2.1 호염 박테리아 선별

내염해 생태 모르타르에서 사용된 호염 박테리아는 총 2종으로 글라이코캘릭스 형성 기능을 가진 Bacillus licheniformis와 염화 금속화합물의 환원 기능의 Halomonas venusta이다^{(Yoon et al. 2022)}. Bacillus licheniformis는 Bacillus 속에 속하는 그람 양성균(gram positive)이다^{(Rey et al. 2004)}. 이 균주는 체내에서의 단백질 종류인 폴리글루탐산(polyglutamate, PGA)을 생성하며 이로 인해 박테리아의 세포 주위로 글라이코캘릭스 막이 형성된다^{(Hoffmann et al. 2010)}. 글라이코캘릭스는 산소가 부족한 환경에서 균주의 성장을 억제시키는 유해 물질을 차단하고 세포를 보호하는 역할을 한다. Halomonas venusta는 Halomonas 속에 속하는 그람 음성균(gram negative)으로 염분에 대해 높은 내성을 가지고 있다. 또한 생장 온도가 광범위하여 고농도의 염분 환경이나 고온 환경에서 기능할 수 있는 효소를 생성한다^{(Williamson et al. 2016)}. 또한 박테리아의 체내에서 산화･환원 전위를 낮추는 촉매 역할의 효소를 분비한다. 이 효소의 작용으로 인해 유기 화합물(organic compound)과 염소 화합물(chlorine compound)은 전자공여체(electron donor)로써 산화되고 염소이온(Cl-)이 환원된다. 이때 환원된 염소이온은 다시 균주의 세포 내로 흡수되어 박테리아의 대사활동에 필요한 생장에너지로 이용된다^{(Nichimori et al 2000; Morales et al. 2006)}. 이들 박테리아를 배양하기 위한 배양액 조성은 각각 Table 1 및 Table 2에 나타내었다. Bacillus licheniformis의 배양액은 Sodium chloride 및 Ammonia citrate 등으로 구성된다. Halomonas venusta의 배양액은 주로 Yeast extract 및 Peptone 등으로 구성된다. 배양액에 접종된 박테리아는 멸균 인큐베이터 환경에서 72시간 동안 1×109 cell/mL 이상의 농도로 배양하였다. 배양이 완료된 박테리아들은 모르타르 배합 과정 및 경화 모르타르 내부에서 생존과 번식을 도모할 수 있도록 다공성인 팽창질석에 배양액과 함께 고정화되었다^{(Yoon et al. 2019)}. 박테리아 고정화는 고온･고압(120 °C 및 1.2 kg/m3)의 오토클레이브(autoclave) 환경에서 음압을 조성하여 멸균 처리된 팽창질석에 이루어졌다. Fig. 1에는 팽창질석에 고정화된 박테리아의 군락 이미지를 나타내었다. 사용된 팽창질석의 입자 크기는 1.2 mm이며 밀도 및 전기전도도는 각각 0.12 kg/m3 및 0.09 µs/cm이다.

Fig. 1 SEM images for bacteria immobilized in expanded vermiculites

2.2 모르타르 배합

호염 박테리아가 혼합된 내염해 생태 모르타르에서의 탄산화 및 동결융해 저항성을 평가하기 위한 배합 상세는 Table 3에 나타내었다. 모르타르 시험체는 균주의 종류와 박테리아가 고정화된 팽창질석의 첨가율 변화에 따라 총 7배합으로 구분하였다. 비교를 위해 박테리아를 혼합하지 않은 일반 모르타르 시험체도 제작하였다. 모든 배합에서 물-결합재비(water-to-binder ratio, W/B)와 잔골재-결합재비(sand-to-binder ratio, S/B)는 각각 35 % 및 2.0으로 고정하였다. 결합재로서는 시멘트(ordinary Portland cement, OPC)와 에칠렌 초산 비닐(ethyl vinyl acetate, EVA)계 재유화형 분말 수지를 각각 9:1의 질량비로 사용하였다. 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. 박테리아가 고정된 팽창질석은 모르타르 배합에 활용되는 잔골재 부피의 10 % 및 30 %로 치환되었다.

