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콘크리트는 강재나 석재 그리고 목재 등과 함께 가장 대표적인 건축물의 구조용 재료로서 압축강도가 크고, 내화성, 내구성, 내수성, 수밀성이 우수할 뿐만 아니라, 철근이나 철골 등과의 접착성도 우수하고, 무엇보다도 가장 경제적이라는 이유로 널리 사용되고 있다.
이와 같이 콘크리트라는 건설재료는 실무에서 누구나 쉽게 접할 수 있기 때문에 특별한 전문적 지식 없이도 사용할 수 있는 것처럼 느껴지고, 시대의 흐름에 따라서도 거의 변화가 없는 것처럼 생각하는 것이 일반적이나, 실제는 세월의 흐름에 따라 그리고, 각종 구조물이나 건설공법의 요구성능에 따라 고성능화, 고기능화 되는 등 크게 발전하고 개선되어져 왔는데, 그 대표적인 핵심기술이 고강도, 고기능, 그리고 고내구성을 복합하여 고성능화함으로서 100년 이상의 사용성과 내구수명을 갖도록 한 친환경ㆍ장수명 콘크리트이다.
100년 이상을 견딜 수 있는 콘크리트 구조물을 만들기 위해서는 기본적으로 치밀한 조직의 콘크리트가 필요한데, 이를 위해서는 콘크리트 구조물의 균열이나 공극과 같은 불량요인을 최대한 배제해야만 한다.
그러나 콘크리트 구조물은 순수 재료적 측면뿐만 아니라, 시공과정, 그리고 사용하는 단계에 이르기까지 다양한 불량요인을 가지고 있기 때문에, 오랜 기간 동안 그리고 현재까지도 수많은 전문가들에 의해 지속적으로 연구되고 있으나, 아직까지도 해결하지 못한 어려운 숙제로 남아있다.
지금까지 연구된 고성능 콘크리트와 관련한 대표적인 연구 성과물이라 하면 고강도 콘크리트를 들 수 있다. 즉, 콘크리트의 압축강도가 증가하게 되면 기둥의 전단파괴나 보의 휨 파괴 등과 같은 역학적 성능뿐만 아니라, 염해나 동결융해 그리고 화학적 침식 등과 같은 각종 열화요인에 대한 저항성능도 비례하여 증가하기 때문에 구조물의 사용성과 내구수명을 향상시킬 수 있는 것이다.
콘크리트를 고강도화 하기 위해서는 일반적으로 낮은 물-시멘트비와 많은 양의 시멘트가 필요한데, 이는 불량한 시공성과 함께 높은 수화열을 나타낼 뿐만 아니라 화재와 같이 고온에 노출될 경우 폭열 현상 등이 발생하여 구조물의 내력을 크게 저하시키는 등의 문제점도 가지고 있다.
즉, 고강도 콘크리트를 사용함으로서 구조물의 내구수명을 크게 향상 시킬 수 있다고 하는 것은, 기본적으로 합리적인 구조설계와 함께 양질의 원재료를 사용하고, 최적의 배합설계를 통하여 성공적으로 시공 및 유지관리 되어야만 가능하다.
단지 콘크리트를 고강도화 했다는 것만으로는 고성능 그리고 장수명의 콘크리트 구조물을 실현할 수는 없고, 콘크리트의 시공과정에서 발생할 수 있는 각종 불량요인을 최소화 하는데 있어 우수한 시공성과 함께 내화성, 내염해성, 친환경성 등 다양한 실용화 기술이 복합되어야만 진정한 의미의 고성능 콘크리트를 실현할 수 있다. 즉, 고강도 콘크리트의 많은 장점을 살려 실제 구조물에 적용하려면 무엇보다 상용화 기술 개발이 선행되어야 한다. 상용화 기술 없이는 아무리 높은 강도의 콘크리트라 할지라도 무용지물 일 수밖에 없다.
따라서 본 고에서는 국내외적으로 대우건설만이 독보적으로 보유하고 있는 친환경 녹색건설을 위한 저탄소ㆍ고성능콘크리트 관련 핵심기술을 소개하고자 한다.
△폴리론 하이브리드 섬유를 이용한 고강도 콘크리트의 내화공법
고강도 콘크리트가 고온환경하에 노출되면 내부에 존재하는 수분이 수증기로 전환되는데, 이때 발생되는 대부분의 수증기는 수많은 공극구조간의 네트워크 형성을 통해 결국 부재의 수직방향으로 형성되어 있는 WPB (water passage bleeding)에 결집되는데, 이렇게 결집된 수증기는 WPB를 따라 수직으로 상승하여 콘크리트 조직 중 가장 취약한 부분인 골재와 시멘트 계면 사이의 ITZ (interfacial transition zone)에 갇히면서 수증기압이 급격히 증가하여 폭렬현상을 발생하게 된다. 이렇게 되면 콘크리트는 취성파괴를 일으키게 되어 콘크리트 구조물의 단면이 급격히 손실되고, 최악의 경우는 구조물이 붕괴되는 상황에까지 이르기도 한다.
