KR20100094106A

KR20100094106A - 미생물 셀룰로우스를 이용한 콘크리트 혼화제 생산 방법

Info

Publication number: KR20100094106A
Application number: KR1020090013378A
Authority: KR
Inventors: 박용오; 문종욱; 최철웅
Original assignee: (주)지더블유코리아
Priority date: 2009-02-18
Filing date: 2009-02-18
Publication date: 2010-08-26

Abstract

본 발명은 콘크리트 혼화제로 한국 고유 균주를 응용하여 생산된 미생물 다당류를 이용한 콘크리트 혼화제 생산 방법에 관한 것으로, 본 발명의 혼화제는 인체에 거의 해가 없을 것으로 판단되어 중요한 초유동화제로서의 활용이 기대 된다.

콘크리트 혼화제, 미생물 다당류

Description

미생물 셀룰로우스를 이용한 콘크리트 혼화제 생산 방법{Method for producing Concrete Admixture using Microbial Cellulose}

본 발명은 다당류 생성 미생물 배양에 의한 콘크리트용 고유동성혼화제 개발에 관한 것이다.

콘크리트 또는 모르타르 등과 같은 시멘트 조성물은 시멘트와 물과의 반응으로 경화되는 수경성 반응물로, 물의 사용량에 따라서 경화 후 압축강도 등의 물리적 특성이 다르다. 보통 물의 사용량의 증가는 작업성을 향상시키는 반면에 압축강도 등을 저하시키고 균열 발생을 초래하므로 시멘트 조성물에 대한 물의 사용량은 제한되며, 물의 사용량을 줄이기 위하여 한국공업규격 KS F 2560에 기재된 바에 따르고, 후술하는 바와 같이 콘크리트용 화학 혼화제를 사용하고 있다.

상기 콘크리트용 화학 혼화제로는 크게 AE제(air entraining admixture), 감수제(water reducing admixture), 고성능 감수제(high range water reducing admixture)로 대별된다. 또한 시멘트 조성물에 사용되어 미세 공기량을 증가시키는 화학 혼화제인 AE제는 감수제 또는 고성능 감수제와 혼합되어 AE 감수제(air entraining and water reducing admixture) 및 고성능 AE 감수제로 분류되어 있다.

AE 감수제의 물을 감소시키는 능력은 사용하지 않는 것에 비하여 물의 사용량을 10 중량% 정도 감소시킬 수 있으며, 고성능 AE 감수제는 물의 사용량을 18 중량% 이상 감소시킬 수 있다.

현재 시판되는 고성능 AE 감수제로는 나프탈렌 술폰산 포름알데히드 축합물 염(나프탈렌계), 멜라민 술폰산 포름알데히드 축합물 염(멜라민계), 폴리카르본산 염(폴리카르본산계) 등이 있다. 이러한 고성능 AE 감수제는 각각 우수한 기능도 있

는 반면 문제점도 있다. 예를 들면 나프탈렌계나 멜라민계는 경화 특성이 우수하지만 유동 유지성(슬럼프 로스)에 문제점을 가지고 있다. 한편 폴리카르본산계는 경화 지연이 크다는 문제점을 가지고 있지만, 근래 우수한 유동성을 발현한 폴리카르본산계의 콘크리트 혼화제의 개발로 소량 첨가만으로도 양호한 유동성을 얻는 것이 가능해지고, 경화 지연의 문제가 개선되고 있다.

고성능, 고기능 콘크리트 배합기술의 필요성이 증대되는 실정을 감안해 볼 때 미생물을 활용하여 우수한 콘크리트 혼화제를 개발이 요청되고 있다.

일반적으로 콘크리트 구조물은 시멘트, 잔골재, 굵은 골재에 물을 첨가하여 , 경화시킴으로서 구조물이 완성된다. 그렇지만 산업의 발달, 구조물의 고층화, 노동력절감의 필요성, 특수구조물의 시공등 여러가지 요인에 의해 고기능, 고성능을 가지는 콘크리트의 필요성이 부각됨에 따라 콘크리트에 특별한 물성을 부여하는 혼화제의 역할이 중요한 요소로 등장하였다.

이에 따라 콘크리트 생산시 혼화제는 시멘트, 모래, 골재, 물외에 5번째 주요 원료로 인식되고 있으며 여러 가지 고기능성 혼화제가 콘크리트 배합시 사용되 고 있다. 콘크리트에서 혼화제의 역할은 동일한 워커빌리티에서 단위수량을 감소시키고 초기응결시간을 지연 또는 촉진시키고 슬럼프 손실을 감소시키는 등 여러 가지 역할을 하게 된다.

