고경택 건기연 연구위원

　콘크리트는 사회기반시설물 및 민간 구조물 구축에 지금까지 가장 많이 이용된 대표적 건설재료이다. 오늘날 경제ㆍ사회ㆍ문화 전반에 걸친 급속한 발전은 교량ㆍ도로ㆍ철도 등의 사회기반시설물에 대한 수요를 대량으로 창출하고 있다. 또한 도시의 인구집중에 따른 과밀화, 도시 가용대지의 부족, 높은 지가상승은 국토의 효율적인 이용의 중요성을 증가시키고 있다. 이에 따라 구조물은 대형화ㆍ고층화ㆍ장대화 되고 있으며, 건설재료로서 가장 널리 사용되고 있는 콘크리트 재료에도 시공성ㆍ강도ㆍ내구성이 향상된 고성능 콘크리트(High Performance Concrete, HPC)의 적용이 요구되고 있다.

　현재까지 다양한 고성능 콘크리트가 개발되었음에도 불구하고 콘크리트는 압축강도에 비하여 매우 낮은 인장강도와 휨강도로 인한 낮은 연성(Ductility) 및 에너지 흡수능력 때문에 여전히 심각한 단점을 지닌 재료로 인식되고 있다. 이러한 콘크리트의 단점을 극복하기 위해 최근에는 단섬유를 다량으로 혼입하여 고인성을 지니도록 제조된 초고성능 콘크리트(Ultra-High Performance Concrete, UHPC)가 개발되어 제품화되고 있다.

　이 중에서도 가장 최신 기술인 초고성능 콘크리트에는 프랑스의 부이그(Bouygues) 등이 개발한 RPC(Reactive Powder Concrete), 일본의 가지마 건설 등에 의해 개발된 SUQCEM(SUper high Quality CEmetitious Material), 그리고 한국건설기술연구원에서 개발한 K-UHPC가 있다. 이들 초고성능 콘크리트는 압축강도가 150MPa 이상의 초고강도이면서 단섬유를 다량으로 사용하여 높은 인장강도 또는 휨강도를 보유하는 특징을 갖고 있다.

　특히 한국건설기술연구원에서 개발한 K-UHPC는 세계최고 수준의 압축강도 200~300MPa, 직접인장강도 19MPa, 내구수명 200년의 성능을 확보하였을 뿐만 아니라 외국의 초고성능 콘크리트에 비해 70% 정도 제조비용을 절감하는 기술을 개발하여 콘크리트업계에서 화제가 되고 있다.

　압축강도 200~300MPa 확보할 수 있는 초고성능 콘크리트 배합 기술

　한국건설기술연구에서 개발된 K-UHPC는 1㎛ 이하의 충전재와 나노사이즈의 특수혼화재를 사용하고, 미수화물의 반응을 활성화시키는 양생방법을 방법으로 세계최고 수준의 압축강도 300MPa를 달성하였다. 이것은 일반 고강도 콘크리트 40MPa의 7.5배이고, 500원짜리 동전크기의 콘크리트가 15t을 견딜 수 있는 강도를 말한다.

　그리고 초고성능 콘크리트는 초고강도이면서 시멘트 경화체의 조직이 매우 밀실하여 외부로부터 염소이온, 이산화탄소 및 물 등 열화물질의 침입이 어려울 뿐만 아니라 균열에 대한 저항성이 매우 강하여 내구수명을 200년 이상 확보할 수 있기 때문에 구조물의 수명을 획기적으로 향상시킬 수 있고 유지관리비용의 절감을 기대할 수 있다.

콘크리트 종류에 따른 재료 구성도

콘크리트 강도 추이

콘크리트 종류에 따른 수축량 비교

　일반 콘크리트 수준의 수축저감 기술 확보

　초고성능 콘크리트는 일반 콘크리트에 비해 건조수축과 크리프(일정한 하중에서 시간의 흐름에 따라 영구변형이 진행되는 현상)는 훨씬 작다. 하지만 물-결합재비가 0.2 이하로 매우 작고, 시멘트 및 미세한 결합재를 다량으로 사용하기 때문에 초기재령에서 수화반응이 활성화되어 자기수축(auotogenous shrinkage)이 매우 커져 구조물의 변형 및 균열이 발생하기 쉬워질 수 있다.

　한국건설기술연구원에서 이런 문제점을 해결하기 위해 팽창재와 수축저감제를 조합사용하는 기술을 활용하여 K-UHPC의 자기수축을 70% 정도 저감시켜 일반 고강도 콘크리트의 수준으로 제어할 수 있다. 따라서 전체수축을 550~650 ㎛ 이하로 제어가 가능하여 K-UHPC를 적용한 교량 부재의 균열 및 변형 발생의 위험성을 제거하였다.

　세계 최고의 인장강도 19MPa 달성

　고강도 콘크리트는 어떤 하중을 받았을 때 갑작스럽게 파괴되는 성질을 갖고 있는데, 고강도 콘크리트를 적용한 구조물이 지진과 같은 큰 충격을 받을 경우에는 취성적으로 파괴되므로 매우 위험할 수 있다.