이러한 이유로 국토해양부에서는 2008년 7월 21일 국토해양부 고시 제 2008-334호 ‘고강도 콘크리트 기둥 · 보의 내화성 관리기준’을 고시하여 시행함으로써 화재 시 설계기준강도가 50MPa 이상인 고강도 콘크리트의 안전성을 확보하고자 하는 제도적 조치를 취하고 있다. 대우건설에서는 2008년 국내 최초로 선진국 대비 50% 수준의 섬유 (polylon hybrid fiber ; 콘크리트의 내화성 향상을 위해 첨가되는 나일론과 폴리프로필렌 혼합섬유)량 만으로 설계기준강도 50~80MPa급 고강도 콘크리트의 내화인증을 완료하였고, 2010년 12월에는 국토해양부 신기술로 지정되어, 인천 청라푸르지오, 해운대 위브더제니스, 해운대 호텔 등 다수의 대규모 프로젝트에 실용화됨으로서 기술의 우수성을 인정받고 있다.
△유·무기 하이브리드 나노실리카를 이용한 해양콘크리트
삼면이 바다로 둘러 쌓여 있는 우리나라는 지정학적 특성에 기인하여 해양이나 항만 콘크리트 구조물의 신설, 확충 및 유지관리, 그리고 해안매립에 의한 영토확장이나 해상도시, 해상공항, 교량 및 항만건설 등이 매우 중요한 과제이다.
이와 같이 바닷가에 건설되고 있는 각종 콘크리트 구조물들은 아래 그림에서와 같이 바다로부터 유입되는 염소이온에 의해 철근이 부식되고, 궁극적으로는 본래의 기능을 발휘하지 못하게 될 가능성이 매우 높다. 또한, 대부분의 해상구조물은 매스구조물이어서 수화열에 의한 온도균열도 발생할 가능성이 높고, 이로 인해 철근 콘크리트 내부의 철근이 부식될 확률이 급격히 증가하게 된다.
따라서 대우건설 기술연구원에서는 해양콘크리트의 수화열 저감 및 방식성능을 향상시킬 수 있는 수화열 저감형 친환경 해양콘크리트의 방식공법과 이를 적용한 콘크리트 구조물의 성능평가 예측시스템을 통하여 해양콘크리트 구조물의 장수명화를 달성하고자 하였다
본 기술은 염소이온 침투를 억제하는 100nm 이하 크기의 유·무기 하이브리드 나노실리카와 산업부산물인 광물질 혼화재 (플라이애시 및 고로슬래그 미분말)를 70% 이상 혼입하여 기존 해양 콘크리트 대비 내염해성 향상, 수화열 및 이산화탄소 배출량을 저감시킬 뿐만 아니라, 동등 이상의 경제성과 시공성을 갖는다.
본 기술의 핵심기술이라 할 수 있는 유·무기 하이브리드 나노실리카는 기본적으로 음(-)전하를 띄고 있기 때문에 외부에서 침투하는 Cl-이온을 전기화학적으로 배척하는 특징을 가지고 있다. 그럼에도 불구하고, 본 기술에서는 추가적으로 입자 표면부에 비활성의 할로겐족을 코팅함으로서 2차적으로 Cl-이온의 침투를 방지할 수 있도록 하였다. 아울러, 나노실리카 입자의 크기가 100nm 이하 수준인 점에 기인하여 Cl-이온의 주요침투경로인 콘크리트내의 모세관 공극을 물리적 측면에서 최소화 하는 등, 2차, 3차의 복합 장벽을 형성함으로서 궁극적으로는 염해환경에 대응한 100년 내구수명의 콘크리트 구조물을 실현할 수 있다.
본 기술은 현재 해양 매립지역에 건설되는 송도사이언스빌리지복합시설, 송도I-Tower, 송도글로벌캠퍼스, 송도BRC지식산업센터현장 등 다수의 대형 프로젝트에 적용 완료 되었으며, 해상교량, 조력발전소 등 다양한 해양구조물의 적용을 추진하고 있다. 유·무기 하이브리드 나노실리카를 이용한 해양콘크리트 공법은 기술의 우수성을 인정받아 2011년 6월 콘크리트기술경진대회 혁신부문 신기술분야에서 기술표준원장상을 수상한바 있으며, 이후 12월에는 국토해양부 신기술 제639호로 지정되었다.
△미립자 시멘트를 이용한 조기강도 발현형 콘크리트
현재까지 알려진 건설공사의 공기단축 방안은 설계구조개선, 시공기술 선진화, 공사관리 방안개선 등으로 분류할 수 있는데, 이러한 방법을 활용함에 있어서도 핵심적인 기술요소는 콘크리트의 조기강도를 확보함으로써 거푸집 제거시기를 단축하는 기술이다.
즉, 건설 현장에서 가장 널리 사용되고 있는 설계기준강도 21~30MPa급 콘크리트의 경우, 수직부재 거푸집의 제거시기가 통상적으로 약 2~3일 이상이 소요되기 때문에, 실제적으로는 공사기간 단축에 많은 어려움이 있다.
