콘크리트 유토피아

콘크리트는 시멘트에 모래와 자갈, 골재 따위를 적당히 섞고 물에 반죽한 혼합물이다. 만드는 방법이 간단하고 내구성이 커서 토목 공사나 건축의 주요 재료로 쓴다. 특히나 아파트 핵심 자재다. 아파트는 영화에서 처럼 '콘크리트 유토피아'로 불리기도 한다. 한국 사회에서는 도시 변화의 가장 강력한 지표이자 시대외 사회의 욕망을 가장 극적으로 드러내는 상징이라고 여겼다.

하지만 적재적소, 기준에 맞게 써야 한다. 무안공항에 설치된 단단한 콘크리트 구조의 로컬라이저(착륙 유도 안전시설)는 참사 원인 중 하나로 지목되고 있다. 이에 앞서 인천 검단아파트 붕괴는 콘크리트 강도 기준에 못 미쳐 화근이 되기도 했다.

일반적으로 저급 골재를 사용하고 유동성 확보를 위해 물을 많이 써 콘크리트 강도가 약해진다. 이때 혼화제를 써서 감수율(혼화제로 줄일 수 있는 물의 비율)을 높이면 강도를 높일 수 있다. 하지만 현재 일반적인 혼화제의 감수율은 18%에 머물러 현장에서의 물 타기를 감당하기 힘들다. 즉 골재와 모르타르 등 재료가 분리되거나 점성이 너무 높아져 콘크리트 강도가 떨어지는 현상이 나타난다.

최근 건설 현장에서 잇따라 붕괴 사고가 나는 이유도 여기에 있다. 지난해 1월 노동자 6명이 숨지고 1명이 다치는 대형 참사가 난 광주광역시 화정아파트 공사 현장과 올 4월 주차장 붕괴 사고가 난 인천 서구 검단신도시 아파트 공사 현장 모두 콘크리트 강도가 크게 미흡했다. 국토교통부 조사 결과 무너진 검단아파트 주차장의 콘크리트 강도는 설계 기준(24㎫)의 70.4%(16.9㎫)에 불과했다. 화정아파트의 콘크리트 강도도 설계 기준의 60% 안팎이었다. 잇단 사고를 겪고도 아직 건설 현장의 안전 불감증이 지속되고 있는 것이다.

콘크리트를 만들 때 물은 시멘트와 반응해 화학반응을 일으키는데 이는 압축 강도를 높이면서도 작업하기 편한 상태를 만들어준다. 문제는 기준치 이상으로 물을 쓰면 재료 분리 현상이 발생할 수 있고 압축 강도가 떨어진다는 점이다. 특히 강과 바다에서 나오는 천연 골재를 쓸 수 없는 상황에서 부순 골재 등 대체 골재를 사용할 때 물을 많이 흡수한다는 점에서 딜레마가 발생한다. 물을 기준치 이상 붓지 않으면 콘크리트 타설에 필요한 유동성을 확보하기 힘든 것이다.

업계는 콘크리트 성능 향상을 위해 현재 시멘트 총량의 1% 안팎에 달하는 혼화제를 사용한다. 물 사용량을 일정 부분 줄여도 콘크리트의 유동성을 높일 수 있고 강도와 내구성을 개선할 수 있어서다. 이때 감수율을 높일수록 콘크리트 강도는 증가하지만 일반 혼화제로는 감수율을 20% 이상으로 높일 경우 재료가 분리되거나 점성이 너무 높아져 작업성이 떨어진다.

따라서 일반 혼화제와 달리 감수율을 높여도 콘크리트 품질에 문제가 생기지 않도록 만드는 게 필수적이다. 즉 혼화제의 화학구조를 바꿔 고분자가 시멘트에 잘 붙는 동시에 유동성이 생기도록 시멘트끼리 반발할 수 있게 해야 한다. 이를 위해 최근 초고성능혼화제(UHP)도 개발됐다. UHP는 혼화제 고분자의 화학구조에 변화를 줘 감수율이 25~30%가 돼도 재료 분리 없이 콘크리트를 생산할 수 있다. UHP는 탄소 배출이 많은 시멘트의 사용을 줄여줘 탄소 배출 감축 효과도 거둘 수 있다.

이와 함께 고품질 콘크리트를 위한 다양한 연구가 활발히 진행 중이다. 한국건설기술연구원은 콘크리트 배합 설계, 강도 예측 및 양생관리 등을 종합적으로 검토할 수 있는 ‘AI 기반 콘크리트 품질관리 예측시스템’을 개발했다. 건설공사에서는 공사 일정 준수와 비용 절감, 경제적 손실 방지를 이유로 기준에 미치지 못하는 저강도 콘크리트를 사용하는 경우가 발생할 수 있다. 이에 따라 구조적 안전성 문제와 내구성 저하 등 품질관리 문제가 야기될 수 있다.

