2.1 글라이코 캘릭스 형성 박테리아의 배양

본 연구에 사용된 균주는 하천의 환경에서 분리된 광합성계 박테리아인 Rhodobacter capsulatus이다(Fig. 1). 이 박테리아는 호기암(aerobic dark) 및 혐기명(anaerobic light) 등의 다양한 조건하에서 증식이 가능하며, 동결 및 열에도 강해 자연계에서 쉽게 분포하는 특징을 갖는다(Yang et al. 2016^[13]). Rhodobacter capsulatus는 세포가 각각 독립적으로 분리된 형태로, 0.5 × 0.8 μm 크기의 구형이다. 이 균주는 열악한 환경에 노출 될 경우 외부 환경으로부터 스스로를 보호하는 기작을 통해 세포 외벽에 음전하(-) 또는 양전하(+)를 띄는 당 복합체의 글라이코 캘릭스(glycocalyx)를 형성한다. 글라이코 캘릭스는 외부의 유해 인자로부터 박테리아 세포를 보호하는 역할뿐만 아니라 박테리아가 생장에 필요로 하는 칼슘(Ca²⁺), 규소(Si⁴⁺) 및 마그네슘(Mg²⁺) 등의 이온을 지속적으로 흡수하여 공급하는 역할을 한다. 더불어 글라이코 캘릭스는 고점성의 물질로서 하수의 환경에서 발생되는 황산염(SO₄^2-)을 고정화 할 수 있으며, 황화수소(H₂S) 가스로의 환원 억제 및 황산(H₂S_O4)형성과 침투를 물리적으로 차단할 수 있다. 특히 Yang et al.(2018)^[14]의 실험결과에 따르면 Rhodobacter capsulatus 균주는 글라이코 캘릭스 형성 측면에서 매우 우수하다.

Fig. 1. TEM image of Rhodobacter capsulatus

글라이코 캘릭스 형성 박테리아인 Rhodobacter capsulatus의 배양을 위한 배양액 구성요소로는 Yeast extract 및 Disodium succinate hexahydrate 등이 이용되었다(Table 1). 당 복합체로 구성되는 글라이코 캘릭스의 형성을 유도하기 위해서는 박테리아의 배양액 조성으로서 탄소원(carbon source)의 첨가를 필요로 하며, 그 종류에 따라 세포 질량 당 생성되는 글라이코 캘릭스의 양은 상이한 특징을 갖는다. 이에 본 연구에서는 Yoon et al.(2018)^[16]이 제시한 Rhodobacter capsulatus의 최적 탄소원인 Succinate가 이용되었으며, 배양액 질량의 0.3 %를 첨가하였다. 박테리아의 배양은 pH가 6.8로 조정된 배양액에 접종 후 혐기성 환경에서 109 cell/mL 농도로 배양되었다.

2.2 박테리아의 고정화

박테리아의 생장처(living pore) 제공 및 중성수준(pH 10 이하)의 생장환경 조성을 위한 고정화 재료로서는 팽창질석(expanded vermiculite, EV) 및 고 흡수성 수지(super absorbent polymer, SAP)가 이용되었다. 팽창질석 및 SAP의 입경은 각각 0.25∼0.36 mm 및 0.08∼0.2 mm 수준이며, 밀도는 각각 0.25 g/cm³ 및 0.7 g/cm³이다. 이들 재료는 높은 보수성 및 중성 수준의 pH를 갖는데, 특히 팽창질석의 경우 우수한 양이온 교환 용량을 가져 Rhodobacter capsulatus가 생장에 필요로 하는 양이온(Ca²⁺ 및 Mg²⁺ 등)을 효과적으로 흡수하는 특징을 갖는다(Yoon et al. 2016)^[15]. 박테리아의 고정화는 Yoon et al. (2018)^[16]이 제시한 절차에 따라, 72시간 동안 실시하였다.

