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첨단 바이오재료에 의한 지속가능한 건설
조회수 : 56 작성일 : 2017.08.07

첨단 바이오재료에 의한 지속가능한 건설

2016-05-15 / KAIA 글로벌 리포트(기술리포트)

 

 

1. 개요

 

이 논문에서는 지속가능하며 환경 친화적인 건설을 위한 첨단 바이오 재료의 개괄적인 내용들을 제시하고 있다. 그러한 재료에는 콘크리트, 플라스틱, 혼화재, 아스팔트 및 흙 등을 포함한다. 자연적 진화는 바이오 재료가 특정 성분을 함유하는 것을 가능하게 한다. 바이오 재료는 그것들과 합성이 될 수 있는 재료들에 의해 타의 추종을 불허하는 독특한 특성을 제공한다. 그러한 특성은 시간이 가고 자연적인 과정을 거쳐 이루어진다. 바이오 재료가 이렇게 자연적으로 진화하는 특성은 활용될 수 있으며 건설 수요를 충족시키기 위해 사용될 수 있다. 열팽창 계수가 낮거나 거의 제로인 선형 열팽창계수를 가진 바이오재료는 아주 다양한 건설재료를 만들게 할 수 있다. 온도변화로 인한 길이의 어떤 변화에도 견딜 수 있는 그 능력은 내부응력을 제거하는데 도움이 된다. 바이오 재료는 비용 효율성 및 환경 친화성과 같은 합성재료를 능가하는 여러 장점들을 제공한다. 합성물질을 내다 버리는 것은 환경적 딜레마인데 이것은 분해될 수 있는 바이오재료를 사용하여 감소될 수 있다. 콘크리트 내부에 살아있는 박테리아가 콘크리트의 미세균열을 치유하여 건축물의 내구성을 증가시킬 수도 있다.

 

2. 소개

 

바이오 재료는 생체(living systems)와 상호 작용하는 물질로 정의된다. 이러한 설명을 고려해보면 우리는 생체재료가 건설 산업에 쓰였다면 어떻게 쓰였는지 알아보기 위해 과거를 돌아볼 필요가 있다. 목재와 같은 재료는 오랫동안 건설재료로 사용되어 왔다. 이 천연자원은 수세기 동안 건축물의 구조재, 지붕재 및 바닥재로 쓰여 왔다. 그러나 화학 산업의 발달은 보다 많은 합성 건설재료를 경쟁적으로 출시하도록 하였다. 이러한 진전에도 불구하고 바이오 재료는 늘 건축의 일부분을 차지해왔다. 향상된 기능을 가진 고급 건설재료를 얻기 위하여 천연자원을 원료로 하는 화학물질도 자주 사용되었다. 세계는 천연자원과 관련된 우리들의 문제에 대해 보다 지속가능한 해법을 찾고 있다. 본 연구는 우리와 우리의 미래 세대를 위해 그만큼 중요하다.

 

바이오 재료는 한 가지 형태 또는 여러 형태로 건설 산업에 다양하게 사용되어지고 있다. 앞서 언급한 바와 같이 목재와 같은 일부 바이오 재료는 직접적으로 사용되어지고 있으나 일부는 재료 성능을 최적화하도록 화학적으로 수정되어지고 있다. 이러한 것들은 동물, 식물, 토양과 같은 천연자원이나 생물공학산업 프로세스 등을 통하여 광범위하게 얻어진다.

 

목재 외에도 농작물도 건설 산업에 맞게 사용되기도 한다. 비록 수밀성 인테리어용으로 아주 제한적이긴 하지만 이러한 재료의 사용도 건설 산업에 상당한 진전이 있다. 오늘날 콘크리트 보강은 천연 섬유를 사용할 수도 있으며 벽체는 석회 바인더(lime binder)와 함께 대마부스러기 응결체(hemp-shive concretion)를 사용하여 축조될 수 있다. 또한 아마씨 기름과 양모도 페인트와 단열재로서 실제 쓰이고 있다. 생물학적 재료를 기반으로 하는 건설에 좋은 사례로 영국 중부 웨일즈의 스트로 베일 농가(Straw bale farmhouse)가 있다. 이 농가는 콘크리트 기초위에 숲에서 베어온 목재와 잘 다진 큰 짚단(large bales of tightly compacted straw)으로 시공되었다. 이 짚단은 제조하여 만든 블록에 비하여 10배 이상 높은 단열성을 제공하며 또한 농장에서 키우는 양에서 얻어진 양모는 지붕단열재로 쓰였다.

