건축 분야의 빼놓을 수 없는 자재, 철근 콘크리트

당기는 힘인 인장력이 약한 콘크리트의 단점을 보완하고자 철근을 배치

건축물의 기본 토대를 이루는데 있어 필요한 자재 

[위즈덤 아고라 / 김현동 기자] 철근 콘크리트란 건축 자재의 일종으로 건축물의 기본 토대를 이루는 데 있어 없어선 안될 자재이다. 철근 콘크리트는 이름 그대로 철근을 콘크리트에 삽입해 만든 것으로 기둥, 보, 슬래브, 내력 벽 등 주요 구조부에 사용된다.

콘크리트는 시멘트, 자갈, 모래, 물, 골재 등을 알맞게 배합하여 굳힌 혼합물이다. 콘크리트의 시작은 고대 이집트로 당시 화산재 퇴적물인 응회암의 분말, 석회, 모래 그리고 물을 섞어 당시에는 벽돌을 연결하는 접착제로 사용되었다. 로마의 영광을 보여주는 수도교나 건축기술인 ‘로만 콘크리트’도 화산이 준 선물이었다. 특히, 이탈리아 나폴리만 지역 북서부 포주올리만의 바닷물에 2천 년간 잠겨서도 변함없이 튼튼한 콘크리트 방파제가 있다. 오늘날 대표적인 수경성 시멘트인 포틀랜드 시멘트도 내구성이 100~120년인데, 2천 년을 견딘 것은 놀라운 일이다. 전문가들은 나폴리만의 화산지대에서 나온 재, 그중에서도 포주올리의 바닷가 화산재를 이용해 만들었기 때문에 가능했다고 설명했다.

이후, 콘크리트는 강한 압축에 매우 잘 견디지만 인장강도(잡아당기는 힘에 버티는 강도)가 약하기 때문에 이러한 문제점을 보완하고자 많은 연구가 진행되었고 1850년대쯤 윌리엄 윌킬슨, 조셉 루이스 랑보 등은 철근 콘크리트를 제작해 바닥판, 보트 등에 특허를 냈으며 프랑스의 사업가 프랑수아 쿠아녜는 철근 콘크리트를 사용한 최초의 건물을 지었다. 철근을 넣어 콘크리트의 약한 인장강도를 보완하기 때문에 영어로 reinforced concrete라고 불린다. 

수많은 재료 중 철근으로 콘크리트를 보강하는 이유는 두 재료의 열팽창계수가 같기 때문이다. 모든 물체는 열이 가해졌을 때 부피가 변하는 특성을 가지며 온도 변화에 따른 물질의 길이 변화를 나타낸 것이 열팽창계수다. 물질마다 열팽창계수가 다르지만 우연히 철근과 콘크리트의 열팽창계수가 비슷하기 때문에 온도 변화에 따라 서로 비슷하게 변하기 때문에 문제가 없다. 만약 열팽창계수가 많이 차이 난다면 두 재료의 크기 차이가 벌어지며 접촉면 사이의 마찰이 크게 생기기 때문에 자재가 부서지는 결과를 초래한다.

철근 콘크리트에서 콘크리트는 압축강도, 철근은 인장강도를 담당한다고 생각할 수 있지만 철근 자체는 인장강도와 압축 강도 모두 뛰어난 재료이다. 철근은 콘크리트보다 압축강도가 10배 이상 강하지만 두께가 얇은 철근을 건축물에 사용할 시 위에서 가해지는 축방향 압축에 의해 쉽게 휘어진다. 철근의 두께를 늘리는 것은 가격적인 측면과 공장에서 제작하는 데 있어 힘들기 때문에 철근 단일로 건물을 제작하는 경우가 없다. 철근과 콘크리트를 같이 사용하면 얇은 철근으로 원하는 모양을 만드는 게 가능하며 콘크리트의 넓은 면적으로 얇은 철근의 휘어짐을 방지할 수 있다. 

다만 콘크리트 철근 역시 단점이 있다. 콘크리트 덮인 철근은 수분에 노출될 일이 없지만 콘크리트 표면에 균열이 생겨 외부의 공기와 습기가 스며들 시 철근이 산소와 반응하여 철근의 부식이 진행되고 부식이 진행된 순간 철은 부식을 더욱 촉진하는 특성을 가지고 있기 때문에 얼마 안돼서 철근의 부피가 2배 이상 커져 콘크리트가 파괴될 수 있다. 이 때문에 부실 공사가 있어선 안되며 시공을 제대로 할시 수명이 최소 50년에서 200년까지는 된다.