2.3 코팅 모르타르 배합설계

생체모방형 코팅 모르타르 제작을 위한 배합상세는 Table 2에 나타내었다. 본 실험에서의 주요 변수는 생체모방형 코팅모르타르 제조 시 투입되는 박테리아 고정화 재료의 종류 변화이다. 이와 함께 비교를 위해 박테리아가 투입되지 않은 배합과 고정화재료를 사용하지 않고 박테리아를 직접 투입한 모르타르를 제작하였다. 일반적으로 플라이애시(fly ash, FA) 및 고로슬래그(ground granu -lated blast furnace slag, GGBS) 등의 광물질 혼화재의 혼입은 C₃A 함량의 저감과 함께 규산칼슘수화물(calcium silicate hydrates, C-S-H)를 형성하기 위한 반응이 진행되면서 수산화칼슘(Ca(OH)₂)이 소비되고, 황산 열화에 의해 부피·팽창을 발생시키는 에트린자이트(ettringite) 또는 석고(gypsum)의 형성을 저감시킨다(Park et al. 2011)^[10]. 이에 따라 본 실험에서는 코팅 모르타르 제조를 위한 결합재로서 보통포틀랜드시멘트(ordinary portland cement, OPC)와 함께 FA 및 GGBS가 이용되었다. FA와 GGBS의 치환율은 전체결합재 질량의 20 % 및 45 %로 고정하였다. 물-결합재비(water to binder ratio, W/B)와 잔골재-결합재비(sand to binder ratio, S/B)는 각각 35 %와 2.0로 하였다. 골재의 경우 0.05∼0.17 mm, 0.17∼0.25 mm 및 0.25∼0.7 mm의 입경을 갖는 규사(silica sand)를 각각 동일한 질량비로 혼입하여 사용하였다. 코팅 모르타르 배합은 KS L ISO 679에 따라 실시하였으며, 배합시 Rhodobacter capsulatus가 고정화된 다공성 재료를 골재의 부피 대비 30% 치환하여 사용하였다. 박테리아가 고정화된 다공성재료를 혼합하는 배합의 경우에는 고정화 재료가 흡수하는 수량을 고려하여 배합수의 투입량을 조정하였다. 박테리아를 단독 투입하는 시험체의 경우에는 배합수를 배양액으로서 대체하여 사용하였다.

2.4 양생 및 측정

배합이 완료된 코팅 모르타르는 Φ 100 × 200 mm 몰드에 타설하였으며, 20 °C의 수중환경에서 재령 28일까지 양생을 실시하였다. 제작이 완료된 코팅 모르타르는 재령 3, 7 및 28일에서 압축강도를 측정하였다. 박테리아의 생장성 평가는 생균수 측정 방법(viable cell count method)에 따라 실시하였다. 재령 28일 된 코팅 모르타르에서 채취한 시료를 1 mm 이하의 입경으로 분쇄 후 무기배지에 투입하였으며, 30 °C 환경의 교반기에서 3시간 동안 균을 탈착하였다. 이후 균주가 탈착 된 배양액을 10^-6 비율로 희석 후 Table 1의 배양액 조성과 동일한 한천배지에 접종하여 3일 동안 배양하였다. 배양이 완료된 한천 배지의 박테리아 군락 형성 개수를 계수하였으며, 평균 생균수를 도출하였다.

생체 모방형 코팅 모르타르의 내황산성 평가는 JSTM C7401에 따라 실시하였다. 재령 28일까지 양생이 완료된 코팅 모르타르를 황산 5 % 수용액에 침지하였으며, 침지재령(1, 3, 7 및 28일)에 따라 시험체의 압축강도 변화 및 질량변화를 평가하였다. 코팅 모르타르의 압축강도 변화는 황산 5 % 수용액 침지 재령 별 압축강도 측정 값($f_ {ck} (t)$)을 표준 양생한 코팅모르타르의 압축강도($f_ {ck} (0)$)로 무차원한 값으로 하였다. 코팅 모르타르의 질량변화는 황산 5 % 수용액 침지 전 시험체의 질량을 측정한 후 침지 이후 재령변화에 따른 질량감소 크기를 비율로서 계산하였다. 이와 함께 황산 5 % 수용액 침지재령 28일에서 코팅 모르타르의 내부 및 표면 수화생성물 변화를 X-선 회절분석기(X-ray diffraction, XRD) 및 열분석기(TG-DTG)를 이용하여 평가하였다. X선 회절분석은 6 KW-40 kV-150 mA의 조건에서 실시되었으며, 열분석기의 온도 상승 속도는 10°/min으로 하였다.

