KR20200049101A - 자기 치유가 촉진된 콘크리트 - Google Patents

Abstract

본 발명은 Lysinibacillus sp. YS11 및 Bacillus sp. AK13를 혼합한 박테리아 용액을 포함하고, 상기 박테리아 용액은 팽창 점토에 진공주입하여 제작된 자기 치유가 촉진된 콘크리트를 개시한다.

Description

자기 치유가 촉진된 콘크리트{SELF-HEALING CONCRETE WITH IMPROVED PERFORMANCE}

본 발명은 보다 상세하게는 콘크리트의 자기치유를 촉진 시킬 수 있는 자기 치유가 촉진된 콘크리트에 관한 것이다.

1985년 빌리치 회의(Vilach Conference)에서 처음 공식적으로 이산화탄소가 온실가스로 지정된 이래, 국제적인 이산화탄소 배출량 저감을 위해 1992년 리우 환경개발회의(Rio Summit)에서 기후 변화에 관한 유엔 기본 협약이 체결되었고, 1997년 교토기후협약에서 교토 의정서(Koyto Protocol)이 체결되었다. 이와 같은 국제적인 노력에 따라 2015년 파리 협정(COP21)에서는 주요 선진국 뿐만 아니라 195개 협약 당사국이 이산화탄소를 포함한 온실가스 감축 의무를 갖게 되었고, 한국의 경우 2030년 까지 1990년 대비 배출전망치(BAU) 37% 감축 의무가 있다.

한편, 콘크리트는 단단하고 성형성이 좋으며, 상대적으로 값이 싸다는 장점 때문에 전 세계적으로 사용되고 있는 건설재료이다. 하지만 콘크리트 생산 과정에서부터 운반, 제조에 이르기까지 전 과정에서 다량의 이산화탄소를 배출한다. 특히 포틀랜드 시멘트의 생산 과정에서 발생하는 이산화탄소량은 Worrell(2001)에 따르면 전 세계 산업 영역에서 발생하는 이산화탄소의 중량 비 5%에 이르는 실정이다.

콘크리트의 이산화탄소 배출 저감을 위한 해결책으로 '지속가능한 디자인(Sustainable Design)'에 대한 관심이 증대하였으며, 다음과 같은 디자인 코드가 제시되고 있다; 1) 플라이 애쉬나 고로 슬래그 같은 혼화재의 사용, 2) 순환 골재를 사용하여 천연 골재의 사용 최소화, 3) 압축강도 등의 기계적 성질을 증진, 4) 건설 잔해, 폐유리, 준설토 등의 폐기물 및 폐수 재활용.

특히 건물의 수명을 늘이는 방식은 건설 분야의 이산화탄소 배출량을 저감 시키는데 큰 효과가 있는 것으로 알려져 있다. 건물의 수명은 재료의 내구성과 깊은 연관성이 있어 콘크리트 구조의 건물의 경우 콘크리트 자체의 차수성(Water Resistance) 및 화학 저항성(Chemical Resistance) 등이 주요한 내구 요인이 된다. 하지만 콘크리트는 균열 발생 시 내구 성능이 빠르게 저하된다. 콘크리트의 균열 발생에는 경화 전, 경화 후, 그리고 설계 및 시공 불량 등의 요인이 있을 수 있다.

Zaitsev & Wittmann(1981)에 따르면 콘크리트의 균열은 대체로 미세균열(Micro Crack)에서부터 진행된다. 이때 미세균열에서의 응력집중, 화학적 침식 등의 원인으로 인해 미세 균열이 진전되며, 불연속적으로 분포한 미세균열의 분포가 연속적인 망(Network)를 형성하게 된다. 연속적으로 이어진 미세 균열은 콘크리트의 기계적인 성질 뿐만 아니라 물, 화학물질, 기체 등이 콘크리트 내부로 운반될 수 있는 통로 역할을 하여 투수성(Water Permeability) 증가, 화학 저항성 감소, 철근의 부식 등을 야기하여 콘크리트의 내구성을 저하시킨다.

