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스스로 균열을 치유하는 자기 치유 콘크리트

2022년 건설순환자원학회 가을 학술대회가 10월 12일부터 14일까지 소노캄 제주 리조트에서 열렸습니다.

건설순환자원학회는 매년 봄, 가을 학술대회를 개최하고 있는데요. 국내 학계, 연구기관, 언론계, 산업계 및 관련기관의 전문가들이 함께 모여 건설폐기물 및 건설분야에서 순환 가능한 자원의 관리, 재활용과 관련한 기술, 정책 등 건설과 환경 등에 관한 조사, 연구활동을 공유합니다. 삼표산업 기술연구소도 이번 학술대회에 참여해 친환경, 탄소중립 등 업계 현안을 파악하고 연구 실적을 교류했습니다.

이번 가을 학술대회에서는 총 146편의 논문이 소개되었는데요. 삼표에서도 총 3편의 연구 논문을 발표했습니다. 자기 치유 기술을 활용한 고품질 콘크리트 현장 적용, 무보양 양생을 적용한 내한 콘크리트 개발 및 현장적용, 표면 마모 저항도를 높인 공장 바닥 콘크리트 현장 적용 결과까지 각 분야의 연구결과를 실제 현장에 적용해 나온 성과들을 공유해 많은 관심을 받았습니다.

학술대회는 다양한 세션으로 구성되었는데요. 최근 많은 관심을 받고 있는 ‘자기 치유 콘크리트’ 관련 특별 세션도 열렸습니다.

자기 치유 콘크리트

자기 치유 콘크리트라는 용어를 들어본 적 있으신가요? 참 직관적인 이름인데요. 콘크리트가 초능력이 있는것도 아닌데 어떻게 스스로를 치유하는 걸까요?

콘크리트는 아시다시피 건물을 짓는데 가장 흔히 쓰이는 재료입니다. 시공도 어렵지 않고, 비용도 비싸지 않은데다 튼튼하죠. 다만, 타설 직후 건조수축이나, 이후 노후 등으로 인해 균열이 발생하기 쉽습니다. 때문에 시공이 잘못됐거나, 시간이 흐름에 따라 균열이 발생하고 심해지게 되면 콘크리트 내부 철근의 부식, 누수 등의 문제가 발생해 내구성이 크게 저하되는 것입니다.

자기 치유 콘크리트는 이런 콘크리트의 단점을 보완해줄 수 있는 기술로 주목받고 있습니다. 자기 치유 콘크리트 기술은 2000년대 들어 미국, 유럽, 일본 등 선진국을 중심으로 활발한 연구가 이뤄지기 시작했고, 국내에서도 2015년경부터 본격적인 기술 연구가 시작되었습니다.

자기 치유 콘크리트는 자기 치유에 사용하는 소재에 따라 1. 무기계 혼합재료 활용 기술 2. 박테리아 활용 기술 3. 고분자 활용 기술로 구분할 수 있습니다.

무기계 혼합재료 활용 자기 치유 콘크리트는 시멘트 대체재료(SCMs), 팽창제, 팽윤제, 결정촉진제 등 재료들을 콘크리트에 첨가해 자기 치유 성능을 증진하는 기술입니다. 콘크리트 내부의 미수화 반응물의 추가 수화반응을 통해 균열을 치유하는 방식입니다.

박테리아 활용 자기 치유 콘크리트는 박테리아가 가지고 있는 생체광물(bio-mineral) 생성 메커니즘을 이용한 기술입니다. 박테리아의 대사작용 과정에서 세포 외부에 침적되는 탄산칼슘을 이용하는 것인데요. 콘크리트 내부에서 생존이 가능한 박테리아와, 영양소 박테리아를 콘크리트 배합에 첨가합니다. 나중에 균열이 발생하면 박테리아는 그 틈으로 활동을 재개하고, 균열 보수가 완료되면 다시 동면에 들어가 지속 가능한 치유 성능을 가질 수 있습니다.

고분자 활용 자기 치유 콘크리트는 1) 마이크로 캡슐, 2) 고흡수 폴리머 활용 기술로 자기 치유 메커니즘을 갖게 됩니다. 마이크로캡슐의 경우, 치유물질을 담은 캡슐을 콘크리트에 섞어 시공하면 균열이 발생했을 때 캡슐이 같이 깨지면서 내부의 치유 물질이 균열을 메우는 원리입니다. 내부 치유물질로는 에폭시, 폴리머계 재료, 무기계재료 등을 활용합니다. 고흡수 폴리머 활용기술(SAP)은 자체 중량의 수십~수백배까지 물을 흡수할 수 있는 고흡수성 폴리머를 사용하는 방법입니다. 균열 콘크리트의 수소이온농도(pH)에 변화에 따라 균열이 발생한 곳의 물을 흡수하거나, 배출하는 특성이 있어 균열을 보수하는데 도움이 됩니다.

이렇게 다양한 방식으로 자기 치유 콘크리트를 개발하는 노력들이 계속되고 있습니다. 현재 연구 단계에 있는 기술도 있고, 상용화에 가까운 기술도 있지만 각각 경제성, 시공성, 지속 가능성 등 극복을 위한 과제들이 남아있습니다.

자기 치유 기술을 활용한 고품질 콘크리트의 현장 적용

삼표기술연구소에서는 수축 저감형 콘크리트 기술(블루콘 플로어)을 기반으로, 콘크리트에 무기계 자기 치유 소재를 추가 적용하여 고품질, 고내구성의 자기 치유 콘크리트를 개발해 현장에 적용했고, 결과를 논문으로 발표했습니다.

앞서 설명한 것과 같이 콘크리트는 타설 후 경화 과정에서 외부 환경에 노출되며 건조 수축이 일어나고, 이에 따라 초기 균열이 발생하게 되는데요. 이 균열을 방지하기 위해 건조 수축을 최소화 할 수 있는 수축 저감 콘크리트에 무기계 자기 치유 소재를 추가로 적용한 것입니다. 이를 통해 초기~중기에 발생하는 균열을 저감하고, 장기 균열 또한 치유할 수 있는 내구성이 강화된 콘크리트를 만들었습니다.

현장 적용 전 일반 콘크리트, 수축 저감형 콘크리트, 수축 저감형 기반 자기 치유 콘크리트의 건조 수축을 검토한 결과, 수축 저감형 기반 자기 치유 콘크리트의 건조 수축량이 일반 콘크리트 대비 62% 정도 향상된 걸 확인할 수 있는데요. 이러한 연구 결과를 기반으로 무기계 자기 치유제를 현장에 적용하여, 균열이 발생 확률이 놓은 현장에 적용하여 성능을 평가하였습니다. 자기 치유 소재를 적용한 콘크리트는 현재 타설 후 28일까지 균열이 발견되지 않았으며, 균열 및 균열 치유 성능 점검을 위한 사후 모니터링을 지속적으로 진행합니다. 금년도 연구에서는 총 4곳의 현장 적용을 완료하였고, 22년 11월에 1곳을 더 타설해 총 5곳의 현장을 모니터링 할 예정입니다.

콘크리트의 가장 큰 적, ‘균열’을 스스로 메우는 콘크리트라니 말로만 들어도 멋진데요. 삼표는 현재 콘크리트의 장기 내구성을 향상 시키는 목적으로, 무기 재료 기반의 자기 치유 콘크리트 상용화를 준비하고 있습니다. 더 많은 현장에 실제 적용되어 더 튼튼하고 오래가는 콘크리트 구조물들이 많아질 때까지 삼표기술연구소도 연구개발을 이어갈 예정입니다. 앞으로도 많은 응원 부탁 드립니다.