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    • 홍성걸 교수
      초고성능 디자인 콘크리트 (Ultra-High Performance Concrete, UHPC)의 연구
      홍성걸 교수(서울대학교 건축학과)
      이메일:sglhong at snu.ac.kr
      장소:서면인터뷰
      1374 1 3

    * 아래 인터뷰는 위탁사업의 결과로 건축·도시 연구정보센터(AURIC)에서 작성하였으며,  공동으로 게재합니다.
     

    1. 지금 교수님께서 하고 계시는 연구에 대한 간단한 소개 부탁 드립니다.

    초고성능 콘크리트 (Ultra-High Performance Concrete, UHPC)는 물처럼 스스로 흐를 수 있으면서 경화 후 압축강도가 150~250 MPa (일반 콘크리트의 최대 10배)에 이르고, 치밀한 내부구조 덕분에 유해물질과 수분이 침투하기 극히 어려운 고강도/고유동성/고내구성 콘크리트 입니다. 또한, 내부에 포함된 짧은 섬유들 덕분에 인장력과 균열에 대하여 저항 할 수 있습니다. 콘크리트가 철근과 같은 추가적인 보강재를 요구하지 않고, 스스로 흐를 수 있다는 특성은 건축분야에서 많은 장점과 새로운 가능성을 제공해 줄 수 있습니다. 저희 연구팀은 UHPC의 장점과 특성들을 건축물에 적용하는 등 새로운 가능성을 검증하기 위한 연구를 수행하고 있습니다. 이와 같은 연구는 크게 두 그룹으로 구분할 수 있습니다. 첫 번째는 초고성능 디자인 콘크리트의 활용이며 자세한 설명은 이후에 하도록 하겠습니다. 두 번째는 UHPC의 뛰어난 강도와 내구성을 이용하여 기존건축물의 구조성능을 향상시키기 위한 구조물 보수/보강에 관한 연구입니다. 즉, 기존 구조물 표면을 UHPC로 얇게 (30 mm 이하) 덮어 내진 등의 구조성능은 물론이고, 수밀성, 내마모성을 크게 향상시킬 수 있습니다. 각각의 활용목적에 따라 UHPC가 갖추어 할 재료특성들은 달라질 수 있습니다. 예를 들어, 건축 외장재와 보수/보강을 위한 재료 요구사항은 다릅니다. 따라서 이러한 요구조건에 맞도록 UHPC의 재료특성을 변경하고 있으며, 구조성능 검증도 함께 수행하고 있습니다.


    2. 일반적으로 콘크리트의 장점과 단점은 무엇이 있습니까?

    콘크리트의 가장 큰 장점은 아무래도 우리주변에서 손쉽게 구할 수 있는 물, 자갈, 모래, 시멘트와 같은 재료들을 이용하여 특별한 기술 및 설비 없이도 누구나 쉽고 안전하게 단단한 물질을 제조할 수 있다는 것입니다. 더불어 금속, 플라스틱과 같은 인공적인 느낌보다는 석재와 같은 자연 친화적인 느낌을 전달 할 수 있고, 비록 거푸집 형상에 의존하지만 다양한 형상을 연출 할 수 있다는 점에서 건축가에게 충분히 매력적인 재료입니다. 마지막으로, 건축물에 있어 화재에 대한 위험성은 주요 고려사항입니다. 다른 건축재료들(금속, 플라스틱, 목재 등)과 비교할 때 콘크리트는 화재 위험에 있어 상대적으로 안전하다고 볼 수 있습니다.

    그러나, 철과 같은 금속재료와는 다르게 압축강도와 인장강도가 다릅니다. 따라서 추가적인 인장보강이 필요합니다. 또한, 내부수분이 자체적으로 소비되거나 아니면 외부로 빠져나갈 때 수축과 균열이 동반되며, 이는 외관과 내구성에 있어 문제점을 일으킵니다.



    3. 최근 콘크리트의 단점을 보완하기 위한 어떤 기술 개발이 이루어지고 있는지 궁금합니다.

    공학적인 관점에서 볼 때 콘크리트의 단점은 대부분 균열과 관련되어 있습니다. 이러한 균열은 다양한 원인에서 발생합니다. 콘크리트에 철근을 배근하는 목적 중 하나도 균열로 인한 내력 및 내구성 손실을 막기 위한 것입니다. 그러나, 이와 같은 전통적인 보강방법은 균열제어에 있어 콘크리트의 모든 영역에서 효과적일 수 없습니다. 따라서 강섬유라는 길이 60mm 이하의 철심들이 함께 섞여 제조된 강섬유 보강 콘크리트가 수십년 전에 개발되었고, 균열제어를 위해 현재 널리 사용되고 있습니다. UHPC도 역시 강섬유를 포함하는데, 이는 초고강도 혹은 초고성능 콘크리트에서 발생하는 급취성적인 (폭발과 유사한) 파괴를 완화하고, 콘크리트의 인장강도와 연성을 향상시키는데 효과적입니다.

