오서은
(Seo-Eun Oh)
1
정상엽
(Sang-Yeop Chung)
2†
김동주
( Dong Joo Kim)
3
-
연세대학교 건설환경공학과 박사과정
(Graduate Student, Department of Civil and Environmental Engineering, Yonsei University,
Seoul 03722, Rep. of Korea)
-
연세대학교 건설환경공학과 부교수
(Associate Professor, Department of Civil and Environmental Engineering, Yonsei University,
Seoul 03722, Rep. of Korea)
-
세종대학교 건설환경공학과 교수
(Professor, Department of Civil and Environmental Engineering, Sejong University, Seoul
05006, Rep. of Korea)
Copyright © Korea Concrete Institute(KCI)
키워드
생체 광물형성 작용, 박테리아, Sporosarcina pasteurii, 탄산칼슘, 자기치유 콘크리트
Key words
biomineralization, bacteria, Sporosarcina pasteurii, calcium carbonate, self-healing concrete
1. 서 론
건설 산업에서 주로 이용되는 콘크리트는 저렴한 가격과 상대적으로 높은 압축강도의 장점으로 인해 널리 사용된다. 하지만, 구조물 사용성이 증가함에 따라
콘크리트 구조물 내외부로 미세균열이 발생되며, 생성된 미세균열을 통해 구조물 내부로 유해인자가 침투되는 문제가 발생한다(Wang et al. 2016). 국내에도 노후화된 구조물이 급증하고 있고, 이에 따른 문제를 해결하기 위해 균열 보수가 활발히 진행되고 있는 추세이다. 구조물 균열 보수는 생성된
균열의 원인 및 형상에 따라 다른 방법을 적용하며, 균열 위에 도막을 형성하는 표면처리공법과 균열에 수지계, 시멘트계의 재료를 주입하는 주입공법 등이
있다. 기존에 이용되어오던 균열 보수 방법은 주로 사람이 직접 개입하여 수행되기 때문에 많은 인력과 시간이 소요되며, 보수재의 부착성이 뛰어나지 않다면
보수 효과가 제한될 수 있다는 단점이 있다. 이로 인해 국내에서는 구조물 유지관리 비용에 대한 부담이 증가하고 있으며, 구조물의 사용성이 단축됨으로
인한 사회적 비용 또한 증가하고 있다. 문제를 해결하고자 구조물 균열 보수 및 사용성을 증가시키기 위한 기술로 최근에는 콘크리트 스스로 균열을 치유하는
지기치유 콘크리트 기술이 각광받고 있다. 해당 기술은 콘크리트 스스로 균열을 치유하여 구조물의 열화 인자에 대응할 수 있어 구조물의 수명을 증대시키고
유지관리 비용을 절감할 수 있다는 장점이 있다(Hossain et al. 2022).
대표적인 자기치유 콘크리트 기술은 시멘트의 2차 수화 등을 통하여 콘크리트 자체적으로 치유를 하는 autogenic 방법과(Li and Yang 2007), 새로운 재료를 추가하여 추가된 재료를 매개체로 하여 균열을 치유하는 autonomic 방법이 있다(De Belie et al. 2018). Autonomic 기술 중 박테리아를 활용한 방법은, 박테리아의 생체 광물형성 작용(microbially induced calcite precipitation,
MICP)을 통해 생성된 탄산칼슘이 균열을 메우는 것으로서, 다른 자기치유 콘크리트 방법과 비교하여 무기계의 재료들을 합성하는 것이 아닌, 토양에
주로 존재하는 박테리아를 이용한다는 점에서 환경친화적이며, 콘크리트 균열 치유 후 박테리아는 포자로 전환되어 추후 생성된 균열에도 계속해서 이용될
수 있다는 장점이 있다(Anthierens et al. 2011).
