복합재 철근: 기후 스트레스에 대비한 미래 인프라 보호

전 세계적으로 콘크리트 구조물이 전례 없는 공격을 받고 있다. 도로, 교량, 고가도로의 교통량 증가뿐만 아니라 기후 변화로 폭풍과 폭우 등 극한 기상 현상이 증가하여 돌발 홍수 등 파괴적 사건을 초래한다. 이러한 스트레스 하에서 콘크리트는 균열이 생길 수 있다. 이는 염분 등 공격적 환경의 요소에 노출되어 철근 부식을 가속화하는 경로를 만든다.

"균열은 공격적 환경의 에이전트가 보강 및/또는 프리스트레싱 강철에 도달하여 부식성 산화 공정을 시작하는 경로를 만든다"고 플로리다 교통부(FDOT, 미국 플로리다주 탤러해시) 구조 혁신 웹사이트는 설명한다. "이 주요 문제에 대응하는 혁신적인 접근법은 전통적인 강철 봉 및 스트랜드 보강을 섬유 강화 폴리머(FRP)로 대체하는 것이다." FDOT는 FRP 철근 사용 및 테스트, 미국 콘크리트 협회(ACI, 미국 미시간주 파밍턴 힐스) 같은 설계 및 사용 표준 개발에서 선도적 역할을 해왔다. 복합재 철근은 주로 유리섬유(GFRP 또는 GRP)로 제작되지만, 현무암(BFRP)이나 탄소섬유(CFRP)를 사용한 제품도 개발되었다.

"전 세계적으로 길고 비용이 많이 드는 부식 역사로 인해 강철은 더 이상 공격적 환경에서 비용 효율적인 옵션으로 간주되지 않는다"며, 세계 최대 GFRP 철근 프로젝트의 주요 공급업체인 마틴바(Mateenbar, UAE 두바이 및 미국 노스캐롤라이나주 콩코드) CEO 닉 크로프츠(Nick Crofts)는 말한다. 이 프로젝트는 사우디아라비아 지잔(Jizan)에 있는 길이 23km, 폭 최대 80m의 홍수 완화 채널이다. GFRP 철근이 30-40년 전부터 존재했지만, 크로프츠에 따르면 지잔 홍수 채널 같은 핵심 프로젝트들이 이제 GFRP 철근을 주류 인프라로 추진하고 있다. 이 성장은 마틴바의 사우디아라비아와 미국 신규 공장 설립을 이미 정당화하고 있다.

GFRP 철근 기술의 개척

마틴바 GFRP 철근은 펄트루전 기술과 제품 혁신의 선구자이자 전문가인 풀트론 컴포지츠(Pultron Composites, 뉴질랜드 기스본)에서 개발되었다. 마틴바는 높은 볼륨과 저가격을 요구할 뿐만 아니라 프로젝트 건축가 및/또는 엔지니어에 의해 지정되어야 하는 철근 시장의 독특한 과제를 해결한다. 따라서 마틴바의 첫 공장은 2008년 잠재 고객과 프로젝트 엔지니어링 회사 근처인 UAE 두바이에 지어졌는데, 이 지역은 대규모 인프라 프로젝트와 건설 분야 복합재 선구적 사용으로 유명하다. 풀트론은 마틴바의 전략적 파트너이자 핵심 기술 및 제품 개발 공급업체로 남아 있다.

제조 공정

마틴바 공장은 풀트론의 첨단 기술을 사용하여 휘발성 유기 화합물(VOC) 배출 없이 높은 처리량으로 매우 일관된 펄트루전 철근을 생산한다. "우리는 엔지니어링된 강철 펄트루전 다이 내부에서 수지를 주입하고 경화한다"고 크로프츠는 말한다.

"이 철근은 치수 성능이 ±1% 이상으로 엔지니어링된 제품이다"며, "바닥에 수지가 보이거나 공기 중 먼지가 있을 핑계가 없다. 사용되는 섬유는 오웬스 코닝(Owens Corning, 미국 오하이오주 톨레도)의 내식성 ECR 유리이고, 수지는 우리 고유의 에폭시 백본 비닐 에스테르 변형이다. 인성을 극대화하고 강도와 내구성을 높이며, 에폭시 종단이 있는 폴리에스터 백본보다 훨씬 우수하다."

