KR101973715B1 - 미생물을 이용한 자기치유 콘크리트 조성물 및 이를 이용한 자기치유 콘크리트의 제조방법 - Google Patents

미생물을 이용한 자기치유 콘크리트 조성물 및 이를 이용한 자기치유 콘크리트의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 우레아(urea)를 분해하여 탄산이온(CO3 2-)을 생성하는 우레아 분해성 미생물 스포어(spore)가 공극 내에 부착되게 전처리한 바텀애쉬를 시멘트와 혼입하여 조성물을 구성함으로써 바텀애쉬의 공극을 충진함과 동시에 미생물이 시멘트 내에서 활성을 유지할 수 있도록 하여, 콘크리트 내부에서 균열이 발생할 경우 미생물에 의한 자기치유 성능을 향상시킬 수 있고, 제조 과정을 단순화시킬 수 있는 자기치유 콘크리트 조성물 및 이를 이용한 자기치유 콘크리트의 제조방법에 관한 것으로, 본 발명의 자기치유 콘크리트 조성물은, 우레아(urea)를 분해하여 탄산이온(CO3 2-)을 생성하는 우레아 분해성 미생물 스포어(spore)가 공극 내에 부착되게 전처리한 바텀애쉬와, 시멘트, 우레아, 칼슘락테이트(Calcium Lactate), 골재를 포함한다.

Description

미생물을 이용한 자기치유 콘크리트 조성물 및 이를 이용한 자기치유 콘크리트의 제조방법{Autogenous Crack Healing Concrete Composition Using Microorganism, And Method for Manufacturing the Same}
본 발명은 콘크리트에 균열(crack) 발생 시 스스로 균열을 치유할 수 있는 자기치유 콘크리트에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 우레아(urea)를 분해하여 탄산이온(CO3 2-)을 생성하는 우레아 분해성 미생물 스포어(spore)가 공극 내에 부착되게 전처리한 바텀애쉬를 사용하여 콘크리트 내부에서 균열이 발생할 경우 미생물에 의해 균열 부위에서 다량의 탄산칼슘(CaCO3)이 생성되게 하여 균열 부위를 치유할 수 있는 자기치유 콘크리트 조성물 및 이를 이용한 자기치유 콘크리트의 제조방법에 관한 것이다.
기반시설 및 많은 건축물에 이용되는 콘크리트는 압축강도가 크고 내구성이 우수하며, 유지보수가 용이하다는 장점이 있으나, 인장강도가 낮고 수축에 의한 균열이 발생할 수 있다는 문제점이 있다.
이러한 콘크리트에 균열이 발생할 경우 철근 부식, 중성화 진행 등으로 인한 구조물의 열화 가능성이 커 이를 보수하기 위한 다양한 방법이 연구, 개발되었으며, 최근에는 손상된 부위에 대해서 콘크리트 타설시 포함된 물질에 의한 '자기치유'에 관한 연구가 활발히 진행되고 있다.
자기치유 콘크리트와 관련하여, 대표적으로 미생물을 활용하는 기술이 개발되고 있다.
미생물을 활용하는 기술은 미생물이 자신의 몸 내외에 광물을 만들어 내는 작용 즉, 생체광물 형성작용(biomineralization)을 이용한 것으로, 무기 성분이 단백질이나 다당류 등의 유기 성분과 같은 생체 고분자에 의해 복합화 되고, 정밀한 질서를 가진 구조체를 형성하여 이뤄진다.
특히 시멘트에 탄산염을 석출하는 미생물을 포함하여 자기치유 콘크리트를 형성하는 기술이 주목받고 있으나, 염기(알칼리) 환경의 시멘트 내에서 미생물의 활성을 유지시키기 어렵다는 문제가 있으며, 구조물 균열시 미생물에서 광물형성이 이뤄지더라도 상대적으로 규모가 큰 균열 부위의 치유가 빠른 시간 내에 이뤄지기 어렵다는 문제가 있다.
이를 일부 보완하기 위한 종래 기술의 일예로, 등록특허 제10-1448068호의 "미생물 캡슐을 이용한 콘크리트 및 그 제조방법"이 있으며, 이러한 종래 기술은 미생물 배양액을 캡슐로 제조하여 수중 설치되는 콘크리트 구조물에 첨가함으로써 제조 과정 및 제조 후 수중에 설치된 상태에서 미생물의 유실을 최소화할 수 있다는 장점이 있다.