미생물을 활용한 자기치유 콘크리트에서 가장 중요한 부분은 콘크리트 내부에서의 박테리아 생존 유무이다. 박테리아를 콘크리트 제작 시 바로 추가하게 되면,
포자화가 되지 않은 박테리아의 생존 기간이 1~2개월로 제한된다(Dembovska et al. 2019). 그 이유는 일반적으로 박테리아의 크기는 1~4 µm인 반면, 콘크리트 내부에는 1 µm 미만의 공극이 다수 존재하기 때문에 시멘트 수화반응이 진행됨에
따라 조밀해지는 내부 구조로 인하여 박테리아가 사멸하게 되기 때문이다. 또한 박테리아의 생존, 생체 광물형성 작용을 위해서는 영양분 공급이 필요하지만,
박테리아의 먹이로 주로 이용되는 다당류 성분의 경우, 콘크리트의 수화 및 응결을 지연시키는 것으로 알려져 있기 때문에, 배합 시 각별한 주의가 요구된다(Cheung et al. 2011). 이에 더하여, 균열 치유 효과 향상을 위해, 최근 국내외 연구에서는 박테리아를 보호하는 박테리아 담체에 및 박테리아 대한 연구가 다수 수행되고
있으며(Kim et al. 2009; Lee and Park 2018; Hwang et al. 2022), 박테리아를 유리, 폴리우레탄 등의 여러 재료에 담체화 하였을 경우 두께 0.5 mm의 균열이 메워졌으며, 물 침투성이 감소하는 등의 결과가 확인되고
있다(Lee et al. 2018). 그러나 박테리아가 콘크리트에 추가되었을 때, 강도 및 미세구조에 직접적으로 미치는 영향에 대한 연구는 부족한 편이며, 박테리아는 외부 환경에 민감한
것을 고려하였을 때, 외부 조건에 따른 박테리아의 반응성에 대한 연구가 필요하다. 특히, 박테리아 담체를 포함한 콘크리트에서 균열이 생성되고, 균열
내부에 잔존하던 박테리아가 탄산칼슘을 침전할 때, 박테리아와 콘크리트 사이의 영향성 및 재료 미세구조적 측면에 관한 연구는 부족한 상황이다.
본 연구에서는 박테리아를 포함한 시멘트 모르타르의 다양한 외부 환경 조건에 대한 영향성을 평가하였다. 박테리아가 모르타르에 직접 포함된 시험체와,
박테리아가 포함되지 않은 일반 모르타르 시험체를 제작하였으며, 박테리아를 포함한 모르타르의 주변 환경에 따른 영향을 평가하기 위해 서로 다른 모르타르
양생수를 활용하였다. 고려된 모르타르 양생수는 세 가지를 이용하였으며, 박테리아의 생장 및 MICP 반응을 유도하는 media solution, 박테리아의
생장을 유도할 수는 없지만, MICP 반응은 유도할 수 있는 urea-Ca(NO3)2 solution, 그리고 비교를 위한 수돗물을 대조군으로 이용하였다.
각각의 양생수에서 28일 동안 양생한 시험체의 화학적 물성과 기계적 물성, 그리고 미세구조 분석을 통해 박테리아의 혼입 및 외부 조건이 시멘트 모르타르의
재료 특성에 미치는 영향을 분석하였다.
2. 실험 및 연구
2.1 박테리아 특성 및 배양
본 연구에서 이용된 박테리아는 요소 가수분해를 통하여 탄산칼슘을 침전시키는 박테리아인 Sporosarcina pasteurii(S. pasteurii)로
호기성, 그람양성 세균이며 호알칼리성 박테리아로 pH 12 이상의 시멘트 모르타르에서도 생존할 수 있다는 장점이 있다. 박테리아로 인해, 탄산칼슘을
침전시키는 반응식은 식 (1)~(7)에 나타난 바와 같다(Castro-Alonso et al. 2019).
순수 박테리아 배양을 위한 배지는 pH 9의 용액에 Table 1의 조성과 같이 제작되었으며, 고온･고압 멸균기를 이용하여 120 °C에서 20분 멸균 후 박테리아를 접종하였다. 접종된 배양액은 30 °C의 진탕
배양기에서 130 rpm으로 배양되었다. 배양 24시간 이후부터 정지기에 도달하였으며, 48시간까지 배양하여 108 cell/ml의 농도로 배양하였다.
탄산칼슘 침전을 위한 박테리아 배양액은 Table 2의 조성에 나타낸 바와 같이 순수 배양을 위한 배지를 고온 고압 멸균기에서 멸균 후 urea를 추가하였으며, 탄산칼슘의 침전 여부를 확인하기 위해,
제작된 배양액에 박테리아 접종 후 질산칼슘을 추가하여 탄산칼슘이 침전되는 것을 확인하였다.
