호알칼리성 포자형성 미생물의 탄산칼슘형성 작용을 이용한 콘크리트 미세균열에 자가치유 능력 부여 연구

Abstract

콘크리트는 내구성이 우수하고 시공성, 경제성이 뛰어나 건설재료로 널리 사용되고 있지만, 각종 요인에 의하여 쉽게 균열이 발생한다는 문제점을 가진다. 미세한 균열의 발생은 결과적으로 구조물의 성능 저하를 유발하기 때문에 미세균열의 조기 치유는 균열의 성장으로 인한 구조물의 내구성 악화를 방지할 수 있다. 하지만 0.1 mm이하의 폭을 가지는 미세균열은 육안을 통한 검출과 보수가 어렵고, 기존에 쓰이고 있는 화학적인 보수 방법들이 친환경적이지 못할 뿐 아니라 균열 발생 시 마다 적절한 조치를 취해야 하는 어려움이 있어서, 최근에는 미생물을 이용하여 콘크리트에 균열 자가치유(Self-healing) 능력을 부여하는 연구가 진행되고 있다. 콘크리트 균열의 자가치유는 특정 미생물에 의하여 콘크리트 내 탄산칼슘 결정의 형성이 유도되고, 형성된 탄산칼슘이 콘크리트 균열 부위를 채우면서 일어난다. 이 때, 탄산칼슘 결정은 충분한 칼슘과 무기탄소가 있는 환경에서 형성되고, 미생물은 결정 형성에 유리한 환경을 조성하며, 결정 생성 초기에 핵형성위치(Nucleation site)를 제공하고, 결정 성장과정에서 상호작용하여 결정의 형상과 구조를 결정한다. 본 연구에서는 콘크리트와 같은 높은 pH에서 생존이 가능하고 물리적 압력과 수화열 등에 내구성을 가지는 포자(spore)를 형성하는 미생물을 분리하고, 이 미생물들의 생체광물 형성 능력을 확인하였다. 또한 미생물과 다양한 칼슘유기산의 첨가에 따른 탄산칼슘 결정의 형상과 구조의 변화를 살펴보고, 이러한 물질들의 첨가가 콘크리트의 강도 발현에 미치는 영향을 살펴보았다. 이와 같은 기초연구들에 기반 하여, 콘크리트에 인공 미세균열을 유발한 후 미생물의 생체광물 형성에 의한 콘크리트 미세균열 자가치유를 유도하고, 현미경 관찰을 통해 균열의 치유과정을 살펴보았다. 콘크리트 균열 자가치유에 적합한 미생물을 분리하기 위하여 약알칼리(pH 8~9)의 시화호 갯벌 토양에 서식하는 토양미생물 중 pH 10 (Nutrient Broth+ 10% Na-sesquicarbonate solution)에서 활동성을 가지며 10분간의 80℃ 열충격에 견디는 미생물 97종을 분리하고, 현미경 관찰을 통해 포자를 충분히 형성하는 22종을 선별하였다. 이들의 성장 정도를 비교하여 6종의 미생물을 최종 선택하고 16S ribosomal DNA 염기서열 분석을 실시하였다. 선별된 6종 미생물은 모두 Bacillus pseudofirmus와 100%의 상등성을 가졌고, DDBJ에 Bacillus sp. BY1(Accession number: AB830103)으로 등록하였다. Bacillus sp. BY1에 대해 pH 10부터 pH 13의 범위에서 pH 내구성을 확인한 결과, pH 10에 비해 pH 11에서는 느린 성장을 보였고, pH 12 이상에서는 성장은 일어나지 않았지만 일정 개체 수는 유지하였다. Bacillus sp. BY1을 젖산칼슘(Calcium lactate)과 시트르산나트륨(Sodium citrate), 중탄산나트륨(Sodium bicarbonate)이 포함된 영양배지(Nutrient Broth)에 접종하고, 30℃ 200 rpm에서 48시간 경과 후 현미경 관찰을 통해 탄산칼슘 결정의 형성을 확인하였다. 미생물의 존재 유무는 탄산칼슘 결정의 형상에 큰 차이를 야기하였다. 미생물을 주입하지 않은 경우 결정은 능면체, 구정상의 비교적 규칙적인 결정상으로 나타난 반면, 미생물을 주입한 경우 비교적 크기가 크고 울퉁불퉁하고 불규칙적인 구형의 결정이 형성되었다. 