2.1 균열 치유를 위한 박테리아 소재

콘크리트 균열치유를 위해 선정된 박테리아 균주는 Sphingobacterium multivorum이다. Sphingobacterium multivorum는 Sphingobacterium 속에 속하는 그람 음성균으로 Oxidase 양성, 비발효성 등의 특징 갖는다^{(Barahona and Slim 2015)}. Sphingobacterium multivorum가 생장활동에서 생성하는 가수분해효소는 요소(NH2CONK2)를 식 (1)과 같이 암모늄과 탄산염으로 분해시키며, 이 과정에서 pH 증가 및 수분과의 접촉으로 인한 반응으로 탄산칼슘을 생성･침전 시킨다^{(Okyay and Rodrigues 2015)}.

선별된 박테리아의 배양은 Table 1에 나타낸바와 같이 Beef extract, Peptone, Urea 및 CaCl$_{2}$ 등을 주요 영양분으로 조성된 중성수준(pH 7.6)의 배양액을 이용하였으며, 배양액에 접종된 균주는 온도 26 °C의 멸균 인큐베이터 환경에서 72시간 동안 109 cell/mL의 농도로 배양하였다.

박테리아의 경우 모르타르 제작 시 단순 배양액을 혼합하여 사용하는 경우 시멘트의 수화과정에서 발생하는 수화열 및 pH 증가의 등의 현상으로 박테리아가 생존에 부적합한 환경으로 변화하며, 이로 인해 모르타르 경화체에서의 박테리아 생존율은 감소할 수 있다^{(Yoon et al. 2018)}. 이 연구에서는 경화된 모르타르 환경에서 박테리아의 생장성 확보를 위해 ^{Yoon et al.(2019)}이 제시한 박테리아 고정화 방법을 이용하였다. 고온･고압(120 °C 및 1.2 kg/㎥)의 오토클레이브(autoclave) 환경에서 15분 동안 멸균 처리된 팽창질석에 배양이 완료된 배양액을 72시간 동안 침지시켜 박테리아가 충분히 흡착되도록 유도한 후 사용하였다. 박테리아가 고정화된 팽창질석의 미세구조분석의 이미지는 Fig. 1과 같다. Sphingobacterium multivorum가 팽창질석의 내부 및 표면 공극에서 밀집된 군락의 형태로 분포하는 것을 확인 할 수 있다. 여기서 사용된 팽창질석의 특성은 Table 2와 같다. 팽창질석은 입자크기가 1.2 mm 이하의 다공성 재료로서 비교적 중성에 가까운 수준의 pH(6~7)을 가짐에 따라 박테리아의 생장환경 조성에 적합하다. 그뿐만 아니라, 흡수율이 360 %인 고 흡수성의 재료로서 박테리아 생장의 필수요소인 수분 및 유기영양분을 다량 제공할 수 있는 특징을 갖는다. 팽창질석의 밀도는 0.12 kg/㎥이고 전기전도도는 0.09 µs/cm이다.

Fig. 1 SEM image for bacterial colonies immobilized in expanded vermiculites (magnified by 3,000 times)

