시멘트와 콘크리트의 역사적 발전 과정, 재료적 특성 및 기술적 보완, 그리고 다양한 응용과 안전 수칙에 관한 고찰 doc_id PCY_201510190713340551_1

인류 문명 초기에는 토굴이나 동굴 같이 자연적인 지형을 거처로 사용했지만, 기술이 발전하면서 집을 직접 만들게 됐다. 인류가 만든 최초의 집은 어떤 모습이었을까? 추측건대 주변에서 가장 쉽게 구할 수 있는 재료를 썼을 것이다. 예를 들면 흙이나 나뭇가지, 나뭇잎 같은 것 말이다. 고대 이집트에서는 갈대와 점토로 만든 일종의 벽돌로 건축물을 지었다. 이후 이집트 건축은 점차 돌을 사용하는 쪽으로 발전했는데, 기원전 5000년경에는 소석고와 모래를 섞어 회반죽으로 만든 다음 돌과 돌을 이어붙이는 접착제로 썼다. 소석고는 수분을 흡수하면 굳어지는 성질이 있어 조형물을 만들거나 의료용 깁스에 쓰인다. 어쨌든 ‘시멘트’라고 부를 수 있는 최초의 사례가 등장한 셈이다. 오늘날과 비슷한 시멘트는 고대 그리스 시대부터 쓰였다. 시멘트라는 단어가 접착제를 뜻하는 그리스어 ‘cemento’에서 유래된 것도 이 때문이다. 소석회는 석회석을 구워서 만드는데, 소석고와 마찬가지로 수분을 흡수하면 굳어지는 성질을 갖고 있다. 그렇지만 소석회가 처음부터 건축자재로 쓰였던 것은 아니다. 처음에는 화산재를 섞어서 물잔 등을 만드는 용도로 쓰였다고 한다. 소석회의 강도가 그리 높지 않았기 때문이다. 시멘트의 장점은 물을 섞었을 때는 찰흙처럼 어떤 모양이든 만 수 있고, 굳으면 돌처럼 단단해진다는 것이다. 시멘트를 물로 반죽하면 돌처럼 굳어지는 이유는 시멘트의 성분이 물과 반응해 화학변화를 일으키기 때문이다. 쉽게 말해 불안정한 물질이 물과 섞여 결정 성질을 가진 안정한 물질로 바뀐다. 맘대로 모양을 만들 수 있으니 건축가들이 시멘트의 등장을 환영한 것은 당연하다. 단단히 굳고 나면 압축강도가 강해서 층층이 높이 쌓아 올려도 부서지지 않는다. 게다가 모래, 자갈 등에 시멘트를 부어 섞으면 시멘트가 이들 재료를 단단히 결합하는 접착제 역할을 한다. 이렇게 시멘트와 모래·자갈을 섞어 만든 것을 콘크리트라고 부르는데, 그냥 시멘트를 단독으로 쓸 때보다 훨씬 강하다. 시멘트·모래·자갈을 1:2:4로 섞는 것이 기본이다. 그러나 콘크리트에는 치명적인 약점이 있다. 눌렀을 때 견디는 압축 강도는 세지만, 당겼을 때 견디는 인장 강도는 약하다는 것. 충격이 반복되면 부서질 위험이 존재해서 콘크리트 사용은 꽤 오랫동안 제한적이었다. 하지만 이 단점은 19세기 들어 콘크리트에 철근을 넣는 아이디어로 완벽하게 보완됐다. 철근은 인장강도에 강하다. 철근과 콘크리트가 찰떡궁합인 이유는 온도에 따라 변형되는 비율이 거의 비슷하기 때문이다. 대부분 물질은 더우면 늘어나고, 추우면 줄어든다. 철근과 콘크리트는 이 비율이 비슷해서 거의 하나처럼 움직인다. 서로의 장점은 극대화하고, 단점은 보완하는 최고의 건축 재료가 등장한 것이다. 철근 콘크리트를 발명한 사람은 건축 관계자가 아니다. 심지어 재료공학자나 과학자도 아니다. 놀랍게도 그는 나무를 돌보는 정원사였다. 1867년 프랑스의 조제프 모니에는 철사로 만든 모형에 콘크리트를 발라 정원용 물통을 만들었고, 이를 파리 박람회에 출품했다. 그는 이 재료가 건축에도 유용할 것으로 생각해 특허 신청을 했다. 철근 콘크리트로 다리를 만든다고 생각해 보자. 