따라서 구조물의 사용연한을 늘리기 위해 콘크리트의 내구성을 증가시킬 때 미세균열이 진전되기 전에 그것을 치유하거나 제어하는 것이 필요하다. 하지만 기존에 사용되고 있는 콘크리트의 균열 치유는 Figure 1에 나와있는 것과 같은 손상 예방 패러다임(Damage Prevention Paradigm, DPP)으로, 균열이 발생하면 인력과 자원을 소모하여 콘크리트의 성능을 회복하는 것에 초점을 맞춘다. 이때 비교적 큰 균열(0.5mm이상)에 대해 수지 등을 주입하는 방식을 사용하며 그 보다 작은 균열에 대해서는 단순히 표면 방수 처리등의 방식을 사용한다. 이러한 과정에서 많은 비용이 지출되고, 표면에 노출된 균열만 수리할 수 있고, 내부의 미세균열은 치유할 수 없다는 단점이 있다. 또한 지하 구조물이나 원전 폐기물 시설 같이 사람이 접근할 수 없거나 인체 상 위협이 예상되는 구조물은 보수하기 매우 힘들다.

도 1의 오른쪽 그래프와 같은 자기치유 메커니즘을 활용한 콘크리트 내구성 확보는 손상 제어 패러다임(Damage Control Paradigm, DCP)으로, 치유과정에서 추가적인 인력과 물자를 소모하지 않으며, 재료의 성질을 개선해 구조물의 수명을 늘릴 수 있을 것으로 각광받는다. 이는 건물의 생애주기 비용 측면에서 유지 및 보수비를 효과적으로 절감하여 경제적일 뿐 만 아니라, 건물 수명이 길어짐에 따라 콘크리트 건물 건축에 의한 이산화탄소 배출 저감에도 효과적이다. Jonkers(2007)은 콘크리트 자기치유 메커니즘이 갖추어야 할 특성으로서 1) 새로 생성된 균열을 봉합하여 조직의 투수성 감소, 2) 50년 이상의 장기간 치유 성능 유지 3) 치유 작용에 의해 소모되지 않고 촉매로 작용 4) 비용적 타당성 만족 5) 콘크리트 성질에 부정적인 영향을 미치지 않음 등을 지적하였다.

콘크리트는 그 자체로 자가치유(Autogenous healing) 성질을 갖는다. 1836년 French Academy of Science에서 저수지 시설(Water Retaining Structure)에서 콘크리트의 균열 치유가 처음 보고 되었으며, 본격적인 연구는 20세기 초부터 시작되었다. 일반적으로 자가치유는 콘크리트의 배합에 많은 영향을 받으며, 결합재 양이 많을수록 자가치유의 양이 많지만, 일반적인 콘크리트의 경우 그 치유 폭은 0.2mm로 제한된다 (Edvardsen,1999), (Reinhardt&Jooss, 2003).

도 2는 시멘트 복합체에서 가능한 4개의 자기치유 메커니즘으로, a)탄산칼슘 및 수산화칼슘 결정 생성 b) 균열의 박리 및 박락, 불순물이 균열을 막음, c) 미수화 시멘트의 수화 d) 시멘트 복합체 자체의 부품 등이 있다. 이에 근거하여 콘크리트의 자기치유 양을 늘리기 위한 여러 가지 방법이 연구되었다.

자가치유 양을 늘리기 위한 시도로 연구자들은 포틀랜드 시멘트를 플라이 애쉬나 고로슬래그로 대체하여 수화지연(Latent Hydraulic) 현상을 활용하였으며, CSA(Calcium Sulfo Aluminum) 계열의 팽윤재(Expansion agent)를 첨가하는 방식, 미세 섬유(Micro Fiber)등으로 균열 크기를 제어하는 방식 등을 연구하였다.

이러한 방식의 가장 큰 문제점은 치유 물질이 시간이 지남에 따라 소모되어 구조물의 재령이 길어질수록 치유 성능이 감소한다는 점이다. 이에 대한 해결책으로 Jonkers(2007)는 대사 과정에서 탄산 칼슘을 석출하는 박테리아에 의한 콘크리트 및 시멘트 복합체의 자기치유 메커니즘을 제안하였다. 콘크리트 안에 혼입된 이 박테리아는 탄산칼슘의 석출 과정에서 촉매 역할을 하여 반응 과정에서 소모되지 않는다. 또한 박테리아 주위에 충분한 영양소 및 생장 환경이 갖추어지지 않은 경우 스스로 포자를 만들어 동면 상태를 유지한다. pH, 물의 유무, 영양소의 농도 등이 적절한 경우 동면에서 깨어나 다시 활동을 시작하며, 이러한 활동은 이론적으로 100년 이상 이어질 수 있는 것으로 알려져 있다.

