[논문]박테리아 펠렛을 자기치유 소재로 사용한 모르타르의 강도 및 치유성능

장인동; 손다솜; 류영웅; 박우준; 이종구

doi:10.14190/jrcr.2020.8.1.112

박테리아 펠렛을 자기치유 소재로 사용한 모르타르의 강도 및 치유성능
Strength and Healing Performance of the Mortar using Bacterial Pellet as a Self-Healing Material 원문보기

Journal of the Korean Recycled Construction Resources Institute = 한국건설순환자원학회 논문집, v.8 no.1, 2020년, pp.112 - 119

장인동 (고려대학교 건축사회환경공학부) , 손다솜 (고려대학교 건축사회환경공학부) , 류영웅 (고려대학교 환경생태공학부) , 박우준 (고려대학교 환경생태공학부) , 이종구 (고려대학교 건축사회환경공학부)

초록
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본 연구에서는 메틸 셀룰로오스를 기반으로 제작한 박테리아 펠렛을 모르타르에 혼입하였으며, 펠렛 혼입에 따른 모르타르 내부 생존률과 강도, 정수위 투수실험에 의한 균열 치유율을 조사하였다. 펠렛은 복합 배양한 박테리아 포자 분말과 메틸셀룰로오스, PVA 영양소 2종과 물로 이루어져 있으며, 유압 프레스를 통해 압출되어 지름 2mm~길이 3~4mm의 형상을 갖는다. 셀룰로오스 펠렛은 중성 pH에서 팽창하여 박테리아와 영양소를 방출하고, 염기성 환경에서 반응하지 않는 성질을 띄어 시멘트 모르타르 내부 박테리아의 장기 생존률이 증대하는 효과가 있다. 또한 펠렛 혼입 모르타르는 정수위 투수실험을 통한 균열 자기치유 성능이 대조군 모르타르에 비해 현저히 상승하였다. 셀룰로오스 기반 펠렛은 새로운 종류의 박테리아 담체 시스템으로 추후 펠렛 개량 및 최적화로 자기치유 콘크리트 개발에 도움을 줄 것이다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, cellulose-based bacterial pellets was used for the self-healing concrete manufacturing. The pellet is composed of complex cultured bacterial spore powder, methyl cellulose, two kinds of PVA nutrients and water, and is extruded through a hydraulic press to have a shape of 2mm in diameter to 3 to 4mm in length. Cellulose pellets expand at neutral pH, release bacteria and nutrients, and do not react in a basic environment, increasing the long-term survival rate of bacteria in cement mortar. In addition, pellet self-healing performance of pellet mortar was significantly higher than that of control mortar. Cellulose-based pellets are a new type of bacterial carrier system that will help develop self-healing concrete in the future by improving and optimizing pellets.

주제어

표/그림 (11)

그림 Fig. 1. Co-cultured bacteria spore powder
그림 Fig. 2. Configure of hydraulic press
그림 Fig. 3. Pellet manufactured
표 Table 1. Mortar mix proportion(mass ratio)
그림 Fig. 4. Pellet manufactured
그림 Fig. 5. Example of crack configuration
그림 Fig. 6. Change of pellet in the different solution
그림 Fig. 7. Bacteria survival through the curing age
그림 Fig. 8. Strength changes over curing day
그림 Fig. 9. Crack healing rate by the water permeability test
그림 Fig. 10. Crack healing observation by microscope of P5 (Average crack width of 0.291mm)

