Nikkei Construction_2017.04.10 특집요약 (p28~57)

꿈의 신소재 (토목재료)
철과 콘크리트에 이어 주역을 목표로 하는 13가지 소재

형상기억합금, 알루미늄, 열가소성 섬유강화 플라스틱, 초고강도 콘크리트, 생물, 기체. 토목재료의 주역인「철」과「콘크리트」에 이어, 주목을 받게 될 재료는 어떤 재료일까? 업계 밖에서 선도하고 있는 신소재의 동향을 빠르게 파악하여, 토목재료의 거대 시장에서 사업 기회를 잡아라!

Part 1. 구조재료에 입후보
범용재료∙철에 대한 도전장

지각에 풍부하게 존재하는 철은 철근이나 다리의 부재와 같이 다양한 용도로 사용되고 있으며, 토목 구조재에서 없어서는 안 될 재료다. 한편, 철의 약점을 극복하고 또한 철보다 우세한 특성을 살린 신소재가 등장. 구조부재로서 이름을 올리고 있다.

1. 형상기억합금 X 콘크리트
철근을 교체한 다리가 완성, 긴장재에 대한 아이디어도

2016년 8월, 미국 시애틀의 고속도로의 오프램프 다리에서 세계에서 처음으로 형상기억합금(Shape Memory Alloy, SMA)을 사용한 교각이 시공되었다. 교각과 횡목의 결합 부분의 철근을 형상기억합금으로 교체하였다. 주변은 인성(靷性)이 높은 비닐론 섬유 보강 콘크리트로 덮는다.

기대되는 효과는, 지금까지의 내진보강에 의한 효과와는 다르다. 형상기억합금은 그곳에 가한 응력을 없애면 에너지를 흡수하면서 다시 원래 모습으로 복원한다. 즉, 거대한 지진 발생 후에는 섬유 보강 콘크리트도 한몫하여, 거의 손상 없이 그대로 사용할 수 있게 된다. 변형회복효과를 지닌 재료다.

실제 시공을 거쳐 프로젝트를 지도하는 미국 네바다대학 토목환경공학과의 사이디 교수는,「형상기억합금과 철근의 기계식 접합에서는, 형상기억합금의 끝부분을 가열하여 확장할 필요가 있다. 이 때, 적정하게 온도 조절을 하지 않으면 변형회복성능에 열화가 발생한다는 것을 알았다」라고 말한다. 그 외에도 섬유 보강 콘크리트의 양생에서, 수냉 시스템을 사용했음에도 불구하고 상정한 온도를 초과하는 등의 개선점도 발견되었다.

-- 직경 30mm, 고품질의 동(銅)계열도 가능 --
-- 형상기억 효과로 금이 가는 현상 최소화 --

2. 섬유 X 열가소성 수지
인장(Tensile) 부재나 가설재에 FRP, 목표는「비용의 10분의 1」

수지 등의 플라스틱을 섬유로 강화한 섬유강화 플라스틱(FRP). 가볍고, 강하고, 녹슬지 않는다는 뛰어난 특성 때문에 토목분야에서도 한때 FRP의 이용을 촉진하려는 기운이 높았었다.

2000년에는 국내에서 처음으로 FRP를 사용한 보도교가 오키나와에 설치되는 등 본격적인 보급에 대한 기대가 높았다. 그러나 현재는 본설(本設)의 구조부재에 대한 실적은 그렇게 높지 않다. 토목 분야에서는 콘크리트 안에 넣는 단섬유재나 내진보강용 시트재로서의 인상이 강하다. 그러나 최근에 FRP가 혁신적 구조재료로서 변모하려 하고 있다. 포인트는 섬유가 아니라 수지다. 지금까지 FRP의 성형에서 사용했었던 열경화성 수지가 아닌, 열가소성 수지를 사용한다.

이미 건축재로서 제품화되어 있는 열가소성 FRP도 있다. Komatsu Seiren(小松精練)이 2016년부터 판매를 시작한 탄소섬유 Strand Rod「Cabkoma」다.