따라서 대우건설 기술연구원에서는 시멘트의 분쇄 공정에서 발생하는 미립자시멘트와 석회석 고미분말을 이용하여 연속입도를 갖는 조기강도 발현형 혼합재를 이용하여 치밀한 콘크리트 조직을 구현함으로서 조기강도 발현을 위한 기존의 콘크리트 기술 대비 거푸집 제거시기를 1일 이상 단축시킬 수 있는 기술을 개발하였다.
△시멘트를 사용하지 않는 친환경 ECO모르타르(Eliminate CO2 Mortar)
일반적으로 주거건축물의 온돌바닥미장에 이용되는 모르타르는 시멘트와 물, 그리고 모래로 구성되는데, 이때 이용되는 대표적인 무기결합재인 시멘트의 경우는 제조공정 중 원료의 주성분인 천연의 석회석을 다량 소비할 뿐만 아니라, 이를 소성하는 과정에서 막대한 에너지 소비는 물론, 지구온난화의 주범인 이산화탄소를 다량으로 배출하는 문제가 있다.
즉, 1t의 시멘트 및 생석회를 생산할 경우 약 0.9t의 이산화탄소가 배출되는 문제가 있을 뿐만 아니라, 년간 7000만t이 채굴되는 석회석의 경우 국내 매장량이 약 50억t 정도인 것을 감안하여 볼 때, 이는 70년이 채 못가서 고갈되는 문제가 있다.
따라서 대우건설 기술연구원에서는 국내 15개 열병합 발전소에서 약 30만t/년 이상의 배출되는 열병합 플라이애시(ASTM : C급 플라이애시)를 사용하여 아래 표에서와 같이 시멘트를 전혀 사용하지 않고, 전체 결합재의 95% 이상에 대하여 산업부산물만을 사용함으로서 기존 일반시멘트 모르타르 대비 2/3수준 (예상)의 단가만으로 생산ㆍ공급이 가능한 온돌바닥미장용 친환경 모르타르를 개발 완료하여 확대보급하고 있다.
<표 1> 및 <표 2>
대우 ECO모르타르는 상온양생조건이면서 재령 14일에 이미 당사와 토지주택공사의 온돌미장용 바닥모르타르의 품질관리기준인 압축강도 14.8MPa 이상(재령 28일)을 만족할 뿐만 아니라, 재령 28일에는 20MPa 이상을 발휘한다. 또한 기존 온돌미장용 바닥모르타르에 발생하는 균열을 최소화하고자 첨가하는 고가의 팽창제를 사용한 모르타르와 유사한 체적변화 특성을 갖고 있어, 균열저감에도 매우 유리하다.
<그래프 1> 압축강도 및 <그래프 2> 체적변화
△콘크리트 구조물의 건전성 평가를 위한 온도추종양생장치
한중콘크리트는 반드시 초기동해 방지를 위해 압축강도 5MPa이 발현될 때 까지 단열보온양생 또는 가열양생 등을 실시하여야만 한다.
즉, 콘크리트표준시방서에서는 한중콘크리트의 초기동해를 방지할 수 있는 압축강도 5MPa이 발현되었는지를 확인할 목적으로 현장봉함양생 된 구조체 관리용 공시체를 적용하도록 규정하고 있다. 그러나 불량한 양생관리에 기인하여 콘크리트가 저온환경에 노출되는 경우나, 또는 실제 콘크리트 구조체와 구조체 관리용 공시체와의 양생조건이 크게 상이하게 되는 환경여건 등에 기인하여 시방서에서 제안하고 있는 구조체 관리용 공시체만으로는 실제 구조물의 정확한 강도예측은 불가능한 실정이다.
더욱이 한중콘크리트 뿐만 아니라 대단면의 매스콘크리트(수평부재 : 두께 80cm 이상, 수직부재 : 두께 50cm 이상)는 시멘트의 수화반응에 기인하여 중심부 온도가 70~80℃ 이상까지도 상승하게 되는데, 이렇게 시공된 콘크리트의 강도평가를 위한 구조체 관리용 공시체는 10cm×20cm 또는 15cm×30cm 크기로서 실제 타설된 콘크리트와 크게 상이한 온도조건에서 양생되는 것에 기인하여 강도에 대한 신뢰성 확보가 불가능하다.
구조체 관리용 온도추종양생장치는 실제 시공된 콘크리트 구조체의 압축강도를 정밀하게 측정할 수 있도록 실제 타설된 콘크리트의 양생온도에 대응하여 자동ㆍ제어될수 있도록 제작된 공시체 양생장치이다.
본 장치는 실제 콘크리트 구조체의 강도를 보다 정밀하게 평가한 후, 후속 공정을 수행할 수 있어, 실제 구조체 콘크리트의 품질에 대한 신뢰성을 확보할 수 있을 뿐만 아니라, 거푸집이나 동바리의 해체시기를 정확하게 판단할 수 있어 공사기간단축에도 매우 유용하다.
박상준 대우건설 기술연구원 책임연구원
