기후위기 시대의 건축 대안 '슈퍼콘크리트'

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기후위기 시대의 건축 대안 '슈퍼콘크리트'

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2021.09.11 05:30
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치밀한 조직으로 강도 5배, 수명 4배↑
재료 사용량 줄어 탄소 배출 30% 저감 효과
한국도 세계적인 수준의 기술 개발 성공했지만 
'중복연구' 배격 한계...중국 등에 기술 추월 우려

'2018 서울시 건축상'에서 대상을 받은 서울 삼성동 PLACE1. 이 건물에는 슈퍼콘크리트 기술이 적용됐다. 서울시 제공

인류를 옥죄는 기후위기 이슈에서 '건축'도 자유롭지 못하다. 사람이 건축물 안에서 활동하며 소비하는 에너지 자체도 상당하지만, 건설 자재 제조 과정에서 막대한 양의 이산화탄소가 배출되기 때문이다.

예컨대 1톤의 자재를 만들 때 철근은 약 2.6톤, 시멘트는 0.9톤의 탄소를 배출한다. 산업통상자원부에 따르면 국내에서 온실가스를 가장 많이 배출하는 산업 1위가 철강이고, 3위가 시멘트다. 2019년 기준 철강과 시멘트 산업의 총 온실가스 배출량은 무려 1억5,600만 톤으로 국가 전체 배출량의 22.3%를 차지했다. 건물과 다리를 지으면 지을수록 지구환경은 치명적인 타격을 받는 셈이다.

이 같은 건축 부문 탄소 배출을 획기적으로 줄일 방법으로 부상한 게 '슈퍼콘크리트'다. 일반 콘크리트 대비 강도는 5배 강하고 수명은 4배 긴 초고성능 콘크리트(UHPC)다. 내구성이 뛰어나 콘크리트와 철근 사용량이 30% 이상 절감되고 수명이 길어 추후 보수공사 필요성도 적다. 결과적으로 일반 콘크리트에 비해 탄소 배출이 30%가량 줄어든다.

슈퍼콘크리트로 조개껍데기 구조를 구현한 울릉도 '힐링스테이 코스모스 리조트'. 한국건설기술연구원 제공

슈퍼콘크리트는 먼 미래의 이야기가 아니다. 이미 우리 주변에는 슈퍼콘크리트가 사용된 구조물들이 들어서 있다. '2018 서울시 건축상' 대상을 받은 서울 강남구 삼성동 PLACE1의 독특한 외벽 패널이 슈퍼콘크리트로 만들어졌다. 울릉도 '힐링스테이 코스모스 리조트'의 우아한 조개껍데기 구조도 슈퍼콘크리트가 아니면 구현이 불가능했다. 내년 완공을 앞둔 세계에서 가장 긴 콘크리트 사장교 '고덕대교'에도 슈퍼콘크리트 기술이 적용됐다.

치밀한 조직과 과학적 물질 배합으로 내구성·수명·유동성 모두 개선

슈퍼콘크리트의 핵심은 '공극률'을 낮추는 데 있다. 공극률은 전체 부피에서 빈틈이 차지하는 비율을 뜻한다. 이 비율이 낮을수록 다공질(여러 모양과 크기의 구멍이 나 있는 물질)인 콘크리트가 버틸 수 있는 무게가 늘어난다. '압축강도'가 커지는 것이다.


일반·고강도·슈퍼콘트리트 비교. 그래픽=김문중 기자


이 빈틈을 치밀하게 채우기 위해 슈퍼콘크리트는 자갈같이 굵직한 재료 대신 마이크로미터(100만분의 1m), 더 나아가 나노미터(10억분의 1m) 수준의 작은 재료들을 사용한다. 타이어, 화장품, 의료용품 등에 사용되는 나노실리카가 대표적이다. 이런 미세 재료들로 틈을 메운 덕에 슈퍼콘크리트의 공극률은 일반 콘크리트 대비 5배 이상 줄어든 2% 이하다. 또한 압축강도는 이론적으로 300메가파스칼(MPa)까지 높일 수 있지만 현장 적용 가능한 기준은 200MPa이면 된다.