시험체명에서 기준 시험체(C)는 박테리아를 혼합하지 않은 일반 모르타르이다. 박테리아를 혼입한 시험체는 균주명과 잔골재 부피 대비 박테리아를 고정한 팽창질석의 부피 비를 의미한다. 시험체 B10 및 H10은 각각 Bacillus licheniformis 및 Halomonas venusta가 고정화된 팽창질석이 잔골재 부피대비 10 %씩 치환된 모르타르를 의미한다. 시험체 B5H5는 Bacillus licheniformis와 Halomonas venusta를 고정한 팽창질석이 잔골재 부피 대비 각각 5 %씩 치환된 모르타르이다.

모르타르 배합 방법은 KS L 5109^{(KATS 2001)}에 따라 실시하였다. 배합을 완료한 모르타르는 측정항목에 따라 몰드에 타설하였으며 이후 온도 20±2 °C, 상대 습도 60±5 % 환경에서 3일간 양생한 후 탈형하였다. 탈형한 모르타르 시험체는 모두 수중 양생을 실시하였다.

2.3 측정

모르타르의 압축강도는 KS L 5105^{(KATS 2022)}에 따라 50 mm×50 mm×50 mm 사이즈의 모르타르 시험체를 제작하여 재령 3일, 7일, 28일에서 측정하였다. 박테리아 혼입에 따른 모르타르의 미세 공극구조 평가를 위해 MIP 분석을 실시하였다. MIP 분석용 시료는 10 mm×10 mm×10 mm 형태의 시료를 사용하여 측정하였으며, 모든 시료는 절건 상태로 건조한 후 사용하였다. 탄산화 저항성을 평가하기 위해 제작한 100 mm×100 mm×400 mm 시험체는 탈형 후 20±2 °C 온도의 수중 환경에서 재령 28일까지 양생을 실시하였다. 이후 상대 습도 60±5 %의 항온･항습 환경에서 8주간 정치한 후 공시체의 타설면, 저면 및 양 단면을 에폭시 수지로 코팅하였다. 에폭시 코팅을 완료한 시험체는 KS F 2584^{(KATS 2020)}에 따라 노출 이산화탄소의 농도를 5 %로 하여 촉진 탄산화 시험을 실시하였다. 탄산화 깊이는 KS F 2596^{(KATS 2019)}에 따라 재령 1주, 4주, 8주, 13주 및 26주에 측정하였다.

탄산화 깊이 측정 결과를 바탕으로 생태 모르타르의 탄산화 속도계수($\alpha$)는 식 (2)를 이용하여 평가하였다.

여기서, $d$는 탄산화 깊이(mm), $t$는 탄산화 기간(week)이다.

모르타르의 급속 동결융해 저항성 시험은 KS F 2456(KA TS 2018)의 기중 급속 동결 후 수중 융해 시험방법(B법)에 따라 $\phi$100×200 mm의 원주형 공시체를 이용하여 300 cycle까지 실시하였다. 동결융해의 1 cycle은 4 °C부터 18 °C까지 2시간 30분의 동결, -18 °C에서 4 °C까지 1시간 30분 융해 과정으로 총 4시간으로 하였다. 모르타르의 상대 동탄성계수($P_{c}$)는 식 (3)에 의해 산정하였다.

여기서, $n_{0}$ 및 $n_{c}$는 각각 동결융해 전과 동결융해 $c$ 사이클 후의 변형 진동의 1차 공명 진동수(Hz)이다. 박테리아 생장에 비교적 열악할 수 있는 동결융해의 환경에 노출된 내염해 생태 모르타르에서 박테리아의 지속적인 생존성이 확인될 필요가 있다. 이를 위해 동결융해 100 사이클마다 채취한 모르타르 시료를 이용하여 박테리아 생존 개체수(viable cell count method)를 평가하였다.

