건축/환경에너지

Nikkei Construction_2023.9 특집 요약 (p30-51)

콘크리트의 '새로운 상식'
건설 3D프린터의 폭발적 보급 등

탄소중립이나 DX(디지털 트랜스포메이션) 등의 움직임이 가속화되면서 토목 구조물의 주요 재료 중 하나인 콘크리트를 둘러싼 상황은 최근 몇 년 사이 크게 달라졌다. 건설 3D프린터의 지침 작성, 품질관리의 디지털화, 탈탄소 콘크리트의 규격화, 환경사회학과의 연계. 시대에 뒤처지지 않도록 콘크리트의 ‘새로운 상식’을 확인해 두자.

프롤로그
건설 3D프린터의 폭발적 보급, 토목학회가 1년 반 만에 지침 작성

콘크리트 관련 기술혁신이 멈추지 않는다. 생산성 향상과 탈탄소화를 위해 다양한 기업들이 기술개발에서 각축전을 벌이고 있다. 그 중에서도 지금 가장 활발한 움직임을 보이는 것은 ‘건설 3D프린터’이다.

“국내의 건설 3D프린터 기술은 해외에 크게 뒤처져 있었지만 치밀하고 내구성이 뛰어난 것을 ‘인쇄’할 수 있게 되었다. 지금은 해외에도 뒤지지 않는다”. 이렇게 말하는 것은 국내 건설 3D프린터 연구의 일인자인 이시다(石田) 도쿄대학 대학원 교수다.

국내 기술의 도약을 상징하듯 2022년경부터 매설 형틀이나 옹벽, 화장실, 창고 인쇄 안건이 급증했다. 토목학회의 조사에 따르면, 2022년 1월 시점에서는 전국에서 10건 정도였던 사례 건수가 2023년 6월말에는 58건에 달했다.

인력 부족이나 2024년 4월부터 적용되는 잔업 상한 규제에 대한 대응이라는 과제로 고민하는 건설업계에서는 노동 절감, 공기 단축 등을 실현할 수 있는 건설 3D프린터의 본격 도입에 기대가 높아지고 있다. 다만 앞으로 폭발적인 보급을 위해서는 해결해야 할 과제가 남아 있다. 그것은 ‘품질이나 내구성 등을 확인하는 시험 방법의 규칙화’다.

기업마다 사용하는 프린터나 소재가 다르기 때문에 그동안 인쇄물의 성능을 평가하는 기법을 제정하는 것은 어려웠다. 하지만 많은 활용 사례가 등장하면서 어떤 프린터를 사용했든 최소한 지켜야 할 성능이 보이기 시작했다.

그래서 토목학회는 2023년 8월, ‘건설용 3D프린터에 의한 매설 형틀 설계/시공 지침(안)’을 작성하는 위원회(위원장: 이시다 교수)를 새로 설립. 빠르게 검토를 해서 1년 반 만에 지침을 마련해 보급을 뒷받침할 계획이다.

-- 미래의 확장성을 고려해 규칙화 --
지침에서는 매설 형틀을 대상으로, '필라멘트(토출하여 경화된 모르타르) 내부' '필라멘트 사이' '타설한 콘크리트와 인쇄 부분의 접합 부분'의 평가 방법을 제시한다. ‘내하력(Load Carrying Capacity)이나 내구성과 같은 필요 성능과 그 확인 방법을 제시해, 실현 방법에 자유도를 줌으로써 각 사의 창의성을 권장한다”(이시다 교수).

우선은 필라멘트부를 부재 단면의 일부로서 내다보는 레벨까지의 시험 방법을 검토. 축방향 철근이나 띠철근을 매립해 인쇄하는 등의 장래의 확장성도 고려해 규칙을 제정할 예정이다.

콘크리트는 인프라의 주요 재료로서 정착했기 때문에 다른 공종(工種)보다 더 선례를 답습하는 경향이 강했다. 그러나 최근에는 3D프린터뿐만 아니라 생산성 향상이나 인력 절감, 환경부하 저감이라는 부가가치를 이끌어내는 기술이 속속 등장하면서 지금까지의 콘크리트의 ‘상식’을 크게 바꾸고 있다.

