1. 서 론

최근 국내외적으로 시멘트를 사용하지 않고 친환경적으로 지반을 고결시키기 위한 다양한 연구가 수행되고 있다. 예를 들면, 지반 내에 존재하는 칼슘이온과 요소를 분해하는 미생물의 대사활동을 이용하여 흙 입자 사이에 칼사이트(calcite)를 석출시켜 지반의 고결을 유도하는 연구가 수행되고 있다(Kim et al., 2012; Park et al., 2011; Mitchell and Santamarina 2005; Whiffin et al., 2007; Terajima et al., 2009; Kawasaki et al., 2010; Van Paassen et al., 2010). Kim et al.(2011)과 Lee(2013)는 유기산을 이용하여 지반 내에 존재하는 미생물의 반응을 촉진시켜 흙 입자 사이에 칼사이트를 석출시키는 고결 메카니즘을 제시하기도 하였다. 생물체로부터 생산되는 다당류인 바이오폴리머(biopolymer)의 고분자 사슬과 흙 입자 간에 작용하는 결합력을 이용하여 흙을 안정화시키는 연구(Jang, 2010; Cole et al., 2012)도 수행되고 있다.

한편 자원 재활용을 위해 잠재 수경성을 지닌 고로슬래그에 다양한 알칼리 활성화제를 이용하여 지반을 고결시키는 연구도 수행되고 있다. Yang and Sim(2008)은 알칼리 활성화제로 석고를 사용한 모르타르의 압축강도 발현 및 건조 수축 제어에 관한 연구를 수행하였다. Yoon and Kim(2006)은 버려지는 굴패각을 소성한 후 천연 수산화칼슘을 제조한 다음 고로슬래그와 혼합하여 점토 고결제로 사용하였으며, Lee(2011)는 레미콘 회수수를 이용하여 고로슬래그의 알칼리 활성화제로의 활용 가능성을 보여주었다. 또한 Park and Choi(2013)는 모래 고결을 위해 고로슬래그에 수산화칼슘이 주성분인 굴패각과 수산화기(OH-) 계열의 다양한 화학약품을 이용하여 고결을 유도하였으며, 고로슬래그가 16% 포함된 모래의 경우 일축압축강도가 3MPa까지 증가하였다.

본 연구에서는 앞서 언급한 고로슬래그에 수산화칼슘 및 수산화나트륨과 같이 기존에 사용되고 있는 화학적 알칼리 활성화제뿐 아니라 수산화기 계열의 화학약품에 높은 pH에 생존하는 극한미생물을 혼합한 미생물 알칼리 활성화제를 개발하여 모래의 고결 가능성을 평가하였다. 낙동강모래에 고로슬래그의 함유량(4, 8, 12, 16%)을 달리하면서 화학적 또는 미생물 알칼리 활성화제를 혼합하여 소형 공시체를 제작한 다음 7일 동안 양생한 후 일축압축시험을 실시하였다. 이와 같이 고로슬래그로 고결된 모래의 일축압축강도와 XRD 및 SEM 분석을 통하여 본 연구에서 새롭게 개발한 미생물 알칼리 활성화제의 성능 및 현장 적용 가능성을 검토하였다.

2. 모래 및 고결 재료

2.1 모래

본 연구에서는 낙동강모래를 사용하였으며, XRF 성분분석 결과에 의하면 낙동강모래는 실리카(이산화규소)가 78% 이상인 실리카질 모래이다. 모래 입자는 약간 모난 형태를 하고 있으며 색깔은 다소 붉은 색을 띠고 있다. 낙동강모래의 입도분포곡선은 Fig. 1과 같으며 최대간극비와 최소간극비는 각각 1.181과 0.849이다. 통일분류법에 의하면 빈입도 모래(SP)로 분류된다.

