[논문]자기치유 물질을 이용한 그라우팅공법의 현장적용성 평가

최용성; 김병일; 유완규; 이재덕; 최용기

doi:10.9711/ktaj.2020.22.5.485

자기치유 물질을 이용한 그라우팅공법의 현장적용성 평가
Evaluation of field applicability for grouting method using self-healing grout material 원문보기

Journal of Korean Tunnelling and Underground Space Association = 한국터널지하공간학회논문집, v.22 no.5, 2020년, pp.485 - 500

최용성 (SSC산업(주)) , 김병일 (명지대학교 토목환경공학과) , 유완규 (한국건설기술연구원 인프라안전연구본부 차세대 인프라연구센터) , 이재덕 (SSC산업(주)) , 최용기 (대원토질 주식회사)

초록
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소규모 설비, 시공 용이성 등 다양한 장점으로 인하여 국내의 건설현장에서 광범위하게 사용되고 있는 그라우팅 관련 기술은 과거에 비해서 비약적으로 발전되었지만 품질의 균질성, 장기 내구성 및 환경공해 등의 문제점에 대한 개선 노력은 현재까지도 지속되고 있다. 최근 국내에서는 물유리계 그라우팅 재료가 갖는 낮은 강도와 내구성, 용탈현상 발생 등의 문제점을 개선하기 위하여 자기치유 물질을 이용한 그라우팅공법이 개발되었다. 자기치유 물질을 이용한 그라우팅공법은 주입재가 지반 내 물과 반응하여 생성한 결정 성장형 자기치유 물질에 의해서 주입재와 지반이 일체화되기 때문에 지반의 내구성 및 차수성 향상, 용탈방지 및 친환경성 등을 기대할 수 있는 것으로 알려져 있다. 본 연구에서는 △△터널 및 주변지반을 대상으로 자기치유 물질을 이용한 그라우팅공법의 예비시험 및 현장적용(표준관입시험, 현장투수시험, 공내 전단시험, 공내재하시험, 지시약반응시험 등)을 실시하였고 시공 전·후에 대한 실규모 시공조건에서의 주입범위, 차수 및 지반개량 효과 등을 비교, 분석하였다. 예비시험 및 현장적용 결과를 바탕으로 자기치유 물질을 이용한 그라우팅공법의 현장적용성 및 개량효과는 양호한 것으로 파악되었다.

Abstract ▼ AI-Helper

Due to various advantages such as small facilities, ease of construction and so on, the grouting technology which is widely used in construction field has developed remarkably compared with the past. However, the efforts to improve the homogeneity of quality, long-term durability and environmental problems have been continued. In recent years, new grouting method has been developed in order to solve problems such as low strength, durability and leaching phenomenon of liquid glass (sodium silicate) grouting material in Korea. A newly developed method integrates the injection material with the ground by the self-healing material of crystallization growth type. For this reason, it is known that improvement of the durability and water quality of the ground, prevention of leaching, and environment friendliness can be expected. The present study applied a newly developed method to test sites and verified its effect such as injection range, improvement effect, waterproofing performance and so on. Standard penetration test, field permeability test, borehole shear test, pressuremeter test and pH test were conducted, and the results were compared between before and after developed method application. As results of tests, the field applicability and improvement effect of developed method were proved to be excellent.

주제어

표/그림 (14)

그림 Fig. 1. Self-healing mechanism of developed method (modified from Moon et al., 2016)
그림 Fig. 2. Changes over time after injection of a developed grout material
표 Table 1. Chemical composition of self-healing grout material (Moon et al., 2016)
그림 Fig. 3. Location of tunnel construction site and collapse failure of tunnel face
표 Table 2. Standard mixing ratio
그림 Fig. 4. Location on the test hole and inspection hole
그림 Fig. 5. Longitudinal section of a collapsed tunnel
그림 Fig. 6. Field permeability test (lugeon test)
그림 Fig. 7. Comparison of pilot test results
표 Table 3. Results of SPT with N value
표 Table 4. Results of FPT, BST and PMT
그림 Fig. 8. Reaction caused by grout and phenolphthalein
표 Table 5. Core logging and data analysis
표 Table 6. Comparison of permeability coefficient by Lugeon test

