<기술이 경쟁력이다> 공동기획 : 국토교통부, 국토교통과학기술진흥원, 한국건설신문
첨단재료와 핵심설계기술 융복합으로 탄생한 ‘슈퍼 콘크리트’
- 한국건설기술연구원 김병석 박사 -
SOC(사회간접자본) 시설물이 주로 콘크리트로 건설되는 이유는 경제성 때문이다.
국내 콘크리트 교량의평균수명은 선진국에 비해 상대적으로 짧다. 해외 건설시장에서 가격경쟁력을 갖추고 국가 예산을 절감하는 콘크리트 시설물 건설을 위해서는 혁신적인 콘크리트 재료개발과 구조 활용기술이 필요하다.
본 연구를 통해 개발된 슈퍼 콘크리트는 내구수명이 길고 압축강도가 매우 크며 비용도 상대적으로 저렴해, 국내는 물론 미국과 미얀마에도 기술이 적용되는 등 그 우수성을 인정받고 있다.
■슈퍼콘크리트의 국내 적용현황 및 해외진출 현황
SUPER Structure 2020 연구단에서는 해외진출 기반을 마련하고자, 연구사업 기간 내에도 기 완료된 기술의 조기 실용화를 추진하고 있다.
현재 적용 완료한 교량 사업으로는 미국 아이오와(IOWA)주의 ‘Hawkeye UHPC Bridge(2015)’와 미얀마의 ‘양곤-만달레이 고속도로 상 교량(2015)’이 있으며, 기술적용 중인 교량 사업으로는 세계 최초 초고성능 콘크리트 도로 사장교인 강원도 춘천 레고랜드 진입교량(2015. 07. 착공, 2017. 08. 완공예정)이 있다.
건축 사업으로는 삼성동 하나은행 리모델링 벽체보강 사업(2016. 11.)이 완료되었고, 울릉도 힐링 플레이스 현장(2017. 완공예정)이 진행 중이다.
슈퍼콘크리트 활용 고성능 패널을 적용한 한국과학기술연구원(KIST) 50주년 기념물 사업(2016.05.)이 완료되었고, 자유형상 평면패널 기술과 색상 연출 기술 및 비정형 설계기법을 적용한 테스트베드 구축을 2017년 초까지 완료할 예정이다.
미국 내 적용 확대를 위해, 아이오와주 교통부(DOT;Department of Transportation)는 주 내의 교량 건설에 SUPER Concrete 적용을 검토하고 있으며, 슈퍼콘크리트를 연결부 등에 적용하기 위해 필요한 재료 및 구조 성능 검증을 위해, 아이오와 주립대(Iowa State University)와 국제협력 연구를 진행하고 있다.
슈퍼콘크리트 재료·구조 기술을 적용한 아이오와주 Hawkeye UHPC Bridge의 완공을 계기로 미국 다른 주에서도 관심을 보일 뿐만 아니라 구체적으로 펜실베니아주에서 교량 교체 사업의 연결부나 구조체 등에 SUPER Concrete를 적용하는 것을 검토하고 SUPER Concrete 기술을 적용한 시범교량을 논의 중이다.
또한 미국 연방도로청(FHWA)에서 미국 내 적용을 위한 슈퍼콘크리트 성능평가를 추진하고 있으며, 미국 내 Design-Built Project에 슈퍼콘크리트 기술 적용 설계안 제출을 위해 미국 설계회사와도 기술협력 중이다.
교량 선진국인 미국에서의 현장 적용 및 구조 성능 검증 결과는 추후 미국뿐만 아니라 동남아 국가 등 해외 교량 건설 수주에 있어 직접적인 도움이 될 것으로 기대된다.
동남아 국가 적용 확대를 위해 완공된 미얀마 ‘양곤-만달레이 고속도로 상 교량(2015)’에 이어 미얀마 우정의 다리 건설에 슈퍼콘크리트 기술을 적용하기 위해 노력 중이다.
동남아 건설 사업에 적용성을 높이기 위한 노력으로, 베트남 프리캐스트 제작 공장과 태국 Siam Cement Group(SCG)에 슈퍼콘크리트 재료 기술과 교량 및 건축물 적용 기술 이전 추진을 하고 있다.
동남아 국가 외에도 향후 교량 건설 수요가 높은 인도 진출을 위해 인도 비하르주 등의 장대교량 및 건설 사업 진출 노력도 진행 중이다.
해외에 기술을 적용하기 위한 설계코드의 범용성 증대를 위해 국제표준화기구 콘크리트 분야(ISO/TC 71)에 HPC 위원회 신설을 타진 중이다.
■신성장 동력으로 부각되고 있는 초고성능 콘크리트
국내의 SOC 관련 국가예산은 점점 감소하는 반면, 동남아시아를 비롯한 개발도상국과 중동지역의 건설시장은 확대되는 추세다.
국내 건설업 침체를 타계하고 해외 수주를 늘리기 위해서는 세계시장을 선도할 경쟁력 있는 기술력을 갖추는 게 중요하다.
우리나라의 해외 건설수주는 2011년 591억 달러, 2012년 649억 달러,2013년 652억 달러, 2014년 660억 달러, 2015년 461억 달러, 2016년 6월기준 152억달러로 전체적으로 성장하고 있지만, 그 내용을 보면 플랜트 분야에 80%가 편중되어 있고 순이익률도 저조한 실정이다.