2.2 고로슬래그

고로슬래그의 일반적인 성분은 포틀랜드 시멘트와 유사한 성분으로 구성되어 있으며 알루민산 규산염이라 할 수 있다. 하지만 고로슬래그는 선철을 제련하는 과정에서 발생하는 부산물이기 때문에 철광석의 품질 및 제조과정에 따라 화학적 성분이 다소 차이 날 수 있다. 본 연구에 사용한 고로슬래그의 화학적 구성은 Table 1과 같이 SiO2, CaO, Al2O3이 약 86% 함유되어 있으며, 입도분포곡선은 Fig. 1과 같다. 슬래그는 분말을 그대로 물과 접촉시켜도 수화반응은 거의 진행되지 않지만 알칼리 존재 하에 물과 반응하면 슬래그의 막이 파괴되고 CaO와 SiO2 성분이 용출되어 C-S-H계와 C-A-H계 수화물을 생성하게 되며, 강도 발현에 기여하는 수화물은 C-S-H계로 반응식은 식 (1)과 같다.

6(2CaO･Al2O3･SiO2)+68.5H2O

→5CaO･6SiO2･10.5H2O(C-S-H)+5(CaO･Al2O3･10H2O)(C-A-H)+2CaO･Al2O3･8H2O(C-A-H) (1)

2.3 알칼리 활성화제

2.3.1 화학적 알칼리 활성화제(Chemical alkaline activator)

고로슬래그 미분말은 단독으로 물과 반응하여 경화하는 것이 아니라 pH 12 이상의 알칼리 활성화제가 필요하다. 지금까지 알려진 알칼리 활성화제는 수산화나트륨, 수산화칼륨 등의 수산화기 계열을 비롯하여 황산칼슘, 칼슘설포알루미네이트, 규산나트륨 등으로 알려져 있다. 이는 수용성 알칼리염으로 Ca+ 이온과 반응하여 칼슘 화합물을 만들어 낼 수 있는 음이온이 효과적인 알칼리 활성화제로 알려져 있다. 본 연구에서는 기존에 알려진 수산화칼슘(Ca(OH)2)과 수산화나트륨(NaOH)을 이용하여 알칼리 활성화제를 제조하였다.

수산화칼슘과 수산화나트륨을 이용한 알칼리 활성화제를 ‘화학적 알칼리 활성화제(Chemical alkaline activator)’로 표기하였으며, 화학적 알칼리 활성화제 수용액의 농도가 1몰(Mol)이 되도록 Table 2와 같이 두 종류의 알칼리 활성화제(Ca 및 Na)에 증류수를 혼합하였다. Table 2는 화학적 알칼리 활성화제 수용액 제조에 사용한 각종 성분과 수용액의 pH를 나타내고 있다.

2.3.2 미생물 알칼리 활성화제(Microorganism alkaline activator)

기존의 화학적 알칼리 활성화제에 극한미생물을 혼합하여 새로운 알칼리 활성화제를 개발하였으며, 이를 ‘미생물 알칼리 활성화제(Microorganism alkaline activator)’로 표기하였다. 극한미생물은 온도, 압력, 방사선 등 물리적인 극한환경(extreme environment) 또는 pH, 염도, 건조성, 산소농도 등 지구화학적 극한환경 등 일반적인 자연환경이 아닌 특수환경에서 서식하거나 그러한 환경과 동일한 조건에서 증식할 수 있는 미생물이다. 이런 환경에서 생장 혹은 생존할 수 있는 미생물을 포함한 생물체를 통틀어 Extremophile이라고 한다. 본 연구에서 활용한 Bacillus halodurans 균주는 지구화학적 극한환경 요인 중 pH와 관련된 것으로 pH 10-12에서 Fig. 2와 같이 생존할 수 있는 대표적인 호알칼리성(Alkaliphile) 미생물이다. 형태는 막대 모양(rod-shaped)이며, Gram-positive 균주이다. 이 균주가 최초로 분리 및 동정된 것은 1975년 Bacillus sp. strain C-125(JCM9153)로 β-galactosidase와 xylanase를 생산하는 것으로 알려져 있다. 근래에 와서 16S rDNA 서열 분석 및 DNA-DNA hybridization 분석 등을 통해 Bacillus halodurans라는 이름으로 재분류되었다. 본 균주의 가장 큰 특성으로는 pH 10-12에서 생존 가능하고 호알칼리성을 지니는 유용한 효소들을 생산하는 데 있다. 대표적인 것들로는 단백질 분해효소인 protease, cellulose를 분해할 수 있는 cellulase, 전분(starch)을 분해할 수 있는 amylase 등이다.