3.1 코팅재의 압축강도 발현 및 박테리아 생장성

글라이코 캘릭스 형성 박테리아 기반 생체모방형 코팅 모르타르의 재령별 압축강도 측정결과를 Fig. 2에 나타내었다. 박테리아를 투입하지 않은 시험체의 재령 7일 및 28일 압축강도는 각각 22.1 MPa 및 38.9 MPa로 나타났다. 박테리아가 고정화된 EV를 혼입한 시험체의 재령 28일 압축강도는 40.7 MPa로 가장 높은 발현을 보였다. 재령 7일 압축강도 또한 22.6 MPa으로 모든 재령에서 박테리아 무혼입 시험체의 강도발현 수준보다 높았다. 반면, 박테리아 고정화 없이 직접 투입한 시험체 및 박테리아를 고정한 SAP를 혼합한 시험체의 재령 28일 압축강도는 각각 32.5 MPa 및 31.9 MPa로 EV을 혼입한 코팅 모르타르에 비해 20%∼22 % 낮은 강도 발현 성능을 보였다. 이는 박테리아 고정화 재료로서 사용된 재료의 수분흡수율 차이 및 박테리아의 특이성이 코팅 모르타르의 강도발현에 영향을 미친 것으로 판단된다(Yoon et al. 2016)^[15].

Fig. 2. Compressive strength development of biomimetic coating mortars

Fig. 3은 재령 28일 경화된 코팅 모르타르에서 분리된 박테리아를 한천배지에 접종하여 재배양한 결과이다. 모든 시험체에서 박테리아의 군락형성을 확인할 수 있었다. 특히 박테리아 고정화 재료로서 EV을 이용한 시험체의 경우에는 배지 표면에 형성된 박테리아의 군락(colony)이 다수 관찰되었다. 이와 함께 박테리아 직접 투입 및 고정화 재료로서 SAP를 사용한 시험체에서도 박테리아 군락을 확인할 수 있었는데, 그 수는 EV을 혼합한 시험체에 비해 비교적 적은 수준이었다. 박테리아를 혼합하지 않은 시험체에서도 매우 미미한 수의 박테리아를 확인할 수 있었는데, 이는 외부 환경으로부터 유입된 박테리아 오염에 의한 결과로 판단된다.

Fig. 3. Typical images for bacteria colonies re-cultured from hardened coating mortars

박테리아의 군락 계수를 통해 도출된 평균생균수 평가 결과를 Fig. 4에 나타내었다. 평가 결과 형성된 박테리아 군락의 수가 가장 많았던 EV 혼입 코팅모르타르가 평균 생균수 4.6 × 10⁶ CFU/g로 가장 높게 나타났다. SAP 및 박테리아를 직접 투입한 배합의 평균 생균수는 각각 2.19 × 10⁶ CFU/g 및 1.13 × 10⁶ CFU/g로, EV 혼입 코팅모르타르에 비해 약 52 %와 75 % 낮은 수준이었다. 결과적으로 박테리아 고정화재료로서 EV를 혼합한 경우에는 박테리아를 혼합하지 않은 코팅 모르타르와 동등 이상의 압축강도 발현뿐만 아니라 박테리아 생장성 확보에도 매우 효율적인 결과를 보였다.

Fig. 4. Population of bacteria in hardened coating mortars at age of 28 days

3.2 내황산성 평가

3.2.1 압축강도 비

생체모방형 코팅 모르타르의 내황산성 평가 결과 재령별 압축강도 변화비를 Fig. 5에 나타내었다. 그림의 세로축은 황산 5 % 수용액 침지 재령 변화에 따른 코팅 모르타르의 압축강도 측정 값($f_ {ck} (t)$)을 표준 양생한 코팅모르타르의 압축강도($f_ {ck} (0)$)로 무차원한 값이다. 측정결과 모든 시험체의 압축강도는 황산 5 % 수용액 침지재령 3일까지 증가하였으며, 이후 지속적으로 감소하는 경향을 보였다.

