[과학] 시멘트 없는 건축 재료로 구현한 성능·환경 혁신

일전, 에스빠냐 잡지 《퀘리도(趣味)》 월간 웹사이트에 따르면 오스트랄리아 로열 멜버른 공과대학교 연구팀이 시멘트를 사용하지 않은 두가지 건축 재료를 개발했다. 다진 흙과 종이판 또는 탄소 섬유를 결합한 방식이다. 이 재료들은 기존 콘크리트보다 지속 가능성, 강도, 비용 측면에서 더 우수한 성능을 보일 전망이다.

연구팀은 기본적으로 다진 흙에 소량의 물을 섞은 동일한 기반으로 두가지 실험 재료를 설계했다. 한 방식은 재생 골판지관에 다진 흙을 채워 강하고 완전히 재활용 가능한 구조 시스템을 만드는 것이다. 다른 방식은 다진 흙을 탄소 섬유관 안에 밀봉하여 더 강하고 가벼운 구조물을 만들어 요구 사항이 높은 건축에 적용하는 것이다. 결국 상호 보완적인 두가지 해결책이 탄생했다. 하나는 초경량이면서 친환경적이고 다른 하나는 탁월한 구조 성능을 가진다.

연구팀은 흙을 시멘트로 강화하는 전통적 방식을 버리고 흙을 다져 ‘부싱(衬套)’과 같은 관 모양의 용기에 밀봉하는 공정을 채택했다. 이 공정은 재료 강도를 높이는 동시에 천연 특성과 낮은 환경 영향이라는 장점을 유지하게 한다. 흙의 밀봉은 균렬 없이 하중을 지지하는 핵심이다.

이 기술은 흙이 압축되면 측면으로 팽창하려는 단순한 물리 원리를 활용한다. 이 팽창을 막으면 흙은 더 견고해진다. 종이판 또는 탄소 섬유로 만든 관이 바로 이 효과를 실현한다.

첫 번째 재료는 ‘종이판 강화 다진 흙(纸板加固夯土)’으로 종이판, 흙, 물만으로 만들어진다. 종이판 관은 영원한 모델이자 구조 틀의 역할을 하여 층층이 다져 넣은 흙 혼합물을 고정한다. 건조 후 전체는 놀라운 견고성, 압축 강도, 안정성을 나타낸다. 이 간단한 재료는 일상적인 페기물을 교묘히 활용한다.

성능은 연구팀 예상을 훨씬 뛰여넘었다. 다양한 두께의 종이판으로 제작된 원기둥 시험체는 낮은 벽체 하중을 지지할 수 있을 만큼의 압축 능력을 보였으며 그 안정성은 시멘트로 강화한 다진 흙벽에 버금갔다.

또한, 이 시스템은 흙의 단열 특성을 유지한다. 겨울에는 열을 축적해 보온하고 여름에는 시원함을 유지하여 에어컨 사용 요구를 줄인다. 이러한 지속 가능성은 쾌적함으로 이어진다.

그러나 진정한 차이는 환경 영향이다. 연구에 따르면 이 재료의 탄소 발자국(碳足迹)은 전통적 콘크리트보다 80% 낮다. 또한 대량의 페기물을 리용한다. 오스트랄리아에서만 매년 2백만 톤 이상의 종이판과 종이가 버려진다. 이를 건축 자재로 사용하는 것은 배출을 피면할 뿐만 아니라 흔한 페기물에 새 생명을 부여하는 것이다.

두 번째 재료는 ‘탄소 섬유 강화 다진 흙(碳纤维加固夯土)’으로 다진 흙과 탄소 섬유관을 결합한다. 탄소 섬유는 경량 고강도 특성으로 비행기와 자동차 제조에 흔히 쓰인다.

연구팀이 이를 토목 강화에 적용하여 눈에 띄는 결과를 얻었다. 기둥의 강도는 고품질 콘크리트에 근접하지만 무게는 그 일부에 불과하다. 시멘트 없이도 강도를 실현한 혁신적 방안이다.

탄소 섬유는 초경량 골격처럼 작용하여 흙이 압력을 받을 때 갈라지는 것을 방지한다. 동시에 흙 코어는 관에 강성과 안정성을 제공하여 두 재료가 완벽한 균형을 이룬다. 전체 구조는 지진 진동을 더 효과적으로 흡수하며 변형 과정에서도 균렬 없이 완정성을 유지하는데 이는 건물 안전에 매우 중요하다. 장점은 강도뿐만 아니라 유연성에 있다.

이 시스템의 제조비용은 종이판 구조보다 높지만 구조 성능이 탁월하며 철근 콘크리트 대비 환경 영향이 더 작다. 적용 잠재력은 강도와 경량화가 모두 필요한 분야, 즉 지진대 주택, 림시 구조물, 프리캐스트 부재(预制构件)에 있다. 이는 더 효률적이고 유연한 건축 방식으로 나아가는 중요한 한 걸음이다.

이 두 혁신은 모두 간단한 원칙, 즉 현지 재료 활용을 따른다. 건설회사는 대량의 시멘트나 강철을 운반할 필요 없이 현장의 흙을 활용함으로써 운송비용과 배출량을 줄인다. 지속가능성은 건설 현장으로부터 시작된다. 이는 산업 자재 공급이 제한된 농촌 또는 외딴 지역에 기회를 창출한다.

또한, 흙벽은 추가 우세가 있다. 높은 열용량으로 실내 온도와 습도 안정화에 도움이 된다. 이는 랭난방 수요 감소, 즉 건물 사용주기 동안의 에너지 소비 절감을 의미한다.

건물은 공사 완료 후에도 에너지 절약 및 배출 감축 특성을 지닌다. 연구자들은 이러한 간결함, 효률성, 낮은 환경 영향을 모두 갖춘 특성이 지속가능한 건축의 미래 방향을 결정할 가능성이 크다고 본다.

/참고소식

编辑：최화