3.1 재령별 압축강도

모르타르 시험체의 재령별 압축강도 측정 결과를 Table 4 및 Fig. 2에 나타내었다. 측정 결과 호염 박테리아를 혼합한 모든 시험체의 재령 7일 강도는 일반 모르타르에 비해 낮았지만, 재령 28일의 경우 박테리아를 고정한 팽창질석이 골재 부피 대비 10 % 치환된 모르타르 시험체는 일반 모르타르에 비해 다소 높은 결과를 보였다. 모르타르 B10, H10 및 B5H5은 재령 7일에서 31.3 MPa의 압축강도를 보인 일반 모르타르에 비해 약 7~11 % 낮았다. 반면 이들 생태 모르타르의 재령 28일 압축강도는 각각 36.6 MPa, 37.9 MPa 및 34.3 MPa로 일반 모르타르(31.9 MPa)에 비해 약 1.1~1.2배 높은 강도 발현을 보였다. 이는 고농도로 배양된 박테리아의 배지 성분 중 Sodium silicate 및 Dipotassium phosphate 등 염기성을 띠는 성분이 모르타르의 알칼리 자극제와 같은 역할을 하여 시멘트 매트리스 구조를 밀실하게 한 것으로 판단된다. 반면 박테리아 고정화 재료의 혼입률이 30 %인 시험체(B30, H30 및 B15H15)의 재령 7일 압축강도는 일반 모르타르 시험체에 비해 각각 9 %, 9 % 및 16 % 낮았다. 하지만 재령 28일에서 이들 생태 모르타르의 압축강도는 각각 31.4 MPa, 31.1 MPa 및 30.3 MPa로 일반 모르타르 시험체의 압축강도와 동등 수준을 보였다.

Fig. 2 Compressive strength development of mortar specimens

3.2 공극구조(MIP)

탄산화 재령 26주 후 박테리아가 모르타르 공극분포에 미치는 영향을 관찰하기 위하여 기준 모르타르(C)와 박테리아 고정화 재료의 치환율이 가장 큰 B30 및 H30의 시험체를 대상으로 MIP 평가를 실시하였다. 박테리아 혼입에 따른 모르타르의 공극분포 및 변화를 각각 Table 5 및 Fig. 3에 나타내었다. 각 모르타르의 연행 공기(entrained air voids) 량의 경우 박테리아 고정화 재료의 혼입률과 관계없이 모든 시험체에서 2.68~3.84 % 수준으로 나타났다. 연행 공기는 크기 10 µm 이상의 기포로써 별도의 공기연행을 하지 않은 본 배합 실험의 경우 모두 비슷한 수준으로 평가되었다. 더불어 공극 지름이 10 nm 이하의 겔 공극(gel pores)의 분포 또한 박테리아 고정화 재료의 혼입에 따른 영향이 미미하였다. 그러나 모르타르 전체 공극률을 지배하는 모세관 공극(capillary pores)의 경우 박테리아 고정화 재료에 의해 큰 영향을 받았다. 모르타르 B30 및 H30은 기준 모르타르에 비해 23 % 및 21 % 낮은 모세관 공극 분포율을 보였다. 시험체 B30의 경우 모르타르 내부에서 Bacillus licheniformis에 의한 글라이코캘릭스 형성 작용에 의해 내부 공극 채움 효과가 나타났다고 판단된다. 또한 시험체 H30의 경우 Halomonas venusta의 배양 배지의 알카리성 물질에 의한 수화 촉진 및 박테리아의 대사 물질 생성 작용이 모르타르 모세관 공극을 감소시켰다고 판단된다.

