KR101859185B1 - 대장균을 이용한 시멘트 혼합재의 내진성 증진 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 대장균을 이용한 시멘트 혼합재의 내진성 증진 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 시멘트 혼합재가 경화되기 전 페이스트 상태에서 대장균 배지를 혼합함으로써 시멘트 혼합재의 내진성을 증진시킬 수 있는 방법에 관한 것이다.

Description

대장균을 이용한 시멘트 혼합재의 내진성 증진 방법{Method for improving earthquake-resistance capability of cement admixture}

본 발명은 대장균을 이용한 시멘트 혼합재의 내진성 증진 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 시멘트 혼합재가 경화되기 전 페이스트 상태에서 대장균 배지를 혼합함으로써, 시멘트 혼합재의 내진성을 증진시킬 수 있는 방법에 관한 것이다.

최근 경주 지역에 지진이 발생하면서, 우리나라도 더 이상 지진의 안전지대가 아니라는 인식이 커지고 있으며, 그에 따라 콘크리트 구조물의 내진성 및 내구성 강화가 중요한 이슈로 떠오르고 있다. 이와 관련하여 근래에 콘크리트의 내구성을 증진시키기 위한 방안으로 탄산칼슘형성세균(CFB, calcite-forming bacteria)의 탄산칼슘형성작용(MICP, microbially induced CaCO3 precipitation) 기작을 이용한 콘크리트의 균열보수 등에 관한 신기술에 대한 연구가 진행되고 있다.(Achal, 2009; DeMuynck, 2008; Ramachandra, 2001; De Belie, 1995; Ghosh, 1989; Jonkers, 2003; 김화중, 2010 등)

김화중(2010)은 생체광물형성작용이 가능한 미생물 종류와 양생 방법에 따른 모르타르의 압축강도를 평가하였다. 재령 28일에서 압축강도는 바실러스 마실리엔시스(Bacillus massiliensis)를 혼입한 모르타르에서 일반 모르타르에 비해 약 8.9% 크게 나타났으며, 아쓰로박터 크리스탈로포이에테스(Arthrobacter crystallopoietes)는 약 40.3% 크게 나타났다. 저자는 혼입된 미생물에 의해 생성된 광물 구조 및 형상이 달라지므로, 모르타르의 압축강도는 영향을 받을 수 있다고 보고하였다.

또한, 2010년 Team Newcastle의 바실라필라(BacillaFilla)를 이용한 콘크리트 보강 관련 연구에서는 미생물 바실라필라(BacillaFilla)를 시멘트의 표면에 분무하여 시멘트의 균열 속으로 들어가 접착제 역할을 하도록 하여 콘크리트 건물의 균열을 메꾸는 것을 확인하였다. 이러한 콘크리트 건물의 균열 수선은 CaCO₃ 와 filamentous B. subtilis cells, levansucrose glue에 의한 영향에 기인한다. filamentous B. subtilis cells는 섬유 강화 콘크리트에 사용된 합성 섬유와 유사한 인장 강도를 가지며 콘크리트의 보강효과를 보이며, levansucrose glue는 CaCO₃ 와 filamentous B. subtilis cells을 부착시켜주는 역할을 수행한다.

그러나, 이러한 미생물을 이용한 콘크리트 내구성 강화 연구는 대부분 바실러계의 미생물을 이용한 균열치료에 중점을 두고 있는 실정이며, 대장균을 이용한 사례는 아직 없었다. 아울러, 콘크리트는 강 알칼리성(pH 12~13)이어서 미생물의 생존에 적합하지 않다는 한계가 있다. 따라서, 강 알카리성 환경에서도 오래 생존할 수 있는 방안이 필요한 상황이다.

대한민국 공개특허공보 제10-2003-0059198호 (2003.07.07) 대한민국 공개특허공보 제10-2012-0071167호 (2012.07.02)

이에, 본 발명의 목적은 시멘트 혼합재가 경화되기 전 페이스트 상태에서 대장균 배지를 혼합함으로써 시멘트 혼합재의 내진성을 증진시킬 수 있는 방법을 제공하는데 있다.

이를 위하여, 본 발명은 전체 중량에서 시멘트 분말이 50 내지 99 중량%를 포함하는 시멘트 혼합재에 있어서, 상기 시멘트 혼합재는 대장균을 포함할 수 있다.

