[신소재 기획] 복합신소재, 다양한 분야 적용 각광받아

완전 복합신소재 사장교 (영국 스코틀랜드 Aberfeldy bridge)

[토목신문 송여산 기자] 토목구조분야에서 복합신소재는 1980년대부터 토목구조물의 보수 및 보강에 적용하는 재료로서 각광을 받고 있다. 최근에는 교량바닥판, 기둥과 같이 주요부재의 소재로서 활용되고 있다. 또한, 복합신소재가 고강도이면서 부식하지 않는 재료라는 장점으로 인하여 콘크리트 구조물의 철근 및 긴장재를 대체할 수 있는 보강근으로 활용되기 시작했다. 이에 본지는 복합신소재의 용도별 적용사례를 정리했다.
<편집자 주>

오늘날까지 토목, 건축 분야의 건설공사에는 주로 콘크리트 및 강재 등이 건설 재료로 사용되었다. 그러나 최근 건설 산업이 발전함에 따라 구조물이 대형화되고, 중량과 부식, 내구성 문제 및 경과 년 수의 증가로 인한 유지 관리가 중요한 사회문제로 대두되고 있다. 또한 다양한 기후 변화, 극한 환경 및 지진과 같은 이상 자연 재난에 대응할 수 있는 새로운 건설재료를 요구하고 있다.

최근에 이러한 문제를 해소할 수 있는 복합신소재(advanced composite materials)를 건설재료로서 응용하기 위한 노력들이 국내외적으로 활발하게 진행되고 있다. 21세기 들어오면서 금속, 화공분야 등의 산업 발전에 힘입어 콘크리트와 강재를 대체할 비부식성, 경량성, 고강도의 장점을 지닌 복합신소재가 새로운 건설재료로 등장하기에 이르렀다. 더욱이 선진국을 중심으로 첨단기술과 경제적 대국을 겨냥한 초대형 건설 프로젝트를 구상하거나 추진 중에 있다.

다양한 기후 변화, 극한 환경 및 지진과 같은 이상 자연 재난에 대응할 수 있는 새로운 건설재료를 요구하고 있다. 최근에 이러한 문제를 해소할 수 있는 복합신소재(advanced composite materials)를 건설재료로서 응용하기 위한 노력들이 국내외적으로 활발하게 진행되고 있다.

복합신소재는 입자(Particle), 섬유(Fiber)와 같은 강화재료와 이들 재료를 구속하여 일체화시키는 기지재료(Matrix)로 구성된다. 복합신소재는 사용되는 기지재료에 따라 세 가지로 구분할 수 있으며, 사용되는 기지재료가 고분자 기지재료이면 고분자기지 복합신소재(Polymer Matrix Composites, PMC)라 말하며, 금속 기지재료이면 금속기지 복합신소재(Metal Matrix Composites, MMC)라 말하며, 세라믹 기지재료이면 세라믹기지 복합신소재(Ceramic Matrix Composites, CMC)라 말한다.

최근에는 토목구조물의 주요 구조부재, 보조부재, 보수 및 보강재료로서 활용도가 점점 높아지고 있다.
 

교량 분야

이미 미국, 유럽 선진국을 중심으로 복합신소재를 이용한 교량건설이 상당히 진행되고 있다. 대표적인 복합신소재 교량의 기술을 살펴보면, 1986년 독일에서 최초의 복합소재 긴장재(tendon)를 이용한 고속도로용 교량을 건설하였는데 유리섬유 강화폴리머(GFRP)를 인발성형(pultrusio-n)하여 만들어낸 직경 7.5mm의 인장봉 19개로 긴장재를 만들었다.

1992년 Scotland의 Aberfeldy에서는 아라미드 섬유에 폴리에틸렌을 더한 케이블에 GFRP 바닥판과 주탑 등 최초로 전 부분을 복합신소재로 만든 사장교 형식의 보도교를 건설하였는데 총길이 113m에 주 경간이 63m로 현재 가장 긴 완전 복합소재 교량의 하나이다.

미국 McKinleyville에서는 1996년 FRP 강화 콘크리트 바닥판을 이용한 교량이 최초로 건설되었으며, 같은 해에 Russel에서는 차량용 완전복합소재 바닥판을 만들어 시공하였다. 복합신소재 바닥판은 여러 곳에서 사용제품이 나와 있다. 대표적인 것으로 미국 Martin Marietta Composites사의 DuraSpan, Creative Pultrusions사의 Super Deck, 유럽 Fiberline사의 ASSET 등이 있다.

국내 건설분야에서도 복합신소재 응용 실적이 있다.

대원대학교 연구진에 개발된 GFRP를 이용한 수적층된 FRP 패널과 파형 FRP거더로 구성된 고강도 복합신소재 교량(B=8.0m, L=10.0m)이다. 지난 2002년 5월 강원도 영월군 북면 덕창리 지방도 88호선에서 국도 31호선으로 연결되는 도로에 국내 최초로 건설됐다.

