 볏짚, 스위치그래스(switchgrass), 폐지, 사탕수수 찌꺼기(sugar cane bagasse), 수수(sorghum), 콩, 곡물, 나무, 가지, 뿌리, 잎, 우드 칩, 톱밥(sawdust), 관목(shrubs) 및 덤불, 야채, 과일, 꽃, 및 동물 거름 또는 이들의 조합을 제분하여 얻은 성분이다. 일부 구현예에서, 특히 유용한 바이오매스는 상대적으로 높은 탄수화물 값(carbohydrate value)을 갖고, 상대적으로 밀도가 높으며/거나 수집, 운송, 보관 및/또는 취급이 상대적으로 용이한 바이오매스를 포함한다. 일부 구현예에서, 유용한 바이오매스는 옥수수 속대, 옥수수대, 톱밥 및 사탕수수 찌꺼기를 포함한다. 용어 '바이오매스'에는 다음이 포함될 수 있다: (i) 가금류 유래 폐기물과 같은 동물 배설물을 포함하는 폐기물; (ii) 플라스틱, 종이, 종이 펄프, 판지, 톱밥, 목재 잔여물, 나무 부스러기 및 천을 포함하는 상업용 또는 재활용 재료; (iii) 하수 폐기물을 포함하는 도시 폐기물; (iv) 코코넛 껍질, 피칸 껍질, 아몬드 껍질, 커피 찌꺼기와 같은 농업 폐기물; 및 (v) 볏짚, 밀짚, 왕겨, 옥수수 대, 옥수수 짚 및 옥수수 속대와 같은 농업 사료 제품.
시멘트 조성물 : 여기서 사용되는 "시멘트 조성물"이라는 용어는 다른 재료를 서로 결합시키기 위해 다른 재료를 응결시키고, 경화시키며, 결합시키는 건축에 사용되는 물질인 결합제를 의미한다. 특정 구현예에서, 시멘트는 모래와 자갈(골재)을 함께 결합하는 데 사용될 수 있다. 특정 구현예에서, 미세 골재와 혼합된 시멘트는 석조용 몰탈을 생성한다. 특정 구현예에서, 모래 및 자갈과 혼합된 시멘트는 콘크리트를 생성한다. 건축에 사용되는 시멘트는 일반적으로 무기질이며, 종종 석회 또는 규산칼슘 기반이며, 물이 있을 때 시멘트가 굳고 경화되는 능력에 따라 수경(hydraulic) 또는 비수경(non-hydraulic)으로 특성화될 수 있다.
친수성 : 여기서 사용된 용어 "친수성" 및/또는 "극성"은 물과 혼합되거나, 물에 쉽게 용해되거나, 물에 젖는 경향을 의미할 수 있다. 일부 구현예에서, 친수성은 이 기술분야의 기술자가 이해하는 기술을 사용하여 물과 고체 표면 사이의 접촉각에 의해 측정된다. 일부 구현예에서, 친수성 물질은 물과 표면 사이의 접촉각이 90° 미만이다.
소수성 : 여기서 사용된 용어 "소수성" 및/또는 "비극성"은 물에 쉽게 용해되지 않는(예를 들어, 결합되지 않는) 경향 또는 무능력을 의미할 수 있다. 일부 구현예에서, 친수성은 이 기술분야의 기술자가 이해할 수 있는 기술을 사용하여 물과 표면 사이의 접촉각에 의해 측정된다. 일부 구현예에서, 친수성 물질은 물과 표면 사이의 접촉각이 90°보다 큰 것으로 식별된다.
열분해 : 여기서 사용된 용어 "열분해"는 제한된 양의 산화제가 있는 환경에서 또는 산소와 같은 산화제가 없는 환경에서 상승된 온도에서 유기 물질의 열화학적 분해를 의미한다. 일부 구현예에서, 온도 및 온도 변화율은 처리되는 바이오매스의 유형, 원하는 생성물 등에 따라 다양하다. 열분해는 주로 물, 합성가스, 경질 유기 화합물, 중질 유기 화합물 및 바이오차를 생성한다. 일부 구현예에서, 상기 유기 화합물 중 일부는 산이다. 본질적으로 무기질인 다른 산은 때때로 열분해 과정에서 얻어진다. 특정 구현예에서, 염화수소와 같은 산은 바이오매스 열분해의 부산물이다.
발명의 상세한 설명
다음의 설명은 단지 본 개시 내용의 설명 및 예시를 위한 것이며, 본 개시 내용을 여기에 설명된 특정 구현예로 제한하려는 의도는 아니다. 다르게 정의되지 않는 한, 기술 및 과학 용어는 본 개시 내용이 속하는 기술분야의 기술자가 일반적으로 이해하는 것과 동일한 의미를 갖는다. 특허 출원 및 간행물을 포함하여 본 명세서에 인용된 모든 참고문헌은 그 전체가 참고로 포함된다.
시멘트 기반 콘크리트 인프라는 종종 조기 내구성 손상(예: D-균열, 박리, 스케일링 및 철근 부식)을 나타낸다. 물은 시멘트 복합재의 화학적, 물리적 분해 과정에 필수적인 성분일 수 있다. 다공성 시멘트 기반 재료의 물 수송과 관련된 물리적 및/또는 화학적 현상은 투과성과 관련이 있을 수 있다. 예를 들어, 시멘트 기반 복합재의 물은 경화 과정에서 반응하고 증발하여 모세관 기공이 형성된다. 액체와 가스는 압력 유무에 관계없이 이러한 모세관을 통해 콘크리트 매트릭스에 침투할 수 있다. 수분 흡착(흡수 및 흡착 포함)은 수화 시멘트 조성물에 해로운 이온(예: 염화물염, 황산염 등)이 도입될 수 있다. 이온은 매트릭스의 화학적 안정성을 파괴할 수 있다. 따라서 시멘트 조성물의 내구성 성능은 투과성에 영향을 받는다. 투과성 또는 수분 흡착을 감소시키면 해로운 이온 침투에 대한 시멘트 조성물의 저항성이 향상될 수 있다.
수분 흡수율 계수(Water absorption rate coefficients)는 구조 재료로서 콘크리트(예: 시멘트 조성물을 포함함)의 사용 수명을 예측하는 데 유용하다. 시판되는 투과성 감소 혼화제(PRA)를 사용하여 시멘트 조성물의 낮은 수분 흡수를 달성할 수 있다. PRA의 높은 비용으로 인해 콘크리트 인프라에 적용하는 데 방해가 되었다. 시중에서 판매되는 PRA는 응결 시간을 늘리고 콘크리트 혼합물의 강도를 감소시키며 해양 환경에서는 덜 효과적인 것으로 알려져 있다.
전기 저항을 측정하여 응력-변형(stress-strains)을 모니터링할 수 있다. 전통적인 시멘트 조성물(예: 포틀랜드 시멘트)은 전기 전도도가 낮다. 응력 변형을 모니터링하려면 전도성 재료를 추가하여 다양한 공정(예: 접촉 전도, 터널링 효과)을 통해 기존 시멘트 조성물의 전도성을 높여야 한다.
일부 구현예에 따르면, 본 발명은 충분한 기계적 및 화학적 안정성을 제공할 수 있는 특정 조성물(예를 들어, 시멘트 조성물 및 바이오차 및/또는 하나 이상의 소수성 제제를 포함함)을 제조하는 방법을 제공한다. 일부 구현예에서, 개시된 조성물은, 예를 들어, 조성물의 응력-변형의 모니터링과 관련된 이전의 미충족 요건을 해결할 수 있는 상이하거나 고유한 특성을 제공할 수 있다.
본 발명은, 부분적으로 바람직한 조성물(예를 들어, 시멘트 조성물 및 바이오차를 포함함)이 바이오차의 개질을 통해 달성될 수 있다는 놀라운 통찰에 기초한다. 일부 구현예에서, 조성물은 바이오차(예를 들어, 개질된 바이오차) 및 시멘트 조성물을 포함한다. 일부 구현예에서, 개질된 바이오차는 바이오차 및 적어도 하나의 소수성 제제를 포함한다.
바이오차
당업자가 이해하는 바와 같이, 바이오차는 임의의 다양한 적용에 적합한 특성을 포함할 수 있다. 일부 구현예에서, 본 개시내용에 따른 바이오차는 유기 물질(예: 바이오매스(예: 목재, 농업 잔재물, 잎), 생분해성 폐기물)의 직접적인 열 분해에 의해 제조된 높은 탄소 함량(예: 70% 초과)을 포함하는 물질이다. 일부 구현예에서, 바이오차는 검은색이고, 다공성이 높으며(예를 들어, 약 0.016 내지 0.25 cm3/g), 경량(예를 들어, 약 1.5 내지 2 g/cm3) 및/또는 세립(예를 들어, 평균 입자 크기가 약 1μm ~ 약 1mm) 및/또는 큰 표면적(예: 최대 약 490m2/g)을 갖는다.
본 발명은 바이오차의 생성이 임의의 공지된 방법을 포함할 수 있다는 인식을 포함한다. 비제한적인 예로서, 일부 구현예에서, 바이오차는 열분해 공정을 통해 생성될 수 있다. 일부 구현예에서, 바이오차의 열분해는 산소가 없거나 실질적으로 낮은 산소 조건에서 수행된다. 열분해의 특정 수율은 공정 조건(예: 온도, 체류 시간 및 가열 속도)에 따라 달라질 수 있다. 예를 들어, 400~500°C(673~773K)의 온도는 더 견고한 제품(예: 바이오차)을 생산하는 반면, 700°C(973K) 이상의 온도는 액체 및 가스 연료 구성 요소쪽으로의 생산을 선호한다. Winsley, Peter (2007). "Biochar and bioenergy production for climate change mitigation". New Zealand Science Review. 64. 열분해는 온도가 높을수록 더 빨리 일어날 수 있다(예: 몇 시간이 아닌 몇 초가 소요됨). 일부 구현예에서, 바이오차는 산 가수분해 및 탈수를 통해 생성될 수 있다. 일부 구현예에서, 바이오차는 열수 처리를 통해 생성될 수 있다.
다양한 구현예에 따르면, 바이오차는 임의의 공지된 적용에 적합한 조성물을 포함할 수 있다. 예를 들어, 일부 구현예에서, 바이오차는 탄소, 수소 및 질소를 포함한다. 일부 구현예에서, 바이오차는 약 75 중량% 내지 약 99 중량%, 약 75 중량% 내지 약 95 중량%, 약 75 중량% 내지 약 90 중량%, 또는 약 75 중량% 내지 약 85 중량% 범위 내의 탄소를 포함한다. 일부 구현예에서, 바이오차는 약 0.1 중량% 내지 약 5 중량%, 약 0.1 중량% 내지 약 3 중량%, 약 0.1 중량% 내지 약 2 중량%, 약 0.5 중량% 내지 약 2 중량%, 또는 약 1중량% 내지 약 2중량% 범위 내의 수소를 포함한다. 일부 구현예에서, 바이오차는 약 0.05 중량% 내지 약 2 중량%, 약 0.05 중량% 내지 약 1 중량%, 약 0.05 중량% 내지 약 0.5 중량%, 또는 약 0.1 중량% 내지 약 0.5중량% 범위 내의 질소를 포함한다.
개질된 바이오차
일부 구현예에서, 본 발명에 따른 개질된 바이오차는 바이오차 및 소수성 제제를 포함한다. 일부 구현예에서, 소수성 제제는 바이오차보다 더 소수성이다. 일부 구현예에서, 개지된 바이오차는 바이오차 (예: 비-개질된 바이오차)보다 더 소수성이다.
