더 강하게, 더 높게 초고층 콘크리트 기술의 한계를 넘다
- 현장타설 상온양생 200MPa 초고강도 콘크리트 개발 -
““세계 어디에서나 사용이 가능하고 경제성이 우수한
초고강도 콘크리트로 초고층 건물 핵심 소재기술을 확보하다”
[연구자 레터]
초고층화 추세는 세계 건설시장의 큰 축으로 앞으로도 지속적인 성장세가 전망된다. 이를 가능케 하는 핵심기술의 중심에는 초고강도 콘크리트가 있다. 갈수록 대형화되고 있는 구조물이 콘크리트의 초고강도화를 요구하고 있는 것이다. 우리나라도 초고층 시장에서의 우위를 확보하기 위해 세계 최고 수준의 초고강도 콘크리트 기술 확보가 시급하기에 본 연구를 통해 초고강도 콘크리트 제조 및 활용 분야의 국가 기술수준을 세계적인 수준으로 업그레이드하여 국가 경쟁력을 높이고, 해외 초고층 프로젝트 수주에 적극 활용할 예정이다.
01 개발배경 및 현황
두바이에 있는 버즈 칼리파(Burj Khalifa)는 전체 높이 828m로 세계에서 가장 높은 빌딩이다. 최근 사우디의 왕자가 이보다 더 높은 높이 1km이상의 세계 최고층 빌딩을 건설하겠다고 발표해 세계 건축업 관계자들의 이목을 집중시켰다. 초고층 건축물은 당대의 첨단기술이 총체적으로 집약된 결정체일뿐만 아니라 한 국가의 상징물 또는 경제성장의 척도로 인식되는 경향이 강하다. 따라서 초고층화 추세는 세계 건설시장의 큰 축으로 앞으로도 지속적으로 성장할 것으로 전망되며, 구조물이 높아질수록 붕괴 위험이 크기 때문에 더욱 단단한 콘크리트, 즉 초고강도 콘크리트의 개발이 필연적이다. 국내외 메이저 건설사들이 경쟁적으로 개발에 참여하면서 초고강도 콘크리트 시대가 빠른 속도로 실현되고 있다. 하지만 현재까지 개발된 초고강도 콘크리트 기술들은 경제성 및 시공성 측면에서 많은 제약이 있어 실용화가 매우 어려운 실정이다. 미국, 캐나다, 프랑스, 호주, 일본 등 선진국에서 1980년대 말부터 연구가 시작되어 유럽, 동남아시아 등 여러 국가에서 초고강도 콘크리트 기술개발을 활발하게 진행하고 있다. 우리나라도 초고층 시장에서의 우위를 확보하기 위해 세계 최고 수준의 초고강도 콘크리트 기술 확보가 시급하다.
02 기술 개발의 특징
전 세계적으로 사용가능한 초고강도 콘크리트 실용화 기술 개발
기존의 200MPa급 초고강도 콘크리트는 대부분 특수한 양생(고온, 고압 등)을 필요로 함에 따라 현장 적용이 거의 불가능하였고 재료 원가가 매우 높다는 문제가 있었다. 또한 고층부의 시공이 가능하도록 우수한 압송성(High-Pumpability)과 화재시 안전을 보장할 수 있는 내화성능(Fire-Resistance)을 동시에 확보해야 한다. 이에 따라 본 과제에서는 현장타설 후 상온양생을 통해 압축강도가 높고(200MPa) 경제적인 초고강도 콘크리트를 개발하였으며 고압송성 및 고내화성을 확보했다.
보통은 국내 기술을 해외 현지재료를 사용해 재현하는 것이 매우 어려웠으나, 개발 초기부터 해외에서도 제조가 가능하도록 개발하여 큰 문제가 없었다. 인도, 싱가폴 등 해외에 성공적으로 시범적용을 하였으며 이를 통해 Global 실용화 기술을 확보했다.
안정성, 내화성능, 고압송성을 두루 갖춘 팔방미인, 200MPa 초고강도 콘크리트
연구팀은 시멘트 결합재 및 골재 등의 품질을 향상시킴과 동시에 배합재료 선정 프로세스를 수립하고, 초고성능 혼화제를 함께 개발한 뒤 생산시험과 현장시험(Mock-up)을 통해 상온 양생으로 220MPa 이상의 안정적인 강도 발현을 확인할 수 있었다.또한 기존 초고강도 콘크리트는 조직이 매우 치밀하여 화재 시 콘크리트 기둥부재 내부의 수증기가 빠져나가지 못해 높은 수증기압으로 폭렬 현상이 발생하여 안정성이 저하 될 우려가 있었다. 따라서 폴리프로필렌 섬유와 나일론 섬유, 강섬유를 혼합한 하이브리드 섬유 혼입 공법으로 화재시 폭렬을 제어함으로써 200MPa 초고강도 콘크리트의 내화성능을 확보했다.
마지막으로 고압송성 확보를 위하여 콘크리트의 유동성 평가에 레오미터(Rheometer)라는 신개념 시험법을 도입하였으며, 국내 최초로 굳지 않은 초고강도 콘크리트의 품질 및 성능평가를 위한 시험법 지침(案)을 마련했다. 또한 기존 대비 분말도가 절반 수준인 초고성능 혼화제를 이용하여 점도를 약 50% 수준까지 획기적으로 저감시켜 압송성을 높였다.
03 기술개발 효과
재료와 기술 역량 확보로 경제성과 경쟁력을 확보하다
개발된 초고강도 콘크리트에는 1종 보통시멘트, 개발된 실리카 흄(Silica Fume)을 사용하여 원가를 낮췄으며, 총 결합재 사용량을 줄여 상대적으로 경제적인 제조가 가능해졌다. 특히 국산화에 성공한 고성능 감수제(Water Reducing Agent)의 경우 수입대체를 통해 가격 경쟁력을 상당히 높일 수 있었다. 앞으로 초고층 빌딩의 핵심기술인 초고강도 콘크리트 기술 확보로 해외 시장에서의 경쟁력이 향상되고, 부가가치가 높지 않았던 콘크리트 산업이 고부가가치 기술 산업으로 전환되어 국가 경쟁력 향상에 기여하게 될 것이다.
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