　이에 반해 초고성능 콘크리트는 압축강도는 물론 휨강도와 인장강도를 획기적으로 향상되어 취성적인 파괴를 방지할 수 있다.

　한국건설기술연구원에서 개발한 K-UHPC는 짧은 섬유, 긴 섬유 그리고 형상을 가진 섬유를 적절하게 조합한 하이브리드 섬유 사용방법을 최적화함으로써 인장강도 19MPa, 휨강도 50MPa를 달성하였다. 인장강도 19MPa은 초고성능 콘크리트의 선진국이라고 하는 프랑스, 독일, 일본, 미국에 비해 1.3~2배 정도 높고, 휨강도 50MPa은 기존 콘크리트 6MPa의 8배 이상 강한 강도이다.

K-UHPC의 직접 인장강도

　외국에 비해 제조비용 70% 절감

　초고성능 콘크리트는 성능이 뛰어나 많은 구조물에 적용이 기대되나, 강섬유, 실리카퓸 및 고성능 감수제 등 고가의 재료를 대량을 사용하기 때문에 제조 가격이 일반 콘크리트에 비해 훨씬 비싼 것이 단점이다. 따라서 한국건설기술연구원에서 K-UHPC의 성능 향상 연구뿐만 아니라 구성하는 재료의 국산화 및 사용물량을 저감을 통해 경제성을 확보하는 기술을 개발하고 있다.

　K-UHPC의 제조비용에 약 60% 이상을 차지하는 강섬유, 고성능 감수제를 국산화시켰고, 수입하여 사용하는 실리카 퓸 대신에 국내의 제철소 및 화력발전소에서 배출되는 고로슬래그 및 플라이애시로 대체하는 배합기술을 개발하였다. 기존 UHPC에서 유럽 등에서 생산되는 강섬유를 수입하여 사용하였으나, K-UHPC에서 유럽에서 생산되는 강섬유 소재 이상으로 성능이 뛰어난 국내의 강섬유 코드를 사용하여 강섬유 생산하는데 성공하였다.

　특히 외국에서 크기와 형상이 하나로 정해진 강섬유를 사용하고 있으나, K-UHPC는 다른 크기와 형상을 가진 강섬유를 혼합하여 사용하는 방법을 개발하여 성능을 극대화시킴으로써 기존의 UHPC와 동일한 성능을 확보하는데 필요한 강섬유 사용량을 크게 줄일 수 있게 되었다.

　K-UHPC의 시공성을 확보하기 위해서 고성능 감수제를 다량으로 사용해야 한다. 기존에는 일본 및 유럽의 고성능 감수제를 수입하여 사용하였으나, 국내의 시멘트 및 기후조건에 적합하지 않아 품질제어가 어려웠다. 이러한 단점을 극복하고자 국내의 고성능 감수제 제조회사와 협력을 통해 K-UHPC에 적합한 고성능 감수제를 개발하는데 성공하였고, 성능도 외국의 고성능 감수제보다 뛰어난 품질제어도 보다 간편하고 사용물량도 줄일 수 있게 되었다. 이와 함께 최근에는 기존의 실리카 퓸에 대신에 특수한 혼화재를 대체 사용함으로써 강도 등 역학적 성능에는 영향을 주지 않는 시공성을 획기적으로 향상시켜 고성능 감수제의 사용량을 50% 정도 줄일 수 있는 기술을 개발하고 있다.

　이상과 같이 K-UHPC를 구성하는 재료의 국산화 및 사용물량 저감을 통해 외국의 초고성능 콘크리트에 비해 제조비용을 외국에 비해 70% 정도 절감하였다.

K-UHPC의 제조비용 절감

　성과 및 기대효과

　초고성능 콘크리트는 21세기 첨단형 시설물을 건설하기 위한 콘크리트의 기술의 세계적인 흐름이고, 한국건설기술연구원에서 개발한 K-UHPC는 성능뿐만 아니라 경제성 측면에서도 세계적인 수준이라고 할 수 있다.

　K-UHPC는 장대교량의 상부구조 부재, 군사 시설물과 같은 내충격성 구조부재, 연성거동 특성을 활용한 내진 구조부재, 대구경 관로, 건축물의 부재단면을 대폭 감소한 기둥, 보 및 슬래브 부재와 특수 구조(shell, pannel) 부재 등으로 활용이 가능하다. K-UHPC의 활용은 구조물의 단면 및 중량을 30% 줄일 수 있으며, 철근 사용을 최소화시킬 수 있다. 내구수명을 200년 이상 확보할 수 있으므로 구조물의 수명향상에 큰 효과가 있으며 유지관리 비용의 절감을 기대할 수 있다.

　한국건설기술연구원에서 K-UHPC 개발에 끝나지 않고 사장교에 적용하는 기술을 개발하고 있는데, 이 기술 또한 해외수준을 넘어선 것으로 평가받고 있다. 세계최고 수준의 K-UHPC와 사장교 기술은 국내 시장은 물론 해외 교량 시장에서도 가격 경쟁력이 뛰어나 수주견인에 큰 역할을 할 것으로 기대하고 있다.

고경택 한국건설기술연구원 인프라구조연구실 연구위원