일부 구현예에서, 접촉각 측정을 통해 소수성을 측정한다. 접촉각은 액체-증기 경계면(liquid-vapor interface)이 고체 표면과 만나는 각도로, 액체가 고체 표면에 의해 흡수되는 정도를 측정한다. Young 방정식을 통해 액체에 의한 고체 표면의 습윤성을 정량화한다. 주어진 온도와 압력에서 고체, 액체, 증기로 이루어진 주어진 시스템은 독특한 평형 접촉각을 가지고 있다. 그러나 실제로는 전진(최대) 접촉각에서 후퇴(최소) 접촉각까지 접촉각 히스테리시스의 동적 현상이 종종 관찰된다. 평형 접촉은 해당 값 내에 있으며 이 값으로부터 계산할 수 있다. 평형 접촉각은 액체, 고체 및 증기 분자 상호 작용의 상대적 강도를 반영한다. 접촉각에 대한 이론적 설명은 세 가지 상: 액체상(L), 고체상(S), 기체 및 가스 또는 증기상(G)(이는 주변 대기와 액체 증기의 평형 농도가 혼합된 것일 수 있음)의 사이의 열역학적 평형을 고려하여 발생한다. 만약 고체-증기 계면 에너지를 γ로, 고체-액체 계면 에너지를 γ로, 액체-증기 계면 에너지(즉, 표면 장력)를 γ로 표시하면 평형 접촉각 θ는 이러한 양으로부터 다음 식으로 결정된다.
γSG - γ- γcos θc = 0 식 (1)
일반적으로 수분 접촉 각도가 90°보다 작으면 고체 표면은 친수성으로 간주되며, 수분 접촉 각도가 90°보다 크면 고체 표면은 소수성으로 간주된다. 저 표면 에너지 (예: 불소화 된) 물질로 만들어진 매우 소수성 표면은 약 120° 정도까지 수분 접촉 각도를 가질 수 있다.
일부 구현예에서, 소수성 제제의 수분 접촉 각도가 바이오차의 수분 접촉 각도보다 크다. 일 구현예에서 개질된 바이오차의 수분 접촉 각도가 바이오차 (예: 개질되지 않은 바이오차)의 수분 접촉 각도보다 크다. 일 구현예에서 개질된 바이오차는 150° 이상 (예: 초소수성)의 수분 접촉 각도를 가질 수 있다.
소수성 제제
다양한 구현예에 따르면, 임의의 적용에 적합한 소수성 제제(들)가 사용될 수 있다. 일부 구현예에서, 2개 이상의 소수성 제제가 특정 조성물에 포함된다(예: 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10개 이상의 소수성 제제). 일부 구현예에서, 소수성 제제는 하나 이상의 지방산을 포함한다. 일부 구현예에서, 소수성 제제는 예를 들어 친수성-친유성 균형(HLB) 척도로 등급화된 일련의 표면 활성제로부터의 지방산이다. 일부 구현예에서, 소수성 제제는 스테아르산, 올레산, 미리스트산, 및 이들의 조합 중 적어도 하나이거나 이를 포함한다. 일부 구현예에서, 소수성 제제는 스테아르산을 포함한다.
일부 구현예에서, 개질된 바이오차는 약 1 중량% 내지 약 10 중량%, 약 1 중량% 내지 약 8 중량%, 약 1 중량% 내지 약 6 중량%, 또는 약 2 중량% 내지 약 6 중량%의 범위 내의 소수성 제제를 포함한다.
일부 구현예에서, 소수성 제제는 개질된 바이오차와 결합된다. 일부 구현예에서, 소수성 제제는 바이오차의 표면에 통합된다 (예를 들어 화학적 및/또는 물리적 상호작용에 의해). 일부 구현예에서, 소수성 제제는 바이오차에 통합된다 (예를 들어 바이오차의 기공에). 일부 구현예에서, 소수성 제제는 바이오차의 표면 및 기공 모두에 통합된다 (예를 들어 화학적 및/또는 물리적 흡착에 의해). 일부 구현예에서, 소수성 제제는 바이오차에 근접해있다(proximate).
일부 구현예에서, 개질된 바이오차를 제조하는 방법은 바이오차 및 소수성 제제를 혼합하는 단계를 포함한다. 일부 구현예에서, 혼합은 분쇄이거나 분쇄를 포함할 수 있다. 일부 구현예에서, 분쇄는 밀링, 파쇄 및/또는 균질화이거나 이를 포함할 수 있다. 일부 구현예에서, 바이오차 및 소수성 제제가 밀링된다. 일부 구현예에서, 바이오차 및 소수성 제제는 약 1 내지 약 5시간 동안, 약 1 내지 약 4시간 동안, 약 2 내지 약 5시간 동안, 약 2 내지 약 4시간 동안, 또는 약 1 내지 약 3시간 동안 밀링된다. 특정 이론에 얽매이지 않고 소수성 제제는 분쇄 보조제로 작용할 수 있다. 일부 구현예에서, 바이오차 및 소수성 제제는 볼 밀링된다(예를 들어, 플래닛 볼 밀(planetary ball mill)에서, 예를 들어 3시간 동안 2520 r/min에서).
일부 구현예에서, 개질된 바이오차의 평균 크기는 바이오차 (예: 개질되지 않은 바이오차)의 평균 크기보다 작다. 일부 구현예에서, 개질된 바이오차의 평균 크기는 약 1 μm에서 약 100 μm, 약 1 μm에서 약 50 μm, 약 1 μm에서 약 30 μm, 약 1 μm에서 약 20 μm 또는 약 5 μm에서 약 20 μm 범위 내이다. 일부 구현예에서, 개질된 바이오차의 크기는 개질된 바이오차의 입자의 치수를 나타낸다. 특정 구현예에서, 치수는 입자의 가장 큰 치수 (예: 입자의 길이), 입자의 평균 치수 또는 입자의 지름을 나타낼 수 있다. 특정 구현예에서, 입자는 주어진 치수를 가진 구 형태 입자로서 묘사될 수 있다. 특정 구현예에서, 입자의 크기는, 비제한적 예로 레이저 산란(laser diffraction), 다이나믹 라이트 산란(dynamic light scattering), 이미징, 침전, 전기영동 라이트 산란(electrophoretic light scattering) 또는 전기 영역 감지(electrozone sensing)와 같은 당업자에게 알려진 적절한 기술을 사용하여 측정될 수 있다.
시멘트 조성물
일부 구현예에서, 본 발명에 따른 시멘트 조성물은 건축용으로 사용되는 물질로, 다른 재료에 세팅, 경화되고, 부착하여 이들을 결합하는 데 사용된다. 일부 구현예에서, 시멘트 조성물은 예를 들어 모래와 자갈을 결합하는 데 사용될 수 있다.
일부 구현예에서, 시멘트 조성물은 수경(hydraulic) (예: 건조한 재료와 물 간의 화학 반응으로 인해 셋팅되고 점착성을 갖는 경우)이다. 일부 구현예에서, 시멘트 조성물은 비수경(non-hydraulic) (예: 습한 조건 또는 물의 존재하에서 셋팅되지 않지만 이산화탄소와 반응함)이다.
다양한 구현예에 따라, 임의의 용도에 적합한 시멘트가 사용될 수 있다. 일부 구현예에서, 시멘트 조성물은 포틀랜드 시멘트 (예: 보통 포틀랜드 시멘트 (OPC), 백색 포틀랜드 시멘트, OPC 타입 I, II, II, IV 및/또는 V)를 포함한다. 일부 구현예에서, 포틀랜드 시멘트는 수경(hydraulic) 시멘트로, 수경 칼슘 실리케이트를 포함하는 클링커를 분쇄하여 제조된다. 일부 구현예에서, 포틀랜드 시멘트는 CaO, SiO2, Al2O3, Fe2O3 및/또는 SO3를 포함한다. 일부 구현예에서, 포틀랜드 시멘트는 칼슘 실리케이트 (예: 3 CaOSiO2, 2 CaOSiO2)를 50% 이상, 60% 이상 또는 67% 이상 포함한다. 일부 구현예에서, 포틀랜드 시멘트는 알루미늄- 및 철-을 포함하는 클링커 상을 포함한다. 일부 구현예에서, CaO 대 SiO2의 중량비는 2.0 미만이다.
일부 구현예에서, 시멘트 조성물은 포틀랜드 시멘트 타입 I (예: C3S의 약 55 중량% (즉, (CaO)3SiO2), C2S의 약 19 중량% (즉, (CaO)2SiO2), C3A의 약 10 중량% (즉, CaO)3Al2O3), C4AF의 약 7 중량% (즉, (CaO)3Al2O3Fe2O3), MgO의 약 2.8 중량%, SO3의 약 2.9 중량%, 그리고 free CaO의 약 1.0 중량%)을 포함한다. 일부 구현예에서 시멘트 조성물은 C3A의 약 15 중량% 미만을 포함한다. 일부 구현예에서 다른 타입이 지정되지 않으면 타입 I으로 가정된다.
일부 구현예에서, 시멘트 조성물은 포틀랜드 시멘트 타입 II (예: C3S의 약 51 중량%, C2S의 약 24 중량%, C3A의 약 6 중량%, C4AF의 약 11 중량%, MgO의 약 2.9 중량%, SO3의 약 2.5 중량%, free CaO의 약 1.0 중량%)를 포함한다. 일부 구현예에서, 시멘트 조성물은 C3A의 약 8 중량% 미만을 포함한다.
일부 구현예에서, 시멘트 조성물은 포틀랜드 시멘트 타입 III (예: C3S의 약 57 중량%, C2S의 약 19 중량%, C3A의 약 10 중량%, C4AF의 약 7 중량%, MgO의 약 3.0 중량%, SO3의 약 3.1 중량%, 그리고 free CaO의 약 1.3 중량%)를 포함한다.
일부 구현예에서, 시멘트 조성물은 포틀랜드 시멘트 타입 IV (예: C3S의 약 28 중량%, C2S의 약 49 중량%, C3A의 약 4 중량%, C4AF의 약 12 중량%, MgO의 약 1.8 중량%, SO3의 약 1.9 중량%, 그리고 free CaO의 약 0.8 중량%)를 포함한다.
일부 구현예에서, 시멘트 조성물은 포틀랜드 시멘트 타입 V (예: C3S의 약 38 중량%, C2S의 약 43 중량%, C3A의 약 4 중량%, C4AF의 약 9 중량%, MgO의 약 1.9 중량%, SO3의 약 1.8 중량%, 그리고 free CaO의 약 0.8 중량%)를 포함한다.
일부 구현예에서, 시멘트 조성물은 바이오차보다 덜 친수성일 수 있다. 일부 구현예에서 시멘트 조성물은 개질된 바이오차보다 덜 친수성일 수 있다.
시멘트 조성물을 포함하는 조성물
일부 구현예에서, 본 발명에 따른 조성물은 시멘트 조성물과 개질된 바이오차를 포함한다.