국내 SOC 기술력은 선진국 대비 80% 수준1)으로, 고부가가치 시장인 엔지니어링 분야에서의 세계시장 점유율은 2011년 기준 1.9%에 그친다.
초고성능 콘크리트(UHPC)2)는 이러한 건설업의 위기를 돌파할 ‘황금열쇠’로 불리는 기술이다. SOC 시설물의 품질과 기능, 수명에 대한 기대가 점점 커가는 지금, 프랑스·독일·일본·미국 등 선진국들은 UHPC 재료 및 구조물의 활용기술을 미래 성장동력으로 인식하고 국가 지원을 아끼지 않고 있다.
우리나라는 이미 UHPC 분야의 최고 수준 기술을 확보하고 있고 세계적으로도 유관기술들이 많이 활용되고 있지만 국제기준 정비는 미흡한 상태다. 첨단재료와 핵심 설계·제작·시공기술을 개발하고 글로벌 기준에 부합하는 국제 기준 작성을 주도한다면 UHPC 기술은 해외 건설 수주를 견인하는 신성장동력이 될 것이다.
슈퍼 콘크리트 제조기술 및 구조설계지침 개발,국내 교량 현장 적용본 연구단은 세계 최고의 콘크리트 구조물 건설기술 개발을 위해 먼저 UHPC를 포함하는 (초)고성능 콘크리트 제조기술과 재료모델 및 지침을 개발했다.
그 결과 제조비용의 20~50%를 절감하고 내구수명을 100% 증진시킨 압축강도 80~180MPa급의 성능맞춤형 슈퍼 콘크리트를 개발했다.
현재 슈퍼 콘크리트의 프로토타입배합(SC80, SC100, SC120, SC120f, SC150f, SC180f)은 모두 완성되어 부재 제작에 활용되고 있으며, SC180f 등은 이미 현장에 적용되고 있다.
2015년 7월 강원도 춘천 레고랜드 진입교량에 본 기술을 적용해 2017년에 완공 예정이며, 이는 세계 최초의 초고성능 콘크리트 도로 사장교로 기록될 것이다. 2015년 10월에는 미국아이오와주 노후교량 교체사업 수주에 성공해 미국 최초로 한국기술을 적용한 교량 ‘Hawkeye UHPC Bridge’를 건설했다.
또한 같은 시기에 미얀마에서도 양곤~만달레이 구간의 고속도로 확장공사 구간에 슈퍼 콘크리트 기술을 적용한 교량을 건설했다.
현재 개발된 SC120f, SC150f, SC180f 구조설계지침은 일반 설계사와 시공사에서도 활용가능하다. 특히 SC180f 구조설계지침은 영문판으로 작성돼 미국 아이오와주 ‘Hawkeye UHPC Bridge’와 미얀마 고속도로 교량 건설에 적용되었다.
슈퍼 콘크리트 프로토타입 배합은 국·내외 제조비용의 50~80% 이하로 매우 경제적인 것이 특징이다.
일반 콘크리트를 사용한 경우에 비해 200~800m급 사장교에 SC80~ SC100을 적용하면 상부구조 공사비의 최대 16%, 전체 공사비의 10% 내외를 절감할 수 있는 것으로 나타났다.
150m급 프리캐스트 풍력타워의 경우 SC80 적용 시 강재타워 대비 제작비의 최대 77%를, 부잔교는 SC100 적용 시 일반 콘크리트 대비 최대 18%, 건축 구조요소는 기존 대비 건설비용 약 10%를 절감할 수 있다.
현재 연구단은 1000m급 사장교 구조시스템의 개발과 경제성 향상, 현장적용 기술개발 등 슈퍼콘크리트 기술의 실용화 연구에 초점을 맞추어 연구를 수행중이다.
■미국과 미얀마 수주 성공, 기술력 인정받아
본 연구를 통해 세계 최고 수준의 80〜180 MPa급 콘크리트 재료 및 구조기술을 개발했으며, 이를 토대로 설계·시공·유지관리ㆍ사업관리 기술을 패키지로 해외 진출하는 모범사례를 만들고자 한다.
또한 춘천 레고랜드 진입교량 실적을 바탕으로 국내 건설사가 해외 장대교량 사업을 수주할 수 있도록 하고, 국제적인 가이드라인 작성을 통해 글로벌 리더의 지위를 확보하고자 한다. 슈퍼 콘크리트의 고내구성을 통해 구조물 주요부재의 수명은 100% 증가, 구조물 중량을 30% 이상 줄이는 것은 물론 공사비의 10%, 탄소배출량의 30% 이상을 절감할 수 있다.
본 연구성과는 2015년 한국콘크리트학회에서 기술상을 수상했으며, 국제 교량 및 구조공학회(International Association for Bridge and Structural Engineering) 국제학술대회와 제1회 아시아콘크리트연합(ACF, Asian Concrete Federation) 국제회의, 제1회 UHPC 재료 및 구조 국제학술회의에 주요연사로 초청되는 등 국내외에서 기술력을 인정받고 있고, 한강 교량(제2경부고속도로), DMZ 횡단 교량(평화의 다리) 등에 적용할 수 있는 기술이 개발되는 등 실용화가 확산되고 있다.
