쾌적한 공간을 창출하는 다공질 건재 물의 증발 잠열로 시원한 환경을 만든다 ― 보수성 건재― 阿部 美紀也 / 日本 아오키 Corp. 1. 첫머리 오늘날의 도시공간에서는 냉난방 등 인공배열의 증가와 콘크리트 정글이라고도 할 수 있는 구조로 여름의 히트아일랜드 현상이라고 불리는 열환경의 악화가 심각한 문제가 되었다. 따라서 에너지 절약의 추진과 자연에너지의 활용, 녹지의 정비 등 대책이 급선무가 되고 있다. 한편, 건물이나 도로를 덮는 포장건재에도 도시의 기상을 완화시키는 기능이 요구되기 시작하여 고기능·고성능 건재가 몇몇 개발되었다. 이 가운데 미세한 내부에 미세한 틈이 있어 여기에 수분을 머금는 보수성 건재가 주목을 끌고 있다. 보수성 건재는 우수한 보수능력을 갖기 때문에 수분의 증발잠열에 따른 냉각작용으로 더운 여름철에 물을 뿌린 듯한 기상완화효과를 기대할 수 있다. 본고에서는 이러한 보수성 건재의 한 예로서 아오키(靑木) 건설연구소가 개발한 보수성 세라믹 타일(이하 보수성 타일)을 예로 산업폐기물을 이용한 제조방법, 그 틈과 수분특성의 개요 및 야외실험의 개요를 소개하겠다. 또 보수성 건재 일반에 관한 요구 및 앞으로의 전망에 대해 개설하고자 한다. 2. 보수서 타일의 제조 방법 가. 주원료 보수성 타일의 주원료로 사용할 수 있는 것은 ①대곡석(大谷石)의 단재, ②하수도 오니(汚泥) 용융 슬러그, ③석탄재, ④도시 쓰레기 소각재, ⑤베드로 등이다. 주지의 사실대로, 이들 대부분은 산업폐기물이며 소위 미(未)이용 자원이다. 이들 재료를 알맹이 상태 또는 분말 상태로 한 것에 점토, 조정재를 더해 원재료로 한다. 미이용 자원의 함유율은 제품의 용도와 목표로 하는 보수성의 정도에 따라 다르나, 중량비로 약 30~ 80%이다. 나. 제조방법 보수성 타일은 주원료인 각종 산업폐기물에 점토, 조정재를 조합하여 틀에 넣고 프레스로 성형, 1100~1200℃에서 소성하여 제조한다. 【그림 1】에 일례로서 대곡석의 석재를 잘라 낸 후에 남는 단재를 주원료로 했을 경우의 제조과정을 나타낸다. 제조과정 자체는 점토를 주원료로 하는 통상의 세라믹스 타일과 큰 차이는 없다. 단, 보수성 타일에서는 소성 시에 수축의 원료가 되는 점토의 사용량을 최대한 줄이는 것과 아울러 수축을 저감시키는 조정재를 배합하는 연구를 하였다. 이에 따라 치수 정밀도가 높은 대형 제품의 제조가 가능해졌다. 3. 보수성 타일의 특성 가. 역학적 특성 등 보수성 타일의 역학적 특성 등을 【표 1】에 나타내었다. 이것으로 보수성 타일은 그 특징인 흡수율이 극히 크다는 것을 제외하면 각 항목 모두 JIS A 5209(도자기질 타일)의 바닥타일 기준을 만족시키고 있다는 것을 알 수 있다. 흡수율이 높음에도 불구하고, 충분한 내(耐)균열성, 내동해성 및 내약품성을 갖는 것은 후에 기술할 유니크한 틈의 분포 상황과 관계가 깊다. 나. 틈 지름(空隙徑) 분포와 수분 특성 보수성 타일의 틈 지름의 분포를 수은압입법(水銀壓入法)으로 조사한 결과의 한 예를 【그림 2】에 나타내었다. 그림에서 지름 10㎛의 틈을 중심으로 한 분포를 보이며, 지름의 대부분은 몇 ㎛에서 100㎛의 범위에 있다는 것을 알 수 있다. 보수성 타일의 수분과 관련된 물성치를 【표 2】에 나타내었다. 함수비(含水比)와 간극비(間隙比)로 지극히 많은 틈이 있다는 것을 알 수 있다. 