KR20230051034A - 콘크리트 균열의 자기치유 더블 캡슐 기술 - Google Patents

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양근혁
윤현섭
박시환
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경기대학교 산학협력단
박시환
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Abstract

반응성이 제어된 시멘트계 무기재료 및 생체광물 형성 박테리아를 기반으로 하는 자기치유 환(丸)을 포함하는 더블 캡슐(double capsule)의 제조방법 및 이를 이용하여 균열을 치유하는 방법이 개시된다. 본 발명은 무기재료 기반 환(丸) 응집체 또는 생체광물 형성 박테리아 기반 환(丸) 응집체가 투입된 캡슐(capsule)을 콘크리트 배합에 사용하여, 콘크리트 균열로 수분 유입 시 수화 반응 또는 생체광물 형성을 통해 균열을 치유하는 방법을 제공한다.

Description

콘크리트 균열의 자기치유 더블 캡슐 기술{Self healing double capsule technology of concrete crack}
본 발명은 콘크리트 균열 치유를 위한 재료의 제조방법 및 이를 이용하여 균열을 치유하는 방법에 관한 것이다.
콘크리트 구조물에서 발생하는 균열의 경우 개구부 모서리, 기둥 단부 등과 같이 응력집중으로 인해 발생하는 구조적 균열과 함께 콘크리트 재료의 건조수축을 포함하는 기본적인 특성과 환경적 요인에 발생하는 균열이 있다. 이들 균열들은 구조물의 미관과 사용성 및 내구성에 악영향을 미친다. 콘크리트에 발생한 균열은 구조체 내부에 유해한 외기나 수분, 화학 성분의 침투를 유발하며 콘크리트의 성능 저하를 촉진한다. 이에 따라 콘크리트의 본질적인 재료 특성과 예기치 못한 시공 중의 결함, 환경 요인 등에 의하여 불가피하게 균열이 발생할 수 있으며, 이러한 균열은 공용 중의 유지관리를 통해 지속적으로 보수해야 한다. 이에 따라 최근 건설 기술은 기존 구조물의 경우 지속적인 균열 보수 및 유지관리를 통해 구조물의 노후화 방지 및 내구수명 증대의 확보를 도모하고, 신설 구조물에서는 균열치유를 포함하는 내구설계를 적용하여 구조물의 열화인자 차단에 상당한 노력을 기울이고 있다.
구조물의 균열 발생을 최소화하기 위한 사전적 개념의 내구설계 방안으로서 균열 발생 저감의 성능을 갖는 각종 섬유를 콘크리트와 혼합하여 타설하는 방법, 와이어매시 등을 콘크리트 구조물 내부에 설치하는 방법 등이 있으나 구조적 특성 및 재료·환경적 요인으로 필연적으로 발생하는 균열의 발생을 완벽히 제어하는 데 있어 다소 제한이 따른다. 구조물 균열 발생의 사후관리 측면에서는 열화 부위에 고분자 수지 등의 혼입으로 물리적 성능, 내구성, 작업성 등이 다소 향상된 폴리머 시멘트계 보수재료를 적용하는 방안이 주로 활용되고 있는데, 이들 재료의 적용은 결국 일회성의 보수 효과만을 기대할 수 있을 뿐 향후 보수 부위에서 추가적인 균열이 쉽게 발생하여 지속적인 유지관리가 필요한 단점이 있다. 결국 사전·사후 개념의 기존 균열 제어의 기술들은 예기치 못하게 반복적으로 발생하는 구조물의 균열 제어 및 지속적인 균열 보수 효과를 기대할 수 없다는 점에서 유지관리에 어려움이 따른다. 이에 따라 최근에는 균열이 발생할 경우 콘크리트 스스로 균열 부위 복원 및 치유가 가능한 자기치유 기술이 제시되고 있으며, 이들 기술은 콘크리트 구조체의 유지관리를 최소할 수 있을 것으로 기대된다.
자기치유 콘크리트 기술은 종래 팽윤제, 팽창재 또는 잠재수경성의 포졸란 재료로 구성된 무기계 혼화재를 이용하는 기술과 박테리아의 생체광물 형성작용에 기반한 생태학적 균열 치유 기술을 예로 들 수 있다. 이들 재료는 균열 치유를 위해 균열 발생 부위로의 수분 유입을 필요로 하며, 수분 유입의 조건이 만족될 경우 무기계 재료의 수화 반응 및 박테리아의 생장 활동을 통해 균열을 치유하게 된다.
하지만 종래의 기술에서 이들 재료는 가공되지 않은 원재료의 형태로 단순 투입을 통해 콘크리트와 혼합 및 분포되며, 무기계 재료의 경우 콘크리트 경화 전 내부 배합수와의 선(先) 수화반응을 통해 향후 균열 발생 부위에서의 반응을 기대하기 어렵고, 박테리아의 경우 콘크리트의 경화 및 건조 이후 공극의 감소 및 수분의 감소로 인해 지속적 생장을 통한 균열치유를 위한 생체광물 형성을 기대하기 어렵다.