공극률이 낮아지면 외부 물질의 영향을 덜 받아 수명도 늘어난다. 물, 염소이온, 이산화탄소 등이 침투하기 어려워지기 때문에 염분 피해를 입기 쉬운 해안가에서도 수명이 200년 이상 유지될 수 있다. 반면 일반 콘크리트의 수명은 채 50년을 넘기 어렵다.


일반 콘크리트와 슈퍼콘크리트 내구성 비교. 한국건설기술연구원 제공

콘크리트의 최대 취약점인 인장강도도 크게 끌어올렸다. 통상 콘크리트는 수직으로 누르는 힘인 압축력은 잘 견디지만 옆으로 늘리는 인장력에는 약하다. 이를 보강하기 위해 콘크리트 사이사이에 철근을 넣는 게 일반적이다. 하지만 슈퍼콘크리트는 아예 강섬유를 섞어 만드는 기법으로 인장강도를 19MPa까지 끌어올렸다. 필요한 철근의 양이 줄어든다는 얘기다.

이 밖에도 화학 혼화재를 섞어 유동성을 크게 개선했다. 콘크리트가 유동적일수록 공극이 덜 생기고 형상을 자유자재로 만들기 용이하다. 일반 콘크리트의 유동성이 '수제비 반죽' 정도라면 슈퍼콘크리트는 과학적 배합을 통해 '부침개 반죽'과 같이 쉽게 흐르는 성질을 가질 수 있게 됐다.

비용 절감 효과 커 시장성 높아...국내 기술 세계 최고 수준 도달

건설업계 입장에서도 슈퍼콘크리트는 매력적인 자재다. 세계적인 탄소 저감 추세에 걸맞을 뿐 아니라 공사 비용과 기간을 크게 줄일 수 있기 때문이다. 즉, 시장성이 높다. 이에 슈퍼콘크리트 선두주자인 독일을 비롯해 유럽과 미국 등 선진국에서는 적극적인 정부 지원에 힘입어 쓰임새가 다양해지는 추세다. 후발주자인 중국도 연구에 박차를 가해 제조 비용을 줄이는 데 성공했다.

국내에서는 한국건설기술연구원을 중심으로 꾸준한 노력을 들인 끝에 최근 세계적 수준의 기술 개발에 성공했다. 인장강도를 외산 대비 1.3~1.6배 높이는 등 품질을 획기적으로 향상했고 재료 국산화를 통해 제조 비용을 외국 기업의 절반 이하로 줄였다.

슈퍼콘크리트가 활용된 미국의 호크아이 브리지(Hawkeye UHPC Bridge). 한국일보 자료사진

이 같은 성과를 바탕으로 2015년 국내 건설 기술로는 유일하게 미국에 교량(호크아이 브리지·Hawkeye UHPC Bridge)을 건설했다. 2019년에는 미 연방도로청에서 주관하는 '제1회 국제 UHPC 혁신상'을 단독 수상하는 쾌거를 올렸다. 올해 5월에는 순수 국내 기술로 개발한 슈퍼콘크리트 생산 공장이 충남 논산시에 준공됐다.

"국가적 지원 없으면 중국 등 후발 주자에 추월당해"

하지만 전문가들은 지금의 성과에 안주해서는 안 된다고 강조한다. 정부 차원의 적극적 지원 없이는 빠르게 발전하는 글로벌 건설 기술 흐름 속에서 순식간에 뒤처질 수 있기 때문이다.

고경택 한국건설기술연구원 남북한인프라특별위원회 위원장은 "한국은 유사한 연구를 계속해나가는 '중복연구'를 유달리 배격하는 경향이 있는데 지금의 성과는 10년 이상의 연구를 통해 노하우를 축적한 결과"라면서 "슈퍼콘크리트 중복연구에 대한 지속적인 국가 지원이 이뤄지지 않으면 얼마 안 돼 우리 기술이 중국 등 후발 주자에 따라잡힐 가능성이 있다"고 우려했다.

최다원 기자

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