일부 구현예에서, 조성물은 시멘트 조성물과 개질된 바이오차의 조합 중 약 1 중량%에서 약 20 중량%, 약 2 중량%에서 약 20 중량% 또는 약 2.5 중량%에서 약 15 중량% 범위 내에서 개질된 바이오차를 포함한다. 일부 구현예에서, 조성물은 시멘트 조성물과 개질된 바이오차의 조합 중 약 1 중량%에서 약 3 중량%, 약 3 중량%에서 약 7 중량%, 약 8 중량%에서 약 12 중량%, 또는 약 13 중량%에서 약 17 중량% 범위 내에서 개질된 바이오차를 포함한다. 일부 구현예에서, 조성물은 시멘트 조성물과 개질된 바이오차의 조합 중 약 1 중량%, 약 1.5 중량%, 약 2 중량%, 약 2.5 중량%, 약 3 중량%, 약 3.5 중량%, 약 4 중량%, 약 4.5 중량%, 약 5 중량%, 약 5.5 중량%, 약 6 중량%, 약 6.5 중량%, 약 7 중량%, 약 7.5 중량%, 약 8 중량%, 약 8.5 중량%, 약 9 중량%, 약 9.5 중량%, 약 10 중량%, 약 10.5 중량%, 약 11 중량%, 약 11.5 중량%, 약 12 중량%, 약 12.5 중량%, 약 13 중량%, 약 13.5 중량%, 약 14 중량%, 약 14.5 중량%, 약 15 중량%, 약 15.5 중량%, 약 16 중량%, 약 16.5 중량%, 약 17 중량%, 약 17.5 중량%, 약 18 중량%, 약 18.5 중량%, 약 19 중량%, 약 19.5 중량%, 또는 약 20 중량% 범위 내에서 개질된 바이오차를 포함한다. 일부 구현예에서, 조성물은 개질된 바이오차를 최소 약 1 중량%, 약 2 중량%, 약 3 중량%, 약 4 중량%, 약 5 중량%, 약 6 중량%, 약 7 중량%, 약 8 중량%, 약 9 중량%, 또는 약 10 중량% 포함한다. 일부 구현예에서 조성물은 개질된 바이오차를 최대 약 20 중량%, 약 19 중량%, 약 18 중량%, 약 17 중량%, 약 16 중량%, 또는 약 15 중량% 포함한다.
일부 구현예에서, 조성물은 물을 포함한다. 일부 구현예에서, 시멘트 조성물과 개질된 바이오차의 조합물에 대한 물의 중량 비율은 약 0.1에서 약 10, 약 0.1에서 약 5, 약 0.1에서 약 3, 약 0.1에서 약 1 또는 약 0.1에서 약 0.5 범위 내이다.
일부 구현예에서, 조성물은 미립자(예: 모래, 자갈)를 포함한다. 일부 구현예에서, 시멘트 조성물과 개질된 바이오차의 조합물에 대한 미립자의 중량 비율은 약 1에서 약 100, 약 1에서 약 10, 약 1에서 약 5, 약 1에서 약 4 또는 약 2에서 약 3 범위 내이다.
일부 구현예에서, 조성물을 제조방법은 개질된 바이오차와 시멘트 조성물을 혼합하는 단계를 포함한다. 일부 구현예에서, 개질된 바이오차 및 시멘트 조성물은 약 1분에서 약 10분, 약 1분 내지 약 5분, 또는 약 1분 내지 약 3분 동안 혼합된다. 일부 구현예에서 개질된 바이오차와 시멘트 조성물은 약 10 r/min에서 약 500 r/min, 약 50 r/min에서 약 500 r/min, 또는 약 100 r/min에서 약 300 r/min 범위 내의 속도로 혼합된다. 일부 구현예에서, 혼합 속도를 증가시킬 수 있다. 예를 들어, 일 구현예에서, 첫 번째 혼합 속도가 두 번째 혼합 속도보다 작다. 일부 구현예에서, 첫 번째 혼합 속도는 약 10 r/min에서 약 200 r/min, 약 50 r/min에서 약 200 r/min 또는 약 100 r/min에서 약 200 r/min 범위 내이다. 일부 구현예에서 두 번째 혼합 속도는 약 200 r/min에서 약 500 r/min, 약 200 r/min에서 약 400 r/min, 약 200 r/min에서 약 300 r/min 또는 약 250 r/min에서 약 300 r/min 범위 내이다.
일부 구현예에서, 조성물을 제조하는 방법은 개질된 바이오차와 시멘트 조성물의 조합물에 물을 첨가하는 단계를 포함할 수 있다. 일부 구현예에서, 혼합 속도는 약 10 r/min에서 약 200 r/min, 약 50 r/min에서 약 200 r/min 또는 약 100 r/min에서 약 200 r/min 범위 내에 있을 수 있다.
일부 구현예에서, 조성물을 제조하는 방법은 개질된 바이오차와 시멘트 조성물의 조합물에 미립자(예: 모래, 자갈)를 첨가하는 것을 포함할 수 있다. 일부 구현예에서, 미립자는 약 10초에서 약 5분, 약 10초에서 약 1분, 약 10초에서 약 45초, 약 15초에서 약 45초 범위 내에 추가될 수 있다. 일부 구현예에서, 미립자를 추가하는 동안의 혼합 속도는 물을 추가하는 동안의 혼합 속도와 거의 유사할 수 있다. 일부 구현예에서, 혼합 속도를 변화시키기 위하여 혼합을 중지할 수 있다. 일부 구현예에서, 혼합 속도를 증가시킬 수 있는데, 예를 들어, 일부 구현예에서 증가된 혼합 속도 범위는 약 200 r/min에서 약 500 r/min, 약 200 r/min에서 약 400 r/min, 약 200 r/min에서 약 300 r/min 또는 약 250 r/min에서 약 300 r/min 범위 내에 있을 수 있다. 일부 구현예에서, 증가된 혼합 속도는 약 10초에서 약 5분, 약 10초에서 약 1분, 약 10초에서 약 45초, 약 15초에서 약 45초 범위 내로 유지될 수 있다. 일부 구현예에서, 혼합을 중지하여 약 10초에서 약 5분, 약 30초에서 약 3분 또는 약 30초에서 약 2분 범위 내로 유지할 수 있다. 일부 구현예에서, 혼합은 약 200 r/min에서 약 500 r/min, 약 200 r/min에서 약 400 r/min, 약 200 r/min에서 약 300 r/min 또는 약 250 r/min에서 약 300 r/min 범위 내에 재개될 수 있다. 일부 구현예에서, 재개된 혼합은 약 1분에서 약 5분, 약 1분에서 약 3분 또는 약 30초에서 약 1.5분 범위 내로 유지될 수 있다.
특성화(Characterization)
일부 구현예에서, 제공된 조성물을 예를 들어 압축 강도를 결정하기 위하여 특성화할 수 있다. 일부 구현예에서, 개질된 바이오차와 시멘트 조성물을 포함하는 조성물은, 약 30 MPa 내지 약 70 MPa (예: 약 30 MPa에서 약 45 MPa, 약 40 MPa, 약 35 MPa에서 약 55 MPa, 약 45 MPa, 약 45 MPa에서 약 60 MPa, 약 50 MPa, 적어도 30 MPa) 범위 내의 압축 강도를 가진다 (예: 밀봉 경화 후 약 7일, 약 14일, 약 28일, 35일, 42일 또는 약 56일 후 측정된 값). 일부 구현예에서, 개질된 바이오차와 시멘트 조성물을 포함하는 조성물은 시멘트 조성물, 또는 시멘트 조성물을 함유하나 개질된 바이오차를 포함하지 않는 조성물에 비하여 압축 강도가 낮다 (예: 약 1%에서 약 50% 낮음, 약 1%에서 약 17% 낮음, 약 1%에서 약 16% 낮음, 약 1%에서 약 9% 낮음, 약 1%에서 약 3% 낮음, 약 1%에서 약 25% 낮음, 약 1%에서 약 14% 낮음, 약 1%에서 약 7% 낮음, 약 1%에서 약 5% 낮음, 약 1%에서 약 9% 낮음, 약 1%에서 약 5% 낮음, 약 1%에서 약 4% 낮음, 약 2%에서 약 17% 낮음, 약 2%에서 약 16% 낮음, 약 2%에서 약 9% 낮음, 약 3%에서 약 25% 낮음, 약 3%에서 약 14% 낮음, 약 3%에서 약 7% 낮음, 약 2%에서 약 21% 낮음, 약 2%에서 약 9% 낮음, 약 2%에서 약 5% 낮음, 약 4%에서 약 21% 낮음, 약 8%에서 약 21% 낮음, 약 4%에서 약 9% 낮음, 약 6%에서 약 25% 낮음, 약 13%에서 약 25% 낮음, 약 6%에서 약 14% 낮음, 약 8%에서 약 17% 낮음, 약 8%에서 약 16% 낮음, 약 15%에서 약 17% 낮음). 일부 구현예에서, 많은 양의 개질된 바이오차를 포함하는 조성물은 낮은 압축 강도를 갖는다 (예: 밀봉 경화 후 약 7일, 약 14일, 약 28일, 35일, 42일 또는 약 56일 후 측정시). 일부 구현예에서, 압축 강도는 American Society for Testing and Materials (ASTM) C109에 따라 유니버설 시험기(universal testing machine)를 사용하여 측정할 수 있다.
일부 구현예에서, 압축 강도는 약 1%에서 약 4%의 개질된 바이오차를 포함하는 조성물의 압축 강도가 시멘트 조성물 또는 개질된 바이오차가 없는 조성물의 압축 강도보다 약 1%에서 약 10% 낮다. 일부 구현예에서, 약 3%에서 약 7%의 개질된 바이오차를 포함하는 조성물의 압축 강도가 시멘트 조성물 또는 개질된 바이오차가 없는 조성물의 압축 강도보다 약 1%에서 약 10% 낮다. 일부 구현예에서, 약 8%에서 약 10%의 개질된 바이오차를 포함하는 조성물의 압축 강도가 시멘트 조성물 또는 개질된 바이오차가 없는 조성물의 압축 강도보다 약 5%에서 약 20% 낮다. 일부 구현예에서, 약 13%에서 약 17%의 개질된 바이오차를 포함하는 조성물의 압축 강도가 시멘트 조성물 또는 개질된 바이오차가 없는 조성물의 압축 강도보다 약 10 에서 약 30% 낮다.
일부 구현예에서, 제공된 조성물을 예를 들어 굽힘 강도(flexural strength)를 결정하기 위해 특성화할 수 있다. 일부 구현예에서, 개질된 바이오차와 시멘트 조성물을 포함하는 조성물은 약 5 MPa에서 약 9 MPa 범위 내에 있는 굽힘 강도를 가진다 (예: 약 5 MPa에서 약 7.5 MPa, 약 5 MPa에서 약 7 MPa, 약 5MPa에서 약 6 MPa, 약 6.5 MPa에서 약 8.5 MPa, 약 6.5 MPa에서 약 7.5 MPa, 약 7.5에서 약 9 MPa, 약 7.5에서 약 8.5 MPa) (예: 밀봉 경화 후 약 7일, 약 14일, 약 28일, 35일, 42일 또는 약 56일 후 측정). 일부 구현예에서, 개질된 바이오차와 시멘트 조성물을 포함하는 조성물은 시멘트 조성물, 또는 시멘트 조성물은 포함하나 개질된 바이오차를 포함하지 않는 조성물 대비 굽힘 강도가 낮다 (예: 약 1%에서 약 50% 낮음, 약 1%에서 약 9% 낮음, 약 1%에서 약 15% 낮음, 약 1%에서 약 13% 낮음, 약 1%에서 약 5% 낮음, 약 1%에서 약 3% 낮음, 약 1%에서 약 2.5% 낮음, 약 3%에서 약 9% 낮음, 약 10%에서 약 15% 낮음, 약 11%에서 약 15% 낮음, 약 13%에서 약 15% 낮음, 약 2%에서 약 13% 낮음, 약 1%에서 약 4% 낮음, 약 1%에서 약 3% 낮음, 약 3%에서 약 13% 낮음) (예: 밀봉 경화 후 약 7일, 약 14일, 약 28일, 35일, 42일 또는 약 56일 후 측정). 일부 구현예에서, 많은 양의 개질된 바이오차를 포함하는 조성물은 더 낮은 굽힘 강도를 가진다. 일부 구현예에서 굽힘 강도는 삼점 굽힘 시험(three points bending test)을 수행하여 측정될 수 있다.