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 이 연구에서는 “○○지역 국도 건설공사” 중 △△터널을 대상으로 자기치유 물질을 이용한 그라우팅 공법에 대한 예비시험(pilot test) 및 현장적용을 실시하여 실규모 시공조건에서의 주입범위, 차수 및 지반개량 효과 등을 파악함으로써 개발 공법의 현장 적용성 및 공법 적용에 따른 효과를 확인하고자 하였다.
본 연구에서는 개발 공법에 대한 시공(차수 및 개량) 효과 확인 및 현장 적용성을 검증하고자 예비시험(pilot test) 및 △△ 터널을 대상으로 현장적용을 실시하였다. ○○~○○간 국도건설공사 구간에 위치한 △△터널(울산광역시 울주군 서생면 인근)은 시공 중 붕락과 숏크리트에 종방향 ‧ 횡방향 균열이 발생한 현장이며 대상지층은 매우 심한 풍화상태로 파쇄대가 발달한 상태이다.
본 연구에서는 개발 공법의 시공에 의한 차수 및 지반개량 효과를 확인하기 위하여 붕락과 숏크리트에 종방향 ‧횡방향 균열이 발생한 △△터널을 대상으로 현장적용을 실시하였다. 공법 적용에 따른 보강효과는 시추조사에 의한 육안 확인방법(이완구간, 공동구간 및 그라우팅 충전구간 확인) 및 현장 투수시험에 의한 방법을 통하여 검증하였다.
이 연구에서는 자기치유 물질을 이용한 그라우팅 공법의 실규모 시공조건에서의 주입범위, 차수 및 지반개량 효과 등을 파악하여 현장 적용성 및 공법 적용에 개량효과를 확인하고자 하였다. “○○지역 국도 건설공사” 중 △△터널 및 주변지반을 대상으로 예비시험(pilot test) 및 현장적용을 실시하였으며 시험결과를 통하여 다음과 같은 결론을 얻었다.