또 포화투수계소(飽和透水係數)는 10~4(㎝/s)의 오더에서 가는 지름의 모래와 거의 동등한 수치이다. 보수성 타일 속의 수분의 유지상태를 나타내는 수분특성곡선을 【표 3】에 나타내었다. 세로축인 pF는 타일이 가지고 있는 수분의 제거하는데 필요한 힘의 세기를 나타내는 지수이다. 즉, PF가 클수록 수분이 흡착·유지되고 있는 힘이 크다는 것을 나타낸다. pF 1.5 이하는 거친 틈 속의 중력수, pF 1.5~4.2정도가 미세한 모관(毛管) 틈 속의 수분, pF 4.5이상은 수분이 강하게 결합하여 용이하게 이동할 수 없는 것이다. 그림에서 동일한 pF치에 대한 체적함수율은 보수성 타일에서는 다른 재료에 비해 극히 크고, 내부에 유지되는 수분량이 풍부하여 보수성이 높다는 것을 판단할 수 있다. 또 보수성 타일에서는 pF 1.5~3의 모관 공극수에 해당하는 수분이 상당히 많다는 것을 알 수 있다. 타일 속의 모관 공극을 원통으로 가정했을 경우, 그 지름 γ(m)과 pF치와의 사이에는 다음과 같은 관계가 있다. pF = log ｛20σ/(ρ×γ)｝ 여기에서 σ=물의 표면장력(N/m), ρ:물의 밀도(㎏/㎥). 위의 식에 공극경 분포의 결과에 있어 대표적인 지름으로 10㎛을 넣으면 pF치는 약 2.2가 된다. 따라서 그림에서 pF 2.2 내외의 영역에서 체적 함수율이 광범위하게 커버되고 있는 상황과 충분히 부합하는 결과라고 할 수 있다. 4. 온도조절기능에 관한 실험 가. 단체일 경우 타재료와의 비교실험 ⑴ 개요 보수성 타일을 비롯한 8종류의 공시체를 건물옥상에 부설하고, 여름철 온도조절기능 비교를 목적으로 한 실험을 실시했다. ⑵ 공시체 【그림 4】에 사용한 공시체이다. №1은 건물옥상의 콘크리트이고, №2와 №3은 건기상태의 콘크리트판(375×375×25㎜)이다. 보수성 타일(300×300×25㎜) 가운데, №6~8은 시유면을 위로 향하게 하고, №8과 9는 함수상태로 실험하였다. 또 №7은 표면이 수면 위로 나오도록 수조에 담갔다. 그리고 №2, 3의 콘크리트 판, №6, 8, 9의 보수성 타일은 증발억제를 위해 측면을 비닐테이프로 양생했다. 실험 중에는 №4의 식물잎과 №5의 토양 면에 대해서만 수시로 물을 뿌렸다. ⑶ 결과 실험은 7월 하순에 실시되었다. 각 공시체의 표면온도 및 중량을 약 20분 간격으로 측정했다. 공시체 표면온도가 최고를 나타낸 시간대에서의 기온은 36.7℃, 습구온도는 27.4℃였다. 【표 3】에 각 공시체의 표면최고온도를 나타내고, 【그림 5】에 표면온도와 기온과의차를 시간 변화에 따라 나타냈다. 표면온도는 보수성 타일 중 무유면을 위로 한 №9가 가장 낮아, 식물잎이나 토양면보다도 저온이었다. 기온과의 차에서도 옥상 콘크리트가 최대 약 20℃ 높았던 것에 비해 №9는 최대 9℃로 낮아 평균적으로도 5℃정도 낮은 수치를 보였다. 한편, 중량변화로 상정한 수분증발속도는 최고기온 전후 1시간의 경우, №9는 0.94㎜/h였다. 이에 대해 유약면을 위로 한 №8에서는 0.3㎜/h로 유약의 유무에 따라 증발능력에 차이가 발생했다. 이 차이가 쌍방의 표면온도차를 야기하는 커다란 요인이라고 생각된다. 또한 저녁이 됨에 따라 표면온도의 추이와 마찬가지로 증발속도의 차이도 점차 적어졌다. 나. 