서치호 건국대학교 교수

콘크리트는 현대 건축에 있어 구조물의 주된 재료로 사용되고 있다. 구조물의 형상과 치수에 크게 제약받는 일 없이 구조물을 만들 수 있기 때문. 또 경제성이 뛰어나며 우수한 성능을 가지고 있어 가장 널리 사용되고 있는 건설재료다.
하지만 타 재료에 비해 중량이 크기 때문에 구조물의 자중을 증가시키는 단점이 있다. 이에 구조물의 자중 경감에 대한 해결방안을 제시함과 동시에 여러 우수한 성능을 부여할 목적에 의해 제조되는 경량콘크리트의 제조 기술 개발 및 보급이 필요한 시점이다.
국내에서는 세계 각국의 경량콘크리트에 관한 개발과 활용에도 그 동안 천연골재의 풍부한 여건으로 이 방면에 소홀히 했었다. 최근 들어 급격한 건설공사의 팽창으로 인한 골재 수요량이 증가하고 건축물의 초고층화, 대형화됨에 따라 경량골재 및 이를 사용한 경량콘크리트에 관한 연구가 진행되고 있다.
경량콘크리트가 건축생산에 적극적으로 활성화돼지기 위해 우선적으로 요구되는 사항은 경량콘크리트 품질의 안정성의 확보라 할 수 있다. 이후 경량콘크리트의 경량화 및 고강도화를 통한 활용성을 증진시킬 수 있는 다양한 구법과 공법의 연구가 지속적으로 수행돼야 한다. 또 경량콘크리트의 다양한 단열, 내화, 차음 등의 성능을 활용하기위한 기술개발이 요구된다.

◇경량콘크리트의 기술현황 및 발전=경량콘크리트는 로마제국 시대에 이미 사용됐다. 당시에는 천연경량골재인 화산경석을 사용했으며 대표적인 건축물로 A.D.120년경의 로마의 판테온(Pantheon) 신전이 있다.
본격적인 경량콘크리트의 개발 및 사용은 20세기에 들어서면서 시작됐다. 현재 선진국의 경우 상당한 수준의 성과가 있어 비구조용 뿐만 아니라 구조용으로 폭넓게 활용되고 있다. 각종 폐기물을 이용한 인공경량골재에 대한 연구도 활발히 이루어져 왔다.
그 중에서도 석탄회를 재활용한 인공경량골재에 대한 기술은 이미 40년전에 실용화된 바 있다. 가까운 일본의 경우에도 1960년대에 이미 인공경량골재가 각종 구조물에 이용되기 시작했으며, 폐기물을 이용한 인공골재도 다수 실용화돼 있다.
그러나 국내에서는 경량골재의 품질과 생산량의 절대적인 부족현상, 경량콘크리트의 배합설계 기술의 미비, 경량콘크리트의 부정적인 인식 등으로 기술선도국에 비해 낮은 수준으로 평가되고 있다.
경량콘크리트의 사용은 현재까지 아셈 무역센터, 여의도 아일렉스타워 등의 슬래브 등에 시범 적용됐다. 또 산업은행 본점 신축공사, 영락교회 100주년 기념관, 제주공항 증축공사 등 구조물의 자중경감이 요구되는 분야에 이용됐다.
경량콘크리트 2차 제품으로는 경량콘크리트패널을 생산해 수송동 국세청사, 서초동 삼성업무단지, 역삼동 데이콤사옥, 현대중공업사옥 등의 오피스 건축물 및 목동 현대하이페리온, 도곡동 대림아크로빌, 분당 삼성타워팰리스, 용산 대우트럼프월드, 해운대센텀시티 등 주거용 건축물에서 세대경계벽 및 지하이중벽체로 적용해 시공됐다.
경량콘크리트는 건축물의 주된 구조재료로 사용되는 보통콘크리트가 갖고 있는 단점을 개선함과 동시에 우수한 복합성능을 부여할 목적으로 제조된 콘크리트다. 대한건축학회는 건축공사 표준시방서에서 콘크리트의 기건단위 용적중량이 2.0t/m3 이하인 콘크리트를 경량콘크리트로 정의하고 있다.
경량콘크리트는 그 제조방법에 따라 일반적으로 비중이 낮은 다공질의 경량골재를 사용한 경량골재 콘크리트, 콘크리트 내부에 무수한 기포를 골고루 형성시킨 경량기포 콘크리트, 그리고 골재사이에 공극을 형성시키기 위해 잔골재의 사용을 배제한 무잔골재 콘크리트 등 3가지로 대별된다. 많은 경우 경량콘크리트라 하면 경량골재를 사용해 경량화시킨 콘크리트를 의미한다.
천연경량골재로 제조된 콘크리트는 강도가 약하고 모양도 나쁘다. 뿐만 아니라 천연자원의 고갈에 따른 자원의 효율적 이용 및 자연환경의 보존과 유지를 위해 점차 그 사용이 감소되고 있다. 인공경량골재는 원재료로 점토, 혈암, 고로슬래그, 규조초암, 플라이애쉬, 절편암 등을 분쇄, 혹은 미분쇄하고 조립한 후 1,000~1,300℃로 소성 발포시켜 제조한 것이다. 국내외에 일반적으로 생산되는 경량콘크리트는 대부분 이러한 인공경량골재를 사용하게 된다.
경량콘크리트를 생산하기 위한 경량골재의 경우 다공질의 특성을 통해 낮은 밀도와 내부 공극을 통해 콘크리트의 중량 감소와 낮은 열전도율 및 음에 대한 차단성능의 증진이 있다. 그러나 흡수율의 증가에 따른 시공에 대한 품질관리의 어려움 및 내구성 저하의 원인이 되고 있어 경량콘크리트 활용의 저해요인으로 작용하고 있다.
때문에 현재 경량골재의 흡수율 저하를 위한 특별한 제조과정이나 피복에 대한 연구가 지속적으로 이루어지고 있다. 이와 함께 경량콘크리트의 다기능 및 고성능화 방안을 통한 실용화 기술 개발에 대한 연구가 진행되고 있다. 다양한 연구 및 새로운 구조용 경량골재의 등장으로 구조용 재료로써 경량콘크리트의 사용이 건축생산에 적용되어질 가능성은 매우 높아지고 있는 실정이다.
향후 이러한 연구 성과를 통해 경량콘크리트는 구조물의 자중의 감소와 구조부재 단면의 축소가 가능하다. 내화, 단열, 방음 등의 효과를 통해 건축구조물 전체의 효용성을 증대시킬 수 있다. 일반 현장에서 시공가능한 콘크리트 뿐만 아니라 경량화 부재, 프리스트레스트 콘크리트 및 프리케스트 제품에 이르기까지 광범위하게 사용되어질 것으로 기대된다.