또한, 본 발명은 시멘트 혼합재의 내진성 증진 방법에 있어서, 시멘트 분말에 물을 혼합하여 일정한 유동성을 갖는 시멘트 페이스트를 만드는 단계; 및 상기 시멘트 페이스트에 대장균 액체 배지를 첨가하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하며, 상기 대장균 액체 배지는 젤라틴 성분의 캡슐에 수용된 형태일 수 있다.

본 발명에 따르면, 시멘트 혼합재에 대장균이 첨가되면 그렇지 않은 시멘트 혼합재에 비해 강도 및 유연성이 높아져서 내진성이 증진되는 효과를 가진다.

또한, 본 발명에 따른 시멘트 혼합재에 대장균 첨가 시, 젤라틴 성분의 캡슐에 수용된 대장균 배지를 시멘트 혼합재 페이스트에 첨가하게 되면, 강염기인 시멘트 혼합재 페이스트에서 보다 균일하게 배합되는 효과를 가진다.

도 1은 본 발명의 실시예 1에 따른 실험결과를 나타내는 그래프.

이하, 본 발명을 상세히 살명하기로 한다.

시멘트는 흔히 알려진 대로 석회암(limestone)과 점토(clay)를 섭씨 1,400도 내지 1,600도의 고온에서 태워 만들어지는 화화물의 혼합체인데, 이러한 시멘트는 단독으로는 경화성을 갖고 있지 않으나 물과 섞이게 되면 골재 등을 서로 결합시키는 페이스트(paste) 상태가 된다. 물은 수화(hydration)라는 과정을 통해 경화되는데, 여기서 수화란 시멘트의 주요 화합물들이 물 분자와 화학적인 결합을 이루어 수화물(hydration products)이 되는 화학적 반응을 의미한다. 시멘트의 강도를 결정함에 있어서, 시멘트와 물의 비율이 중요한데, 물이 너무 많으면 시멘트 강도가 감소되고, 물이 너무 적으면 유동성(workability)이 떨어지게 된다.

본 발명에서 언급하는 시멘트 혼합재는 시멘트와 물을 기본으로 하되, 그 밖에 골재(모래, 자갈 등), 혼화제 등이 더 첨가되는 콘크리트까지 포함하며, 경화 전 페이스트 상태 뿐만 아니라 경화된 상태까지 포함하는 개념이다. 상기 혼화제의 대표적인 예로 감수제를 들 수 있는데, 이는 물을 과도하게 추가하지 않고도 시멘트의 유동성을 높여주는 역할을 한다. 그 외에도 공기 연행제(air entraining agents), 지연제(retarders), 촉진제(accelerators) 등도 혼화제로 사용될 수 있다.

본 발명의 따른 시멘트 혼합재는 전체 중량 중 시멘트 분말이 50 내지 99 중량%를 포함하는데, 상기 중량% 보다 적을 경우 강도가 낮아질 수 있다.

본 발명은 상기 시멘트 혼합재에 대장균(Escherichia coli)을 포함하는 것을 기술적 특징으로 하는 바, 상기 대장균은 Escherichia속 세균의 하나로서, 주변에서 쉽게 구할 수 있으며, 다른 균주에 비해 상대적으로 사람에게 덜 해로운 편에 속한다. 대장균은 사람을 포함해서 포유류의 장관을 기생장소로 하고 있는 장내세균으로, 통성혐기성 그람음성의 간균이며 글루코오스를 분해하여 산을 생산한다. 보통 (2~4)×(0.4~0.7)㎛의 크기지만 장축이 특히 짧아서 구균에 가까운 형태의 균도 있다. 사람이나 동물의 분변에 오염된 외계에 널리 존재하기 때문에 음료수, 수영장이나 식품의 변질에 의한 오염을 검사하는 지표가 된다. 지금까지 건강인의 장관에 상재하고 있기 때문에 장관 내에 존재하는 한 병원성은 없는 것으로 여겨지며 특히 대장균 K12주(E. coli K-12)는 분자생물학과 생물공학의 연구재료로서 널리 이용되고 있다.

