건축재료학 - 친환경적 재료 설계

건축재료학의 목적

건축재료는 건축물을 구성하기 위해 사용되는 모든 천연 및 인공재료를 총칭한다.

건축재료학의 목적은 다종다양한 건축재료의 특성 및 성질을 명확히 구명하고 사용 목적과 조건에 따라 안전하고 합리적으로 이용하는

방법을 체계적으로 연구하는 것이다.

근대에는 과학기술 및 운송 수단의 발달로 인하여 각종 재료를 광범위하게 사용할 수 있게 되었다. 특히, 건축물의 규모, 형태 및 기능이 세분되고 요구성능이 다양화됨에 따라 이를 만족시키기 위해 다종다양한 건축재료가 개발 및 적용되고 있다.

건축재료는 일반적으로 설계자 · 시공자 또는 건축물의 사용자가 다종다양한 재료들 가운데 건축물의 종류나 입지 조건 또는 예산 등에 대하여 최적의 조건을 만족하는 것을 선정하는 것이다.

건축부재에 요구되는 성능

건축부재(building element)를 구성하는 건축재료에 요구되는 성능은 그 건축물이 존재하는 환경이나 용도에 따라 다양하다. 특정의 바닥을 고려할 때, 그 단열이나 차음성은 바닥 구조체, 바닥 마감재의 전체로 만족시키면 좋겠지만, 그 발수성이나 경도에 관한 것은 사람이나 물건이 직접 적재되는 바닥 마감재만 만족시키면 된다. 따라서 건축부위에 요구되는 성능도, 부위의 구성이나 주변을 명확하게 하지 않고 간단하게 결정하는 것이 불가능하다.

 

1. 건축재료의 변화

1. 공장제품화

건축재료 뿐만 아니라 공업재료의 흐름은 천연재료에서 시작하며, 석고, 석회, 테라코타, 시멘트 등의 점토 소성 재료에 이어 구리, 철 등의 금속재료와 플라스틱 재료로 이어진다. 그러나 이것은 일반적인 경향이 아니라 지역이나 시대에 의해 그 일부가 누락되는 경우도 있다. 특히 동서양의 교류가 적고 분업이 활성화되지 않았던 시대에는 더욱 그러하다. 또한 금속재료의 출현에 의해 점토 소성 재료가 사용되지 않는 것은 아니며, 플라스틱 재료가 금속재료를 대체하는 것 또한 아니다. 이것은 천연재료로부터 인공재료, 천연제품으로부터 공업제품으로의 변화를 나타내고 있다. 목재의 경우 제재품, 합판, 섬유판, 집성재의 계열이 있으며, 콘크리트용 골재에서도 강사, 부순자갈, 인공경량골재의 계열이 있다.

 

2. 불연 – 난연화  

귀중한 인명 및 재산을 화재로부터 보호하기 위해서는 피난시스템에 신중히 처리하는 것이 중요하지만, 건축재료의 불연화, 난연화가 필수적이다. 재료는 공기와 온도의 2가지 조건이 없으면 연소하지 않는다.

고온이 되면 불연성의 가스를 발생하는 화학약품을 함침시켜 놓으면 약품이 가스화되고 소모되면 난연성이 소실된다. 가장 확실한 방법은 불연성의 재료로 발화점이 높은 재료를 사용하는 것이다. 또한 건축재료로서 고온에서 연화하는 재료는 부적격하며, 강구조 부재에 내화피복이 필요한 것은 바로 이 때문이다. 이를 미루어 생각해 보면 비금속 무기재료가 내화적이라고 말할 수 있지만, 일반적으로 강성이 약하기 때문에 그것만으로는 구조재로 될 수 없는 경우가 많다.

3. 복합화

일반적으로는 건축부재에 대해 요구되는 성능은 매우 복잡하다. 이 때문에 1개 또는 2개 항목에 대하여 우수한 성질을 갖고 있어도 다른 항목에 대해 결점을 갖는 단일 재료로 건축부재를 실현하는 것은 어려움이 많다. 이를 위해 건축재료는 단일재에서 복합재로 변화하고 있다. 건축구조재의 주류인 철근콘크리트는 인장에 강하지만 좌굴과 열에 약하고 부식성이 높은 강재와 인장에 약하지만 압축과 열에 강한 내구적인 콘크리트를 일체화시켜 내화 · 내구 · 내력적인 복합재로 만든 것이다.

4. 가공도의 증가

건축물과 타 공업제품과 큰 차이는 건축은 대지와 연관되어 있다는 것이다. 따라서 건축생산의 경우에는 공장에서 생산된 부분과 부지에서 생산된 부분이 있다. 지금까지는 현장 노동자의 부족과 높은 임금 때문에 전 생산노동자 수에 대한 현장 생산노동자 수의 비율이 저하하는 경향이었다. 이에 따라 현장에 반입되는 재료의 가공도는 서서히 증가하였고 재료에서 부재, 또한 부재도 소형에서 대형으로 변화하고 있다. 최종적으로 주택은 공장에서 생산되고 현장에서는 지반과 결합하는 것이다.

