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문제 정의
- 그러나 현대 흙 건축재료의 경우 아직 개발 및 보급 초기단계에 있다고 할 수 있으며 관련 연구가 폭넓게 이루어지지 않은 관계로, 구조적 물성 이외에 건물 에너지성능 및 인간의 쾌적성과 건강에 직접적 영향을 미치게 되는 건축환경 관련 물성 파악은 아직 미흡하여, 체계적인 건축재료 개발 및 수치해석 등을 통한 적용시의 성능 예측과 평가에 어려움이 있는 실정이다. 따라서 본 연구에서는 유형별 현대 흙 건축재료 현황을 파악한 후, 주요 흙 건축재료들에 대한 열환경(열전도율, 비중, 비열) 및 실내 공기환경(포름알데히드, 휘발성유기화합 물 방출강도) 측면에서의 물성을 측정하고 기존 건축재료와 비교 분석함으로써, 현대 흙 건축재료의 객관적 성능자료를 도출하고자 하였다.
- 주요 흙 건축재료들에 대한 열환경(열전도율, 비 중, 비열) 및 실내 공기환경(포름알데히드, 휘발성 유기화합물 방출강도) 측면에서의 물성을 측정하고 기존 건축재료와 비교 분석함으로써, 현대 흙 건축재료의 객관적 성능자료를 도출하고자 한 본 연구의 결론은 다음과 같다.
제안 방법
- 측정은 액상 및 고체상 시편의 두 가지 경우로 구분하여 실시하였으며, 액상 시편의 경우 동일 환경에서 분말상태 인 각각의 재료를 물과 배합한 후 재료당 2개의 유리판 위에 도포하여 건조 4일 후 챔버에 넣고 7일차 방출강도를 측정하였다.(총 11일 경과치 측정) 고체상 시편의 경우 동일 환경에서 165x165x50 mm 규격으로 시편을 만들고 일반적 양생기간인 4주 간 자연건조 후 챔버에 넣고 7일차 방출강도를 측정하였다.(총 35일 경과치 측정)
- 열전도율과 비중 측정은 요구 규격인 200x200x30mm 크기의 시편을 대상으로 하였으며, 비열 측정은 각 재료별 미세 분말 시편을 대상으로 하였다. 각 시편은 동일 환경에서 동일 재령을 갖도록 제작하였다.
- 주요 흙 건축재료 및 비교분석을 위한 시멘트 건축재료 시편을 자체 제작한 후2)국가 인증 물성시험기관에 의뢰, 열환경 및 공기환경 관련 물성을 측정하였다.
- 측정 항목은 단열성능 평가 척도로서 열전도율, 축열성능 평가 척도로서 비중 및 비열로 하였다. 이 세가지 항목은 건물의 에너지성능과 열쾌적에 매우 큰 영향을 미치며, 건물 구조체 전열해석 및 건물 에너지해석에 필수적인 재료 물성치이기도 하다.
- 측정 항목은 포름알데히드와 휘발성 유기 화합물 의 방출강도로 하였다. 포름알데히드는 눈, 코, 목 등의 자극을 야기하며, 노출 용량이 크면 천식과 간장, 신장 등이 손상될 수 있는 유해 물질이다.
- 중앙대학교 친환경건축연구센터 (주)GSA컨설턴트를 통해 실내공기질공정시 험방법6)의 소형챔버법에 의한 건축자재 방출 오염물질 측정방법에 따라 포름알데히드(HCHO), 총 휘발성유기화합물(TVOC) 및 24개 주요 휘발성유기화합물질의 방출강도를 측정하였다. 측정은 액상 및 고체상 시편의 두 가지 경우로 구분하여 실시하였으며, 액상 시편의 경우 동일 환경에서 분말상태 인 각각의 재료를 물과 배합한 후 재료당 2개의 유리판 위에 도포하여 건조 4일 후 챔버에 넣고 7일차 방출강도를 측정하였다.(총 11일 경과치 측정) 고체상 시편의 경우 동일 환경에서 165x165x50 mm 규격으로 시편을 만들고 일반적 양생기간인 4주 간 자연건조 후 챔버에 넣고 7일차 방출강도를 측정하였다.