2.2 박테리아 기반 균열치유 환의 제작

박테리아가 고정화된 팽창질석을 사용하여 환을 제작하였다. 박테리아 균열치유 환 형성 및 표면 코팅을 위해서는 포졸란계 무기재료와 실리케이트계 급결제가 이용되었다. 균열치유 환으로서 BP(bacteria based-pellet)는 박테리아가 고정화된 팽창질석과 포졸란계 무기재료를 혼합하여 제작한 것이며, FBP(fiber mixed BP)는 BP 환에 나일론 섬유를 추가 첨가하여 제작된 균열 치유 환이며, EBP(en-capsulated BP pellet)는 BP를 연질의 캡슐 내부에 충진한 이중 코팅 개념의 균열치유 환이다(Table 3). FBP는 균열 발생 면에서 균열 치유 수화물의 가교로서 작용 가능한 나일론 섬유를 환 부피 대비 0.1 % 첨가하였다. 사용된 나일론 섬유의 흡수성 및 밀도는 각각 3.8 % 및 1.14 g/㎤이다. 더불어 나일론 섬유의 직경 및 길이는 각각 22.9 µm 및 1 mm 이하이며, 인장강도 및 탄성계수는 625 MPa 및 4,215 MPa이다(Table 4). EBP는 모르타르 배합 과정에서 투입되는 환의 손상을 최소화하는 방안으로서 하이드록시프로필 메틸셀룰로오스(hydroxypropyl methylcellulose, HPMC)를 주성분으로 하는 연질의 용융성 캡슐을 이용하였다. 실리케이트 급결제를 이용한 표면 코팅의 방식과 함께 연질의 캡슐 내부에 코팅된 균열치유 환을 주입함으로서, 모르타르 배합시의 물리적 손상 방지와 경화과정에서 발생할 수 있는 수분의 접촉을 최소화하기 위함이다.

균열 치유 환의 제조 과정은 Fig. 2에 나타내었다. 균열치유 환 제조를 위해 박테리아를 고정한 팽창질석, 과 포졸란계 무기재료 그리고 나일론 섬유(FBP인 경우)를 혼합하여 1분간 교반하였다. 교반이 완료된 재료들은 제환기를 이용하여 약 5분 동안 30 rpm의 속도를 유지하면서 구형으로 성형되도록 가공하였다. 구형의 형태로 가공이 완료된 환의 표면에는 실리케이트 급결제를 도포하여 응집된 재료들이 흩어지지 않도록 하였다. 이후 체 거름망을 이용해서 0.85 mm에서 1.12 mm 사이의 환을 선별하였다. 선별된 환의 밀도는 약 2.35 g/㎤이었다. EBP 환의 경우 선별된 환들은 2 g씩 소분한 후 캡슐에 충진 하였다.

Fig. 2 Manufacturing process of bacteria based self-healing pellet

2.3 실험 계획 및 측정

박테리아 기반 환의 균열치유 성능을 평가하기 위한 모르타르 배합 상세는 Table 5와 같다. 모르타르 시험체는 Table 3에 나타낸 균열치유 환의 종류에 따라 구분하였다. 비교를 위해 박테리아 환이 없는 시험체(C)도 제작하였다. 모든 모르타르에서 물-결합재비(water to binder ratio, W/B)는 35 %, 잔골재-결합재비(sand to binder ratio, S/B)는 2.0으로 고정하였다. 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.

균열치유 환이 투입된 배합의 경우 배합 시 각각의 환을 잔골재 부피 대비 10 %를 치환하였다. 모르타르의 배합 방법은 KS L 5109^{(KATS 2017a)} 따랐으며, KS F 4039^{(KATS 2019)} 슬럼프를 측정하였다. 배합이 완료된 모르타르는 50×50×50 mm 크기의 입방형 몰드와 Φ100×200 mm 크기의 원주형 몰드에 타설하여 온도 20 °C, 상대 습도 60 % 환경에서 3일간 양생한 후 탈형 하였다. 이후 모르타르는 수중 양생을 실시한 후에 KS L 5105^{(KATS 2017b)}에 따라 재령 3일, 7일, 28일에서 압축강도를 측정하였다. 균열치유 환이 혼합된 모르타르의 균열 치유 성능은 Fig. 3에 나타낸 절차에 따라 정수위 투수 시험을 통해 평가하였다^{(KCI 2021)}. 정수위 투수 시험을 위한 시험체는 재령 28일 동안 수중의 환경에서 양생을 실시한 Φ100×200 mm 크기의 원주형 공시체를 50 mm의 두께로 절단하여 제작하였다. 제작된 시험체는 KS F 2423^{(KATS 2021)}에 따라 관통균열 유도장치를 사용하여 균열을 유도하였으며, 균열이 발생한 시편은 일정 두께의 실리콘 시트를 분할된 시편의 양 끝단에 위치시킨 후 상･하면에서 10 mm 떨어진 위치에 2개의 클램프를 체결하여 공칭 0.3 및 0.5 mm의 균열 폭을 유지시켰다. 균열 폭을 제어한 시험체들은 균열 자기치유를 유도하기 위하여 수중 양생을 실시하였으며, 이후 침지 재령 7일, 14일, 28일 및 56일에서 정수위 투수시험을 실시하였다.