부설실증실험 ⑴ 개요 보수성타일을 보도에 부설하고, 여름철에 온도조절기능 효과를 확인하기 위한 실험을 실시했다. ⑵ 실험장 【그림 6】에 실험장의 평면도를 나타내었다. 보수성타일은 크기 300×300×25㎜, 유약이 없는 상태에서 건조된 것을 사용하여 일반적인 보도의 사양에 준하여 부설했다. 부설은 그림처럼 두 군데(이하, 센터 및 웨스트라고 부름)로 나뉘어 실시했다. 또 비교대상을 동쪽의 인터로킹 블록에 의한 기설보도(Root №3라고 부름)로 했다. 또한 실험 중에는 센터에 대해서만 15시 20분과 16시 이후 두 번 살수했다. ⑶ 결과 실험은 8월 상순에 실시했다. 각 지점에서 10분 간격으로 표면온도 및 높이 1.2m의 건습구온도를 측정했다. 그밖에 햇빛이나 풍속의 상황도 파악했다. 실험 개시 당시 주위의 기온은 36℃, 상대습도 50%(절대습도 23.4g/㎥)이었다. 또 바람은 동풍으로 약 3m였다. 【그림 7】에 표면온도의 시간 흐름에 따른 변화, 【그림 8】에 기온의 시간 흐름에 따른 변화를 나타내었다. 【그림 7】에서, 센터의 표면온도는 당초(15시) 48℃였으나, 1회 째의 살수로 16시에는 36℃를 기록했다. 2회 째 살수 후에는 더욱 저하하여, 17시 이후까지 주위의 기온보다 1~5℃ 낮은 34~30℃로 추이했다. 이에 대해 다른 두 지점은 주위의 기온보다 높은 수치로 기온과 연동한 변화를 나타내었다. 【그림 8】에서, 측정 개시시간(15시)의 기온은 37~38℃로 3지점 모두 거의 같았으나, 살수한 15시 이후부터 센터와 웨스트의 기온이 Root №3보다도 크게 저하했다. 16시의 센터, 웨스트의 기온은 Root №3에 대해 각각 1℃, 2℃정도 낮은 수치를 보였다. 또한 동시에 측정한 습도는 살수에 따른 상승을 나타내었다. 특히 2회 째의 살수에서는 3지점 모두 크게 상승하여 16시 40분까지 센터는 0.8g/㎥, Root №3에서는 0.7g/㎥, 웨스트에서는 1.1g/㎥의 상승이 있었다. 센터에서의 표면온도 저하 추이를 보면, 살수 직후는 물에 의한 직접냉각, 그 후 완만한 저하는 증발에 의한 기화냉각이 주요 원인이라고 판단된다. 또 2회 째의 살수에 의한 습도의 큰 상승은 증발에 의해 공기 속의 수분이 증가했기 때문이라고 추측된다. 각 지점에서의 기온저하는 보수성타일의 표면으로부터의 증발잠열로 바로 위의 공기가 차가워진 결과라고 보인다. 또 센터보다 웨스트의 기온이 낮은 것은 당일 불었던 동풍으로 내각공기가 바람에 노출된 웨스트 쪽에 분 결과라고 생각된다. 5. 맺으며 본고에서는 보수성 건재의 한 예로 아오키 건설연구소가 개발한 산업폐기물을 이용한 보수성 세라믹타일의 개요를 소개했다. 이러한 보수성 건재는 도시지역의 히트아일랜드 현상에 의한 열환경의 악화를 완화하는 하나의 소재로서 최근 각광을 받고 있다. 실제로 히트아일랜드 현상에 관해 검토하고 있는 환경성 위원회에서는 에너지 절약, 녹화와 함께 보수성 건재의 적용이 대책 메뉴 가운데 하나로 꼽히고 있다. 단, 현행 적용상황을 보면, 보도에 한정하는 것이 대부분으로, 건물의 옥상재나, 벽재에 관해서는 아직 실험적 단계에 있다. 보수성 건재의 이러한 적용을 포함한 광범위한 보급에는 기준의 정비와 효과의 정략적 파악 등 기술적인 과제가 많이 있다. 그러나 그 잠재적인 요구는 높으므로 가까운 미래 도심부 인프라 정비에 극히 유망한 재료라고 생각한다. (Ceramic Japan)