이러한 대장균이 시멘트 혼합재에 첨가될 경우, 시멘트의 강도를 높이게 되는데, 이와 관련한 구체적인 과정이 밝혀지지는 않았지만, 대장균은 체내에 고분자물질 저장성을 보유하고 있어, 이로 인해 대장균을 시멘트 혼합재에 첨가할 경우 상기 고분자물질이 방출되면서 시멘트의 강도 및 유동성가 높아지는 것으로 예상하고 있다. 따라서, 시멘트에 통상 사용되는 감수제는 인체에 유해한 물질을 함유있는데, 이러한 감수제 대신 대장균 액체 배지를 대체 사용할 수 있다.

시멘트 페이스트 pH는 11~12의 강염기이어서, 대장균이 시멘트 페이스트에 첨가된다면 얼마 생존하지 못하고 수초 내에 모두 사멸하게 된다. 이렇게 빨리 대장균이 사멸하게 되면 대장균이 시멘트에 골고루 뿌려지지 않게 되는 문제점이 발생할 수 있다. 따라서, 상기 대장균을 수용하는 매우 작은 크기의 캡슐에 먼저 주입한 후 시멘트 배합에 첨가하게 되면, 캡슐이 서서히 녹으면서 대장균이 시멘트 페이스트 상에 골고루 섞일 수 있게 된다. 상기 캡슐은 젤라틴 성분일 수 있는데, 염기가 젤라틴과 가수분해하여 서서히 젤라틴을 녹이게 되므로, 대장균이 시멘트에 골고루 배합될 수 있는 효과를 가질 수 있다.

상기 대장균은 반드시 시멘트 경화 전에 함께 배합될 필요는 없으며, 경화된 시멘트의 표면에 분사되어 도포되더라도 시멘트의 강도 및 유연성을 높여주어 내진성을 증진시킬 수 있다.

다음으로, 본 발명에 따른 시멘트 혼합재의 내진성 증진 방법에 대하여 설명한다. 먼저, 시멘트 분말에 물을 혼합하여 일정한 유동성을 갖는 시멘트 페이스트를 만든다. 다음으로, 만든 시멘트 페이스트에 대장균 액체 배지를 첨가한다. 이 과정에서 골재(모래, 자갈 등), 혼화제 등이 더 첨가될 수 있다. 앞서 언급한 바와 같이 상기 대장균 액체 배지는 젤라틴 성분의 캡슐에 수용된 형태로 첨가될 수 있음은 당연하다. 이하, 실험예를 통해 본 발명에 따른 시멘트 혼합재 및 시멘트 혼합재의 내진성 증진 방법에 대하여 보다 상세히 설명함은 물론 본 발명이 우수한 내진성(강도)를 가짐을 보이도록 한다.

[실험예]

1. 실시예 1

본 실시예에서 사용한 대장균(Escherichia coli, E. Coli)은 농촌진흥청 국립농업과학원에서 분양받은 대장균 K12주(E. coli K-12)를 사용하였다.

ㅇ LB Miller Broth( Luria - Bertani media ) 배지 제작

LB 배지 1리터를 만들기 위해, Tryptone 10g, Yeast extract 5g, NaCl 10g을 준비하고, 증류수(D.W) 500㎖를 삼각 플라스크에 넣고 LB 배지를 넣었다. 그 후 최종 부피가 1000㎖가 되도록 증류수를 첨가하였다. 이후 해당 수용액을 교반기를 이용하여 잘 섞어주고, LB 배지를 고압 증기 멸균기를 이용하여 121℃에서 15분~20분간 멸균하였다. 균주 접종 시, 발생할 수 있는 모든 변수를 방지하기 위하여 CleanBench 내에서 진행하였으며, 실험 진행 중에는 무균 조건을 유지하였다. 동결 건조된 상기 대장균을 50㎖ 증류수에 녹인 후 conical tube 3개에 나누어 담았다. 한 개의 conical tube에서 70㎕를 추출하여 e-tube에 넣고 1.5㎖가 될 때까지 증류수를 첨가하였다. e-tube에서 10㎕를 추출한 후 conical tube에 넣고 액체 LB 배지 10㎖를 투입하였다. 인큐베이터의 온도를 28℃로 맞춘 후 배양을 시작하였다. 일주일마다 conical tube에서 3㎖를 꺼내어 새로운 conical tube에 넣고 액체 LB 배지를 10㎖가 될 때까지 투입하였다.