정수위 투수시험은 균열 유도 시편이 위치한 용기에 물을 투입한 후 균열 면으로 유출되는 물을 계량하여 단위 시간당 유출수량을 기록하였다. 시험 시작 후 초기 3분까지 측정한 유출수량은 시험오차를 고려하여 평가 값으로 이용하지 않았으며, 이후 7분 동안의 분당 유출수량 측정값을 평균하여 사용하였다. 더불어 박테리아 기반 균열치유 환의 치유 균열 폭을 확인하기 위하여 배율 300배의 광학현미경을 이용하여 정수위 투수시험을 실시한 동일한 재령에서 균열 폭의 변화를 관찰하였다. 또한 경화된 모르타르에서의 박테리아 생존성 평가는 생균수 측정 방법(viable cell count method)에 따라 실시하였다^{(Cadena-Herrera et al. 2015)}. 또한 박테리아 균열치유 환으로부터 생성되는 치유 생성물의 정밀 분석을 위하여 수화물의 정성 및 정량분석을 XRD 및 TGA를 이용하여 실시하였다.

Fig. 3 Water-permeability test process of crack induced specimens

3.1 유동성 평가 결과

박테리아 균열치유 환 혼입 모르타르의 유동성 평가 결과는 Fig. 4에 나타내었다. 플로우 측정결과 M-BP와 M-FBP의 유동성은 균열치유 환을 혼합하지 않은 일반 모르타르(C)에 비해 증가하는 결과를 보였다. M-BP 및 M-FBP의 플로우는 각각이 동일한 값인 190 mm로 평가되었으며, 175 mm의 플로우 값을 보인 일반 모르타르에 비해 약 8.5 % 높았다. 환 표면에 도포된 실리케이트계 급결제는 환 내부의 치유소재(core materials)를 보호하며 환 구체 표면에 얇고 매끄러운 형태의 물유리 코팅막을 형성하게 된다(Fig. 5). 이러한 영향은 균열치유 환의 입형을 표면이 거친 골재에 비해 비교적 매끄럽게 개선할 수 있다. 이에 따라 모르타르 배합 시 골재의 부피 대비 균열치유 환이 혼합되는 경우에는 유동성 개선의 효과를 보인 것으로 판단된다.

반면, M-EBP는 일반 모르타르에 비해 유동성이 저하되는 결과를 보였다. M-EBP의 플로우 값은 150 mm로 일반 모르타르에 비하여 약 8.5 % 감소하였다. 균열치유 환이 삽입된 캡슐의 경우 그 중량이 잔골재에 비해 큼으로써 모르타르 유동성을 다소 감소시켰다.

Fig. 4 Slump flow of mortar specimens

Fig. 5 Internal structures of bacteria-based self-healing pellet (magnified by 25 times)

