서러움의 예는 많은 것 같다. 민족 분단의 설움, 직장에서 선배 없는 설움, 대가족에서 제대로 대접받지 못하는 설움, 부모가 치매에 걸려서 봉양 잘하고 있는 자식에게 욕할 때 받는 설움 등 일일이 사례를 들기가 민망할 정도로 많이 있다. 그런데 이런 설움도 있다. 주민 센터 초보자 탁구 강습을 혼자 신청해서 받는데, 먼저 배운 사람들이 소위 텃세 부리는 것이 눈에 보이는 경우이다. 자기들끼리 소곤소곤, 어디 산데, 몇 살이래, 뭐 했데 등 기분 팍 상하게 묻고 등, 사람들이 많다 보니 소위 레슨 10분 받자고 1주일을 꼬박 기다린다. 탁구대가 많지 않아 먼저 자리를 차지한 사람은 내놓지를 않는다. 자리가 생기더라도 실력이 부족하다 보니 파트너 해 달라고 감히 말도 못 한다. 그저 눈치 보고 잠시 있다가 집으로 돌아온다. 이러기를 6개월째 이제는 저마다 파트너 해 달라고 손을 내민다. 개인지도 등 숨은 노력의 결과가 모여서 얻은 성과이다. 어디 우리 사회에 만만한 곳이 있는가. 가슴이 확 트이는 쾌감을 잠시 느낀다.

 각설하고, 최근 구조물의 장수명이 요구되는 가운데, 콘크리트의 열화 시뮬레이션(simulation)은 점점 고도화되어, 콘크리트 내부에서 일어나고 있는 실제 현상을 더욱 충실히 모사(模寫)하는 노력이 지금도 계속 진행되고 있다. 그래서 이번 호에서는 콘크리트 열화에 깊게 관련이 있는 물리 화학적 현상으로서 상평형에 근간을 둔 시뮬레이션을 필자가 일본 태평양시멘트 중앙연구소와 기술 교류하면서 입수된 자료를 중심으로 알아보려고 한다. 

1. 열화 시뮬레이션이란 무엇인가?
 콘크리트 구조물의 열화현상 발생 메커니즘을 컴퓨터 계산에 의해 재현하는 것으로 구조물의 수명이나 경년 열화(経年 劣化)에 대해서 예측·조사하는 방법들이다. 옛날에는, 콘크리트 구조물은 메인터넌스를 거의 필요로 하지 않는 반영구적인 구조물로 생각해왔다. 그러나 건설 후 10〜20년이라고 하는 비교적 이른 시기에 열화가 진행되어, 구조물에 균열이나 콘크리트 조각의 탈락 등 문제가 현실화하고 있어, 큰 사회문제로 되고 있는 것이다. 콘크리트 구조물의 열화현상으로서는 염해, 중성화, 알칼리골재반응, 화학적 침식 등을 들 수 있다. 이들의 열화현상을 일어나게 한 직접적인 원인 제공 인자는 다양하고, 현상에 따라 각기 다르지만, 기본적으로는 이들의 열화 인자가 콘크리트 구조물 내부를 이동·확산하는 것으로 열화 작용이 시작된다. 예를 들면, 해양구조물에서 염해는 비래(飛來)한 염화물 이온이 콘크리트 내부의 공극수 가운데로 이동, 확산하여 철근까지 도달한 후, 철근 표면의 부동태(不動態) 피막을 파괴하여 철근을 부식시키는 현상을 들 수가 있다. 그리고 철근이 발청하여 체적팽창이 생겨서 균열이 발생하고 이로 따라 열화를 촉진하는 것이고, 또한, 부식에 의해 철근의 단면이 감소하고, 구조물의 내력이 저하하는 등의 피해를 보게 되는 것이다. 물질이동 모델에 의한 열화 시뮬레이션은 이와 같은 열화 인자의 이동을 재현하기 위하여 모델을 구축하고, 컴퓨터로 계산·해석을 수행하는 것으로 「열화가 진행된 정도는 어느 정도인가?」, 「열화는 언제 발생하는가?」, 「구조물의 수명은 몇 년 정도인가?」 등을 예측하는 기술인 것이다. 

