KR102683400B1 - 염화금속화합물 저감능 박테리아 배양액 도포 기술을 활용한 콘크리트 내염해 단면 보수 기법 - Google Patents

염화금속화합물 저감능 박테리아 배양액 도포 기술을 활용한 콘크리트 내염해 단면 보수 기법 Download PDF

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Abstract

해양 환경에서 염해에 노출된 콘크리트의 물리적 및 화학적 열화 저항의 기능을 동시에 갖는 보수재가 개시된다. 본 발명은 1종 보통포틀랜드 시멘트와 EVA계 폴리머를 포함하는 결합재, 폴리에틸렌 섬유 및 잔골재를 포함하는 염해 저항 보수재;와 호염 슬라임 형성 박테리아 및 염화금속화합물 저감 박테리아가 고정된 다공질 구조의 캐리어;가 혼합된 염해 환경에서의 콘크리트 단면 보수재로서, 상기 호염 슬라임 형성 박테리아는 바실러스 리체니포르미스(Bacillus licheniformis)이고, 상기 염화금속화합물 저감 박테리아는 할로모나스 베누스타(Halomonas venusta)인 것을 특징으로 하는 염해 환경에서의 콘크리트 단면 보수재를 제공한다.

Description

염화금속화합물 저감능 박테리아 배양액 도포 기술을 활용한 콘크리트 내염해 단면 보수 기법{Salt resistant section repair method using coating technique of metal chloride compound lowering bacterium culture medium}
본 발명은 콘크리트 내염해 단면 보수 기법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 박테리아 기반 콘크리트 내염해 단면 보수 기법에 관한 것이다.
염해 환경에 노출된 콘크리트 구조물은 콘크리트의 열화 및 철근 부식 등의 이유로 그 내구연한이 급격히 감소될 수 있다. 특히 선박정박시설, 방파제 및 해상 플랜트 등은 염해에 대응한 보수·보강 공사의 급속한 시공 및 경화가 빠른 재료를 요구한다.
염해에 의한 열화를 받는 해양 구조물의 보수를 위한 재료로서 활용되는 에폭시계, 비닐에스테르계, 아크릴고무계 등의 유기계 재료(도료)들은 초기 콘크리트 구조물과의 접착강도는 우수하지만, 열팽창계수나 건조, 수축 등으로 발생하는 변형 특성이 콘크리트와 상이하여 장기적으로는 콘크리트 구조물과의 계면에서 탄성 피막의 탈락이 발생하게 되고 이로 인해 내염해 효과를 기대할 수 없는 단점을 가지고 있다. 또한 보수 시공 대상면인 콘크리트 모체 표면에서의 완벽한 표면 처리가 되지 않을 경우 콘크리트와의 접착강도가 급격히 저하되며, 바탕 콘크리트의 수분 상태에 의해서도 접착강도가 급격히 변화되는 특성을 나타낸다.
특히, 보수 시공 대상인 해양 구조물의 경우 해수 중에 존재하는 오염물질 및 해양생물 등으로 인해 필연적으로 발생하는 파울링을 말끔히 제거하는 것은 실질적으로 불가능함에 따라 유기계 코팅재 시공 시 부분적인 들뜸 및 채움 불량 등의 현상으로 쉽게 탈락·박리될 수 있다. 또한 유기계 재료의 경우 도료의 형태로서 각각 성능이 다른 도료를 사용하여 상도, 중도 및 하도의 3단계로 도막을 실시하기 때문에 시공이 어려울 뿐만 아니라 3단계 도료 중 어느 한 단계의 도막에 하자가 발생하면, 전체 성능이 큰 영향을 미치고 장기적인 내구성능 확보에 매우 불리하다. 이와 함께 유기계 코팅재는 환경오염 및 유해물질이 다량 포함되어 전 세계적으로 사용 원료 및 제조 공정을 엄격하게 규제하고 있어 중금속 및 휘발성 유기화합물(VOCs; Volatile Organic Compounds)을 포함하지 않은 친환경 코팅재가 개발되고 있지만 고도화 기술 재료 사용에 따른 재료비 상승 및 시공비용 증가의 원인이 된다.
무기계 재료를 사용한 해양 구조물 보수의 경우에는 유기계 재료와 달리 보수 대상 구조물인 해양 콘크리트 구조물과 일체성의 확보 측면에서 유리하지만, 염분 제거제, 구체 강화제 등의 화학적 첨가제의 시공 공정을 포함하지 않는 경우 보수 시공면은 여전히 염해에 의한 열화 환경에 지속적으로 노출될 수 밖에 없다. 또한 기존 염해 보수를 위한 무기재료에서 열화저항성 향상의 기능성 부여를 위한 재료의 사용은 다소 한정적이기 때문에 빈번한 재시공 등으로 인한 경제적 손실이 증가한다. 더불어 무기계 재료 기반의 보수재에서는 염소이온 확산을 일정 수준 이하로 낮추는 데에는 한계가 있다.