3.2 재령별 압축강도 측정결과

균열치유 환이 혼입된 모르타르의 재령별 압축강도 측정 결과를 Fig. 6에 나타내었다. 일반 모르타르의 재령 7일 및 28일의 압축강도는 각각 29.7 MPa 및 37.3 MPa로 나타났다. M-BP는 재령 7일 및 28일 강도가 각각 30.4 MPa, 31.4 MPa이었으며, 재령 28일 기준으로 일반 모르타르에 비해 약 15 % 낮은 강도 발현 성능을 보였다. 반면 M-FBP의 압축강도 발현은 재령 7일 및 28일에서 일반 모르타르와 유사한 결과를 보였는데, 재령 7일 및 28일의 압축강도는 각각 29.3 MPa 및 36.7 MPa이었다. 더불어 각 재령에서 일반 모르타르의 압축강도 발현과 차이는 2 % 이하였다. 반면 M-EBP 시험체의 경우 압축강도는 모든 재령에서 가장 낮았으며, 특히 재령 28일 압축강도는 일반 모르타르에 비해 약 48 % 낮은 19.3 MPa이었다. M-EBP의 경우 자기치유 환을 캡슐에 삽입하여 배합함에 따라 발생하는 유동성 저하의 문제와 함께 모르타르의 경화과정에서 캡슐 내부 공극으로의 시멘트 페이스트 유입이 저해되기 때문에, 경화 후 내부구조에 비교적 큰 공극이 형성될 수 있다. 이에 따라 M-EBP의 경우 내부 구조의 치밀성 저하가 강도발현 저하의 결과로 이어진 것으로 판단된다. 반면, FBP를 혼합하는 M-FBP 시험체의 경우에는 환 표면과 모르타르 계면에서 유도될 수 섬유의 브리징 효과로 인해 비교적 치밀한 내부구조를 이루었기 때문에 일반 모르타르 배합대비 강도저하가 미미했던 것으로 판단된다^{(Gupta 2022)}.

Fig. 6 Compressive strength development of mortar specimens

3.3 단위유출수량 변화 및 균열 치유율

각 시험체 균열 유도 시편으로부터 실제 균열 폭을 Table 6에 정리하였다. 균열 유도 후 재령 변화에 따른 균열치유 환 혼합 모르타르의 균열치유율 변화 및 단위유출수량의 변화를 각각 그림 Fig. 7 및 Fig. 8에 나타내었다. 여기서, 균열치유 환 혼합 모르타르의 균열 치유율의 경우 초기 단위유출수량에 대한 각 측정 재령에서의 유출수량 감소비율로 산정하였다. 공칭 0.3 mm 폭의 균열을 유도한 시편의 초기 유출수량은 시험편의 종류와 관계없이 0.68~0.91 mL/min･mm로 나타나 대체로 유사한 결과를 보였다. 이후 재령 변화에 따른 유출 수량의 변화는 균열 치유 환의 혼합 유･무에 따라 큰 차이를 보였다. 일반 모르타르

배합의 경우 재령 7일 및 재령 28일에서의 단위 유출수량은 각각 0.79 mL/min･mm 및 0.46 mL/min･ mm으로, 균열 폭 유도 초기 단위 유출수량에 비해 각각 13 % 및 49 % 감소하는 결과를 보였다. 반면, 균열치유 환이 혼입된 시험편의 경우 재령 7일에서부터 유출수량의 감소가 크게 나타났는데, M-BP, M-FBP, M-EBP 시험편의 단위 유출수량은 균열 폭 유도 초기에 비해 각각 72 %, 73 % 및 74 % 감소하였다. 이후 재령 28일에서는 M-BP, M-FBP, M-EBP 시험체 각각의 유출수량 감소율은 각각 85 %, 88 % 및 89 %이었다. 재령 56일에서는 일반 모르타르 시험편의 유출수량 및 균열 치유율은 각각 0.44 mL/min･mm 및 51 %로 나타났으며, 박테리아 기반 균열 치유환을 혼합한 시험체들의 균열 치유율은 86~92 %의 범위로 나타나 일반 모르타르 배합에 비해 1.7~1.8배 높은 균열 치유 성능을 보였다. 나일론 섬유를 혼합하여 제작한 FBP는 환 내･외부에 분포하는 섬유가 Sphingobacterium multivorum로부터 형성되는 탄산칼슘의 균열 면으로의 확산을 위한 가교역할(bridging) 함으로서 유도된 균열 폭의 치유에 있어 섬유를 혼합하지 않았던 BP에 비해 더 효과적이었던 것으로 판단된다(Fig. 9). 연질의 캡슐을 표면 보호체로서 활용하였던 EBP의 경우 모르타르의 혼합과정에서의 물리적 손상과 균열 유도 전 모르타르의 경화과정에서의 균열치유 환의 반응성을 효과적으로 제어함에 따라 균열 유도 이후 코어재료에 의한 균열치유에 있어 가장 긍정적인 효과를 보였다. 이와 같은 결과는 Fig. 10의 현미경 촬영 이미지에서 보이는바와 박테리아 기반 자기치유 환을 혼합한 모르타르의 경우 균열 유도 초기에 비해 재령 56일에서의 균열 폭이 감소하며, 해당 균열 면에서 투명한 백색의 치유물질이 형성되는 것으로 확인할 수 있다.

