[논문 리뷰] Screening of Fungi for Self-Healing of Concrete Cracks

Jing Luo, Xiaobo Chen외 5명|arXiv (Cornell University)|2017. 08. 04.

Microbial Applications in Construction Materials참고 문헌 81인용 수 1

한 줄 요약

이 연구는 트리코더마 레이시를 콘크리트 내 자가치유 제재로 활용하기 위해, 칼슘 하이드록사이드 용출로 인해 발생하는 고염기성 환경(최대 pH 13.0)에서도 칼슘산화물 결정을 침전시킬 수 있는 능력을 활용하였다. XRD 및 SEM 분석을 통해 칼슘산화물 결정이 곰팡이 균사체 표면에 형성된 것이 확인되어, 콘크리트 구조물의 균열 복구 잠재력이 있음을 입증하였다.

ABSTRACT

The goal of this study is to explore a new self-healing concept in which fungi are used as a self-healing agent to promote calcium mineral precipitation to fill the cracks in concrete. Although many species of fungi have been reported to be able to promote calcium mineralization, they have not yet been investigated in the application of self-healing concrete, thus an initial screening of different species of fungi has been conducted. The experimental results showed that, due to the leaching of Ca(OH)2 from concrete, the pH of the growth medium increased from its original value of 6.5 to 13.0. Despite the drastic pH increase, Trichoderma reesei (ATCC13631) spores germinated into hyphal mycelium and grew equally well with or without concrete. We employed material characterization techniques including X-ray diffraction (XRD) and scanning electron microscope (SEM), both of which confirmed that the crystals precipitated on the fungal hyphae were composed of calcite.

연구 동기 및 목표

• 자기치유 콘크리트를 위한 생물학적 제제로 곰팡이를 평가하고, 칼슘 미네랄 침전을 촉진하는 것을 목적으로 한다.
• 콘크리트 기공 용액에서 일반적인 pH ~13.0의 극도로 알칼리성 조건에서 생존하고 성장할 수 있는 곰팡이 종을 규명하는 것.
• 선택된 곰팡이가 콘크리트 유사 조건에서 균사체 표면에 칼슘산화물 결정을 침전시킬 수 있는 능력을 평가하는 것.
• XRD 및 SEM와 같은 재료 특성 분석 기법을 통해 침전물의 형성을 검증하는 것.

제안 방법

• 콘크리트 기공수와 유사한 알칼리성 조건을 모의한 환경에서 다양한 곰팡이 종의 생장 및 미네랄 침전 능력을 선별하기 위한 실험을 수행하였다.
• Trichoderma reesei (ATCC13631)를 pH 13.0에서 생장 배지에 콘크리트가 첨가되었을 때와 첨가되지 않았을 때로 나누어 생존 및 균사 발달을 평가하였다.
• 콘크리트에서 칼슘 하이드록사이드 용출에 의해 발생하는 pH 변화를 모니터링하였으며, 이로 인해 배지의 pH가 6.5에서 13.0으로 상승하였다.
• 균사체 표면에 침전된 미네랄의 결정상태를 확인하기 위해 X선 회절(XRD)을 사용하였다.
• 균사체 구조 표면의 침전물 형태 및 분포를 시각화하기 위해 스캐닝 전자현미경(SEM)을 활용하였다.
• 콘크리트 유무에 따라 곰팡이의 생장 및 미네랄 침전 능력을 비교하여 환경 영향이 곰팡이 활동에 미치는 영향을 평가하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 콘크리트에서 칼슘 하이드록사이드 용출로 발생하는 극도로 알칼리성 환경(pH ~13.0)에서 곰팡이가 생존하고 성장할 수 있는가?
• RQ2 어느 곰팡이 종이 이러한 극한의 알칼리성 조건에서 칼슘산화물 침전 능력을 보이는가?
• RQ3 균사체가 콘크리트 유사 조건에서 칼슘산화물 형성의 효과적인 핵화 중심으로 기능하는가?
• RQ4 곰팡이 존재 시 형성된 침전물의 광물학적 조성이 어떠한가?
• RQ5 곰팡이 매개 칼슘산화물 침전이 콘크리트 균열 치유에 효과적으로 기여할 수 있는가?

주요 결과

• Trichoderma reesei (ATCC13631)는 콘크리트에서 칼슘 하이드록사이드 용출로 인해 pH가 13.0까지 상승한 매질에서도 성공적으로 기음이 발생하고 균사막이 발달하였다.
• 콘크리트 유무에 관계없이 곰팡이의 생장이 유사하게 나타나, 알칼리성 환경에 대한 내성을 보였다.
• X선 회절(XRD) 분석을 통해 균사체 표면에 침전된 결정이 칼슘산화물(CaCO3)로 확인되었다.
• 스캐닝 전자현미경(SEM) 분석을 통해 명확한 칼슘산화물 결정이 균사체 표면에 부착되어 있으며, 균사체를 따라 성장하고 있음을 관찰하였다.
• XRD와 SEM의 조합을 통해 고pH 조건에서 곰팡이 매개 칼슘산화물 침전이 직접적으로 입증되었다.
• 결과적으로, 균열을 封쇄하는 미네랄 침전을 가능하게 하여 Trichoderma reesei를 콘크리트의 자가치유 제재로 활용할 수 있음을 입증하였다.