Table 1 Medium composition of Sporosarcina pasteurii
|
Yeast (g)
|
20
|
|
(NH4)2SO4 (g)
|
10
|
|
0.13 M Tris buffer (pH 9.0) (L)
|
1.0
|
Table 2 Medium composition for mineral precipitation
|
Yeast (g)
|
20
|
|
(NH4)2SO4 (g)
|
10
|
|
0.13 M Tris buffer (pH 9.0) (L)
|
1.0
|
|
After sterilization
|
|
Urea (g)
|
20
|
|
Ca(NO3)2 (g)
|
25
|
2.2 시험체 제작을 위한 재료 및 제작 방법
2.2.1 사용 재료
실험을 위해 제작된 모르타르 시험체는 보통 포틀랜드 시멘트과 중사(sand)를 사용하여 제작하였다. 모르타르 시험체에 박테리아를 추가하기 위하여,
배양된 박테리아를 원심분리기를 이용해 7,000 rpm, 4 °C, 20분간 원심분리하여 배양액과 박테리아를 분리하였고, 삼투압에 의해 박테리아가
손상되는 것을 방지하기 위해 pH 9의 버퍼 용액에 박테리아를 107 cell/ml로 희석한 물을 배합수로 이용하였다. 제작된 시험체를 양생할 양생수의
경우, 각 조건에 따른 박테리아의 영향성 확인을 위해 세 가지로 제작하였다. 실험에 이용된 배합수는 박테리아에 영양분을 공급하며 탄산칼슘을 침전시키는
용액(media solution)과, 박테리아의 생체 광물형성 작용만을 일으키는 용액(urea solution), 그리고 수돗물을 이용하였다. 각
양생수의 조성은 Table 3과 Table 4에 나타난 바와 같다.
Table 3 Curing solution composition (media solution)
|
Yeast (g)
|
20
|
|
(NH4)2SO4 (g)
|
10
|
|
0.13 M Tris buffer (pH 9.0) (L)
|
1.0
|
|
Urea (g)
|
20
|
|
Ca(NO3)2 (g)
|
25
|
Table 4 Curing solution composition (urea solution)
|
0.13 M Tris buffer (pH 9.0) (L)
|
1.0
|
|
Urea (g)
|
20
|
|
Ca(NO3)2 (g)
|
25
|
2.2.2 모르타르 시험체 제작 및 양생
모르타르 시험체는 Table 5의 배합을 통하여 제작되었으며, 시험체의 크기는 기계적 물성 확인을 위해 KS L 5105 표준(KATS 2022)에 준하여 50×50×50 mm3 크기로 제작하였다. 또한 MICP 반응의 영향을 살펴보기 위해, 동일한 배합으로 미세구조 분석용 시편을 20×20×20 mm3의 크기로 제작하여 분석에 활용하였다. 미세구조용 시험체는 상단에 폭 0.3 mm 필름을 추가하여 임의로 균열을 유도하였다.
박테리아를 포함한 시험체는 기본적으로 수분 공급이 필요하다. 따라서 시험체에 포함된 박테리아가 서로 다른 외부 환경에서의 미세구조 및 공극에 미치는
영향을 파악하기 위하여 양생수를 서로 다르게 하여 실험을 수행하였다. 실험 케이스는 박테리아 유무 및 서로 다른 세 가지 양생수를 고려하여 총 6가지
케이스에 대하여 실험을 수행하였으며, 실험 케이스에 대한 정보는 Table 6과 같다. Table 6에 제시된 시험체 약어 중, 앞에 표기된 ‘N’은 박테리아를 포함되지 않은 시멘트 모르타르를 나타내며, ‘B’는 박테리아를 포함하는 시멘트 모르타르를
나타낸다. 뒤에 표기된 ‘W’, ‘U’, ‘M’은 각각 Water, Urea, Media의 양생수를 의미한다. 예를 들어, BM 시편은 박테리아를
포함하고 Media에서 양생된 시편을 나타낸다.