펄트루전된 원형 로드는 콘크리트 내부에서 하중 지지 접착을 가능하게 하는 나선형 프로파일을 만들기 위해 가공된다. "그것도 밀폐된 작업"이라며, "도날드슨(Donaldson, 미국 미네소타주 블루밍턴) 공기 여과 시스템이 장착된 가공 부스를 사용한다. 그런 다음 외부 취급 개선을 위해 수지 필름을 도포한다." 마틴바 철근은 최대 80피트 길이로 생산되며 필요에 따라 절단된다. "대부분 인프라 및 건설 프로젝트에서 40피트 길이가 전형적이다"라고 크로프츠는 말한다.

"우리의 평균 직선 철근은 직경 0.75인치, 인장 탄성률 8,700 ksi(60 GPa)로 11,600 ksi(80 GPa) 유리섬유로 만들어져 섬유 함량이 매우 높다 - 중량 기준 80% 이상. 이것을 구부릴 방법은 없으므로 구부러진 GFRP 철근은 다른 공정과 수지, 독점 기술로 제작된다."

세계 최대 GFRP 철근 프로젝트

지자안(Jazan)이라고도 표기되는 지잔은 예멘 국경 북쪽에 있는 사우디아라비아 남서쪽 지잔 지역의 수도다. 인근 산에서 유출수로 인해 주기적인 폭우 시 재앙적인 돌발 홍수가 발생한다. 23km 길이의 철근 콘크리트 폭우 배수 채널은 사우디 아람코(Saudi Aramco, 사우디아라비아 다란)의 석유 정제소를 포함한 대규모 산업 단지를 보호하기 위해 건설되었다.

코로나19 팬데믹 전까지 사우디 아람코는 매출 기준 세계 최대 기업이었다. 왕국 전체 석유 및 파생 상품 사업을 처리하며 사우디아라비아 전체 건설의 10%를 차지한다. "사우디 아람코는 연간 예산의 엄청난 비율이 콘크리트 구조물 교체에 쓰이고 있음을 깨달았다"며, "지역 모래의 높은 염도와 주야간 온도 차이로 콘크리트 균열이 더 빨라진다. 사우디 아람코는 대체 기술을 찾기 시작했고, ACI 회원으로서 FRP 철근 표준에서 전략을 가져와 사우디 아람코 표준으로 추가 조정 및 개선했다. 회사는 특정 고부식 환경에서 GFRP 철근 사용을 의무화했다."

사우디 아람코는 지잔 홍수 채널 프로젝트 입찰을 요청한 후 GFRP 철근 공급업체 3곳을 선정했다. 마틴바는 계약의 50%를 수주했다. "프로젝트가 준비되는 동안 몇 달을 기다렸다"며, "갑자기 모든 자재가 즉시 필요하게 되었다. 두바이 공장이 일주일 만에 풀가동되어 7개월간 거의 6,000km의 GFRP 철근을 생산했다."

납품 후, 철근은 프로젝트 계약자인 알 야마마 그룹(Al Yamama Group, 사우디아라비아 담맘)이 설치했다. "설치 중 많은 지원이 필요할 줄 알았지만 필요하지 않았다"며, "그들은 강철 철근보다 훨씬 빠르게 설치한다는 것을 알았다." 강철 철근의 25% 무게로, GFRP 철근은 더 적은 인원으로 더 긴 길이를 취급하고 이동 및 배치하기 쉽다. "포지셔닝 파이프도 덜 필요하다"며, "이 원형 파이프 섹션은 콘크리트 내 적절한 높이 위치에 철근을 지지하는 데 사용된다."

철근이 배치되고 스테인리스 강선으로 묶이고 검사된 후, 콘크리트가 위에 부어질 준비가 된다. 철근 설치 팀은 매우 빠르게 이동하여, 크로프츠에 따르면 40-80m 폭 채널을 따라 1km나 내려갔을 때 콘크리트 타설 작업이 따라잡지 못함을 깨달았다. "그래서 콘크리트가 따라잡을 때까지 멈췄다"며, "이게 중요한데 폭우가 오면 홍수가 채널을 모래로 채운다. 이 일이 몇 번 발생해 지연을 초래했지만 이 배수 채널의 중요성도 부각시켰다."

철근 위에 콘크리트를 부은 후, 설치 팀은 다짐하고 압축하여 기포를 제거하고, 이후 며칠 몇 주 동안 양생한다. "이 단계에서는 GFRP와 강철 철근에 차이가 없다"며, "2020년 1월 철근 공급을 마쳤고 채널이 방금 완공됐다."