제조나 설계, 시공 등의 현장에서 어떤 변혁이 일어나고 있는 것일까? 다음 파트부터는 국내 3D프린터 기술을 선도하는 기업의 동향을 비롯해 DX(디지털 트랜스포메이션)나 탈탄소화가 당연하게 된 콘크리트의 최신 사례를 소개한다.

시공이 바뀐다
철근 콘크리트의 ‘인쇄’에 도전하다, 3D프린터로 선도하는 Polyuse

건설 3D프린터를 ‘문화’로서 건설업계에 보급시키는 것을 목표로 설립한 폴리우스(Polyuse, 도쿄). 지금까지는 매설 형틀 등 비구조 부재의 인쇄가 중심이었지만 23년도에는 드디어 ‘구조 부재’의 인쇄에 도전한다.

23년 8월 24일, 기온 35도의 폭염 속에 야마가타현 사카타시에서 진행되는 7번 국도 도로 확장 공사 현장에 국토교통성과 현(県) 직원, 건설회사 직원 등 총 100여 명이 모였다. 모인 목적은 건설 3D프린터를 활용한 방설책 기초 형틀의 조형을 견학하기 위해서다.

견학 당일은 기초 형틀 3기를 인쇄. 현장에 설치된 3D프린터가 중앙에 매립된 H형강을 둘러싸도록 형틀을 조형. 노즐에서 토출한 높이 약 1cm, 폭 약 3cm의 시멘트계 재료를 쌓아 약 1시간 만에 세로, 가로, 높이 약 70cm의 기초 형틀이 완성되었다.

이 공사는 국토교통성 도호쿠지방정비국 사카타하천국도사무소가 발주하고, 종합건설사 마루타카(야마가타현 사카타시)가 수주한 것이다. 마루타카의 의뢰를 받아 마루타카와 공동으로 기초 형틀 인쇄에 참여한 것이 건설 3D프린터를 개발하는 스타트업 기업 폴리우스다. 폴리우스의 오오카(大岡) 대표이사는 “이번에 실시한 방설책 기초 형틀 인쇄는 향후 3D프린터의 가능성을 크게 넓힐 것”이라고 말했다.

건설업계에서 주목을 받고 있는 3D프린터지만 지금까지 인쇄한 실적은 벤치나 매설 형틀 등 '비구조 부재'가 대부분이었다. 한편, 사카타시의 안건에서는 3D프린터로 적층한 모르타르(필라멘트)가 구조체에 포함되었다. 잔존 형틀도 유효 단면에 포함하고 있는 것이다.

필라멘트의 강도나, 타설한 콘크리트와 필라멘트의 일체성 등을 확보하기 위해 기술 개발을 추진해, 22년에는 매설 형틀 등을 중심으로 전국 35건의 공공공사에서 3D프린터를 실용화한 폴리우스. 그동안 축적해 온 연구결과와 실례 등을 인정받았다.

다만 동결 융해에 의한 균열이나 경년열화가 초래하는 필라멘트 부분에 미치는 영향 등에 대해서는 계속 검증이 필요하다. 3D프린터로 인쇄한 방설책의 기초에 대해서는 국토교통성이나 마루타카와 공동으로 사후 검증을 진행시킴으로써 인쇄물의 성능을 확인해 간다.

오오카 대표이사는 “3D프린터가 많이 실용화된 지금, 비구조 부재의 인쇄에서 다음 스테이지로 스텝업시키고 싶다. 법률의 관점이나 품질증명과 같은 과제는 있지만 시장의 변화를 반영하면서 23년부터는 보다 난이도가 높은 ‘중요 구조물’ 인쇄에 도전한다”라고 말한다. 중요 구조물이란 높이가 5m 이상의 철근 콘크리트 옹벽이나 교량의 상/하부, 터널 등을 가리킨다.

폴리우스는 방설책의 기초 형틀의 인쇄를 발판으로, 3D프린터나 소재 개량을 추진한다. 철근 콘크리트와 동등 이상의 품질을 인쇄할 수 있도록 해서, 23년 안에 대규모 교각의 푸팅(footing)을 3D프린터로 인쇄하는 프로젝트를 시작할 계획이다.