그러나 상기 종래 기술은 단지 수중 정화능력이 있는 미생물의 보호를 위해 지방산 바인더를 이용하는 것으로, 탄산칼슘을 석출하는 미생물에 상기 바인더를 적용하더라도 바인더가 알칼리 용액에서 수용성을 가져 용해되므로 염기 환경의 시멘트 내에서 미생물의 활성을 유지하기가 어려운 문제가 있으며, 미생물 캡슐을 제조하는 과정이 복잡한 문제가 있다.
또한 등록특허 제10-1240240호의 "칼슘아세테이트를 함유하는 미생물 배양액을 이용한 콘크리트 표면 수밀화 처리방법"에는 우레아(urea) 분해 기능을 가지는 미생물에 의해서 탄산칼슘 결정을 생성시켜, 콘크리트 표면에 존재하는 공극을 이러한 탄산칼슘 결정으로 충진하고 콘크리트 표면을 미생물에 의해 생성된 탄산칼슘으로 코팅함으로써, 콘크리트 표면을 밀실화하여 콘크리트 표면의 수밀성을 증진시킬 수 있도록 하고 있다.
그러나 이러한 등록특허를 비롯한 종래의 자기치유 기능을 갖는 콘크리트 조성물은 콘크리트의 표면에 도포되어 자기치유 효과를 발현하기 때문에 콘크리트 내부에서 발생하는 균열에 대해서는 자기치유 성능을 발휘하지 못하게 된다.
이에 시멘트와 함께 미생물 스포어를 혼입하여 콘크리트 내부에서 발생하는 균열에 대해서도 자기치유 성능을 발휘하기 위한 콘크리트 조성물에 대한 연구가 진행되고 있으나, 미생물 스포어를 시멘트에 혼입할 경우 전술한 것과 같이 염기(알칼리) 환경의 시멘트 내에서 미생물의 활성을 유지시키기 어려워 자기치유 성능이 현격히 저하되는 문제가 있다.
등록특허 제10-1448068호 등록특허 제10-1240240호 등록특허 제10-1550258호 공개특허 제10-2017-0037399호
본 발명은 상기와 같은 문제를 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 우레아(urea)를 분해하여 탄산이온(CO3 2-)을 생성하는 우레아 분해성 미생물 스포어(spore)가 공극 내에 부착되게 전처리한 바텀애쉬를 시멘트와 혼입하여 조성물을 구성함으로써 바텀애쉬의 공극을 충진함과 동시에 미생물이 시멘트 내에서 활성을 유지할 수 있도록 하여, 콘크리트 내부에서 균열이 발생할 경우 미생물에 의한 자기치유 성능을 향상시킬 수 있고, 제조 과정을 단순화시킬 수 있는 자기치유 콘크리트 조성물 및 이를 이용한 자기치유 콘크리트의 제조방법을 제공함에 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 자기치유 콘크리트 조성물은, 우레아(urea)를 분해하여 탄산이온(CO3 2-)을 생성하는 우레아 분해성 미생물 스포어(spore)가 공극 내에 부착되게 전처리한 바텀애쉬와, 시멘트, 우레아, 칼슘락테이트(Calcium Lactate), 골재를 포함한다.
여기서 상기 바텀애쉬는 표면이 이스트(yeast)로 전처리된 상태에서 공극에 우레아 분해성 미생물 스포어가 충전되어 전처리된 것이다.
상기 시멘트와 골재와 바텀애쉬의 배합비는 중량비로 1:2:3인 것이 바람직하다.
또한 상기 우레아(urea) 분해성 미생물은, 스포로사르시나 파스테우리(Sporosarcina pasteurii), 바실러스 수도피르무스(Bacillus pseudofirmus), 바실러스 파스테우리(Bacillus pasteurii) 중 어느 하나 이상을 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 자기치유 콘크리트 조성물을 이용한 자기치유 콘크리트의 제조방법은 다음과 같은 단계를 포함할 수 있다.
