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2010.04.01흙건축의 시작 흙의 물성실험

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우울한 봄입니다.

잦은 눈소식도 그렇고

창창한 젊은 병사들의 안타까운 소식이나..

답답한 심정과 함께

무엇하나 상큼한게  없는 봄입니다..

 

날이 풀리면서 작정 하셨던

흙건축을 시작 하시는 분들이 많으리라 봅니다

어느때 보다 부산한 하루하루를 보내게 되시겠죠.

 

집 지을 계획을 하시고 많이들 공부 하셨으리라 믿습니다.

계획 하신대로 꿈꾸시는 예쁜 흙집들 지으시기 바랍니다.

 

흙공법도 여러가지 입니다만

흙건축의 시작은 흙에 대한 성질을 알아야 합니다. 

 

흙에 대한 성질을 알아 보는것이 흙의 물성실험입니다.

2009년 10월 장흥 워크숍중

목포대학교 건축과 흙건축 연구소의 연구원들이 보여준

흙의 물성실험에 관한 영상입니다.

흙의 물성 실험1

흙의 물성 실험2흙의 물성실험 2

 

채를 쳐서 고운 흙을 만들고 있습니다.

흙의물성1

 

흙부대 벽체를 쌓아 올리고 벽체의 마감 미장에 적당한 특성을 가진 흙을 만드는 작업중입니다.

같은 흙을 소재로 집을 짓는 공정에 있어서도 그 용도에 따라 흙은 각기 다른 형태로 쓰여지는 것을 볼수 있습니다.

 

생태건축이라는 관점에서 흙은 나무와 함께 생태건축을 대표하는 소재라고 해도 과언이 아닙니다.

전세계 인구의 3분에 1에 해당하는 15억의 사람들이 아직도 흙을 소재로한 주거형태에서 삶을 유지 하고 있으며 이렇게 흙을 이용한 건축의 역사는 이미 1만년의 역사를 가지고 있다고 합니다.

흙의물성2

그도 그럴것이 흙이라는 소재는 사람이 발붙이고 사는 세상 어느곳에서나 얻을수 있고

현지의 기후와 환경에 알맞게 건축의 소재로 이용이 되면서 그들의 문화적 건축 환경과 양식에 따라 축조방식을 달리 하며 발전해 왔습니다.

 

그렇게 발전하여온 흙건축들은 나름의 기준으로 정리가 되어지면서 벽체의 축조방식에 따라 일체식, 조적식, 그리고 기존의 골조에 흙을 채우거나 바르는 비내력식으로 나뉘면서 진화를 거듭해 왔습니다.

이것은 다시 흙의 성분비와 축조방식에 따라 흙벽돌 조적 방식 이라던가 우리의 전통방식인 알매 공법이라던가 흙을 형틀에 넣고 다져서 벽체를 만드는 흙다짐 공법 또는 흙부대처럼 형태를 유지할수 있는 곳에 흙을 채워 넣어 벽체를 올리는 흙채움방식이라던가 자연상태의 흙을 물과 반죽만으로 벽체를 만드는 보쥬방식등 우리가 잘아는 흙벽체 공법외에도 십수가지 정도의 방법으로 발전해 왔습니다.흙의물성3

                                                                                                          (데솔아솔님 블로그 알매공법)

그 공법들을 간단하게 정리해 본다면

복토 주택과 같이 흙을 덮어서 구조물을 만드는 흙덮기 방식도 흙건축의 한 공법입니다 화석 연료에 의한 에너지의 문제가 심각하게 대두 되면서 복토주택에 관한 관심은 새롭습니다. 사암이나 응회암 같은 파내기 쉽고 자체가 구조제 역할을 하여 형태를 만들 수 있는 움혈주거방식 또한 흘건축의 한 갈래이죠, 그런가 하면 자연상태의 건조된 흙을 형태를 유지시켜 벽돌처럼 사용하는 잘라내기 방식, 요즘 웰빙한 전원 주택의 주소재가 되고 있는 벽돌을 찍어 내듯이 형틀을 이용하여 쌓을수 있는 형체를 만드는 형틀방식, 그런가하면 산업기계가 발달 하면서 강한압력을 이용하여 점성이 강한 흙을 형틀에서 압출 형태를 찍어 내는 사출방식, 흙을 반액상 상태로 만들어 형틀에 부어넣어 콘크리트처럼 자갈과 함께 섞어 타설하는 방식으로 최근 시공성이 높아 각광을 받는 흙붓기 방식, 흙버무리 방식, 우리의 예전 초가 벽체를 대표하던 이중심벽치기 방식등으로 구분되어 집니다.

 

 

우리가 알고있는 흙의 공법들이 정립되기 까지는 흙을 이용하여 건축을 시도했던 많은 경험자들에 의하여 흙의 일반적인 성질들이 정리되어지고 그것들을 건축 소재로써 사용하기에 적합하도록 발전시켜온 결과들일 것입니다.