일부 구현예에서, 약 1%에서 약 4%의 개질된 바이오차를 포함하는 조성물의 굽힘 강도가 시멘트 조성물 또는 개질된 바이오차가 없는 조성물의 굽힘 강도보다 약 1%에서 약 15% 낮다. 일부 구현예에서, 약 3%에서 약 7%의 개질된 바이오차를 포함하는 조성물의 굽힘 강도가 시멘트 조성물 또는 개질된 바이오차가 없는 조성물의 굽힘 강도보다 약 1%에서 약 15% 낮다. 일부 구현예에서, 약 8%에서 약 12%의 개질된 바이오차를 포함하는 조성물의 굽힘 강도가 시멘트 조성물 또는 개질된 바이오차가 없는 조성물의 굽힘 강도보다 약 5%에서 약 20% 낮다. 일부 구현예에서, 약 13%에서 약 17%의 개질된 바이오차를 포함하는 조성물의 굽힘 강도가 시멘트 조성물 또는 개질된 바이오차가 없는 조성물의 굽힘 강도보다 약 10%에서 약 25% 낮다. 특정 이론에 구속되지 않으면서 개질된 바이오차의 불활성 특성(inert nature) 및/또는 증가된 다공성이 굽힘 강도 감소에 기여할 수 있다.
일부 구현예에서, 제공된 조성물은 예를 들어 열 방출(예를 들어 시멘트 조성물의 질량당)을 결정하기 위해 특성화될 수 있다. 일부 구현예에서, 개질된 바이오차 및 시멘트 조성물을 포함하는 조성물은 시멘트 조성물, 또는 시멘트 조성물은 포함하나, 개질된 바이오차를 포함하지 않는 조성물 보다 열 방출이 더 높다(예: 약 1% 내지 50% 더 높음, 약 1% 내지 약 20% 더 높음, 약 10% 더 높음) (예: 밀봉 경화 후 약 7일, 약 14일, 약 28일, 35일, 42일 또는 약 56일 후 측정). 일부 구현예에서, 약 13 중량% 내지 17 중량%의 개질된 바이오차를 포함하는 조성물의 열 방출은 시멘트 조성물 또는 시멘트 조성물은 포함하나 개질된 바이오차를 포함하지 않는 조성물의 열 방출보다 약 1% 내지 약 15% 더 높다. 특정 이론에 구속되지 않으면서, 증가된 열 방출은 C-S-H에 대한 추가 핵 생성 부위를 제공하는 개질된 바이오차의 높은 표면적에 기인한다. 일 구현예에서, 열 방출은 등온 열량계(isothermal calorimeter)를 통해 측정될 수 있다.
일부 구현예에서, 제공된 조성물은 예를 들어 화학적으로 결합된 물(예: 시멘트 조성물의 질량당)을 결정하기 위해 특성화될 수 있다. 일부 구현예에서, 개질된 바이오차 및 시멘트 조성물을 포함하는 조성물은 시멘트 조성물 및 개질된 바이오차의 그램당 약 6% 내지 약 9% 범위 내에서 화학적으로 결합된 물을 갖는다(예: 밀봉 경화 후 약 7일, 약 14일, 약 28일, 35일, 42일 또는 약 56일 후 측정). 일부 구현예에서, 개질된 바이오차 및 시멘트 조성물을 포함하는 조성물은 시멘트 조성물, 또는 시멘트 조성물은 포함하나 개질된 바이오차를 포함하지 않는 조성물보다 화학적으로 결합된 물을 더 적게 (예를 들어, 약 1 내지 약 50% 더 적게) 포함한다 (예: 밀봉 경화 후 약 7일, 약 14일, 약 28일, 35일, 42일 또는 약 56일 후 측정).
일부 구현예에서, 화학적으로 결합된 물은 TGA로 측정될 수 있다.
일부 구현예에서, 제공된 조성물은 예를 들어 Ca(OH)2의 상대량을 결정하기 위해 특성화될 수 있다. 일부 구현예에서, 개질된 바이오차 및 시멘트 조성물을 포함하는 조성물은, 시멘트 조성물 및 개질된 바이오차의 그램 당 약 6% 내지 약 9% 범위 내의 Ca(OH)2를 갖는다 (예: 시멘트 조성물 및 개질된 바이오차의 그램 당 약 10%) (예: 밀봉 경화 후 약 7일, 약 14일, 약 28일, 35일, 42일 또는 약 56일 후 측정). 일부 구현예에서, 개질된 바이오차 및 시멘트 조성물을 포함하는 조성물은, 시멘트 조성물, 또는 시멘트 조성물은 포함하나 개질된 바이오차를 포함하지 않는 조성물 보다 Ca(OH)2를 덜 포함한다 (예: 약 1% 내지 약 50% 더 적음, 약 1% 내지 약 40% 더 적음, 약 1% 내지 약 30% 더 적음,약 5% 내지 약 20% 더 적음, 약 10% 적음) (예: 밀봉 경화 후 약 7일, 약 14일, 약 28일, 35일, 42일 또는 약 56일 후 측정). 일부 구체예에서, Ca(OH)2의 상대량은 TGA에 의해 측정될 수 있다.
일부 구현예에서, 제공된 조성물은 예를 들어 흐름 지수(flow index)를 결정하기 위해 특성화될 수 있다. 일부 구현예에서, 개질된 바이오차 및 시멘트 조성물을 포함하는 조성물은, 시멘트 조성물, 또는 시멘트 조성물을 포함하지만 개질되지 않은 바이오차를 포함하는 조성물 보다 흐름 지수가 더 낮다(예: 약 1% 내지 약 150% 더 낮음, 약 1% 내지 95% 더 낮음, 약 20% 내지 약 95% 더 낮음, 약 40% 내지 약 95% 더 낮음, 약 60% 내지 약 95% 더 낮음, 약 90% 더 낮음, 약 30% 더 낮음, 약 56% 더 낮음, 약 83% 더 낮음, 적어도 20% 더 낮음, 적어도 40% 더 낮음, 적어도 60% 더 낮음, 적어도, 85% 더 낮음) (예: 밀봉 경화 후 약 7일, 약 14일, 약 28일, 35일, 42일 또는 약 56일 후 측정). 일부 구현예에서, 다량의 개질된 바이오차를 포함하는 조성물은 더 낮은 흐름 지수를 갖는다. 일부 구체예에서, 흐름 지수는 ASTM C1437 표준을 사용하여 측정될 수 있다.
일부 구체예에서, 약 1 중량% 내지 약 4 중량%의 개질된 바이오차를 포함하는 조성물의 흐름 지수는 시멘트 조성물 또는 시멘트 조성물을 포함하지만 개질된 바이오차를 포함하지 않는 조성물의 흐름 지수보다 약 1 내지 약 50% 더 낮다. 일부 구체예에서, 약 3 중량% 내지 약 7 중량%의 개질된 바이오차를 포함하는 조성물의 흐름 지수는 시멘트 조성물 또는 시멘트 조성물을 포함하지만 개질된 바이오차를 포함하지 않는 조성물의 흐름 지수보다 약 1% 내지 약 75% 더 낮다. 일부 구체예에서, 약 8 중량% 내지 약 10 중량%의 개질된 바이오차를 포함하는 조성물의 흐름 지수는 시멘트 조성물 또는 시멘트 조성물을 포함하지만 개질된 바이오차를 포함하지 않는 조성물의 흐름 지수보다 약 1% 내지 약 95% 더 낮다. 일부 구체예에서, 약 13 중량% 내지 약 17 중량%의 개질된 바이오차를 포함하는 조성물의 흐름 지수는 시멘트 조성물 또는 시멘트 조성물을 포함하지만 개질된 바이오차를 포함하지 않는 조성물의 흐름 지수보다 약 1% 내지 약 95% 더 낮다.
일부 구체예에서, 제공된 조성물은 예를 들어 비표면적을 결정하기 위해 특성화될 수 있다. 일부 구체예에서, 개질된 바이오차 및 시멘트 조성물을 포함하는 조성물은 시멘트 조성물, 또는 시멘트 조성물을 포함하지만 개질된 바이오차를 포함하지 않는 조성물보다 더 높은(예를 들어, 약 1 내지 약 50% 더 높은) 비표면적을 갖는다.
일부 구현예에서, 제공된 조성물은 예를 들어 수분 흡수(water absorption)를 결정하기 위해 특성화될 수 있다. 일부 구현예에서, 개질된 바이오차 및 시멘트 조성물을 포함하는 조성물은 시멘트 조성물, 또는 시멘트 조성물을 포함하지만 개질된 바이오차를 포함하지 않는 조성물 보다 수분 흡수가 더 낮다(예를 들어, 약 1% 내지 약 100% 더 낮음, 예를 들어, 약 10% 내지 약 75% 낮음) (예: 밀봉 경화 후 약 7일, 약 14일, 약 28일, 35일, 42일 또는 약 56일 후 측정). 일부 구체예에서, 다량의 개질된 바이오차를 포함하는 조성물은 더 낮은 수분 흡수를 갖는다.
일부 구현예에서, 약 1 중량% 내지 약 4 중량%의 개질된 바이오차를 포함하는 조성물의 수분 흡수는 시멘트 조성물 또는 시멘트 조성물을 포함하지만 개질되지 않은 바이오차를 포함하는 조성물의 수분 흡수보다 약 1% 내지 약 30% 더 낮다. 일부 구현예에서, 약 3 중량% 내지 약 7 중량%의 개질된 바이오차를 포함하는 조성물의 수분 흡수는 시멘트 조성물 또는 시멘트 조성물을 포함하지만 개질된 바이오차를 포함하지 않는 조성물의 수분 흡수보다 약 10% 내지 약 65% 더 낮다. 일부 구현예에서, 약 8 중량% 내지 약 12 중량%의 개질된 바이오차를 포함하는 조성물의 수분 흡수는 시멘트 조성물 또는 시멘트 조성물을 포함하지만 개질된 바이오차를 포함하지 않는 조성물의 수분 흡수보다 약 30% 내지 약 75% 더 낮다. 일부 구현예에서, 약 13 중량% 내지 약 17 중량%의 개질된 바이오차를 포함하는 조성물의 수분 흡수는 시멘트 조성물 또는 시멘트 조성물을 포함하지만 개질된 바이오차를 포함하지 않는 조성물의 수분 흡수보다 약 40% 내지 약 100% 더 낮다.
일부 구현예에서, 수분 흡수는 ASTM C1585 표준을 사용하여 측정될 수 있다. 일 구현예에서, 수분 흡수는 식 2를 사용하여 중량 증가로부터 결정된다.
흡수(Absorption), 식 (2)
여기서, Mt는 시점 t에서의 샘플의 질량, M0는 샘플의 초기 질량, A는 샘플의 단면적, d는 물의 밀도이다.
일부 구현예에서, 제공된 조성물은 예를 들어 전기 전도도(electric conductivity)를 결정하기 위해 특성화될 수 있다. 일부 구현예에서, 개질된 바이오차 및 시멘트 조성물을 포함하는 조성물은 약 5 내지 약 30 mS/m 범위 내의 전기 전도도를 갖는다(예: 밀봉 경화 후 약 7일, 약 14일, 약 28일, 35일, 42일, 또는 약 56일 후에 측정). 일부 구현예에서, 개질된 바이오차 및 시멘트 조성물을 포함하는 조성물은 시멘트 조성물, 또는 시멘트 조성물을 포함하지만 개질되지 않은 바이오차를 포함하는 조성물보다 더 높은(예: 약 1 내지 50% 더 높은) 전기 전도도를 갖는다. 일부 구현예에서, 다량의 개질된 바이오차는 더 높은 전기 전도도를 갖는다(예: 밀봉 경화 후 약 7일, 약 14일, 약 28일, 35일, 42일 또는 약 56일 후에 측정).