-- 3D프린터를 업계의 '문화'로 --
중요 구조물 인쇄에 더해 폴리우스가 목표로 제시하는 것은 23년에 공공공사 70건에서 3D프린터를 활용하는 것이다. 토목 분야만이 아니라 건축 분야에서도 3D프린터의 실용화에 주력해 온 폴리우스. 고치시에서 인쇄 중인 사우나 시설 등 한창 시공 중인 안건도 포함하면 관민을 불문하고 43개 지자체에서 인쇄한 실적이 있다.

“조만간 모든 지자체에서 실적을 만들고 싶다. 당사가 적극적으로 대응해 사례를 만듦으로써 국토교통성이나 지자체 등 발주자 측의 이해를 얻고 싶다. 사회적으로 큰 움직임이 되면 대학에서의 연구와 대형 건설사의 기술 개발이 더욱 가속화되면서 3D프린터 보급에 크게 가까워질 것이다”(오오카 대표이사).

인력 부족에 힘들어하는 건설업계에서 인력 절감이나 공기 단축을 실현할 수 있는 3D프린터는 ‘건설업계를 지속 가능하게 하는 기술’이다. 최근에는 건설회사뿐만 아니라 공장 자동화를 목표로 프리캐스트 콘크리트 제품 업체도 연구개발이나 실용화에 힘쓰고 있다.

오오카 대표이사는 “전국에서 인쇄 안건이 급증한 22년은 3D프린터의 ‘실용화 원년’이 되었다. 행정이나 건설회사, 프리캐스트 콘크리트 제품 업체 등, 건설업계와 관련된 다양한 기업을 끌어들여 이 흐름을 보다 크게 키워, 3D프린터를 건설업계의 ‘문화’로 만들어 나가고 싶다”라고 말한다.

시공이 바뀐다
대형 건설사가 주력하는 3D프린터, 사면 인쇄나 탈탄소로 모색하는 부가가치

대형 건설사에 의한 3D프린터의 기술 개발이 계속된다. 경사면이나 요철면에 직접 인쇄, 탈탄소 콘크리트의 적용 등, 단지 인쇄하는 것에 그치지 않는다. 신기술을 어떻게 활용할 것인가? 각 사의 동향을 살핀다.

아날로그 작업이 바뀐다
콘크리트공에서 가속되는 DX, AI이나 AR 도입으로 품질관리 고도화

건설 현장의 공사 종류 중에서 디지털화가 비교적 진행되지 않았던 콘크리트공. 최근에 다양한 기업이 AI(인공지능) 등을 활용한 콘크리트 품질관리 기술 개발에 착수하고 있다.

환경 영향도가 바뀐다
탈탄소 콘크리트에 새로운 국면, 23년에 CO2 고정량 평가법을 JIS화

2050년 탄소중립을 달성하기 위해 ‘저탄소/탈탄소 콘크리트’의 연구 개발이 활황이다. 신소재 보급을 위해 일본콘크리트공학회는 일본산업규격(JIS) 제정을 위해 움직이기 시작했다.

환경 영향도가 바뀐다
NFT로 탄소삭감량증명서 발행, 아이자와고압콘크리트의 계속되는 도전

아이자와고압콘크리트(홋카이도)는 제품 제조 시의 이산화탄소(CO2) 삭감량을 가시화할 수 있는 플랫폼 운용을 개시했다. 동업 타사와 협력해 시멘트/콘크리트 업계의 탈탄소화 가속을 노린다.

해외 최신 동향
해외발 ‘미래의 콘크리트’ 3선, 감자나 사탕수수가 소재

감자나 사탕수수에서 나오는 소재를 사용한 콘크리트, 초장수명 콘크리트 등의 연구가 해외에서 진행된다. 환경 보전이나 우주개척 등을 목적으로 한 ‘미래 콘크리트’의 최신 사례를 3개 소개한다.

에필로그
콘크리트공학이 이례적으로 협력, ‘견원지간’인 환경사회학과 공동연구

인프라를 만드는 측에서 관여하는 ‘콘크리트 공학’과, 인프라를 받는 주민 측에 서는 ‘환경사회학’. 그동안 대립했던 양측이 이례적으로 협력했다. 콘크리트를 바라보는 사회의 눈이 바뀌는 과도기에 있다.

 -- 끝 --

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