모든 흙 공법들이 소재로써 흙을 사용됩니다만 각 공법에 사용되는 흙의 상태는 각기 다르게 사용되어 집니다. 그것은 공법에 따라 흙의 조건이 다르게 사용되어진다는 것입니다.

바꾸어 말한다면 흙건축 공법에 대한 이해의 기초는 흙의 성질을 이해 하는것이고 주어진 환경과 흙의 이해가 있어야 바람직한 흙건축을 할수 있다는 것입니다.

 

흙은 오랜 시간을 거치면서 암석이 풍화작용을 통해 만들어진 결정체들입니다. 무수히 많은 성질을 가진 흙을 세분하여 똑 떨어지게 정리하기란 그렇게 쉽지 않습니다. 여기서 우리가 알고자 하는 흙은, 건축에 사용되는 흙이 일반적인 성질로 입도, 가소성, 압축성, 점착성 등에 따라 분류하여 사용한다.

흙을 구성하는 요소들은 물리적 특성을 가지고 있는 자갈과 모래, 실트, 그리고 화학적 특성을 가지고 있는 점토로 나눌 수 있다. 즉 암석이 물리적인 풍화작용(비, 바람, 퇴적, 빙하 등)을 통해 자갈과 모래 등이 만들어지고 그 크기에 따라 다시 굵은 자갈(20cm~2cm), 잔 자갈(2cm~0.2cm), 굵은 모래(2mm~0.2mm), 가는 모래(0.2~0.02mm)등으로 나뉜다. 그리고 이러한 작용으로 더 이상 작아질 수가 없는 상태인 고운 분말 형태의 실트(0.02mm ~8um)로 구성이 된다. 이들은 큰크리트에서 처럼 힘을 전달하는 골재의 역할을 한다.

실트가 화학적 풍화작용(열, 압력, 용해작용 등) 을 통하여 생긴 것이 점토인데 화학적 특성을 가지고 있어 점토 광물이라 부르고 그 종류도 매우 다양하다. 점토광물들은 물과 반응을 하면서 양이온을 끌어들여 평형을 유지하려고 하는 이온교환 작용을 통하여 강한 결합력을 만들게 됩니다. 마치 콘크리트에서의 시멘트처럼 모래와 자갈, 그리고 실트를 하나로 엮어 흙이라는 결합체를 만든다. 이러한 작용은 필연적으로 부피가 늘어나게 되어 팽창을 하게 되고 건조과정에서 다시 수축을 동반하는 성질이 있습니다.

 

이러한 흙의 성질을 실험을 통하여 구체화 시키는 것이 흙의 물성실험입니다.

물성실험을 통하여 얻는 정보는 사용하고자 하는 흙건축의 공법과 공정에서 최적의 흙조건을 만들어 사용할수 있는 유용한 정보가 되는 것입니다.

 

지금 이루어 지고 있는 실험의 방법은

 흙 물성실험 방법

조건1. 입도(흙의 굵기)의 차이에 따른 흙의 특성을 알아본다.
: 각기 다른 입도를 가진 흙의 건축 특성을 파악한다.

               조건2. 함수량의 차이에 따른 흙의 특성을 알아본다.
: 각기 다른 입도와 함수량의 변화에 따른 특성을 파악한다.

               조건3. 힘의 세기에 따른 흙의 특성을 알아본다.
: 각기 다른 입도와 함수량이 다른 흙에 가하여진 힘의 크기에
따른 특성을 파악한다.

세가지 조건을 복합적으로 대입하면서 차이와 변화를 알아 보는 과정에서 흙의 성질을 알아 보는것입니다.

 

 입도에 관한 분석에서는 사용하고자 하는 흙의 알갱이의 구성비가 건축에 사용되어지며 미치는 영향을 말합니다.

두 번째로는 흙의 강도와 점착성 등 흙의 물리적 성질을 결정하는데 중요한 변수가 되는 함수율의 분석입니다.

세 번째로는 구분된 힘을 가하였을때 건축에 사용되는 흙의 성질이 어떻게 변화 시키는지를 분석 하는 압축성 실험입니다.

 

또한 이러한 변수조건에 의해서 형성시킨 형체들이 시간의 경과에 거치면서 어떠한 반응을 보이며 사용하고자 공법과 공정이 요구하는 흙의 조건에 적당한지를 실험을 통하여 알아 보아야 하는것입니다.

 

이러한 실험은 흙 건축소재로 한정시킨 흙의 성질들에 관한 이해를 높이고 입도와 함수율과 힘의 강도를 복합적으로 대입시키면서 건축하기에 가장 적합한 흙의 조건을 알아보는 능력을 기르는 것이 이번 실험의 최종 목적인 것입니다.

