건축/환경에너지

Nikkei Architecture_20.12.10_ News (p10-12)
(Nikkei X-TECH_2020.11.25)

박테리아가 자동 복구하는 ‘자기치유 콘크리트’
아이자와고압콘크리트, 세계 첫 양산 기술 확립

아이자와고압콘크리트(홋카이도, 이하 아이자와)와 아이자와기술연구소는 콘크리트 구조물의 균열 등의 손상을 박테리아가 자동 복구하는 ‘자기치유 콘크리트’의 양산 기술을 세계에서 처음으로 확립했다. 20년 11월 16일부터 자기치유화 재료 제조를 시작했다. 연간 70만 ㎥에 상당하는 자기치유 콘크리트의 대량 공급이 가능하다.

아이자와가 실용화한 자기치유 방법은 네덜란드 델프트공과대학의 헨드릭 욘커스 교수가 이끄는 연구팀이 고안했다. 알칼리 내성이 강한 박테리아와 그 먹이가 되는 폴리락트산(Polylactic Acid)을 콘크리트에 배합해 둔다. 균열 등이 발생하면, 균열 틈으로 침투한 물과 산소로 인해 휴면 상태였던 박테리아가 활성화된다. 먹이를 먹고 균열을 메우는 탄산칼슘을 생성한다.

아이자와는 델프트공과대학교가 설립한 네덜란드의 Basilisk Contracting BV와 독점 판매 계약을 17년 4월에 체결했다. 당시에 이미 유럽에서는 자기치유 콘크리트가 상품화되어 있었다. 그러나 그 상태 그대로 일본 콘크리트에 적용하기는 어려웠다. 최적의 자기치유화 재료의 검토와 양산화에 시간이 필요했다.

욘커스 교수가 제작한 프로토타입에서는, 실 모양으로 생성한 생분해성 플라스틱의 폴리락트산에, 배양한 박테리아를 등간격으로 주입하며 2mm 정도의 간격으로 재단. 수중(水中)에서 식힌 후에 건조시킨 ‘캡슐’을 이용한다. 그러나 그 크기가 걸림돌이 되었다.

“캡슐이 너무 커서, 콘크리트에 섞으면 부력 등으로 인해 떠올라서 안정적이지 못하다. 제조 공정이 복잡하고 대량 생산에도 적합하지 않았다”. 개발을 주도해 온 아이자와 생산화학본부의 사카이(酒井) 본부장은 말한다.

네덜란드에서 사용하고 있는 시멘트에는 플라이 애시 등이 섞여 있다. 일본의 순도 높은 콘크리트를 주원료로 하는 시멘트와는 다르다. 이 점도 문제로 작용했다. 일본의 콘크리트는 알칼리 성분이 강해 폴리락트산을 가속적으로 분해하기 때문에 칼슘락테이트(Calcium Lactate)를 과잉 생성한다. 그것이 콘크리트 표면에 하얀 반점으로 떠올랐다.

-- 캡슐이 아니라 분체(粉體)로 변경 --
과제 해결을 위해 아이자와가 생각한 것은 분체화다. 폴리락트산을 1mm 정도의 크기로 분쇄 가공한다. 그런데 폴리락트산과 박테리아의 크기가 다른 것이 문제가 되었다. 배양 과정에서 증식한 박테리아 군체는 100µm로 작다. 다른 크기의 입자를 균등하게 섞는 것은 어려운 일이다.

그래서 주목한 것이 화장품이나 의약품에 사용하는 특수 믹싱 장치다. 아이자와는 독일의 기계업체와 공동 개발에 착수했다.

장치는 밀폐∙감압을 통해 내측 날개와 외측 날개의 회전 속도를 바꿀 수 있다. 재료의 분산 효과가 비약적으로 상승했다. 입자를 작게 함으로써, 콘크리트의 표면에 떠오르는 하얀 반점 문제를 해결했다. 또한 균등하게 분산한 박테리아를 폴리락트산 분체로 가둠으로써, 콘크리트 반죽할 때 높은 알칼리에 노출되더라도 박테리아가 일정한 생존율을 유지할 수 있다.

이를 통해 박테리아와 폴리락트산 분체에 의한 ‘Basilisk HA’라는 자기치유화 재료를 5분간 600kg 제조할 수 있게 되었다. 하루에 10t의 연속 제조가 가능하다. 콘크리트 1㎥당 5kg을 섞기만 하면, 자기치유 기능을 발휘하는 콘크리트가 된다. 연간으로는 70만 ㎥의 자기치유 콘크리트를 공급할 수 있다는 계산이다.

-- 만들고 부수는 ‘20세기 모델’과의 결별 --
아이자와는 현재 자기치유화 재료의 단독 판매를 생각하고 있지 않다. 아이자와가 제조하는 프리캐스트 콘크리트에 자기치유 기능을 추가해 판매할 방침이다. 레미콘(Ready-Mixed Concrete)에 혼입하는 것도 고려 중이다. 앞으로는 홋카이도 이외에 간토지역이나 간사이지역에 플랜트를 설치해 나간다.

재료 비용은 밝히지 않았지만 통상 콘크리트보다 비싸진다. “폴리락트산의 분쇄 공정을 추가한다면, 현재로서는 해외에서 수입하는 편이 오히려 싸다. 일본에서는 폴리락트산 업체가 비닐봉투 등의 상품화를 고려하고 있기 때문에 조달이 어렵다. 언젠가 국내에서 조달할 수 있게 된다면 비용은 더 억제할 수 있을 것이다”(사카이 본부장).

믹싱 장치의 교반 속도를 바꿈으로써 자기치유 기능을 지닌 액체 타입(Basilisk ER7)이나 모르타르계(Basilisk MR3) 보수재를 만들 수도 있다. Basilisk MR3의 비용은 통상의 모르타르계 보수재와 비교해 10% 이상 비싸진다. 보수재의 경우는 전자상거래(EC) 플랫폼을 채용해 일반 소비자가 구입할 수 있도록 한다.

아이자와가 자기치유 콘크리트의 양산화에 집중한 이유는 ‘탈탄소화’다. 아이자와에 따르면, 콘크리트의 원료가 되는 시멘트는 1t 생산에 CO₂를 0.8t 배출한다. 일본의 시멘트 공급량이 연간 약 4,300만t이기 때문에 CO₂ 배출은 약 3,400만t이 된다. 전체 산업의 CO₂ 배출량의 수 %에 해당한다.

아이자와(會澤) 사장은 “콘크리트의 자기치유화는 만들고 부수고를 반복하는 20세기 모델과 결별하는 것과 같은 의미다”라고 말한다.

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