 

화학적으로 만든 건설재료는 커플링제(coupling agents) 등과 같은 재료의 반응과 많은 과정을 거쳐서 특정 속성을 얻는다. 합성재료와는 달리 바이오 재료는 많은 화학적 반응을 거치지 않고 유사한 속성을 제공한다. 처리과정의 이러한 감소는 내재 에너지가 더 적은 바이오재료 사용을 가능하게 한다.

 

바이오 재료는 장시간 동안 온도변화를 제어하고 일정한 온도를 유지하는데 아주 효과적일 수 있다. 바이오 재료는 생활공간을 보다 안락하게 하면서도 우리일상의 냉난방수요에 아주 비용효과적인 해법을 제공한다. 바이오 기반의 상제어 물질(Bio-based phase control materials)은 동물성 지방이나 식물성 기름 특히 지방산에서 추출하여 이용가능하다. 이러한 물질은 높은 잠열(latent heat)과 내화성을 가지고 있다. 또한 이러한 재료는 매우 안정적이고 내구성이 있으며 독성이 없다. 또한 다른 무기 PCMS(상변화물질)에 비하여 가격도 저렴하며, 목재와 같은 바이오 재료는 0.082mm2/초 정도의 낮은 열확산률(thermal diffusivity)을 가지고 있다.

 

바이오 혼화재(bio admixtures)는 성능개량을 위해 기능성 분자(functional molecules)의 형태로 건설재료에 첨가되는 바이오 재료로 간주될 수 있다. 바이오 혼화재의 사용은 기원전 3000년으로 거슬러 올라가는데 그 당시 역청(bitumen)은 유기결합재(organic binder)와 발수재로서 점토와 짚의 혼합물로 수메르인들에 의해 사용되었다. 천연자원에서 얻어진 특성 화학물질의 사용으로 만들어진 최적의 건축재료로 인해 잘 알려진 로마 건축물도 가능했었다.

 

3. 바이오 콘크리트

 

콘크리트는 단단하고 내구성이 있는 재료이다. 또한 몇 가지 첨가제를 첨가하면 강도롤 향상시켜 요건에 맞출 수도 있다. 큰 강도를 가지고 있음에도 불구하고 콘크리트에 균열이 발생하면 구조물의 전반적인 내구성은 감소한다. 이러한 균열을 보수하기 위하여 합성 폴리머를 사용하는 것은 효과적인 방법으로 의심의 여지가 없으나 환경 친화적인 기술은 아니다. 또한 콘크리트 구조물의 유지관리 뿐만 아니라 일반적인 수작업의 보수는 비용도 많이 들며 어떤 경우에 있어서는 전혀 불가능한 경우도 있다. 현재 자연발생적 치유(Autogenic Healing)”로 알려진 새로운 기술이 보다 친환경적인 것으로 알려져 있는데 이 신기술은 균열을 보수하는데 박테리아 사용을 기반으로 하고 있다. 박테리아는 퇴적물 내부 및 심지어 1km 이상 깊이의 바위 속 뿐 만 아니라 표면을 포함한 지구 전체 거의 모든 곳에서 찾을 수 있다.

 

한 가지 방법은 작은 캡슐 형태의 내부에 박테리아 포자, 젖산칼슘 및 영양소를 봉입하여 콘크리트 속에 투입하는 것이다. 캡슐내부에 그러한 것들을 봉입하여 넣는 목적은 균열이 발생하기 전에는 어떤 종류의 상호작용을 막고자 하는 것이다. 박테리아 포자 및 유기무기 전구체 화합물은 콘크리트 구조물 내에 넣기 전에 다공질 팽창성 점토 입자(porous expanded clay particles)에 넣어질 수도 있다. 균열이 발생하게 되면 이들 캡슐이 깨지면서 포자는 물과 상호작용하여 활동을 시작하고 젖산 칼슘과 영양소를 석회석으로 만든다. 그로 인해 석회석이 균열을 채워주게 되고 콘크리트 내에 물이 들어오는 것을 막아준다. 이렇게 생성된 석회석은 다음과 같은 식에 따라 형성되는 것이다.

CaC6H10O6+ 6O2 CaCO3+5CO2+5H2O (1)

 

그러나 많은 연구결과 이 박테리아는 앞에 언급한 식에서 나타난 바와 같이 직접적으로 석회석을 만들 뿐만 아니라 석회석을 만들기 위한 간접적인 프로세스를 거치기도 한다. 그 간접적인 프로세스는 느리며 콘크리트 속에서 자연스럽게 발생하고 아래 (2)번 식에 따른 대사 작용으로 인하여 콘크리트 매트릭스 내에 있는 수산화칼슘 미네랄과 함께 이산화탄소 분자가 생성된다.