본 발명은 콘크리트의 혼화제의 다양한 특성 중 고유동성콘크리트와 관련된 내용으로 콘크리트의 충진성을 높이고 재료분리를 방지하며 별도의 진동 다짐이 없이 충진기능이 우수한 혼화제를 미생물배양을 통해 생산하는 것이다.

근래에 초고층빌딩의 시공 및 무다짐 방법으로 콘크리트를 타설하는 방법이 일반적으로 증가하는 추세에서 콘크리트의 유동성을 확보하는 문제는 매우 중요한 요소로서 이에 대한 적절한 연구개발이 절실히 요구되고 있다. 일반적으로 고유동 콘크리트를 제조하기 위해서는 높은 슬럼프 값이 요구되는데 고유동 콘크리트를 제조하기 평가하는 방법으로 스럼프 콘을 이용하는 방법이 사용되고 있다. 일반 콘크리트의 경우 슬럼프의 경우 15∼18cm 범위이지만 고유동, 고강도 콘크리트의 경우 플로우 기준으로 65∼80cm 정도로 타설하는 것이 일반적이다. 그렇지만 콘크리트의 작업성을 향상시키기 위해 유동성을 증가시킬 경우 재료분리 현상이 발생함으로서 콘크리트의 내구성 저하, 충진성 저하, 펌퍼비리티 저하 등의 여러 가지 문제를 일으키게 된다. 따라서 고유동 콘크리트를 제조하기 위해서는 콘크리트의 전반적인 물성에 악영향을 미치지 않아야 하며 적절한 작업성을 확보하기 위해 배합설계를 신중히 할 필요가 있다.

한편 고유동 콘크리트 배합에서 가장 중요한 요소는 작업성을 충분히 확보하면서도 재료분리가 발생하지 않아야 한다.

굳지 않은 콘크리트의 배료분리를 방지하기 위해선 콘크리트에 적절한 Thixortpy를 부여해야 하는데 Thixotropy를 부여하는 대표적인 방법에는 증점제를 사용하는 방법이 있다. 즉 굳지 않은 콘크리트에 증점제를 투입하여 콘크리트에 점성을 줌으로서 재료분리를 방지하고 적절한 Thixotropy를 확보할 수 있게 된다.

한편 이러한 증점제의 경우 종류에 따라 콘크리트의 단위수량, 응결시간, 경화 후 콘크리트의 물성에 영향을 미치는 것으로 알려져 있으며 콘크리트 배합설계시 이러한 영향에 대해 충분한 검토가 이루어져야 하며 콘크리트의 특성 및 용도에 따라 적절한 증점제를 선택하여 사용할 필요가 있다. 각 증점제별 콘크리트의 물성에 미치는 영향에 대해 개략적으로 살펴보면 수용성 셀룰로오스계 및 아크릴계의 경우 온도 및 pH에 따라 점성이 변동되는 특성이 있으며 온도 및 pH에 민감하게 반응함으로서 콘크리트 물성이 사용조건에 따라 불균일하게 되어 콘크리트 물성에 좋지 않은 영향을 줄 수 있다. 글루코르계 증점제 역시 온도에 따른 점성의 변동이 심한 단점이 있는 관계로 사용상 제약이 따르며 안정적인 콘크리트의 물성을 확보하는데 장애요인이 되고 있다.

본 발명은 상기의 문제점을 해결하고, 상기의 필요성에 의하여 안출된 것으로서 본 발명의 목적은 콘크리트의 충진성을 높이고 재료분리를 방지하며 별도의 진동 다짐이 없이 충진기능이 우수한 혼화제를 미생물배양을 통해 제공하는 것이다.

상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 폴리카르본산계 혼화제에 균주배양물을 0.1∼2.0%wt%까지 첨가하여 균질하게 믹싱하는 단계를 포함하는 미생물 배양액을 이용한 시멘트 혼화제 제조방법을 제공한다.

본 발명의 일 구체예에 있어서, 상기 균주 배양물은 미생물 셀루로스인 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명은 상기의 본 발명의 제조방법에 의하여 제조된 미생물 배양액을 포함하는 시멘트 혼화제를 제공한다.

본 발명은 설명한다.