이에 최근에는 기존 무기계 재료 및 유기계 재료의 내구성 확보의 문제와 염소이온 확산계수 저감의 한계를 극복하기 위한 기술로서 해양 환경에서 콘크리트 염해 보호 기능을 갖는 슬라임을 형성하거나 염소이온을 분해하는 호염 균주를 활용하는 생태학적 염해 저항 보수 기술이 제시되었다. 이 기술들은 1) 슬라임 형성 박테리아 활용 기술로서, 박테리아가 열악한 외부 환경으로부터 자기 세포를 보호하기 위해 형성하는 슬라임을 콘크리트 표면에 적용함으로써 염소이온의 침투 및 확산을 제어하기 위한 물리적 보호체로 작용하고, 2) 염소이온 분해 균주 활용 기술로서, 콘크리트 내부에서 생장하며 산화·환원 촉매효소를 생성하여 MgCl2, CaCl2 등 염화금속화합물의 이온 결합을 해제하고, 환원된 Cl 이온을 에너지원으로 활용함에 따라 염해인자 접촉 수화물의 생성량 저감의 화학적 염해열화 제어의 작용을 한다.
하지만 이들 균주는 각각 독립적인 소재의 형태로 적용됨에 따라 1) 슬라임 형성 균주 단독 활용 시 염소이온 침투의 물리적 차단의 효과만 기대할 수 있을 뿐, 보수 단면의 잔여 염소 이온의 제거 및 확산 억제가 어렵고, 2) 염화금속화합물 저감 균주 단독 활용 시 외부로부터 유입되는 염소이온의 물리적 침투 제어가 어려운 단점이 있다.
이들 박테리아를 혼합하여 사용하는 내염해 단면 보수재의 경우에는 염소이온 침투의 물리적 차단 효과 및 염해인자 접촉 수화물 생성량 저감의 화학적 염해 열화 제어의 효과를 동시에 기대할 수 있지만, 균주를 혼합 사용하는 경우 단일 균주의 생장 우점이 발생하여 상대적인 약점을 이루는 박테리아의 열화제어 효과가 감소할 수 있는 문제가 있다. 이에 따라 슬라임 형성 박테리아 및 염화금속화합물 저감능 박테리아를 복합적으로 혼합·활용하는 단면 보수재의 염소이온 확산계수 저감의 효과는 슬라임 형성 박테리아를 단독 활용하는 내염해 보수재 배합에 비해 불과 20% 정도 낮은 결과를 보인다. 또한 단면 보수재 시공에 있어 2종류 이상의 박테리아 소재를 보수 모르타르와 혼합하여 사용함에 따라 배합 과정에서의 작업자의 혼란과 작업의 번거로움, 시공 단가 상승의 문제로 이어질 수 있다.
[선행특허문헌]
- 한국 등록특허 제1779935호(2017.09.13.)
- 한국 등록특허 제1355392호(2014.01.20.)
본 발명은 해양 환경에서 염해에 노출된 콘크리트의 물리적 및 화학적 열화 저항의 기능을 동시에 갖는 보수재의 제조방법을 제공하고자 한다.
상기 과제를 해결하기 위하여 본 발명은, 염해 저항 단면 보수재 배합과 호염 슬라임 형성 박테리아 기반 캐리어가 혼합된 단면 보수재를 이용하여 염해 콘크리트 단면을 보수하는 방법으로서, 보수재 시공 전 열화 부위 제거 단면에 염화금속화합물 저감능 박테리아 배양액을 도포하는 단계를 포함하는 콘크리트 내염해 단면 보수 방법을 제공한다.
또한 상기 단면 보수재 배합은 1종 보통포틀랜드 시멘트와 EVA계 폴리머를 포함하는 결합재, 폴리에틸렌 섬유 및 잔골재를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법을 제공한다.
또한 상기 단면 보수재 배합은 상기 1종 보통포틀랜드 시멘트를 92 내지 98 중량%, 상기 EVA계 폴리머를 2 내지 8 중량%, 상기 폴리에틸렌 섬유를 상기 보수재 100 부피부에 대하여 0.1 내지 0.3 부피부 포함하고, 상기 잔골재는 평균 입경이 0.25 내지 0.7 mm인 규사로서, 잔골재-결합재비(sand to binder ratio, S/B)가 1.8 내지 2.2 중량비이고, 물-결합재비(water to binder ratio, W/B)가 25 내지 38 중량%인 것을 특징으로 하는 방법을 제공한다.
또한 상기 호염 슬라임 형성 박테리아는 바실러스 리체니포르미스(Bacillus licheniformis)이고, 상기 염화금속화합물 저감 박테리아는 할로모나스 베누스타(Halomonas venusta)인 것을 특징으로 하는 방법을 제공한다.
또한 상기 캐리어는 팽창질석이고, 상기 호염 슬라임 형성 박테리아가 음압 조건에서 고정된 것을 특징으로 하는 방법을 제공한다.