자기치유 콘크리트에 사용되는 박테리아는 genus Bacillus 혹은 Lysinibacillus로, 높은 알칼리 저항성을 갖고 있다. 이중 생체광물형성이 가능한 종으로 B.pasteurii(Ramachandran et al.,2001)과 B.cerus(Castanier et al., 1999), B.sphaericus(De Beile & Muynck, 2008), B.psedofirmus, B.cohnii(Jonkers et al.,2010) 등이 알려져 있다.

알칼리 저항성이 높은 균이 박테리아 자기치유 콘크리트에 사용되지만, 콘크리트 내부는 박테리아의 생존에 적합하지 않은 환경이므로 콘크리트의 균열 발생 시 까지 박테리아를 활동 가능한 상태로 유지시키는 것이 주요한 연구 대상이다. 박테리아를 직접 혼입 시 대부분의 개체가 7일 이내에 빠르게 사멸하는 것을 관찰할 수 있으며(Jonkers et al.,2010), 이러한 빠른 사멸을 방지하기 위해 담체(Carrier)에 박테리아를 고정시켜 시멘트 복합체에 첨가하게 된다. 이때 보편적으로 경량 골재류의 팽창 점토(Expanded Clay)가 대표적인 담체로 사용되고 있다.

하지만 호알칼리성 Lysinibacillus Boronitolerans 균주를 팽창 점토에 고정시켜 모르타르 내부 생존률 및 균열 치유량을 연구한 국내 연구에서는 28일 이후 모르타르 내부 박테리아 생존률이 1% 이하로 매우 낮았다. 또한 동일한 연구에서 28일 재령 모르타르의 28일 균열 치유량은 60%로 대조군인 모르타르가 40%를 보인 것에 비해 비약적인 자기치유 성능을 보이지 않았다. 따라서 박테리아의 시멘트 복합체 내부 생존률 및 균열 치유량을 높이는 기술에 대한 필요한 실정이다.

본 발명은 장기 재령(28일 이후)에서 생존률 및 자기치유 성능이 단일 균주를 활용할 때 보다 향상되는 것이 가능한 자기 치유가 촉진된 콘크리트를 제공하는 것을 목적으로 한다.

한편, 본 발명에서 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

본 발명의 실시예에 따른 자기 치유가 촉진된 콘크리트는 Lysinibacillus sp. YS11 및 Bacillus sp. AK13를 혼합한 박테리아 용액을 포함하고, 상기 박테리아 용액은 팽창 점토에 진공주입하여 제작된다.

본 발명의 실시예에 따르면, Lysinibacillus sp. YS11 및 Bacillus sp. AK13 균주를 혼합한 다종 균주를 팽창 점토류의 골재에 고정시켜 시멘트 복합체에 혼입 시, 장기 재령(28일 이후)에서 생존률 및 자기치유 성능이 단일 균주를 활용할 때 보다 향상될 수 있다.

한편, 본 발명에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

도 1은 자기치유 메커니즘을 활용한 콘크리트 내구성 확보에 따른 손상 제어 패러다임(Damage Control Paradigm, DCP)을 나타낸 것이고,
도 2는 시멘트 복합체에서 가능한 4개의 자기치유 메커니즘을 나타낸 것이고,
도 3은 시멘트 페이스트의 물-시멘트 변화에 따른 박테리아 생존률 변화를 나타낸 것이고,
도 4는 박테리아의 변화에 따른 재령 28일 자기치유 효율을 나타낸 것이고,
도 5는 본 발명에서 개발된 박테리아 자기치유 담체 외관 및 단면을 나타낸 것이고,
도 6은 28일 후 균열 및 균열 주위의 탄산칼슘 석출 상태를 나타낸 것이고,
도 7은 박테리아 자기치유 담체에 의한 콘크리트 표면 탄산칼슘 석출 모식도를 나타낸 것이고,
도 8은 CFU 측정에 의한 단일/다종 균주의 군집 형성 시 표현형 변화를 나타낸 것이고,
도 9는 SEM을 통한 담체 내부 박테리아 고정 확인한 것이고,
도 10은 진공 주입 모식도를 나타낸 것이고,
도 11은 박테리아 혼입 자기치유 담체 제작 공정 흐름을 나타낸 것이고,
도 12는 시멘트 페이스트 내부 박테리아 생존률 실험 과정을 나타낸 것이고,
도 13은 시편 외부의 탄산칼슘 결정 석출 확인 결과를 나타낸 것이고,
도 14는 투수실험 진행 절차를 나타낸 것이다.