Fig. 3 Pore distribution of mortars C, B30, and H30

3.3 탄산화 저항성 평가

모르타르 시험체들의 탄산화 깊이 측정 결과를 Fig. 4 및 Table 4에 나타내었다. 생태 모르타르의 탄산화 깊이는 박테리아의 종류와 관계없이 일반 모르타르에 비해 감소하는 경향을 나타내었다. 일반 모르타르의 탄산화 깊이는 탄산화 노출 기간 8주, 13주 및 26주 차에 각각 10 mm, 11 mm 및 13 mm로 측정되었다. 반면 생태 모르타르의 경우 동일한 노출기간에서의 탄산화 깊이가 각각 6~8 mm, 6~8 mm 및 8~11 mm로 일반 모르타르 시험체보다 각각 20~40 %, 27~46 % 및 15~39 % 저감된 결과를 보였다. 이는 모르타르 배합에 투입된 Bacillus licheniformis의 글라이코캘릭스 형성을 통하여 모르타르 표면에서 이산화탄소 확산의 물리적 차단의 효과인 것으로 판단된다. 또한 Halomonas venusta의 경우 Table 2에 제시한 바와 같이 균주 배양을 위한 배지 조성이 매우 다양하다. 이렇게 다량의 물질로 조성된 박테리아 배양액을 고농도로 제조할 경우 박테리아 생장과정 도중 효소나 단백질 등 다양한 물질이 배출된다. 이에 따라 박테리아로부터 생성된 물질이 CO₂와 Ca(OH)₂의 반응 속도를 저해하고, 또한 앞선 MIP 분석에 의한 결과와 같이 시멘트 메트릭스 내의 공극을 감소시킬 수 있다. 이와 더불어 Halomonas venusta의 경우 Bacillus licheniformis와 마찬가지로 체내 보호 물질로서 EPS(exopolysaccharides)라는 소량의 슬라임 물질을 형성한다고 알려져 있다^{(Rojas et al. 2022)}. Halomonas venusta를 혼입한 시험체의 경우 위와 같은 두 가지 기작에 의해 탄산화 깊이 감소에 영향을 미친 것을 판단된다.

탄산화 시험 결과를 바탕으로 탄산화 재령별 탄산화 속도계수를 Table 4에 나타내었으며 재령 26주 실험결과로부터 산정된 탄산화 속도계수를 바탕으로 KDS 14 20 40 콘크리트구조 내구성 설계기준^{(KCI 2022)}에 따라 탄산화 침투 깊이를 평가하였다(Fig. 5). 탄산화 깊이가 가장 크게 나타났던 기준 모르타르(C)의 탄산화 속도 계수가 2.55로 가장 높았으며, 그에 따른 재령별 탄산화 깊이 또한 가장 크게 예측되었다. 박테리아가 혼입된 모르타르는 모두 기준 모르타르(C)에 비해 재령별 탄산화 깊이가 낮게 산정되었으며 탄산화 속도 계수도 약 15~38 % 낮은 결과를 보였다. 특히 글라이코캘릭스 형성 균주가 30 % 혼입된 모르타르 B30의 경우 C에 비해 38 % 낮은 탄산화 속도 계수를 보이며 생태 모르타르 중 가장 낮은 결과를 보였다.

Fig. 4 Carbonation depth of mortar specimens

Fig. 5 Expected carbonation depth of mortar specimens

3.4 동결융해 저항성 평가

동결융해 저항성 시험에서 각 시험체의 사이클별 상대 동탄성 계수 측정 결과 및 내구성 지수 평가 결과를 Table 4에 요약하였다. 시험체 H10의 경우 시험 상의 오류로 인해 신뢰할 수 있는 데이터를 얻지 못하였다. Fig. 6은 기준 시험체의 사이클별 결과 값을 기준으로 100 사이클마다 호염 박테리아 혼입 모르타르 시험체에서 측정된 상대 동탄성계수($P_{c}$) 값을 무차원화 시킨 결과 값이다. 각 모르타르 내구성 지수는 KS F 2456^{(KATS 2018)}에 따라 산정하였다. 기준 모르타르 C의 동결융해 전 동탄성계수 대비 100, 200 및 300 사이클의 동결융해 후에 측정한 동탄성계수의 비는 각각 84 %, 76 % 및 62 %이었다. 이에 따라 내구성 지수 값은 62로 평가되었다. 모르타르 H10을 제외한 모든 생태 모르타르 시험체는 기준 모르타르와 비교하였을 때 각 사이클에서 모두 높은 상대 동탄성계수를 나타내었으며 내구성 지수 또한 동일한 양상을 보였다. 300 사이클의 상대 동탄성 계수이자 내구성 지수의 결과 값을 기준으로 B10, B30, H30, B5H5 및 B15H15는 기준 모르타르에 비해 각각 1.3배, 1.1배, 1.6배, 1.5배 및 1.3배 높은 결과를 보였다. 이러한 결과가 나타난 이유로 앞선 탄산화 깊이 평가 결과와 같이 시험체 내부에서의 Bacillus licheniformis 균주가 생성하는 글라이코캘릭스 막이 모르타르 표면에서의 보호체로 작용하여 내부로 침투하는 수분을 물리적으로 줄일 수 있기 때문이다. 또한 Halomonas venusta 균주로부터 생성된 소량의 슬라임 물질에 의해 Bacillus licheniformis에서 생성된 글라이코캘릭스와 같이 미세한 수분 침투 제어의 효과를 가진 것으로 판단된다. 더불어 Halomonas venusta의 배지 조성으로부터 생성된 물질들이 시멘트 메트릭스의 내부 공극에 영향을 미침으로서 결과적으로 보수재의 동결융해 저항성을 향상시키는 효과를 가져왔다고 판단된다.