◇고성능 경량콘크리트의 개발=현재 고성능 경량콘크리트의 개발 및 실용화에 대한 연구가 진행되고 있다. 경량콘크리트 1차?2차제품에 대해 보다 활용도가 높으며 적용성이 뛰어난 건설기술을 확보하기 위한 연구가 진행 중이다.
경량골재는 다결정질 소성체를 주구성체로 하므로 골재 내부에 다량의 공극이 일정비율로 형성되는 것이 특징이다. 이러한 조직구조의 특성상 외부환경의 변화에 의해 수분이 불규칙적인 이동을 보이는 경향이 있다. 내부의 수분 이동에 영향을 미치는 요인으로는 골재 내부의 세공 및 공극의 분포와 형상, 크기 그리고 골재 생산시의 생산방법 등이 있다. 각 조건에 따라 상당히 큰 차이를 보이는 것으로 알려져 있다.
최근 들어서는 국외에서 뿐만 아니라 국내에서도 경량콘크리트의 시공성을 높이기 위해 경량골재 함수율을 공장에서부터 조정해 출하하는 경우가 많아졌다. 그러나 이러한 경량골재의 품질관리 노력에도 불구하고 골재의 수분흡수와 동결융해 저항성, 펌프 압송시의 가압흡수 등의 문제점은 여전히 남아있다.
이를 해결하기 위한 방안으로서 경량골재를 경량성을 위한 내부의 공극은 유지하면서 수분의 유입을 막기 위한 다양한 코팅기술을 검토했다. 이에 따라 경량골재를 발수 코팅해 흡수성을 저감했다. 또 경량골재의 흡수율을 고정 및 시공 중 골재 내부로의 수분 침투 억제를 통한 경량콘크리트의 시공성능의 개선, 품질의 안정성 확보, 동결융해 저항성의 개선 등을 효과적으로 확보할 수 있도록 했다.
한편 건축물의 대형화, 고층화 및 이에 대한 수요가 증가함에 따라 고강도 콘크리트에 대한 관심이 증대되고 있다. 그러나 고강도 콘크리트는 화재 시 보통 콘크리트보다도 콘크리트 내부의 수증기압 상승 등에 따라 급격히 파괴되는 이른바 폭렬 현상이 발생할 수 있다.
이에 따라 2008년 ‘고강도콘크리트 기둥, 보의 내화성능 관리기준(국토해양부고시 제2008-334호)’에서 이에 대한 대비를 하고 있다. 내화성능 확보를 위한 대표적인 방법은 콘크리트 내에 섬유 등을 혼입해 화재발생시 내부수증기압의 배출을 통한 폭렬방지를 하는 것이다. 또 내화보드등을 부착시킨 고강도콘크리트로 화재시 열전달을 차단하거나 지연시킬 수 있다.
경량골재는 다량의 공극을 포함하는 구조로 돼 있어 단열 및 내화에 유리한 재료로 사용할 수 있다. 이를 활용해 경량골재를 잔골재로 사용한 모르타르를 제작해 고강도 콘크리트에 적용해 내화성능을 확인한 결과, 내화요구 시간에 따라 적정한 모르타르 두께가 확인됐다. 이를 통해 모르타르 또는 내화보드 등의 내화용 경량콘크리트 2차 제품 개발이 가능했다.

김덕수 기자 ks@
주선영 기자 rotei@