Analysis of the Mechanical Properties of Bioconcrete

콘크리트는 현대 인프라의 중추이며, 거의 모든 도시의 스카이라인을 형성하고 거의 모든 도로의 기초가 될 정도로 어디에나 존재하는 재료입니다. 그러나 그 강도에도 불구하고, 콘크리트에는 치명적인 결함이 있습니다. 바로 균열이 생긴다는 점입니다. 머리카락 너비보다도 좁은 경우가 많은 이 틈새들은 물과 유해한 화학 물질이 내부 깊숙이 스며들게 하여, 내부의 철근을 부식시키고 구조물을 서서히 약화시킵니다. 수십 년 동안 이에 대한 해결책은 인간의 개입이었으며, 작업자들이 수지를 주입하거나 패치를 붙이는 과정을 필요로 했습니다. 이는 비용이 많이 들고 반복적이며, 종종 일시적인 조치에 불과했습니다. 인간의 몸이 상처를 치유하듯 스스로 상처를 봉합할 수 있는 건물을 꿈꾸는 것은 오랫동안 엔지니어들을 매료시켜 왔습니다. 이 개념은 살아있는 박테리아를 사용하여 틈을 채울 광물을 생성하는 생물학적 기법에 의존합니다.

에콰도르의 우니베르시다드 데 라스 푸에르사스 아마라다스(Universidad de las Fuerzas Armadas) ESPE의 연구팀은 구체적이고 실질적인 목표를 가지고 이 꿈을 테스트하기 위해 나섰습니다. 그들은 흔한 토양 박테리아인 바실러스 서브틸리스(Bacillus subtilis)를 콘크리트에 혼합하여, 구조적 강도를 잃지 않으면서 스스로 균열을 치유할 수 있는 재료를 만들 수 있는지 확인하고자 했습니다. 이를 실현하기 위해 그들은 박테리아의 먹이가 필요했고, 박테리아가 섭취하여 탄산칼슘을 생성할 수 있는 영양분인 젖산 칼슘을 제공했습니다. 이 흰색의 암석 같은 물질은 석회암이나 분필을 구성하는 성분과 같으며, 콘크리트의 맥락에서는 균열을 메우는 천연 시멘트 역할을 합니다. 연구진은 특히 습도가 높고 빈번한 지진으로 인해 건물이 끊임없이 스트레스를 받는 이 지역의 특정 조건 하에서 이 살아있는 혼합물이 어떻게 반응할지에 주목했습니다. 그들은 균열을 효과적으로 치유할 만큼 충분한 박테리아를 넣되, 건물을 지탱하기에 너무 약하거나 유연해지지 않을 정도의 완벽한 균형을 찾는 것을 목표로 삼았습니다.

연구팀은 먼저 살균제로 판매되는 상업용 제품인 박테리아 성분의 품질을 검증하는 것으로 시작했습니다. 그들은 액체 내에 정확한 수의 살아있는 박테리아가 포함되어 있는지, 그리고 다른 오염 물질 없이 순수한지를 확인했습니다. 그런 다음 그들은 표준 레시피에서 시작하여 다양한 양의 젖산 칼슘 영양분을 추가하는 일련의 콘크리트 배합 설계를 진행했습니다. 그들은 세 가지 수준의 영양분을 테스트했으며, 시멘트 중량의 1%를 추가했을 때 콘크리트의 압축 저항력이 크게 향상된다는 것을 발견했습니다. 박테리아를 넣기 전의 이 혼합물은 28일 후 336.14 kg/cm²의 강도에 도달했는데, 이는 표준 혼합물보다 상당히 개선된 수치였습니다. 이는 영양분 자체가 박테리아의 먹이일 뿐만 아니라, 콘크리트를 더 밀도 있고 강하게 만드는 유익한 첨가제로서 작용했음을 시사합니다.