이에 대한 대안 기술로서 근래에는 자기치유 소재를 코어 재료로 하여 외부 표면을 폴리머 등의 유기 재료로 코팅한 캡슐 제조방법이 제시되었다. 자기치유 소재를 캡슐화하는 경우 콘크리트로의 투입 및 혼합 시 무기계 재료의 반응성을 제어할 수 있으며, 박테리아의 사멸을 방지할 수 있는 이점이 있다. 하지만 이들 재료는 표면을 유기계 재료로 코팅함에 따라 코팅 재료가 박리 또는 붕괴되지 않는 경우가 많아 코어 재료의 수화 및 생체광물 형성작용을 위한 수분의 유입을 기대하기 어렵다. 또한 수분이 유입되어 코어 재료가 자기치유를 위한 수화 및 생체광물 형성을 이룬다 하더라도 콘크리트를 구성하는 시멘트 복합재료와 상이한 재료 특성을 갖는 유기계 재료가 균열 부위 내부 혹은 표면에 존재함에 따라 우수한 성능의 균열 치유를 기대하기 어렵다.
[선행특허문헌]
- 한국 공개특허 제10-2020-0058814호(2020.05.28.)
- 한국 등록특허 제10-1917144호(2018.11.05.)
본 발명은 반응성이 제어된 시멘트계 무기재료 및 생체광물 형성 박테리아를 기반으로 하는 자기치유 환(丸)을 포함하는 더블 캡슐(double capsule)의 제조방법 및 이를 이용하여 균열을 치유하는 방법을 제공하고자 한다.
상기 과제를 해결하기 위하여 본 발명은, 무기재료 기반 환(丸) 응집체 또는 생체광물 형성 박테리아 기반 환(丸) 응집체가 투입된 캡슐(capsule)을 콘크리트 배합에 사용하여, 콘크리트 균열로 수분 유입 시 수화 반응 또는 생체광물 형성을 통해 균열을 치유하는 방법을 제공한다.
또한 상기 무기재료 기반 환 응집체는 고로슬래그 미분말 또는 플라이애시, 수산화칼슘(Ca(OH)2) 미분말, 알코올 및 급결제를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법을 제공한다.
또한 상기 환 응집체의 조성은 상기 고로슬래그 미분말 또는 플라이애시 63 내지 72 중량%, 상기 수산화칼슘 미분말 3 내지 12 중량%, 상기 알코올 15 내지 25 중량% 및 상기 급결제 1 내지 10 중량%인 것을 특징으로 하는 방법을 제공한다.
또한 상기 고로슬래그 미분말은 밀도가 2.5 내지 3 g/㎤ 및 분말도가 4,000 내지 10,000 ㎠/g이고, 상기 플라이애시는 밀도가 1.8 내지 2.1 g/㎤ 및 분말도가 3,000 내지 8,000 ㎠/g이고, 상기 수산화칼슘 미분말은 순도가 98% 이상이고, 상기 알코올은 농도 80 내지 99 %(v/v)의 메틸 알코올이고, 상기 급결제는 밀도 1.1 내지 1.4 g/㎤인 실리케이트계 액상 급결제인 것을 특징으로 하는 방법을 제공한다.
또한 상기 생체광물 형성 박테리아 기반 환 응집체는 생체광물 형성능을 갖는 박테리아가 다공체에 고정된 재료, 알코올 및 급결제를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법을 제공한다.
또한 상기 환 응집체는 고로슬래그 미분말 또는 플라이애시 및 수산화칼슘(Ca(OH)2) 미분말을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법을 제공한다.
또한 상기 환 응집체의 조성은 상기 고로슬래그 미분말 또는 플라이애시 52 내지 68 중량%, 상기 수산화칼슘 미분말 3 내지 12 중량%, 상기 박테리아가 고정된 재료 5 내지 15 중량%, 상기 알코올 15 내지 25 중량% 및 상기 급결제 1 내지 10 중량%인 것을 특징으로 하는 방법을 제공한다.
또한 상기 박테리아는 스핑고박테리움 멀티보룸(Sphingobacteriummultivorum)이고, 상기 알코올은 메틸 알코올이고, 상기 급결제는 규산소다(Na2SiO2ㆍnH2O)인 것을 특징으로 하는 방법을 제공한다.
또한 상기 캡슐(capsule) 재료는 히프로멜로오스(HPMC) 40 내지 70 중량부 및 정제수 1 내지 5 중량부를 혼합하여 제작되고, 내부 부피가 0.5 내지 2 ㎖인 것을 특징으로 하는 방법을 제공한다.
또한 상기 캡슐(capsule)은 20 내지 40℃에서 수분과 접촉 시 30분 이내에 완전 용해되는 것을 특징으로 하는 방법을 제공한다.
본 발명에 따른 재료는 무기재료를 기반으로 하는 미반응성의 환(丸) 또는 생체광물형성 박테리아 기반 환(丸) 응집체가 투입된 캡슐(capsule)의 형태로 제조된다. 이 재료는 콘크리트와 혼합 타설 시 외피 캡슐에 의해 내부 환(丸) 응집체를 손상 없이 보호할 수 있다.
또한 이 외피 캡슐은 콘크리트 경화 과정에서 배합수에 의해 용해된다. 이러한 특징은 배합 및 타설 과정에서 손상되지 않은 환(丸) 응집체가 콘크리트 경화 이후 발생하는 균열면에서 수분과 균열치유 재료가 직접 반응할 수 있도록 한다.
