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아파트는 철근콘크리트 구조물입니다. 그런데 많은 자재 중에서 하필 시멘트와 철근으로 만들어질까요? 점점 높아가는 고층아파트는 몇 년을 버틸 수 있는 건축구조일까요? 유럽에서는 콘크리트 수명이 100년을 넘긴다는데 우리나라 재건축연한은 왜 30년일까요? 오늘은 이런 궁금증을 풀어보겠습니다.

금일 『아파트의 ‘물리적 수명’, ‘경제적 수명’, ‘사회적 수명’은?』 시리즈 (1회차)에는 철근콘크리트의 ‘물리적 수명’에 대해 말씀드립니다. 다음번 시리즈 (2회차)에는 철근콘크리트의 ‘경제적 수명’과 ‘사회적 수명’에 대해 말씀드립니다. 

철근콘크리트는 왜 시멘트와 철근의 합작품일까라는 질문에 답변은 “시멘트가 싸니까”, “옛날부터 사용했으니까”, “흔하고 튼튼하니까”, “다른 대안이 별로 없으니까” 등입니다.

모두 맞습니다. 시멘트는 인간이 만들어낸 발명품 중 가장 오래되고, 현재까지 인류에 기여가 높은 혁신적인 자재가 분명합니다.

1. 시멘트는 가장 오래된 건축자재입니다

인류의 석회 사용은 최초의 신석기 유적지인 팔레스타인 지역의 ‘예리코(Jericho) 발굴지’에서 기원전 7000년 전으로 추정되는 석회콘크리트가 발견된 것으로 유추됩니다. 현존하는 최고의 시멘트 구조물로는 기원전 2500년에 건설된 ‘이집트 쿠퍼왕 피라미드’에 생석회가 도포됐습니다.

지금 사용되는 시멘트는 1818년 프랑스 비카(Vicat, L. J)가 천연시멘트를 발명해 시작됐습니다. 이후 철근콘크리트가 1867년 발명되었으니까 150년 넘게 건축물에 사용된 셈입니다.

우리나라는 ‘동국여지승람(1481년 지리서)’에 석회산지가 기록되었고, ‘세종실록지리지(1454년 지리지)’에 제조법이 나옵니다. 남북한 중에 시멘트를 먼저 만든 곳은 어디일까요? 북한이 1919년 평양근교 승호리공장에서 연산 6만톤 공장을 준공했습니다. 남한은 1942년 동양삼척공장에 연산 18만톤 공장을 준공했습니다.

석회석은 광물자원이 부족한 우리나라에서 채굴가능연수가 천년에 달하는 몇 안되는 광물 중 하나입니다. 더군다나 석회석 품질도 우수하고, 시멘트 제조 기술도 세계적 수준이니 시멘트를 사용하지 않을 이유가 없습니다.

2. 시멘트는 철근과 궁합이 너무 잘 맞습니다

시멘트는 성형과정에서 수산화칼슘(Ca(OH)2)으로 수화반응(水和反應: 시멘트와 물이 화합하는 반응)이 일어납니다. 수산화칼슘은 소석회라고 불리죠. 수산화칼슘을 물에 녹인 것이 석회수입니다. 소석회는 강알칼리성으로 철근 부식을 보호합니다. 그래서 시멘트와 철근의 찰떡 궁합이 됩니다. 

콘크리트와 철근의 선팽장계수(온도가 1℃ 변화할 때 단위길이당 길이의 변화)는 1.25 x 10-5℃ 내외로 유사합니다(10℃ 온도변화 시 10m 부재의 길이 변화량은 1.25mm임). 화재 등 온도 변화로 인한 팽창정도가 비슷하죠. 온도변화에 반응하는 정도가 같으므로 서로 잘 붙어있는 것입니다.

3. 철근콘크리트는 강하고, 혁신적인 만큼 환경에 예민합니다

콘크리트에 포함되어 있는 수산화칼슘(Ca(OH)2)이 대기 중에 있는 탄산가스(CO2)를 만나면 탄산칼슘(CaCO3)이 침전됩니다. 문제는 탄산칼슘이 중성이라는 점입니다. 강알칼리 환경으로 형성된 철근의 산화방지 피막(부동태 피막: passive coating)이 중성화되면서 파괴됩니다. 피막이 파괴된 철근은 빗물과 공기에 노출되면서 부식이 빨라집니다. 콘크리트 강도가 약화되는 원인이죠.

물에 안녹고 침전된 탄산칼슘이 이산화탄소가(CO2) 녹아있는 산성 빗물(H2O)과 반응하면 탄산수소칼슘(Ca(HCO3)2)으로 변해 물에 녹습니다. 석회동굴에 있는 종유석이 바로 탄산칼슘이 녹아 생긴 결과물입니다. 오래된 콘크리트에 불어있는 혹 같은 물질이 탄산칼슘인데요. 탄산칼슘이 다수 발견된 콘크리트는 콘크리트의 중성화가 진행되고 있을 가능성이 높습니다.

더 큰 문제는 부식입니다. 철근에 화학적 불균형이 발생되면 산화제일철(FeO)로 변환되고, 부식이 진행되어 철근 부피가 2.5배까지 팽창합니다. 콘크리트의 표면에 균열이 생기면 더 많은 공기와 물을 침투되죠. 부식 속도는 빨라지고, 콘크리트 구조물의 구조적 안정성이 훼손됩니다.

녹슨 철근의 팽창은 시멘트와 찰떡궁합을 와해시킵니다. 철근이 녹이 슬어 팽창할 경우 선팽창계수가 달라지면서 부착파괴(附着破壞)가 발생되기 때문입니다. 철근과 시멘트 간의 부착파괴는 콘크리트의 내구성에 악영향을 미칠 수 있습니다. 

철콘크리트의 물리적 수명(중성화시기)은 몇 년일까요? 철콘크리트의 수명은 철근을 감싸고 있는 피복, 즉 시멘트의 두께로 결정됩니다.

콘크리트가 중성화되는 ‘철근콘크리트 중성화연수(Y)’는 7.2(콘크리트 중성화 상수) x 피복두께(T2)로 계산됩니다. 우리나라는 최소피복두께는 옥외 공기에 노출되는 옥외콘크리트는 철근 두께에 따라 40~60mm이며, 옥외 공기에 직접노출되지 않는 실내콘크리트는 20~40mm입니다.

콘크리트의 수명은 옥외의 경우 평균 50mm일 경우 180년, 실내의 경우 평균 30mm일 경우 65년에 달합니다. 수중에 타설하지 않고, 흙에 직접 노출되지 않는다면 평균 40mm의 피복두께를 유지할 경우 115년의 수명을 가질 수 있습니다. 이론적으로는 콘크리트의 물리적 수명이 100년이라는 주장이 맞습니다.

그런데 콘크리트 수명은 100년이라면서 왜 재건축연한은 30년으로 정해졌을까요?

우리나라 콘크리트 피복두께(시멘트두께)는 보통 30mm가 넘습니다. 콘크리트 중성화 연수로 보면 이론적으로는 ‘물리적 수명’이 최소 65년은 가야하는데 그렇지 못합니다. 왜 100년은 커녕 60년도 못갈까요? 이를 알기 위해서 철근콘크리트의 ‘경제적 수명’과 ‘사회적 수명’을 살펴볼 필요가 있습니다.

지금까지 철근콘크리트의 ‘물리적 수명’에 대해 말씀드렸는데요. 다음번 시리즈 2회차에는 철근콘크리트의 ‘경제적 수명’과 ‘사회적 수명’에 대해 말씀드립니다.

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