ㅇ 시멘트 시편 제작

1종 포트랜드 시멘트 분말을 이용하고, 물과 시멘트 분말의 중량비를 각각 50 중량%씩 하여 시멘트 페이스트를 만들었으며, 상기 시멘트 페이스트에 앞서 만든 대장균 액체 LB 배지 100㎖를 첨가하였다. 그 외 감수제 등의 다른 혼화제는 첨가하지 아니한 상태로 타설하여 28일 동안 양생시켜 두께 1 cm의 시멘트 시편을 제작하였다.

ㅇ 시멘트 강도(내진성) 실험

이렇게 제작한 시멘트 시편 양측에 받침대를 세워 시멘트 시편이 지면으로부터 10cm 위에 지지될 수 있도록 고정한 후 100g 추를 시멘트 시편 위치에서 1cm 간격으로 증가시킨 높이에서 낙하시켜 시멘트 시편의 균열 정도 및 파괴 여부에 대한 실험을 하였다.

2. 실시예 2

상기 실시예 1에서 시멘트 시편 제작 시 대장규 액체 LB 배지를 첨가하지 아니한 채로 시멘트 시편을 제작한 후 시멘트 시편 표면에 대장균 액체 LB 배지 50㎖를 분무하였다. 그 외 나머지 조건 및 과정은 실시예 1과 동일하게 진행하였다.

3. 비교예

상기 실시예 1에서 시멘트 시편 제작 시 대장규 액체 LB 배지를 첨가하지 아니한 채로 시멘트 시편을 제작한 후 그 외 나머지 조건 및 과정은 실시예 1과 동일하게 진행하였다.

4. 실험 결과

앞선 실험예 1,2 및 비교예의 결과는 표 1 및 도 1에 나타하였다. 참고로, 도 1에서는 시편의 균열/파괴 정도에 따라 0 ~ 4등급으로 구분하였다.(0등급은 전혀 균열이 발생하지 않은 상태이며, 4등급은 시편이 완전 파괴된 상태를 나타낸다.)

실험예 1에서는 시멘트 시편에서부터 9cm 높이에서 추를 낙하시켰을 때, 시멘트 시편에 최초의 균열이 발생하였으며, 12cm 높이에서 상당히 큰 균열이 발생하였고, 15cm 높이에서 시멘트 시편이 완전히 파괴되었다.

실험예2에서는 시멘트 시편에서부터 9cm 높이에서 추를 낙하시켰을 때, 시멘트 시편에 최초의 균열이 발생하였으며, 이후 10cm 높이에서 시멘트 시편이 완전히 파괴되었다.

반면, 비교예의 경우, 시멘트 시편에서부터 7cm 높이에서 추를 낙하시켰을 때, 시멘트 시편이 완전히 파괴되었다.

	시편 균열 발생 높이	시편 파괴 높이
실험예 1	9cm	15cm
실험예 2	9cm	10cm
비교예	7cm	9cm

이를 통해서, 시멘트가 경화되기 전인 페이스트 상태에서 대장균을 첨가하는 것이 가장 강도가 우수함을 확인할 수 있었으며, 다음으로 시멘트가 경화된 이후 표면에 대장균 액체 LB 배지를 분무한 경우에도, 전혀 대장균이 첨가되지 않은 일반 시멘트에 비해 강도가 우수함을 확인할 수 있었다.

이상과 같이, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 들어 설명하였다. 그러나 상기의 실시예는 본 발명을 보다 쉽게 이해하기 위하여 제공되는 것일 뿐, 실시예에 의해 본 발명의 내용이 한정되는 것은 아님은 자명하다.

Claims (3)

1. 삭제
2. 시멘트 혼합재의 내진성 증진 방법에 있어서,
   전체 중량에서 시멘트 분말이 50 내지 99 중량%를 포함하도록, 상기 시멘트 분말에 물을 혼합하여 일정한 유동성을 갖는 시멘트 페이스트를 만드는 단계; 및
   상기 시멘트 페이스트에 젤라틴 성분의 캡슐에 수용된 대장균 액체 배지를 첨가하는 단계;
   를 포함하는 것을 특징으로 하는 시멘트 혼합재의 내진성 증진 방법.
3. 삭제

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