결과적으로, 콘크리트 배합 시 손상되지 않은 상태로 콘크리트 내에 분포하는 환 응집체에서는 균열 발생 부위에서 치유소재의 균열치유(시멘트계 무기재료의 수화 반응 및 박테리아의 생체광물 형성 작용)를 기대할 수 있다.
이러한 본 발명은 철근 콘크리트 구조물의 균열 부위 자기치유에 의한 내구성을 향상시키고, 콘크리트 내부에 투입되는 균열치유 재료의 안전성을 확보하고, 표면 유기계 코팅재 구성이 없는 환 형태의 응집체 적용에 따라 균열 치유 효율성을 향상시키고, 철근-콘크리트 구조물의 유지관리 효율성을 극적으로 향상시킬 수 있다.
도 1은 모르타르 배합에 내부에 재료가 투입된 캡슐이 혼합될 경우, 경화 후 외피 캡슐이 용해되어 내부 투입 재료가 표면 손상 없이 콘크리트 내부 공극에 분포하는 모습을 나타낸 사진이다.
도 2는 무기계 더블 캡슐, 박테리아 더블 캡슐 및 하이브리드 더블 캡슐의 형태를 모식적으로 나타낸 도면이다.
도 3은 제작된 자기치유 더블 캡슐의 모습을 나타낸 사진이다.
도 4는 본 발명의 실험예에서 재령 변화에 따른 모르타르 시편의 유출수량 및 균열 치유율의 평가 결과를 나타낸 그래프이다.
도 5는 본 발명의 실험예에서 균열이 유도된 시험체 표면에서 균열 치유 환으로부터 형성된 수화물을 나타낸 광학 현미경 사진이다.
이하에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 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. 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 상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, ‘콘크리트 균열 치유를 위한 시멘트계 무기재료를 이용한 환의 제조방법’ 또는 ‘콘크리트 균열 치유를 위한 박테리아 재료를 이용한 환의 제조방법’에 따라 제조되는 환 응집체가 이용되며, 이를 포함하는 자기치유 더블 캡슐에 관해 먼저 설명한다.
자기치유 더블 캡슐
본 발명에서 더블 캡슐 제작을 위한 외피 캡슐 재료로서 히프로멜로오스(HPMC) 40 내지 70 중량부 및 정제수 1 내지 5 중량부를 혼합하여 제작된 것이 사용될 수 있으며, 바람직하게는 히프로멜로오스(HPMC) 50 내지 60 중량부 및 정제수 1 내지 2.5 중량부를 혼합하여 제작된 것이 사용될 수 있다. 캡슐의 내부 부피는 배합 및 타설 과정에서 손상되지 않은 환(丸) 응집체가 콘크리트 경화 이후 발생하는 균열면에서 수분과 균열치유 재료가 직접 반응함에 있어 그 효율을 향상시키는 측면에서 0.5 내지 2 ㎖인 것이 바람직하고, 더욱 바람직하게는 0.5 내지 1 ㎖일 수 있다.
이러한 캡슐은 수분과 접촉될 경우 용해되는 성질을 갖는 것이 사용되며, 구체적으로 20 내지 40℃에서 수분과 접촉 시 30분 이내에 완전 용해되는 것이 사용될 수 있다. 하기 표 1에서는 후술하는 실험예에 사용된 외피 캡슐의 수중 침지 용해 속도 측정 결과를 나타내고 있다.
침지 시간 (분) 물 온도
20℃ 30℃ 40℃
0
Figure pat00001
Figure pat00002
Figure pat00003
10
Figure pat00004
Figure pat00005
Figure pat00006
20
Figure pat00007
Figure pat00008
Figure pat00009
30
Figure pat00010
 - -
이에 따라 외피 캡슐은 모르타르 배합에 투입될 경우 외피 캡슐이 용해되어 내부 투입 재료가 표면 손상 없이 콘크리트 내부 공극에 분포할 수 있게 된다. 도 1에서는 단위수량 160 kg/㎥ 및 플로우(a) 150 mm 수준의 모르타르 배합에 내부에 재료가 투입된 캡슐이 혼합될 경우, 경화 후 재령 1일에서 외피 캡슐이 용해되어 내부 투입 재료가 표면 손상 없이 콘크리트 내부 공극에 분포하는 모습(b)을 나타내고 있다.
이러한 더블 캡슐은 내부에 투입되는 자기치유 환 응집체의 종류에 따라 3가지 타입, 즉, 무기계 더블 캡슐, 박테리아 더블 캡슐 및 하이브리드 더블 캡슐로 분류할 수 있으며(도 2 참조), 하기 표 2에서는 자기치유 더블 캡슐(내부 부피 0.5 내지 1 ㎖)의 조성예를 나타내었고, 도 3에서는 제작된 자기치유 더블 캡슐의 모습을 나타내었다.