일부 구현예에서, 약 1 중량% 내지 약 4 중량%의 개질된 바이오차를 포함하는 조성물의 전기 전도도는 시멘트 조성물 또는 시멘트 조성물을 포함하지만 개질된 바이오차를 포함하지 않는 조성물의 전기 전도도 보다 약 1 내지 약 20% 더 높다. 일부 구현예에서, 약 3 중량% 내지 약 7 중량%의 개질된 바이오차를 포함하는 조성물의 전기 전도도는 시멘트 조성물 또는 시멘트 조성물을 포함하지만 개질된 바이오차를 포함하지 않는 조성물의 전기 전도도보다 약 5% 내지 약 25% 더 높다. 일부 구현예에서, 약 8 중량% 내지 약 12 중량%의 개질된 바이오차를 포함하는 조성물의 전기 전도도는 시멘트 조성물 또는 시멘트 조성물을 포함하지만 개질된 바이오차를 포함하지 않는 조성물의 전기 전도도보다 약 10 내지 약 40% 더 높다. 일부 구현예에서, 약 13 중량% 내지 약 17 중량%의 개질된 바이오차를 포함하는 조성물의 전기 전도도는 시멘트 조성물 또는 시멘트 조성물을 포함하지만 개질된 바이오차를 포함하지 않는 조성물의 전기 전도도보다 약 10% 내지 약 40% 더 높다.
일 구현예에서, 전기 전도도는 상업적으로 이용 가능한 기기를 사용하여 2극 방법을 통해 측정될 수 있다. 샘플의 저항률과 전도도는 각각 식 3과 4를 사용하여 계산할 수 있다.
저항률(Resistivity), 식 (3)
여기서 R은 저항, A는 샘플의 단면적, L은 저항 측정을 위한 상판과 하판 사이의 길이이다.
전도도(Conductivity), 식 (4)
여기서 ρ는 저항률이다.
일 구현예에서, 제공된 조성물은 예를 들어 압저항성(piezoresistance)을 결정하기 위해 특성화될 수 있다(예를 들어, 조성물이 적용된 응력과 저항률의 부분 변화(FCR) 사이에 선형 상관관계를 갖는 것을 특징으로 함). 일부 구현예에서, 개질된 차 및 시멘트 조성물을 포함하는 조성물은 압저항성이다. 일부 구현예에서, 적용된 응력(stress)과 FCR 사이의 상관관계는 결정 계수(R2 값)에 의해 평가될 수 있다. 일부 구현예에서, 개질된 차와 시멘트 조성물을 포함하는 조성물은 인가된 응력과 저항률의 부분 변화 사이의 상관관계에 대해 약 0.5보다 높은 결정 계수를 갖는다. 일부 구현예에서, 인가된 응력과 비저항의 부분 변화 사이의 상관관계에 대해, 개질된 바이오차를 포함하는 조성물의 결정 계수는 시멘트 조성물 또는 조성물을 포함하지만 개질된 바이오차를 포함하지 않는 조성물의 결정 계수보다 더 높다(약 100% 내지 약 500%). 일부 구현예에서, 저항률의 부분 변화(FCR)는 식 5를 사용하여 결정될 수 있다.
식 (5)
여기서 ρt는 특정 시간에서의 저항률이고, ρ0은 처음에 측정된 저항률이다. 일부 구현예에서, 저항률은 식 3에 의해 결정될 수 있다.
일부 구현예에서, 제공된 조성물은 자기 감지력(예를 들어, 외부 센서를 통합하지 않고도 응력, 변형 및/또는 온도를 감지하는 구조 재료의 능력)을 갖는 것을 특징으로 할 수 있다. 일부 구현예에서, 제공된 조성물은 압저항성이다.
실시예
본 실시예는 본 발명에 따른 시멘트 조성물 및 개질된 바이오차를 포함하는 예시적인 조성물을 기술한다. 대표적인 제조 공정은 다음과 같다. 당업자는 본 명세서에 기술된 특정 조건 및 특정 값이 원하는 대로 변경될 수 있음을 이해할 것이다.
샘플 준비
본 실시예에서, 바이오차 입자는 평균적으로 밀리미터 크기였다. 바이오차의 소수성을 향상시키기 위해 화학 기계적 변형이 이어졌다. 바이오차는 소수성을 달성하기 위해 4 중량%의 스테아르산(C17H35CO2H)과 함께 플래닛 볼 밀(planetary ball mill)에서 3시간 동안 분쇄되었다. 스테아르산은 분쇄 보조제로 작용하여 초소수성 표면 특성을 지닌 바이오차의 입자 크기 분포가 매우 미세해졌다(도 1). 이 과정을 거쳐 얻은 제품을 개질된 바이오차라고 한다.
본 실시예에 사용된 재료는 일반 포틀랜드 시멘트(OPC), 개질된 바이오차 및 강모래(river sand)를 포함하였다. OPC는 20.1% SiO2, 63.7% CaO, 4.7% Al2O3, 3.5% Fe2O3 및 3.1% SO3를 함유하였다. OPC와 개질된 바이오차의 평균 입자 크기는 각각 19.3μm와 11.7μm였다. 이들 물질의 입자 크기 분포(도 2 참조)는 레이저 입자 크기 분석기를 사용하고 굴절률 1.63을 고려하여 측정하였다.
본 실시예에 사용된 바이오차는 우드 칩을 열분해하여 생산된 것이다. 이 공정의 주요 생성물은 바이오연료였고, 바이오차는 부산물이었다. 수득된 바이오차는 본-건조 상태(bone-dry condition)였고, 밀봉된 플라스틱 용기에 보관하였다. CHN 분석에 따르면 이 바이오차는 중량 기준으로 탄소 80.22%, 수소 1.23%, 질소 0.2%를 함유하고 있었다.
OPC에 대한 부분 대체물로서 개질된 바이오차를 사용하는 실험 작업을 위해 페이스트 및 몰탈 샘플을 제조하였다. 페이스트 샘플을 사용하여 개질된 바이오차가 시멘트 조성물 수화 및 미세한 상 형성에 미치는 영향을 모니터링하였다. 몰탈 샘플을 사용하여 개질된 바이오차가 강도, 수분 흡수 및 자기 감지 특성에 미치는 영향을 모니터링하였다. 각 경우에 총 5개의 배치를 준비하였다. 이들 배치에서 개질된 바이오차를 사용한 시멘트 대체 수준은 0%(대조군 배치), 2.5%, 5%, 10% 및 15%였다. 모든 배치에 대해 물 대 결합제(시멘트 + 개질된 바이오차) 비율은 0.42이고 결합제 대 미세 골재(예: 모래) 비율은 2.75였다. 페이스트 샘플을 준비하기 위해, 선택된 비율의 개질된 바이오차를 먼저 OPC와 2분 동안 혼합(즉, 건식 혼합)하여 이 두 물질의 균일한 분포를 보장하였다. 이어서, 혼합물에 물을 첨가하고 2분 동안 다시 혼합하여 페이스트를 제조하였다.
몰탈 샘플 제조를 위해, 선택된 백분율의 개질된 바이오차 및 시멘트 함량을 호바트 혼합기(Hobart mixer)에서 2분 동안, 처음 90초는 느린 속도(140±5r/min)로, 나머지 30초는 중간 속도(285±10 r/min)로 혼합하였고, 시멘트와 균질하게 혼합된 개질된 바이오차 분말을 수득하였다.
다음으로, ASTM C305 표준 혼합 절차에 따라 몰탈 샘플을 준비하였다. 시멘트와 개질된 바이오차 혼합물을 먼저 그릇의 물에 첨가하고 140±5 r/min의 속도로 혼합하였다. 이어서, 동일한 속도로 혼합하면서 전체 양의 모래를 30초에 걸쳐 천천히 첨가하였다. 그 후 믹서를 멈추고 속도를 중간(285±10 r/min)으로 변경한 후 30초 동안 혼합하였다. 그 후 믹서를 다시 정지시키고 몰탈을 90초 동안 방치하였다. 마지막으로, 혼합물을 중간 속도(285±10 r/min)로 60초 동안 다시 혼합하였다.
실험 방법
흐름(Flow), 압축 강도(compressive strength) 및 굽힘 강도(flexural strength) 테스트
몰탈 배치의 작업성에 대한 개질된 바이오차의 효과를 측정하기 위해 ASTM C1437 표준을 사용하여 흐름 표 테스트(Flow table tests)를 수행하였다. 50 mm x 50 mm 몰탈 큐브의 압축 강도는 ASTM C109에 따라 초당 900~1800 N(초당 200~400 lbs)의 로딩 속도로 만능 시험기를 사용하여 결정되었다. 굽힘 강도는 40 mm × 30 mm × 180 mm 크기의 빔 샘플에 대한 삼점 굽힘 시험(three points bending test)을 수행하여 결정되었다. 몰탈 샘플은 밀봉 경화 7일, 28일, 56일 후에 테스트되었다.
시멘트 수화율 및 제품에 미치는 영향
페이스트 샘플은 물과 시멘트 및 개질된 바이오차를 혼합하여 제조되었다. 혼합 후, 약 15g의 페이스트 샘플을 유리 바이알에 넣어 수화열을 모니터링하였다. 등온 열량계(TAM Air, TA 기기)를 사용하여 주변 온도 25°C에서 100시간 동안 시멘트 페이스트의 열 방출을 측정하였다. 시멘트 수화 제품에 대한 개질된 바이오차의 효과는 페이스트 샘플에 대한 열중량 분석(TGA)을 수행하여 결정되었다. 밀봉 경화 7일, 14일, 28일 후에 시멘트 페이스트 샘플의 수화를 중지하기 위해 아세톤을 사용하였다. 그런 다음 건조된 페이스트 샘플을 몰탈-및-페슬을 사용하여 분쇄하였다. 각 배치에 대해 약 30~40mg의 분말 페이스트 샘플을 테스트하였다. 분말 샘플을 팬에 넣고 실온에서 5분 동안 등온 조건 하에 유지하였다. 그런 다음 챔버의 온도를 분당 10°C씩 980°C까지 올렸다. 이 시험을 통해 규산칼슘 수화물(C-S-H)의 화학적 결합수와 수화 시멘트 페이스트의 Ca(OH)2의 정량적 양을 결정하였다. 또한, 푸리에 변환 적외선(FTIR) 스펙트럼을 수집하여 바이오차 및 시멘트 수화 제품을 특성화하였다. Thermo Scientific에서 시판 중인 Nicolet iS50 FTIR을 이 테스트에 사용하였다. 스펙트럼은 4cm-1 분해능 및 샘플당 32회 스캔의 감쇠전반사(ATR) 모드를 사용하여 수집되었다. 주사전자현미경(SEM) 이미지는 고진공 모드에서 작동되는 Zeiss-FIB SEM을 사용하여 얻었다. 기기는 25kV의 가속 전압을 사용하여 작동되었다.
수분 흡수율
몰탈 큐브의 수분 흡수 테스트는 ASTM C1585 표준 테스트 방법을 수정하여 수행되었다. 28일간의 밀봉 경화 후, 몰탈 큐브를 통제된 환경(50% 상대습도[RH] 및 50°C)에서 3일 동안 보관하였다. 이후 내부 습도의 안정화를 위해 샘플을 밀봉된 용기에 추가로 15일 동안 보관하였다. 이 컨디셔닝 기간 후, 50 mm 몰탈 큐브 시편의 상단과 하단 표면을 제외하고 모든 측면을 접착 테이프로 밀봉하였다. 그런 다음 몰탈 입방체의 바닥 표면을 물에 담그고(대략 침수 깊이 = 2.5 mm) 샘플 중량 증가를 최대 9일 동안 정기적으로 모니터링하였다. 샘플의 수분 흡수량은 위의 식 2를 사용하여 중량 증가로부터 결정되었다.