제안 방법

“○○지역 국도 건설공사” 중 △△터널 및 주변지반을 대상으로 예비시험(pilot test) 및 현장적용을 실시하였으며 시험결과를 통하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
원지반 시추공 주변지반과 그라우팅 후 지반의 전단강도변화를 파악하고자 시추공 내부에 수직 및 전단응력을 가하여 지반의 점착력(c)과 내부마찰각(ϕ)을 산정할 수 있는 공내전단시험을 실시하였다. BHPT-1 시험공 및 BHPT-4 확인 시험공을 이용하여 공내전단시험으로 산정된 원지반의 점착력(c)과 내부마찰각(ϕ)은 각각 0.
공내재하시험(PMT)를 실시하여 가압하중에 따른 공벽의 변형량을 측정하고 압력-변형량 곡선으로부터 그라우팅 전 시험공(BHPT-1, GL. -6.5 m)과 그라우팅 후 확인 시험공(BHPT-4, GL. -6.5 m)에 대한 변형계수와 탄성계수를 산정하였다. Table 4와 Fig.
5 Shot 방식 정량 주입방법과 정압 주입방법으로 주입을 하였다. 공당 설계 주입량은 주입률 30% 및 주입범위(확산경) 800 mm의 조건을 고려하여 1.21 m³을 적용하였고 주입압력은 대상 지반이 사질토 지반임을 고려하여 주변지반에 융기현상이 발생하지 않도록 300~700 kPa의 범위를 적용하였다. 주입재 1,000 l 기준으로 할 때 예비시험에 사용된 주입재의 배합조건을 Table 2에 정리하여 나타내었으며 B액에 사용되는 자기치유 물질을 포함한 분체와 물의 물시멘트비(w/c)는 177%를 사용하였다.
본 연구에서는 개발 공법의 시공에 의한 차수 및 지반개량 효과를 확인하기 위하여 붕락과 숏크리트에 종방향 ‧횡방향 균열이 발생한 △△터널을 대상으로 현장적용을 실시하였다. 공법 적용에 따른 보강효과는 시추조사에 의한 육안 확인방법(이완구간, 공동구간 및 그라우팅 충전구간 확인) 및 현장 투수시험에 의한 방법을 통하여 검증하였다.
그라우팅 시공 후 지반 내에 주입된 그라우트 재의 주입범위 및 주입형태를 확인하기 위하여 주변 지반 굴착 후 지시약반응시험을 실시하였다. 시험결과에 의하면 주입위치로부터 약 1.
그라우팅을 실시한 이후에는 붕락구간에서의 시추 및 시료획득(NX 규격)을 통하여 이완구간, 공동구간 및 그라우팅 충전구간을 육안으로 확인하였다. 또한 그라우팅 전과 후의 조건에 대하여 각각 현장 투수시험을 실시하여 공법 적용에 따른 투수계수의 변화를 파악하였으며 터널 내 시험 조건을 고려하여 packer를 이용하는 수압시험(lugeon test)으로 실시하였다.
그라우팅을 실시한 이후에는 붕락구간에서의 시추 및 시료획득(NX 규격)을 통하여 이완구간, 공동구간 및 그라우팅 충전구간을 육안으로 확인하였다. 또한 그라우팅 전과 후의 조건에 대하여 각각 현장 투수시험을 실시하여 공법 적용에 따른 투수계수의 변화를 파악하였으며 터널 내 시험 조건을 고려하여 packer를 이용하는 수압시험(lugeon test)으로 실시하였다. 적용 수압은 200 kPa에서 시작하여 200 kPa씩 증가시켜1,000 kPa까지 압력을 증가시킨 후에 200 kPa씩 200 kPa까지 압력을 감소시켜 총 9단계의 수압조건에서 5분간 물을 주입시키면서 주입된 물의 양을 측정하였다.
4와 같이 시험공을 배치하였고 주입 전과 7일 양생 후 표준관입시험, 시추공전단시험, 공내재하시험, 투수시험을 실시하여 공법 적용에 따른 지반 강도증가, 투수성 변화 등을 확인하였다. 또한 주입재의 주입범위 및 주입형태를 파악하기 위하여 주변 지반을 굴착하고 주입지시약반응시험 등을 실시하였다. 그라우팅 시공 중에는 자동유량 기록장지(t-p-q)를 이용하여 시간(t)과 주입압력(p) 그리고 주입량(q)을 상호 조정하면서 그라우팅 시공 관리를 하였다.
Ahn and Kishi (2010)는 이러한 원리를 기초로 하여 지오 머티리얼(geo-material)을 이용한 자기치유 콘크리트를 개발하였으며 팽윤효과, 팽창효과 및 재결정화로 인하여 알루미노규산염, 칼슘 복합물질이 자기치유 성능에 큰 영향을 미친다는 것을 밝힌 바 있다. 본 연구에 사용된 그라우팅의 분체도 이러한 원리를 적용하여 개발하였으며 침상결정형 유기복합체의 사용으로 빠른 겔화 특성을 발휘하고 자기치유 물질의 생성시간을 단축함으로써 조기에 향상된 물리성능 확보 및 차수능력을 높일 수 있도록 하였다. Fig.
예비시험(pilot test) 및 현장적용은 1.5 Shot 방식 정량 주입방법과 정압 주입방법으로 주입을 하였다. 공당 설계 주입량은 주입률 30% 및 주입범위(확산경) 800 mm의 조건을 고려하여 1.
예비시험(pilot tests)은 Fig. 4와 같이 시험공을 배치하였고 주입 전과 7일 양생 후 표준관입시험, 시추공전단시험, 공내재하시험, 투수시험을 실시하여 공법 적용에 따른 지반 강도증가, 투수성 변화 등을 확인하였다. 또한 주입재의 주입범위 및 주입형태를 파악하기 위하여 주변 지반을 굴착하고 주입지시약반응시험 등을 실시하였다.
또한 그라우팅 전과 후의 조건에 대하여 각각 현장 투수시험을 실시하여 공법 적용에 따른 투수계수의 변화를 파악하였으며 터널 내 시험 조건을 고려하여 packer를 이용하는 수압시험(lugeon test)으로 실시하였다. 적용 수압은 200 kPa에서 시작하여 200 kPa씩 증가시켜1,000 kPa까지 압력을 증가시킨 후에 200 kPa씩 200 kPa까지 압력을 감소시켜 총 9단계의 수압조건에서 5분간 물을 주입시키면서 주입된 물의 양을 측정하였다. Fig.
최용성은 연구 개념 및 설계, 원고 작성을 하였고, 김병일은 시험결과 및 원고 검토를 하였고, 유완규는 문헌고찰 및 원고 작성을 하였고, 이재덕은 현장시험 데이터 분석을 하였고, 최용기는 원고 검토를 하였다.
0 m 구간에서 현장 투수시험을 실시하였다. 현장 투수시험은 주입수에 의한 대상지반 교란을 최소화하기 위하여 시험 구간의 상단까지 케이싱을 삽입하고 케이싱의 상부에서 물을 주입하여 경과한 시간에 대한 공내의 수위변화를 측정하는 수위 저하법을 이용하였다. 시험결과 그라우팅 공법을 시공하기 전과 시공한 후 지반의 투수계수는 각각 3.
현장적용은 Fig. 5에 나타낸 바와 같이 붕락과 숏크리트에 종방향 ‧ 횡방향 균열이 발생한 터널(붕락규모 : 연장 14 m, 토사량 약 600 m³)을 대상으로 붕락부의 복원과 지하수 유출의 차단을 통해서 터널 안정성을 높이기 위하여 실시하였으며 ① 붕락부 보강 작업을 위해 천단부에 급결제를 이용한 차단 그라우팅 실시, ② 공동부 채움을 목적으로 낙반부와 이완부에 대해 자기치유 물질을 포함한 그라우트 주입, ③ 터널 안정성 증대를 위하여 천단부에 직천공 대구경 강관그라우팅(자기치유 물질을 포함한 그라우트 이용) 시공의 순서로 진행하였다.

