초고층 빌딩도 OK! 진화하는 특수 콘크리트

그래핀 투입하여 강도 높여… 폐타이어 활용하여 탄성도 제공

세계적으로 유명한 수백 미터 높이의 초고층 빌딩들을 지으려면 어떤 재료들이 사용될까? 당연한 말이겠지만 2~3층 정도 건물에 사용되는 재료와는 물성부터 완전히 달라야만 초고층 빌딩 건축이 가능할 것이다.

초고층 빌딩 건설에는 고강도의 특수 콘크리트를 사용해야 한다 ⓒ ijcsm.springeropen.com

대표적으로는 콘크리트를 들 수 있다. 초고층 빌딩을 짓는데 사용되는 콘크리트는 일반적으로 사용하는 콘크리트들과는 성능이 다른 특수 콘크리트다. 특히 최근 들어서는 소재나 물성이 차별화된 신개념 특수 콘크리트들이 새롭게 개발되고 있어 주목을 끌고 있다.

그래핀 활용하여 초고강도 콘크리트 개발

초고층 빌딩 건설에 사용되는 특수 콘크리트에서 가장 중요한 물성은 강도(强度)다. 특수 콘크리트의 강도는 일반 콘크리트 보다 3배 이상인 80메가파스칼(㎫)이 넘는 것으로 알려져 있다. 1㎫은 ㎠당 10㎏의 하중을 버틸 수 있는 강도를 의미한다.

80㎫는 손톱만 한 크기인 1㎠의 콘크리트가 건장한 성인 남성 10명의 무게를 견딜 수 있는 강도다. 남성 1명의 무게를 80kg 정도로 고려했기 때문에 손톱만 한 크기의 콘크리트가 800㎏ 정도를 버틸 수 있다는 의미다.

기존의 특수 콘크리트는 강도를 높이기 위해 초저발열 콘크리트 배합 기술을 사용하거나 점성을 높이는 소재를 사용했다. 또한 콘크리트를 원하는 장소에 빠르게 부어 넣는 타설 작업을 통해서도 고강도의 콘크리트 품질을 유지해 왔다.

그런데 최근 들어 기존 특수 콘크리트의 강도는 유지하면서도 소재만 추가하여 간단하게 초고강도 콘크리트를 만들 방법이 영국에서 개발되어 관심이 모아지고 있다. 추가되는 소재는 꿈의 물질로 불리는 그래핀(graphene)이다.

그래핀을 포함한 콘크리트로 대형 체육관을 건설하고 있다 ⓒ manchester.edu

그래핀은 탄소 원자들이 모여 벌집 구조를 이루고 있는 물질이다. 강도가 매우 강해서 특수 합금이나 신소재 개발에 사용되고 있지만, 분말 형태로 이루어져 있어서 그래핀만으로는 건물을 지을 수 없다.

하지만 콘크리트 입자와 결합한 그래핀은 입자 사이를 단단하게 결합시켜 주는 역할을 하므로 매우 단단한 구조물을 만들 수 있다. 또한 가격도 그리 높지 않아서 기존 콘크리트에 그래핀을 혼합했을 때, 추가되는 비용은 5% 정도에 불과하다.

이같은 그래핀의 특성을 활용하여 영국 맨체스터대 연구진은 초고층 빌딩 건설에 사용할 수 있는 특수 콘크리트 개발에 착수했다. 그리고 수많은 시행착오 끝에 일반 콘크리트보다 30%가 넘는 강도를 가진 특수 콘크리트를 개발하는데 성공했다.

연구진은 나노공학 기술을 이용하여 원료가 되는 시멘트와 물을 섞을 때 그래핀 분말을 함께 투여했다. 시멘트와 물이 혼합된 곳에 그래핀을 투여하면 상당량의 시멘트를 사용하지 않아도 더 높은 강도의 콘크리트를 만들 수 있다는 사실을 파악하게 되었다.

콘크리틴(concretene)이라는 이름의 이 특수 콘크리트는 성능 보다 제조방법이나 소재 확보가 간단하여 업계에서는 가성비가 뛰어난 제품으로 인정하고 있다. 기존 콘크리트들과 비교하여 외형이나 제조방법에 있어서 별다른 차이가 없기 때문이다.

폐타이어 재활용하여 탄성 강화한 콘크리트도 개발

현재 맨체스터대 연구진은 건설 전문 스타트업체와 손을 잡고 대형 체육관을 건설하고 있다. 콘크리틴의 상용화 가능성을 테스트하는 프로젝트로서, 건물의 기초 공사를 위한 타설 작업에 그래핀 기반의 콘크리트를 사용하고 있다.

콘크리틴 개발의 주역이자 체육관 건설 현장에서 성능 검사를 관리하고 있는 맨체스터대의 ‘크레이그 도슨(Craig Dawson)’ 교수는 그래핀 기반의 콘크리트를 개발한 이유에 대해 “콘크리트는 많은 양의 탄소를 함유하고 있기 때문에, 탄소 배출을 조금이라도 줄여보자는 차원에서 개발한 것”이라고 설명했다.

도슨 교수의 설명에 따르면 콘크리트는 원료인 석회석 채굴부터 시작하여 시멘트를 가공하기까지의 모든 과정에서 많은 탄소를 발생하는 것으로 나타났다. 따라서 강도를 높인 콘크리트를 사용하면 전체 콘크리트의 사용량을 줄일 수 있게 되어 탄소 배출을 줄일 수 있다는 것이 그의 생각이다.

비용을 절감할 수 있다는 점도 콘크리틴 상용화에 있어 긍정적인 부분이다. 콘크리트 자체 비용 절감은 물론 전반적인 건축물의 무게 감소로 이어져서 철근이나 H빔 같은 다른 건축 소재 들의 무게도 함께 줄일 수 있기 때문이다.

폐타이어를 활용하여 탄성을 높인 콘크리트 ⓒ ubc.ca

물론 도슨 교수를 비롯한 연구진은 이번 체육관 프로젝트가 성공적으로 마무리된다고 해도 앞으로 3~4회 정도의 실증 테스트를 지속적으로 추진한다는 계획이다.

실제로 한번 지으면 최소 50년 이상은 견뎌야 하는 콘크리트 건물의 특징을 감안할 때 실제 콘크리틴의 내구성과 강도는 장시간 테스트가 필요하다. 속단하기는 이르지만, 콘크리틴의 효과가 장기간 테스트에서도 입증된다면, 21세기 건축의 새로운 역사를 쓸 가능성도 있다는 것이 전문가들의 의견이다.

한편 캐나다 브리티시컬럼비아대의 연구원들은 건물 및 도로, 그리고 댐과 교량 등에 사용하는 콘크리트로 재활용 타이어를 이용한 고탄성 콘크리트를 개발하여 눈길을 끌고 있다.

이들 연구진이 개발한 ​험실 타이어 성분을 함유한 콘크리트는 일반 콘크리트와 비교해 봤을 때, 콘크리트 균열 현상이 90% 이상 줄었으며, 폴리머 섬유가 구조물을 보호하고 오래 유지시켜주는 것으로 파악됐다. 이같은 수치는 매년 전 세계적으로 30억 개의 타이어가 생산되고 있는 상황에서, 폐타이어를 재활용 할 수 있는 효과적 방안으로 기대를 모으고 있다.