본 발명에 따르면, 해양 환경에서 염해 보호의 기능을 갖는 슬라임 형성 박테리아 및 염화금속화합물 저감능 박테리아를 복합적으로 활용하여 염해에 노출된 콘크리트의 물리적 및 화학적 열화 저항의 기능을 동시에 갖는 콘크리트 내염해 단면 보수 방법을 제공할 수 있다.
본 발명은 염소이온(Cl-)에 의한 화학적 열화 환경에 노출된 콘크리트 구조물의 보수 시에 열화된 단면을 제거한 이후, 해당 단면에 콘크리트 구조물의 내부에서 염해인자 접촉 수화물(염화금속화합물)의 생성량을 저감하는 박테리아 배양액을 도포한 후, 콘크리트 표면에서 염소이온의 침투 및 확산 저해 기능의 박테리아 슬라임을 이용하여 물리적으로 차단할 수 있는 보수재 시공 방법을 제공할 수 있다.
이로부터 해양 콘크리트 구조물 및 철근 콘크리트 구조물의 보수 및 내구성이 향상되고, 호염 슬라임 형성 박테리아 및 염화금속화합물 저감능 박테리아의 생리적 기능에 의한 물리적 및 화학적 염해 열화 저항성의 획기적 향상에 의해 구조물의 유지관리 효율성이 향상되고, 흡수성 방지제, 프라이머 도포 등의 보수 공정 생략에 의한 공사원가 절감 및 공기 단축의 효과가 있다.
도 1 및 도 2는 각각 본 발명에서 분리된 바실러스 리체니포르미스(Bacillus licheniformis)의 계통도 및 세포 사진을 나타낸 도면이다.
도 3은 호염 슬라임 형성 박테리아가 고정화된 팽창질석의 미세구조 이미지(scanning electron microscopy image)를 나타낸 도면이다.
도 4 및 도 5는 각각 본 발명에서 할로모나스 베누스타(Halomonas venusta)의 계통도 및 세포 사진을 나타낸 도면이다.
도 6은 기존의 일반적인 콘크리트 구조물 단면 보수 기술과 박테리아 소재를 활용하는 생태학적 내염해 보수 기술에서 일련의 보수재료, 박테리아 소재 등을 모두 단면 보수 모르타르 배합 시 믹서에 함께 혼합하여 사용하고 있는 모습을 나타낸 사진이다.
도 7은 본 발명에 따라 보수 대상 콘크리트 구조물의 열화부 제거 단면에서 염화금속화합물 저감 박테리아 배양액 도포 후(a), 슬라임 형성 박테리아 기반의 내염해 단면 보수재를 시공(b)하는 모습을 나타낸 사진이다.
도 8은 본 발명의 시험예 1에서 염화물 확산계수의 평가 결과를 이용하여 예측된 해양 환경 노출 보수 콘크리트 구조물의 염소이온 농도 프로파일을 나타낸 그래프이다.
이하에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참고하여 상세하게 설명한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐리게 할 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략하기로 한다. 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위하여 설명과 관계없는 부분은 생략하였고, 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한, 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있음을 의미한다.
본 발명은 염해 저항 단면 보수재 배합과 호염 슬라임 형성 박테리아 기반 캐리어가 혼합된 단면 보수재를 이용하여 염해 콘크리트 단면을 보수하는 방법으로서, 보수재 시공 전 열화 부위 제거 단면에 염화금속화합물 저감능 박테리아 배양액을 도포하는 단계를 포함하는 콘크리트 내염해 단면 보수 방법을 개시한다.
염해 저항 보수재
본 발명에서 염해 저항 보수재('Herb-con A+'라 명명함)는 박테리아 생장 및 접착강도 등을 고려하여 개발된 혼합물로서, 1종 보통포틀랜드 시멘트와 EVA(Ethylene Vinyl Acetate)계 폴리머를 포함하는 결합재, 폴리에틸렌 섬유 및 잔골재를 포함한다.
상기 결합재 조성은 상기 1종 보통포틀랜드 시멘트가 92 내지 98 중량%이고, EVA계 폴리머 2 내지 8 중량%인 것이 바람직하고, 이 경우 콘크리트 염해에 의한 열화 제어 기능 구현이 가장 우수한 것으로 확인되었다.
또한 상기 폴리에틸렌 섬유는 상기 염해 저항 보수재에 강도 및 강성 강화를 부여하기 위해 첨가되는 성분으로, 평균 직경이 50 내지 200 ㎛, 바람직하게는 100 내지 150 ㎛인 폴리에틸렌 섬유 재료가 사용될 수 있다.
상기 폴리에틸렌 섬유의 함량은 상기 보수재 100 부피부에 대하여 0.1 내지 0.3 부피부인 것이 바람직하고, 이 경우 콘크리트 염해에 의한 열화 제어 기능이 향상된 상태에서 보수재의 강도 및 강성 강화 기능이 가장 우수한 것으로 확인되었다.