Type 자기치유 환 응집체 투입량 (g)
무기계 자기치유 환 박테리아 기반 자기치유 환
무기계 더블 캡슐(Double capsule) 0.3~0.45 -
박테리아 더블 캡슐(Double capsule) - 0.25~0.4
하이브리드 더블 캡슐(Double capsule) 0.15~0.22 0.13~0.2
무기계 더블 캡슐의 경우 외피 캡슐 내부에 1 mm 이하의 입경으로 제작된 무기계 자기치유 환을 0.3 내지 0.45 g 투입할 수 있다. 또한 박테리아 더블 캡슐의 경우 외피 캡슐 내부에 1 mm 이하의 입경으로 제작된 생체광물 형성 박테리아 기반 자기치유 환을 0.25 내지 0.4 g 투입할 수 있다. 또한 하이브리드 더블 캡슐의 경우 외피 캡슐 내부로 무기계 환 및 박테리아 기반 환이 혼합 투입되며, 그 투입 중량은 각각 0.15 내지 0.22 g 및 0.13 내지 0.2 g일 수 있다. 하이브리드 더블 캡슐의 경우 콘크리트 균열 발생 부위에서 무기계 재료의 수화 반응에 의한 균열치유와 박테리아의 생체광물 형성 작용을 통한 균열치유 효과를 동시에 기대할 수 있다.
이하, 무기재료 기반 환(丸) 응집체 및 생체광물 형성 박테리아 기반 환(丸) 응집체 제조방법에 관해 각각 설명한 후, 더블 캡슐 자기치유 환의 균열치유 성능 검증을 위한 실험예를 들어 설명하기로 한다.
콘크리트 균열 치유를 위한 시멘트계 무기재료를 이용한 환의 제조
본 발명에서 무기재료 기반 환(丸) 응집체를 이용한 방법은 고로슬래그 미분말 또는 플라이애시, 수산화칼슘(Ca(OH)2) 미분말, 알코올 및 급결제를 포함하는 자기치유 환을 콘크리트 배합에 사용하여, 콘크리트 균열로 수분 유입 시 수화 반응을 통해 균열을 치유하는 방법이다.
본 발명에서 자기치유 환은 콘크리트 배합 시 혼합 타설 후 콘크리트에 균열이 발생하게 되면 환을 구성하는 시멘트계 무기재료가 균열 발생 부위에 수분 유입 시 수화 반응을 통해 균열 부위를 치유한다.
이러한 자기치유 환은 환의 제조 과정에서 고로슬래그 미분말 또는 플라이 애시와 수산화칼슘을 포함하는 무기재료의 응집체에 알코올 및 급결제가 순차적으로 분무되어 환 형태로 경화됨으로써, 콘크리트 구조체의 시멘트 복합재료와 동일한 성질의 무기재료를 기반으로 하여 콘크리트 배합 시 미반응성, 즉, 콘크리트 배합 과정에서 단시간 내에는 수화 반응이 억제되고, 고화 후 콘크리트 구조체에서 장시간이 경과한 후에는 알코올 및 급격제에 의한 응집력이 약화되어 콘크리트의 균열 발생 부위에서 수분 유입 시 환 형태의 응집체 표면이 쉽게 박리 또는 붕괴됨으로써 시멘트계 무기재료의 수화 반응을 효과적으로 유도할 수 있게 된다.
이와 같이 콘크리트 배합 시에는 무기재료의 미반응성을 유지하고 이후 콘크리트 균열 시에는 무기재료의 효과적인 수화 반응을 구현하는 반응성이 제어되도록 하는 자기치유 환의 성분 조합은 고로슬래그 미분말 또는 플라이애시, 수산화칼슘(Ca(OH)2) 미분말, 알코올 및 급결제를 포함하는 것이 이상적인 것으로 확인되었고, 이때 반응성 제어능력을 극대화하기 위해서는 고로슬래그 미분말 또는 플라이애시 63 내지 72 중량%, 수산화칼슘 미분말 3 내지 12 중량%, 알코올 15 내지 25 중량% 및 급결제 1 내지 10 중량%의 조성을 갖도록 할 수 있고, 바람직하게는 고로슬래그 미분말 또는 플라이애시 63 내지 70 중량%, 수산화칼슘 미분말 5 내지 12 중량%, 알코올 17 내지 23 중량% 및 급결제 3 내지 7 중량%의 조성을 갖도록 할 수 있다.
여기서, 반응성 제어능력 극대화를 위한 재료의 구체적인 성상은 다음과 같다. 즉, 상기 고로슬래그 미분말은 밀도가 2.5 내지 3 g/㎤ 및 분말도가 4,000 내지 10,000 ㎠/g이고, 상기 플라이애시는 밀도가 1.8 내지 2.1 g/㎤ 및 분말도가 3,000 내지 8,000 ㎠/g이고, 상기 수산화칼슘 미분말은 순도가 98% 이상이고, 상기 알코올은 농도 80 내지 99 %(v/v)의 메틸 알코올이 가장 바람직하고, 상기 급결제는 밀도 1.1 내지 1.4 g/㎤의 실리케이트계 액상 급결제로서 규산소다(Na2SiO2ㆍnH2O)가 가장 바람직한 것으로 확인되었다.
본 발명에서 상기 자기치유 환의 제조는 고로슬래그 미분말 또는 플라이 애시와 수산화칼슘을 포함하는 무기재료의 응집체에 알코올 및 급결제가 순차적으로 분무되어 환 형태로 경화되는 과정을 거쳐 수행된다.