Table 5 Mortar mix design
|
W/C
(%)
|
Mix proportions of the mortar specimen (kg/m3)
|
|
Water
|
Cement
|
Sand
|
|
40
|
245
|
612
|
1,225
|
Table 6 Specimen cases
|
Specimen
|
Mortar condition
|
Curing condition
|
|
Bacteria
|
Water
|
Media solution
|
Urea solution
|
|
NW
|
×
|
○
|
|
|
|
NU
|
|
|
○
|
|
NM
|
|
○
|
|
|
BW
|
○
|
○
|
|
|
|
BU
|
|
|
○
|
|
BM
|
|
○
|
|
2.3 평가방법
2.3.1 화합물 분석 및 미세구조 분석
박테리아 포함 유무에 따른 모르타르 시험체의 생성된 화합물을 비교하기 위하여 X-ray diffraction(XRD) 분석을 수행하였다. 파우더 시료를
Bruker DE/D8 Adbace 모델을 이용하여 5~90o의 구간을 40 kV, 40 mA의 조건으로 촬영하였다. 촬영 결과 얻어진 데이터를 통하여
정성분석을 수행하였다.
XRD 분석과 더불어 모르타르 내부 매트릭스에서의 박테리아의 생체 광물형성 작용으로 생성된 탄산칼슘 및 공극 변화 등을 확인하기 위하여 scanning
elctron microsope-energy dispersive spectorscopy(SEM-EDS)를 이용하여 시험체 내부를 확인하였다. 또한
micro-computer tomography(micro-CT)를 이용하여 비파괴방법으로 촬영된 시험체 이미지를 활용하여 MATLAB을 통한 이미지프로세싱(Fig. 1)으로 시험체 내부의 변화를 정성분석 하였다.
Fig. 1 CT image processing
2.3.2 압축강도
제작된 시험체의 역학적 물성평가를 위해, KS L 5015(KA TS 2022)에 준하여 제작된 50×50×50 mm3 크기의 시험체를 만능재료시험기를 이용하여 1 mm/min의 속도로 하중을 재하하여 각 시편의 압축강도를 평가하였다.
3. 실험 결과
3.1 박테리아 침전물 특성 확인
본 연구에서 이용된 Sporosarcina pasteurii로부터 침전된 탄산칼슘의 상 및 양을 확인하기 위하여 Table 2의 조성을 통해 제작된 배지에 박테리아를 접종하였다. 접종된 배지에 질산칼슘을 공급하였고, 질산칼슘 공급과 동시에 흰색 광물이 침전되는 것을 확인하였다.
침전물의 정확한 특성 확인을 위해 유리진공필터를 이용하여 침전물을 거른 후, XRD와 SEM을 활용하여 분석하였다. Table 2의 배지에 배양된 박테리아로부터 생성된 침전물의 SEM 결과는 Fig. 2와 같다. Fig. 2에 나타난 바와 같이 구형의 형상과 층을 이루고 있는 육방체 형상을 확인하였으며, XRD로 화합물을 분석한 결과 대부분의 peak가 탄산칼슘의 동질이상인
calcite와 vaterite의 상인 것으로 확인되었다(Fig. 3). Zhou et al. (2010)에 따르면 탄산칼슘의 동질이상 중 calcite는 세 가지 상 중 가장 안정적인 상이라 알려져 있으나, 생체 광물형성 작용으로 침전되는 탄산칼슘은
생물학적인 요인 및 광물이 침전되는 환경(pH, 온도 등)에 의하여 vaterite 혹은 calcite의 상이 생성될 수 있는 것으로 알려져있다(Bots et al. 2012). 이를 통해, 본 연구에서 사용된 박테리아로부터 생체 광물형성 반응이 효과적으로 유도되는 것을 확인하였다.