Table 2의 미생물 알칼리 활성화제(CaMicro 및 NaMicro) 제조를 위한 미생물 배양액(Microbial culture)의 제조과정은 다음과 같다. 먼저 증류수 1 L에 Beef Extract 3.0g과 Peptone 5.0g을 혼합하여 1차 배지(미생물의 영양분 역할)를 제조하며, 증류수 100mL에 NaHCO3 4.2g과 Na2CO3 5.3g을 혼합하여 2차 배지를 제조하는데 2차 배지는 미생물의 성장을 촉진시키며 최적의 pH로 유지시켜주는 역할을 한다. 제조된 1, 2차 배지를 혼합한 후 멸균을 통하여 최종 액체 배지를 제조하였다. 이와 같이 조성한 액체 배지에 독일유전자은행(DSM, Deutsche Sammlumg von Microorganismunt Zellkulturen GmbH)으로부터 분양 받은 Bacillus halodurans(DSM 9757) 균주를 접종하여 2일 간 28°C에서 160rpm으로 교반시켜 배양하였다. 미생물 접종 직후는 미생물의 수가 극히 적어 배양액이 투명하게 보이지만 시간이 지남에 따라 미생물의 개체수가 증가하면서 Fig. 3과 같이 미생물 배양액이 혼탁해지는 것을 볼 수 있다.

3. 극한미생물 pH 내성실험 및 공시체 제작방법

3.1 pH 조건에 따른 Bacillus halodurans 균주 생장 실험

Bacillus halodurans 균주의 최적생장 조건은 pH 9.8로 알려져 있으며, pH 12 이상의 강알칼리 환경에서도 생존 및 생장하는 것으로 알려져 있다. 강알칼리 조건에서 Bacillus halodurans 균주의 생장곡선 차이를 관찰하기 위해 pH에 따른 생장률을 실험하였으며, pH 조절에는 수산화나트륨을 이용하였다. 그 결과, Fig. 4에서 보는 바와 같이 pH 11과 같은 강알칼리 조건에서도 극한미생물의 생장이 활발하며, pH 13.0의 조건에서 생장은 매우 미미한 것으로 확인되었다. 따라서, pH 13.0을 넘어서는 pH 조건에서의 Bacillus halodurans 균주 생장은 거의 이루어지지 않는 것으로 판단되었다. 한편, pH 12.5의 조건에서는 미생물이 초기에 빠르게 생장을 하고 5시간이 지나면서 생장이 일정하게 유지되는 것을 확인하였다. 즉, pH 12.5 조건에서도 미생물이 사멸하지 않고 유지되는 경향을 보이므로 미생물 알칼리 활성화제의 가능성을 확인할 수 있었다.

3.2 공시체 제작방법

공시체 제작방법은 모래와 고로슬래그를 비빈 다음 Table 2의 수산화칼슘을 이용한 화학적 알칼리 활성화제(Ca)와 미생물 알칼리 활성화제(CaMicro) 그리고 수산화나트륨을 이용한 화학적 알칼리 활성화제(Na)와 미생물 알칼리 활성화제(NaMicro)를 각각 최적함수비 15%로 넣어 성형 몰드와 램머를 사용하여 5층으로 나누어 직경 5cm, 높이 10cm의 공시체를 제작하였다. Fig. 5와 같이 다짐에 사용한 램머의 직경은 4.7cm이고 무게는 1kg이며, 저다짐방법으로 최종적으로 다짐이 완료되었을 시에 층당 높이가 2cm가 되도록 제작하였다. 공시체의 몰드는 제작 6일 후에 분리하였으며, 평균 온도가 28°C로 유지되는 실내에서 공시체를 대기 중 양생하였다. 양생기간은 7일이며 양생이 완료된 공시체는 1%/min의 전단속도로 일축압축시험을 실시하였다.