상기 잔골재로는 평균 입경이 0.25 내지 0.7 mm인 규사를 사용하는 것이 바람직하고, 잔골재 함량은 잔골재-결합재비(sand to binder ratio, S/B)가 1.8 내지 2.2 중량비가 되도록 하는 것이 콘크리트 염해에 의한 열화 제어 기능 구현을 고려할 때 바람직한 것으로 확인되었다. 이때 물-결합재비(water to binder ratio, W/B)는 25 내지 38 중량%로 하는 것이 바람직하다.
본 발명에서 다공질 구조의 캐리어에 고정된 박테리아는 호염 슬라임 형성 박테리아로서 바실러스 리체니포르미스(Bacillus licheniformis)를 채용하고, 보수재 시공 전 열화 부위 제거 단면에 도포되는 염화금속화합물 저감능 박테리아 배양액으로서 할로모나스 베누스타(Halomonas venusta)를 채용함으로써, 보수재가 염해에 노출된 콘크리트의 물리적 및 화학적 열화 저항의 기능을 동시에 갖도록 하여, 결과적으로 염해 내구 수명을 극적으로 향상시킬 수 있는 콘크리트 내염해 단면 보수 방법을 제공할 수 있다.
호염 슬라임 형성 박테리아
본 발명에서는 하기 표 1에 나타낸 호염 균주(해양 미생물)에 대해 염해에 의한 열화 제어 기능을 효과적으로 구현할 수 있는지 여부를 확인한 결과, 염분 농도가 3 내지 5 중량% 수준인 해수에서 생장 가능한 호염 균주로서, 바실러스 리체니포르미스(Bacillus licheniformis)가 해당 환경에서 생장 및 증식을 통해 콘크리트 표면 점질의 슬라임 막을 형성하여 콘크리트 구조체에서 염소이온 침투 및 확산에 저항하기 위한 보호막(Barrier)으로서 작용하는 것을 확인하였다. 즉, 바실러스 리체니포르미스(Bacillus licheniformis)가 형성하는 슬라임 막은 콘크리트 표면에서 염소이온 침투 및 확산에 대한 차단막을 형성하여 콘크리트 내부에서 공극 증가 및 내구성 저하의 영향을 미치는 CaCl2 화합물 및 FeCl2 화합물의 생성을 억제하게 된다.
Strain Species
HY72501 Bacillus licheniformis
상기 균주에 대한 분리 과정은 다음과 같다.
(1) 시료 채취
전남 완도군 완도읍 군내리 소재 완도항에서 해수와 홍합을 채취하고, 채취한 시료는 아이스박스에 보관하여 운반하였다.
(2) 미생물 분리 및 배양조건
채취한 홍합의 껍질 및 홍합살은 vortex 하여 미생물을 탈리시켰다. 해수 및 홍합으로부터 탈리된 미생물을 여과를 통해 여과지에 모은 후 vortex 하여 여과지로부터 미생물을 탈리시킨 후 3.5% NaCl 용액으로 10-4까지 연속 희석하고 배지(50% marine + 50% R2A agar (3.5% NaCl) pH 7.6)에 도말하여 30℃ 호기 조건으로 1주일간 배양하였다. 배양 후 나타난 colony는 특징적인 형태별로 순수 분리하여 배양하였다. 배양된 미생물을 16S rDNA 염기서열 분석법으로 분리하고 동정한 결과 상기 표 1의 공지된 미생물인 것으로 확인되었다. 도 1 및 도 2에 분리된 바실러스 리체니포르미스(Bacillus licheniformis)의 계통도 및 세포 사진을 나타내었다.
호염 슬라임 형성 박테리아가 고정된 다공질 구조의 캐리어
본 발명에서 상기 호염 슬라임 형성 박테리아는 다공질 구조의 캐리어('Healing A+'라 명명함)에 고정된다.
염해 열화된 콘크리트의 보수 및 내구성 향상을 위하여 발굴된 박테리아와 이의 생장증식을 위한 배양액을 포함하는 호염 슬라임 형성 박테리아 기반 캐리어는 Yeast extract, Ferric citrate 등을 포함하는 배지에 접종되어 5 내지 50℃, 바람직하게는 30 내지 40℃ 환경의 인큐베이터에서 108 내지 1010 cell/㎖의 농도로 배양된 박테리아 배양액을 무수한 기공의 다공질의 구조를 갖는 재료에 고정한 캐리어이며, 이러한 재료로서 본 발명에서는 해양 환경에서의 콘크리트 염해 보호의 기능을 고려할 때 팽창질석이 가장 적합한 것을 확인하였다.
여기서, 상기 호염 슬라임 형성 박테리아로서 바실러스 리체니포르미스(Bacillus licheniformis)의 생장증식에 효과적인 배지 조성(Distilled water up to 1 ℓ 기준)은 Proteose peptone No 3 3 내지 7 g, Yeast extract 5 내지 10 g, Ammonium citrate 0.5 내지 2 g, Sodium acetate 1 내지 5 g, Magnesium sulfate 0.05 내지 0.5 g, Manganese sulfate 0.01 내지 0.05 g, Dipotassium phosphate 0.5 내지 2 g, Sodium chloride 30 내지 40 g 및 Glucose 5 내지 15 g일 수 있다.