Fig. 2 Example of precipitated minerals from Sporosarcina pasteurii
Fig. 3 XRD data of precipitated minerals from Sporosarcina pasteurii
3.2 모르타르 내 생체 광물형성 작용 확인
3.2.1 XRD 결과를 통한 화학조성 확인
배합 시, 박테리아 유무의 영향을 살펴보기 위한 BW와 NW의 XRD 결과는 Fig. 4와 같으며, 그림에서 나타난 바와 같이 박테리아를 포함한 시험체가 포함하지 않은 시험체보다 수화생성물인 portlandite(PTL)의 peak가
상대적으로 낮게 나타나는 것을 확인하였다. 이를 통해, 박테리아가 모르타르 제작 시 즉시 혼입되게 되면 수화 반응에 영향을 미치는 것으로 판단할 수
있다. 또한 탄산칼슘의 peak가 NW보다 BW에서 두드러지게 보여지는 것을 확인함으로써, 배합 시 혼입된 박테리아가 탄산칼슘의 침전에 미치는 영향을
확인하였다. 박테리아를 포함한 시험체에 대하여 양생수 별 차이를 확인한 결과, Fig. 5에 나타난 바와 같이, Media 조건에서 양생된 BM에서는 BW와 BU과 비교하여 탄산칼슘의 상 중 vaterite(V)의 peak가 확인되었으며,
BU에서는 calcite(C)가, BW에서는 시멘트 수화물인 portlandite(PTL) peak가 더 많이 확인되었다. 이를 통해, 양생수 조건에
따라 모르타르 내부에서도 서로 다른 탄산칼슘 상이 생성되는 것을 확인하였다.
Fig. 4 XRD results of the mortar specimen in different bacterial conditions (BW, NW)
Fig. 5 XRD results of the bacterial specimens depending on different curing conditions
3.2.2 이미지 기반 미세구조 분석
XRD 분석 결과를 통해 확인된 탄산칼슘 상 및 임의로 유도된 균열 부 매워짐 등을 확인하기 위하여 micro-CT를 활용하였다. Micro-CT
이미지의 픽셀 크기는 16 µm로 촬영되었으며, MATLAB의 이미지 툴박스를 활용해 Fig. 1과 같이 이미지를 처리하였다. 시험체 전체의 CT 이미지에서 균열부의 생체 광물형성 작용을 확인하기 위하여 균열 부분에 가깝도록 관심영역(region
of interest, ROI)를 설정한 후 적절한 임계값을 이용하여 균열/공극과 고체상에 대해 이진화를 수행하였다. 공극 등의 특성 변화 확인을
위해 균열부를 포함하지 않는 시편 영역의 데이터를 이용해 공극 특성을 분석하였다(Fig. 6).
Fig. 6 Micro-CT image for the analysis of cracks and pores
BW의 전체 시험체에 대한 micro-CT 데이터 확인 결과 균열 면이 메워진 것을 CT 이미지에서 확인하지 못하였으며, 균열면의 이진화 3차원 적층
영상에서도 육안으로 임의로 유도된 균열에서 큰 변화가 없는 것을 확인할 수 있었다. BU의 경우 균열 단면 이미지에서 균열 내부에 고체상으로 채워진
모습을 확인할 수 있었으며, 균열의 이진화 적층 영상에서는 물에서 양생한 시험체와 다르게 균열의 바닥 부분에서 고체상이 생성되어 매끄럽지 않고 불균일한
모습을 확인하였다. 이를 통해 생체 광물형성에 의해 균열부가 메워지는 것을 확인할 수 있었다. BM 시험체의 경우 균열 단면 이미지에서 요소 용액에서
양생한 것과 마찬가지로 균열 부분에 고체상이 확인되었으며, 균열의 이진화 적층 영상에서는 균열 단면은 매끄러웠으나, 균열의 중간 부분이 일부 고체상으로
채워진 것을 확인하였다. 이 결과를 통해, Media에서 양생된 시편의 경우도 BU와 마찬가지로 생체 광물형성 작용에 의한 탄산칼슘이 형성되는 것을
확인하였다(Table 7).
Micro-CT 이미지를 통하여 확인된 균열부에 생성된 고체상의 화합물을 확인하고자 SEM-EDX를 활용하였다. BU의 균열부를 확인한 결과 Fig. 7에 나타난 바와 같이 균열의 측면부 등에서도 고체상이 메워져 있는 것을 확인하였고, 해당 부분을 EDS로 원소를 분석한 결과 Ca, C, O로 구성되어있는
것으로 나타났다(Table 8). 이를 통해 생성된 고체가 탄산칼슘임을 확인할 수 있으며, 또한 균열 표면에서는 vaterite와 calcite의 상이 다수 확인되어 박테리아의
생체 광물형성 작용이 효과적으로 발생했다는 것을 확인하였다.
