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시멘트 시대의 종말, 흙콘크리트 시대의 시작
흙건축의 비밀, ‘최밀 충전’ / 독보적인 우리 기술, ‘조선 콘크리트’

파리 기후 협약에 따라 2050년까지 시멘트 사용량을 80% 감축해야 한다. 앞으로 건축은 무엇으로 지어야 할까? 이 책은 그 대안이다. 저자인 황혜주 교수(목포대)는 흙건축 자격증 1호를 받은 흙건축 전문가이다. 책에 흙의 단점인 균열, 약한 강도 등을 극복할 기술을 소개한다. 그 기술의 비밀은 흙을 ‘최밀 충전’하는 방법이다. 흙은 자갈, 모래, 실트, 점토로 구성되는데, 흙 요소들 사이에 빈 공간(공극)에 물과 결합재(석회, 유기물 등)를 알맞게 섞고 압축하면 강도와 단열, 중량이 최상인 상태의 건축용 흙(건축토)을 얻을 수 있다. 황 교수와 연구진은 연경도, 강성, 가소성, 응집성, 점착성, 팽창과 수축, 경도로 흙의 물리적 성질을 구분하여 최상의 건축토인 ‘최밀 충전’된 흙을 생산할 조건을 밝혔다. 또한 우리 흙의 입도 분포 곡선, 물과 섞었을 때 나타나는 점토 반응, 석회 반응 등 흙을 고강도로 만드는 이론을 소개한다. 이를 바탕으로 앞으로 건축물에 시멘트 콘크리트보다 월등한 흙결합재를 쓸 수 있게 되었다고 한다. 이 흙결합재를 ‘조선 콘크리트’로 부른다. 세계 건축계가 주목하는 우리만의 독보적인 기술이다. ‘최밀 충전된 흙’을 ‘3D 프린팅 기술’과 결합하여 타설하면 비용 절감은 물론 생태환경 건축의 시대를 선도할 것으로 전망하고 있다.

시멘트 시대의 종말, 흙콘크리트 시대의 시작
시멘트 감축은 가능한가? 흙콘크리트 기술이 온다



기후 위기 시대, 건축의 현실적 대안, ‘흙의 건축’
2016년 기후 온난화 방지와 온실가스 감축을 위해서 거의 모든 국가가 파리에 모여, 2050년까지 탄소중립를 목표로 합의했다. 올해 10월 탄소국경조정제도(CBAN)의 시행과 곧 있을 유럽 연합의 ESG 경영 보고서 제출 의무화로 기업들도 탄소감축 계획을 구체적으로 실행해야 한다. 건축 현장에서는 2050년까지 그 사용량을 철근 90%, 알루미늄 85%, 시멘트 80%로 감축해야 한다. 탄소감축은 이제 현실적인 문제이다. 그럼, 앞으로 건축은 무엇으로, 어떻게 지어야 한다는 말인가? 여기서 이 책, 「흙의 건축」(전2권)을 주목해야 할 이유를 찾을 수 있다.

흙건축의 비밀, ‘최밀 충전’
이 책은 새로운 시대 건축으로서 ‘흙의 건축’을 대안으로 내놓는다. 이 책의 저자인 황혜주 교수(목포대)는 흙건축 자격증 1호를 받은 흙과 흙건축 전문가이다. 황 교수는 흙의 단점인 균열, 약한 강도 등을 극복할 기술을 책에서 소개한다. 「흙의 건축」(2권) ‘흙건축 3대 기술’에서 밝히고 있듯, 그 기술의 비밀은 흙을 ‘최밀 충전’하는 방법이다. 흙은 자갈, 모래, 실트, 점토로 구성되는데, 흙 요소들 사이에 빈 공간(공극)에 물과 결합재(석회, 유기물 등)를 알맞게 섞고 압축하면 강도와 단열, 중량이 최상인 상태의 건축용 흙(건축토)을 얻을 수 있다. 황 교수와 연구진은 연경도(함수량에 따른), 강성, 가소성, 응집성, 점착성, 팽창과 수축, 경도로 흙의 물리적 성질을 구분하여 최상의 건축토인 ‘최밀 충전’된 흙을 생산할 조건을 밝혔다. 또한 우리 흙의 입도 분포 곡선, 물과 섞었을 때 나타나는 점토 반응, 석회 반응 등 흙을 고강도로 만드는 이론을 소개한다. 이를 바탕으로 앞으로 건축물에 시멘트 콘크리트보다 월등한 흙결합재를 쓸 수 있게 되었다고 한다. 나아가 ‘최밀 충전된 흙’을 ‘3D 프린팅 기술’과 결합하여 타설하면 비용 절감은 물론 생태환경 건축의 시대를 선도할 것으로 전망하고 있다.