4. 일축압축시험 결과 및 분석

4.1 일축압축시험 조건 및 결과

낙동강모래에 고로슬래그를 4, 8, 12, 16%로 혼합한 다음 Table 2와 같은 네 종류의 알칼리 활성화제(Ca, CaMicro, Na, NaMicro)를 사용하여 고결을 유발하였으며, 각각의 공시체에 사용한 알칼리 활성화제, 건조밀도 등 실험조건은 Table 3과 같다. 각각의 경우에 대해 동일한 공시체를 2개씩 제작한 다음 평균값을 Table 3에 비교 분석하였다. 공시체의 건조밀도는 CaMicro-1의 경우 1.476g/cm3로 가장 낮았으며, Na-4의 경우 1.674g/cm3로 가장 높았다. 모든 공시체에서 고로슬래그의 양이 증가할수록 건조밀도가 증가하였으며, 이는 고로슬래그가 수화되면서 생성된 고결물질이 증가하였기 때문으로 판단된다. 또한 생성된 수화물로 공시체 내 공극이 감소하면서 증발되는 수분이 감소하여 양생 후 함수비는 최대 9.31%로 나타났으며, 기존 연구사례(Park and Choi, 2013)에서도 이와 동일한 경향이 나타났다.

Fig. 6과 7은 알칼리 활성화제에 수산화칼슘과 수산화나트륨이 각각 포함된 공시체에 대한 일축압축시험으로부터 얻은 응력-변형률 곡선이다. 알칼리 활성화제의 종류에 관계없이 고로슬래그의 함유량이 4%에서 16%로 증가함에 따라 일축압축강도가 평균 178kPa에서 2,435kPa로 증가하였으며, 화학적 알칼리 활성화제의 종류에 따른 비교는 다음과 같다.

먼저, 화학적 알칼리 활성화제를 고로슬래그 고결에 사용한 경우에는 Fig. 6(a)의 수산화칼슘이 혼합된 경우(Ca-1, 2, 3, 4)가 Fig. 7(a)의 수산화나트륨을 혼합한 경우(Na-1, 2, 3, 4)보다 일축압축강도가 5-54% 정도 높게 나타났다. 이 결과는 유사한 연구사례(Park and Choi, 2013)와 상반되는 결과이다. 이러한 차이는 기존 연구에서 사용한 공시체의 제작 및 양생 시 평균 실내 온도는 20°C이고 습도는 75%이지만, 본 연구에 사용한 공시체의 경우에는 온도는 28°C, 습도는 67%이었다. 이와 같은 공시체의 제작시기에 따른 온도나 습도 차이가 화학약품의 반응에 영향을 미치면서 강도 차이를 보인 것으로 판단된다.

Fig. 6은 수산화칼슘으로 화학적 알칼리 활성화제(Ca)와 미생물 알칼리 활성화제(CaMicro)를 제조하여 고로슬래그의 고결을 유도한 강도시험 결과로 미생물 알칼리 활성화제의 경우 화학적 알칼리 활성화제를 사용한 경우보다 일축압축강도가 약 11-60% 정도 감소하였다. 수산화칼슘의 용해도는 0.16g/100ml로 약 2%(1.6g)만 용해되고 용해되지 못한 수산화칼슘 분말이 미생물 배양액 내에 상당량 존재하면서 미생물의 활동성을 저하시킨 것으로 판단된다. 이러한 미생물의 활동력 저하 또는 사멸로 pH가 0.03 감소된 것으로 판단된다. pH 변화는 고로슬래그의 경화 및 강도 발현에 중요한 역할(Park et al., 2007)을 할 뿐 아니라 고로슬래그의 경화 시 사멸된 미생물도 강도 발현에 일부 영향을 미친 것으로 판단된다.

Fig. 7은 수산화나트륨으로 화학적 알칼리 활성화제(Na)와 미생물 알칼리 활성화제(NaMicro)를 제조하여 고로슬래그의 고결을 유도한 강도시험 결과로 미생물 알칼리 활성화제의 경우 화학적 알칼리 활성화제를 이용한 경우보다 일축압축강도가 약 19-121% 정도 증가하였다. 이는 수산화나트륨의 용해도가 119g/100ml로 미생물 배양액에 수산화나트륨은 모두(40g) 용해되고 극한미생물이 좀 더 자유롭게 활동하면서 Table 2와 같이 pH가 12.52에서 12.56으로 약간 증가한 것도 강도 증가에 일부 기여한 것으로 판단된다. 또한, pH가 증가하는 상황에서 Bacillus halodurans 균주가 극한 환경에서 생존하기 위한 최소 조건을 균주 자체의 보호기작으로 만들어서 세포 밖으로 특정 물질을 분비한 것으로 판단된다. 이와 같이 세포 밖으로 분비되는 단백질, 지질, Biosurfactant 등의 생체물질이 흙의 고결 및 강도증진에 기여한 것으로 판단된다(Jang, 2010; Cole et al., 2012). 실제로 기존 연구에서 Bacillus 균 등이 세포 외부로 분비하는 물질에 의해 배지 내 pH 등의 조건과 특정 물질에 대한 흡착 현상들이 보고된 바 있다(Yokoi et al., 1995; Wu and Ye, 2007).