Fig. 5. Compressive strength variation of coating mortars immersed in 5 % sulfuric acid solution

황산에 노출된 콘크리트 열화과정은 두 단계로 분류할 수 있다. 첫 번째 단계는 식 (1) 및 식 (2)와 같이 시멘트의 수화생성물인 Ca(OH)₂과 C-S-H이 황산(H₂SO₄)과 반응하여 석고를 생성하는 과정으로 시멘트 복합체의 1차 체적 팽창 및 박리를 발생시킨다.

(1)

$C a(O H)_{2}+H_{2} S O_{4} \rightarrow C a S O_{4} \cdot 2 H_{2} O$

(2)

$\mathrm{CaO} \cdot \mathrm{SiO}_{2} \cdot 2 \mathrm{H}_{2} \mathrm{O}+\mathrm{H}_{2} \mathrm{SO}_{4} \rightarrow C a S O_{4}+S i(O H)_{4}+H_{2} O$

두 번째 단계에서는 위 식의 과정으로 생성된 석고가 C₃A와 반응하여 식 (3)과 같이 에트린자이트를 형성함으로서, 시멘트 복합체의 2차 체적 팽창 및 균열을 유발한다(Monteny et al. 2000)^[8]

(3)

$3 \mathrm{CaO} \cdot \mathrm{Al}_{2} \mathrm{O}_{3} \cdot 12 \mathrm{H}_{2} \mathrm{O}+3\left(\mathrm{CaSO}_{4} \cdot 2 \mathrm{H}_{2} \mathrm{O}\right) +14 H_{2} O \rightarrow 3 C a O \cdot A l_{2} O_{3} \cdot 3 C a S O_{4} \cdot 32 H_{2} O$

침지재령 3일까지 압축강도의 증진 이유는 침지 재령 초기에서 H₂SO₄에 의한 열화보다는 오히려 수중양생에서 FA 및 GGBS의 포졸란 반응 및 잠재수경성 효과 때문이라 판단된다. 더불어 침지재령 3일에서 EV를 혼합한 시험체의 압축강도 증가가 가장 크게 나타났다. 이는 Ca(OH)₂와 반응하여 에트린자이트 및 석고를 형성하는 H2₂O₄의 결합을 다량의 박테리아를 포함하고 있는 EV 혼합 시험체의 글라이코 캘릭스가 저해하였으며, 이로 인해 Ca(OH)₂와 FA의 포졸란 반응 및 GGBS의 알칼리자극이 상대적으로 유리하여 나타난 결과로 판단된다. 침지재령 3일까지의 강도 증진비율 및 이후 침지재령 28일까지의 강도 감소 크기는 박테리아 혼입 유·무에 따라 차이를 보였다. 박테리아 무혼입 시험체의 압축강도 비는 재령 28일에서 0.88로서 황산 침식에 의한 강도 저하가 가장 컸다. 박테리아의 고정화 없이 직접 투입한 시험체 및 SAP를 고정화 재료로서 이용한 시험체의 침지재령 28일에서의 압축강도 비는 각각 0.97 및 0.98로 유사한 수준이었다. 박테리아의 고정화 재료로서 EV을 혼입한 시험체는 침지 재령 3일에서의 강도 증진 비율이 11 %로 가장 높았으며, 침지 재령 28일에서의 압축강도 비도 1.02로서 우수한 열화저항 성능을 보였다. 이는 결과적으로 박테리아의 글라이코 캘릭스의 표면 코팅효과에 의해 열화 유발 인자인 황산의 접촉을 차단하였으며, 석고(gypsum) 및 에트린자이트(ettringite) 형성 억제를 통해 코팅 모르타르의 열화저항 성능이 향상되었다고 판단된다(Yang et al. 2016)^[13]. 이와 함께 박테리아 생장성의 평가 결과와 같이 가장 높은 수준의 박테리아 생균수를 보인 EV 혼입 배합에서 글라이코 캘릭스에 의한 열화보호의 효과가 다른 시험체에 비해 비교적 크게 나타난 것으로 판단된다.