수분 흡수율은 두 부분, 즉 초기 흡수율과 2차 흡수율로 계산되었다. 표준에 따라 초기 노출 시간은 노출 후 처음 6시간 이후에 적용되었으며, 나머지 기간 동안은 2차 노출 시간이 적용되었다.
전기 전도도
몰탈 큐브 샘플의 저항률 및 전도성은 밀봉 경화 7일, 28일 및 56일 후에 측정되었다. 샘플의 저항은 상업적으로 이용 가능한 기기(Giatec RCON)를 사용하여 2극 방법에 따라 측정되었다. 일정한 600Hz 주파수가 사용되었으며 모든 배치에 대한 측정 동안 상단 플레이트에 290 gm의 일정한 무게가 적용되었다. 그런 다음 샘플의 저항률과 전도도를 각각 식 3과 4를 사용하여 계산하였다.
자기 감지력(Self-Sensing Ability)
자기 감지는 외부 센서를 통합하지 않고도 응력, 변형 및/또는 온도를 감지하는 구조 재료의 능력을 의미한다. 자기 감지 테스트는 40 mm × 30 mm × 180 mm 크기의 몰탈 빔 샘플을 사용하여 수행되었다. 이 테스트를 위해 도 3에 도시된 바와 같이 구리판을 사용하여 4극 Wenner 어레이 설정(four-pole Wenner Array setup)을 준비하였다. 극으로 역할하는 지점 A, B, C, 및 D 지점에서 캐스팅 동안 4개의 구리판이 몰탈 빔에 삽입되었다. AB, BC, CD의 거리는 각각 30 mm, 60 mm, 30 mm였다. 그런 다음 몰탈 빔에 15 N/s의 부하 속도(loading rate)와 20V의 DC 전압을 가했다. NI-9219 유니버설 아날로그 입력 모듈(NI-9219 universal analog input module)은 샘플의 전류 흐름을 기록하기 위한 데이터 로거(data logger)로 사용되었다. 저항은 인가된 전압과 기록된 전류 흐름으로부터 측정되었다. 그런 다음 식 5를 사용하여 저항률의 부분 변화(FCR)를 결정하고, 식 3을 사용하여 저항률을 계산하였다.
상대적인 구체화된 탄소 배출량(carbon footprint) 비교
시멘트 기반 재료에서 OPC를 개질된 바이오차로 대체하면 총 OPC 소비가 감소하여 몰탈 샘플의 내재 탄소가 감소한다. 또한, 사용된 바이오차의 총 탄소 함량은 80중량%인 것으로 나타났다. 몰탈 또는 페이스트 샘플에 바이오차를 사용하면 대기로 돌아갈 수 없는 이 탄소를 격리할 수 있다.
OPC를 부분적으로 대체하여 바이오차를 사용함으로써 발생하는 탄소 배출량의 상대적 감소를 계산하기 위해 두 가지 요소를 모두 고려하였다.
결과 및 논의
수화열
시멘트 g당 및 고체 g당 페이스트 샘플의 열 흐름이 도 4A 및 도 4C에 각각 도시되어 있다. 열 흐름의 주요 피크는 C-S-H 및 Ca(OH)2를 형성하는 C3S 수화와 관련이 있다. 열 흐름 그래프에서 시멘트를 부분적으로 대체하기 위해 개질된 바이오차를 사용함에 따라 수화 반응 속도가 감소하거나 지연되지 않는 것으로 나타났다. 주목할 만한 점은 상업적으로 이용 가능한 투과성 감소 혼화제(PRA)가 시멘트 수화 반응을 지연시키는 경우가 많다는 것이다. 반면, 본 실시예에서 제조된 개질된 바이오차는 도 4A에 도시된 바와 같이 시멘트 g당 최대 열 흐름의 증가를 나타냈다. 초기 단계에서 열 흐름의 기울기가 높을수록 개질된 바이오차의 첨가로 인해 수화율이 빨라진다는 의미이기도 하다. 도 4B에 도시된 바와 같이 15중량%의 개질된 바이오차 함량의 첨가로 인해 시멘트 g당 총 열 방출이 거의 10% 증가한 것으로 나타났다. 이러한 가속된 수화는 개질된 바이오차의 핵 생성 효과('필러 효과'라고도 함)에 기인한다. 도 2에서 관찰된 바와 같이, 개질된 바이오차는 OPC보다 더 미세한 입자 크기 분포를 가지고 있다. 이러한 미세 입자의 높은 표면적은 C-S-H에 대한 추가 핵 생성 사이트를 제공하여 시멘트 수화를 가속화하였다. 그럼에도 불구하고, 최고 열 흐름 및 고체 g당 총 열 방출(즉, 총 OPC 및 변형 바이오차 중량)은 도 4C 및 4D 에서 관찰된 바와 같이 개질된 바이오차 함량이 증가함에 따라 감소하였다. 이러한 감소는 고체 1g당 시멘트(반응성 성분) 함량이 감소했기 때문일 수 있다. 도 4E 및 4F 에서 관찰된 바와 같이, 총 열 방출 또는 고체 그램당 최대 열 흐름의 감소는 10% 미만이었다.
미세 위상 평가 (Microscopic phase evaluation)
도 5는 다양한 개질된 바이오차 함량을 갖는 시멘트 페이스트 샘플의 일반적인 열중량 분석(TGA) 그래프를 보여준다. C-S-H 겔, 에트린자이트 (ettringite, AFt), 및 Ca(OH)2와 같은, 일반적인 시멘트 수화 생성물의 분해로 인한 중량 감소는 문헌 데이터를 기반으로 이 도에서 확인된다. 일반적인 시멘트 수화 생성물 외에도 약 500°C 및 700°C의 DTG 그래프에서 두 개의 특이한 피크가 관찰되었다. 첫 번째 추가 피크는 샘플 중량의 증가를 나타낸다. 이 피크는 바이오차 입자에 의한 가스 흡착으로 인한 중량 증가에 기인할 수 있다. 두 번째 추가 피크는 페이스트 샘플의 무시할 수 있는 대기 탄산화로 인해 형성되었을 수 있는 바이오차 산화 및 CaCO3 분해로 인한 CO2 방출로 설명될 수 있다.
TGA 데이터는 이전에 공개된 접근법에 따라 수화 페이스트에 존재하는 Ca(OH)2및 화학적으로 결합된 물의 양을 결정하기 위해 추가로 분석되었다. 화학적으로 결합된 물의 양은 시멘트 수화 정도를 비교하는 데 유용하였다. 도 6A는 다양한 개질된 바이오차 함량을 갖는 시멘트 그램당 화학적으로 결합된 물의 양을 보여준다. 도 6A는 개질된 바이오차에 의한 시멘트 대체 2.5%, 5%, 10%의 경우, 화학적 결합된 물은 7일 경화 후 6.5%, 3.2%, 5.6% 감소했음을 보여준다. 반면, 개질된 바이오차로 시멘트를 15% 대체하면 경화 7일 후에 화학적으로 결합된 물이 5% 증가하여 총 수화열(시멘트 1g당)이 10% 증가한다. 따라서, 이 결과는 시멘트 입자에 비해 미세하기 때문에 개질된 바이오차 입자가 시멘트 수화, 즉 필러 효과를 가속화하는 씨드 역할을 한다는 추가 증거를 제공한다. 그러나 더 긴 경화 기간(예: 14일 및 28일) 후에 대조군 배치에는 개질된 바이오차 배치에 비해 더 많은 양의 화학적으로 결합된 물이 포함되었다. 10% 개질된 바이오차 첨가로 인해 경화 14일과 28일 후에 화학적으로 결합된 물의 감소는 각각 9%와 15%에 불과하였다. 도 6B는 다양한 개질된 바이오차 함량에 따른 수산화칼슘 변화를 보여준다. Ca(OH)2의 상대적인 양은 개질된 바이오차 함량이 증가함에 따라 감소하였다. 이러한 경향은 개질된 바이오차 함량이 증가함에 따라 OPC의 양도 감소했기 때문에 발생했을 수 있다. 그럼에도 불구하고, Ca(OH)2의 감소는 약 10%였으며, 이는 개질된 바이오차가 수화 제품에 미치는 영향이 미미하다는 것을 나타낸다.
개질된 바이오차 및 시멘트 페이스트의 ATR/FTIR 스펙트럼
도 7A는 로(raw) 바이오차와 개질된 바이오차의 비교를 보여준다. 약 3600cm-1의 넓은 피크는 수산기로 인한 것이다. 개질된 바이오차의 약 2925 및 2850cm-1의 피크는 각각 비대칭 및 대칭 알킬 C-H 그룹이었다. 로(raw) 바이오차에는 이러한 피크가 없었다. 약 1600 cm-1 방향족 그룹의 C=C 신축 진동은 개질된 바이오차에서 강하게 나타났다. 약 1000 cm-1에서 C-C-O 카르보닐 그룹의 비대칭 신축은 로(raw) 바이오차에 비해 개질된 바이오차에서 강력하게 나타났다. 1463~2000 cm-1 및 3500~3900 cm-1 범위의 작고 약한 피크는 수분 존재 시 바이오차와 CO2 반응으로 인해 생성된 탄산염으로 인해 발생할 수 있다.
도 7B는 시멘트질 매트릭스에 바이오차를 포함시키는 효과를 보여준다. 약 872cm-1과 1410cm-1의 파수는 각각 CO3 2-의 계획을 벗어난 굽힘 진동(bending vibration)과 CO3 2-의 비대칭 진동으로 인한 것이다. 1639cm-1의 굽힘 피크는 화학적 결합수와 Ca(OH)2로 인한 것이다. FTIR 플롯은 바이오차의 포함으로 인해 수화 반응 생성물이 변하지 않았다고 가정하였다. CSH 젤 밴드는 950cm-1에서 찾을 수 있다. 실리카겔 중합이 더 높은 파수(1100cm-1)로 이동하는 현상도 모든 배치에서 동일하였다. 대부분의 바이오차 피크는 시멘트질 반응 생성물과 겹쳐졌다.
작업성(Workability)
몰탈 샘플의 작업성에 대한 개질된 바이오차의 효과는 흐름 표 테스트를 사용하여 결정되었다. 도 8에 도시된 바와 같이, 몰탈 샘플의 흐름 지수는 개질된 바이오차 함량이 증가함에 따라 감소하는 것으로 나타났다. 15% 개질된 바이오차 배치의 흐름 지수는 대조군 배치에 비해 90% 더 낮은 것으로 나타났다. 다른 배치의 감소율은 개질된 바이오차 함량이 2.5%, 5%, 10%인 경우 각각 약 30%, 56%, 83%였다.개질된 바이오차의 첨가로 인한 이러한 작업성 감소는 두 가지 측면에 기인할 수 있다. 첫째, 개질된 바이오차의 입자 크기는 OPC의 입자 크기보다 작다. 따라서 OPC를 개질된 바이오차로 대체하면 혼합물의 비표면적이 증가할 수 있다. 높은 표면적은 마찰 수준을 증가시켜 작업성을 저하시킬 수 있다. 둘째, 소수성으로 인해 개질된 바이오차 입자는 물 분자를 반발할 수 있다. 이러한 반발력은 몰탈 혼합물의 작업성을 저하시키는 원인이 되었을 수 있다.