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 메틸 셀룰로오스를 기반으로 한 펠렛 형태의 새로운 박테리아 담체를 제안한다. 메틸 셀룰로오스는 경구용 알약 제조 및 식품 첨가제로 활용되는 셀룰로오스 알킬 유도체(Derivatives)로, 이를 기반으로 한 펠렛은 기존 담체와 비교되는 두 가지 장점이 있다.
2) 제조 공정의 간편함: 셀룰로오스 펠렛은 ‘재료 배합’→‘반죽 교반’→‘압출’→‘건조’의 비교적 간단한 공정으로 생산되며, 펠렛의 개량은 배합 성분 및 배합비 변경으로 가능하다. 이러한 셀룰로오스 펠렛의 장점은 박테리아를 활용한 자기치유 콘크리트 개발에 큰 도움을 줄 것으로 사료되며, 본 연구에서는 박테리아가 혼입된 셀룰로오스 펠렛을 시멘트 모르타르에 투입하여 박테리아 생존률 및 균열 자기치유 성능을 탐구하였다.

제안 방법

40mm×40mm×160mm의 펠렛을 혼입한 모르타르의 압축강도와 휨강도를 KS ISO 679를 준용하여 수중양생 재령 7일, 28일에 측정하였다.
는 균열 시편 제작 직후 측정한 초기 유출 수량이다. P0 배합의 경우 치유 재령 7일, 28일에 유출수량을 측정하였으며, P3과 P5배합은 치유 재령 7일, 14일, 21일, 28일, 91일에 유출수량을 측정하였다.
P3과 P5와의 비교를 위해 생균 상태의 박테리아를 활용하여 모르타르를 제조하였다. 생균(Live) 상태의 박테리아는 YS11과 AK13의 복합 배양액으로.
pH에 따른 펠렛 변화를 관찰하기 위해, 물과 1M NaOH(pH 14) 용액에 Fig. 3과 같이 펠렛을 투입하였다. 투입 직후, 3시간 뒤, 24시간 뒤 펠렛의 변화를 실체현미경(Olympus SZ61)으로 관찰하였다.
먼저 높이 50mm, 지름 100mm인 모르타르를 7일 수중양생 한 후, 시편을 할렬 인장강도 시험 기구를 활용하여 지름 방향으로 쪼개었다. 그 후 두께가 0.3mm인 실리콘 시트를 쪼개진 모르타르 시편의 양쪽 끝에 15mm 삽입하고, 쪼개진 시편 전체를 호스밴드로 고정하였다. 표면에 노출된 펠렛을 통해 물이 유출되는 것을 막기 위해 시편의 윗면에 비초산형 실란트를 도포하였다.
(2017)에서 제시한 정수위 투수실험을 준용하였다. 먼저 높이 50mm, 지름 100mm인 모르타르를 7일 수중양생 한 후, 시편을 할렬 인장강도 시험 기구를 활용하여 지름 방향으로 쪼개었다. 그 후 두께가 0.
1절에 나타난 것과 같이 DSM을 통해 포자화시키기 전의 용액이다. 박테리아 생균의 혼입은 배합수에 박테리아 용액을 혼합하는 방식을 활용하였다. 펠렛화 된 포자 및 생균의 모르타르 내 박테리아의 생존률은 모르타르 재령 1일, 3일, 7일 14일, 28일 및 120일에 측정하였다.
본 연구에서는 메틸 셀룰로오스를 기반으로 제작한 박테리아 펠렛을 모르타르에 혼입하였으며, 펠렛 혼입에 따른 모르타르 내부 생존률과 강도, 정수위 투수실험에 의한 균열 치유율을 조사하였다. 실험으로 부터 다음과 같은 결론을 도출하였다.
03g/mm⋅min 의 유출수량을 보였다. 이때 각 치유 재령 실험 결과의 선형 회귀 직선이 0.3mm 균열 폭에 대응하는 초기 수량(Initial flow)에 직교하는 직선과 만나는 점을 해당 시편의 평균 균열 치유율으로 하였다.
실험에 사용된 배합은 총 3가지로, P0는 펠렛을 혼입하지 않은 대조군 모르타르, P3와 P5는 각각 펠렛을 시멘트 질량의 3%와 5%만큼 혼입한 배합이다. 이때 펠렛은 잔골재의 질량을 치환하였으며, 잔골재와 펠렛의 질량 합이 시멘트 질량의 2배가 되도록 하였다.
먼저 MC 분말과 물을 믹서에 넣고 30초간 저속 교반하여 MC를 고분자화 하였다. 이후 DE와 PVA를 전량 투입하여 1분 30초 동안 저속 교반, 1분 30초 동안 고속 교반하고, 복합 박테리아 포자 파우더(Bacterial powder, BP)와 영양소 2종을 모두 투입한 후 저속으로 30초간 교반하여 펠렛 반죽제조를 완료하였다.
3과 같이 펠렛을 투입하였다. 투입 직후, 3시간 뒤, 24시간 뒤 펠렛의 변화를 실체현미경(Olympus SZ61)으로 관찰하였다.
박테리아 생균의 혼입은 배합수에 박테리아 용액을 혼합하는 방식을 활용하였다. 펠렛화 된 포자 및 생균의 모르타르 내 박테리아의 생존률은 모르타르 재령 1일, 3일, 7일 14일, 28일 및 120일에 측정하였다.

