청주대학교 건축공학과 한천구 교수

30층 이상 초고층 주상복합 아파트 등의 시공 시 기존의 일반 콘크리트보다 강도가 2~3배 정도 높은 고성능 콘크리트의 사용이 필수적으로 받아들여지고 있다. 고성능 콘크리트가 우수한 내구성 및 유지·관리성 등이 탁월하기 때문이다.
하지만 콘크리트의 내부 조직이 치밀해 화재 발생시 급격한 가열에 따라 콘크리트의 표면이 탈락하거나 박리하는 폭렬 현상이 발생할 수 있다. 경우에 따라서는 건축물이 붕괴될 수 있는 치명적인 결함을 가지고 있어 이를 보완할 수 있는 대책이 요구됐다.
일예로 스페인 마드리드의 윈저빌딩 화재로 인한 피해 사례가 보고되면서 전세계적으로 고성능 콘크리트의 화재에 의한 폭렬현상을 방지하기 위해 다양한 시도가 진행돼 왔다.
고성능 콘크리트의 폭렬현상이란 고온에 노출된 콘크리트의 가열면이 가까운 영역에서부터 수증기가 발생하기 시작해 단계를 거쳐 콘크리트의 모세관 공극과 기타 미세한 공극으로 이동하면서 골재와 시멘트의 계면간 천이지대에 축적되다가 콘크리트의 인장력보다 커질 때 계면간 천이지대를 중심으로 서서히 균열이 발생되기 시작하다가 급격한 폭음과 함께 콘크리트의 폭렬현상이 일어나는 것을 말한다.

국내 연구진, 불에 강한 새로운 콘크리트 개발

현재까지 알려져 있는 고성능 콘크리트의 폭렬 방지 공법은 섬유 혼입에 의한 내부 수증기압 배출, 마감재료 등을 이용한 콘크리트의 온도 상승 억제, 메탈라스 등 횡구속 효과에 의한 콘크리트의 비산 방지, 비탈형 거푸집 등을 이용한 폭렬 억제형 피복 등 다양한 방법이 알려져 있다. 그중에서도 섬유 혼입에 의한 내부 수증기압 배출 공법이 가장 간편하고 저렴해 효과적인 것으로 알려져 왔다.
기존에 알려진 섬유 혼입 공법은 폴리프로필렌 섬유 등 단독섬유를 콘크리트에 0.1% 이상 혼입함으로써 섬유가 고열에 녹아 생긴 틈으로 수증기를 배출시켜 콘크리트의 폭렬 현상을 방지하는 방법이 세계적인 연구 추세였다.
그러나 본 연구팀에서는 기존의 콘크리트 제조법보다 절반의 양으로 동일한 폭렬 방지 성능을 발휘하는 불에 강한 새로운 콘크리트 제조법을 개발하는데 성공했다.
PP 섬유와 NY섬유를 단독 사용했을 경우, PP섬유혼입의 경우는 0.1% 이상에서 폭렬이 방지 되는 것으로 나타났다. NY 섬유를 단독으로 사용했을 시에는 0.075% 이상에서 폭렬이 방지됐다.
연구팀이 개발한 NY섬유와 PP섬유를 복합·혼합한 것은 섬유 혼입율 0.05% 이상에서 폭렬이 방지됐다.
이는 기존에 알려져 왔던 섬유 혼입 공법과 비교해 섬유 혼입량을 절반으로 줄이면서도 동일한 폭렬방지 성능을 발휘 할 수 있어 경제적으로도 획기적인 기술이라 할 수 있다.
복합 섬유 혼입에 의한 폭렬 방지 공법의 메카니즘은 고층 건축물에 화재 발생 시 낮은 용융점을 갖는 PP 섬유가 가열온도 160 ℃ 이상이 되면 1차적으로 PP섬유가 녹은 위치로 수증기압의 통로 역할을 해 AE 공극 등 큰 공극의 수증기압을 완화시킨 후 수증기가 외부로 방출된다.
가열 시간이 지속돼 NY섬유의 녹는점인 220℃ 이상으로 상승하게 되면 단면적이 작으면서 비교적 녹는점이 높은 NY섬유가 순차적으로 녹아 작은 공극인 모세관 공극 등의 수증기압을 세밀하게 완화 시키게 된다.
따라서, PP섬유와 NY섬유가 형성하고 있던 네트워크가 수증기의 통로 역할을 수행하여 내부 수증기압을 효과적으로 배출함으로써 폭렬 현상을 방지 하는 것이다.

두산 위브 더 제니스 등 공사 현장에서 이용

본 기술 개발과 관련해 연구팀에서는 1999년 ‘폴리프로필렌 섬유의 혼입율 변화에 따른 고성능 시멘트 모르터의 폭렬 방지에 관한연구’란 제목의 논문을 시작으로 총 60여 편의 국내학술발표논문과 ‘Improvement of residual compressive strength and resistance of high-strength RC columns subjected to fire’ 외 2편의 SCI 논문 및 국외 학술 논문 22편 등 연구 성과를 거두었다.
또한 ‘나일론 섬유와 폴리프로필렌 섬유를 함유하는 내화성 콘크리트’란 제목의 국내특허를 출원했다. 국제특허협력조약(PCT) 출원 및 중국·유럽연합에 국제 특허도 출원했다.
본 공법은 세계적 콘크리트 보강재 기업인 HIC와 기술 이전·수출에 관한 로얄티 계약을 체결해 라스베이거스에서 열린 세계최대의 산업전시회에 선보여 원천기술을 미국·일본 등 선진국에 수출 할 수 있는 길을 열었다.
국내건설업계에서 복합유기섬유공법의 활용도 또한 날로 증가하고 있다.
그 대표적인 사례로 부산해운대에 위치한 두산 위브 더 제니스 신축공사 현장을 들 수 있다. 2008년 7월 국토해양부 내화성능 관리기준 제정 이후 본 연구팀과 두산건설기술연구소, 렉스콘 연구개발팀 등 3개의 기관이 복합 유기 섬유공법을 적용해 고성능 콘크리트의 내화성능 향상을 위한 기술연구를 진행했다.
국토해양부 내화성능관리기준에서 고시한 주철근 평균온도 538℃, 최고온도 649℃ 범위를 평균온도 399℃, 최고온도 489℃로 만족해 국내에서 최초로 내화성능 인증평가를 받을 수 있었다.
내화성능 인증 평가 결과 현재 부산 해운대 위브 더 제니스 신축공사 현장의 60 MPa급 고성능 콘크리트 기둥에 복합 섬유 혼입공법을 적용하고 있다.
이밖에도 천안 아산 펜타포트 신축공사 현장, 신도림 디큐브 시티, 대구 수성 SK건설의 리더스뷰 등 내화성능 확보를 필요로 하는 건설현장에 널리 사용되고 있다.
그 외 인천청라지구 대우푸루지오 신축공사 현장 및 일산 두산 위브 더 제니스 신축공사 현장 등 고층건축물에 사용되는 고성능 콘크리트의 폭렬방지 대책으로 복합유기 섬유 혼입 공법을 검토해 적용을 준비하고 있다.