탄소 나노튜브와 나노 표면처리제
탄소 나노튜브(Carbon Nanotube, CNT)는 탄성계수가 강철의 7배, 인장강도는 강철의 약 100배, 전기전도도는 구리선의 1000배다. 열전도도 역시 다이아몬드의 약 2배로서 뛰어난 역학적 특성을 갖춘 덕분에 건설산업에서도 큰 관심을 끌었다. 뛰어난 강도와 매우 높은 형상비(길이/직경, 1000 이상)로 인해 시멘트 복합체의 보강섬유로서 이상적인 재료지만 관련 연구는 초기 단계다. CNT의 고른 분산과 부착력을 확보하는 데 어려움이 있기 때문이며 이를 해결하려면 많은 연구가 필요하다.
기능성 나노 복합 무기질 활성탄 표면처리제는 콘크리트 표면에 도포될 경우 콘크리트 조직에 침투해 미세기공을 갖는다. 그 미세기공이 직경 3~100으로 열화인자를 근본적으로 차단할 수 있는 게 장점이다. 합성수지계 도막은 시간이 경과할수록 내부 수분의 팽압 작용으로 인한 부풀림 및 탈락 등이 발생하는 반면 나노복합 활성탄 표면처리제는 콘크리트 내부의 모세관 공극에 균질하게 침투함과 동시에 통기성을 나타내 장기적으로 박리, 탈락, 변형 등의 문제점을 해결해 줄 수 있다.
나노시멘트 및 나노 이산화티타늄
나노 시멘트는 나노 크기 입자로 인해 수화반응 속도가 빨라져 응결·경화 속도를 촉진하는 효과가 장점이다. 콘크리트 내부 공극을 메움으로써 치밀화, 고성능, 고강도가 가능한 기술이다. 이와 관련해 한양대 친환경 구조연구실에서는 시멘트 입자의 150분의 1로 쪼개 입경 200nm의 나노 시멘트를 세계 최초로 제조하기도 했다.
좀 다른 방법으로는 시멘트의 경화를 촉진하기 위해 작은 입자의 첨가제(모립)를 이용하는 시딩(seeding)기법도 있다. 독일의 바스프는 고분자 물질을 사용해 나노 결정들이 잘 분산될 수 있는 특수 기술을 개발했고, X-Seed 첨가로 콘크리트 경화시간을 실온에서 절반(12시간에서 6시간)으로 줄이는 촉진제들을 시판하고 있다.
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| 프랑스 샹베리의 음악의 전당 | ||
이탈리아의 Italcementi는 이산화티타늄(TiO2, 백색)의 광촉매 특성을 이용해 건축물 표면에 흡착하는 오염물질을 깨끗이 산화·제거하는 TiO2(특히 anatase 결정꼴)가 배합된 시멘트를 개발해 건축용 콘크리트를 만들었다. 2000년에 세계 최초로 프랑스 샹베리의 ‘음악의 전당’과 이탈리아의 ‘쥬빌레 교회당’에 사용한 결과, 10년이 넘었지만 TiO2 나노입자 덕분에 눈부신 흰색을 유지하고 있다. Italcementi의 광촉매 시멘트는 2008년 타임지의 50대 최고 발명에 포함됐다.
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| 이탈리아의 쥬빌레 교회 | ||
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| 나노 TiO2 코팅 유리창 | ||
구조물 첨단 센싱기술
과거의 각종 센서 진단기술은 구조물에 손상이 발생된 후 계측 당시의 구조물 상태를 파악하고자 사용됐지만 현 진단기술은 예측이 힘든 위험요인을 사전에 검지해 재난을 막는 기술이 주류다. 구조물 건전성 평가기술(SHM)이 그 중 하나다. 구조물 시공 단계부터 유지관리 단계까지 발생할 수 있는 사고나 비정상적 거동, 손상, 열화 등을 감지해 낼 수 있다.
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| 구조물 건전성 평가(SHM) 개념도 | ||
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| 패턴 인식 기반 SHM 개념도 | ||
신소재 및 무선 통신기술을 활용한 첨단 센서가 활용되면서 측정 정밀도는 비약적으로 발전하고 있다. 데이터 처리 및 분석 기술 등의 소프트웨어 분야 발전으로 SOC 시설물의 상태평가 및 안전관리는 물론 열화 매커니즘 진단, 이상 거동에 대한 원인 및 이력 추적, 유지관리 및 보수·보강 업무 효율화, 안전관리 기능 강화, 위급상황 관리 등도 가능하게 됐다.