대상 데이터
- 실내측과 인접하여 설치되는 건축재료 일수록 실내 공기환경에 미치는 영향이 크게 되므로, 본 연구에서는 벽지 등의 최종 마감을 제외하고는 실내측과 가장 인접하게 되는 경우를 대상으로, 타설 공법에 의한 흙 건축재료로 좀 더 많이 쓰이고 있는 고강도 흙타설재A와 흙미장재 및 고강도 흙미장재의 3종을 선정하였다.
- 비열은 한국과학기 술원 열물성시험실을 통해 ASTM E 1269 분석 방법5)에 따라 측정하였다. 열전도율과 비중 측정은 요구 규격인 200x200x30mm 크기의 시편을 대상으로 하였으며, 비열 측정은 각 재료별 미세 분말 시편을 대상으로 하였다. 각 시편은 동일 환경에서 동일 재령을 갖도록 제작하였다.
- 흙 건축재료와 비교분석을 위한 시멘트 건축재료로는 시멘트몰탈 A, B를 선정하였다. 시멘트몰탈A 는 일반 시멘트몰탈이며, 시멘트몰탈B는 벽체에 바를 때 부착을 쉽게 하기 위해 몰탈용 접착제로 사용되는 몰다인을 지정 배합비대로 첨가한 것이다.
- 흙 건축재료와의 비교분석을 위한 시멘트 건축재료로는 시멘트벽돌과 시멘트몰탈A(일반 시멘트 몰탈)를 선정하였다. 다짐, 타설공법에 의한 현장 형성 흙 건축재료의 경우 콘크리트, 입자흙 단열재 의 경우 일반 단열재가 비교대상이 될 수 있을 것이다.
- 흙 건축재료의 경우 가장 대표적인 흙벽돌(조적), 현장형성 흙 건축재료(다짐, 타설), 흙미장재 (바름)을 대상으로 우선 6종을 선정하였다. 한편 현대 흙건축물에서 구조체에서와 마찬가지로 흙을 이용한 단열재 적용은 건축주들의 주요 요구사항이며, 이를 반영 흙을 주원료로 하는 입자흙 단열재가 개발된 바 있다.
이론/모형
- 열전도율과 비중은 요업기술원을 통해 열전도율의 경우 KS L 90163), 비중(기건비중)의 경우 KSF 40044)에 따라 측정하였다. 비열은 한국과학기 술원 열물성시험실을 통해 ASTM E 1269 분석 방법5)에 따라 측정하였다. 열전도율과 비중 측정은 요구 규격인 200x200x30mm 크기의 시편을 대상으로 하였으며, 비열 측정은 각 재료별 미세 분말 시편을 대상으로 하였다.
- 이 세가지 항목은 건물의 에너지성능과 열쾌적에 매우 큰 영향을 미치며, 건물 구조체 전열해석 및 건물 에너지해석에 필수적인 재료 물성치이기도 하다. 열전도율과 비중은 요업기술원을 통해 열전도율의 경우 KS L 90163), 비중(기건비중)의 경우 KSF 40044)에 따라 측정하였다. 비열은 한국과학기 술원 열물성시험실을 통해 ASTM E 1269 분석 방법5)에 따라 측정하였다.
- 휘발성유기화합물 중 주요물질인 벤젠, 톨루엔, 에틸벤젠, 스티렌, 자일렌 등도 신경계에 독성으로 작용하며, 구토를 유발하는 등의 발암성 물질로 알려져 있다. 중앙대학교 친환경건축연구센터 (주)GSA컨설턴트를 통해 실내공기질공정시 험방법6)의 소형챔버법에 의한 건축자재 방출 오염물질 측정방법에 따라 포름알데히드(HCHO), 총 휘발성유기화합물(TVOC) 및 24개 주요 휘발성유기화합물질의 방출강도를 측정하였다. 측정은 액상 및 고체상 시편의 두 가지 경우로 구분하여 실시하였으며, 액상 시편의 경우 동일 환경에서 분말상태 인 각각의 재료를 물과 배합한 후 재료당 2개의 유리판 위에 도포하여 건조 4일 후 챔버에 넣고 7일차 방출강도를 측정하였다.