최근에 기존 도로 및 철도 횡단을 위한 일체형 교량상부구조 형식이 다양하게 개발되어 건설되고 있다.

콘크리트, 강재 보강 분야

기존 노후교량의 상하부 구조를 외부에서 보강하기 위해 복합신소재인 FRP 쉬트(Sheet)나 패널(panel)을 이용하는 경우 등이 있다. 

이 외에도 철근콘크리트 교량의 보강철근을 유사한 단면의 FRP 보강재로 대체하거나노후된 철근콘크리트 구조물의 보강기술은 다양하게 개발되어 적용되고 있으며, 최근에는 복합신소재를 이용한 철근콘크리트 구조물의 보강공법의 기술개발이 증가하고 있다.

철근콘크리트 구조물의 휨 및 전단부재 보강을 위해 사용되는 FRP재료는 CFRP(Carbon fiber reinforced polymer; 탄소섬유보강폴리머) 쉬트(Sheet)가 주로 사용된다. CFRP쉬트는 뛰어난 물리적 특성을 지닌 탄소섬유를 고성능 에폭시 수지에 함침시켜 만든 프리프레그(Prepreg)의 일종이다. CFRP의 단위면적당의 강도는 강재의 10배에 상당하며, 강재의 1/5의 비중으로 상대적으로 경작업 만으로 뛰어난 보강효과를 나타낼 수 있다.

기존 보강공법에설 요구되는 중량물의 운반장치나 가공, 용접 작업을 필요로 하지 않고, 소음의 문제가 없다. 또한 천정면이나 완곡면에 대한 시공성이 좋고 구조물의 여러 가지 형태에 대해서 폭넓게 적용할 수 있다. 그리고 가혹한 환경하에 대해서도 우수한 내구성을 보이고 있다. CFRP쉬트에 의한 철근콘크리트구조물의 보강은 대부분 접착제의해 기존 콘크리트 표면에 CFRP쉬트를 부착하는 방법으로 이루어지고 있다.
 

복합신소재 보강근(Rebar), 긴장재(Tendon)

철근콘크리트 교량의 보강철근을 유사한 단면의 FRP 보강근으로 대체하거나 FRP(Fiber reinforced plastics)는 현재 토목분야 및 다른 여러 분야에 있어 다양하게 사용되며 각광 받고 있는 신소재이다. 이 FRP는 주로 Carbon, Glass, Aramide fiber와 Epoxy, Polyester, Vinylester등의 matrix와 함께 접착되어 만들어진다.

이렇게 만들어진 FRP는 높은 비강성, 강도, 낮은 자중, 뛰어난 부식저항성, 자기저항성 등의 장점 때문에 특히 프리스트레스 구조물에 사용되는 강재 텐던을 대체할 수 있는 FRP 텐던으로 각광 받고 있으며 특히 염기성 환경에서 강재 텐던의 부식에 대한 문제를 원천적으로 제거할 수 있는 장점이 있다.

FRP 텐던을 사용한 프리스트레스 콘크리트 구조물의 적용예를 살펴보면 주로 유럽과 일본에서 시공되었으며 1986년 세계 최초로 독일에서 GFRP를 사용한 47m 길이의 프리스트레스 교량을 시공하였으며 여기에 사용된 인발성형된 GFRP 텐던의 직경은 7.5mm이고 polymer-mortar 형태의 앵커시스템(Ballinger, 1991)을 사용하였다.

FRP의 장점으로 기존의 강재 텐던에 비해 대부분의 FRP 텐던은 자중이 약 4배 작으며 종방향 인장강도도 CFRP인 경우 약 1.37배 크며 종방향 온도변화에 대한 계수 또한 현저히 낮다.

복합신소재 볼트 및 보강근(미국 Strongwell Co.)

도로 부대시설물 분야

유리섬유 또는 탄소섬유를 이용한 복합신소재인 섬유강화플라스틱(Fiber Reinforced Polymeric Plastic, FRP)은 강도와 강성이 크며, 내부식성과 내화학성이 우수하여 산성비 등의 외부환경에 저항성이 높기 때문에, 도로 위에 있는 부대시설물 분야에 적용성이 우수하다.
 

신재생에너지(Renewable Energy)분야

신재생 에너지로 각광받는 풍력발전기에 사용되는 2MW, 3MW, 5MW급의 Blade는 모두 복합신소재로 구성되어 있는데 EPOXY수지와 유리섬유와 더불어 Blade의 강성을 담당하는 소재가 Balsa와 PVC Foam이며 최근에는 PET Foam도 차차 적용되고 있다. 특히 Balsa의 경우 가격대비 기계적 강도가 우수하여 응력을 많이 받는 Blade의 루트 부분에 적용이 되고 있다.

또한 해양환경에서 태양광에너지 발전시스템의 하부 구조재를 복합신소재로 사용하여 친환경적이면서 기존의 재료를 대체할 수 있는 연구가 진행되고 있다.