4.2 XRD 및 SEM 분석

알칼리 활성화제의 종류에 따른 고결물질 및 고결도를 분석하기 위해 XRD 및 SEM 분석을 실시하였다. Fig. 8은 화학적 알칼리 활성화제와 미생물 알칼리 활성화제를 이용하여 제작한 공시체의 XRD 분석 결과이며, 두 경우 모두 C-S-H 수화물이 확인되었다(Lee, 2011; Park and Choi, 2013). 확인된 고결물질에 의한 고결도를 시각적으로 분석하기 위하여 SEM 분석을 실시하였으며, Fig. 9는 수산화나트륨으로 제조한 알칼리 활성화제와 미생물 알칼리 활성화제를 고로슬래그 4, 8, 12, 16%로 혼합하여 양생한 공시체를 100배 확대한 전자현미경 사진이다. 알칼리 활성화제의 종류에 관계없이 고로슬래그의 양이 증가할수록 모래 입자 사이에 고로슬래그의 경화로 생성된 수화물이 점점 증가하였으며 모래 입자 주위를 에워싸는 경향을 보이고 있다. XRD 분석을 통하여 C-S-H 수화물을 확인할 수 있었으며, SEM 분석을 통하여 생성된 수화물이 모래 입자 주위의 공극을 채워 입자 간의 고결력뿐 아니라 건조밀도를 증가시켰으며, 이는 일축압축강도의 증가로 이어진 것으로 판단된다.

5. 결 론

본 연구에서는 고로슬래그의 수화반응을 일으키는 수산화기 계열의 화학적 알칼리 활성화제에 극한미생물을 혼합한 미생물 알칼리 활성화제를 개발하여 모래의 고결을 유도하였으며, 다음과 같은 결론을 얻었다.

(1)pH 10 이상에서 활동하는 극한미생물을 이용하여 미생물 알칼리 활성화제를 개발하였으며, 미생물 알칼리 활성화제의 pH별 내성실험을 통하여 고로슬래그의 경화를 유발할 수 있는 알칼리 활성화제로 사용 가능함을 확인하였다.

(2)고로슬래그를 경화시키는 수산화기 계열의 화학적 알칼리 활성화제를 이용하여 공시체를 제작하여 7일 동안 양생하였으며, 수산화칼슘을 사용한 공시체의 일축압축강도가 수산화나트륨을 사용한 경우보다 5-54% 정도 높았다.

(3)고로슬래그에 수산화칼슘을 이용한 화학적 알칼리 활성화제 또는 미생물 알칼리 활성화제를 혼합하여 모래를 고결시킨 결과, 미생물 알칼리 활성화제를 사용하였을 때 11-60% 정도 강도가 감소하였으며, 이는 용해되지 않은 수산화칼슘 미분말로 인한 미생물의 활동력 저하 또는 사멸 그리고 pH 감소로 인하여 고로슬래그의 경화반응이 약해지면서 낮은 강도를 나타낸 것으로 판단된다.

(4)고로슬래그에 수산화나트륨을 이용한 화학적 알칼리 활성화제 또는 미생물 알칼리 활성화제를 혼합하여 모래를 고결시킨 결과, 미생물 알칼리 활성화제를 사용하였을 때 19-121% 정도 강도가 증가하였으며, 이는 수산화나트륨의 높은 용해도로 미생물의 활동을 향상시키고 pH가 높아지면서 강알칼리 환경에서의 생존을 위한 미생물의 보호기작으로 분비된 물질로 강도 증진이 발생한 것으로 판단된다.

(5)고결된 공시체를 XRD 분석을 통하여 C-S-H 화합물을 확인하였으며, SEM 분석에서 고로슬래그 함유량이 증가할수록 수화물의 양도 증가한 것을 시각적으로 확인하였다.