-- 3공정에서 2공정으로 --
-- 폭로(Exposure)시험과 부착시험 시행 --
-- 형틀(Mold), 널말뚝(Sheet Pile), 발판 등의 가설재로 --

3. 탄소섬유 X 대경구(Sway Bracing)
철교의 2차 부재로 첫 적용, 발전하는 현장시공법 검증

1910년대 이후, 국내의 섬유산업을 이끌어온 후쿠이현(福井県). 최근에는 해외와의 극심한 비용 경쟁으로, 수요는 감소하고 있다. 후쿠이현이 시장 확대에 대한 활로를 찾아내기 위해 신규개척 분야로 선택한 것이 인프라 분야다.

후쿠이현은 2015년부터 산학관 협동으로「차세대 교량부재 사업화 연구회」를 설립하여, 탄소섬유강화플라스틱(CFRP)을 사용한 교량부재의 실용화를 위해 개발을 추진해 왔다. 그 최종 성과로서, 2017년에는 사용 중인 세이마바시(清間橋)를 CFRP로 보강. 단(端)대경구∙횡구(Lateral Bracing)를 교체하고, 중간대경구를 증설하였다.

「도로교의 2차 구조부재에 탄소섬유강화플라스틱 성형품을 사용한 것은 국내 처음이다」. 후쿠이현 산업노동부 지역산업∙기술진흥과의 고토(後藤) 참사관은 이렇게 말한다.

-- 3m의 교량부재의 무게 불과 33kg --
-- 보강이 필요한 대경구는 3400개 다리 --

Part 2. 혁신적 구조의 추구
지금까지 없는 단면이 가능해진다

지금까지 본 적 없는 단면을 실현하거나 최대한 두께를 얇게 할 수 있다. 새로운 재료의 적용은, 예전에는 당연하게 생각했었던 구조물의 모양을 크게 진화시킬 가능성을 내포하고 있다. 여기서는 알루미늄과 초고강도 콘크리트라는 2개의 다른 혁신적 구조의 가능성에 대해 소개한다.

4. 알루미늄합금 X 교량부재
강철재 제작법에서 탈피, 최적단면이 가능한 꿈의 부재

음료수 캔이나 하드디스크, 새시, 신칸센의 차량 등 일상생활의 곳곳에서 사용되고 있는 알루미늄. 가볍고 녹슬지 않고 재활용에 적합하다(재생에 필요한 에너지는 원료에서 제조할 때의 3% 정도)는 다양한 특성을 갖고 있다.

알루미늄의 원소가 발견된 것은 1807년. 철과 비교하여 역사는 길지 않지만 다양한 업계가 알루미늄의 특성에 주목하여, 200년 동안 급속하게 보급되었다. 금속재료에서는 철 다음으로 수요량 2위를 기록하고 있다. 분야별 수요를 살펴보면, 건설관계는 수송차량 관계에 이어 2번째로 많다. 새시나 커튼 월 등 건축재료가 차지하는 비율이 높다. 한편, 토목분야에서도 2000년대부터, 경량이나 내식성과 같은 특징을 활용하여 보도교의 폭을 확장하거나 과선교 등에 많이 채용되었다. 최근에는 방호책이나 수문 등의 수요도 증가하고 있다.

-- 압출가공의 우위성 --
--「All Aluminium」의 트러스교 실현으로 --
-- 보수∙관리 없이 50년간 사용한 실적도 --

5. 석영 미분말 X 콘크리트
압축강도 500N의 영역으로, 더 발전된 얇은 단면화

2016년, 콘크리트의 초고강도화의 역사에 새로운 한 페이지가 쓰여졌다. 홋카이도에 있는「오곤(黃金)도로」의 호안(護岸, 해안이나 하천가에 침식 방지를 위해 만든 구조물) 침식대책에서 새롭게 설치한 패널에, 압축강도 300N/㎟ 이상의 콘크리트가 시험적으로 채용되었다. Taiheiyo(太平洋) Cement가 개발한 Pore Free Concrete(무공성 콘크리트, PFC)다.

태평양해안을 달리는 오곤도로의 호안은, 강한 파도가 실어 온 암석 충격이나 마모로 열화가 발생. 게다가 동결도 겹치는 등 복합적인 요인으로 손상이 심했다. 이러한 매우 과혹한 환경에서도 장기간 사용을 기대할 수 있다는 점에서 채용된 것이, 초고강도, 초고내구성의 PFC다.