이를 해결하기 위해 건설연 연구팀은 안정적인 시공을 지원하고 고품질 콘크리트를 확보하기 위해 ‘AI 기반 콘크리트 품질관리 예측 시스템’을 개발했다. 이 시스템은 물, 시멘트, 골재 등 사용 재료 정보와 재령(콘크리트를 타설한 날로부터의 경과 시간 및 일수)을 입력 변수로 활용하며, 7300개 이상의 데이터를 머신러닝 알고리즘에 적용해 최적의 콘크리트 강도와 배합구성 및 양생관리가 가능하도록 설계됐다.

콘크리트 설계 기준 강도 10 ~ 120MPa(메가파스칼, ≒100 ∼ 1,200kgf/cm²) 범위를 지원하며, 일반 콘크리트뿐만 아니라 순환골재, 고강도 콘크리트 및 초고성능 콘크리트 등의 예측도 가능하다. ‘AI 기반 콘크리트 품질관리 예측 시스템’은 건설 계획 수립 단계에서 중요한 역할을 할 수 있으며, 다양한 프로젝트에서 고품질의 콘크리트 생산과 시공 효율성을 높일 것으로 기대된다.

현장 맞춤형 특수 콘크리트도 나왔다. 삼표산업이 최근 현장에 적용 중인 콘크리트 가운데 가장 눈에 띄는 제품은 콘크리트 '블루콘 킵 슬럼프'다. 현대건설과 공동 개발한 이 제품은 일반 레미콘에 비해 작업 가능 시간을 늘려 시공 성능을 일정하게 유지할 수 있는 게 특징이다.

일반 레미콘의 경우 시간이 지남에 따라 원재료인 시멘트가 물과 반응(수화 작용)해 점차 굳어지기 시작한다. 제조 직후 90분 이내에 타설하지 않으면 굳어져 사용할 수 없게 된다. 그러나 이 제품은 일 평균기온 35도에서도 양질의 고품질 콘크리트를 확보할 수 있다. 현장 요구 수준에 따라 콘크리트 유지 시간을 최대 3시간까지 늘릴 수 있다는 장점이 있다.

비 오는 날 타설해도 품질에 영향을 미치지 않는 '블루콘 Rain OK'도 큰 주목을 받고 있다. 이 제품의 핵심은 수중불분리 기술에 있다. 수중에 투입되는 콘크리트가 물의 세척 작용을 받아도 시멘트와 골재의 분리를 막아주는 성질을 가지고 있어 강우 시 타설할 수 있다.

콘크리트에도 친환경 바람이 불고 있다. 대우건설은 한라시멘트와 함께 개발한 신형 ‘탄소저감 조강형 콘크리트’의 현장타설 적용 실적을 바탕으로 건설사 중 최초로 탄소저감 성과를 인정받는 ‘탄소크레딧’ 인증을 추진한다.

지난 2022년 개발한 ‘탄소저감 조강형 콘크리트 (DECOCON)’는 상온양생 환경에서 기존 콘크리트 대비 평균 112kg/㎥까지 시멘트 사용량을 줄여 약 54%의 CO₂ 배출 저감 효과를 달성했다.

또 ‘조강 슬래그시멘트’를 활용해 일반 시멘트보다 조기강도가 10~30% 더 우수한 장점을 가지고 있다. 이를 통해 대우건설은 동절기 콘크리트 강도 지연과 품질 하자 문제를 해소했으며, 이 콘크리트는 온도나 계절에 상관없이 현장에서 직접 타설할 수 있는 특징을 바탕으로 공동주택 등 다양한 건축물에 적용할 수 있는 기술로 국내 최초 개발됐다.

일반적인 기존의 조강형 콘크리트가 일부 프리캐스트 구조물에 한정돼 사용되던 기술과 달리, 대우건설의 ‘탄소저감 조강형 콘크리트’는 모든 건설 구조물에 적용 가능해 사용이 확대될 경우 환경에 큰 도움이 될 것으로 기대된다.

실제 대우건설은 철도공사와 아파트 건설 등 6개의 현장에 현재 적용하고 있다. 일반적으로 국내외 건설 현장에서 쓰이는 콘크리트는 1㎥당 245kg의 시멘트(OPC기준, 혼화재 별도)가 사용돼 다량의 온실가스를 배출하고 있다. 특히 콘크리트 주재료로 널리 쓰이는 ‘1종 보통 포틀랜드 시멘트(OPC)’의 경우, 1톤 생산에 약 0.8톤의 CO₂가 발생해 기후변화의 원인으로 지목돼 왔다.

이 회사는 이 친환경 콘크리트의 현장 적용 경험을 바탕으로 2025년 상반기까지 환경부에서 시행하는 환경성적표지(EPD)와 저탄소제품 인증을 획득할 계획이다.

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