설계, 비용, GFRP의 미래

크로프츠는 GFRP 철근이 강철의 직접적 대체재가 아님을 지적한다. "GFRP 철근은 강철 철근과 다른 특성을 가진다. 이 차이는 설계에 반영되어야 한다. 강철 보강 콘크리트는 일반적으로 ACI 318로 설계되지만, 이는 GFRP 철근에 적합하지 않으며 ACI 440 설계 가이드에 의존한다. 예를 들어, GFRP 철근은 강철보다 인장 강도가 높지만 인장 탄성률은 낮다. 파괴점까지 탄성적이다." 크로프츠는 강철 설계에서 철근 양은 일반적으로 인장 강도에 의해 결정되지만, GFRP의 경우 탄성률이 일반적으로 필요 철근 양을 결정하는 요인이 된다고 지적한다. 이 요구 사항을 충족하면 일반적으로 궁극적 강도 요구 사항을 초과하는 구조물이 된다. 또한 GFRP 철근 보강 구조물에서 바람직한 파괴 모드를 보장한다.

또 다른 고려사항은 벤드와 형상 생산이다. 크로프츠에 따르면 프로젝트에서 구부러진 철근 대 직선 철근 비율은 평균 약 30%다. 강철 철근의 경우 이 가공이 종종 현장에서 완료된다. "마틴바 구부러진 철근은 우리 통제된 환경 공장에서 생산되어 중간 가공 단계 없이 현장으로 직접 납품된다"며, "공급 관점에서 이는 도전이 될 수 있다. 주간 단위로 니즈가 변하기 때문이다. 유연성과 같은 지역에 위치한 공장이 매우 중요함을 알게 되었다."

"GFRP 철근 비용은 달러당 파운드로 계산하면 강철의 3-4배다"며, "우리 제품 밀도가 1/4이기 때문이다. 적절한 척도는 달러당 피트다. 철근은 실제로 콘크리트 부피의 일부로 지정되고 구매되기 때문이다. 부피로 비용을 측정하면 GFRP 철근은 강철과 비용 경쟁력이 있다."

"지잔은 강철을 허용하지 않은 첫 메가 프로젝트였다"며, "100년 이상 수명을 위한 필수 구조물 설계 팀이 있었다. 여러 GFRP 철근 생산업체들이 수요 증가에 따라 사우디아라비아 입지를 검토 중이다." 마틴바도 거기서 신규 공장을 짓고 있으며, 북미(중동 다음으로 두 번째로 큰 시장)를 위해 콩코드, NC에도 공장을 짓고 있다. 둘 다 풀트론의 첨단 펄트루전 기술을 사용하는 현대적인 10만 평방피트 시설이다. 둘 다 장비는 2020년 10월 납품되었고, 2021년 초 생산 개시 예정이다.

중동에서 GFRP 철근 수요가 증가함에 따라 북미 시장도 계속 성숙하고 있다. "현재 북미에서 가장 큰 GFRP 철근 애플리케이션은 해안가나 도로가 심하게 염화 처리되는 곳의 방파제와 교량"이라며, "그러나 DOT들과 자산 소유자들은 이제 구조물의 수명 주기 비용 개선을 모색 중이다 [CW 동의, "인프라에서 복합재의 확대된 역할" 참조], 여기에는 유지보수 필요성 감소와 오래 지속되며 지속 가능한 인프라 구축이 포함된다. 컨설팅 엔지니어들과 최종 사용자들이 GFRP 철근 기술의 가치를 보고 있으며, GFRP 철근 생산업체들이 품질과 성능 표준에 협력하고 있다. FDOT 같은 선도적 사용자들이 기술을 홍보하고 다른 DOT들을 지원하여 지식 확산에 도움이 되었다."

크로프츠는 FDOT가 최근 200명 참석한 GFRP 보강 콘크리트 설계 웨비나를 개최했다고 언급한다. 또 다른 웨비나에서 마이애미 대학(미국 플로리다주 마이애미)의 핵심 연구자 안토니오 나니 박사는 "FRP 철근은 프라임 타임 준비됐다"고 말했다. 그것이 입증되었다고 크로프츠는 말한다. "이제 더 많은 회사들이 이를 지정하고 계약자들이 사용하는 것이 과제다."