즉, 본 발명에서 자기치유 환의 제조는 (a) 고로슬래그 미분말 또는 플라이 애시 및 수산화칼슘(Ca(OH)2)을 제환기 팬에 투입하여 회전-혼합 시키는 단계; (b) 알코올을 분사하여 환(丸)의 형태로 응집된 재료를 제조하는 단계; 및 (c) 상기 환 형태의 재료 표면에 급결제를 분무 및 경화시키는 단계;를 포함하여, 자기치유 환이 콘크리트 배합 과정에서는 단시간 내에 수화 반응이 억제되고, 고화 후 콘크리트 구조체에서 장시간이 경과한 후에는 콘크리트의 균열 발생 부위에서 수분 유입 시 시멘트계 무기재료의 수화 반응이 효과적으로 유도되도록 하는 성질을 갖는 자기치유 환을 용이하게 제조할 수 있도록 한다.
이때 제조되는 자기치유 환의 크기는 평균직경이 0.5 내지 5 mm일 수 있고, 바람직하게는 1 내지 2 mm일 수 있다.
[무기재료 기반 환 제조예]
고로슬래그 미분말(밀도 2.8 g/㎤ 및 분말도 5,000 내지 6,000 ㎠/g) 65 중량% 및 수산화칼슘 미분말(순도 99%) 10 중량%를 30 rpm의 속도로 회전하는 제환기 팬(D-350 mm의 원형팬 회전식 제환기)에 투입하여 약 1분간 회전-혼합 시킨 후, 압축 분무기를 이용하여 20 ㎖/회의 용량으로 메틸 알코올(85 %(v/v) 농도)을 20 중량% 함량으로 분무하고, 환(丸)의 형태로 응집된 재료 표면에 압축 분무기를 이용하여 10 ㎖/회의 용량으로 실리케이트계 액상 급결제로서 규산소다(밀도 1.25 g/㎤)를 5 중량% 함량으로 분무한 후 경화시켜 평균직경 1 내지 2 mm 크기의 자기치유 환을 제조하였다.
콘크리트 균열 치유를 위한 생체광물 형성능 박테리아를 이용한 환의 제조
본 발명에서 생체광물 형성 박테리아 기반 환(丸) 응집체를 이용한 방법은 생체광물 형성능을 갖는 박테리아가 다공체에 고정된 재료, 알코올 및 급결제를 포함하는 자기치유 환을 콘크리트 배합에 사용하여, 콘크리트 균열로 수분 유입 시 상기 박테리아의 생체광물 형성을 통해 균열을 치유하는 방법이다.
본 발명에서 자기치유 환은 콘크리트 배합 시 혼합 타설 후 콘크리트에 균열이 발생하게 되면 환을 구성하는 생체광물 형성능을 갖는 박테리아가 다공체에 고정된 재료가 균열 발생 부위에 수분 유입 시 생체광물 형성 반응을 통해 균열 부위를 치유한다.
여기서, 상기 자기치유 환은 고로슬래그 미분말 또는 플라이애시 및 수산화칼슘(Ca(OH)2) 미분말을 더 포함함으로써 박테리아의 생체광물 형성 반응과 함께 균열 발생 부위에서 시멘트계 무기재료의 수화 반응을 통해 복합적인 균열 치유도 가능하다.
이러한 자기치유 환은 환의 제조 과정에서 생체광물 형성능을 갖는 박테리아가 다공체에 고정된 재료와 고로슬래그 미분말 또는 플라이 애시와 수산화칼슘을 포함하는 무기재료의 응집체에 알코올 및 급결제가 순차적으로 분무되어 환 형태로 경화됨으로써, 콘크리트 구조체의 시멘트 복합재료와 동일한 성질의 무기재료를 기반으로 하여 콘크리트 배합 시 미반응성, 즉, 콘크리트 배합 과정에서 단시간 내에는 수화 반응이 억제되고, 고화 후 콘크리트 구조체에서 장시간이 경과한 후에는 알코올 및 급격제에 의한 응집력이 약화되어 콘크리트의 균열 발생 부위에서 수분 유입 시 환 형태의 응집체 표면이 쉽게 박리 또는 붕괴됨으로써 박테리아의 생체광물 형성 반응과 시멘트계 무기재료의 수화 반응을 효과적으로 유도할 수 있게 된다.
이와 같이 콘크리트 배합 시에는 박테리아와 무기재료의 미반응성을 유지하고 이후 콘크리트 균열 시에는 박테리아의 효과적인 생체광물 형성 반응과 무기재료의 효과적인 수화 반응을 구현하는, 반응성이 제어되도록 하는 자기치유 환의 성분 조합은 생체광물 형성능을 갖는 박테리아가 다공체에 고정된 재료, 알코올 및 급결제를 포함하는 것이 이상적이고, 나아가 고로슬래그 미분말 또는 플라이애시와 수산화칼슘(Ca(OH)2) 미분말을 포함하는 것이 더욱 바람직한 것으로 확인되었고, 이때 반응성 제어능력을 극대화하기 위해서는 상기 고로슬래그 미분말 또는 플라이애시 52 내지 68 중량%, 상기 수산화칼슘 미분말 3 내지 12 중량%, 상기 박테리아가 고정된 재료 5 내지 15 중량%, 상기 알코올 15 내지 25 중량% 및 상기 급결제 1 내지 10 중량%의 조성을 갖도록 할 수 있고, 바람직하게는 상기 고로슬래그 미분말 또는 플라이애시 52 내지 60 중량%, 상기 수산화칼슘 미분말 5 내지 12 중량%, 상기 박테리아가 고정된 재료 7 내지 13 중량%, 상기 알코올 17 내지 23 중량% 및 상기 급결제 3 내지 7 중량%의 조성을 갖도록 할 수 있다.