공칭 0.5 mm 폭의 균열을 유도한 시편의 초기 유출수량은 모든 종류의 시험편에서 7.95~10.38 mL/min･mm로 나타났다. 유도 균열 폭이 0.5 mm로 증가함에 따라 시험편의 초기 유출수량 또한 0.3 mm 균열 유도 시편에 비해 높았으며, 이후 재령 증가에 따른 치유율은 0.3 mm 폭의 균열유도 시편의 결과에 비해 낮았다. 일반 모르타르 배합의 경우 재령 7일 및 재령 28일에서의 단위 유출수량은 각각 평균 9.81 mL/min･mm 및 9.47 mL/min･mm로, 균열 폭 유도 초기 단위 유출수량에 비해 각각 5 % 및 9 % 감소하는 결과를 보였다. 박테리아 기반 균열치유 환을 혼합한 시험편의 경우 재령 7일에서 유출수량의 감소에 따른 균열 치유율 산정결과 M-BP, M-FBP, M-EBP 시험편이 일반 모르타르 배합에 비해서는 6~9배 높은 결과를보였으나, 실제 각 시험체서의 균열 치유율은 33 %, 29 % 및 44 %로 0.3 mm 폭의 균열이 유도된 시험체들의 경우와 비교할 때 감소하였다. 재령 28일에서 M-BP, M-FBP, M-EBP 시편의 균열 치유율 또한 35 %, 41 % 및 54 %로, 0.3 mm 폭의 균열이 유도된 시편들에 비해 각각 57 %, 33 % 및 34 % 낮았다. 재령 56일에서의 균열 치유율은 M-EBP의 경우 78 %수준으로 비교적 증가하는 결과를 보였지만, M-BP 및 M-FBP 시험편의 경우 70 % 이하 수준(각각 39 % 및 63 %)에 있었다. 더불어 0.5 mm 폭의 균열이 유도된 M-EBP 시험편의 균열 치유율은 동일 재령에서 13 % 치유율을 보인 일반 모르타르 배합에 비해 약 6배 높았다. 이와 같은 결과는 앞서 설명한 바와 같이 연질의 캡슐을 표면 보호체로서 활용하는 균열치유 환을 혼입하는 경우가 모르타르의 혼합 및 경화과정에서의 물리적 손상과 반응성을 효과적으로 제어함에 따라, 균열 유도 후의 자기치유 성능 발현에 있어 더욱 우수한 결과를 보인 것으로 판단된다. 하지만 다수의 선행연구자들의 결과^{(Luo et al. 2015; Kalhori and Bagherpour 2017; Zhang et al. 2017)}와 같이 균열 폭이 0.3 mm를 초과하는 경우의 균열 자기치유 성능은 다소 감소하였다.

Fig. 7 Water flow rates along the initial crack planes

Fig. 8 Healing rate of mortars specimens with respect to repairing the initial cracks

Fig. 9 Bridging effect of nylon fiber along the crack planes

Fig. 10 Microscopic analysis image of mortar specimens with initial 0.3 mm crack

3.4 생균수 평가

Fig. 11은 재령 56일이 경과한 경화된 모르타르에서 분리한 박테리아를 한천배지에 접종하여 재배양한 이미지이다. 재배양 배지에서는 일반 모르타르 시험체를 제외한 모든 시편에서 Sphingobacterium multivorum의 군락(colony)이 다수 형성된 모습을 확인 할 수 있었다. 박테리아 군락의 계수결과를 바탕으로 평가된 박테리아의 생균수는 M-BP, M-FBP 및 M-EBP 시험체에서 각각 1.7×105 cell/mL, 2.1×105 cell/mL 그리고 1.9×105 cell/mL 이었다(Fig. 12). 균열치유 환을 포함하는 모르타르에서 생균수는 환 종류에 관계없이 105 cell/mL 이상을 나타내었다. M-FBP는 환을 혼입하지 않은 일반 모르타르와 동등한 압축강도 발현뿐만 아니라 박테리아 생장성에도 매우 우수한 결과를 보였다.