임의로 유도한 균열뿐만 아니라 모르타르 내부 공극에서도 박테리아의 생체 광물형성 작용이 발생했는지 확인하기 위해, 균열부 외의 모르타르 ROI에서
공극을 정량적으로 분석하였다. 촬영된 CT 이미지에서 공극을 1, 고체상을 0으로 이진화를 수행하여 확인한다면 일반적인 모르타르의 공극은 Fig. 8(a)와 같이 구형을 띄는 것이 일반적이라 알려져 있다. 하지만 박테리아를 포함한 시험체의 경우 Fig. 8(b)와 (c)같이 구형의 공극이 아닌 공극 내부가 채워진 것과 같은 형상을 다수 확인하였다.
이를 정량적으로 나타내기 위하여 Waddell이 제안한 구형성 지표(sphericity)를 활용하였다. 구형성 지표는 물체가 얼마나 구형에 가까운지를
나타내는 지표로서, 식 (8)과 같이 입자의 구형도는 입자의 부피와 표면적의 비율로 정의된다. 식 (8)에서 $S_{p}$는 구형도이며, $V$는 입자의 부피, S는 입자의 표면적을 나타낸다(Chung et al. 2017). 퇴적물 입자에 대한 Zingg (1935)의 형태 분류에 따르면 $S_{p}$가 0.8 이상의 기공은 구형이고, 0.5~0.8은 판상 또는 막대 그리고 0.5 이하는 긴 타원의 형태 세 가지로
분류될 수 있다(Zingg 1935). 공극의 구형성을 나타낸 데이터는 Fig. 9에 나타난 바와 같으며 NW보다 BM, BU, BW에서 구형성이 0.5 이하인 공극이 다수 존재하는 것을 정량적으로 확인할 수 있다. 이는, 구형
공극 내부가 채워짐으로 인한 결과로 유추될 수 있으며, 이 결과를 통해 박테리아의 생체 광물형성 작용이 폭 0.3 mm의 균열부뿐만 아니라 500
µm 이하의 공극에서도 반응이 발생하는 것을 정량적 지표를 통해 확인하였다.
Table 7 3D crack and crack section images
|
Specimen
|
3D crack
|
Crack section
|
|
BW
|
|
|
|
BU
|
|
|
|
BM
|
|
|
Fig. 7 SEM image of BU (crack section image)
Fig. 8 Pore images of the mortar specimens
Fig. 9 Sphericity of considered specimens
Table 8 SEM-EDS data of BU
|
|
|
Element
|
Line
|
Mass %
|
Atomic %
|
|
C
|
K
|
6.27
|
11.75
|
|
O
|
K
|
42.19
|
59.33
|
|
Ca
|
K
|
51.53
|
28.92
|
|
Total
|
|
100
|
100.00
|
3.3 역학적 특성 확인
시멘트 수화 과정에서 생성되는 portlandite는 수산화이온과 칼슘이온의 결합으로 생성되며, 시멘트 수화 반응에서는 칼슘이온이 적극적으로 참여한다.
또한 박테리아의 생체광물 형성 작용으로 발생하는 탄산칼슘 또한, 칼슘 이온의 반응으로 생성이 되는데, 칼슘 이온이 박테리아의 음전하를 띈 세포 벽에
붙게 되고, 생체광물 형성 반응에서 발생한 탄산이온과의 결합으로 탄산칼슘이 생성된다. 이 두 반응 모두 칼슘이온을 이용하며, 수화반응 혹은 탄산칼슘
생성 반응에서 칼슘이온의 참여 정도에 따라 생성물의 발생 정도가 변화될 수 있다.
박테리아 유무 및 서로 다른 세 가지 양생수에서 28일간 양생을 완료한 시험체의 압축강도 시험 결과는 Fig. 10과 같다. 그림에서 살펴볼 수 있듯이, 박테리아를 포함한 시험체가 박테리아를 포함하지 않은 시험체보다 대체로 강도가 낮은 것을 확인하였다. 이는 XRD
결과에서 확인된 바와 같이, 박테리아를 시멘트 모르타르 제작 시 직접 혼입하게 되면 시멘트 수화반응에 영향을 미치기 때문으로 판단될 수 있다. 박테리아를
포함한 시험체에서 일반 시험체에 비해 탄산칼슘의 intensity가 높은 것을 확인하였고, 탄산이온과의 이온 결합이 수산화이온과의 이온결합력이 높기
때문에 박테리아가 모르타르에 포함되었을 때 수화반응에 영향을 미친 것으로 판단되었다.
