아름다운 구조이야기 6 - 플랑크톤, 콘크리트의 근원

콘크리트(concrete)

콘크리트는 강재와 함께 건축구조에서 가장 중요하게 사용되는 재료입니다. 
콘크리트는 많은 사람들이 잘 아는 바와 같이 시멘트, 물, 골재 등을 배합하여 만듭니다. 

여기서 핵심재료는 물과 수화반응(Hydration)하여 골재를 결합시키는 무기질 접착재료인 시멘트입니다. 

 

 

시멘트(cement)

시멘트는 석회석, 점토, 산화철 등을 배합· 분쇄하여 1450℃ 온도로 소성시킨 후, 

급냉시켜 약간의 석고를 첨가하고, 이를 미분쇄하여 만듭니다.

여기서 60% 이상 가장 많은 양을 차지하는 주요재료는 석회석입니다. 

 

 

석회석(limestone)

석회석은 언제 만들어졌을까요?
석회석은 백악(白堊, Chalk=초크, 분필)로도 불리며, 1억 4500만년 전부터 6600만년 전까지 7900만년 동안에 주로 형성되었기에 이 특징의 시기를 중생대의 세 번째이자 마지막인 백악기(白堊紀, Cretaceous Period)로 명명합니다.

 

 

 

석회비늘편모충류(Coccolithophore)

그러면 이 석회석은 어떻게 만들어졌을까요?

생명체가 만들었습니다.

석회석의 주성분은 탄산칼슘(CaCO₃)입니다. 

탄산칼슘인 백악은 조개껍질과 산호도 포함하지만, 이 시기에 형성된 백악 대부분은 석회비늘편모충류라는 단세포 식물성 플랑크톤에 의해 만들어진 것입니다.

이 석회비늘편모충류은 중생대 트라이아이스 후기에 출현하였고, 꾸준히 증가하여 백악기 후기에는 햇빛이 도달하는 깊이의  모든 해양에 분포했습니다.

현재도 약 200종이 존재하며, 직경 0.005~0.1mm(5~100μm) 크기의 구형체입니다. 

 

[ 사진출처 : Wikipedia ]

 

이 석회비늘편모충류의 표면에는 직경 2~25μm의 둥근 석회 껍질 비늘판(Coccolith)들이 접시나 단추와 같은 모양으로 뻬곡하게 붙어 있습니다. 
석회비늘편모충류에 석회 껍질 비늘판이 왜 생겨났는지에 대해서 생물학계에는 여러 가설이 존재하는데, 그 중에서 식물성 플랑크톤을 죽이는 가장 큰 이유인 바이러스 감염을 막는 보호막 역할이라는 설과, 가장 위험한 포식자인 섬모충이나 와편모류 등 동물성 플랑크톤의 소화를 방해하는 역할이라는 설이 유력합니다. 

석회 껍질 비늘판은 코콜리도제네시스(Coccolithogenesis)라는 생광물화 반응(Biomineralization)을 통해 만들어집니다. 

석회비늘편모충이 바닷물 속에 용해된 칼슘이온(Ca²+)을 흡수하고 세포 내의 소기관인 골지체에서 세포 내 용존무기탄소(2HCO₃-)와 합성시켜 탄산칼슘(CaCO₃)과 이산화탄소(CO₂)와 물(H₂O)을 생성합니다. 

이때 만들어진 이산화탄소는 광합성에 사용하고, 탄산칼슘은 세포소기관인 골지체에서 둥근 접시 모양으로 완성시켜 소포기관을 통해 세포 표면막으로 옮겨져 표피 보호막으로 사용합니다. 

이렇게 세포 내에서 만들어져 표면에 이동되어 안착된 비늘판은 세포벽처럼 단단한 보호막이 형성됩니다.

이 비늘판은 너무 얇아서 거의 투명해서 햇빛을 세포 안으로 투과시킬 수 있어서 식물성 플랑크톤이 에너지를 생성하는데에 반드시 필요한 광합성 작용을 방해하지 않습니다. 

다만 이 비늘판도 여러 층으로 겹겹이 쌓인다면 투명도가 낮아지고, 세포막의 햇빛 투과율을 떨어뜨려 광합성 작용을 방해하므로 식물 세포는 죽게 됩니다. 그래서 새로운 비늘판이 세포막에 장착되면 오래된 비늘판은 피부 각질처럼 떨어져 나가는데, 비늘판은 대략 2주마다 교체됩니다. 

이렇게 교체되어 버려지는 석회 껍질 비늘판은 해저에 서서히 가라 앉습니다.

1년에 약 0.0125~0.075mm(12.5~75μm)가 해저에 쌓이게 되는데, 1년에 머리카락 만큼도 안되는 두께로 쌓입니다. 그러나 이 석회 껍질 비늘판은 백악기 7900만년 동안 쌓여져 결국에 두께 1~6km나 되는 두꺼운 석회암 지층을 형성하게 됩니다. 

 

[ 영국 도버해협의 백악절벽 White Cliff ]

우리는 석회비늘편모충류가 만든 석회암 지층에서 석회석을 채굴하여 시멘트를 만들고, 

콘크리트를 만들어 건물과 다리를 건설합니다.

 

.  끝.

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이 글은 코어건축구조기술사사무소의 도움으로 작성되었습니다.