(S1) 바텀애쉬의 공극 내에 우레아 분해성 미생물 스포어(spore)가 부착되게 전처리하는 단계
(S2) 상기 바텀애쉬를 시멘트와 우레아, 칼슘락테이트(Calcium Lactate), 골재와 혼합하여 건비빔하는 단계
(S3) 상기 S2 단계에서 혼합된 혼합물을 물과 함께 혼합하는 단계
본 발명의 제조방법의 한 형태에 따르면, 상기 (S1) 단계는,
(S11) 상기 바텀애쉬를 건조 및 멸균 처리하는 단계,
(S12) 상기 바텀애쉬를 이스트(yeast)에 침지하여 표면을 이스트로 전처리하는 단계,
(S13) 상기 바텀애쉬를 우레아 분해성 미생물 배양액에 침지하여 바텀애쉬의 공극에 우레아 분해성 미생물을 충전하는 단계,
(S14) 상기 바텀애쉬를 건조하여 우레아 분해성 미생물을 스포어화하는 단계를 포함할 수 있다.
또한 상기 (S13)은 20~35℃의 온도 범위에서 72시간 이상 진행되는 것이 바람직하다.
본 발명에 따르면, 바텀애쉬의 공극에 우레아 분해성 미생물 스포어가 충전되므로 우레아 분해성 미생물이 시멘트와 함께 혼합된 상태에서도 활성을 유지할 수 있게 된다. 따라서 콘크리트 내부에서 균열이 발생할 경우 바텀애쉬의 공극에 충전되어 있던 우레아 분해성 미생물에 의해 다량의 탄산칼슘을 생성하여 균열을 메울 수 있게 된다.
또한 미생물이 함유된 마이크로 캡슐을 제조하지 않고 바텀애쉬의 전처리 공정을 통해 미생물을 바텀애쉬의 공극에 접착시킬 수 있으므로 제조가 용이한 효과도 있다.
도 1은 바텀애쉬를 미생물로 전처리하기 전과 미생물로 전처리한 후의 사진이다.
도 2는 전처리된 바텀애쉬의 표면을 확대하여 본 현미경 사진이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 자기치유 콘크리트의 제조방법을 나타낸 순서도이다.
도 4는 도 3에 도시된 자기치유 콘크리트의 제조방법 중 바텀애쉬의 전처리 단계(S1)를 설명하는 순서도이다.
도 5는 도 4에 도시된 바텀애쉬의 전처리 단계(S1)를 순차적으로 나타낸 도면이다.
도 6 및 도 7은 바텀애쉬를 우레아 분해성 미생물 배양액에 침지할 때 배양 온도에 따른 미생물의 칼슘이온(Ca2+) 소비량과 암모늄 이온(NH4 +) 생성량을 측정한 결과를 나타낸 그래프이다.
본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 개시된 발명의 바람직한 일 예에 불과할 뿐이며, 본 출원의 출원시점에 있어서 본 명세서의 실시예와 도면을 대체할 수 있는 다양한 변형 예들이 있을 수 있다.
본 발명의 자기치유 콘크리트 조성물은 우레아(urea)를 분해하여 탄산이온(CO3 2-)을 생성하는 우레아 분해성 미생물 스포어(spore)가 공극 내에 부착되게 전처리한 바텀애쉬와, 시멘트, 우레아, 칼슘락테이트(Calcium Lactate), 골재를 포함한다.
도 1 및 도 2에 도시한 것과 같이, 바텀애쉬(B)는 다수의 공극이 형성되어 있는 다공성의 산업부산물로, 건조 및 멸균 처리 과정을 거친 후에 표면이 이스트(yeast)로 전처리된 상태에서 공극에 우레아 분해성 미생물 스포어(S)가 충전되어 전처리된 것이다.
바텀애쉬(B)의 공극에 충전된 우레아 분해성 미생물 스포어(S)는 콘크리트 내의 우레아(urea)를 분해하여 탄산이온(CO3 2-)을 생성하고, 탄산이온(CO3 2-)은 콘크리트 내의 칼슘이온(Ca2+)과 반응하여 탄산칼슘(calcium carbonate, CaCO3) 즉, 방해석 또는 석회석의 주성분을 만들어냄으로써 콘크리트의 균열을 메우게 된다. 우레아(urea) 분해성 미생물은, 스포로사르시나 파스테우리(Sporosarcina pasteurii), 바실러스 수도피르무스(Bacillus pseudofirmus), 바실러스 파스테우리(Bacillus pasteurii), 바실러스 스파에리쿠스(Bacillus sphaericus) 등에서 어느 하나 이상을 포함할 수 있다.