PFC는 경화조직 속의 틈을 미세화하여 압축강도를 높이고 있다. 형틀에 들어부어 만든 콘크리트 공시체(供試体)에서는 세계 최고의 압축강도인 500N/㎟급을 달성. 지금까지는 200N/㎟ 정도의 초고강도 섬유보강콘크리트(UFC)가 유명하다.

-- 석영 미분말을 콘크리트에 첫 사용 --
-- 장대한 현수교도 꿈이 아니다 --

Part 3. “쓰레기”에서 양질의 구조물을
석탄재에서 대량 활용의 가능성 발견

쓰레기 활용의 주요 목적은 환경부하의 저감이다. 한편으로, 석탄화력발전소에서 나오는 재 등을 사용하여 콘크리트 구조부의 성능을 높이는 움직임도 증가하였다. 쓰레기로 양질의 구조물을 만들 수 있다면, 쓰레기의 대량 활용의 길은 열릴 것이다.

6. 산업부산물 X 물유리
시멘트제로 콘크리트, 세계적인 조류에 일본도 합류

환경에 대한 의식이 높아짐에 따라 화력발전소나 제철소에서 발생하는 부산물을 매립하지 않고 유효하게 이용하는 것이 강하게 요구되고 있다. 산업부산물 이용방법의 유력한 후보로서, 콘크리트에 시멘트를 일체 사용하지 않는「Geopolymer」가 새로 등장하고 있다. 주원료로 Fly Ash나 고로슬래그 미분말, 도시쓰레기 소각에서 발생하는 재, 하수오염용융슬래그, 왕겨 재(rice husk ash) 등의 산업부산물을 이용한다.

이미 해외에서는 연구테마로서 폭발적인 인기를 모으고 있으며 일본도 이러한 조류에 따르고 있다. 일본콘크리트공학회(JCI)는 2015년에「건설분야에의 Geopolymer 기술 적용에 관한 연구 위원회」를 설립하는 등 연구를 가속하고 있다. JCI 연차강연회의 Geopolymer에 관한 발표논문 수는 2015년, 16년에 지금까지의 3, 4배로 증가하였다.

-- 내산(耐酸) 모르타르의 60%의 비용 --

7. 플라이 애쉬 X 콘크리트
호쿠리쿠 신칸센 연장에서 표준화, 공급 체제와 품질 안정성 정비

콘크리트에서 혼화재(Mineral Admixture) 활용이 진척된 고로슬래그 미분말과 비교하여 뒤쳐져 있는 것이 플라이 애쉬다. 전국 점유율에서는 고로시멘트 B종이 시멘트 전체의 20% 이상의 사용량을 차지하고 있는데 반해, 플라이 애쉬 시멘트는 수 퍼센트에 지나지 않는다. 이러한 가운데 호쿠리쿠지방(北陸地方)은 지역의 플라이 애쉬 활용을 위해 적극적으로 노력하고 있다. 플라이 애쉬의 출하에 필요한 JIS(일본공업규격) 인증을 취득한 레미콘(Ready Mixed Concrete)공장은 도야마현, 이시카와현, 후쿠이현의 3개의 현에서 60%에 달한다. 전국적으로도 굉장히 높은 인증률이다.

JIS인증 취득은, 전력회사로부터 플라이 애쉬를 받아 혼합 시멘트로서 출하하는 체제를 갖추는 것이다. 그러기 위해서는 플라이 애쉬 전용 창고나 계량기 등이 필요하며, 1,000만 엔의 설비투자가 필요하다고 한다.

-- 신칸센 연장 공사에서 플라이 애쉬 --
-- 비표면적은 JIS의 1종 재(ash)에 상당 --
-- 평가에는 활용에 대한 시점에 불가결 --
-- 비(非)JIS 재(ash)의 활용도 고려 --

Part 4. 궁극의 자연소재 활용
지반에 아무것도 넣지 않고 성능 확보

지반공학과 생물공학, 화학공학의 융합이 점차 진전되고 있다. 지반에 시멘트나 약물 등을 넣지 않고, 현지의 생물이나 공기로 공사목적물의 성능을 확보할 수 있다면, 환경에 대한 부하를 대폭적으로 줄일 수 있다. 궁극의 자연 소재를 사용하는 차세대 지반기술이 될 것인가?