 

제언

복합신소재 설계 기준·시방서 마련 시급

 

 

지효선
대원대학교 철도건설공학과 교수
(사)한국복합신소재구조학회 부회장
공학박사/토목구조기술사

 

복합신소재의 성능은 다른 건설재료의 성능보다 우수한 장점에도 불구하고 토목, 건축 등 일반 건설재료로서의 이용에 지연되고 있는 데 그 주된 원인은 다음 세 가지로 요약될 수 있다.

1. 복합신소재가 가격이 비싸다는 편견이 있다.

2. 이론이 일반 설계 기술자에게는 너무나 어렵다.

3. 복합신소재 관련 국내 설계기준이나 시방서가 없다.

현재 각종 복합신소재의 가격은 계속 내리고 있고, 경제적이고 효율적인 제작 방법이 나날이 개발되고 있어 설계 방법이 가격 형성에 결정적인 역할을 하고 있다. 기존 재료에 근거한 부적절한 개념에 의한 설계야말로 구조물의 가격을 상승시키는 원인이 된다. 이것은 공사 단가가 설계개념에 따라 크게 좌우되기 때문이다.

선택의 폭이 방대하고 고려 사항이 무수히 많은 복합신소재의 경우 가격은 설계자의 판단 능력에 더욱 크게 좌우된다.

복합신소재 이론은 학부를 졸업하고 실무에 종사하는 일반 설계 및 시공기술자들에게는 너무나 어렵다. 이를 해결하기 위하여 일반 건설기술자들도 쉽게 사용할 수 있는 간단하고도 정확한 이론에 대한 연구가 꾸준히 진행하고 있다. 또한 복합신소재 관련 설계기준이나 시방서의 제정 등이 시급히 요청된다.

복합신소재가 건설 분야에 접목되면서 가장 큰 어려움은 가격 문제이었다. 불과 십 여년 전만 해도 복합신소재는 가격이 비싸서 우주 항공과 같은 “고성능/소량” 산업분야에만 활용되었다. 오늘날 복합신소재의 가격은 하락하기 시작했고, 효율적인 제작 방법이 나날이 발전하면서, 건설기술자들은 이들 복합신소재의 사용을 검토하기에 이르렀다.

오늘날 복합신소재는 꾸준한 소재개발과 대량생산 등에 힘입어 가격이 하락하면서 건설 분야에서도 경제적인 재료로 평가 받기 시작했다. 복합신소재로 제작, 건설된 많은 구조물들이 강재나 콘크리트 구조보다 경제적인 구조물임을 입증하는 분야가 등장했다.

국내의 교량, 상하수도 등 사회간접자본 시설 노후로 인한 문제가 매우 심각하다. 이러한 시설물의 유지관리 및 신설을 위한 공사에 따른 엄청난 비용과 교통 혼란 등을 고려한다면 복합신소재의 사용의 타당성은 입증될 수 있다.

복합신소재가 건설구조물의 주 구조재로 이용될 뿐만 아니라 기존 콘크리트와 강재와 함께 하이브리드구조형식으로 건설기술발전을 가져올 것이다. 지금까지 토목, 건축분야의 건설재료는 계속 변화하여 왔다. 즉, 목재에서 석재 그리고 콘크리트, 강재로 그 당시에 사용 가능한 재료와 응용 가능한 이론을 토대로 진화하여 왔다.

복합신소재는 강도와 강성이 충분하면서도 재료의 자중을 획기적으로 줄일 수 있으며, 외부환경에 저항성이 크고 환경오염의 영향이 적어 공사시간의 단축, 유지관리, 수명공사비(LCC), 환경적인 영향 등의 문제를 상당부분 해소할 수 있는 매력적인 재료이기에, 미래 건설 분야에서 콘크리트와 강재를 대체할 수 있는 재료로서 각광받게 될 것이다.

선진국에서는 이미 막대한 경비를 들여 연구개발에 박차를 가하며, 사회간접자본 시설에 적용하려는 관심과 시도가 계속 이뤄지고 있다. 이제는, 건설재료는 복합신소재가 될 것이라는 데에 의심의 여지가 없다. 그러나 우리는 이에 대한 관심이 미비하고 관련기술이 지극히 초보적인 수준에 있다.

구조물의 초고층화, 초장대화, 초대형화로 이어지는 고도의 건설 산업에서 고성능, 고강도, 고기능과 고품질의 복합신소재는 건설기술에 경쟁력을 가져다 줄 매력적인 소재로써, 지금이라도 우리는, 실 구조물(교량, 건축 등) 에 적용하려는 노력이 어느 때보다 가장 필요하다.

따라서 복합신소재의 건설 분야에 21세기 새로운 건설재료로 진입하기 위한 산학연관의 협업이 필요한 시점이며, 관련 학회인 (사)한국복합신소재구조학회를 중심으로 설계기준 및 시방서의 제정이 조속히 이루어지고 관련 복합신소재 연구가 계속 활발히 이어져 우리나라 건설 기술발전 및 미래안전사회 구축이라는 시대적 소명을 감당 하여야 할 것이다.