대상 데이터

박테리아는 Jang et al.(2020)의 복합 배양 박테리아 포자 파우더를 활용하였다. 박테리아 파우더는 L.
모르타르의 배합에는 1종 포틀랜드 시멘트와 ISO 표준사가 사용되었다. 모르타르의 배합비는 Table 1에 나타나있다.
박테리아 영양소는 이스트 추출물(Yeast extract)와 젖산 칼슘 5수화물(Calcium lactate pentahydrate)를 사용하였다.
(2020)의 복합 배양 박테리아 포자 파우더를 활용하였다. 박테리아 파우더는 L.boronitolerans YS11 및 B.miscanthi AK13 복합 배양액을 DSM(Difco Sporulation Media)를 통해 포자화 시킨 후 분무 건조기로 분말화하여 Fig.1과 같이 제조하였다. 이때 YS11과 AK13은 모두 포자를 생성하는(Sporeforming) 비요소분해(Non-uerolytic) 균주이다.
P3과 P5와의 비교를 위해 생균 상태의 박테리아를 활용하여 모르타르를 제조하였다. 생균(Live) 상태의 박테리아는 YS11과 AK13의 복합 배양액으로. 2.
실험에 사용된 배합은 총 3가지로, P0는 펠렛을 혼입하지 않은 대조군 모르타르, P3와 P5는 각각 펠렛을 시멘트 질량의 3%와 5%만큼 혼입한 배합이다. 이때 펠렛은 잔골재의 질량을 치환하였으며, 잔골재와 펠렛의 질량 합이 시멘트 질량의 2배가 되도록 하였다.

이론/모형

정수위 투수실험은 Shin et al.(2017)에서 제시한 정수위 투수실험을 준용하였다. 먼저 높이 50mm, 지름 100mm인 모르타르를 7일 수중양생 한 후, 시편을 할렬 인장강도 시험 기구를 활용하여 지름 방향으로 쪼개었다.
모르타르의 배합비는 Table 1에 나타나있다. 모르타르의 배합 방법은 KS ISO 679를 따랐으며, 배합이 완료된 후 펠렛을 모르타르 반죽에 투입하여 저속 비빔 30초를 추가하였다. 비빔이 완료된 모르타르는 실험 방법에 맞춰 몰드에 투입하였으며, 23℃,RH 50%에서 1일간 양생한 후 탈형하였다.
박테리아의 생존률은 Colony Forming Unit(CFU) 측정기법을 활용하였다(Fig. 4). 박테리아 펠렛이 혼입된 모르타르를 Hammer mill과 막자사발을 이용해 분쇄한 뒤 Phosphate Buffer Salline(PBS)에 1/10으로 희석하여 균 현탁액을 제조하였다.