이와 같이 콘크리트 조성물은 바텀애쉬의 공극에 우레아 분해성 미생물 스포어가 충전되므로 우레아 분해성 미생물이 시멘트와 함께 혼합된 상태에서도 활성을 유지할 수 있게 된다. 따라서 콘크리트 내부에서 균열이 발생할 경우 바텀애쉬의 공극에 충전되어 있던 우레아 분해성 미생물에 의해 다량의 탄산칼슘을 생성하여 균열을 메울 수 있게 된다.
콘크리트 조성물에 포함되는 우레아와 칼슘락테이트는 우레아 분해성 미생물에 의한 탄산이온(CO3 2-)의 생성 및 칼슘이온(Ca2+)의 생성을 위해 첨가된 것이다.
골재로서 모래를 사용하는 경우, 본 발명의 콘크리트 조성물은 시멘트와 골재와 바텀애쉬의 배합비가 중량비로 1:2:3인 것이 바람직하며, 우레아 및 칼슘락테이트는 시멘트 중량의 1~5 중량%인 것이 바람직하다.
이와 같은 콘크리트 조성물을 이용하여 자기치유 콘크리트를 제조하는 방법을 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 자기치유 콘크리트 제조방법은 다음과 같은 단계들로 이루어진다.
(S1) 바텀애쉬의 공극 내에 우레아 분해성 미생물 스포어(spore)가 부착되게 전처리하는 단계
(S2) 상기 바텀애쉬를 시멘트와 우레아, 칼슘락테이트(Calcium Lactate), 골재와 혼합하여 건비빔하는 단계
(S3) 상기 S2 단계에서 혼합된 혼합물을 물과 함께 혼합하는 단계
도 4 및 도 5를 참조하면, 상기 단계 중 바텀애쉬를 전처리하는 단계 (S1)는 다음과 같은 과정으로 이루어진다.
먼저, 바텀애쉬를 건조하여 수분을 제거한 후 오토클레이브(autoclave)와 같은 멸균기에서 멸균 처리를 한다(단계 S11).
그리고 바텀애쉬의 공극 내에 우레아 분해성 미생물의 부착을 위해 상기 멸균 처리된 바텀애쉬를 미생물의 영양분이 되는 이스트(yeast)에 침지하여 표면을 이스트로 전처리한 후 건조한다(단계 S12).
이어서 상기 바텀애쉬를 스포로사르시나 파스테우리(Sporosarcina pasteurii)와 같은 우레아 분해성 미생물 배양액에 침지하여 바텀애쉬의 공극에 우레아 분해성 미생물을 충전한다(단계 S13). 이와 같이 바텀애쉬를 우레아 분해성 미생물 배양액에 침지하는 단계는 미생물의 활성도가 가장 높은 20~35℃의 온도 범위에서 72시간(3일) 이상 진행되는 것이 바람직하다.
그 다음, 공극에 우레아 분해성 미생물이 침지된 바텀애쉬를 배양액에서 꺼낸 후 미생물의 스포어화를 위해 적어도 1일 이상 건조하여 수분을 제거하고 공극 내 미생물을 스포어화한다(단계 14).
전술한 미생물 전처리 단계를 거쳐 공극 내에 우레아 분해성 미생물이 충전된 바텀애쉬는 시멘트와 우레아, 칼슘락테이트(Calcium Lactate), 모래와 같은 골재와 혼합된 후 건비빔된 후, 충분한 시공성을 부여하기 위한 물/시멘트(W/C) 비인 0.4 내지 일반 콘크리트 물/시멘트 비인 0.6 이하의 물/시멘트 비로 혼합하여 타설한다.
