한국건설기술연구원(KICT, 원장 한승헌)은 불연소재인 탄소섬유 보강재와 시멘트 혼합물을 활용해 노후시설물의 하중저항능력을 2배, 내구수명을 3배 향상시킬 수 있는 보강공법을 개발했다고 밝혔다.
국토교통부 자료에 따르면 노후시설물을 준공 후 30년을 기준으로 했을 때 우리가 매일 이용하는 교량, 터널, 지하철 등 사회기반시설의 37%는 노후시설물이고 20년 후에는 80%로 증가될 예정이다.
그러나 노후시설물은 예산부족 등의 이유로 일시에 교체할 수 없다. 이에 따라 수시로 유지보수를 실시해 성능을 유지해야 하고 성능이 부족한 시설물은 성능개선공사를 실시해 시설물의 사용수명을 늘리는 것이 필요하다.
지하철 등 사회기반시설은 물론 우리가 거주하고 있는 주택, 아파트 등 주거시설의 90% 이상은 콘크리트로 시공돼 있다. 노후 콘크리트 시설물 보수를 위해 다양한 보강공법이 적용 중에 있다.
그중에서도 고강도 탄소섬유를 시트나 패널형태로 접착 시공하는 방법이 일반적이다. 탄소섬유를 활용한 기존 노후구조물 보강공법은 구조물에 에폭시수지 등 유기계 접착제를 활용해 탄소섬유시트나 패널을 부착하는 방식이다.
그러나 유기계 접착제는 화재에 취약하고 지하구조물 등 표면이 젖은 구조물에 시공할 수 없으며 시공 후 접착된 부위가 수분에 노출되는 경우 탄소섬유가 탈락하는 문제점이 있다.
김형열 박사 연구팀은 기존 탄소섬유 접착공법의 문제점을 개선하기 위해 유기계접착제 대신 시멘트 혼합물을 활용하는 공법을 개발했다. 개발된 공법은 노후시설물 표면에 격자형상으로 제작한 탄소섬유 보강재와 고성능 시멘트 혼합물을 일체화 시공해 보강하는 공법으로 시멘트 혼합물이 접착제 역할을 대신한다.
탄소섬유와 시멘트 혼합물 모두 불연소재이기 때문에 내화성능이 우수해 화재위험에 노출된 시설물 보강에 효과적으로 활용할 수 있다. 젖은 구조물이나 동절기에도 시공이 가능하며 누수가 발생해도 떨어지지 않는 등 기존 접착공법의 단점을 보완했다.
또한 탄소섬유는 철근처럼 부식하지 않기 때문에 제설제를 사용하는 도로시설물이나 염분에 노출되는 방파제와 같은 해양항만시설물 보강에도 효과적이다.
개발공법의 성능검증 결과 구조물의 하중저항능력이 2배 향상되는 것을 확인했다. 특히 KICT에서 개발한 시멘트 혼합물에는 제철소에서 발생하는 산업부산물(용광로에서 제련할 때 나오는 재, 일명 고로 슬래그 미분말)이 50% 배합돼 있다. 이에 따라 일반적으로 사용되는 시멘트 혼합물에 비해 재료비는 50% 절감되고 내구수명은 3배 이상 향상시키는 효과가 있다.
개발된 공법은 주택과 같은 소형시설물 보강시에는 인력시공이 가능하고 교량, 터널, 지하철과 같은 대형 시설물 보강시에는 기계화 시공이 가능해 시공속도를 기존 대비 2배 이상 향상시킬 수 있다. 경제성 측면에서는 기존 탄소섬유 접착공법에 비해 약 45%의 시공비 절감이 가능하다.
한편 개발된 공법은 얇은 패널형태로 건축용 외장재, 시설물 보강용 자재 등 다양하게 활용될 수 있다. 특히 패널에 불연단열재를 추가하면 화염에 취약한 자재들을 대체할 수 있을 것으로 기대된다.
한승헌 원장은 “고강도, 비부식성 등 강점을 가진 탄소섬유는 건설산업에서 철근이나 강철선을 대체할 수 있는 건설재료로 성장 가능성이 높다”며 “앞으로 탄소섬유를 고내구성과 장수명이 요구되는 노후시설물 보강 등 건설산업 전반에 활용하는 연구를 확대하겠다”고 밝혔다.
이번 개발 성과는 2020년 5월과 7월에 국제학술지인 Materials와 Composite Structures에 각각 게재됐으며 개발 공법은 국내·외 특허로 등록됐다. 또한 올해 하반기에 공용중인 시설물을 대상으로 테스트베드를 구축할 예정이다.
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