양생수 별 박테리아를 포함한 시험체의 압축강도 결과, Urea 용액에서 양생한 시험체가 가장 강도가 높은 것을 확인하였다. XRD, SEM 그리고
micro-CT의 결과를 토대로 분석한 결과 Media 용액에서 생성된 탄산칼슘은 세 가지 상 중 구형의 결정 구조, 화학적으로 덜 안정적인 vaterite상이
다른 탄산칼슘 상에 비하여 다수 생성된 것으로 확인되었으며 Urea 용액에서 양생된 시험체의 경우 vaterite보다 구조적, 화학적으로 안정적인
육방체의 calcite가 다른 상에 비하여 다수 생성된 것으로 확인되었다(Christy 2017). 이를 통해, 보다 안정적이고 밀도가 높은 탄산칼슘 상의 생성이 압축강도 증진에 영향을 미친 것으로 판단할 수 있다. 서로 다른 양생수에서 서로
다른 상의 탄산칼슘의 비율이 다르게 생성된 이유는 박테리아의 생체 광물형성에서 생성되는 탄산칼슘은 pH, 온도 등에 따라 다르게 발생되고, 박테리아의
먹이로 인해 조건이 변하여 서로 다른 상의 탄산칼슘이 발생한 것으로 추정되어, 발생된 탄산칼슘이 강도에 영향을 미쳤다고 판단할 수 있다.
Fig. 10 Compressive strength results
4. 결 론
본 연구에서는 자기치유 콘크리트 기술 중 하나인 박테리아를 활용한 방법에서, 박테리아를 직접 모르타르에 추가한 후 서로 다른 배합수 및 양생수의 조건에서
양생시켜 박테리아의 생체 광물형성 작용이 모르타르에 미치는 영향을 확인하였다. 박테리아의 생체 광물형성 작용으로 모르타르의 미세구조 변화 및 공극
메워짐 등을 확인하였으며, 서로 다른 환경에서 양생된 시험체의 분석 결과는 다음과 같이 정리될 수 있다.
1) 박테리아의 생체 광물형성 작용이 시멘트 수화반응에 영향을 미칠 수 있다.
2) 박테리아 생체 광물형성 작용이 모르타르 내의 미세 공극에서도 발생하며, 생성된 탄산칼슘으로 인하여 공극 메워짐이 유도될 수 있다.
3) 생체 광물형성 작용으로 생성된 탄산칼슘은 외부 조건에 따라 서로 다른 상의 탄산칼슘이 생성되며 이는 시편의 강도에 영향을 미칠 수 있다.
4) 박테리아를 포함한 시험체는 박테리아의 먹이가 제공되는 환경보다는 탄산칼슘을 침전시키는 요소 용액에서 미세구조 변화 및 공극 메워짐에 더욱 효과적인
것으로 확인하였다.
본 연구에서는 박테리아의 생체 광물형성 작용이 모르타르 미세 공극에 미치는 영향성을 확인하기 위하여 박테리아를 직접 모르타르에 추가하였다. 하지만
박테리아를 모르타르에 직접 혼입 시, 생존율이 감소할 수 있기 때문에 박테리아를 보호하는 담체를 제작하여 모르타르에 추가 후 그 영향성을 확인하는
연구가 추가로 수행될 필요가 있다. 또한 박테리아의 복합 배양을 통하여 생체 광물형성 작용을 증진시킬 수 있는 연구가 추가로 수행된다면 해당 연구의
효과적인 기초 연구 자료로 이용될 수 있을 것으로 기대된다.
감사의 글
본 연구는 국토교통부/국토교통과학기술진흥원의 지원으로 수행되었음(과제번호: 23NANO-B156177-04).
References
Anthierens, T., Ragaert, P., Verbrugghe, S., Ouchchen, A., De Geest, B. G., Noseda,
B., Mertens, J., Beladijal, L., Cuyper, D. D., Diericks, W., Prez, F. D., and Devlieghere,
F. (2011) Use of Endospore-forming Bacteria as an Active Oxygen Scavenger in Plastic
Packaging Materials. Innovative Food Science and Emerging Technologies 12(4), 594-599.
Bots, P., Benning, L. G., Rodriguez-Blanco, J. D., Roncal-Herrero, T., and Shaw, S.