IT 기반의 고정밀도 구조물 센싱기술도 최근 안전 문제와 맞물려 급성장하고 있다. 대표적 사례로는 화재 감지시 광섬유 센서 응용기술, 캡슐형 임플란트 센서 노드기술, 발광센서를 이용한 응력감지시스템 기술, 계측데이터 기반의 안전성 평가기술이 꼽힌다. 이는 최근 주요 구조물 안전관리와 관련한 일부 기술들이며, 향후 10년 내에 우리 건설·IT간 융합기술 수준이 선진국 수준에 도달할 만큼 발전할 것으로 기대된다.
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| 캡슐형 임플란트 센서 노드 기술 적용사례 | ||
구조물 손상 계측기술도
구조물 손상 계측기술도 진화하고 있다.
일본과 유럽 선진국들의 구조물 외관조사 자동화기술은 레이저 방식과 CCD 라인센서 카메라 방식으로 나뉜다. 레이저 방식의 계측시스템으로는 일본의 Tunnel Catcher, 스위스의 TS360 및 프랑스의 ATLAS-15 등이 있고 원리는 측정장치로부터 레이저 빔을 터널 라이닝 표면에 방출한 후 반사돼 돌아오는 광선의 반사광량을 분석해 라이닝 표면 상태를 영상으로 나타내는 시스템이다. 그러나 일부 정속주행이 가능한 직선구간이나 구배가 거의 평활한 제한적 터널 구조물로 용도가 한정된다.
CCD 라인센서 카메라 방식은 제품 생산공정에서 불량품을 검출하는 시스템으로 많이 활용되는데, 이를 콘크리트 구조물에 적용토록 개발한 것이다. 일본 영단 지하철의 Tunnel Inspection System, 일본 JR동해의 Tunnelas 등에서 활용되고 있고 원리는 CCD 라인센서 카메라를 이용해 영상을 취득하는 방식으로 투영장치, 화상기록장치, 조명장치 등으로 구성된다.
국내에서 10여년간 개발해 온 구조물 표면 스캐닝 기술도 그 일종이다. 여러 대의 고감도 CCD 카메라를 이용해 이동하면서 구조물 표면을 촬영하고 각종 영상처리 기법들을 통해 구조물의 균열 등 변상 상태를 검출하는 기술이다. 이는 기존 육안조사보다 수백배 빠른 속도(1시간에 5~10km 촬영조사 가능)로 작업이 가능하고 디지털 방식으로 구현해 집중 관리가 가능한 시스템이다. 이런 표면 스캐닝 기술은 크게 영상획득기술, 영상처리기술, 균열 mapping기술 등 3가지 핵심 기술로 구성된다.
PSC 교량의 스마트 긴장력 관리기술
현재 가장 널리 사용되는 교량은 PSC(프리스트레스트 콘크리트) 교량이다. 전체 교량 중 비중은 38%(2011년 기준) 수준이며, 외국(일본 40%, 미국 48%, 독일 37% 등) 사례를 고려할 때 그 비중은 더 늘어날 전망이다.
PSC구조는 콘크리트 구조에 텐던이라는 긴장재를 이용해 압축력을 부가함으로써 콘크리트 구조물의 성능을 향상시킬 수 있지만 텐던에 과도한 하중이 실리거나 그라우트 공극 영향에 의한 부식 등이 발생할 경우 교량 붕괴를 유발할 수 있어 치밀한 관찰과 유지관리가 필요하다. 새 기술은 7연선으로 구성되는 강연선의 심선에 FBG 센서를 이식한 스마트기술이다. 스마트 강연선은 텐던의 길이 방향으로 원하는 수의 센서를 이식해 측정할 수 있고, FBG 센서의 활용으로 내구성이 우수하다.
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| 기존 강연선과 스마트 강연선 | ||
한국건설기술연구원은 기존의 스마트 강연선의 단점을 해소하기 위해 최근 강재 심선을 탄소 심선으로 대체하고 탄소 심선을 제조할 때 FBG 센서를 이식하는 형태의 새 스마트 강연선을 개발한 바 있다. 이를 요소기술로 활용해 관련 시스템을 도출하면 시공 단계부터 공용 단계까지 PSC 교량의 전 주기에 걸쳐 스마트 긴장력 관리가 가능할 것으로 기대한다.
◇작성-한국건설기술연구원 인프라구조연구실 곽종원 실장, 박기태·조정래 연구위원, 류금성·신현섭 수석연구원, 지기환 한국계측기술연구소장.
◇정리-김국진 기자 jinny@
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