[화학산책] 현대의 바벨탑을 가능케 한 건설재료의 혁명, 콘크리트

현대 사회에서 콘크리트의 중요성은 절대적이다. 주위를 둘러보면 주택, 도로, 다리, 초고층빌딩, 댐 등 도처에서 콘크리트 구조물을 발견할 수 있다. 일상생활에서 콘크리트의 영향에서 벗어나는 것은 불가능하다. 도시를 콘크리트 숲이라고 하는 이유이기도 하다. 그렇다면 콘크리트란 무엇일까? 콘크리트를 알기 위해서는 먼저 시멘트를 알아야 한다. 시멘트는 넓은 뜻으로 물질과 물질을 접착하는 물질을 가리킨다. 따라서 풀이나 아교, 본드, 땜납 등도 근본적으로는 모두 시멘트다. 그러나 오늘날에는 토목 및 건축에서 모래나 돌과 같은 골재를 접착시키는 물질을 가리켜 시멘트라 한다. 콘크리트는 시멘트를 결합재로 해서 골재와 골재를 한 덩어리로 만든 것이다.

 

 

로마인이 사용한 포촐라나

콘크리트의 기원은 고대 로마에서 찾을 수 있다. 로마인들은 오래전부터 석회와 모래에 물을 혼합한 석회몰탈을 사용해왔다. 그런데 이것은 건조되면 쉽게 부서지는 경향이 있었다. 그러다 기원전 2세기경부터 베수비오 화산 근처 포촐리 지역에서 나오는 화산 회를 석회몰탈에 혼합한 포촐라나를 사용했다. 포촐라나는 수경성이 좋아 도로, 성벽, 수로, 주택, 궁전 등 로마시대의 많은 구조물에 적용됐다. 이를 사용한 구조물 중 주목할 만한 것은 126년에 완공된 판테온 신전의 돔이다. 돔 안쪽에는 거푸집과 골재의 흔적이 남아 있어 현대 콘크리트의 시초로 추측된다.   콘크리트가 본격적으로 개발된 시기는 18세기 이후다. 1756년 영국의 건축기사 존 스미턴(John Smeaton, 1724~1792)이 점토를 함유한 석회석을 가열하여 수경성 석회를 만들면서 현대 콘크리트의 기초가 열렸다. 그는 영국 남서 해안 에디스톤 등대의 보수에 이 석회를 사용하면서 그 효용성을 입증했다. 1796년에는 영국의 제임스 파커(James Parker, 1780~1807)가 점토질 석회석을 높은 온도에서 구우면 품질이 좋은 시멘트가 된다는 사실을 알아냈다. 이것이 파커시멘트로, 그 색이 로마에서 사용하던 포촐라나와 비슷하다 하여 로만시멘트라 불리게 됐다. 로만시멘트는 영국의 템스 강 터널 공사와 국회의사당 건축에 쓰이게 되면서 유명해졌으며, 포틀랜드시멘트가 발명되기 전까지 널리 사용됐다.

현대 콘크리트의 시초로 추측되는 판테온 신전의 돔.

 

 

현대 시멘트의 원조, 포틀랜드시멘트

1824년에는 영국의 건축사 조셉 애스프딘(Joseph Aspdin, 1779~1855)이 점토와 석회석을 갈아낸 것을 섞은 뒤 그것을 구워 시멘트를 만들었다. 영국 남부 포틀랜드 섬의 석회석인 포틀랜드 돌과 닮아 포틀랜드시멘트라 불리게 됐다. 포틀랜드시멘트는 최초의 인조 시멘트로 품질이 좋았다. 그러나 때때로 시멘트를 생산할 때 혼합물이 과열돼 단단한 덩어리가 만들어졌고, 쓸모없는 것이라 여겨져 버려지곤 했다. 1845년 아이작 존슨(Isaac Charles Johnson, 1811~1911)은 이 단단한 덩어리를 갈면 가장 좋은 시멘트를 얻을 수 있다는 사실을 알아냈다. 이것이 현재에 사용되는 포틀랜드시멘트다. 우수한 품질과 원료를 쉽게 구할 수 있다는 장점 때문에 포틀랜드시멘트의 제조 방법은 곧 전 세계로 퍼졌고, 이를 결합재로 사용한 콘크리트가 건설재료로 사용되기 시작했다.

 

존 스미톤이 수경성 석회로 보수한 에디스톤 등대.

콘크리트는 압력에는 강하지만 인장력과 유연성이 무척 떨어지는 재료다. 그래서 프랑스의 정원사 조지프 모니에(Joseph Monier, 1823~1906)는 콘크리트의 인장력을 강화하기 위해 콘크리트 속에 철근을 넣는 새로운 시도를 했다. 1867년 철망으로 보강한 콘크리트 화분을 만들어 특허를 획득한 모니에는 교량의 아치, 계단, 철도의 턱 등에 철근 콘크리트를 지속적으로 사용해 나갔다. 이후 1887년 독일의 쾨넨(Koenen)과 웨이스(A. G. Wayss)가 철근 콘크리트 구조 이론을 체계화함에 따라 철근 콘크리트는 건축 세계의 주역이 됐으며, 초고층건물의 등장을 가능케 한 원동력이 됐다.   콘크리트는 인장력이 약한 까닭에 균열 또한 쉽게 생긴다. 철근으로 보강한 콘크리트라 할지라도 균열로부터는 자유롭지 않다. 콘크리트에 균열이 발생하면 콘크리트는 하중을 받지 못하게 되며, 균열은 점차 발달한다. 균열을 통해 수분이나 염분 등이 들어오면 철근은 부식되고, 구조물의 내구성은 크게 저하된다. 프리스트레스트 콘크리트(Prestressed Concrete, PS 콘크리트)는 이러한 단점을 없애기 위한 노력에서 탄생했다. 프리스트레스트 콘크리트는 말 그대로 하중이 작용하기 전에 미리 하중을 상쇄시킬 수 있는 응력, 즉 ‘스트레스를 미리 가해(prestressed)’ 만드는 콘크리트다. 이런 생각은 초기의 콘크리트 기술자들에게도 있었으나 이를 실현한 사람은 프랑스의 유진 프레시네(Eugene Freyssinet, 1879~1962)다. 그는 1930년대에 PS 콘크리트 기술을 실용화했다. 제2차 세계대전 후 전후 복구 과정에서 이 기술을 적용한 교량 건설이 늘어나면서 PS 콘크리트는 급속히 확산됐다.