    균열유발에 있어 또 다른 주요 원인은 바로 수축입니다. 특히, 최근 개발되는 고강도 콘크리트들은 물의 함량이 낮은 것이 특징입니다. 일반적으로 강도가 높은 콘크리트 일수록 시멘트 대비 물의 비율이 감소합니다. 이는 내부수분의 소비로 인해 외부로의 수분증발 없이도 콘크리트의 내부습도가 자체적으로 감소하는 “자기건조” 현상으로 이어지고, 결국 수축과 균열로 연결 될 수 있습니다. 이를 해결하기 위해 “내부양생” 기법이 2000년대 이후 활발히 연구되고 있습니다. 내부양생은 흡수능력이 뛰어난 다공질의 골재 또는 고흡수성수지(기저귀용 재료)를 콘크리트에 포함시켜 자기건조 현상을 막고 콘크리트가 굳는 화학반응을 촉진시키는 것으로 설명됩니다. 저희 연구팀도 3년 전부터 내부양생 기법을 UHPC에 적용하여 자기건조와 수축을 효과적으로 저감시킬 수 있는 기술을 확보 하였습니다.

    이와 같은 기술들은 균열예방을 목적으로 하고 있지만, 마지막으로 설명드릴 기술은 발생된 균열을 스스로 치유하는 “자기치유” 콘크리트입니다. 특히, 이 기술은 최근 국내에서도 활발히 연구되고 있는 콘크리트 재료공학 기술 중 하나입니다. 에폭시와 같은 보수재를 담고 있는 캡슐 또는 관을 콘크리트 내부에 분포시켜, 균열 발생시 이것이 흘러나와 균열을 메우는 Self-Sealing 기법과, 박테리아 또는 폴리머 물질을 이용하여 탄산칼슘 등의 고체물질을 균열 사이에 형성시키는 Self-Healing 기법들이 국내외에서 연구개발 되고 있습니다.



    4. 초고성능 콘크리트 (Ultra-High Performance Concrete, UHPC) 연구가 국내뿐만 아니라 해외에서도 많은 연구가 진행되고 있는데요, 이 기술에 대한 국내상황과 국외상황을 구체적으로 비교해 주신다면 어떤 실정인가요?

    UHPC의 개발 및 상용화에 관한 연구는 1990년대 프랑스, 독일 등 유럽지역에서 시작되었습니다. 특히, 프랑스는 “라파즈”라는 거대기업 주도하의 기술개발과 프랑스 토목학회 주도하의 국제기준 개발 및 국제학회 개최 등 UHPC 상용화에 있어 가장 적극적으로 투자를 해왔으며, 그 결과 현재 가장 우수한 기술력과 함께 세계적인 시장을 확보하고 있습니다. 2002년 한불수교 100주년을 기념하기 위해 서울 선유도에 건설된 “선유교”는 당시 프랑스의 기술력을 보여주는 대표적인 사례입니다. 2000년대 이후부터 우리나라를 비롯해, 미국, 일본, 호주와 같은 후발 국가들이 자국 기술력으로 UHPC를 개발하기 시작하였고, 10여년이 지난 지금은 재료성능에 관하여 프랑스, 독일과 같은 선진국과의 기술격차를 거의 다 좁힌 것으로 평가 할 수 있습니다. 2010년대 이후부터는 중국과 동남아 국가들이 가격경쟁력의 우위를 앞세워 적극적인 연구개발을 수행하고 있는 상황이므로 우리가 이를 주목해야 합니다. 국내의 경우 가격경쟁력만으로는 국제시장에서 경쟁력을 갖기 어려운 상황입니다. 따라서 고품질을 앞세운 고부가가치 전략이 병행되어야 합니다.

    국내의 경우 다시 건축분야와 토목분야로 구분될 수 있습니다. 건축분야의 경우 2010년 이후에야 UHPC 기술개발의 필요성과 중요성이 인식되어, 토목분야 보다 5~10년 정도 더 늦게 연구개발이 시작되었습니다. 유럽국가들과 비교해 보면 현재 약 10년 정도의 기술격차가 있다고 할 수 있습니다. 그러나 다행히 최근 국내 건축분야에서도 UHPC를 활용한 구조물이 생겨나고 있고, 그것의 활용 계획들이 고려되고 있기 때문에 현재의 기술격차는 향후 빠르게 좁혀질 것으로 예상됩니다.


    5. 연구하신 “초고성능 디자인 콘크리트”에 대한 자세한 설명을 부탁 드립니다.