상기 팽창질석에서 염해 열화 보호 효과를 위해 사용되는 박테리아 및 이의 배지는 염해 열화 환경(해양 환경)에 노출된 콘크리트 구조체 표면에서 자가 생장·증식하며, 콘크리트 열화 침식에 의한 보호체로서 작용한다. 고정화 재료로의 박테리아 배양액 고정은 멸균 음압 컨테이너에서 10 내지 30 torr, 10 내지 60분 조건으로 흡착을 통해 이루어질 수 있으며, 박테리아 배양액의 고정화가 완료된 팽창질석은 박테리아 세포뿐만 아니라 다량의 수분과 배지 영양분을 포함하게 된다. 도 3은 호염 슬라임 형성 박테리아(Bacillus licheniformis)가 고정화된 팽창질석의 미세구조 이미지(scanning electron microscopy image)를 나타내고 있다.
이상의 염해 저항 보수재 및 박테리아가 고정된 다공질 구조의 캐리어를 이용한 콘크리트 단면 보수재의 혼합은 박테리아 기반 캐리어의 첨가량에 따라 다양하게 제시될 수 있으며, 이때, 박테리아 기반 캐리어의 첨가량은 보수재 중 골재 부피의 5 내지 30%인 것이 바람직하다. 하기 표 2에는 염해 환경에서의 콘크리트 단면 보수재(코팅재) 시공 시 배합 예를 나타내었다.
물-결합재비
(중량 %)		 잔골재-
결합재비		 결합재
(중량 %)		 섬유혼입 비율
(보수재 부피부 %)		 박테리아가 고정된 팽창질석의 치환율
(골재 부피부 %)
1종보통포틀랜드 시멘트 EVA계 폴리머 호염 슬라임 형성 박테리아
25~38 2 92~98 2~8 0.1~0.3 5~30
상기 콘크리트 단면 보수재의 시공은 기계 스프레이 타설에 의해 시공될 수 있고, 이하, 예시적으로 설명한다. 재료 혼합 시 믹서, 핸드믹서 등을 이용하여 골고루 섞일 수 있도록 3 내지 5분 동안 혼합한다. 1단계 스프레이 작업은 하지면의 공극 제거와 접착력을 높이기 위하여 5 mm로 얇게 스프레이 시공한다. 2단계 스프레이는 1단계 두께를 포함하여 설계 두께의 90% 이내로 한다. 스프레이 시공 후 표면의 평탄 작업 시에는 연결 시공부위나 하지면과의 연결 부위 등에서 주의하도록 한다.
염화금속화합물 저감 박테리아
콘크리트의 염해에 의한 열화 메커니즘은 염소 이온이 콘크리트 내부로 침투 및 확산되면서 염소 이온(Cl-)이 해수 환경에 노출된 콘크리트의 시멘트 수화물인 Ca(OH)2와 결합하여 CaCl2가 형성되는데, CaCl2는 가용성의 다공성 화합물로 해수에 용해되어 콘크리트의 공극을 증가시켜 내구성 감소(염화 부식)의 원인이 된다. 해수 중 염소 이온에 의해 형성된 CaCl2 화합물은 다시 모노설페이트와 반응하여 프리델염 및 클로로페라이트 수화물로 결합되는데, 콘크리트의 탄산화와 함께 pH가 낮아지면 프리델염이 분해되어 콘크리트 내부 공극 중의 염화물 이온이 증가하게 되고, 이는 다시 CaCl2 화합물 형성을 가속화 시켜 악순환적인 염해침식 기구가 형성된다. 더불어 콘크리트 내부 공극 중의 염화물 이온이 증가하게 되면 철근은 염화물과 결합하여 FeCl2가 생성되고, 이는 물과 반응함으로써 부식의 활성화 환경이 된다. 철근의 부식은 부피 팽창을 유발하여 콘크리트의 균열의 확장과 박리를 유발함에 따라 내구성 감소에 큰 영향을 미치게 된다.
본 발명에서 염화금속화합물의 저감능을 갖는 혐기성의 호염 균주로서 하기 표 3에 나타낸 할로모나스 베누스타(Halomonas venusta)는 해양에 노출된 콘크리트 내부 및 표면에서 생장하며, 염화금속화합물의 이온결합을 해체할 수 있는 산화·환원 촉매를 생성함에 따라 MgCl2, CaCl2 등으로부터 Cl- 이온을 환원(분리)시킨다. 환원(분리)된 Cl- 이온은 할로모나스 베누스타(Halomonas venusta)의 생장에 필요한 에너지원으로서 활용될 수 있으며, 이는 염해를 받는 콘크리트 내부에서 염해인자 접촉 수화물(염화금속화합물)의 생성량 저감의 기능을 갖는다.
Strain Species
T20 Halomonas venusta
상기 균주에 대한 분리 과정은 다음과 같이 바실러스 리체니포르미스(Bacillus licheniformis)이 경우와 동일하며, 동일한 시료에서 함께 분리되었다.