 

모든 실험의 결과는 분석력에 의하여 더욱 빛이 납니다.

 

흙의 분석방법

흙은 각기 생성과정이나 풍화작용들을 통해 다양한 성질을 가지고 있다. 이를 분류하는 방법은 매우 세분화 되어있고 기준 또한 다양하다. 여기에서는 흙건축의 관점에서 필요한 성질들로 한정하여 설명하고자 한다.

흙건축에 필요한 흙의 기본적인 실험들은 다음과 같다.

 

1. 입도분석

흙의 기본적인 성질을 결정짓는 가장 중요한 요소로서 거름채법과 침전법으로 점토성분까지 성분비를 측정할 수 있다.

 흙의물성4

                                                                                                  (사진출처 padowa님의 블로그)

-거름채법 : 규격화된 거름채(채간격 5㎝부터 0.08㎜까지)를 이용하여 전체량에 체에 걸리는 량을 측정하여 성분비를 분류한다.

   흙의물성5

흙거름채

 

침전법 : 0.08mm이하의 성분들은 시간에 따른 침전속도의 차이를 이용하여 성분비를 측정한다. 이 방법으로 0.002mm까지의 입자들을 분류할 수 있다. 그이하의 입자들은 이 방법으로는 미세입자들 사이에 발생하는 소용돌이 현상과 솜털모양으로 엉켜서 침전하는 현상 때문에 측정이 불가능하다.

모든 축조법에서 반드시 해야 할 가장 기본이 되는 실험이다.

 

2.함수률

흙 속의 간극 속에 포함되어 있는 물의 용적비를 백분율로 표시한 것으로 흙의 강도결정과 점착성 등 흙의 물리적 성질을 결정하는데 중요한 역할을 한다. 특히 다짐공법과 압축흙벽돌에서 이상함수율을 맞추어주어야만 충분한 강도를 얻을 수 있다.

 

(흙의 연경도 곡선)

흙의물성6

 

3. 아터버그한계

  흙은 함수비에 따라 액체상태, 소성상태, 반고체상태, 고체상태의 네 가지의 상태로 존재할 수가 있다. 즉 흙이 완전히 건조하면 고체상태로 존재하나 함수비가 증가함에 따라 반고체 소성, 액체상태로 변화한다. 이렇게 고체에서 반고체상태로 되는 순간의 함수비를 수축한계, 반고체에서 소성상태로 변하는 순간의 함수비를 소성한계, 소성상태에서 액체상태로 변하는 순간의 함수비를 액성한계라 하고 이를 통틀어 아터버그한계라 한다.

아터버그한계는 흙의 특성을 대략적으로 판단하는데 있어서 좋은 지침이 되며 특히 아도브 흙벽돌을 만들거나 보쥬방식의 축조법들에 반드시 필요한 실험이다.

 

4.압축성 실험

흙이 최대의 압축강도를 내기 위해서는 단위면적을 차지하고 있는 흙 입자들에 물이 완전히 코팅되어 입자간의 이온작용에 의한 전기력이 최대가 되고 입자들 간의 결합이 가장 조밀하게 되어야한다. 이를 위한 함수율을 이상함수율이라고 하는데 이를 측정하기 위해 프록토르(Procdor)라는 실험방법이 있다. 흙의 강도를 결정짓는 가장 중요한 요소이다. 다짐공법 과 압축흙벽돌 제작시에 가장 중요한 실험이다.

 

5. 점착성

점토광물은 단위 당 표면적이 상당히 크고 각각의 점토광물 마다 다르기 때문에 물에 대한 점착성의 반응도 각각 다르게 나타난다. 이 또한 흙의 강도를 결정하는데 중요한 역할을 하는 요소로 응집력실험이 있다.

 

6.팽창과 수축

물에 대한 흙의 팽창 수축은 고유한 성질로서 실트와 점토광물의 함유량에 의해 결정된다. 균열을 줄이기 위한 실험으로 거의 모든 공법에서 필요로 한다.

 

 

[현장테스트] 

실제 흙공사를 하다보면 사용하는 흙이 항상 균일한 상태와 성분비를 유지할 수는 없다. 그렇다고 매번 실험실에서 분석하여 작업을 진행한다는 것도 실제적으로는 불가능하다. 그래서 전통적으로 내려오는 현장테스트들이 있는데 실험실에서의 분석결과와 이를 잘 체득하여 오차의 범위를 줄여 현장에서 바로바로 사용할 수 있을 정도로 익혀놓는 것이 중요하다.

 

1. 시각측정

흙의 성분들 중 굵은모래나 자갈 등은 눈으로 크기와 치수를 대략적으로 파악 할 수 있다. 눈으로 볼 수 있는 한계는 0.08㎜까지 이다.