대상 데이터

본 연구에서 사용되는 자기치유 친환경 그라우트재는 크게 분체, 규산소다계 용액, 물로 구성된다. 분체를 구성하는 재료는 시멘트, 2가 금속 급결재, 팽윤제, 미세결정화제, 무기광물 반응촉진제, 고반응성 무기광물, 유동성 제어 첨가제 등으로 구성되어 있으며 주요 구성성분은 Table 1과 같다.
본 연구에서 사용되는 자기치유 친환경 그라우트재는 크게 분체, 규산소다계 용액, 물로 구성된다. 분체를 구성하는 재료는 시멘트, 2가 금속 급결재, 팽윤제, 미세결정화제, 무기광물 반응촉진제, 고반응성 무기광물, 유동성 제어 첨가제 등으로 구성되어 있으며 주요 구성성분은 Table 1과 같다.

성능/효과

1. 예비시험(pilot test) 결과에 따르면, 자기치유 물질을 이용한 그라우팅 시공 후 지반의 N 값은 평균적으로 약 59%의 증가율을 나타내었고 점착력(c) 및 변형계수(E_d)는 약 10배 증가, 탄성계수(E)는 1.7배 증가하는 등 지반의 강도 증가 측면에서 지반개량효과가 우수한 것으로 나타났다.
2. 투수계수는 시공 전 대비 10배 이상 감소하였으며 공법 적용 후 지반의 투수계수가 불투수성에 가까운 2.26 × 10-6 cm/sec의 값으로 산정되었으므로 차수성능 확보가 용이한 것으로 판단된다.
3. 굴착 및 지시약 반응 시험을 통하여 주입형태 및 주입 범위를 파악하였으며 주입위치로부터 약 1.6 m 정도 떨어진 위치까지 주로 맥상의 할렬주입의 형태를 나타내었다. 또한 시험공 주변의 일부 구간에서는 침투주입 형태도 확인되는 등 주입효과는 우수한 것으로 판단된다.
4. 붕락이 발생한 △△터널 현장에서 자기치유 물질을 이용한 그라우팅 시공 후 회수된 시추코어를 관찰한 결과 절리면 사이 등에 주입재가 잘 충전되어 있는 것을 확인할 수 있었다. 또한 현장투수시험 결과는 난류(turbulent flow)의 형태를 나타내었으며 투수계수 대표값은 불투수성에 가까운 8.
5. 예비시험과 현장적용 결과를 종합해 본다면 자기치유 물질을 이용한 그라우팅 공법의 현장적용성 및 개량효과는 양호한 것으로 판단된다. 또한 그라우팅 관련 기술의 발전에도 불구하고 최근까지도 그라우팅 품질의 균질성, 장기 내구성 및 환경공해 등의 문제점에 대한 개선 노력이 지속되고 있는 점을 고려해 볼 때 개발 공법의 활용성이 높아질 것으로 기대된다.
0 MPa 로 산정되었다. 그라우팅 시공 전과 비교하여 변형계수(E_d) 및 탄성계수(E)는 각각 9.33배, 1.70배 증가하는 것으로 나타났으며 자기치유 물질을 이용한 그라우팅 공법 적용에 따른 지반 변형특성 증가 효과가 우수한 것으로 확인되었다.
73 × 10^-6 cm/sec로 산정되었다. 따라서 공법의 적용에 의해서 지반의 균열부 및 이완부가 충실하게 충전되었고 지반 차수성이 향상된 것으로 판단된다.
따라서 보강 후의 지반 투수계수 대표값은 8.73 × 10-6 cm/sec이며 자기치유 물질을 이용한 그라우팅 공법 적용을 통해서 주입재가 지반의 균열부 및 이완부에 충실하게 충전되었고 지반의 차수성을 향상시킨 것으로 판단된다.
00%까지 발휘되어 초기 강도 발현이 우수한 것으로 나타났다. 또한 LW 공법 및 SGR 공법에서 일반적으로 사용되고 있는 배합비에 따라 제작된 공시체의 일축압축강도와 개발 공법에 대한 일축압축강도를 비교하였으며 장기 및 단기강도, 상온양생 및 저온양생 등 모든 조건에서 자기치유 물질을 이용한 그라우트 재료의 일축압축강도가 가장 크게 발현된다는 사실을 규명한 바 있다.