3.2.2 질량 변화율

코팅 모르타르의 황산 5 % 수용액 침지 후 재령별 질량변화율을 Fig. 6에 나타내었다. 박테리아를 혼입하지 않은 배합은 황산 5 % 수용액 침지 직후부터 질량이 감소한 반면 박테리아를 혼합한 배합의 경우에는 재령 3일까지 미미하게 증가 한 후 감소하는 경향을 보였다. 이는 열화 초기 코팅 모르타르 내의 수화물들이 황산과 반응하여 다량의 결합수를 포함하는 수화물로 변화하면서 증가한 결과로 판단된다(Baek et al. 2015)^[2]. 하지만 그 증가 비율은 모든 시험체가 0.7% 미만으로 무시할 만한 수준이었다. 황산 수용액 침지재령 28일에서의 질량변화율은 박테리아 무혼입 시험체의 경우 10 %로 가장 컸다. 모르타르 표면의 열화정도도 박테리아 무혼입 시험체에서 가장 심하였다(Fig. 7). 고정화 재료 없이 박테리아를 직접 투입한 배합 및 고정화 재료로서 SAP를 혼입한 배합에서의 재령 28일 질량 감소율은 각각 5.6 % 및 3.4 %로 박테리아 무혼입 시험체에 비해 질량감소가 작았지만 EV 혼입 배합에 비해 다소 높은 질량 변화율을 보였다. 반면 박테리아 고정화 재료서 EV을 혼입한 배합의 재령 28일 질량 감소율은 2 %로 가장 작았다. 이는 코팅 모르타르의 외관 상태에서 보는 바와 같이 황산에 의한 시험체의 표면 손상도 매우 미미하기 때문이다. 결과적으로 압축강도의 결과에서와 같이 박테리아를 혼입한 경우에는 글라이코 캘릭스 막에 의한 열화 보호 효과가 코팅 모르타르의 열화저항 성능 향상에 영향을 미쳤음을 알 수 있다.

Fig. 6. Mass variation of coating mortars immersed in 5 % sulfuric acid solution

Fig. 7. Typical surface image of coating mortars immersed in 5 % sulfuric acid solution for 28 days

3.2.3 수화생성물 분석

황산 5 % 수용액 침지 재령 28일 후 코팅 모르타르 내부 및 표면에서 채취한 시료의 수화생성물 분석 결과는 Fig. 8에 나타내었다. 코팅 모르타르의 수화생성물은 황산에 의한 열화 유·무에 따라 큰 차이를 보였다. 황산에 의한 열화가 발생하지 않은 코팅모르타르 내부에서는 시멘트의 수화생성물인 C-S-H와 Ca(OH)₂(portlandite) 및 칼사이트(calcite) 등의 피크를 확인할 수 있었다(Fig. 8(a)). 반면, 황산에 의한 열화가 진행 된 코팅 모르타르 표면에서는 석고의 피크가 다수 형성된 것을 확인 할 수 있었다(Fig. 8(b)). 하지만, 황산에 의한 열화로 시멘트 복합체의 2차 체적 팽창 및 균열을 유발하는 에트린자이트의 피크는 뚜렷하게 관찰 되지 않았다. 이는 황산에 의한 코팅 모르타르 표면의 pH가 감소함에 따라 에트린자이트가 안정성을 잃고 석고 및 황산알루미늄 등으로 전환되어 나타난 결과로 판단된다(Bae et al. 2010)^[1].

Fig. 8. XRD patterns of coating mortars immersed in 5% sulfuric acid solution for 28 days

3.2.4 열분석

일반적으로 시멘트의 수화생성물인 Ca(OH)₂은 450∼500°C 범위의 온도에서 열분해 되며 아래의 식에 따라 탈수에 의해 산화칼슘(CaO)과 물(H₂O)로 변화한다(Lee and Yang 2016)^[7].

(4)

$C a(O H)_{2} \rightarrow C a O+H_{2} O$

CaCO₃의 경우에는 550∼850 °C의 온도 범위에서 다음 식 (5)과 같이 이산화탄소(CO₂)의 탈탄산에 의한 분해 반응을 나타낸다(Hong et al. 2011)^[6].