2. 왜, 콘크리트 구조물의 열화 시뮬레이션 기술이 요구되고 있는가?
 보수·보강을 해야 하는 콘크리트 구조물의 증가가 향후 본격화하는 것이 예상되고, 콘크리트 구조물 유지관리 비용의 증가도 생각해 볼 필요가 있다. 그래서 합리적·효율적인 내구성·열화 시뮬레이션 기술의 확립이 요망되고 있다. 일본 국토교통성 추산에 의한 도로·공항 등의 사회자본을 대상으로 한 유지관리·갱신 비용을 그림 1에 나타내었다. 고도 성장기에 건설된 대량의 콘크리트 구조물이 많게는 2010년 이후에 약 50년의 공용기간을 맞이하여, 향후 보수·보강을 해야 하는 구조물이 급증하는 것을 예상할 수 있다. 그런데 앞으로는 일본의 재정 상황이 악화하고 있기 때문에, 공공투자 비용의 억제는 향후보다 엄격해질 것으로 예상하는 것이다. 또, 콘크리트 구조물이나 재료를 둘러싼 사회 환경은 변화하고 있고, 환경부하 저감 요구는 매년 높아지는 것을 볼 수 있다. 이와 같은 사회·경제적 배경을 고려하면, 앞으로의 사회자본의 신설비는 감소하고, 보수, 유지비용이 증대한다는 것을 알 수 있다. 그 때문에, 구조물의 내구성 예측이나 열화 상황의 조사 등의 유지관리 및 그것에 관한 조사·진단·보수·예측과 같은 기술은 향후 더욱더 중요시될 것으로 예상된다. 이와 같은 배경으로부터 필자가 잘 알고 있는 일본 태평양시멘트 중앙연구소에서는 상평형과 물질 이동모델에 의한 열화 시뮬레이션을 이용해서 구조물의 내구성이나 열화 상황에 대해서 예측·재현할 수 있는 기술의 개발을 꾸준히 수행해 왔다. 콘크리트 구조물의 내구성을 예측하려면, 대상 구조물이 예정 사용 기간 동안 성능을 만족 가능한 설계가 가능하다. 다시 말해서 필요 이상의 과잉 스펙이 되는 것이 없고, 무모한 자원의 사용이 없는 매우 합리적인 설계를 할 수가 있고, 경제적으로 저 환경 부하형의 사회 구축에 공헌할 수가 있다. 또한, 가혹한 환경에서 사용된 구조물의 보수를 언제, 어느 정도 필요한 것도 예측할 수 있다. 결과적으로 안전성 확보 측면에서도 매우 중요한 기술이라고 말할 수 있다. 

3. 상평형 모델은 무엇인가? 물질이동 모델과 조합한 열화 시뮬레이션에는 어떤 이점이 있는가?
 상평형 모델은 어떤 계(系)에 존재하는 성분이, 부여된 조건(온도, pH, 산화 환원 상태 등)에 있어서, 어떤 화학종이나 고상으로서 존재하고, 그것들의 양이 어느 정도인지를, 평형이론에 기초해서 계산하는 모델이다. 콘크리트 공극수 사이에 용존하는 이온, 고상을 구성하는 각종 수화물, 이들의 종류나 양은 평형이론에 따라서 변화한다. 이때 이온이 공극수 사이를 이동하는 경우에도 이온은 수화물과 항상 상평형을 유지하고, 양자의 사이에는 물질이 교환되는 것으로 생각할 수 있다. 이와 같은 물질의 교환은, 이온의 이동에 큰 영향을 미친다. 따라서 물질이동 모델에 상평형 모델을 조합시키기 위해서는 콘크리트 내부에서 생긴 이온과 수화물 간의 상호작용을 이론에 기초해서 정량적으로 평가할 수 있는 이점이 있다. 이렇게 함으로써 보다 실제 현상에 바탕을 둔 열화 시뮬레이션이 가능하게 되는 것이다.(다음 호)(계속)