다음으로 연구진은 영양분 수준을 최적의 1%로 유지한 상태에서 혼합물에 박테리아를 도입했습니다. 그들은 박테리아 액체의 양을 전체 용수의 2.5%, 5%, 10%로 변화시키며 테스트했습니다. 여기서 결과는 미묘한 절충 관계를 드러냈습니다. 박테리아는 자가 치유 과정에 필수적이었지만, 너무 많이 넣으면 콘크리트가 약해지기 시작했습니다. 박테리아의 양이 증가함에 따라 재료의 압축 저항력은 떨어졌으나, 안전 기준을 충족할 만큼의 강도는 유지되었습니다. 더 중요한 것은 연구진이 박테리아를 추가함으로써 발생하는 숨겨진 비용을 발견했다는 점인데, 바로 재료가 덜 뻣뻣해진다는 것이었습니다. 뻣뻣함(Stiffness)은 재료가 부서지기 전 하중 하에서 얼마나 휘거나 늘어나는지를 측정하는 척도입니다. 표준 콘크리트는 단단하고 형태를 잘 유지했지만, 박테리아가 들어간 혼합물은 눈에 띄게 더 유연해졌습니다. 박테리아 투여량이 가장 적은 혼합물은 해당 강도의 콘크리트에 대해 건축 법규가 예측하는 것보다 약 28% 덜 뻣뻣했으며, 가장 많은 양을 넣은 혼합물은 거의 50% 덜 뻣뻣했습니다. 이 발견은 매우 중요한데, 왜냐하면 콘크리트가 여전히 무게를 견딜 수는 있지만, 무게 아래에서 더 쉽게 휘어질 수 있으며, 이는 지진 발생 시 건물이 흔들리는 방식에 영향을 미칠 수 있기 때문입니다.

박테리아가 의도한 대로 작동하는지 확인하기 위해 연구팀은 가장 성능이 좋았던 혼합물(젖산 칼슘 1%와 박테리아 2.5%)을 사용하여 콘크리트 실린더에 의도적으로 균열을 냈습니다. 그런 다음 그들은 치유가 일어나야 하는 젖은 조건을 시뮬레이션하기 위해 균열이 생긴 조각들을 물에 담갔습니다. 21일에 걸쳐 놀라운 변화가 일 나타났습니다. 물과 영양분이 있는 환경에서 깨어난 박테리아가 증식하며 탄산칼슘을 생성하기 시작했습니다. 이 흰색 광물이 균열 내부에서 자라나 틈을 완전히 채우고 봉합했습니다. 연구진이 강력한 현미경으로 치유된 균열을 관찰했을 때, 그 흰색 침전물이 콘크리트 자체를 구성하는 성분인 탄산칼슘임을 확인했습니다. 그러나 이 치유 과정은 전적으로 수분에 의존했습니다. 유사한 균열 샘플을 건조한 공기 중에 두었을 때는 치유가 일어나지 않았으며, 이는 박테리아가 깨어나서 일을 하기 위해서는 지속적인 물이 필요하다는 것을 입증했습니다.

연구는 바이오 콘크리트가 습도가 높고 지진 활동이 빈번한 에콰도르와 같은 지역에서 실행 가능한 기술이지만, 세심한 관리가 필요하다고 결론짓습니다. 연구진이 찾아낸 이상적인 레시피는 1%의 젖산 칼슘과 적은 양의 박테리아를 결합하는 것입니다. 이 혼합물은 구조물이 젖은 상태를 유지한다면 3주 이내에 균열을 완전히 봉합할 수 있는 능력과 상당한 강도 향상을 제공합니다. 하지만 이 재료는 모든 종류의 콘크리트를 대체할 수 있는 완벽한 수단은 아닙니다. 박테리아가 재료의 뻣뻣함을 감소시키기 때문에, 이 바이오 콘크리트는 극단적인 강성보다는 누수를 방지하는 것이 더 중요한 보도, 보호층 또는 수조와 같은 비구조적 요소에 가장 적합합니다. 주요 구조용 보나 기둥의 경우, 박테리아의 존재가 표준 공식이 예측하는 방식과는 다르게 재료의 특성을 변화시키므로, 엔지니어들은 표준 계산에 의존하기보다 특정 혼합물의 뻣뻣함을 직접 측정해야 합니다. 이 연구는 자연이 실제로 우리의 구축된 환경을 수리하는 데 도움을 줄 수 있음을 확인시켜 주는 동시에, 건축 재료에 생명력을 도입하는 것은 그 구조물의 근본적인 성격을 변화시키며, 따라서 이러한 구조물이 시간이 지남에 따라 어떻게 작동할지에 대한 새로운 이해를 요구한다는 점을 상기시켜 줍니다.