성능/효과

메틸 셀룰로오스는 경구용 알약 제조 및 식품 첨가제로 활용되는 셀룰로오스 알킬 유도체(Derivatives)로, 이를 기반으로 한 펠렛은 기존 담체와 비교되는 두 가지 장점이 있다. 1) pH 반응성 : 염기성 환경에서는 셀룰로오스의 사슬 구조가 유지되지만 중성 환경에서는 사슬끼리 반발하여 팽창한다. 이는 경화 전 및 재령 초기 높은 염기성을 나타내는 시멘트 복합체내부에서 셀룰로오스 담체가 박테리아를 효과적으로 보호하도록 하고, 추후 균열을 통해 물이 침투하여 균열부 pH가 낮아지면 박테리아와 영양소를 방출, 균열의 자기치유를 촉진한다.
1. 펠렛의 pH 반응성이 모르타르 내부 박테리아 생존률에 긍정적인 영향을 미치는 것으로 사료된다. 혼합 배양 박테리아 포자 분말의 생존률이 동일한 분말을 사용한 다른 연구에서의 생존률의 28배 높았다.
2) 제조 공정의 간편함: 셀룰로오스 펠렛은 ‘재료 배합’→‘반죽 교반’→‘압출’→‘건조’의 비교적 간단한 공정으로 생산되며, 펠렛의 개량은 배합 성분 및 배합비 변경으로 가능하다.
2. 펠렛의 자체 강도가 골재보다 낮아 시멘트 질량비 1% 혼입률 당 대조군 모르타르 대비 약 3.5%의 강도 저하가 발생하였다. 시멘트 복합체 전체에 균일하게 박테리아가 퍼져있는 형태가 아니므로, 박테리아에 의한 강도 증가 효과는 기대할 수 없었다.
3. 0.3mm 균열의 수중 양생 시 목표 치유율 90%를 펠렛 혼입량 3%는 91일, 5%는 28일에 달성하였다. 균열 치유에는 박테리아의 미네랄 석출 뿐만 아니라 Fig.
첫째, 비활성 상태의 박테리아는 이론상 콘크리트 내부에서 반영구적으로 생존하므로(Jonkers and Schlangen 2008) 철근 콘크리트 구조물의 일반적인 내구연한(∼50년) 동안 자기치유 효과를 기대할 수 있다. 둘째, 박테리아는 균열로부터 유입된 수분 및 산소 등의 물질에 의해 활성화되므로 콘크리트 내부에서 치유재의 소모가 없다. 셋째, 균열이 충진된 뒤 박테리아는 스스로 비활성 상태로 전환되고, 이후 동일한 부위에 균열이 발생했을 때 재활성화되어 균열을 치유한다.
2019). 둘째, 호/내알칼리성 박테리아가 사용됨에도 불구하고, 콘크리트 내부 생존률이 지극히 낮다. 박테리아의 비활성 상태인 포자(Spore)의 자연 발생률은 0.
둘째, 박테리아는 균열로부터 유입된 수분 및 산소 등의 물질에 의해 활성화되므로 콘크리트 내부에서 치유재의 소모가 없다. 셋째, 균열이 충진된 뒤 박테리아는 스스로 비활성 상태로 전환되고, 이후 동일한 부위에 균열이 발생했을 때 재활성화되어 균열을 치유한다.
이러한 실험 결과로 부터 기존 연구에서 사용하는 생균 상태 보다 셀룰로오스 펠렛화 된 박테리아 포자가 시멘트 복합체 내부에서 생존이 용이하다는 것을 확인하였다. 또한 Jang et al.
하지만 박테리아를 활용한 자기치유 콘크리트 개발 시 다음과 같은 문제점이 알려져 있다. 첫째, 다른 메커니즘에 비해 상대적으로 균열 치유에 오랜 시간이 걸린다. 박테리아의 생장은 시간에 따른 시그모이드 곡선 형태로 나타나며, 박테리아 밀도가 적은 초기 유도기(Lag phase)에는 박테리아 활동성이 낮다.
폭 0.3mm인 균열의 목표 치유율을 90%로 설정하였을 때, P3의 경우 재령 91일에, P5의 경우 28일에 평균 균열 치유율이 90%를 초과한 것을 확인할 수 있다. 이러한 균열 치유량은 1) 펠렛의 팽창에 의한 초기 투수량 저하, 2) 박테리아의 생장 및 석출 활동 증가, 3) 펠렛이 결정핵(Nucleation site)으로 작용한 것으로 사료된다.