(2012) Mechanistic Insights into the Crystallization of Amorphous Calcium Carbonate
(ACC). Crystal Growth and Design 12(7), 3806-3814.
Castro-Alonso, M. J., Montañez-Hernandez, L. E., Sanchez- Muñoz, M. A., Macias Franco,
M. R., Narayanasamy, R., and Balagurusamy, N. (2019) Microbially Induced Calcium Carbonate
Precipitation (MICP) and Its Potential in Bioconcrete: Microbiological and Molecular
Concepts. Frontiers in Materials 6, 126.
Cheung, J., Jeknavorian, A., Roberts, L., and Silva, D. (2011). Impact of Admixtures
on the Hydration Kinetics of Portland Cement. Cement And Concrete Research 41(12),
1289-1309.
Christy, A. G. (2017) A Review of the Structures of Vaterite: the Impossible, the
Possible, and the Likely. Crystal Growth and Design 17(6), 3567-3578.
Chung, S. Y., Lehmann, C., Abd Elrahman, M., and Stephan, D. (2017) Pore Characteristics
and Their Effects on the Material Properties of Foamed Concrete Evaluated Using Micro-CT
Images and Numerical Approaches. Applied Sciences 7(6), 550.
De Belie, N., Gruyaert, E., Al-Tabbaa, A., Antonaci, P., Baera, C., Bajare, D., Darquennes,
A., Davies, R., Ferrara, L., Jefferson, T., Litina, C., Milijecic, B., Otlewska, A.,
Ranogajec, J., Roig-Flores, M., Paine, K., Lukowski, P., Serna, P., Tuliani, J. M.,
Vucetic, S., Wang, J., and Jonkers, H. M. (2018) A Review of Self-healing Concrete
for Damage Management of Structures. Advanced Materials Interfaces 5(17), 180007.
Dembovska, L., Bajare, D., Korjakins, A., Toma, D., and Jakubovica, E. (2019) Preliminary
Research for Long Lasting Self-healing Effect of Bacteria-based Concrete with Lightweight
Aggregates. In IOP Conference Series: Materials Science and Engineering 660(1), IOP
Publishing. 012034.
Hossain, M. R., Sultana, R., Patwary, M. M., Khunga, N., Sharma, P., and Shaker, S.
J. (2022) Self-healing Concrete for Sustainable Buildings. A Review. Environmental
Chemistry Letters. 1-9.
Hwang, J. W., Yang, K. H., Yoon, H. S., and Lee, S. S. (2022) Feasibility Tests of
Bacteria-Based Self-Healing Pellets to Repair Mortar Cracks. Journal of the Korea
Concrete Institute 34(5), 487-496. (In Korean)
KATS (2022) Testing Method for Compressive Strength of Hydraulic Cement Mortars (KS
L 5105). Seoul, Korea: Korea Agency for Technology and Standards (KATS), Korea Standard
Association (KSA). 1-6. (In Korean)
Kim, W. J., Kim, S. T., Park, S. J., Ghim, S. Y., and Chun, W. Y. (2009) A Study on
the Development of Self-healing Smart Concrete Using Microbial Biomineralization.
Journal of the Korea Concrete Institute 21(4), 501-511. (In Korean)
Lee, Y. S., and Park, W. (2018) Current Challenges and Future Directions for Bacterial
Self-healing Concrete. Applied Microbiology and Biotechnology 102, 3059-3070.
Li, V. C., and Yang, E. H. (2007) Self Healing in Concrete Materials. In Self Healing
Materials: an Alternative Approach to 20 Centuries of Materials Science. Dordrecht:
Springer Netherlands. 161-193.
Wang, H. L., Dai, J. G., Sun, X. Y., and Zhang, X. L. (2016) Characteristics of Concrete
Cracks and Their Influence on Chloride Penetration. Construction and Building Materials
107, 216-225.
Zhou, G. T., Yao, Q. Z., Fu, S. Q., and Guan, Y. B. (2010) Controlled Crystallization
of Unstable Vaterite with Distinct Morphologies and Their Polymorphic Transition to
Stable Calcite. European Journal of Mineralogy 22(2), 259-269.
Zingg, T. (1935) Beitrag zur Schotteranalyse. Doctoral Thesis, ETH Zurich.