8. 미생물 X 칼슘
손쉬운 해안침식 대책, 현지의 “활동하는 균”으로 고체화

흙 속에는 1g 당 10⁷~10⁹개의 미생물이 포함되어 있다고 한다. 미생물은 철이나 동과 같은 금속자원과 마찬가지로, 사용방법에 따라 우리들의 생활을 풍족하게 만들어 줄 지하자원이라고 여겨지고 있다.

홋카이도대학 대학원의 가와사키(川崎) 교수는, 미생물 기능을 사용하여 지표면을 굳히는 연구를 진행하고 있다. 실제로 현지에서 채취한 미생물이나 바다 모래를 사용하여, 인공 바위를 단시간에 만드는데 성공하였다. 연구개발의 계기는 Beach Rock이라는 해안 퇴적암의 존재였다. 일본에서는 오키나와현이나 가고시마현 등 고온 지역에 많이 분포되어 있다.

지질학에서는, 해수의 침투와 증발의 반복에 의한 석출(析出)된 소금으로, 1,000년의 시간이 흘러 자연적으로 고체화되었다는 것이 정설이었다. 그러나 그 정설이 맞는다면, 일본의 전국 곳곳에 존재해야만 설명이 된다. 가와사키 교수는, 거기에 미생물의 작용도 관여하고 있을지도 모른다는 가설을 세웠다.

-- 자기복원기능에도 기대 --
-- 2017년도부터 기술 지침안 작성 --

9. 이산화탄소 X 암모니아
지반동결로 자연 냉매, 업계 밖의 기술에 주목

땅 속에 약물이나 시멘트를 넣지 않고 지반을 동결하여 고체화하고, 그리고 최종적으로 녹이면 다시 원래대로 되돌아가는 특징을 지닌 지반동결공법. 환경에 부하를 주지 않는 공법으로서, 1960년대부터 일본에서 실적을 쌓아 왔다. 그러한 친환경적인 공법이지만, 환경에 부하가 걸리는 하나의「나쁜 소재」가 냉매에 사용되고 있었다.

그것은 오존층 파괴의 주범인 프레온이다. 2020년의 제조 중지가 이미 결정되었으며, 현재는 오존층 파괴 지수가 제로인 대체 프레온으로 대체되고 있다. 그래도 대체 프레온도 지구온난화에 악영향을 미친다고 알려져 있어, 장기적으로는 사용이 제한될 가능성이 있다. 그래서 동결기술을 보유하는 Chemical Grouting은, 냉동 시스템의 구성을 변경하지 않고, 지금까지의 대체 프레온과 염화칼슘 수용액이 아니라, 암모니아와 이산화탄소라는 자연냉매를 사용하여 지반을 냉동시키는「Ice Cleat 공법」을 개발하였다.

-- 전기료를 40% 절감 --
-- 배관을 100m 이상 늘려도 OK --

10. 공기 X 지반
고속도로에서 시험 시공, 품질관리에도 일정한 전망

그 장소의 공기를 컴프레서로 압축하여 지반에 넣는 것 만으로, 액상화를 방지하는 효과를 얻을 수 있다. 이 꿈과 같은 공법이 도쿠시마현의 도쿠시마고속도로의 성토(盛土) 시공에서 시험적으로 시공되었다.

지반에 공기를 주입하는 Air-des공법은 원래, 항만시설 등에의 액상화 대책으로서 탄생한 공법이다. 지반 속 흙의 입자간 간극을 채우고 있는 간극수에 압축성이 높은 공기를 주입하여 지진이 발생하였을 대 간극수의 압력 상승을 억제한다. 이번 고속도로의 성토 시공에서 얻은 가장 중요한 성과는, 약물 주입에서 일반적으로 사용되는 저가의 공법을 개량하여, 공기의 주입에 이용할 수 있다는 점이다.