    “초고성능 디자인 콘크리트”는 UHPC의 특성을 건축 내/외장재에 적합하도록 변경한 맞춤형 UHPC의 한 종류라고 볼 수 있습니다. 매우 얇거나, 복잡하거나 또는 세밀한 형상을 표현할 수 있도록 유동성을 극대화 시켰습니다. 이 재료를 이용하여 한 변의 길이가 2 m 인 정삼각형 콘크리트 패널을 6 mm 두께로 만드는 것이 가능합니다. 또한, 석재, 목재, 가죽, 심지어 아크릴의 광택을 그대로 복사하여 연출하는 것도 가능합니다. 질감뿐만 아니라, 원하는 색상을 연출할 수 있도록 UHPC의 구성재료를 바꾸었습니다. 예를 들어, 순백색을 연출하기 위해서 구성재료들이 색상을 가지고 있으면 안됩니다. 또한, 콘크리트용 안료를 이용하여 다양한 색상을 연출 할 수 있습니다.


    6. 교수님이 개발 하신 ‘초고성능 디자인 콘크리트’는 어떤 장점이나 특징이 있나요?

    콘크리트를 이용하여 형상, 색상, 질감, 심지어 두께에 구애 받지 않는 고강도/고내구성의 건축 외장을 연출할 수 있다는 것이 가장 큰 장점입니다. 압축강도는 표준 열처리 시 200 MPa를 초과하고, 추가 열처리 시 300 MPa에 급접할 정도의 초고강도이며, 동시에 초유동성(슬럼프 플로 800~1,000 mm)을 가지는 것이 특징이라고 할 수 있습니다. 이제까지 금속만으로 가능하다고 생각했던, 두께 10 mm 이하의 얇은 곡면패널이 콘크리트로 제조되고, 이것이 비정형 건물 외장재로 사용될 날이 이번 개발로 인해 앞당겨 질 수 있을 것으로 기대하고 있습니다.


    7. ‘초고성능 디자인 콘크리트’ 개발 과정에 대해서 설명 부탁 드립니다.

    처음에는 서울대 공대의 연구비 지원아래 개발을 시작하게 되었습니다. 유럽 연구진들이 공개한 배합구성 및 제조방법들을 참고할 수 있었지만, 이들이 사용한 원재료와 사용장비들이 국산과 다르고 핵심 노하우는 공개되지 않았기 때문에 초기 1~2년은 시행착오만 반복하였습니다. UHPC는 물을 제외하고 최소 6종 이상의 재료로 구성되며, 일반 콘크리트와는 다른 방식에 따라 제조됩니다. 각 구성 재료들의 화학조성, 특성(입도분포 등), 비율, 혼합 장비/절차/방법에 따라 UHPC의 성능은 달라지기 때문에, 그것의 개발은 많은 시간과 노력을 요구합니다. 문헌 연구와 함께 노하우 개발이 함께 진행되었고, 총 3년간의 노력 끝에 유럽국가들과 동등한 성능을 갖는 UHPC 개발에 성공하였습니다. 이렇게 개발된 재료를 건축분야에 적합하도록 변경함으로써 ‘초고성능 디자인 콘크리트’가 탄생할 수 있었습니다.


    8. ‘초고성능 디자인 콘크리트’를 개발한 나라는 어디가 있고, 직접 사용한 나라는 어디가 있나요?

    프랑스 라파즈사의 Ductal 브랜드가 이 부분에서 현재 세계시장을 대부분 점유하고 있습니다. 건축 외장용 UHPC 제품과 이를 활용한 다양한 제품들이 출시되고 있는 등 기술력과 시장점유율에 있어 독보적인 위치에 있습니다. 이 제품이 적용된 대표적인 건축물로는 지중해 문명 박물관(프랑스 마르세유), 루이뷔통 창의관(프랑스 파리)이 있습니다.

    한편, 2016년 미국 콘크리트학회(ACI)로 부터 최고의 콘크리트 건축상에 선정된 팔라조 이탈리아(이탈리아 밀리노) 역시 디자인 콘크리트가 적용된 주목할 만한 건물입니다. 이 건물은 유동성이 뛰어난 백색 콘크리트를 이용하여 도시의 숲을 연상시키는 독창적인 건물 외장을 표현하였고, 이는 최고상 수상의 영예로 이어졌습니다.


    9. ‘초고성능 디자인 콘크리트’의 앞으로의 향후 발전 가능성에 대해 어떻게 보십니까?

    프랑스, 이탈리아의 사례와 같이 이 재료는 지금까지 보기 어려웠던 독창적인 형상을 갖는 건축물, 기념물 또는 조형물을 위해 사용될 것으로 예상됩니다. 독창적인 디자인은 물론이고 단열, 차음, 설비 시설의 매립 또는 일체화, 자기 정화성 등 각종 기능이 접목된 건축외장 시스템으로도 발전할 수 있습니다.


