마이크로파를 이용한 발열시스템을 적용해 콘크리트 구조물의 양생시간을 획기적으로 줄인 친환경 콘크리트 급속시공 기술개발이 이뤄져 화제다.
한국철도기술연구원(원장 홍순만) 고태훈 박사팀과 (주)진인이 공동으로 연구를 진행, 개발에 성공한 이 기술은 전자레인지에서 음식을 데우는 원리를 이용, 특수 제작된 거푸집을 활용한 기술로 콘크리트의 강도를 유지하는 동시에 양생을 빠르게 하는 최적 온도인 35~55℃를 지속시켜 콘크리트 구조물의 강도 확보와 함께 급속시공까지도 가능하다.
특히, 봄과 가을철 기존 콘크리트의 경우 최소 3일 이상의 양생기간이 소요되는데 반해, 이 기술은 계절과 상관없이, 1일 이내 콘크리트 양생을 완료할 수 있어 눈길을 끈다.
‘특수 제작 거푸집 활용’ 최적 온도 지속시켜 ‘급속시공’
마이크로웨이브형 발열시스템 적용 외기온도 영향 없어
일반 콘크리트 양생 비교 장기 내구성 동일 안정성 확보
콘크리트 타설 후 콘크리트가 저온, 건조, 급격한 기온 변화 등에 의한 유해한 영향을 받지 않도록 하고 경화 중에 진동, 충격과 하중을 받지 않도록 보호하는 콘크리트 양생은 초기의 습윤 상태 유지가 매우 중요하다.
그 이유는 초기에 건조가 진행될 경우 충분한 수화반응이 얻어지지 않게 되고, 이런 경우 장기강도 증진을 기대할 수 없기 때문. 이 같은 수화반응은 온도에 영향을 받는 화학반응으로 양생온도에 따라 콘크리트의 강도 발현이 좌우된다.
따라서 온도가 낮은 동절기에는 보온양생을 시행할 필요가 있다. 특히, 겨울철 콘크리트 시공 시 초기동해를 막기 위해 단열 또는 가열에 의한 보온양생을 실시하는 방법 이외에도 강도 발현의 부족분을 보상하기 위해 배합설계 시 배합계획상의 할증 적용이 요구된다.
하지만, 기존에는 겨울철 콘크리트 공사를 진행할 경우 공사비 증가에 의해 공사기간이 중요한 일부 건설공사를 제외한 대부분의 건설공사에서는 콘크리트 시공을 회피하는 경향이 있었다.
또한, 부득이하게 겨울철에 콘크리트를 시공할 경우에도 관리상의 어려움이 있어 초기동해 문제와 강도증진 저하 등 콘크리트의 품질이 저하되는 문제점이 있다.
즉, 평균 외부 기온이 4℃ 이하가 되는 기간을 한중콘크리트 적용기간으로 설정하고 콘크리트가 소요품질을 확보할 수 있도록 적절히 보온양생 하도록 규정돼 있지만, 시공이 번거롭고 고비용의 단점을 갖고 있어 대체기술 개발이 필요한 실정이다.
한편, 기존 현장타설 콘크리트 구조체는 연속적인 시공이 가능하도록 단계적으로 콘크리트 타설 후 초기 강도인 3-4MPa 발현을 위한 양생기간을 확보한 후 다음 단계의 콘크리트 타설이 Bottom-up형식으로 수행되고 있다. 이러한 초기 양생기간은 현장타설 콘크리트 구조체 구축을 위한 공사기간과 공사비에 절대적인 영향을 미친다.
이에 이 연구에서는 마이크로웨이브형 발열시스템을 적용, 외기온도에 좌우되지 않고 콘크리트 양생속도를 촉진시키는 기술 개발에 초점을 맞춰 연구가 진행됐다.
특징
이 기술에서 사용되고 있는 발열 거푸집은 발열 거푸집 온도를 온도 콘트롤러를 통해 55℃로 제어한 결과, 거푸집 내부 콘크리트의 온도를 시멘트의 수화 촉진에 이상적인 55∼60℃정도로 제어가 가능한 결과를 도출, 수화열로 인해 콘크리트 온도가 75℃ 이상 도달할 경우 미세 구조에 문제가 발생할 수 있는 점을 보완했다.