여기서, 반응성 제어능력 극대화를 위한 재료의 구체적인 성상은 다음과 같다. 즉, 상기 고로슬래그 미분말은 밀도가 2.5 내지 3 g/㎤ 및 분말도가 4,000 내지 10,000 ㎠/g이고, 상기 플라이애시는 밀도가 1.8 내지 2.1 g/㎤ 및 분말도가 3,000 내지 8,000 ㎠/g이고, 상기 수산화칼슘 미분말은 순도가 98% 이상이고, 상기 알코올은 농도 80 내지 99 %(v/v)의 메틸 알코올이 가장 바람직하고, 상기 급결제는 밀도 1.1 내지 1.4 g/㎤의 실리케이트계 액상 급결제로서 규산소다(Na2SiO2ㆍnH2O)가 가장 바람직한 것으로 확인되었다.
또한 본 발명에서 박테리아 고정을 위한 다공체 재료로는 다공성의 양이온 교환 능력이 우수한 다공성 재료가 사용될 수 있으며, 예컨대, 팽창질석, 우레탄, 펄라이트 및 히드로겔로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상이 사용될 수 있고, 바람직하게는 팽창질석이 사용될 수 있다. 상기 팽창질석의 경우 고정화 효율 극대화를 위해 밀도가 0.2 내지 0.3 g/㎤인 것을 사용하는 것이 바람직하다.
본 발명에 제시된 박테리아 고정을 위한 재료들은 재료 표면에 존재하는 교환성 양이온(Mg2+, Ca2+ 등)에 의하여 유기물을 흡착하는 성질이 있어 박테리아 및 박테리아 생장에 필요한 유기성 영양분(배지 성분)을 흡수한다. 또한 pH가 6 내지 9로서 미생물이 생장하기 위한 최적 환경 조성에 가장 이상적인 재료이다.
상기 다공체 재료를 이용한 박테리아의 흡착에는 컨테이너에서 침지 공정이 이용될 수 있고, 침지 공정에서 박테리아의 최적 흡수 효율을 위해서는 박테리아 배양액 100 중량부에 대하여 1 내지 30 중량부, 바람직하게는 5 내지 20 중량부 함량으로 다공체 재료가 완전히 침지되도록 수행될 수 있다.
또한 상기 침지 공정은 음압 조건에서 수행될 수 있다. 침지 공정이 음압 조건에서 수행됨으로써 다공체 재료 내부에 존재하는 공기들이 빠져나오면서 박테리아 배양액이 고정화 재료 안으로 용이하게 침투, 즉, 고정화 재료에 박테리아뿐 아니라 다량의 수분과 배지 영양분이 포함될 수 있게 된다.
상기 음압 조건은 1 내지 50 torr, 바람직하게는 10 내지 30 torr의 음압을 10 내지 100분, 바람직하게는 20 내지 50분 동안 가하는 방식으로 적용될 수 있다. 이때, 습도는 50 내지 70 %RH 및 온도는 10 내지 30℃를 유지하는 것이 바람직하다.
여기서, 상기 컨테이너에 박테리아 배양액을 투입 및 다공체 재료를 침지시키고 음압 조건에서 박테리아 배양액을 고정화하되, 상기 컨테이너 하부에 구비된 회전팬을 구동시킴으로써 배양액에 투입되어 부유될 수 있는 고정화 재료의 교반을 통해 박테리아와 배양액 영양요소가 고르게 혼합 및 고정화되도록 할 수 있다.
상술한 음압 교반형 고정화 방법에 사용되는 박테리아로서 음압 교반 조건에서 상기 다공체 재료를 이용한 침지 과정에 적합한 박테리아라면 특별히 한정되는 것은 아니나, 바람직하게는 스핑고박테리움 멀티보룸(Sphingobacteriummultivorum)이 음압 교반 조건에서 다공체 재료를 이용한 침지 과정에 사용될 경우, 이를 이용하여 자기치유 환을 제조하고, 콘크리트 배합 및 경화 후 콘크리트의 균열 발생 부위에서 수분 유입 시 박테리아의 생체광물 형성 반응이 효과적으로 구현됨을 확인하였다.
여기서, 본 발명에서는 상기 박테리아의 최적 배양환경을 조성하기 위하여 특수한 배지 조성에 대해 연구한 결과, 상기 스핑고박테리움 멀티보룸(Sphingobacteriummultivorum)은 정제수 1 ℓ 기준으로 효모 추출물(Yeast extract) 0.05 내지 1 g, 펩톤(Peptone) 1 내지 10 g 및 요소(urea) 10 내지 30 g을 포함하는 배지에서 pH 5 내지 9, 5 내지 50℃ 환경의 인큐베이터에서 108내지 1010cells/㎖의 농도로 배양되는 것이 이상적인 것을 확인하였다.
본 발명에서 상기 자기치유 환의 제조는 생체광물 형성능을 갖는 박테리아가 다공체에 고정된 재료와 고로슬래그 미분말 또는 플라이 애시와 수산화칼슘을 포함하는 응집체에 알코올 및 급결제가 순차적으로 분무되어 환 형태로 경화되는 과정을 거쳐 수행된다.