Fig. 11 Typical images for re-cultured bacteria colonies at the hardened mortar specimens

Fig. 12 Population of bacteria in hardened mortars at ages of 28 days

3.5 치유생성물 분석

치유 재령 56일 후 모르타르 시편에 유도된 균열 부위에서 채취한 치유생성물의 시료의 치유생성물의 XRD 및 SEM 분석결과를 Fig. 13 및 Fig. 14에 나타내었다. 균열 치유 생성물의 XRD 패턴은 23.1°, 29.5°, 36°, 39.5°, 43.2°, 47.5°, 48.5°에서 높은 피크 강도를 보였는데, 이들 해당 피크는 탄산칼슘(calcite)의 피크와 매우 유사하였다. 또한 치유 생성물의 형상 이미지도 육각 결정체 형태로서 탄산칼슘(calcite)과 매우 유사하였다.

균열 치유 생성물의 정량 분석을 위해 수행된 열분석의 결과를 Fig. 15에 나타내었다. 일반적으로 시멘트 수화물의 경우 열분해에 의한 질량감소의 범위는 크게 3가지 범위의 온도로 구분되는데, 300 °C 이하의 온도에서는 자유수와 칼슘실리케이트 수화물(calcium silicate hydrate, C-S-H) 및 AFt (Al$_{2}$O$_{3}$-Fe$_{2}$O$_{3}$-tri)이 열에 의해 분해되면서 발생하는 질량감소의 현상이 관찰된다^{(Zhang et al. 2022)}. 450~500 °C의 온도 범위에서는 시멘트 수화생성물인 수산화칼슘(Ca(OH)2)의 열분해로 인한 질량 감소가 발생하며, 다음 식 (2)와 같이 탈수현상에 의해 산화칼슘과 물로 분해된다^{(Yoon et al. 2019)}.

650~900 °C의 온도 범위에서는 탄산칼슘(CaCO$_{3}$)의 열분해에 의한 질량감소의 이력이 관찰되며, 아래 식과 같이 탈탄산 반응이 이루어진다^{(Martínez et al. 2018)}.

Fig. 15의 결과에서 보이는 바와 같이 균열 치유 시편에서 채취한 수화물의 열분해에 의한 질량 감소는 650~900 °C의 온도범위에서 가장 크게 나타났다. 이때 수화물의 질량 감소의 크기는 43.7 %로, 같은 그림에 나타낸 일반적인 시멘트 수화물의 질량감소의 크기(1.39 %)에 비해 약 31배 높은 결과이다. 더불어, C-S-H 및 AFt 상의 열분해와 Ca(OH)$_{2}$의 열분해로 인한 질량감소 크기 또한 각각 1.63 % 및 0.74 %로 일반적인 시멘트 수화물(각각 7.2 % 및 1.5 %)의 질량 감소크기에 비해 매우 미미한 수준임을 확인할 수 있었다. 결과적으로 박테리아 기반 균열 치유환을 혼합한 시험편에서 채취한 치유 수화물의 XRD, SEM 및 열중량분석의 결과, 해당 수화물은 Sphingobacterium multivorum의 생체광물 형성작용으로부터 형성되는 탄산칼슘(calcite)임을 확인할 수 있었다.

Fig. 13 XRD patterns of self-healing hydrates

Fig. 14 SEM Image of self-healing hydrates

Fig. 15 Thermogravimetric analysis result for self-healing hydrates and conventional cement hydrates