5. 시공 시간의 제어

모르타르, 콘크리트 등은 물과 반응한 시점에서는 유체상태로 어떠한 형태도 성형이 가능하다. 이와 같은 성능은 수 시간 사이에 비빔, 타설, 마감 등의 작업을 실시하고 경화하기를 기다린다. 보통시멘트 콘크리트에서는 설계에서 기대한 강도에 도달하기까지 4주가 걸린다. 그 기간을 단축시킬 수 있다면 그만큼 공기가 단축되고 경제적 측면에서 유리하다. 최근 보통포틀랜드시멘트의 4주 강도를 조강포틀랜드시멘트는 1주, 초조강 포틀랜드시멘트는 3일, 초속경시멘트는 24시간으로 단축시키는 것이 가능하다. 이와 같은 재료의 발달은 현장 공기를 단축시킬 뿐만 아니라 공장에서의 콘크리트 부재의 생산에서도 고가의 거푸집 운용률을 상승시키는 이점이 있다.

6. 고성능화

재료의 고성능화의 하나는 고강도화이다. 철강 재료가 가장 대표적인 재료로, 철에서 강, 보통강에서 고강도강으로의 변화에서 이를 쉽게 찾을 수 있다. 재료가 고강도화되면 동일 하중을 지지하는 단면적이 축소되며, 결국 부재의 경량화가 실현될 수 있다.

7. 고급화

창틀의 경우 목재에서 강재, 강재에서 알루미늄 제품, 알루미늄 제품에서 플라스틱 제품으로 변화되고 있으며, 이와 같은 변화가 재료의 고급화로 볼 수 있다. 동일 알루미늄 제품에서도 알루미늄 가공에서 발색 알루미늄으로 변화되고 있으며, 이는 외관뿐만 아니라 내구성, 청소성의 개선도 포함되어 있다.

8. 내용연수의 제어

재료의 내구성에 대한 요구가 많이 증가하고 있다. 예정된 내용연수까지는 변색, 변질하지 않고 그 기간이 지나면 오히려 신속하게 노화분해 되는 재료가 아니라, 그 이상 사용성이 유지되는 재료가 바람직하다. 그뿐만 아니라 목재와 무기질 분말 혼입에 의해 마모되어도 표층과 내부의 일체감이 변하지 않는 새로운 기능의 재료도 기대되고 있다.

 

친환경 건축재료 설계

인간의 생활을 유지하기 위해 사용하고 있는 석탄, 석유, 천연가스, 구리 등의 주요 천연자원은 현재 사용 속도를 고려하면 약 50년 후면 고갈 될 예정이다. 또한 인간의 쾌적한 생활이나 필요한 물질을 생산·소비하기 위해 배출되는 가스나 폐기물이 지구환경에 심각한 영향을 미치고 있다. 이에 따라 최근 건축의 에너지절약 및 친환경성이 이슈화되고 있으며, 이에 부응하기 위해서는 건축재료의 친환경성 또한 필연적으로 수반되어야 한다.

따라서 이제부터는 건축재료의 선택이나 사용은 환경에 대한 부하를 의식하고 이를 저감시키는 것에 목적을 두지 않으면 안 된다. 환경에 대한 부하를 극소화시키기 위한 재료를 친환경재료(eco-material) 또는 환경배려형 재료, 환경조화재료 등으로 일컫는다. 친환경재료는 나무나 흙과 같은 자연소재가 갖고 있는 촉감이나 쾌적성, 그리고 인체나 동물의 건강에 있어서도 영향을 주지 않는 의미가 더해진 재료이다.

친환경재료의 평가 기준

(1) 자원순환(recycle)

사용 후의 재료를 동일 용도 또는 다른 용도에 이용하는 것을 리사이클이라 한다. 예를 들면, 사용 후의 철도 레일을 역사의 기둥이나 보에 전용하는 등의 간단한 것부터, 레일을 형강재로 압출하거나 해체된 폐목 재를 섬유판 등의 목질재료로 재생하는 것도 있다.

(2) 부산물

생산물을 생산하는 과정에서 부수적으로 얻어지는 산물을 부산물이라 한다. 매립되거나 사용되지 않는 물질도 건축재료로서 다양하게 사용하는 것이 가능하다. 예를 들어 화력발전소 등으로부터 배출되는 석고는 석고보드로, 제철소에서 배출되는 고로슬래그는 시멘트의 원료나 골재로서 이용하는 것이 가능하다.

(3) 미이용 자원

이제까지 이용되지 않았던 풍부한 자원을 이용하는 것을 말하는 것으로 도시쓰레기 소각회나 하수 오니를 중량으로 50% 이상 포함하고 이는 에코시멘트 등이 그 일례이다.

(4) 재생 가능성

목재 등의 생물자원은 대기, 물, 토양 등의 양과 질이 어느 정도 유지되면 재생이 가능하다. 즉, 수목 벌채 후 건축이나 가구재료로서 이용되고 있는 수십 년의 기간에 나무를 심고 키우면 그 기간에 새롭게 자란 수목은 벌채했을 때 만큼 어느 정도 생장이 가능하다. 재생가능 재료란 양호하게 관리되면 영구하게 이용 가능한 재료이다.

(5) 재이용(reuse)

사용 후의 재료를 치수 · 형상 그대로 또는 변형하여 동일한 목적에 이용 가능한 재료를 일컫는다. 예를 들어 해체된 주택의 목재나 기와를 새로운 주택이나 점포에 재이용하거나 콘크리트용 골재로 이용하기 위해 해체 콘크리트를 파쇄하여 배출된 골재를 재생골재로 사용하는 것 등이 있다.