성능/효과
- (1) 흙벽돌의 경우 종류에 따라 약간의 차이는 있지만 시멘트벽돌과 단열성능 및 축열성능이 유사한 것으로 나타났다. (시멘트벽돌에 비해 고강도 흙벽돌은 단열성능 약간 낮고 축열성능 약간 높으며, 재래식 흙벽돌은 그 반대임) 흙다짐재 및 타설재는 콘크리트에 비해 단열성능은 매우 높고 축열 성능은 종류에 따라 약간의 차이는 있지만 유사한 것으로 나타났다.
- (2) 액상(총 11일 경과치 측정) 및 고체상(총 35일 경과치 측정) 시편 모두에서, 포름알데히드 및 총휘발성유기화합물 방출강도는 대부분 한국공 기청정협회 친환경 건축자재 인증등급상 최우수 등 급에 해당하여(고체상 시편에서 고강도흙타설재A와 흙미장재의 포름알데히드 방출강도만 우수 등급 에 해당), 매우 우수한 것으로 나타났다.
- (1) 흙벽돌의 경우 종류에 따라 약간의 차이는 있지만 시멘트벽돌과 단열성능 및 축열성능이 유사한 것으로 나타났다. (시멘트벽돌에 비해 고강도 흙벽돌은 단열성능 약간 낮고 축열성능 약간 높으며, 재래식 흙벽돌은 그 반대임) 흙다짐재 및 타설재는 콘크리트에 비해 단열성능은 매우 높고 축열 성능은 종류에 따라 약간의 차이는 있지만 유사한 것으로 나타났다. 흙미장재는 시멘트몰탈에 비해 단열성능과 축열성능 모두 약간 낮은 것으로 나타났으며 입자흙 단열재는 단열성능이 낮아 동일 두께 적용시 기존 단열재의 대체재가 아닌 흙건축물에서의 단열 보조재로 사용 가능할 것으로 판단된다.
- 고체상 시편에서는 고강도흙타설재A와 흙미장 재의 포름알데히드 방출강도만 우수 등급에 해당하고 나머지 경우는 모두 최우수 등급에 해당하여 매우 우수한 것으로 나타났다. 포름알데히드 방출강 도는 고강도흙타설재A와 흙미장재를 제외한 모든 경우에서 0.
- 액상 시편에 대한 흙 및 시멘트 건축재료의 포름알데히드 및 총휘발성유기화합물 방출강도를 한국공기청정협회 친환경 건축자재 인증등급 기준에 따라 비교해보면, 모든 경우에서 최우수 등급에 해당하여 매우 우수한 것으로 나타났다. 포름알데히드 방출강도는 모든 경우에서 0.
- 신축 공동주택의 실내공기질 권고기준상에서 정하고 있는 주요 휘발성 유기화합물질별 방출강도는 액 상 및 고체상 시편 모두에서 매우 낮게 나타났다. 총량을 보면 흙미장재와 시멘트몰탈B가 다른 경우에 비해 약간 높게 나타났으며, 이는 흙미장재의 경우 짚, 시멘트몰탈B의 경우 몰다인에 의한 영향인 것으로 판단된다.
- 고체상 시편에서는 고강도흙타설재A와 흙미장 재의 포름알데히드 방출강도만 우수 등급에 해당하고 나머지 경우는 모두 최우수 등급에 해당하여 매우 우수한 것으로 나타났다. 포름알데히드 방출강 도는 고강도흙타설재A와 흙미장재를 제외한 모든 경우에서 0.000~O.OO&nQmh에 분포하며, 총휘발성유기화합물 방출강도는 흙 건축재료가 시멘트 건축재료에 비해 약간 높게 나타났다. 흙 건축재료의 포름알데히드 및 총휘발성유기화합물 방출강도가 시멘트 건축재료에 비해 약간 높게 나타난 것은 시멘트와 달리 별도의 소성과정을 거치지 않는 흙의 특성상 시편의 원재료상에 오염물질이 일부 포함되었기 때문일 것으로 추측된다.