기둥은 주로 아래로 누르는 힘을 받지만, 자동차가 지나다니는 상판은 아래 방향으로 휘어지는 힘을 받는다. 콘크리트는 인장강도가 취약해서 주로 철근이 이 힘을 감당하게 된다. 이왕 아래 방향으로 휘어지는 힘을 견딜 셈이면, 애초 만들 때부터 철근을 반대 방향으로 휘어서 넣으면 더 잘 견디지 않을까? 이런 생각으로 고안한 철근 콘크리트를 ‘프레스트레스(prestressed) 콘크리트’라고 한다. 철근을 미리 휘어 구조물을 만들고 거기에 콘크리트를 부으면 휘어진 채로 고정된다. 이런 생각은 초기부터 있었지만, 실제로 이 생각을 실현한 사람은 프랑스의 유진 프레시네다. 프레시네는 1930년 프레스트레스 콘크리트 기술을 성공했는데, 제2차 세계대전 후 부서진 다리를 고칠 때 널리 쓰였다. 이질적인 재료를 추가해서 콘크리트의 약점을 보완하기도 한다. 콘크리트의 가장 큰 약점 중 하나는 균열이 쉽게 생긴다는 것이다. 인장 강도가 약한 콘크리트는 일단 균열이 생기기 시작하면 강도가 점점 약해지고 균열이 더 빨리 진행된다. 철근 콘크리트일지라도 이는 마찬가지인데, 균열을 통해 들어온 수분이 철근을 부식시키면 구조물 자체가 무너질 위험도 있다. 이 때문에 다리 같은 구조물은 균열이 없는지 정기적으로 점검해야 한다. 균열을 억제하는 목적으로 콘크리트 안에 나일론 섬유를 넣기도 한다. 나일론을 아주 가는 섬유 다발로 만들어 넣으면 시멘트·자갈·모래 등을 단단히 움켜쥐어 균열이 생기는 것을 막는다. 시멘트와 자갈·모래를 섞어 레미콘을 제조할 때 나일론 섬유를 넣으면 특별한 추가 시설 없이도 쉽게 작업할 수 있다. 흔히 ‘콘크리트’라고 하면 삭막한 도시 생활이 떠오르지만 이런 생각을 불식시키는 특별한 콘크리트도 있다. 스페인 카탈루냐 기술대학 연구팀은 이끼나 작은 식물이 자연적으로 자랄 수 있는 생물학적 콘크리트를 개발했다. 콘크리트 내부에 미세한 구멍이 뚫려 있어 공기와 물이 통한다. 벽에 ‘코팅’된 식물이 뜨거운 태양 빛과 이산화탄소를 흡수해 더 쾌적한 환경을 만들어 준다. 무엇보다 식물이 자라면서 자연스러운 외관을 만드는 장점이 있다. 미국 워싱턴 국립건축박물관에는 ‘투명한’ 콘크리트도 전시돼 있다. 분명 콘크리트 벽인데 안에 있는 사람이 훤히 들여다보인다. 어떤 원리일까? 광섬유를 잔뜩 집어넣어 콘크리트를 시공하는 것이다. 광섬유는 이쪽에서 들어온 빛을 조금도 손실하지 않고 반대편으로 전달하는 특수한 섬유다. 이를 통해 실제로는 막혀 있는 콘크리트이지만 마치 유리를 달아놓은 것처럼 투명한 느낌을 줄 수 있다. 콘크리트 타설 작업현장에서는 무너짐, 도괴, 떨어짐, 감전 등의 위험요인이 있다. 이러한 안전사고가 발생하지 않기 위해서는 우선 작업발판과 승강설비, 개구부 방호조치 등의 안전가시설을 점검해야 한다. 진동기와 콘크리트 펌프, 압송관 등의 타설 기계기구를 사전에 점검하는 것은 물론 콘크리트 타설 작업인원을 확인하고 거푸집동바리 상태를 최종 점검하는 것도 안전사고를 줄이는 중요한 과정이다. 콘크리트 타설 시에는 기둥, 벽체→ 보→ 슬래브 순으로 타설 순서를 준수해 작업에 임해야 하며, 낙하 높이는 보통 1.5m 이내로 최대 2m를 초과하지 않도록 한다. 이 밖에도 콘크리트 작업자의 안전을 위해 레미콘 트럭이 현장에 진입할 때에는 유도자를 배치하고, 콘크리트 펌프카의 안전수칙을 준수해 펌프카 붐의 급격한 이동이나 조작을 하지 않도록 한다.