도 6 및 도 7은 상술한 바텀애쉬의 전처리 단계(S1) 중 바텀애쉬를 우레아 분해성 미생물 배양액에 침지하여 공극에 우레아 분해성 미생물을 충전하는 단계(S13)를 수행하는 과정에서 배양 온도에 따른 미생물의 칼슘이온(Ca2+) 소비량과 암모늄 이온(NH4 +) 생성량을 측정한 결과를 나타낸다. 사용된 우레아 분해성 미생물은 스포로사르시나 파스테우리(Sporosarcina pasteurii)이고, 사용된 배양액은 NB-Calcium lactate이다.
도 6의 그래프를 통해 알 수 있는 것과 같이, 배양 온도 환경이 20℃, 30℃, 35℃에서는 시간이 지남에 따라 칼슘이온(Ca2+)의 소비량이 급격히 증가하였으나, 온도가 10℃에서는 칼슘이온(Ca2+) 소비량이 현저히 적은 것을 알 수 있다. 또한 도 7의 그래프를 통하여, 배양 온도 환경이 20℃, 30℃, 35℃에서는 시간이 지남에 따라 암모늄 이온(NH4 +) 생성량이 급격히 증가하였지만, 10℃에서는 암모늄 이온(NH4 +) 생성량의 변화가 거의 없는 것을 알 수 있다.
따라서 미생물의 배양 온도 환경은 20~35℃ 범위가 바람직하고, 30~35℃가 가장 바람직하다.
이상에서 본 발명은 실시예를 참조하여 상세히 설명되었으나, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기에서 설명된 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 부가 및 변형이 가능할 것임은 당연하며, 이와 같은 변형된 실시 형태들 역시 아래에 첨부한 특허청구범위에 의하여 정하여지는 본 발명의 보호 범위에 속하는 것으로 이해되어야 할 것이다.
B : 바텀애쉬
S : 우레아 분해성 미생물 스포어

Claims (7)

  1. 우레아(urea)를 분해하여 탄산이온(CO3 2-)을 생성하는 우레아 분해성 미생물 스포어(spore)가 공극 내에 부착되게 전처리한 바텀애쉬와, 시멘트, 우레아, 칼슘락테이트(Calcium Lactate), 골재를 포함하며,
    상기 바텀애쉬는 표면이 이스트(yeast)로 전처리된 상태에서 공극에 우레아 분해성 미생물 스포어가 충전되어 전처리된 자기치유 콘크리트 조성물.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서, 상기 시멘트와 골재와 바텀애쉬의 배합비는 중량비로 1:2:3인 자기치유 콘크리트 조성물.
  4. 제1항에 있어서, 상기 우레아(urea) 분해성 미생물은,
    스포로사르시나 파스테우리(Sporosarcina pasteurii), 바실러스 수도피르무스(Bacillus pseudofirmus), 바실러스 파스테우리(Bacillus pasteurii) 중 어느 하나 이상을 포함하는 자기치유 콘크리트 조성물.
  5. 제1항 및 제3항 내지 제4항 중 어느 한 항에 따른 자기치유 콘크리트 조성물을 이용한 자기치유 콘크리트의 제조방법으로서,
    (S1) 바텀애쉬의 공극 내에 우레아 분해성 미생물 스포어(spore)가 부착되게 전처리하는 단계;
    (S2) 상기 바텀애쉬를 시멘트와 우레아, 칼슘락테이트(Calcium Lactate), 골재와 혼합하여 건비빔하는 단계; 및,
    (S3) 상기 S2 단계에서 혼합된 혼합물을 물과 함께 혼합하는 단계;
    를 포함하며,
    상기 (S1) 단계는,
    (S11) 상기 바텀애쉬를 건조 및 멸균 처리하는 단계,
    (S12) 상기 바텀애쉬를 이스트(yeast)에 침지하여 표면을 이스트로 전처리하는 단계,
    (S13) 상기 바텀애쉬를 우레아 분해성 미생물 배양액에 침지하여 바텀애쉬의 공극에 우레아 분해성 미생물을 충전하는 단계,
    (S14) 상기 바텀애쉬를 건조하여 우레아 분해성 미생물을 스포어화하는 단계를 포함하는 자기치유 콘크리트의 제조 방법.
  6. 삭제
  7. 제5항에 있어서, 상기 (S13)은 20~35℃의 온도 범위에서 72시간 이상 진행되는 자기치유 콘크리트의 제조 방법.
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