프리믹스 강섬유 ‘KFREEMIX’ 개발, 바닥·프리캐스트·PC슬래브·데크·터널 시공 등에 활용
매크로 합성섬유 대비 인장강도·내열성 우수, 고령화 시대 대비한 강섬유 공법 확산 추진
최근 국내 강섬유 업계는 코스틸의 유통 전환 등에 따른 소재 수급 차질, 중국산 저가 수입재의 시장 잠식으로 인해 공급 및 수요 측면에서 모두 큰 어려움을 겪고 있다.
그러나 독자적인 기술력을 통한 우수한 품질의 강섬유와 경제성 및 시공성이 높은 건축공법 개발을 통해 강섬유 시장 확대에 나서는 업체도 있어 화제가 되고 있다. 선재 가공업체 금강(대표이사 김경찬)이 그 주인공이다.
기존에 철근을 대체하여 사용 가능한 다양한 철선 가공제품들을 활용한 경제적이고 강력한 콘크리트 보강 솔루션 ‘SMART-K’를 론칭한 금강은 자체 개발한 프리믹스 강섬유 ‘KFREEMIX’를 활용한 공법 확산도 추진 중이다.
강섬유는 전량 수입에 의존하던 품목이었으나 금강은 강섬유 생산라인을 국내 최초 자체기술로 개발, 특허권을 보유하고 있다.
금강이 개발한 프리믹스 강섬유 ‘KFREEMIX’는 ▲콘크리트 균열(Crack) 발생 억제)를 통한 구조적 안정성 ▲별도의 마감재가 필요 없는 시공비 및 공기 절감 ▲바닥 슬래브 두께 감소를 통한 경제성 향상 ▲탁월한 내구성으로 인한 유지보수 및 관리비 절감이 가능한 제품이다.
강섬유 제품에는 물과 골재의 혼합 과정에서 낱개로 풀리는 ‘번들타입(Bundle Type)’과 ‘낱개타입(Piece Type)’이 있다. ‘번들타입’은 제조 과정에서 수용성 본드를 사용하여 여러 가닥을 서로 부착하여 만든 타입으로 제품 손실 저하 및 투입이 용이하다. ‘낱개타입’은 제조 과정이 낱개로 흩어지며 보조 투입기를 사용하는 경제적인 강섬유 타입이다
강섬유의 주요 특장점은 다음과 같다. 우선 강섬유의 혼입으로 인장강도, 휨강도, 균열에 대한 저항성, 전단강도, 내충격성, 특히 연성의 증가를 가져옴으로써 기존 콘크리트의 최대 취약점이라고 할 수 있는 취성을 극복할 수 있다. 둘째, 균열 이후에도 균열을 횡절하는 강섬유에 인장응력이 전달되어 힘의 균형이 유지되기 때문에 외관의 소성변형과 휨강도가 증대되며 특히 인성이 현저히 증대된다. 셋째, 용적비의 0.5%-2% 강섬유 보강으로 약 20배 정도의 높은 충격저항 강도 효과로 공항 활주로, 교량상판, 내지진 구조물 등에 최적으로 평가받고 있다. 넷째, 공장 바닥 등에 기존 철근을 대신하여 사용됨으로써 경제성 및 시공성을 확보할 수 있다. 마지막으로 도로, 터널 등의 토목 현장에도 광범위하게 사용된다.
금강이 추진 중인 ‘프리믹스 강섬유 활용 SMART-K’는 ‘Technical Report 34(TR-34)’에서 제시된 지침에 따라 다양한 하중 조건에 대하여 강섬유 보강 콘크리트 바닥슬래브(SFRC SOG)를 설계하는 프로그램으로, 대한건축학회 건축연구소에 의해 설계의 적정성과 강섬유 제품의 품질을 인증받은 프로그램이다.
일반적으로 물류창고나 공장 등 산업용 건축물에서 바닥슬래브는 비구조적 요소로 간주되기 때문에 특별한 지침이 없을 경우 TR-34의 규정에 의거 하여 설계하여도 무방한다. 금강의 ‘SMART-K’를 통해 SERC SOG를 설계하면 다양한 콘크리트 강도, 슬래브 두께, 강섬유 규격 및 투입량에 따른 단가분석을 통해 합리적이고 경제적인 설계 값을 산출할 수 있습니다.
금강의 강섬유 활용 ‘SMART-K’ 공법 적용 사례를 살펴보면 구조용 강섬유를 활용한 슬래브 공사이다. 최근 해외 기술 동향을 보면 철근 없이 완전한 SFRC Suspended Elavated Slab 공법이 구조용 고강도 강섬유의 기술 발전으로 실제 시공되고 있으며, 금강 또한 관련 제품 공급과 동시에 공법 확산에 나서고 있다.
그리고 과거에는 철근이 프리캐스트 부문의 보강에 주로 사용되었으나 최근 강섬유의 성능이 향상됨에 따라 철근이 강섬유로 대체되고 있다. 이로 인해 철근케이지 제작이 생략되어 생산성은 향상되고 비용은 절감된다. 금강의 강섬유 ‘KFreemix’는 프리캐스트 세그먼트제작에 최적화한 강섬유를 제공합니다.