또한, 이 발열 거푸집은 모든 강도의 콘크리트에 유효한 특징을 지니고 있어 교각, 터널, 건축, 공장제품 등 모든 콘크리트 구조물에서 구조물의 강도와 상관없이 적용할 수 있다.
특히, 계절에 상관없이 사용할 수 있으며, 그 중에서도 동절기에 콘크리트 촉진양생 효과가 일반 거푸집에 비해 가장 우수해 계절에 상관없이 양생 15~20시간 정도에 10MPa 이상의 압축강도를 나타낸다.
동절기 콘크리트 시공은 일평균기온 4℃ 이하가 되는 기상 조건에서 응결경화반응이 지연되지 않도록 하는 방법으로 한중 콘크리트에서는 레미콘 제조 시 콘크리트의 온도가 낮아지지 않도록 사용 재료의 온도를 높이고 콘크리트 치기 이후 보온 또는 급열양생을 실시하고 있다.
이에 비해 발열 거푸집 적용 방법은 보온 또는 급열양생의 대체 기술로 보일러, 열풍기, 난로 등의 추가적인 열원이 필요하지 않는 시공법이다.
이러한 발열시스템과 유사한 촉진양생 시스템으로 증기양생이 있지만, 이에 비해 이 기술은 현장에서 증기양생 이상의 효과를 나타낼 수 있는 기술이다.
또한, 러시아, 몽골과 같은 국외 혹한지역에서는 겨울철에 전열선을 이용한 발열양생방법을 사용하고 있지만, 이 기술 대비 시공성과 경제성 측면에서의 효율이 상대적으로 취약한데 동일 소비전력 하에서 전열선 방식의 발열방법과의 비교 실험 결과 발열체 방식이 전열선 방식에 비해 약 4배 정도의 우수한 발열효율을 나타내 우수성을 입증했다.
이와 함께 발열 거푸집을 사용한 촉진양생 시 콘크리트 구조물의 장기 내구성도 일반 콘크리트 양생 시와 동일해 안정성도 확보했다.
콘크리트 교각 현장검증시험을 위해 동일한 배합과 결합재를 사용해 만든 두 교각 콘크리트의 예비 실험결과 촉진양생 콘크리트의 초기 수화도가 약 86∼88%정도로 나타났으며, 이는 정상적인 콘크리트 일반양생조건의 범주인 85-95%에 포함돼 정상적인 수화도를 확보하고 있는 것으로 나타났다.
공극량 역시 약 3~4%정도로 나타나 정상적으로 판명됐다.
즉, 발열 거푸집에 의한 콘크리트 양생 시 거푸집 내부의 콘크리트와 외부의 대기가 직접적으로 노출될 수 없어 콘크리트의 온도균열, 배합수의 증발은 실제로 발생 가능성은 거의 없다.
이외에도 발열 거푸집을 적용한 콘크리트의 경우 추가적인 전문 인력 투입이 필요하지 않을 뿐만 아니라 기존 일반 강재 거푸집의 수명과 동일하게 30회 이상 사용이 가능한 장점도 지니고 있다.
이 기술에서 사용하고 있는 발열체는 제철부산물을 사용, 1kg당 약 300원의 저렴한 가격에 제조 가능하며, 사용 회수는 기존 일반 강재거푸집의 수명과 동일하게 30회 이상 사용이 가능하다.
물론 발열 거푸집의 경우 일반 강재 거푸집(70∼80만원/m2)보다 약 60∼70% 정도 가격 상승이 예상되지만, 거푸집 교체주기와 발열 거푸집에 의한 콘크리트 양생기간 단축에 따른 공사비용 절감효과를 고려할 경우 거푸집 비용증가의 영향은 미미하다.
한편, 이 기술의 핵심기술인 발열체의 경우 거푸집 적용 이외에도 산업용, 가정용 등 여러 분야에서 적용이 가능하며, 대표적으로 도로용 융설시스템, 주택난방, 보일러, 건조기, 열풍기, 소각로 등 다양한 분야에 활용될 것으로 전망된다.
