시멘트계 재료의 균열자기치유 기술 및 산업 전망

추 용 식_ 한국세라믹기술원 에너지환경소재본부 책임연구원

정 재 현_ 고려대학교 건축사회환경공학과 석사과정

1. 서 론

최근 건설업계는 건축물의 안전성 확보뿐만 아니라 경제적인 유지관리가 가능한 방안으로써 자기치유 콘크리트에 주목하고 있다. 자기치유 콘크리트는 오래된 콘크리트의 균열에서 흰색의 결정이 균열을 따라 형성되어 있는 것을 발견한 것으로부터 주목받기 시작되었다. 이는 산성비나 이산화탄소의 영향으로 추정되었으며 후에 콘크리트 속의 수화되지 않은 시멘트와 물에 용해된 이산화탄소가 탄산칼슘을 형성하는 것이 원인으로 밝혀졌다.[1, 2] 이후 많은 연구자들에 의해 손상된 부위에 대하여 물리적인 보수 방법 없이 본체 내에 함유한 물질로 원형상태를 복구하는 과정이 연구되었다. 그 결과 오늘날의 ‘자기치유(Self-Healing)’라는 용어가 널리 쓰이기 시작되었다.
자기 치유 물질은 자발적으로 작은 손상 및 균열을 치유하는 능력이 있는 물질이다. 자기 치유 물질의 특성을 조사하는 주된 목적은 건축물의 사용 수명을 연장하는데 있다. 복잡한 구조를 지니거나 유지관리 비용이 높은 건축물의 안전성 증진에도 자기 치유 물질을 활용한 기술을 적용할 수 있다. 따라서 자기 치유 물질의 효과적인 사용은 구조체의 지속 가능성 증가로 이어지는 것이다.
콘크리트는 본래의 치유 능력을 어느 정도 지니고 있지만, 이는 제한적이며 그 효과를 파악하기가 쉽지 않다. 1981년에 A. M. Neville은 이미 이 현상에 대해 언급하였고, 미세 균열이 습한 조건에서 시멘트의 재수화와 탄산화에 의해 자기 수복이 일어난다는 초기 자기치유의 개념을 설명하였다. 이후 그 프로세스는 Hearn(1998), Edvarsen(1999), Heide(2005)에 의해 연구되었고 이들은 모두 콘크리트의 재령에 따라 자기 치유 현상의 영향 요인이 달라짐을 확인하였다. 즉, 콘크리트의 재령 기간이 짧을수록 수화되지 않은 시멘트의 수화 반응에 영향을 받으며, 반대로 재령이 길어지면 물질의 탄산화가 자기치유 현상에 더 큰 영향을 준다는 것이다.[3] 그러나 당시 콘크리트의 이러한 치유 능력은 신뢰할 만한 수준으로 여겨지지 않았다. 이는 향후 콘크리트의 자기 치유라는 개념이 활발히 연구되는 계기가 되었다.

2. 대표적 시멘트・콘크리트 자기치유 기술

오늘날 대표적인 자기치유 콘크리트 기술로는 마이크로캡슐 및 박테리아를 활용하는 기술과 콘크리트 내 미반응 무기바인더의 활성화를 이용하는 기술 등이 있다.

2.1 마이크로캡슐 활용 자기치유 콘크리트

마이크로캡슐을 활용한 자기치유 콘크리트는 균열의 감지기능 역할을 담당하는 재료와 균열을 복구할 수 있는 보수제의 선택이 매우 중요하다. 보수제를 봉입한 캡슐이 균열에 대해 민감하게 반응할 경우 균열의 발생과 함께 캡슐이 파괴되고, 일정수준의 균열 폭에 달할 때에 캡슐 내의 보수제가 유출되어 균열을 채워 복구하는 것이 이 기술의 메커니즘이다.[4] 또한 마이크로캡슐 껍질의 강성과 강도 제어는 핵심 기술 중의 하나이다. 강도가 너무 크면 마이크로캡슐이 파괴되지 않아 치료효과를 기대할 수 없으며 너무 얇거나 약하면 취급이 어렵고 타설 및 경화과정 중에 쉽게 파괴되기 때문이다.
콘크리트에서 마이크로캡슐이 활용된 예로 실록산-메타크릴레이트 프리폴리머(Siloxane-metha-crylate prepolymer) 캡슐이 있다. 이는 캡슐을 실록산계 매트릭스 소재에 분산시켜 콘크리트 보호코팅재로 적용하는 방식이다. 캡슐에 활용된 자기치유 물질은 광반응성으로 태양광에 반응한다.
하지만 이와 같이 마이크로캡슐을 활용한 기술은 재료자체가 고가일 뿐만 아니라, 촉매 및 마이크로캡슐을 콘크리트에 균일하게 분포시키는 것도 쉽지 않다. 또한 콘크리트 타설시 캡슐이 파괴되지 않고 콘크리트 경화 후에도 그 기능을 장기적으로 발현할 수 있는 방안 등에 대한 연구가 더 요구된다.

2.2 박테리아를 활용한 자기치유 콘크리트

콘크리트는 매우 건조하고 염기성을 띄는 내부 환경을 지니고 있어 생명 활동이 불가능할 것 같지만 특정한 박테리아는 콘크리트 안에서도 생존할 수 있는 것으로 알려져 있다. 지하 1km 이상 되는 깊이의 암반이나 사막과 같은 극한의 환경에서도 살아있는 박테리아는 존재한다.[5]
이러한 특성으로 인해 박테리아는 콘크리트에서도 다양한 적용이 가능하며, 표면 self-cleaning, 압축강도 향상, 균열 보수 등 여러 적용 사례가 존재한다.
특히 self-healing 작용을 하는 박테리아를 활용한 기술은 네덜란드 델프트 공대의 Brugel 교수 연구진에서 활발한 연구가 진행되고 있다. 이 기술은 미생물의 생체광물형성작용(Biomineralization)을 콘크리트 균열 보수에 활용하는 것이다. 생체광물형성작용은 미생물이 자기의 몸 내외에 광물을 만들어 내는 현상이며, 규산염, 탄산염, 칼슘 인산염 등을 생성한다.

자세한 내용은 세라믹 코리아 7월호에서 확인하실 수 있습니다.