(5)

$\mathrm{CaCO}_{3} \rightarrow \mathrm{CaO}+\mathrm{CO}_{2}$

Fig. 9(a)의 코팅 모르타르 내부 시료의 열분석결과 모든 시험체에서 Ca(OH)₂ 및 CaCO3의 열분해 반응이 관찰되었다. 450∼500 °C 범위의 온도에서 Ca(OH)₂의 열분해에 따른 시료의 질량 감소율은 EV을 혼입한 시험체의 경우 0.55 %로 가장 높았다. 해당 온도 범위에서 박테리아 무혼입 시험체에서의 질량 감소율은 0.36 %로 EV 혼입 시험체의 65 % 수준이었다. 박테리아를 직접 투입 및 고정화 재료로서 SAP를 혼합한 시험체의 질량 감소율은 0.47 % 및 0.45 %로 유사한 수준이었다. 550∼850 °C의 온도 범위에서 발생된 CaCO₃ 열분해에 의한 질량 감소율은 Ca(OH)₂의 경우와 마찬가지로 EV을 혼입한 시험체가 3.21%로 가장 높았다. 반면 박테리아 무혼입, 직접투입 및 고정화재료로서 SAP를 사용한 시험체의 질량 감소율은 각각 2.95 %, 3.00 % 및 2.95 %로 유사한 수준이었다.

Fig. 9. Thermal analysis results of coating mortars immersed in 5 % sulfuric acid solution for 28 days

황산에 의한 열화가 발생된 코팅 모르타르 표면 시료의 열분석 결과는 Fig. 9(b)와 같다. 시멘트 경화체에서 형성된 석고는 일반적으로 이수 석고(CaSO₄·2H₂O)의 형태로 존재하며, 60∼150 °C 범위의 온도에서 식 (6)와 같이 탈수에 의해 반수석고(CaSO₄·1/2H₂O)로 변화한다(Engbrecht and Hirschfeld 2016)^[5].

(6)

$\mathrm{CaSO}_{4} \cdot 2 \mathrm{H}_{2} \mathrm{O} \rightarrow \mathrm{CaSO}_{4} \cdot \frac{1}{2} H_{2} O+\frac{3}{2} H_{2} O$

이후 105∼240℃ 부근에서는 식 (7)와 같이 지속적인 탈수로 인해 무수석고(CaSO₄)로 변화한다(Choi et al. 1988)^[3].

(7)

$\mathrm{CaSO}_{4} \cdot \frac{1}{2} \mathrm{H}_{2} \mathrm{O} \rightarrow \mathrm{CaSO}_{4}+\frac{1}{2} H_{2} O$

모든 시험체에서는 60∼240 °C 온도 범위에서 발생되는 석고의 열분해에 따른 질량감소가 발생하였다. 이는 XRD 분석 결과에서 확인된 바와 같이 황산에 의한 열화과정에서 발생되는 석고의 형성을 뒷받침 하는 결과이다. 하지만, 열분해에 의한 코팅 모르타르 시료의 질량 감소율의 크기는 박테리아 혼입 유·무에 따라 큰 차이를 보였다. 박테리아 무혼입 시험체의 질량 감소율은 2.34 %로 모든 시험체 중 가장 큰 감소율을 보였다. 고정화 재료 없이 박테리아를 직접 투입한 시험체 및 고정화 재료로서 SAP를 혼입한 시험체에서 석고의 열분해에 의한 질량 감소율은 2.28 % 및 2.14 %로 무혼입 시험체 대비 각각 3 % 및 9 % 감소하는 결과를 보였다. 반면 EV을 혼합한 코팅 모르타르에서 석고의 열분해에 의한 질량 감소율은 1.95 %로 가장 낮았다. 이는 결과적으로 글라이코 캘릭스의 형성이 코팅 모르타르의 황산에 의한 열화저항에 영향을 미친 것으로 판단된다. 결과적으로, 박테리아의 생장 개체수가 가장 높았던 EV 혼입 시험체가 압축강도 저하 및 질량 감소의 결과와 더불어 수화생성물에 변화에서도 열화 저항성능 향상에 긍정적인 영향을 미친 것으로 판단된다.