[한천구의 콘크리트 세상] 건설재료 궁합, 선팽창계수가 좌우

건설공사에서 서로 다른 재료를 혼합하거나 구조체 위에 마감재를 부착할 때는 재료 간 ‘궁합’을 반드시 검토해야 한다. 각 재료가 지닌 선팽창계수(열팽창계수) 차이를 고려하지 않으면 장기적으로 균열, 박리 등 하자가 발생해 구조 안전성을 위협할 수 있기 때문이다.

선팽창계수는 온도가 1℃ 변할 때 재료의 길이가 얼마나 변하는지를 나타내는 값이다. 모든 재료는 온도 변화에 따라 팽창과 수축을 반복한다. 예를 들어 콘크리트의 선팽창계수는 약 1.0×10⁻⁵/℃ 수준이다. 길이 100m 구조물이 1℃ 상승하면 약 1mm가 늘어나며, 연중 50℃의 온도 변화가 발생할 경우 최대 50mm의 길이 변화가 생긴다.
 

표 1 각종 재료의 선팽창계수

 
재료 혼합에서 궁합이 잘 맞는 대표적 사례는 철근콘크리트다. 콘크리트는 시멘트와 모래, 자갈 등 암석 성분을 기반으로 구성돼 각 재료의 선팽창계수가 유사하다. 여기에 사용되는 철근이나 철강 역시 콘크리트와 비슷한 선팽창계수를 가져 온도 변화에 따른 변형이 거의 동일하게 발생한다. 이 때문에 철근콘크리트 구조는 재료 간 적합성이 우수한 구조 형식으로 평가된다.

FRP(Fiber Reinforced Plastic)도 비교적 궁합이 잘 맞는 재료 조합이다. 유리섬유와 플라스틱의 선팽창계수가 유사해 단순 플라스틱보다 강성을 높이면서도 계면 손상이 적다. 이에 따라 욕조, 물탱크 등 다양한 분야에 활용되고 있다.

반면 선팽창계수 차이가 큰 재료를 혼합할 경우 문제는 심각해진다. 예컨대 콘크리트의 굵은 골재로 유리나 플라스틱을 사용할 경우, 시멘트 페이스트와 골재 간 선팽창계수 차이로 인해 반복적인 온도 변화 속에서 계면 파괴가 발생할 수 있다. 이 경우 콘크리트 내부 균열과 열화가 촉진돼 구조적 기능을 상실할 가능성이 있다.
 

에폭시수지로 보강된 탄소섬유의 박리(박리된 탄소섬유에 자가 삽입된 모습) 사진=한천구 교수

 
구조체 바탕에 마감재를 부착하는 경우에도 주의가 필요하다. 철근콘크리트 구조물에 석재 타일을 붙일 경우 선팽창계수 측면에서는 큰 문제가 없을 수 있다. 그러나 콘크리트는 건조수축, 하중 증가에 따른 탄성수축, 크리프 수축 등이 발생하는 반면, 마감재는 흡수 팽창 등의 특성을 보인다. 이로 인해 바탕은 수축하는데 마감재는 그대로 유지되면서 박리가 발생할 수 있다. 따라서 줄눈에 탄성 코킹재를 적용하거나 오픈 조인트 공법을 도입해 변형을 흡수하도록 하는 시공이 중요하다.

외벽 시스템 패널 위 FRP 표면판에 석재 타일이나 점토질 타일, 벽돌 등을 부착하는 사례도 선팽창계수 차이에 따른 위험을 안고 있다. 자연환경에 노출될 경우 반복되는 온도 변화로 부착 강도가 점차 저하되고, 시간이 경과하면 태풍이나 지진 등 외력 작용 시 박리될 가능성이 있다.

철근콘크리트 구조물 보강 공법에서도 같은 문제가 제기된다. 에폭시 수지로 탄소섬유나 강판을 부착하는 방식은 접착력이 뛰어나 널리 활용되고 있지만, 에폭시 수지는 콘크리트보다 선팽창계수가 5~6배 크다. 초기에는 보강 효과가 나타나더라도 장기간 노출 환경에서는 접착면 박리로 인해 성능이 저하될 우려가 있다.

전문가들은 건설공사에서 재료를 혼합하거나 부착할 때 각 재료의 선팽창계수를 면밀히 검토해야 한다고 강조한다. 재료 간 궁합은 단순한 시공 편의의 문제가 아니라, 구조물의 내구성과 안전성을 좌우하는 핵심 요소이기 때문이다.