또한 금강은 PC슬래브 토핑콘크리트에 사용할 수 있는 고인장 강섬유를 개발 생산한다. 강섬유 투입 시 상부 철근 배근이 필요 없어 작업시간과 슬래브 두께 감소의 효과를 기대할 수 있다.
데크플레이트 시공 시에는 철근 대신 금강의 ‘KFreemix’ 강섬유를 투입할 경우 슬래브 두께 감소로 작업시간 및 시공비가 단축된다. 금강에서는 다년간 노하우를 바탕으로 기존의 산업용 바닥 및 숏크리트용 강섬유 생산기술에 더하여 건축/토목 구조물의 기초에도 철근을 대체하여 적용 가능한 다양한 형상의 고인장 강섬유와 구조계산 프로그램 개발 작업을 진행하고 있다.
이외에도 터널 시공용 숏크리트에서도 강섬유는 널리 사용된다. 강섬유보강 콘크리트는 매쉬보강 콘크리트에 비해 성능이 뛰어나고 안전하고 작업이 쉽기 때문에 강섬유는 메쉬보다 콘크리트 보강을 위한 더 나은 해결책이 된다.
최근 국내 건축자재 전시회에서는 철근 대체 콘크리트 보강재로 매크로 합성섬유(Macro Synthetic Fiber)를 소개하는 기업들이 늘고 있다. 실제로 글로벌 화학기업들을 중심으로 선진시장에서 매크로 합성섬유를 강섬유의 대체재로 도입하려는 시도가 지속되고 있다. 매크로 합성섬유는 철강재의 고질적인 문제인 부식 저항성을 무기로 시장을 공략하고 있으나, 자재 고유의 물리적 한계로 인한 구조적 신뢰성과 시공 품질 저하 문제가 끊임없이 제기되는 실정이다.
그러나 강섬유는 특수 수용성 접착제로 묶인 번들(Bundle) 형태로 투입되어 믹싱 과정에서 사방으로 균일하게 분산되는 기술이 정착된 반면, 합성섬유는 물리적 비중의 한계를 극복하지 못하고 있다.
게다가 수증기 및 시멘트 페이스트와의 부착력 향상을 위해 아무리 친수성 수지 코팅이나 표면 화학 처리를 가하더라도, 물(비중 1.0) 및 콘크리트 믹스보다 가벼운 원재료 고유의 물리적 특성 때문에 타설 및 양생 과정에서 섬유가 상부로 떠오르는 부유(Floating) 현상이 필연적으로 발생한다. 이로 인해 상부 표면에는 섬유가 과밀 배치되어 뿜어붙이기(Shotcrete) 노즐 막힘이나 바닥 마감 불량을 유발하는 반면, 정작 인장 및 전단 응력을 받아야 하는 하부 구조체 영역에는 보강 섬유가 유실되는 심각한 '3차원 불균일 분산(재료 분리)' 문제를 야기한다.
금강은 “방호·방산 및 인프라 현장에서의 생존성 분기점 고온의 열과 충격파가 동반되는 재난 상황에서 두 자재의 재질적 한계는 완전히 갈라진다. 매크로 합성섬유는 화재나 폭발 시 발생하는 고열 및 방사능 환경에 극도로 취약하여 쉽게 녹아내리거나 손실된다. 따라서 군사 시설, 탄약고, 내폭 방호벽 등 극한의 내폭 성능이 요구되는 구조물에는 적용이 원천적으로 불가능하다. 반면 강섬유는 1500MPa급 이상의 특수 고장력 강선을 사용하여 폭발 충격파가 배면으로 전달될 때 일어나는 콘크리트 피복의 박리(Spalling) 현상 및 파편 고속 비산을 100% 차단한다. 구조물이 일순간에 무너지지 않도록 골든타임을 확보하는 방호 특등급 구조물의 필수 자재”라고 설명했다.
김경찬 금강 대표이사는 “글로벌 화학기업들이 주도하는 매크로 합성섬유도 물론 장점이 있지만 취약한 인장강도와 내열성으로 인해 건축물 안전 확보라는 측면에서는 강섬유에 크게 못미치는 것이 현실이다. 당사는 강섬유 활용 공법에 대해 ‘방호기술인증’을 획득하여 건축물 안전성도 입증받았다”고 말했다.
향후 사업 계획에 대해 김경찬 대표는 “현재 국내 건설산업은 철근콘크리트 공법이 주류이다. 그런데 국내 건설 현장은 현재 고령화로 인해 현장 노동력이 절대적으로 부족한 상황이며, 철근콘크리트 공법의 경우 현장 작업이 많은 반면 관련 내국인 인력이 부족하여 외국인에 의존하는 경우가 많고, 의사소통 부재에 따른 부실시공도 늘어나 문제가 되고 있다. 당사가 개발한 선재 가공제품을 활용한 ‘SMART-K’ 공법은 공장에서 미리 상당수 자재를 제작하기 때문에 현장 작업이 줄어들어 인력난 해소와 공사기간 단축에 큰 도움이 된다. 아직 국내에서는 철근을 활용한 공법이 주류이긴 하지만 고령화가 심화되는 상황에서 향후에는 선재 가공제품을 활용한 당사의 ‘SMART-K’ 공법이 주류가 될 것이라고 보고, 관련 제품 판매 확대와 함께 기술을 알리는 데 적극 나설 것”이라고 강조했다.