이하, 본 발명의 실시 예를 첨부된 도면들을 참조하여 더욱 상세하게 설명한다. 본 발명의 실시 예는 여러 가지 형태로 변형할 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래의 실시 예들로 한정되는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 실시 예는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위해 제공되는 것이다. 따라서 도면에서의 요소의 형상은 보다 명확한 설명을 강조하기 위해 과장되었다.

본 발명이 해결하고자 하는 과제의 해결 방안을 명확하게 하기 위한 발명의 구성을 본 발명의 바람직한 실시 예에 근거하여 첨부 도면을 참조하여 상세히 설명하되, 도면의 구성요소들에 참조번호를 부여함에 있어서 동일 구성요소에 대해서는 비록 다른 도면상에 있더라도 동일 참조번호를 부여하였으며 당해 도면에 대한 설명 시 필요한 경우 다른 도면의 구성요소를 인용할 수 있음을 미리 밝혀둔다.

도 3 내지 도 9를 참조하면, Lysinibacillus sp. YS11 및 Bacillus sp. AK13 균주를 혼합한 다종 균주를 팽창 점토류의 골재에 고정시켜 시멘트 복합체에 혼입 시, 장기 재령(28일 이후)에서 생존률 및 자기치유 성능이 단일 균주를 활용할 때 보다 향상되는 것을 확인할 수 있다.

또한, 이는 박테리아에 의한 탄산칼슘 석출을 촉진하여 종래의 박테리아 활용 자기치유의 일반적인 성능(0.3mm 균열 치유 시 91일 정도가 소요)를 상회하는 효과를 얻을 수 있다.

또한 상기 균주 들은 탄산칼슘 석출 미생물로서 기존에 제시된 요소(Urea)를 콘크리트 배합 재료로 사용하지 않는다는 장점이 있으며, 따라서 요소와 시멘트의 접촉 시 발생하는 암모니아 및 악취가 없다.

이러한 성능을 갖는 자기치유 담체를 활용한 콘크리트는 저수 시설 및 터널 라이닝, 관개 시설 라이닝 및 교량과 같이 콘크리트의 차수성이 내구성의 주요한 요소가 되는 구조물에 사용되어 해당 구조물의 수명을 늘려 생애주기 비용 절감 및 CO2 배출량 감소에도 도움을 줄 수 있다.

기존의 균열 보수 방법인 시멘트 및 폴리머 표면 처리 기법을 대체하여 구조물의 수명을 늘려 생애주기 비용을 절감 및 이산화탄소 배출량을 줄일 수 있는 지속 가능한 기술로 기대된다.

2017년 5월 25일 농총진흥청 농업유전자원센터에 수탁번호 KACC 81048 BP로 기탁되고, 16S rRNA 염기서열이 NCBI(National Center for Biotechnology Information)에 등록번호 KY575121로 등록된 Lysinibacillus sp. YS11과 수탁번호 KACC 81070 BP로 기탁된 Bacillus sp. AK13를 사용하였다. 담체로써 독일 Liapor 사의 팽창점토류 경량골재를 사용하였고, 이 담체의 크기는 1-4mm 범위이며, 흡수율은 17%이다. 담체 고정 시 젖산칼슘(Calcium Lactate pentahydrate, EP 98%, SAMCHUN) 및 추출 이스트(Yeast Extract ,CP, SAMCHUN)이 칼슘이온 공급원 및 영양소로 함께 사용되었다.

도 10 및 도 11을 참조하면, 팽창점토에 박테리아 및 영양소를 고정하는 방법은 다음을 따른다. Exponential Phase에 도달한 YS11과 AK13을 1대1의 부피비로 혼합 한 뒤, 그 혼합액을 24시간 동안 방치한다. 팽창 점토(담체)는 오토클레이브(1.2 bar, 105℃)에서 멸균한 뒤 105℃ 건조로에서 24시간 동안 건조시킨다. 방치된 박테리아 혼합액의 중량 1.5%에 해당하는 추출 이스트와 3%에 해당하는 젖산칼슘을 투입한 뒤, 충분히 섞일 때 까지 교반한다. 그 후 팽창점토와 혼합액을 진공챔버에 투입한다. 진공챔버의 내부압이-0.7bar에 다다르는 순간 박테리아 혼합액과 담체를 접촉시킨다. 15분간 담체를 박테리아 혼합액과 접촉시킨 후 챔버 내부 압력을 대기압까지 상승시킨다. 담체는 체로 걸러 박테리아 혼합액과 분리시키고 40℃ 건조로에서 3일간 건조한다.