    10. ‘초고성능 디자인 콘크리트’의 상용화 가능성은 언제쯤으로 보시는 건가요?

    정확한 예측은 어렵지만, 대략 5년 후로 예상하고 있습니다. 비록, 재료개발은 완료단계에 있지만, 앞으로 상용화를 위한 기술이전, 현장검증, 그리고 비정형 및 곡면외장이 연출되는 몰드 제작기술 확보라는 추가적인 과제들이 남아 있습니다.


    11. 앞으로 UHPC를 발전시키고 확대해나가기 위해 어떠한 점이 갖추어져야 할까요?

    국내 건축분야의 경우 UHPC의 현장 활용사례가 거의 없습니다. UHPC가 발전하고 그것의 활용이 확대되기 위해서는 무엇보다도 프랑스의 Ductal과 같이 전용제품이 출시되어 원하는 장소에 안정적으로 공급될 수 있어야 합니다. 또 다른 하나는 가격경쟁력의 확보입니다. 물론 유럽에서 출시된 제품들과 비교하면 국산 UHPC는 가격경쟁력에 있어 우위에 있다고 볼 수 있습니다. 비록 사용되는 물량은 훨씬 더 적지만, UHPC는 일반 콘크리트 대비 단위체적당 재료단가가 10~20배에 이르는 고가의 재료입니다. 더 많은 건축물에 활용되기 위해서는 재료연구를 통한 가격경쟁력 확보와, 고부가가치 제품 개발을 위한 지속적인 노력이 필요합니다.


    12. 앞으로 진행될 콘크리트 R&D 연구방향은 어떻게 설정되고 있는지 궁금합니다.

    건축분야에서 UHPC의 활용을 확대하기 위해 크게 두 가지의 연구를 진행하고 있습니다. 우선 ‘초고성능 디자인 콘크리트’의 가능성을 검증하기 위해 비정형 파빌리온 건설프로젝트를 수행하고 있습니다. 이 구조물은 두께가 18 mm인 각기 다른 형상의 오각형 콘크리트 모듈 57개가 볼트로 조립되어 구성됩니다. UHPC의 뛰어난 유동성과 인장/압축강도 없이는 감히 상상할 수 없을 정도의 혁신적인 프로젝트로서 기대가 큽니다. 또 다른 하나는 UHPC를 기존건축물 내진 보강재로 활용하기 위한 프로젝트로, 중소기업을 대상으로 한 기술이전과 병행하여 진행하고 있습니다. 이 기술 역시 보수/보강이 필요한 콘크리트 또는 조적조 건축물에 효과적으로 적용될 수 있을 것으로 예상됩니다.


    13. 이번 연구에 힘입어 앞으로 연구 계획 중인 연구나 또 다른 목표가 있으신지 궁금합니다.

    UHPC는 현대 콘크리트 재료공학기술이 집대성된 새로운 건축재료입니다. 오히려 콘크리트가 아닌 “차가운 쇳물”로 정의 될 만큼의 뛰어난 성능을 자랑합니다. 향후 연구방향은 이러한 새로운 재료를 효과적으로 활용하여 건축물이 더 아름답고, 튼튼하고, 오래 사용할 수 있도록 만드는 것입니다. 이를 위해 재료의 제품화, 기술이전 및 상용화, 제도 및 기준 정립을 위한 연구개발과 노력을 지속해 나갈 예정입니다.



    14. 지금 콘크리트와 UHPC를 공부하고자 하는 학생들이 많을 것 같은데요. 그분들에게 조언을 부탁 드리겠습니다

    “우선 저질러보자”라는 말을 연구실 학생들에게 가끔씩 합니다. 물론, 준비와 대책 없이 새로운 것을 시도해 보자는 말은 아니지만, 우선 시작이 있어야 성공도 있습니다. 비록 실패하더라고 귀중한 경험을 얻을 수 있습니다. 지금은 원하는 정보를 모두 인터넷으로 검색할 수 있기 때문에, 학교에서 배우고 있거나 배웠던 자신의 전공지식과 다르더라도, 새로운 지식을 습득 할 기회는 얼마든지 있습니다. 다양한 시도와 새로운 도전 앞에 두려워하지 마십시오.


    -관련 보도: 건물의 변신은 무죄'…고강도 디자인 콘크리트 개발 / YTN 사이언스

     

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    전체댓글 3

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    |2017.04.27
    상용화가 된다면 대단히 혁신적인 기여를 할 것으로 보입니다.
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    |2017.04.25
    새로운 분야의 신기술을 알게 되어서 유익했습니다. 감사합니다.
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    |2017.04.24
    유럽이나 선진국은 콘크리트 많이 개발하는 것으로 알고있는데 홍성걸교수연구팀에서 연구를 하시고 계시니 든든하네요
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