압축 및 굽힘 강도(Compressive and flexural strengths)
도 9A에 나타낸 바와 같이, 몰탈 샘플의 압축강도는 혼합물 중 개질된 바이오차르 함량이 증가함에 따라 감소하는 것으로 밝혀졌다. 압축 강도의 이러한 감소는 개질된 바이오차의 불활성 특성(inert nature)으로 인해 발생할 수 있다. 대조군 배치의 압축 강도는 7일간의 밀봉 경화 후 43 MPa인 것으로 나타났다. 압축 강도의 감소는 각각 2.5%, 5%, 10% 및 15%의 개질된 바이오차 함량 첨가로 인해 3.0%, 4.6%, 8.6% 및 20.0%였다. 이러한 감소 수준은 경화 56일 후에 각각 2.9%, 8.8%, 15.6%, 16.5%가 되었다. 이러한 경향은 도 9B에 도시된 바와 같이 OPC에 대한 부분 대체물로서 개질된 바이오차를 함유하는 몰탈 빔의 굴곡 강도에서도 유사하였다. 28일 수화 후, 샘플의 굴곡 강도는 개질된 바이오차 함량 2.5%, 5%, 10% 및 15% 첨가로 인해 각각 10.4%, 11.6%, 13.3% 및 14.4% 감소하였다. 개질된 바이오차의 첨가로 인한 강도 감소는 두 가지 메커니즘으로 설명될 수 있다; (i) 개질된 바이오차의 불활성 특성(inert nature) 및 (ii) 증가된 다공성. 개질된 바이오차의 불활성 특성으로 인해 시멘트를 이 재료로 대체하면 대조군 배치에 비해 수화 페이스트 및 몰탈 시스템의 결합상의 상대적인 양이 감소하였다. 구체적으로, 도 6A 및 6B에 도시된 바와 같이 개질된 바이오차를 첨가하면 1차 결합 상(primary binding phases)인, 그램 당 Ca(OH)2와 C-S-H의 양이 모두 감소하였음이 관찰되었다. 따라서 결합 상(binding phases)의 상대적 양이 감소하면, 몰탈 배치를 포함하는 개질된 바이오차의 경우에는 그 강도가 감소할 수 있다. 또한, 바이오차 입자는 일반적으로 더 높은 다공성을 가지며, 이는 시멘트 페이스트의 총 다공성을 증가시킬 수 있다. 28일 경화 후 15%의 개질된 바이오차를 함유한 시멘트 페이스트의 SEM 이미지가 도 10A-10C에 도시되었다. 상기 도에서 관찰되는 바와 같이, 개질된 바이오차를 첨가하면 시멘트 페이스트 메트릭스에 조직화된 다공성이 도입되었다. 또한 도 10C에 도시된 바와 같이, 일부 기공에서도 목재의 세포구조를 확인할 수 있었다.
개질된 바이오차 첨가의 유의미한 효과를 확인하기 위해 2-샘플 t-테스트 통계 방법(two-sample t-test statistical method)을 사용하여 압축 및 굽힘 강도 결과를 분석하였다. 다양한 시멘트 대체 수준과 다양한 경화 기간 후 압축 강도의 평균 및 표준 편차를 비교하였다. 테스트는 95% 신뢰 수준에서 수행되었다. 따라서 통계 분석에서 p-값이 0.05보다 크면 비교된 평균 강도에 큰 변화가 없으며 그 반대도 마찬가지임을 나타낸다.
표 1로부터, 2.5% 개질된 바이오차의 첨가는 몰탈의 압축 강도에 어떠한 유의미한 영향도 미치지 않음을 관찰할 수 있었다. 반면, 압축 강도에 대한 5% 개질된 바이오차의 효과는 경화 28일까지 미미한 수준으로 유지되었다. 56일의 경화 후, 개질된 바이오차를 2.5% 이상 첨가하면 몰탈 배치의 압축 강도가 크게 감소하였다. 반대로, 동일한 경화 기간 후에 최대 10%의 개질된 바이오차를 첨가해도 몰탈 배치의 굴곡 강도에 큰 영향을 미치지 않았다. 따라서 개질된 바이오차 첨가의 해로운 효과는 굽힘 강도에 비해 압축 강도에서 더 두드러졌다.
표 1: 압축 및 굴곡 강도의 통계적(t-테스트) 분석 결과(p-값).
* 참고: 굵은 글꼴은 데이터가 통계적으로 유의하지 않음을 나타낸다(p-값>0.05).
수분 흡수
노출 기간에 따른 몰탈 샘플의 수분 흡수는 도 11A에 도시되었다. 개질된 바이오차를 첨가하면 몰탈의 수분 흡수가 감소하였다. 전체 노출 기간 후, 15% 개질된 바이오차를 함유한 샘플이 흡수한 총 수분은 대조군 배치보다 68% 낮았다. 이 수분 흡수 데이터는 도 11B와 11C에 도시된 바와 같이 몰탈 샘플에 의한 초기 및 2차 수분 흡수율을 계산하는 데 추가로 사용되었다. 두 경우 모두 15% 개질된 바이오차 배치의 수분 흡수율이 가장 낮았다. 15% 개질된 바이오차의 사용으로 인한 초기 및 2차 수분 흡수율의 감소는 각각 약 70% 및 60%였다. 개질된 바이오차의 첨가로 인한 수분 흡수율의 감소는 개질된 바이오차의 미세 입자 크기와 이러한 입자의 소수성 특성에 기인할 수 있다. 따라서 개질된 바이오차는 이러한 몰탈 샘플에서 소수성 기공 차단 첨가제로 작용하여 수분 투과성을 감소시키는 것으로 보인다.
전기 전도도
개질된 바이오차를 함유한 몰탈 샘플의 전기 전도도는 2극 방법을 사용하여 얻어졌다. 도 12에 도시된 바와 같이, 바이오차 함량의 증가는 몰탈 샘플의 전기 전도도를 증가시켰다. 28일 수화 후, 15%(중량 기준) 개질된 바이오차를 첨가한 경우 대조군 배치에 비해 전기 전도도가 28% 증가하였다. 이는 바이오차가 매트릭스에서 전도성 함유물(conductive inclusions) 역할을 하는 높은 탄소 함량을 갖기 때문일 수 있다. 이전 연구에서는 시멘트 기반 복합재의 전기 전도도를 향상시키기 위해 주로 탄소 섬유를 활용하였다. A. Belli 외., Evaluating the self-sensing ability of cement mortars manufactured with graphene nanoplatelets, virgin or recycled carbon fibers through piezoresistivity tests,”Sustain., vol.10, no.11, 2018. 탄소 섬유 중의 탄소 함량은 95%~100%의 범위이다. F. Rajabipour 외. " “Electrical conductivity of drying cement paste,” Mater. Struct. Constr., 2007. 탄소 섬유의 높은 종횡비는 또한 균일한 네트워크를 생성하여 전도성을 향상시킨다. 개질된 바이오차는 더 낮은 종횡비로 더 적은 양의 탄소를 함유하고 있지만, 이 실험에서 관찰된 바와 같이 이 물질을 첨가하면 몰탈 샘플의 더 높은 전기 전도도를 성공적으로 보장하였다. 이는 시멘트질 매트릭스에 사용되는 탄소나노섬유의 일반적인 사용량(약 1%)에 비해 매트릭스에 사용된 이전 연구의 함량이 훨씬 더 높았기 때문일 수 있다(최대 15% 중량). 탄소 나노섬유의 투입량은 일반적으로 높은 비용, 낮은 분산성 및 시멘트질 복합재의 작업성에 대한 부정적인 영향으로 인해 제한된다. 이전 연구의 경우 이러한 단점을 피할 수 있다. 따라서 이전 연구에서는 탄소 나노재료를 사용하여 얻은 것과 유사한 시멘트 복합재의 전기 전도도를 생성하기 위해 더 높은 용량(본 연구에서는 15%)을 사용하였다.
몰탈 배치의 전도도는 경화 기간이 증가함에 따라 감소하는 것으로 관찰되었다. 시멘트 기반 재료의 전기 저항률과 전도성도 다공성과 기공 용액의 영향을 받는데; 다공성이 높을수록 전기 저항은 낮아지는 경향이 있다. 경화 시간이 길어질수록 시멘트의 수화도는 증가하여 수화산물의 형성으로 인해 기공이 미세화되는 결과를 가져왔다. 따라서, 이러한 수화 생성물로 인한 기공 막힘은 도 12에서 관찰되는 바와 같이 연장된 경화 기간에 따라 몰탈 샘플의 전도성 감소를 야기한다. 1전기 전도도 결과는 개질된 바이오차 첨가의 유의성을 확인하기 위해 2-표본 t-검정 통계 방법을 사용하여 분석되었다. 표 2에서 볼 수 있듯이, 개질된 바이오차를 첨가하면 사용된 양에 관계없이 몰탈의 전기 전도도가 크게 증가한다.
표 2: 전기 전도도의 통계적(t-테스트) 분석 결과(p-값)
자기-감지력(Self-sensing ability)
자기 감지형 시멘트 복합재는 저항률의 부분 변화(FCR)를 측정하여 매트릭스의 응력 및 변형률을 측정할 수 있다. 본 실험에서는 몰탈 빔 샘플에 3점 굽힘 조건(three-point bending conditions)을 가했을 때의 FCR을 측정하였다. 응력 수준(stress levels)과 FCR 사이의 좋은 상관관계는 복합재의 강한 자기 감지력을 나타낸다. FCR과 응력 사이의 상관관계는 결정계수(일반적으로 R2 값으로 알려짐)를 비교하여 평가되었다. 도 13A-B는 두 개의 샘플 배치에 대한 응력과 FCR 사이의 상관관계를 보여준다. 대조군 배치의 경우 FCR 및 응력 데이터 지점이 산재해 있는 것으로 나타났으며 이들 값 사이에는 직접적인 상관관계(낮은 R2 값)가 없어 전도성 첨가제가 없는 수화된 OPC 몰탈(대조군 배치)의 자기 감지력이 좋지 않음을 확인할 수 있다.
그럼에도 불구하고, 15% 개질된 바이오차를 첨가한 후 응력과 FCR의 변화는 R2 값이 1에 가까운 강한 선형 상관 관계를 나타냈다. 따라서 이 배치 응력은 저항률(즉, FCR)을 측정하여 결정될 수 있으며, 그러므로 개질된 바이오차를 첨가하면 이 몰탈 배치의 자기 감지력이 분명히 향상되었다. 이러한 상관관계는 모든 몰탈 배치에 대해 검증되었고, 얻은 R2 값은 표 3에 나타냈다. 여기에서 관찰할 수 있듯이, 2.5% 개질된 바이옹차 함량을 갖는 경우에도 높은 R2 값(0.9 이상)이 얻어졌다. 이러한 발견은 바이오차가 자기 감지 복합재로 사용될 수 있는 높은 전기 전도도를 갖는 시멘트 기반 재료를 생산하기 위한 고비용 탄소 나노재료의 대안이 될 수 있음을 나타낸다.