5CO2 +5Ca(OH)2 5CaCO3 + 5H2O (2)

 

이산화탄소는 균열 내부에 여전히 존재하고 있는 포틀랜드석 입자와 직접적으로 반응하게 됨으로 균열내부의 표면에서 생성된다. 따라서 총 여섯 개에 상당하는 탄산칼슘의 생성이 앞서 언급한 두 프로세스에 의해 가능한데 이것이 결정적으로 균열의 효율적인 메움 작용을 이끌게 되는 것이다.

 

박테리아 포자의 생존은 건조 상태 심지어 강한 외력을 받는 곳에서 조차도 200년 이상의 오랜 생존 능력을 가지고 있다고 한다. 그러나 보호조치가 없는 상태로 콘크리트 속에 박테리아가 첨가되는 경우 박테리아 수명은 크게 감소된다. 실제로 시멘트 페이스트의 응결이 일어나면서 콘크리트 속의 공극의 직경은 상당히 줄어든다. 대부분의 경우 이러한 현상이 일어나는데 바실러스 포자의 일반적인 크기는 1μm 인데 콘크리트의 공극이 그 이하로 줄어들게 되면서 포자의 수명이 줄어드는 것이다. 따라서 박테리아 포자의 수명을 연장하기 위하여 박테리아 포자를 콘크리트 배합에 투입하기 전에 보호조치가 이루어져야 된다. 일부 연구결과에 따르면 콘크리트에 박테리아를 투입한지 6개월째인데도 불구하고 생존하는 것으로 관찰되었다고 한다.

 

콘크리트 구조물이 직사광선을 포함한 가혹한 기상조건에 노출됨에 따라 자가치유 메커니즘(self-healing mechanism)에 온도가 미치는 영향연구에 큰 관심을 가지게 되었다. 온도변화에 따라 자가치유 현상의 결과가 달려있는지를 알아보기 위해 실험이 실시되었다. 섭씨 20˚, 50˚80˚ 세 가지 다른 온도 값이 한 실험연구에 채택되었다. 섭씨 20˚ 상태에서 30% 투과율의 균열이 섭씨 80˚로 온도가 증가된 상태에서는 3%로 개선되었다. 실제로 온도가 올라감에 따라 투과율이 크게 감소하여서 물의 점성이 감소한다. 따라서 콘크리트의 자가치유 성능은 온도가 올라가면 개선된다는 결론을 내릴 수 있었다.

 

이 외에도 콘크리트 내부의 여건도 박테리아 포자의 균열치유 효능에 중요한 역할을 한다. 일반적으로 pH값이 12 이상인 여건에서는 박테리아 포자의 활동이 감소한다. 따라서 별도로 준비된 매개체를 통해서 박테리아를 도입한다는 것은 좋은 생각이다. 실리카 겔 및 폴리우레탄 매체체를 사용하여 이루어진 실험연구결과에 따르면 폴리우레탄 매개체를 통하는 것에 비하여 실리카 겔을 매개체로 하여 박테리아를 도입하는 것이 보다 큰 활동성을 나타내는 것으로 밝혀졌다. 석회석 석출(limestone precipitation)이 폴리우레탄의 경우 11%인 것에 비하여 실리카 겔의 경우 25%이었지만 여전히 자가치유 콘크리트의 박테리아 운반 매개체로 폴리우레탄이 더 큰 사용 잠재력이 있는 것으로 결론이 내려졌다. 그 이유는 폴리우레탄을 매개체로 도입된 박테리아에 의해 치유된 시편에서 60% 정도로 보다 큰 강도가 회복되었고 투수계수도 10-10-10-11m/초가 달성되었는데 그에 비해 실리카 겔을 매개체로 도입된 박테리아에 의해 치유된 시편은 강도는 단지 5% 정도만 회복되었고 투수계수도 10-7-10-9m/초가 달성되었기 때문이다. 치유된 콘크리트에서 역학적 특성의 회복은 중요한 측면으로 최근 수년간 연구진들의 관심을 모았으며 자가치유 메커니즘이 콘크리트의 역학적 특성을 개선한다는 것도 관찰되었다. 예를 들면, 동결융해작용으로 손상된 초고강도 콘크리트의 공명진동수(resonance frequency)는 박테리아에 의해 치유가 이루어진 후 상당한 개선을 보여주었다. 또한 한 연구에서, 미생물에 의해 유도된 탄산칼슘이 모르타르 큐브의 압축강도를 개선하는 것으로 입증되었다. 콘크리트의 처짐과 관련하여 박테리아로 치유된 콘크리트가 균열의 치유과정을 거친 경우 그렇지 않은 경우에 비해 처짐과 휨강도 모두에서 약간 더 좋은 강도회복결과를 나타내었다. more>

 

 

 

 

 

 

· source : https://www.kaia.re.kr/portal/reports/view.do?menuNo=200329&pageIndex=1&seqno=3777

 

 

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