후속연구

3mm 균열의 수중 양생 시 목표 치유율 90%를 펠렛 혼입량 3%는 91일, 5%는 28일에 달성하였다. 균열 치유에는 박테리아의 미네랄 석출 뿐만 아니라 Fig. 5 에서 나타난 것과 같이 펠렛의 팽창도 기여하고 있을 것으로 사료되며, 이에 대한 추가적인 연구가 필요하다.
시멘트 복합체 전체에 균일하게 박테리아가 퍼져있는 형태가 아니므로, 박테리아에 의한 강도 증가 효과는 기대할 수 없었다. 하지만 추후 펠렛 배합 변경으로 펠렛 자체 강도를 충분히 높일 수 있을 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	콘크리트란 무엇인가?	콘크리트는 낮은 단위가격에 상대적으로 높은 강도와 내구성을 지녀 건설 분야에서 가장 많이 사용되는 재료이다(Mehta and Monteiro 2006). 하지만 하중과 재료 수축, 열화인자 유입 등으로 인해 콘크리트 내외부에 미세 균열이 지속적으로 발생하고, 미세균열은 전체 콘크리트 구조물의 수명을 단축시킨다(Peris Mora 2007).
	균열 자기치유 콘크리트의 경우 다른 자가치유 메커니즘과 비교했을 때, 어떤 이점이 있는가?	박테리아를 활용한 균열 자기치유 콘크리트는 다른 자기치유 메커니즘과 비교하여 다음과 같은 분명한 이점을 보인다. 첫째, 비활성 상태의 박테리아는 이론상 콘크리트 내부에서 반영구적으로 생존하므로(Jonkers and Schlangen 2008) 철근 콘크리트 구조물의 일반적인 내구연한(∼50년) 동안 자기치유 효과를 기대할 수 있다. 둘째, 박테리아는 균열로부터 유입된 수분 및 산소 등의 물질에 의해 활성화되므로 콘크리트 내부에서 치유재의 소모가 없다. 셋째, 균열이 충진된 뒤 박테리아는 스스로 비활성 상태로 전환되고, 이후 동일한 부위에 균열이 발생했을 때 재활성화되어 균열을 치유한다.
	셀룰로오스 펠렛의 특징은 무엇인가?	펠렛은 복합 배양한 박테리아 포자 분말과 메틸셀룰로오스, PVA 영양소 2종과 물로 이루어져 있으며, 유압 프레스를 통해 압출되어 지름 2mm~길이 3~4mm의 형상을 갖는다. 셀룰로오스 펠렛은 중성 pH에서 팽창하여 박테리아와 영양소를 방출하고, 염기성 환경에서 반응하지 않는 성질을 띄어 시멘트 모르타르 내부 박테리아의 장기 생존률이 증대하는 효과가 있다. 또한 펠렛 혼입 모르타르는 정수위 투수실험을 통한 균열 자기치유 성능이 대조군 모르타르에 비해 현저히 상승하였다.

참고문헌 (12)

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상세보기
Jang, I., Son, D., Kim, W., Park, W., Yi, C. (2020). Effects of spray-dried co-cultured bacteria on cement mortar, Construction and Building Materials, 243, 118206.

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Wiktor, V., Jonkers, H.M. (2011). Quantification of crack-healing in novel bacteria-based self-healing concrete, Cement and Concrete Composites, 33(7), 763-770.

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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