 

한편, 콘크리트의 사용량 증대에 지대한 역할을 한 것은 레미콘이다. 레디믹스트콘크리트(Ready Mixed Concrete)를 줄여서 레미콘(Remicon)이라고 한다. 레미콘은 말 그대로 우수한 설비를 갖춘 레미콘 공장에서 시멘트, 모래, 물 등을 ‘미리 반죽해 놓은(Ready Mixed)’ 질이 좋고 균질한 콘크리트다. 또한, 트럭믹서의 발명은 레미콘의 수요를 폭발적으로 증가시켰다.

 

 

상상 그 이상을 보여주는 콘크리트

콘크리트의 성능을 개선하기 위한 노력은 계속됐다. 철근 대신 유리섬유나 탄소섬유 등 각종 섬유재가 들어간 특수 콘크리트가 개발돼 도로나 활주로의 포장 등에 사용됐으며, 일본에서는 LNG 탱크 건설을 위해 초유동 콘크리트를 개발하기도 했다. 최근에는 콘크리트의 특성을 뛰어넘는 콘크리트도 개발되고 있다. 미국 워싱턴 국립건축박물관에는 콘크리트 벽 뒤에 있는 사람이 비치는 반투명 콘크리트가 설치돼 있다. 리트라콘이라 불리는 이 콘크리트는 헝가리 건축가 아론 로손치(Aron Losonczi)가 개발한 것으로 타임지의 ‘2004년 올해의 발명품’으로 선정되기도 했다. 원리는 광섬유. 다량의 광섬유를 평행으로 정렬해 한쪽에서 빛을 비추면 광섬유를 통해 반대편에 빛이 나타난다.    물이 통해 식물이 자랄 수 있는 콘크리트도 있다. 부피의 약 30% 정도가 미세한 구멍들로 이루어져 공기나 물이 통하고, 그 구멍을 통해 물이 흡수된다. 물이 있으므로 나무와 풀을 키울 수 있고, 더 나아가 폭우가 내릴 경우 자연스레 물을 흡수하므로 홍수 예방에도 도움을 준다. 게다가 미세 구멍으로 소음 흡수도 가능해 방음벽으로도 사용할 수 있다.   물에 뜰 정도로 가벼우면서도 고강도인 콘크리트도 각광받고 있다. 제조 과정에서 기포를 넣거나 가벼운 골재를 사용해 무게를 크게 줄임으로써 초고층빌딩을 짓는 데 유리하다. 보통 일반 아파트에 사용되는 콘크리트의 강도는 20~40㎫, 반면 초고성능 콘크리트는 100㎫ 이상의 누르는 힘을 견딜 수 있어야 한다. 세계에서 가장 높은 인공 구조물인 아랍에미리트 두바이의 버즈 칼리파 빌딩은 120㎫의 초고성능 콘크리트가 사용됐다. 또한, 무게가 가볍기 때문에 지진이 나도 건물이 받는 충격이 줄어든다. 가벼우니 콘크리트 운송비용도 당연히 적게 든다.

세계 최고층 빌딩 버즈 칼리파에는 120메가파스칼의 초고성능 콘크리트가 사용됐다.

 

 

지구를 넘어 우주로 가다 달에 유인기지를 세우기 위한 계획이 진행되면서 건축물을 세우기 위한 방안도 고안되고 있다. 달에는 물이 없기 때문에 보통 콘크리트는 사용할 수 없다. 대신에 달에 있는 토양과 플라스틱 섬유를 녹여 만드는 루나 콘크리트(Lunar concrete)에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 이 밖에도 어떤 색깔도 낼 수 있는 콘크리트, 공해물질을 잡아먹는 콘크리트, 쓰레기로 만든 콘크리트 등 과거에는 상상도 못한 콘크리트가 속속 개발되고 있다. 또한, 첨단 나노기술을 이용해 콘크리트의 화학적 성질을 개선시킨 나노콘크리트까지 콘크리트의 개발은 끝이 없다. 초경량·고강도 콘크리트부터 자연환경을 지키는 콘크리트까지, 콘크리트는 어느새 칙칙한 잿빛을 벗어 던지고 우리 곁으로 성큼 다가오고 있다.

 

 

1. 수경성

   석회나 시멘트처럼 물에 의하여 굳어지는 성질

2. 인장력

   어떤 물체를 잡아당겨서 늘어날 때 발생하는 힘

3. 하중

   물체에 작용하는 외부의 힘 또는 무게

4. 응력

   물체가 외부 힘의 작용에 저항하여 원형을 지키려는 힘. 변형력이라고도 함.

 

 

 

글 이태식 / 한양대학교 건설환경공학과 교수

발행일  2011.01.27