특히, 2012년 현재 국내 철도·도로와 신도시·재개발·재건축 등을 포함한 약 103조원에 이르는 SOC 건설시장에 개발된 콘크리트 촉진양생 기술 적용 시 철도와 도로 교량과 같은 콘크리트 구조물이나 아파트와 같은 건축구조물에서 콘크리트 공사의 소요 공기를 20%~40%정도 단축할 수 있으며, 공사기간 단축에 따른 공사비 절감액은 연 2∼3조원으로 이를 것으로 예상된다.
인 / 터 / 뷰
“5분 내 1,400도까지 거푸집 열 상승”
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| 고태훈 선임연구원 |
철도기술연구원 고태훈 선임연구원은 “이 기술은 콘크리트 구조물 공사기간 중 절대적으로 필요한 콘크리트 양생 기간 단축을 위해 개발된 세계 최초의 기술”이라고 소개하며, “전자레인지에 사용되고 있는 마이크로웨이브를 거푸집의 발열 기술에 적용, 콘크리트의 조기 수화를 촉진시킬 수 있도록 만들어 외기온도나 계절에 상관없이 20시간 이내에 양생이 가능하다”고 강조했다.
이어 그는 이 기술의 원리에 대해 “거푸집 내에 2.45GHz급 마이크로웨이브를 통해 열이 5분 내에 1,400도까지 상승할 수 있는 발열 재료를 삽입, 이 발열체를 통해 거푸집 내의 열전달을 통해 콘크리트가 안전하게 데워질 수 있다”고 설명했다.
이 같은 발열 거푸집의 공급열에 의해 초기 콘크리트의 강도가 증가하는 이유와 콘크리트의 강도 증진 효과에 대해 설명하는 고 박사는 “콘크리트의 강도발현은 시멘트, 골재, 혼화재료 등 구성 재료 성질과 배합 비율, 물-시멘트 비, 배합, 치기, 다지기, 양생 방법, 주변 환경 등에 의해 영향을 받는다”고 말했다.
이어 “이 중 발열 거푸집은 양생 방법에 대한 것으로 양생 온도가 증가하면 시멘트, 고로슬래그, 플라이애쉬 등의 결합재 수화반응이 촉진돼 초기 콘크리트의 강도가 증가한다”며, “설계강도 24MPa의 콘크리트 교각 현장검증시험에 의하면, 콘크리트 치기 이후 24시간 이내에 설계 강도의 60%까지 강도발현이 가능한 것으로 나타났다”고 밝혔다.
그는 또, “하지만, 거푸집 탈형 시 콘크리트의 온도와 외기의 온도차가 클 경우 온도에 의한 손상이 발생할 수 있어 거푸집 탈형 시 외기와의 온도 차이(15±5℃)를 최소화 할 수 있는 거푸집의 발열이력을 조절하는 것이 중요하고 이 경우 콘크리트 치기 20시간 이내에 거푸집 제거를 위한 압축강도 발현이 가능하다”고 덧붙였다.
24MPa 콘크리트 교각 현장 검증시험
24시간 이내 설계 강도 60%까지 가능
이러한 원리를 통해 통상적인 콘크리트 양생기간은 여름철의 경우 2~3일, 봄과 가을은 3~4일, 겨울철에는 4~5일 정도의 시일이 걸리는 것에 비해 획기적으로 단축시킬 수 있다.
“거푸집이 적용되는 모든 콘크리트 공사 이외에도 발열방식이 적용되는 다양한 산업에 활용될 수 있습니다”
고 박사는 “우리나라는 철도․도로망 건설시, 지형적인 특성으로 인해 교량과 터널이 차지하는 비중이 매우 커 콘크리트 인프라에 대한 의존도가 상당히 높고 또한 매년 수많은 콘크리트 건축물들이 시공되고 있어 이 기술의 사용처는 상당할 것”이라고 말했다.
이어 “특히, 현재 계획돼 있는 철도 인프라 건설과 함께 지역적인 특성으로 인해 다량의 동절기 공사가 예상되는 평창동계올림픽 인프라건설 시에도 크게 활용될 수 있을 것”이라고 전망했다.
끝으로 고 박사는 “현재 7건의 국내 특허와 1건의 PCT를 출원한 상태며, 추후 세계 최초 기술인 발열 거푸집을 북미, 북유럽, 러시아, 중앙아시아 등 한랭지 지역에 우선적으로 기술 수출을 진행할 예정”이라고 밝혔다.