(1) 시료 채취
전남 완도군 완도읍 군내리 소재 완도항에서 해수와 홍합을 채취하고, 채취한 시료는 아이스박스에 보관하여 운반하였다.
(2) 미생물 분리 및 배양조건
채취한 홍합의 껍질 및 홍합살은 vortex 하여 미생물을 탈리시켰다. 해수 및 홍합으로부터 탈리된 미생물을 여과를 통해 여과지에 모은 후 vortex 하여 여과지로부터 미생물을 탈리시킨 후 3.5% NaCl 용액으로 10-4까지 연속 희석하고 배지(50% marine + 50% R2A agar (3.5% NaCl) pH 7.6)에 도말하여 30℃ 호기 조건으로 1주일간 배양하였다.
배양 후 나타난 colony는 특징적인 형태별로 순수 분리하여 배양하였다. 배양된 미생물을 16S rDNA 염기서열 분석법으로 분리하고 동정한 결과 상기 표 2의 공지된 미생물인 것으로 확인되었다. 도 4 및 도 5에 분리된 할로모나스 베누스타(Halomonas venusta)의 계통도 및 세포 사진을 나타내었다.
상기 염화금속화합물 저감능 박테리아로서 할로모나스 베누스타(Halomonas venusta)의 생장증식에 효과적인 배지 조성(Distilled water up to 1 ℓ 기준)은 Peptone 0.1 내지 1 g, Yeast extract 0.5 내지 2 g, Ferric citrate 0.05 내지 0.5 g, Sodium chloride 15 내지 25 g, Magnesium chloride 3 내지 10 g, Magnesium sulfate 1 내지 5 g, Calcium chloride 1 내지 5 g, Pottasium chloride 0.1 내지 2 g, Sodium biarbonate 0.1 내지 1 g, Potassium bromide 0.05 내지 0.5 g, Strontium chloride 20 내지 40 mg, Boric acid 10 내지 30 mg, Sodium silicate 1 내지 10 mg, Sodium fluoride 1 내지 5 mg, Ammonium nitrate 1 내지 3 mg 및 Disodium phosphate 5 내지 15 mg일 수 있다.
상기 염화금속화합물 저감능 박테리아는 상기 배지에 접종되어 5 내지 50℃, 바람직하게는 30 내지 40℃ 환경의 인큐베이터에서 108 내지 1010 cell/㎖의 농도로 배양되고, 배양이 완료된 배양액은 염해 열화부위 제거 콘크리트 단면에서 도포제로서 활용된다.
염화금속화합물 저감능 박테리아 배양액 도포 기술을 활용한 콘크리트 단면 보수(코팅)
기존의 일반적인 콘크리트 구조물 단면 보수 기술과 박테리아 소재를 활용하는 생태학적 내염해 보수 기술에서는 일련의 보수재료, 박테리아 소재 등을 모두 단면 보수 모르타르 배합 시 믹서에 함께 혼합하여 사용하였다(도 6 참조).
이에 대하여, 본 발명은 염화금속화합물 저감능 박테리아 배양액 도포 기술을 활용한 콘크리트 단면 보수 기술로서, 보수 대상 콘크리트 구조물의 열화부 제거 단면에서 물세척 이후 염화금속화합물 저감 박테리아 배양액을 도포한 이후(도 7 (a) 참조), 슬라임 형성 박테리아 기반의 내염해 단면 보수재를 시공한다(도 7(b) 참조). 보수 대상 콘크리트 구조물의 열화부 제거 단면에 도포되는 염화금속화합물 저감 박테리아는 염해 열화의 피해를 입은 기존 콘크리트 열화부에서 잔여 염소이온농도의 저감과, 신규 시공되는 내염해 단면 보수재의 시공줄눈(construction joint) 등으로 침투될 수 있는 염소이온으로 형성 가능한 염해인자 접촉 수화물(MgCl2, CaCl2 등)의 생성량을 저감시킨다.
한편, 염화금속화합물 저감능 박테리아 배양액을 이용한 콘크리트 단면 도포량은 염해인자 접촉 수화물 생성량 저감을 고려할 때 10 내지 50 g/m2인 것이 바람직하다.
이하, 본 발명에 따른 구체적인 실시예를 들어 설명한다.
실시예
1종 보통포틀랜드 시멘트가 92 중량% 및 EVA계 폴리머 8 중량% 조성으로 결합재를 준비하고, 폴리에틸렌 섬유(평균 직경 120 ㎛)를 전체 보수재 100 부피부에 대하여 0.2 부피부가 되도록 준비하고, 잔골재로서 규사(평균 입경 0.25 내지 0.7 mm)를 잔골재-결합재비(sand to binder ratio, S/B)가 2 중량비가 되도록 하고, 물-결합재비(water to binder ratio, W/B)가 28 내지 35 중량%가 되도록 배합하여 내염해 콘크리트 단면 보수재를 제조하였다.