미생물은 결정생성 초기에 세표 표면을 핵형성 위치로 제공하였고, 미생물과 탄산칼슘의 계속적인 상호작용을 통해 결정이 성장하였다. 충분히 성장한 결정은 서로 교차(Bridge)를 형성하고, 쌍결정(Twin-crystal) 혹은 다결정(Poly-crystal)을 이루어 존재하였다. 결정의 형상은 첨가해준 칼슘유기산의 종류에 따라서도 다르게 나타났다. 아세트산칼슘(Calcium acetate)을 첨가했을 때 결정은 구정상(spherical)의 결정들이 모여 있는 형상인 반면 포름산칼슘(Calcium formate)과 젖산칼슘(Calcium lactate)을 첨가했을 때의 결정은 능면체(Rhombohedral) 결정들이 결합한 모습으로 관찰되었다. 미생물과 칼슘유기산의 첨가는 탄산칼슘 결정의 광물 구조에도 영향을 미쳤다. 미생물이 존재하지 않을 때는 주로 방해석(Calcite)의 결정 형성된 반면, 미생물이 존재 할 때에는 방해석(Calcite)과 아라고나이트(Aragonite) 함께 형성이 되었고, 아라고나이트(Aragonite)의 형성 비율은 아세트산칼슘(Calcium acetate) 첨가 시 가장 높게 나타났다. 미생물과 칼슘물질들의 첨가가 콘크리트 모르타르의 압축강도에 미치는 영향을 확인한 결과, 콘크리트 모르타르 시편의 압축강도는 미생물의 농도가 증가함에 따라 94.2%에서 90.5%로 감소하는 경향을 보였지만, 칼슘물질을 첨가하였을 시에는 포름산칼슘(Calcium formate) 첨가 시 109.5%, 아세트산칼슘(Calcium acetate) 첨가 시 109.9%, 젖산칼슘(Calcium lactate) 첨가 시 116.4%로 칼슘유기산의 종류와 무관하게 강도가 모두 증가하였다. 미생물과 칼슘유기산을 모두 첨가하였을 때에는 칼슘유기산이 수화촉진제로서의 작용하여 미생물의 의한 강도 감소효과를 상쇄시켰고, 따라서 포름산칼슘(Calcium formate) 첨가 시 111.9%, 아세트산칼슘(Calcium acetate) 첨가 시 115.0%, 젖산칼슘(Calcium lactate) 첨가 시 111.5%로 강도가 증가하였다. 콘크리트의 미세균열이 치유되는 과정을 5주간의 현미경촬영을 통해서 살펴본 결과, 미생물 존재 시에 균열이 더 빠르게 치유되는 것이 보였으며, 균열의 내부부터 채워지는 모습을 확인할 수 있었다. 첨가한 칼슘원의 종류에 따라서도 균열 치유 부위는 다른 모습으로 나타났다. 칼슘원으로 포름산칼슘(Calcium formate)과 아세트산칼슘(Calcium acetate)을 첨가하였을 때에 균열 부위를 메꾼 물질은 주위 시멘트와 비슷한 모습이었지만, 젖산칼슘(Calcium lactate)을 첨가하였을 때 균열을 메꾼 물질은 주변의 시멘트 매트릭스와 다른 모습으로 약간의 광택을 띄었다. 본 연구를 통해 미생물의 생체광물 형성 능력을 콘크리트 미세균열 자가치유에 적용하기 위한 연구를 수행하였다. 알칼리성 토양으로 분리한 호알칼리성 포자형성 미생물은 콘크리트 내에서의 생존에 유리할 것이며 탄산칼슘 결정의 성장에도 기여할 것이다. 또한 칼슘 첨가 물질에 따라 다양하게 나타나는 결정의 형상은 균열의 충진 효율을 높이는 데 활용될 수 있을 것이다. 미생물의 첨가에 의한 압축강도 감소와 칼슘유기산 첨가제에 의한 압축강도 증가는 전체적으로 콘크리트 모르타르의 압축강도에 큰 영향을 미치지 않는 것으로 판단된다. 본 연구의 최종 결과물은 기존에 사용되고 있는 균열보수제가 환경에 치명적이고 효과가 지속적이지 않아서 야기되었던 문제들을 해결하고, 건설재료 분야뿐만 아니라 미생물의 탄산칼슘형성 능력을 적용할 수 있는 다양한 연구 분야에서 자료로서 사용될 것으로 기대한다.