즉, 본 발명에서 자기치유 환의 제조는 (a) 생체광물 형성능을 갖는 박테리아가 다공체에 고정된 재료를 제환기 팬에 투입하여 회전-혼합 시키는 단계; (b) 알코올을 분사하여 환(丸)의 형태로 응집된 재료를 제조하는 단계; 및 (c) 상기 환 형태의 재료 표면에 급결제를 분무 및 경화시키는 단계;를 포함하여, 자기치유 환이 콘크리트 배합 과정에서는 단시간 내에 박테리아의 생체광물 형성 반응 및 무기재료의 수화 반응이 억제되고, 고화 후 콘크리트 구조체에서 장시간이 경과한 후에는 콘크리트의 균열 발생 부위에서 수분 유입 시 박테리아의 생체광물 형성 반응 및 시멘트계 무기재료의 수화 반응이 효과적으로 유도되도록 하는 성질을 갖는 자기치유 환을 용이하게 제조할 수 있도록 한다.
이때 제조되는 자기치유 환의 크기는 평균직경이 0.5 내지 5 mm일 수 있고, 바람직하게는 1 내지 2 mm일 수 있다.
[생체광물 형성 박테리아 기반 환 제조예]
(1) 내부 교반형 멸균 음압 컨테이너를 이용한 박테리아가 고정된 다공체 재료 제조
정제수 1 ℓ 기준으로 효모 추출물(Yeast extract) 3 g, 펩톤(Peptone) 5 g 및 요소(urea) 20 g을 포함하는 배지에서 pH 6 내지 8, 35 내지 45℃ 환경의 인큐베이터에서 스핑고박테리움 멀티보룸(Sphingobacterium multivorum)을 접종하고 109 cells/㎖의 농도로 배양된 박테리아 배양액을 무수한 기공에 다공질의 구조를 갖는 밀도 0.25 g/㎤ 의 팽창질석에 하기 방법으로 고정하였다.
내부 교반형 멸균 음압 컨테이너에 상기 제조된 스핑고박테리움 멀티보룸(Sphingobacterium multivorum) 배양액을 투입하고, 박테리아 배양액 100 중량부에 대하여 10 중량부 함량의 팽창질석을 상기 배양액에 침지시킨 후 도어를 닫고, 약 15 torr의 음압 환경이 되도록 밸브를 조절하고, 300 rpm 속도로 회전팬을 구동하여 30분 동안 흡착을 실시하였으며, 이후 박테리아가 고정된 팽창질석을 회수하였다.
(2) 생체광물 형성 박테리아 기반 환 제조
상기 제조된 박테리아가 고정된 팽창질석 75 중량%를 30 rpm의 속도로 회전하는 제환기 팬(D-350 mm의 원형팬 회전식 제환기)에 투입하여 약 1분간 회전-혼합 시킨 후, 압축 분무기를 이용하여 20 ㎖/회의 용량으로 메틸 알코올(85 %(v/v) 농도)을 20 중량% 함량으로 분무하고, 환(丸)의 형태로 응집된 재료 표면에 압축 분무기를 이용하여 10 ㎖/회의 용량으로 실리케이트계 액상 급결제로서 규산소다(밀도 1.25 g/㎤)를 5 중량% 함량으로 분무한 후 경화시켜 평균직경 1 내지 2 mm 크기의 자기치유 환을 제조하였다.
더블 캡슐 자기치유 환의 균열치유 성능 검증을 위한 실험예
더블 캡슐 자기치유 환이 적용된 모르타르 시편의 균열치유 성능 평가를 위한 배합예는 하기 표 3과 같다. 더블 캡슐은 히프로멜로오스(HPMC) 50 내지 60 중량부 및 정제수 1 내지 2.5 중량부를 혼합하여 제작된 것으로, 내부 부피가 0.5 내지 1 ㎖인 캡슐이 사용되었고, 투입되는 자기치유 환 응집체의 투입량은 상기 표 2에 제시된 범위 내로 하였다.
시험체 물-시멘트비(중량%) 잔골재-시멘트비 자기치유 환 치환율(잔골재 부피%)
일반 모르타르 35 2 -
더블 캡슐 자기치유 환 혼입 모르타르 35 2 10
표 3과 같이, 더블 캡슐 자기치유 환의 혼합 유·무에 따른 균열치유 성능의 비교를 위해 물-시멘트비 35%, 잔골재-시멘트비 2의 모르타르 배합을 실시하였다. 여기서 사용된 생분해막 코팅 환의 내부 투입물은 상기 ‘콘크리트 균열치유를 위한 시멘트계 무기재료를 이용한 환의 제조방법’의 제조예에 따라 제작된 무기계 자기치유 환을 이용하였다. 모르타르 배합에 사용된 재료로서 밀도 3.15 g/cm3의 보통포틀랜드 시멘트와 입경 0.05 내지 0.7 mm 및 밀도 2.62 g/cm3의 규사를 사용하였다. 더블 캡슐 자기치유 환은 모르타르 배합 시 잔골재 부피의 10%를 치환하여 혼합하였다. 표 3에 따라 높이 50 mm, 지름 100 mm의 크기로 제작된 모르타르는 7일 동안 수중양생을 실시하였으며, 이후 할렬 균열을 유도하여 0.3 mm, 0.5 mm 및 0.8 mm의 폭을 갖는 균열을 유도하였다. 균열이 유도된 시험체는 정수위 투수 시험을 통해 균열 유도 초기의 유출수량을 평가하였으며, 이후 균열이 유도된 시편을 수중환경에 침지하여 재령 7, 14, 21 및 28일에서 균열 치유에 따른 유출수량의 감소율(균열 치유율)을 평가하였다. 재령 변화에 따른 모르타르 시편의 유출수량 및 균열 치유율의 평가 결과를 도 4에 나타내었다. 균열이 유도된 모르타르 시험편의 균열 치유율은 균열 유도 후 초기 유출수량 대비 감소하는 재령별 유출수량의 평가 결과를 바탕으로 산정하였다. 도 4에서 (a) 및 (b)는 각각 일반 모르타르의 유출수량 변화 및 일반 모르타르의 균열 치유율 변화를 나타내고, (c) 및 (d)는 각각 더블 캡슐 자기치유 환 모르타르의 유출수량 변화 및 더블 캡슐 자기치유 환 모르타르의 균열 치유율 변화를 나타낸다.