본 발명은 균주 배양을 통한 국내 생물소재 산업의 지평을 넓히는 것은 물론 생물소재를 건설재료와 접목시킨다는 측면에서 매우 중요한 의미가 있는 것으로 판단된다. 일반적으로 균주를 활용한 배양기술의 경우 의약품, 건강식품, 식품첨가제와 밀접한 관련을 맺고 있지만 본 기술의 경우 일반적으로 공해부담이 크고 폐기물을 다량 발생시키는 건설산업에 친환경적이고 생명친화적인 방법으로 고유동콘크리 트의 우수한 물성확보가 가능한 콘크리트 혼화제를 공급할 수 있으리라 판단된다.

또한 콘크리트 혼화제 관련 기술을 다양화하고 균주를 배양하여 제조된 폴리사카라이드 제품을사용할 경우 시공 후 장기적인 측면에서 구조물의 내구성 확보에도 큰 기여를 할 것으로 예상된다.

본 기술의 효과에 대해 살펴보면 우선 생명공학 측면에서 애그로박테리움을 기초로 하여 폴리사카라이드 제조할 수 있는 균주 연구개발 활성화, 배양원료 관련 기술, 생산수율 증대 관련 기술등 다양한 측면에서 고유동콘크리트 혼화제와 연관된 생명소재 기술을 증진시킬 수 있으리라 판단된다.

한편 콘크리트 혼화제 관련 기술에 미치는 파급효과도 매우 클 것으로 예상되는데 고유화제 제조기술에 균주 배양을 통해 제조된 뛰어난 품질의 폴리사카라이드 제품이 응용됨으로서 현재 시판되고 있는 리그닌계, 나프탈렌계, 멜라민계 및 폴리카르본산계열의 배합관련 기술을 한층 Up-grade 시킬수 있는 기반을 조성할 것으로 판단된다.

이하, 비한정적인 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다. 단 하기 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것으로 본 발명의 범위는 하기 실시예에 제한되지 아니한다.

실시예 1: A source를 이용한 미생물 다당류 생산

본 발명에서 사용된 미생물은 Acetobacter xylinum KI는 포도식초로부터 분리, 선별하였다. 분리된 KI 균주는 그람 음성균으로 액체배지에 정치배양시킨 결과 셀룰로오스 pellicle을 형성하였으며, 에탄올로부터 초산을 생성하여 이를 재산화시켰다. KI 균주는 초산 2%, 에탄올 9% 이상에서는 성장이 불가능하였으나, 1∼30% glucoses 농도에서는 성장할 수 있었다(산업미생물학회지, 제22권, 제6호, 1994, 571-576 참조).

본 발명에서 사용된 분말배지는 A source (증류수 1 l 당 탄소원 30 - 200 g, 질소원 0.0 - 10 g, 인산원 0.0 - 3.0 g, 마그네슘 0.0 - 0.5g, 칼슘카보네이트 0.1 - 1.0 g, 및 미량원소) 및 효모 분말(영양분으로 공급하는 분말)(0.0 - 30 g)이고 발효온도: 섭씨 25 - 30 ℃이다.

배양방법은 다음과 같다:

A source의 영양분 원료를 물이 담겨있는 발효조에 넣고 100 ℃로 10분간 끓인 다음 30℃로 식혔다. 30 ℃로 식힌 다음 pH controller를 작동시켜 pH를 7.0으로 맞추고 Acetobacter xylinum KI를 넣어 배양이 시작되도록 한다. 배양 시작 후 20시간이 지나면 pH를 5.5로 조절하여 미생물 cellulose를 생산되도록 하였다. 발효 시작 후 6일 동안 산소를 공급하며 온도를 제어하였다.

실시예 2: 셀루로스양 측정

Cellulose 량 측정 방법은 다음과 같다:

cellulose는 물에 불용성으로 미생물에 의해 생성된 후 침전을 통해 쉽게 회수 하였으며, Cheese cloth에 걸러 생체를 제거한후 cellulose의 량을 무게로 정량 하였다.

본 실시 예 결과 생산된 미생물 cellulose의 양은 54 g/L 정도로 상업용 콘크리트 혼화제로 사용이 가능하였다.

실시예 3: 미생물배양액을 이용한 혼화제 제조방법

미생물을 배양액을 이용한 혼화제 제조방법은 기존 폴리카르본산계 혼화제에 균주배양물을 0.1∼2.0%wt%까지 첨가하여 균질하게 믹싱하는 방법에 의해 제조하였다.