6 m 정도 떨어진 위치까지 주로 맥상의 할렬주입의 형태를 나타내었다. 또한 시험공 주변의 일부 구간에서는 침투주입 형태도 확인되는 등 주입효과는 우수한 것으로 판단된다.
연구결과에 따르면 중성 pH에서도 다량의 Cr 및 Fe가 용출될 수 있으며 산성환경에서는 더 많은 Cr, Fe, Pb 등이 용출되는 것으로 나타났다. 또한 풍화된 조건에서는 일반조건에서 용출되지 않던 중금속이 추가로 용출될 수 있음을 확인하였다. Kim et al.
또한 현장투수시험 결과는 난류(turbulent flow)의 형태를 나타내었으며 투수계수 대표값은 불투수성에 가까운 8.73 × 10-6 cm/sec로 산정되었다.
시험결과 그라우팅 공법을 시공하기 전과 시공한 후 지반의 투수계수는 각각 3.84 × 10-5 cm/sec, 2.26 × 10-6 cm/sec로 산정되었으며 10배 이상 투수계수가 감소하는 것으로 나타났다(Table 4 및 Fig. 7(b) 참조).
시험결과 자기치유 물질을 이용한 그라우트 재료의 일축압축강도는 상온(22 ± 2℃)과 저온(10 ± 2℃)조건에서 재령일 28일 일축압축강도 대비 재령일 14일 일축압축강도가 평균 92.00%까지 발휘되어 초기 강도 발현이 우수한 것으로 나타났다.
(2016)은 실내시험을 통해 자기치유 물질을 이용한 그라우트 재료의 공학적 특성 및 친환경성 등을 파악하고 기존 약액주입(LW, SGR)공법과의 공학적 특성을 비교하기 위해 겔타임 측정, 일축압축강도 시험, 투수 시험, 어독성 시험, 내화학성 시험을 수행하였다. 연구결과를 통해 자기치유 물질을 이용한 그라우트 재료는 기존 약액주입 공법 대비 장･단기 차수성능 유지 및 강도 발현, 내구성 확보에 유리하고 용탈에 의한 지하수 및 지반의 오염 가능성이 낮음을 확인하였다.
(2006)이 그라우팅 물질 내 중금속에 의한 주변 토양-지하수에 미치는 오염영향을 평가하고자 모의시편에 대한 용출실험 및 인공풍화시험을 통한 용출실험을 실시하였다. 연구결과에 따르면 중성 pH에서도 다량의 Cr 및 Fe가 용출될 수 있으며 산성환경에서는 더 많은 Cr, Fe, Pb 등이 용출되는 것으로 나타났다. 또한 풍화된 조건에서는 일반조건에서 용출되지 않던 중금속이 추가로 용출될 수 있음을 확인하였다.
(2016)의 실내시험 연구를 통해서 규명된 바 있다. 이들의 연구결과에 따르면 자기치유 물질을 포함한 그라우트는 기존 그라우팅 공법(LW 및 SGR)에 사용되는 그라우트에 비해서 일축압축강도, 장 ‧ 단기 차수성능 유지, 강도 발현, 내구성 확보에 유리하고 용탈에 의한 지하수 및 지반의 오염 가능성이 낮은 것으로 나타났다.
8 참조). 이러한 결과를 볼 때 그라우팅 공법 시공 중 약 5.0 m 정도 떨어진 지표면에서 주입재가 용출되는 현상이 발생하였음에도 불구하고 자기치유 물질을 이용한 그라우팅 공법의 주입효과는 우수한 것으로 판단된다.
99 × 10^-5 cm/sec인 것으로 나타났다. 한편 그라우팅 실시 후에 측정된 투수계수는 모든 주입압력 조건에서 측정이 가능하였으며 주입압력 증가에 따라서 투수성이 감소하였다가 주입압력 감소에 따라서 투수성이 증가하는 경향을 나타내었다. Houlsby (1976)는 이러한 경향이 난류(turbulent flow)에서 lugeon 값 변화의 전형적인 형태이며 가장 높은 주입압력 단위에서 측정된 lugeon 값이 해당 현장의 대표 lugeon 값이라고 보고한 바 있다.