또한 호염 슬라임 형성 박테리아로서 바실러스 리체니포르미스(Bacillus licheniformis) 및 염화금속화합물 저감능 박테리아로서 할로모나스 베누스타(Halomonas venusta)를 각각 하기 표 4 및 표 5의 조성의 배지에 접종 후 인큐베이터(30 내지 40℃)에서 109 cell/㎖의 농도가 되도록 14일간 배양하여, 바실러스 리체니포르미스(Bacillus licheniformis) 배양액 및 할로모나스 베누스타(Halomonas venusta) 배양액을 제조하였다.
이후, 바실러스 리체니포르미스(Bacillus licheniformis) 배양액에 대해서는 내부 교반형 멸균 음압 컨테이너에 배양액을 투입하고, 박테리아 배양액 100 중량부에 대하여 10 중량부 함량의 팽창질석을 상기 배양액에 침지시킨 후 도어를 닫고, 10 내지 30 torr의 음압 환경이 되도록 밸브를 조절하고, 30분 동안 흡착을 실시하였으며, 이후 호염 슬라임 형성 박테리아가 고정된 팽창질석을 회수하였다.
이후, 제조된 내염해 콘크리트 단면 보수재의 골재 부피 대비 10 부피%의 혼합 비율로 바실러스 리체니포르미스(Bacillus licheniformis)가 고정된 팽창질석을 믹서기로 혼합하여 콘크리트 단면 보수재를 제조하였다.
Source Amount
Proteose peptone No 3 5.0 g
Yeast extract 7.0 g
Ammonium citrate 1.0 g
Sodium acetate 2.5 g
Magnesium sulfate 0.1 g
Manganese sulfate 0.025 g
Dipotassium phosphate 1.0 g
Sodium chloride 35 g
Glucose 10 g
Distilled water up to 1 ℓ
Source Amount
Peptone 0.5 g
Yeast extract 1.0 g
Ferric citrate 0.1 g
Sodium chloride 19.45 g
Magnesium chloride 5.9 g
Magnesium sulfate 3.24 g
Calcium chloride 1.8 g
Pottasium chloride 0.55 g
Sodium biarbonate 0.16 g
Potassium bromide 0.08 g
Strontium chloride 34.0 mg
Boric acid 22.0 mg
Sodium silicate 4.0 mg
Sodium fluoride 2.4 mg
Ammonium nitrate 1.6 mg
Disodium phosphate 8.0 mg
Distilled water up to 1 ℓ
시험예
염소이온의 농도차에 의한 자연확산(natural diffusion cell test)의 방법에따라 내염해 단면 보수재의 염화물 확산계수(재령 91일)를 평가하여 그 결과를 하기 표 6에 나타내었고, 염화물 확산계수의 평가 결과를 이용하여 예측된 해양 환경 노출 보수 콘크리트 구조물의 염소이온 농도 프로파일 및 내구수명 평가 결과를 각각 도 8 및 하기 표 6에 나타내었다. 도 8에서 (a)는 박테리아가 사용되지 않은 일반 단면 보수재 시공 콘크리트에 대한 프로파일이고, (b)는 Halomonas vensuta가 단독 사용된 단면 보수재 시공 콘크리트에 대한 프로파일이고, (c)는 Bacillus licheniformis가 단독 사용된 단면 보수재 시공 콘크리트에 대한 프로파일이고, (d)는 Halomonas vensuta 및 Bacillus licheniformis가 복합 사용된 단면 보수재 시공 콘크리트에 대한 프로파일이고, (e)는 Halomonas vensuta 배양액(30 g/m2) 도포 후 Bacillus licheniformis가 사용된 단면 보수재로 시공된 콘크리트에 대한 프로파일이다.
상기 염화물 확산계수의 평가 결과를 이용한 예측의 경우, 콘크리트 구조물의 보수재 시공 두께 20 mm 및 철근의 피복두께 40 mm(보수재 시공 + 기존 모체 콘크리트 피복), 표면 노출 염소 이온농도 5 kg/m3 및 철근 표면에서의 임계 염화물 농도 1.2 kg/m3 기준에서 예측된 결과이다.
비교를 위해 (1) 박테리아가 사용되지 않은 일반 단면 보수재, (2) 염화금속화합물 저감능 박테리아 배양액 코팅 없이, 염화금속화합물 저감능 박테리아(Halomonas venusta)가 고정된 팽창질석만을 내염해 콘크리트 단면 보수재의 골재 부피 대비 20 부피% 함량으로 단독 사용한 예, (3) 염화금속화합물 저감능 박테리아 배양액 코팅 없이, 호염 슬라임 형성 박테리아(Bacillus licheniformis)가 고정된 팽창질석만을 내염해 콘크리트 단면 보수재의 골재 부피 대비 10 부피% 함량으로 단독 사용한 예, (4) 염화금속화합물 저감능 박테리아 배양액 코팅 없이, 염화금속화합물 저감능 박테리아(Halomonas venusta)가 고정된 팽창질석 및 호염 슬라임 형성 박테리아(Bacillus licheniformis)가 고정된 팽창질석을 내염해 콘크리트 단면 보수재의 골재 부피 대비 각 5 부피% 함량으로 복합 사용한 예에 대한 결과를 함께 나타내었다.