Fig. 6 Dynamic modulus of elasticity of biomimetic mortars relative to that of control mortar

3.5 박테리아 지속 생장성 평가

재령 28일 동결융해 시작 전 및 동결융해 100 사이클마다 모르타르에서 채취된 샘플에서 박테리아 생존 개체수를 Table 6에 나타내었다. Fig. 7에는 동결융해 300 사이클을 경험한 모르타르에서 재배양된 생존 박테리아들의 이미지를 나타내었다. 모르타르에 혼입된 균주의 종류 및 혼입률에 관계없이 박테리아 고정화 재료를 혼입한 모든 시험체의 재배양 이미지에서는 박테리아 균주의 군집(colony)이 형성된 모습을 확인할 수 있었다. 하지만, 박테리아 군락의 계수 결과로 평가된 생존 개체수는 박테리아 고정화 재료의 혼입률 변화와 동결융해 노출기간에 따라 차이가 나타났다. 동결융해 시험 전 재령 28일 모르타르 시험체에서 평가된 박테리아 생존 개체수는 박테리아 고정화 재료의 혼입률이 30 %인 B30, H30 및 B15H15 시험체에서 각각 4.4×105 cell/mL, 4.6×105 cell/mL 및 4.0×105 cell/mL이었다. 반면에 박테리아 고정화 재료 혼입률이 10 %인 B10 및 B5H5 시험체에서는 고정된 균주는 같지만 혼입률이 높은 B30 및 B15H15 시험체에 비해 각각 69 % 및 81 % 낮은 1.4×105 cell/mL 및 1.8×105 cell/mL 균주 생존 개체수를 보였다. 박테리아의 혼입률 변화에 따라 다소 차이가 보이긴 하였으나 각각의 시험체에서 박테리아 생존 개체수 모두 1×105 cell/mL 수준을 유지하였다.

한편, 동결융해 100 사이클 후 평가된 박테리아의 생존 개체수는 약 2.0×104 cell/mL 이상 수준이었다. 그리고 동결융해 300 사이클까지 종료된 시점에서 박테리아 생존 개체수는 여전히 1.0×104 cell/mL 이상을 유지하였다.

즉, 염해 저항성 향상을 위한 소재로써 활용된 Bacillus licheniformis 및 Halomonas venusta 균주는 가혹한 환경 조건에서도 콘크리트 열화 보호를 위한 생존 개체수가 지속해서 유지 가능한 것으로 확인되었다. 이에 따라 이들 박테리아의 지속생장으로부터 유도되는 열화인자의 침투 저해의 물리적 차단 및 시멘트 메트릭스 구조의 치밀화 효과가 모르타르의 탄산화 저항성 및 동결융해 저항성 향상에 기여한 것으로 판단된다.

Fig. 7 Typical images for re-cultured bacteria colonies at the hardened mortar specimens exposed to 300 cycles of Freeze- thaw