이러한 공정 실시예는 다음과 같다.

- 실시예 1: 서로 다른 물-시멘트 비(W/C)를 갖는 시멘트 페이스트 안에서의 박테리아 생존률을 CFU로 측정한 결과, YS11 단독 균주의 1일 대비 28일 생존률이 0.08%인 것에 비해 혼합 균주는 9.2%를 보여 100배 이상의 생존률을 보였다(그림1). 이 실험을 위하여 W/C가 각각 0.3, 0.4, 0.5인 페이스트에 부피비 30%로 상기 방식으로 제작한 박테리아 담체를 치환하여 투입하였다. 이때 재령 1, 3, 7, 28일의 CFU를 측정하였으며, CFU 측정 방법은 그림 12와 같다.

- 실시예 2: 실시예 1의 시편을 수중양생하여 시편 표면에 생성된 탄산칼슘의 존재를 확인하였다. 그림 13-(a)는 TGA 분석에 의해 시멘트 페이스트 및 담체, 박테리아에 의한 총 탄산칼슘 결정의 생성을 확인한 것이고, 그림 13-(b)는 시편에서 떨어져 나온 미네랄 절편의 성분이 탄산칼슘임을 확인한 XRD 분석 결과이다.

- 실시예 3: 상기 제조한 박테리아 자기치유 담체를 혼입한 모르타르의 균열을 통한 28일 투수량 감소가 모르타르 시편에 비해 20%가량 상승하였다. 이를 위하여 W/C가 0.4, 시멘트-모래비가 2.0인 모르타르를 설정하였으며, 모래의 중량 10%를 제조된 박테리아 담체로 치환하여 모르타르를 배합하였다. 반죽은 높이 50mm, 지름 100mm인 몰드에 부어져 3일 동안 양생 후 탈형되었으며, 23℃ 물에서 28일간 수중 양생되었다. 28일 째 UTM(Universal Testing Machine) 및 압축 지그를 사용하여 모르타르 기둥을 반으로 분할하였으며, 균열 사이에 실리콘 밴드를 삽입한 후 호스 밴드로 고정하여 균열을 일정한 크기로 생성하여 균열 시편의 제작을 완료하였다(그림 14-(c)). 이후 0일, 7일, 14일, 28일에 그림 14-(b)에 나타나 있는 투수 시험 장치에 균열 시편을 장착하여 균열을 통해 빠져나오는 물의 단위 분 당 유출량을 측정하였다. 실험 결과 재령 초기(~7일)까지 YS단독, AK단독, YS + AK 혼합, 대조군 모르타르에서 뚜렷한 투수량 차이가 보이지 않았지만, 재령 28일 균열 치유량은 혼합 균주를 사용한 모르타르가 대조군 모르타르보다 20%가량, 단일 배양에 비해 10% 가량 증가하였다.

이상의 상세한 설명은 본 발명을 예시하는 것이다. 또한 전술한 내용은 본 발명의 바람직한 실시 형태를 나타내어 설명하는 것이며, 본 발명은 다양한 다른 조합, 변경 및 환경에서 사용할 수 있다. 즉 본 명세서에 개시된 발명의 개념의 범위, 저술한 개시 내용과 균등한 범위 및/또는 당업계의 기술 또는 지식의 범위내에서 변경 또는 수정이 가능하다. 저술한 실시예는 본 발명의 기술적 사상을 구현하기 위한 최선의 상태를 설명하는 것이며, 본 발명의 구체적인 적용 분야 및 용도에서 요구되는 다양한 변경도 가능하다. 따라서 이상의 발명의 상세한 설명은 개시된 실시 상태로 본 발명을 제한하려는 의도가 아니다. 또한 첨부된 청구범위는 다른 실시 상태도 포함하는 것으로 해석되어야 한다.

Claims (1)

1. Lysinibacillus sp. YS11 및 Bacillus sp. AK13를 혼합한 박테리아 용액을 포함하고,
   상기 박테리아 용액은 팽창 점토에 진공주입하여 제작된 자기 치유가 촉진된 콘크리트.

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