이러한 생산물은 미생물 다당류와 미생물이 혼합된 형태로 상업용 콘크리트 제조 시 현장에서 직접 섞어 사용할 수 있다.

실시예 3의 미생물 배양액 사용 혼화제 및 그 결과는 아래 표 1과 같다.

시험체	혼화제 첨가방법
Plain	혼화제 무첨가, 분리방지제 무첨가
A-1	미생물배양액 Cement×0.2% 첨가
A-2	폴리카르본산계(PC)혼화제 Cement×1.2% 첨가
A-3	폴리카르본산계(PC)혼화제 Cement×1.18% 첨가 + 미생물배양액 Cement×0.2%첨가

그리고 그 실험결과는 아래 표 2에서 공기량, 플로우, 블리딩량 등을 나타낸다.

시험체 번 호	혼화제 함유량 (C×%)	공기량(%)		Flow(mm)		블리딩량 (cm³/cm²)	온도	ph
시험체 번 호	혼화제 함유량 (C×%)	믹싱직후	60분후	믹싱직후	60분후	블리딩량 (cm³/cm²)	온도	ph
Plain	0	3.8	3.4	500	470	0.41	22.2	10.2
A-1	0.2	4.4	3.7	530	510	0.40	22.1	10.2
A-2	1.2	5.2	5.1	710	700	0.39	22.4	10.8
A-3	1.2	4.4	4.9	660	670	0.34	23	11.2

굳지 않은 콘크리트의 공기량 실험에서 콘크리트 믹싱직후와 60분이 경과한 후의 경시변화를 관찰하였다.

Plain 콘크리트에서는 믹싱 60분 후 Flow가 6%가 감소한 반면 배합 A-1(미생물 배양액 0.2% 첨가)에서 약 4%로 양호한 결과 값을 보였다. 또한 폴리카르본산계 혼화제를 사용한 A-2에서는 콘크리트 믹싱직후와 60분 경과 후의 차이가 거의 없어 양호한 값을 보였다.

A-3 배합(폴리카르본산계 + 미생물 배양액)에서는 믹싱 60분후 오히려 Flow가 증가하는 경향을 보였는데 이는 폴리카르본산 혼화제의 유지성능과 미생물 배양액의 flow 유지성능에 의한 것으로 판단되며 이러한 결과는 콘크리트 타설시 작업시간 확보에 도움을 주는 요소로 작용하게 된다.

재료분리 방지와 직접적인 관련이 있는 블리딩 시험에서는 Plain 콘크리트의 경우 0.41 cm³/cm²으로 가장 높게 나타났지만 미생물 배양액 0.2% 사용했을 경우 0.4cm³/cm²으로 Plain에 비해 양호한 결과가 나타났으며, 폴리카르본산 혼화제를 사용한 A-2와 폴리카르본산과 미생물 배양액을 함께 사용한 A-3 시험체를 비교해 볼 때도 폴리카르본산 혼화제만 사용한 A-2의 경우 0.39cm³/cm²이었지만, 폴리카르본산혼화제와 미생물배양액을 함께 사용한 A-3 시험체는 0.34cm³/cm²로 나타나 미생물 배양액의 경우 재료분리 방지능력이 우수함을 보여주고 있다.

한편 건설 및 토목관련 기술에서도 고유동콘크리트의 상용화를 더욱 가속화시킬 수 있으리라 예상되며 폴리사카리라이드 제품의 경우 뛰어난 물성으로 인해 고유동 콘크리트가 시공시 품질관리가 용이하며 장기적인 측면에서 구조물 안정성을 확보하는데 기여함으로서 건설, 토목관련 시공기술 개발을 촉진할 것으로 판단된다.

도 1은 포도에서 분리한 미생물을 이용한 셀룰로우스의 생산 및 생산 고정을 나타낸 그림이다.

Claims

폴리카르본산계 혼화제에 균주배양물을 0.1∼2.0%wt%까지 첨가하여 균질하게 믹싱하는 단계를 포함하는 미생물 배양액을 이용한 시멘트 혼화제 제조방법.
제 1항에 있어서, 상기 균주 배양물은 미생물 셀루로스인 것을 특징으로 하는 시멘트 혼화제 제조방법.
제1항 또는 제 2항의 제조방법에 의하여 제조된 것을 특징으로 하는 미생물 배양액을 포함하는 시멘트 혼화제.