구분 사용량
(박테리아 고정 팽창질석 기준)		 염화물 확산 계수
(×10-12 m2/s)		 염해 내구 수명 (년)
[보수 두께 20 mm, 기존 콘크리트 피복 두께 20 mm 기준]
(1) 일반 보수재 - 3.92 5
(2) Halomonas venusta 단독 사용 골재 대비 20 부피% 0.6 23
(3) Bacillus licheniformis 단독 사용 골재 대비 10 부피% 0.407 33
(4) Halomonas venusta +
Bacillus licheniformis
복합 사용		 골재 대비 각 5 부피%
(총 10 부피%)		 0.325 40
(5) Halomonas venusta 배양액 도포 후 Bacillus licheniformis 단독 사용 Halomonas venusta 배양액 30 g/m2 도포+
Bacillus licheniformis - 골재 대비 10 부피%		 0.407 316
표 6을 참조하면, 염화금속화합물 저감 박테리아 배양액 도포 후 호염 슬라임 형성 박테리아가 사용된 단면 보수재로 시공된 경우의 염화물 확산계수는 재령 91일에서 0.407×10-12 m2/s으로 일반 보수재(3.92×10-12 m2/s) 대비 약 90% 낮은 수준으로 나타났고, 염화금속화합물 저감 박테리아 단독 사용(0.6×10-12 m2/s)에 비해서도 각각 약 32% 낮은 수준으로 나타났다.
또한 호염 슬라임 형성 박테리아 및 염화금속화합물 저감 박테리아를 복합 활용하여 제조된 내염해 단면 보수재가 시공된 콘크리트의 염해 내구 수명(316년)은 염화금속화합물 저감 박테리아 단독 활용 단면 보수재(23년), 호염 슬라임 형성 박테리아 단독 활용 단면 보수재(33년), 염화금속화합물 저감 박테리아 및 호염 슬라임 형성 박테리아 복합 활용 단면 보수재(40년)및 에 비해서도 각각 약 13.7배, 9.5배 및 7.9배 향상된 것으로 나타났다.
결과적으로 염화금속화합물 저감능 박테리아 배양액의 도포 기술을 활용한 콘크리트 단면 보수재의 적용은 콘크리트 표면에서 염소이온 침투의 물리적 제어의 기능과 함께 염화금속화합물 생성 저감의 효과를 기대할 수 있으며, 염해 내구수명 확보 측면에서도 기존 내염해 보수 기술(슬라임 형성 박테리아 단독 사용 등)에 비해서도 월등히 향상된 효과가 있음이 확인된다.
이상에서 설명한 본 발명의 바람직한 실시예들은 기술적 과제를 해결하기 위해 개시된 것으로, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 사상 및 범위 안에서 다양한 수정, 변경, 부가 등이 가능할 것이며, 이러한 수정 변경 등은 이하의 특허청구범위에 속하는 것으로 보아야 할 것이다.

Claims (5)

  1. 염해 저항 단면 보수재 배합과 호염 슬라임 형성 박테리아 기반 캐리어가 혼합된 단면 보수재를 이용하여 염해 내구수명 향상을 위한 염해 콘크리트 단면을 보수하는 방법으로서,
    보수재 시공 전 열화 부위 제거 단면에 염화금속화합물 저감능 박테리아 배양액을 도포하는 단계를 포함하고,
    상기 호염 슬라임 형성 박테리아는 바실러스 리체니포르미스(Bacillus licheniformis)이고, 상기 염화금속화합물 저감능 박테리아는 할로모나스 베누스타(Halomonas venusta)인 것을 특징으로 하는 콘크리트 내염해 단면 보수 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 단면 보수재 배합은 1종 보통포틀랜드 시멘트와 EVA계 폴리머를 포함하는 결합재, 폴리에틸렌 섬유 및 잔골재를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 단면 보수재 배합은 상기 1종 보통포틀랜드 시멘트를 92 내지 98 중량%, 상기 EVA계 폴리머를 2 내지 8 중량%, 상기 폴리에틸렌 섬유를 상기 보수재 100 부피부에 대하여 0.1 내지 0.3 부피부 포함하고,
    상기 잔골재는 평균 입경이 0.25 내지 0.7 mm인 규사로서, 잔골재-결합재비(sand to binder ratio, S/B)가 1.8 내지 2.2 중량비이고,
    물-결합재비(water to binder ratio, W/B)가 25 내지 38 중량%인 것을 특징으로 하는 방법.
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 캐리어는 팽창질석이고, 상기 호염 슬라임 형성 박테리아가 음압 조건에서 고정된 것을 특징으로 하는 방법.
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Citations (5)

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KR102324112B1 (ko) * 2020-11-11 2021-11-11 경기대학교 산학협력단 호염 슬라임 형성 박테리아 기반 단면 보수재

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