 

2. 후각측정

흙을 채취한 후 바로 냄새를 맡아보아 곰팡이 냄새가 나면 유기물질이 많이 함유 된 것이다. 만약 흙에서 열기가 느껴지거나 습하다면 곰팡이냄새는 더욱 강하게 나타난다.

 

3. 분쇄시험

흙을 핀셋으로 조금 떼어내어 입에서 살짝 이로 부수어 본다. 만약 흙이 사질토이면 이사이에서 심하게 부딪히고 갈려지는 느낌이 들고 흙이 실트질이면 그냥 가볍게 갈린다. 흙이 점토질일 경우에는 이사이에서 미끈미끈한 느낌과 입자들이 밀가루처럼 분말로 느껴진다. 그리고 완전히 건조된 점토질 흙덩이를 혀에 대면 붇는다. 이 실험을 할 때는 항상 위생적으로 각별한 주의를 기울어야한다.

 

4. 마찰시험

실험할 흙에서 샘플을 조금 채취하여 손바닥에 놓은 다음 손가락을 눌러서 흙의 입도를 알아보는 실험이다. 손에서 아주 거친 느낌과 점착성이 없으면 흙은 사질토이고 손에서 약간의 거친 느낌과 흙이 물에 젖어 있을 때 보통 가소성을 보이면 실트질의 흙이다. 점토질의 흙은 건조한 상태에서는 뭉친 상태나 응고체 상태로 있고 젖어있을 때는 가소성과 점착성을 띤다.

 

5. 세척실험

손으로 흙에다 물을 천천히 적셔보면 만약 흙이 사질토이면 손에서 쉽게 헹구어지고 실트질이면 헹구는데 그렇게 어렵지는 않으나 분말성분이 느껴진다. 흙이 점토질이면 비누처럼 미끌미끌한 느낌과 손을 헹구는데 어렵다.

 

6. 광택실험

이 시험은 흙이 실트질인지 점토질인지를 구분할 때 하는 실험으로 테스트할 흙을 물을 조금 섞어 덩이로 만들어 칼로 잘라보아 표면이 빛이 나면 흙은 점토질이고 그렇지 않으면 실트질의 흙으로 본다.

 

7.응집력 실험

흙에 점토질의 흙이 어느 정도 섞여 있는지를 알아보는 실험으로 흙이 손가락에 달라 붇지 않을 정도로 물을 섞어 작은 공 모양으로 만들어 주걱이나 칼로 찔렀다가 뺀다. 흙이 점토질이 많이 섞여 있으면 주걱이나 칼이 쉽게 들어가지가 않고 다시 빼낼 때 흙이 많이 묻어난다. 흙에 점토질이 많이 없으면 쉽게 넣었다 뺄 수가 있고 자국이 그대로 남아있다.

 

8.침전실험

이 실험은 현장에서 할 수 있는 가장 간단하면서 다양한 성질을 비교적 정확한 하게 얻을 수 있는 실험이다. 보통 현장에서는 이 실험 하나만으로도 충분하다.

투명한 유리병에 흙을 1/4가량 채우고 물을 3/4까지 붓는다. 뚜껑을 잘 봉한 후 입자들이 고루고루 섞이도록 흔든 다음 한시간 가량 둔다. 그리고 다시 잘 흔든 다음 약 45분 뒤에 침전되는 흙의 층을 관찰한다. 이때 실트층까지 관찰할 수 있다. 나머지 입자들은 콜로이드 성분과의 결합작용에 의하여 최소한 8시간은 지나야 완전히 침전이 끝난다. 이때 자로 각층의 높이를 측정하면 대략적인 성분비를 알 수 있다.

 

9. 수축실험

실험할 흙을 이상 함수량의 상태로 만들어 크기60×4×4㎝의 틀속에 넣어 양지에서 3일 또는 응달에서 7일간 두어 말린 후 수축정도와 균열을 파악한다.

 

전 세계에 다양하게 펼쳐져 있는 흙을 정확하게 세분화 시킨다는 것은 이러한 흙을 이용한 수많은 축조법을 체계화 시키는 것만큼 무척이나 힘들고 복잡한 일이다. 하지만 미래의 건축문화에서 생태적인 재료, 대안재료로서 중요한 역할을 하게 될 흙에 관한 연구체계를 갖추어 놓는 것은 매우 시급한 과제이다.

유럽은 이미 10 여년 전부터 점토와 모래 등의 흙을 구성하는 요소들의 입자적 성질을 규명하기위해 많은 인적, 물적 자원을 투자하고 있다. 언제가는 시멘트이상의 강한 결합력을 가진 점토 개발을 위한 기초연구를 시작하였던 것이다. 이는 소프트웨어의 활용에 익숙한 우리들에게 많은 점을 시사한다. 친환경 건축, 생태건축을 위한 연구성과들을 찾아 응용하려는 노력만큼 기초연구에 투자를 해야 할 시점인 것이다. -참조 :신근식 흙의 구분-

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