이 콘텐츠는 과학기술정보통신부, 한국과학기술기획평가원, 한국건설기술연구원의 지원을 받아 제작됐습니다.
콘크리트는 시멘트에 물을 넣어 혼합한 것에 모래나 자갈, 성능 개선에 필요한 혼화재를 넣어 결속시켜 굳힌 물질입니다. 한 조사자료에 따르면 전 세계 구조물의 80%가 콘크리트를 이용해서 만들어졌다고 하는데, 원료를 구하기 쉬워 저렴해 많이 사용하기 때문입니다.
또한, 압축강도(20~40Mpa)·수명(내구성)·내화성·내수성·수밀성이 우수하며 원하는 형상으로 제작할 수 있는 등 여러 장점이 있는 건설 재료이기 때문입니다.
물론 단점도 존재합니다. 보수가 어렵고, 압축강도에 비해 인장강도나 휨강도가 약하므로 균열이 생기기 쉽습니다. 그리고 콘크리트 내부에 빈 공간(공극)이 존재해 콘크리트를 약하게 만드는 유해물질(수분, 염소이온, 이산화탄소 등)이 침투하기 쉬워 강도가 저하되거나 철근이 부식될 수 있습니다.
이때 철근이 녹슬면서 발생되는 팽창압도 균열을 만들어내면서 콘크리트 수명 단축을 가속화합니다. 이런 문제들로 일반 콘크리트 구조물의 수명은 50년 정도라고 합니다.
위와 같은 문제는 다리(교량)도 해당합니다. 우리나라 곳곳에 여러 다리가 있으나 대표적으로 한강에는 31개의 다리가 있습니다. 이 다리들은 콘크리트 또는 강재를 이용해 만들었는데, 콘크리트를 재료로 만든 다리에는 원효대교와 올림픽대교, 강동대교 등이 있습니다.
이들 다리를 만들 때 큰 다리는 콘크리트에 철근이나 강선을 같이 사용하여 보강해 튼튼하게 해주고, 주기적으로 보수 작업도 해줍니다. 그런데 이런 방식은 투입되는 재료가 많아서 교각 간에 길이 제한이 있습니다. 다리가 길어지면 교각을 교대 사이사이에 지어줘야 하고, 지을 수 있는 다리 모양에도 한계가 있습니다.
그렇다고 재료가 강재인 강교로 짓기에는 비용이 많이 들고, 유지 보수에도 큰 비용이 쓰이므로 결정하기가 어렵습니다. 즉, 기존 건설 재료인 콘크리트와 강철은 한계가 있습니다.
이를 극복하기 위해 쉽게 부식되지 않는 재료인 스테인리스나 알루미늄, 강화 플라스틱을 이용한 연구가 있었으나 실용화에서 어려움을 겪었습니다.
다른 한편에서는 콘크리트의 성능과 수명을 향상할 수 있는 초고성능 콘크리트(UHPC, Ultra high performance concrete)가 1990년대 선진국을 중심으로 개발되기 시작했습니다.
문제는 제조 비용이 너무 비쌌고, 콘크리트가 굳으면서 발생되는 수축량이 너무 컸습니다. 무엇보다 구조물의 설계·시공을 위해서는 관련 기준이 필수임에도 기준이 없는 등의 여러 문제가 있었습니다.
이에 우리나라는 초고성능 콘크리트의 다양한 재료를 국산화하면서 신기술들을 결합시켜 제조 비용을 낮췄고, 수축량을 파격적으로 줄였습니다. 그리고 실험적 검증을 통해 관련 기준을 만들어서 상용화에 심혈을 기울였습니다.
현미경으로 확대해야 보이지만 콘크리트 내부 빈 공간에 나노 크기의 매우 작은 입자인 나노 실리카 등의 미세한 재료를 다량으로 집어넣어 재료 사이의 빈 공간을 최소화했습니다.
빈 공간을 최소화함으로써 콘크리트를 약하게 만드는 유해물질의 침투도 최소화했고, 덕분에 일반 콘크리트보다 강도와 수명이 2~5배나 뛰어나면서 외산 대비 제조 비용을 무려 50% 이상 절감시킨 슈퍼 콘크리트를 개발할 수 있었습니다.
그리고 슈퍼 콘크리트는 매끄러운 곡선도 문제없이 표현할 수 있어서 세계 최초의 UHPC 도로 사장교인 춘천대교처럼 날렵한 형태의 다리도 만들 수 있습니다.
이외에도 2023년 말 완공을 목표로 지어지고 있는 고덕대교는 슈퍼 콘크리트의 강력한 강도 덕분에 교각과 교각 사이의 길이를 무려 540m까지 늘일 수 있었습니다.
앞서 슈퍼 콘크리트의 수명이 일반 콘크리트보다 4~5배 정도 뛰어나다고 했는데, 콘크리트학회지에 실린 내용에 따르면 슈퍼 콘크리트의 수명은 200년 이상이라고 합니다.
수명이 길어지는 것과 함께 재료가 고강도라서 재료 사용량도 줄일 수 있습니다. 장기적으로 콘크리트와 철근 사용량을 줄여 탄소 배출도 크게 줄일 수 있습니다.
슈퍼 콘크리트 기술의 개발자는 한국건설기술연구원의 김병석 원장으로 2000년대 초반부터 연구를 진행했다고 합니다.
그리고 그 성과를 인정받아 2011년과 2020년에 국가연구개발 우수성과 100선에 선정됐는데, 이렇게 탄생한 우수한 기술이 국민에게 널리 알려질 수 있도록 매년 100선을 선정하고 있습니다.
이외에도 정말 놀라운 기술이 선정되어 성과를 내고 있으니 궁금한 분들은 확인해보길 바랍니다. 궁금증이 해결되셨나요?
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