표 3: 개질된 바이오차 함량이 서로 다른 몰탈 배치에 대한 FCR 값과 스트레스 사이의 상관관계를 나타내는 R2 값
상대적 내재 탄소(Relative embodied carbon)
개질된 바이오차는 이러한 샘플을 제조하는 데 사용되는 OPC의 양을 줄이고 바이오차에 존재하는 탄소를 격리함으로써 시멘트질 복합재의 내재 탄소를 줄이는 데 도움이 될 수 있다. CHN 결과에 따르면 바이오차의 평균 고정 탄소 함량은 80.22 중량%였다. 그런 다음 고정 탄소를 사용하여 바이오차 추가로 인해 샘플에 저장된 CO2 등가량을 계산하였다. 도 14A 에서 관찰된 바와 같이, 약 15%의 개질된 바이오차의 첨가는 시멘트 페이스트의 CO2 격리 중량 기준 약 30%와 동등하다. 다음으로, 대조군 배치를 기준선으로 고려하여 결합제 혼합물(시멘트 + 개질된 바이오차)의 단순화된 내재 탄소(eCO2)를 계산하였다. 개질된 바이오차를 제조하는 데 사용되는 이 성분의 양이 소량임을 감안하여 스테아르산의 내재 탄소는 무시하였다. 이 접근 방식에 따라 계산된 바인더 혼합물의 상대 내재 탄소(eCO2)가 도 14B에 나타나 있다. 이 접근 방식을 기반으로 시멘트 중량의 2.5%, 5%, 10% 및 15%를 개질된 바이오차로 대체하면 바인더 혼합물(즉, OPC + 개질된 바이오차)의 내재 CO2를 대조군 배치와 비교하여, 각각 10%, 20%, 39% 및 59%까지 줄일 수 있다. 15% 개질된 바이오차의 첨가로 인한 내재 탄소의 감소는 페이스트 및 몰탈 샘플의 경우 각각 29% 및 10% 감소로 해석된다. 따라서, 이러한 발견은 시멘트를 부분적으로 대체하기 위해 개질된 바이오차를 사용하여 상대적으로 탄소 배출량(carbon footprint)이 적은 시멘트 복합재를 제조하는 것이 가능함을 나타낸다.
환경적 중요성
지속 가능한 미래를 위해 환경 친화적이고 내구성이 있는 시멘트 복합재의 개발은 매우 중요하다. 특히 OPC의 높은 탄소 배출량과 에너지 집약적인 생산을 고려할 때 이 시멘트의 소비를 줄이는 방법은 토목 기반 시설의 지속 가능성에 효과적으로 기여할 수 있다. 이 사례에서는 상대적으로 저렴한 첨가제인 바이오차가 이 경우 중요한 역할을 할 수 있음을 보여주었다. 이 연구의 놀라운 발견 중 하나는 바이오차를 사용한 시멘트질 복합재의 상대적인 CO2 격리량이었다.
또한, 이 실시예는 개질된 바이오차를 사용하여 몰탈의 수분 흡수를 크게(최대 70%) 감소시킬 수 있다는 실험적 증거도 제공하였다. 따라서, 제공된 조성물은 시멘트 기반 재료의 내구성 성능, 특히 염화물 및 황산염 침투를 포함하여 매트릭스에 용해된 이온의 침투와 관련된 내구성 성능을 크게 향상시키는 데 잠재적으로 사용될 수 있다. 이 내구성 있는 매트릭스는 바이오차를 사용하여 생산된 구조 부품의 사용 수명을 연장하고 결과적으로 장기간에 걸쳐 시멘트 소비를 더욱 감소시킬 수 있다. 바이오차의 탄소 함량이 높기 때문에 개질된 바이오차는 전기 전도도 시멘트질 복합재를 제조하기 위한 전도성 함유물로 사용될 수도 있으며 이러한 복합재는 자기 감지 구조 요소로도 사용될 수 있다. 그러나 개질된 바이오차를 첨가하면 몰탈 샘플의 압축 및 굴곡 강도에 부정적인 영향을 미칠 수 있다. 강도가 감소했음에도 불구하고 개질된 바이오차를 첨가하면 낮은 수분 흡수, 높은 전기 전도도 및 낮은 탄소 배출량을 포함한 시멘트 조성물에 다기능성을 성공적으로 도입하였다. 따라서, 이러한 강도 감소는 다기능성이 원하는 성능일 때 혼합 비율을 조정함으로써(즉, w/c를 낮추거나 시멘트 보충 재료를 사용하여) 극복될 수 있다.
등가물
당업자는 단지 일상적인 실험을 사용하여 본 명세서에 기술된 본 발명의 특정 실시예에 대한 많은 등가물을 인식하거나 확인할 수 있을 것이다. 본 발명의 범위는 상기 설명으로 제한되는 것이 아니라, 다음의 청구범위에 기재된 바와 같다:

Claims (36)

  1. 다음을 포함하는 조성물:
    하나 이상의 시멘트 조성물; 및
    바이오차 및 소수성 제제를 포함하는 개질된 바이오차.
  2. 제1항에 있어서, 개질된 바이오차가 바이오차보다 더 소수성인 조성물.
  3. 제1항 내지 제2항 중 어느 한 항에 있어서, 조성물은 압저항성(piezoresistive)인 조성물.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 조성물은 시멘트 조성물과 개질된 바이오차 조합의 1 중량% 내지 30 중량% 범위 내로 개질된 바이오차를 포함하는 조성물.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 소수성 제제가 스테아르산, 올레산, 미리스트산 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 조성물.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 소수성 제제 대 바이오차의 질량비가 약 1:100 내지 1:10 범위 내에 있는 조성물.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 물을 추가로 포함하는 조성물.
  8. 제7항에 있어서, 시멘트 조성물과 개질된 바이오차 조합에 대한 물의 질량비가 약 0.25 내지 0.8인 조성물.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 미세 골재(fine aggregate)를 추가로 포함하는 조성물.
  10. 제9항에 있어서, 시멘트 조성물과 개질된 바이오차의 조합 대 미세 골재의 질량비가 약 2 대 3인 조성물.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 조성물이 시멘트 조성물 (또는 시멘트 조성물을 포함하지만 개질된 바이오차를 포함하지 않는 조성물)보다 낮은 압축 강도(compressive strength)를 갖는 조성물.
  12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 조성물이 시멘트 조성물 (또는 시멘트 조성물을 포함하지만 개질된 바이오차를 포함하지 않는 조성물)보다 낮은 굽힘 강도(flexural strength)를 갖는 조성물.
  13. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 조성물이 시멘트 조성물 (또는 시멘트 조성물을 포함하지만 개질된 바이오차를 포함하지 않는 조성물)보다 더 높은 열 방출(heat release)을 갖는 조성물.
  14. 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서, 조성물이 시멘트 조성물 (또는 시멘트 조성물을 포함하지만 개질된 바이오차를 포함하지 않는 조성물)보다 적은 양의 화학적으로 결합된 물(chemically bound water)을 포함하는 조성물.
  15. 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서, 조성물이 시멘트 조성물 (또는 시멘트 조성물을 포함하지만 개질된 바이오차를 포함하지 않는 조성물)보다 적은 양의 Ca(OH)2를 포함하는 조성물.
  16. 제1항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서, 조성물이 시멘트 조성물 (또는 시멘트 조성물을 포함하지만 개질된 바이오차를 포함하지 않는 조성물)보다 낮은 흐름 지수(flow index)를 갖는 조성물.
  17. 제1항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서, 조성물이 시멘트 조성물 (또는 시멘트 조성물을 포함하지만 개질된 바이오차를 포함하지 않는 조성물)보다 낮은 흡수율(absorption rate)을 갖는 조성물.
  18. 제1항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 조성물은 시멘트 조성물 (또는 시멘트 조성물을 포함하지만 개질된 바이오차는 포함하지 않는 조성물)보다 더 높은 전기 전도도(electric conductivity)을 갖는 조성물.
  19. 제1항 내지 제18항 중 어느 한 항에 있어서, 개질된 바이오차의 평균 크기가 1 내지 50 μm 범위 내인 조성물.
  20. 제1항 내지 제19항 중 어느 한 항에 있어서, 시멘트 조성물의 평균 크기가 1 내지 50 μm 범위 내인 시멘트 조성물.
  21. 제1항 내지 제20항 중 어느 한 항에 있어서, 개질된 바이오차가 탄소, 수소 및 질소를 포함하는 조성물.
  22. 제1항 내지 제21항 중 어느 한 항에 있어서, 조성물은 페이스트 또는 몰탈인 조성물.
  23. 다음을 포함하는 방법:
    바이오차와 소수성 제제를 혼합하여 개질된 바이오차를 제조하는 단계, 여기서, 개질된 바이오차는 바이오차보다 더 소수성이고; 및
    시멘트 조성물과 개질된 바이오차를 결합하여 조성물을 형성하는 단계.
  24. 제23항에 있어서, 바이오차가 우드 칩의 열분해에 의해 제조되는 방법.
  25. 제24항에 있어서, 소수성 제제는 열분해 후에 혼합되는 방법.
  26. 제23항 내지 제25항 중 어느 한 항에 있어서, 바이오차는 소수성 제제의 존재 하에 분쇄되는 방법.
  27. 제23항 내지 제26항 중 어느 한 항에 있어서, 소수성 제제 대 바이오차의 질량비가 약 1:100 내지 1:10 범위 내인 방법.
  28. 제23항 내지 제27항 중 어느 한 항에 있어서, 바이오차가 몰탈(mortar) 및 페슬(pestle)을 사용하여 분쇄되는 방법.
  29. 제23항 내지 제28항 중 어느 한 항에 있어서, 조성물에 물을 첨가하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
  30. 제23항 내지 제29항 중 어느 한 항에 있어서, 조성물이 압저항성(piezoresistive)인 방법.
  31. 제23항 내지 제30항 중 어느 한 항에 있어서, 조성물이 시멘트 조성물과 바이오차 조합의 1 중량% 내지 30 중량% 범위 내의 개질된 바이오차를 포함하는 것인 방법.
  32. 제23항 내지 제31항 중 어느 한 항에 있어서, 소수성 제제가 스테아르산, 올레산, 미리스트산 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 방법.
  33. 제23항 내지 제32항 중 어느 한 항에 따른 방법 중 하나 이상에 의해 제조된 조성물.
  34. 건축에 사용하기 위한 몰탈(mortar)를 제조하는 방법으로서, 다음 단계를 포함하는 방법:
    열분해를 이용하여 바이오차를 제조하는 단계;
    바이오차와 소수성 제제를 혼합하여 개질된 바이오차를 제조하는 단계, 여기서 소수성 제제는 스테아르산을 포함하고, 여기서 개질된 바이오차는 약 2 중량% 내지 약 20 중량%의 소수성 제제를 포함하며, 여기서 개질된 바이오차를 제조하는 단계는 바이오차 및 소수성 제제를 분쇄하는 단계를 포함하고;
    시멘트 조성물과 개질된 바이오차를 조합하여 결합제를 생성하는 단계, 여기서, 개질된 바이오차는 시멘트 조성물과 개질된 바이오차 조합의 약 1 중량% 내지 약 30 중량%를 포함하며;
    결합제에 대한 물의 질량비 약 0.25 내지 0.8로 결합제에 물을 첨가하는 단계;
    미세 골재와 바인더의 질량비가 약 2~3이 되도록 미세 골재를 바인더에 첨가하는 단계; 및
    물, 미세 골재, 및 결합제를 혼합하는 단계.
  35. 제34항에 있어서, 바이오차와 소수성 제제를 약 1시간 내지 약 5시간 동안 분쇄하는 단계를 포함하는 방법.
  36. 건축에 사용하기 위한 몰탈로서, 몰탈이 다음을 포함하는 것인 몰탈:
    하나 이상의 시멘트 조성물;
    바이오차 및 소수성 제제를 포함하는 개질된 바이오차,
    여기서 소수성 제제는 스테아르산을 포함하고, 여기서 개질된 바이오차는 약 2 중량% 내지 약 20 중량%의 소수성 제제를 포함하며, 여기서 개질된 바이오차의 평균 크기는 1 내지 50 μm 범위 내이고, 여기서 개질된 바이오차는 적어도 하나의 시멘트 조성물과 개질된 바이오차 조합의 총 중량의 약 1 중량% 내지 약 10 중량%를 포함하며; 및
    물,
    여기서 몰탈은 조성물이 압저항성인 것을 특징으로 하며, 여기서 조성물은 적어도 하나의 시멘트 조성물 (또는 적어도 하나의 시멘트 조성물을 포함하나 개질돤 바이오차를 포함하지 않는 조성물)보다 1% 내지 90% 더 낮은 수분 흡수율을 가진다.
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