후속연구

예비시험과 현장적용 결과를 종합해 본다면 자기치유 물질을 이용한 그라우팅 공법의 현장적용성 및 개량효과는 양호한 것으로 판단된다. 또한 그라우팅 관련 기술의 발전에도 불구하고 최근까지도 그라우팅 품질의 균질성, 장기 내구성 및 환경공해 등의 문제점에 대한 개선 노력이 지속되고 있는 점을 고려해 볼 때 개발 공법의 활용성이 높아질 것으로 기대된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	약액주입공법의 시초는 무엇인가?	1802년 프랑스의 기술자 Charles Berigny가 프랑스 디에프(Dieppe) 지역에 위치한 수문의 수리를 위해서 “injection process”로 명칭한 기법을 사용한 것이 약액주입공법의 시초라고 할 수 있다. 본격적인 화학약액을 이용한 약액주입공법의 시작은 1925년 네덜란드의 기술자 H.
	자기치유란?	자기치유는 외적 개입이 없이 자동적, 자율적으로 손상을 치유할 수 있는 물질의 능력으로 정의할 수 있다. 자체 수리, 자율 치유 및 자율 수리와 같은 일반적인 용어는 재료에서 이러한 특성을 정의하는 데 사용되며 자기 치유는 균열 치료를 통한 강도의 회복으로 고려되는 것이 일반적이다.
	기존 물유리계 약액주입공법의 문제점은 무엇인가?	Joosten이 개발한 Joosten공법(two-shot sodium silicate-based system)인 것으로 알려져 있으며 이후 약액 주입공법은 비약적인 발전과 함께 댐, 터널, 기초 등과 같은 구조물의 보강, 차수 등의 목적으로 많은 건설 현장에서 사용되어 왔다(Glossop, 1960; Karol, 2003; Bidasaria, 2004; Warner, 2004). 국내에서도 LW 및 SGR 공법 등의 물유리계 약액주입공법은 간단한 준비와 소규모 설비, 협소한 장소에서의 시공 용이성, 작은 진동과 소음 등의 장점으로 많은 건설현장에서 사용되어 왔지만 물유리계 그라우팅 재료는 강도가 작고 내구성이 낮으며 용탈현상이 크다는 문제가 있는 것으로 보고되어 있다(Jung et al., 2010; Kim et al.

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상세보기
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원문보기 상세보기
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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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