도 4를 참조하면, 초기 균열 유도 폭이 0.3 mm인 경우 자기치유 더블 캡슐 환을 혼합하지 않은 일반 모르타르는 재령 7일에서의 균열 치유율이 41%이었던 반면, 자기치유 더블캡슐 환 혼입 모르타르의 경우 재령 7일에서의 균열 치유율은 92%이었다. 더불어 재령 14일에서 28일까지 일반 모르타르의 균열 치유율은 72% 이하인 반면, 자기치유 더블 캡슐 환을 혼합한 모르타르는 재령 14일에서 0.3 mm 폭의 균열이 100% 치유되었다. 초기 균열 폭이 0.5 mm 및 0.8 mm 인 경우에도 일반 모르타르 시험편의 재령 28일 균열 치유율은 29% 및 10%로 매우 낮았던 반면, 자기치유 더블 캡슐 환 혼입 모르타르의 경우 재령 28일 균열 치유율은 70% 및 55%이었다.
한편, 균열이 유도된 시험체 표면에서 균열 치유 환으로부터 형성된 수화물의 광학 현미경 사진을 도 5에 나타내었다. 도 5에서 (a)는 균열 유도 초기의 시험체 표면 사진이고, (b)는 재령 28일에서의 시험체 표면 사진이다.
도 5를 참조하면, 균열 유도면 표면에 투명한 백색의 균열 치유 수화물이 형성된 것을 확인할 수 있다.
이상으로 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명하였다. 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다.
따라서, 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미, 범위 및 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

Claims (10)

  1. 무기재료 기반 환(丸) 응집체 또는 생체광물 형성 박테리아 기반 환(丸) 응집체가 투입된 캡슐(capsule)을 콘크리트 배합에 사용하여, 콘크리트 균열로 수분 유입 시 수화 반응 또는 생체광물 형성을 통해 균열을 치유하는 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 무기재료 기반 환 응집체는 고로슬래그 미분말 또는 플라이애시, 수산화칼슘(Ca(OH)2) 미분말, 알코올 및 급결제를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 환 응집체의 조성은 상기 고로슬래그 미분말 또는 플라이애시 63 내지 72 중량%, 상기 수산화칼슘 미분말 3 내지 12 중량%, 상기 알코올 15 내지 25 중량% 및 상기 급결제 1 내지 10 중량%인 것을 특징으로 하는 방법.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 고로슬래그 미분말은 밀도가 2.5 내지 3 g/㎤ 및 분말도가 4,000 내지 10,000 ㎠/g이고, 상기 플라이애시는 밀도가 1.8 내지 2.1 g/㎤ 및 분말도가 3,000 내지 8,000 ㎠/g이고, 상기 수산화칼슘 미분말은 순도가 98% 이상이고, 상기 알코올은 농도 80 내지 99 %(v/v)의 메틸 알코올이고, 상기 급결제는 밀도 1.1 내지 1.4 g/㎤인 실리케이트계 액상 급결제인 것을 특징으로 하는 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 생체광물 형성 박테리아 기반 환 응집체는 생체광물 형성능을 갖는 박테리아가 다공체에 고정된 재료, 알코올 및 급결제를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 환 응집체는 고로슬래그 미분말 또는 플라이애시 및 수산화칼슘(Ca(OH)2) 미분말을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 환 응집체의 조성은 상기 고로슬래그 미분말 또는 플라이애시 52 내지 68 중량%, 상기 수산화칼슘 미분말 3 내지 12 중량%, 상기 박테리아가 고정된 재료 5 내지 15 중량%, 상기 알코올 15 내지 25 중량% 및 상기 급결제 1 내지 10 중량%인 것을 특징으로 하는 방법.
  8. 제5항에 있어서,
    상기 박테리아는 스핑고박테리움 멀티보룸(Sphingobacteriummultivorum)이고, 상기 알코올은 메틸 알코올이고, 상기 급결제는 규산소다(Na2SiO2ㆍnH2O)인 것을 특징으로 하는 방법.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 캡슐(capsule) 재료는 히프로멜로오스(HPMC) 40 내지 70 중량부 및 정제수 1 내지 5 중량부를 혼합하여 제작되고, 내부 부피가 0.5 내지 2 ㎖인 것을 특징으로 하는 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 캡슐(capsule)은 20 내지 40℃에서 수분과 접촉 시 30분 이내에 완전 용해되는 것을 특징으로 하는 방법.
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