- 액상 시편에 대한 흙 및 시멘트 건축재료의 포름알데히드 및 총휘발성유기화합물 방출강도를 한국공기청정협회 친환경 건축자재 인증등급 기준에 따라 비교해보면, 모든 경우에서 최우수 등급에 해당하여 매우 우수한 것으로 나타났다. 포름알데히드 방출강도는 모든 경우에서 0.002-0.003mg/m2h에 분포하며, 총휘발성유기화합물 방출강도는 흙미 장재와 시멘트몰탈B에서 다른 경우에 비해 약간 높은 0.020, 0.016mg/inh이 나타났다. 흙미장재와 시멘트몰탈B의 총휘발성유기화합물 방출강도가 다른 경우에 비해 약간 높은 것은 흙미장재에 혼합된 짚과 시멘트몰탈B에 혼합된 몰다인에 의한 영향인 것으로 보인다.
- 한편 시멘트몰탈용 접착제로 사용되는 몰다인을 지정 배합비대로 첨가한 시멘트몰탈B의 포름알데 히드 및 총휘발성유기화합물 방줄강도는 첨가하지 않은 시멘트몰탈A보다 높을 것으로 예상하였으나, 액상 시편에서는 시멘트몰탈B가 약간 높고, 고체상 시편에서는 시멘트몰탈B가 오히려 약간 낮아, 지정 배합비에 의한 몰다인 첨가는 전체적인 포름알데히드 및 총휘발성유기화합물 방출강도의 절대량 측면에서 큰 문제가 되지 않는 것으로 나타났다.
- 흙 및 시멘트 건축재료의 열용량을 공법별로 비교해보면, 조적의 경우 고강도 흙벽돌과 재래식 흙벽돌은 각각 1,972.1, l,670.8kJ/irfK이며, 시멘트 벽돌은 l,695.6kJ/nfK로 나타났다. 이를 통해 고강도 흙벽돌은 시멘트벽돌에 비해 축열성능이 약간 높고 재래식 흙벽돌은 약간 낮다고 할 수 있다.
- 흙 및 시멘트 건축재료의 열전도율을 공법별로 비교해보면, 조적의 경우 고강도 흙벽돌과 재래식 흙벽돌은 각각 0.5014, 0.4255W/mK이며, 시멘트 벽돌은 0.4577W/mK로 나타났다. 이를 통해 고강도 흙벽돌은 시멘트벽돌에 비해 단열성능이 약간 낮으나 재래식 흙벽돌은 약간 높다고 할 수 있다
- (시멘트벽돌에 비해 고강도 흙벽돌은 단열성능 약간 낮고 축열성능 약간 높으며, 재래식 흙벽돌은 그 반대임) 흙다짐재 및 타설재는 콘크리트에 비해 단열성능은 매우 높고 축열 성능은 종류에 따라 약간의 차이는 있지만 유사한 것으로 나타났다. 흙미장재는 시멘트몰탈에 비해 단열성능과 축열성능 모두 약간 낮은 것으로 나타났으며 입자흙 단열재는 단열성능이 낮아 동일 두께 적용시 기존 단열재의 대체재가 아닌 흙건축물에서의 단열 보조재로 사용 가능할 것으로 판단된다.
후속연구
- 0400W/mK에 비해 상당히 큰 값이다. 입자흙 단열재의 열전도율은 건축물의 에너지절약 설계기준8)내 단열재의 등 급분류에서 가장 단열성능이 낮은 라 등급(0.047~ 0.051W/mK)에도 해당되지 않아 동일 두께 적용 시 기존 단열재의 대체재로 사용하기에는 무리가 있으며, 흙건축물에서 구조체 단열성능 향상을 위한 보조재로서 사용이 가능할 것으로 판단된다
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