서언
우리 주변 건설물들은 목조, 철골조, 석조, 토조 등 여러 종류가있지만, 대부분은 콘크리트에 철근을 배치한 철근 콘크리트(Reinforced concrete : RC) 구조이다. 그렇게 되기까지에는 철근과 콘크리트의 그럴만한 이유가 있기 때문일 텐데, 이번 강좌에서는 생물학적 공생(共生)과 같은 RC 구조의 성립원리에 대하여 고찰해 본다. 

공생(성립원리)의 개요
공생이란 백과사전에 의하면 “생물학적 관점에서 각기 다른 두 개나 그 이상 수의 종이 서로 영향을 주고받는 관계”를 일컫는다. 일례로 개미와 진딧물의 관계와 같이 즉, 진딧물은 개미로부터 옮겨줌의 이익을 받고, 개미는 그 대가로 진딧물로부터 달콤한 액을 받아먹는 것과 같은 것이다.
RC 구조의 경우도 콘크리트는 압축강도에 강한 반면, 인장강도가약함으로서(1/10 전후), 약한 인장 측에 압축 및 인장에 모두강한 철근을 배치해 주는 것이고, 또한, 철근이 녹스는 것 등의 문제점을 콘크리트가 막아주는 등 상호 간에는 공생과 같은 관계가된다.
그런데, 콘크리트의 낮은 인장강도를 보충하기 위하여 인장에강한 재료로는 철근 이외에도 고분자계 재료(탄소섬유 포함), 알루미늄 합금, 유리, 대나무 등도 있을 수 있는데 왜 하필 철근일까? 그 이유는 철근 콘크리트의 성립원리로서 다음과 같은 것이 있다. 

성립원리
(1)부착강도가 큼
우리나라뿐만 아니라 전 세계적으로 최초의 철근은 표면이 매끄러운 원형 상태의 봉강이 사용되었다. 그러나 최근에는 <사진 1>과 같이 원형 철근에 리브와 마디를 갖는 돌기를 만들어 2배 정도 부착강도를 크게 한 이형철근이 주로 사용되고 있다.

 
<사진 1> 우리나라 철근의 모습

인장강도가 큰 것으로서 철근 대신 알루미늄 합금을 이용한다면 어찌 될까? 알루미늄은 금속의 이온화 경향이 큰 재료로서 알루미늄 표면에 시멘트의 알칼리가 접하게 되면 수소가스가 발생하면서 부식되어 부착강도가 저하하게 된다. 또한, 유리의 경우 유리섬유 등으로 인장력이 큰 부분의 보강에 이용될 수도 있지만, 유리 표면이 매끄러운 점과 유리가 시멘트의 알칼리와 반응하여 유리의 부식이 발생할 수 있다. 그렇게 되면 결국 콘크리트와 유리 간의 부착강도가 작아질 수 있어 현 단계에서는 이형철근만 한 것이 없다. 
특히 부착력 측면에서는 동일 단면적이라면 굵은 철근을 적게 이용하는 것보다는 가는 철근을 많이 이용하는 것이 부착력을 높이는 방법이 된다. 

(2)열팽창계수가 거의 같음
기차 철로가 열을 받으면 늘어나고, 식으면 줄어든다는 것은 일반인도 잘 알고 있는 상식이다. 이와 같은 온도변화에 따른 길이변화 정도를 열팽창계수(한 방향의 길이 변화는 선팽창계수)라고 하는데(전 강좌 104, 105회 참조) 철근과 콘크리트는 1.10-5/℃전후로 유사하여 특별한 문제가 없다. 
그런데 만약 콘크리트에 합성수지 계통(플라스틱)을 복합한 것을 이용한다면, 작게는 5배에서 크게는 8배 정도로 합성수지가 크기 때문에 온도변화에 따라 스스로 박리 및 분리될 수 있다. 참고로 각 건설재료의 대략적인 선팽창계수는 <표 1>과 같은데, 서로 다른 재료로 복합구조를 제조하는 경우에는 반드시 고려되어야 한다.

<표 1> 각종재료의 선팽창계수

(3)철근의 부식 방지
철근의 경우 자연환경에 노출되면 녹이 발생하여 내력이 저하된다. 그러나 콘크리트 속에 묻혀있는 철근은 녹이 발생하지 않는다. 그 이유는 시멘트 수화물 중 수산화칼슘{Ca(OH)2} 등의 경우 pH 12~13의 강알칼리로서 이와 같은 환경에서는 철근 표면에 얇은 부동태 피막이 형성되어 물과 공기가 침투하더라도 녹이 발생하지 않는다. 그러나 RC 구조물은 대기 중 탄산가스 등에 의해 콘크리트가 알칼리성을 잃고 중성으로 변하게 되면 물이 있는 환경에서 철근에는 부식이 발생하여 콘크리트를 팽창시킴에 의해 균열 및 내력 저하 등 문제를 일으킬 수 있는데, 이것이 RC조의 수명이 되는 것이다. 단, 부식과 관련하여 대나무인 경우는 인장강도는 클지라도 유기재료로 자연환경에서 부식이 발생하여 내력이저하될 수 있다.

(4)철근의 탄성계수가 매우 큼
콘크리트 속에 배근한 철근의 경우, 콘크리트보다 탄성계수가 대략 10배 정도 크다. 따라서 인장 측에 배근된 철근의 경우, 인장력이 작용할 때 철근이 늘어나는 변형이 작으면서 큰 힘을 받아내어 콘크리트의 균열 폭이 크게 되지 않는다. 
그러나 만약 고분자 재료를 배치한 경우에는 탄성계수가 작으므로 위와 동일한 경우 변형이 크게 되어 큰 균열로 문제가 될 수 있다.

(5)연성적 특징
콘크리트는 압축강도보다 인장강도가 작아 파괴 시 급격히 부서지는 취성 재료이다. 그러나 콘크리트 속에 변형이 크게 발생하며 파괴되는 연성재료인 철근이 배근 됨에 따라, 지진 등 예상 이외의 하중이 작용하는 경우일지라도 급작스럽게 파괴되지 않고 어느 정도는 연성을 갖게 된다.

(6)화재시 철근 보호
건설물에 화재가 발생하여 고온이 되면, 철이 단독적으로 존재하는 경우는 연화되어 내력 저하 및 붕괴에까지 이르게 된다. 철의 경우 대략 500℃ 정도에서는 상온 강도의 1/2 정도로 저하하고, 800℃ 이상에서는 0이 된다. 
그러나 일정 두께(피복두께)로 철근의 표면을 콘크리트로 덮어주게 되면 콘크리트는 열전도율이 비교적 낮아 철근에 고온을 전달해주지 않는다. 따라서 RC 구조물은 화재 시 내부의 인명이 대피할 수 있는 일정 시간을 확보해 주어 대표적인 내화재료가 된다.

(7)대량 공급에 저렴
RC는 석회석과 점토에 의한 시멘트, 여기에 모래, 자갈 등으로 제조된 콘크리트 및 철광석에 의한 철근으로 이루어짐으로써 천연에 다량 존재하는 자원을 이용한다. 따라서 RC는 대량 공급이 가능하여 거대 건설물의 구축이 가능해진다. 
결국, RC는 그만한 성능을 발휘하면서 그만큼 저렴한 가격으로 성취할 수 있는 것이 RC 외에는 없으므로 RC 구조물이 다른 재료보다 폭넓게 현대사회에서 이용되는 이유인 것이다.