-- 계산으로는 약물 주입의 20~25%의 비용 --


●[신소재 가능성 ①] PBO
방탄조끼 섬유를 토목에

홋카이도의 오곤(黄金)도로에서는 PFC뿐만 아니라, 속에 포함시키는 섬유에서도 새로운 소재에 도전하고 있다. 그것은 집속(集束) Poly-phenylene benzobisoxazole(PBO) 섬유다. 이 섬유를 이용한 TOYOBO(東洋紡)의 등록상표인「자이론(Zylon)」이 널리 알려져 있다.

PBO의 필라멘트는 인장(Tensile) 강도나 탄성률이 높을 뿐만 아니라 내열성도 좋다. 이러한 특성을 활용하여 방탄조끼나 소방복, 탁구 라켓, 스노보드 등 다양한 제품에 사용되고 있다. 오곤도로의 PFC에는 필라멘트를 모아 다발로 만들어 수지로 굳힌 것을 포함시켰다. 치수는 직경 0.2mm, 길이 15mm 정도로, 강철섬유와 크게 다르지 않다.

Taiheiyo Cement의 고노(河野) 씨는「토목구조물에 본격적으로 채용한 것은 처음이 아닐까 생각한다」고 말한다. 아무리 치밀한 콘크리트라도 한 번 내부에 염분이 들어가면 강철섬유는 녹슬어 열화가 발생한다. 그 점에서 PBO섬유는 부식에 대한 걱정이 없다. 열에 강하기 때문에 가열 양생에도 적합할 것으로 보고 PFC에 사용하였지만, 콘크리트의 알칼리 성분을 포함한 수분에 담근 상태에서 가열하면 강도가 저하된다는 사실을 알게 되었다. 그래도 압축강도 180N/㎟ 이상을 확보. 설계 조건을 통과한 것부터 채용하였다.

●[신소재의 가능성 ②] 셀룰로스 나노화이버
토목 구조물에 대한 적용가능성은 미지수

일본의 산간부 곳곳에 방치되어 있는 대나무 숲. 벌채한 대나무가 그대로 방치되어 있고 관리도 제대로 되지 않아 주변의 수목 생장에 나쁜 영향을 미치고 있다. 이와 같은 벌채한 “쓰레기”를 원료로 하여 만들어지는 꿈의 신소재가 셀룰로스 나노화이버(CNF)다.

CNF는 식물의 기본 골격인 셀룰로스 섬유를 기계적으로 풀어 헤쳐서 추출한 것이다. 강철의 5분의 1정도의 무게이면서 5배 이상의 강도를 갖는 특성이 있다. 자동차업계를 비롯하여, 이미 타 업계에서는 큰 주목을 받고 있는 차세대 소재다. 한편, 토목업계에서도 CNF에 주목하고 있는 기술자가 많다. 그러나 아직은 용도를 모색하고 있는 단계로 가능성은 미지수다. 강도를 활용하여 로드 재료로서 철근이나 긴장재의 대용을 생각할 수 있다.

●[신소재의 가능성 ③] 마그네슘합금
차세대 경량구조재료

많은 매장량 때문에 차세대 경량구조재료로서 주목을 받고 있는 것은 마그네슘합금이다. 일본마그네슘협회에 따르면 마그네슘은 공업용도에서 사용되는 금속 중에서 가장 가벼운 재료다. 철의 비중은 7.9이지만, 알루미늄은 2.7, 마그네슘은 1.7이다. 게다가 비강도는 알루미늄보다 높다. 재활용성도 뛰어나다.

현재 마그네슘 수요의 50%는 알루미늄합금의 첨가제로서의 이용이지만, 장기적으로는 구조재료로서의 이용도 기대하고 있다. 경량화로 인해 연비 억제로 이어지는 수송 차량의 부재 등이 주요 용도지만, 인프라 분야에서도 철강재를 대신할 재료로서 사용할 수 있을 것 같다. 현재, NIMS 등이 마그네슘합금을 사용한 대형 제품의 실용화를 위한 기초 연구를 추진 중이다. 인성(靷性)과 연성(延性), 피로 등 다양한 특성이 명확히 밝혀졌다. 실온에서 가공이 가능하다는 것도 알게 되었다.

  -- 끝 --