독보적인 우리 기술, ‘조선 콘크리트’
황 교수는 이 흙결합재를 ‘조선 콘크리트’라고 부른다. 조선 시대의 왕릉에서 발견되는 흙, 석회, 모래를 섞어 만든 단단한 ‘삼화토’의 맥을 잇고 있다는 점에서 붙인 이름이다. 우리나라 흙은 ‘실트’ 성분이 많아서 마르면 균열이 생긴다. 다른 나라 흙은 성분이 달라서 균열이 거의 없다고 한다. 그래서 우리 흙의 약점인 균열을 극복하기 위해서 ‘최밀 충전’ 기술을 개발하게 되었고, 세계 건축계가 주목하는 가장 독보적인 우리 기술이 되었다.

생태 문명과 흙건축학교
황 교수는 아파트로 대변된 산업문명 시기의 건축물로 기후와 생태계 위기가 가속화되고 있다고 말한다. 특히, 우리나라는 “연간 1인당 시멘트 소비량이 1톤 정도로 세계 최고 수준”(1권 35쪽)이고 한 사람이 소나무 200그루를 매년 심고 가꿔야 할 양이라며, 우리나라 시멘트 사용은 심각하다고 말한다. 지구의 다양한 생명체들과 함께 할 새로운 시대의 ‘생태 문명’은, 인류문명과 함께 시작했고 아직도 세계 인구의 절반이 살고있는 ‘흙건축’에서 그 답을 찾아보자고 제안한다. 황 교수는 실제로 10년 전 전북 완주시에 〈유네스코 석좌 프로그램 흙건축학교〉가 설립된 이래로 책임교수를 맡아 흙건축 전문가들을 매년 배출해 왔으며, 최근에도 경기도 시흥시에 〈흙건축학교〉 캠퍼스를 여는 등 흙건축 대중화에 앞장서 왔다.

플래닛03 출판사 출범, 첫 책
이 책은 출판사 〈플래닛03〉의 첫 책이기도 하다. 태양에서 세 번째 행성인 ‘지구’를 달리 표현하면, ‘플래닛(Planet) 03’이다. 생물 대멸종과 기후 온난화로 지구 생태계는 위기에 처해 있다. 지구 생태계의 위기는 인류의 생존이 걸린 위험이다. 〈플래닛03〉은 책과 미디어를 통하여 인류가 머물러 있는 지구 생태계를 새롭게 느끼고, 폭넓게 바꾸어 생각하고, 부지런히 행동하고자 한다. 이 책으로 〈지구 생각〉의 첫 걸음을 내딛게 되었다.

- 책의 구성

「흙의 건축 002-첨단 기술, 흙공법」에서는 실전 흙건축 과정과 사례를 300여 컷의 이미지와 함께 읽는다. 황 교수는 1권에서 밝힌 흙건축 이론을 ‘흙건축 3대 기술’, ‘흙건축 5대 공법’으로 현장에서 쓸 수 있도록 구체화한다. 주변에서 흔히 볼 수 있는 흙을 최고 밀도로 충전한 ‘최밀 충전’하거나 섬유로 보강하여 흙의 균열을 방지하고(입자 이론), 흙에 물이나 석회를 섞어 화학적으로 결합하면(결합재 이론) 강도가 상당하여 흙이 약하다는 편견에서 벗어날 수 있으며, 풀이나 흙, 기름이나 전통적인 콩댐을 벽과 바닥에 칠하는(생태 마감) 방식으로 건축물을 유지와 보수를 할 수 있다고 밝힌다. 5대 공법으로 흙을 쌓아 벽체를 완성하는 여러 방식(흙쌓기 공법), 흙을 압축해 규격화한 흙벽돌 쌓기(흙벽돌 공법), 거푸집에 흙을 넣고 다지기(흙다짐 공법), 거푸집에 고강도 흙을 붓기(흙타설 공법), 벽체를 세운 후 흙손이나 붓으로 벽면을 마감하는 바르기(흙미장 공법)을 목포대학교에서 한 수업, 완주와 시흥의 흙건축학교에서 한 실습, 그리고 지평선학교 등 실제 흙건축 사례를 들어 설명해 놓았다. 또, 우리 고유의 전통적인 생태적 단열 방식인, ‘욱실양청’(？室凉廳: 여름 집과 겨울 집의 결합)과 ‘구들’(전통구들과 간편구들)로 난방 시스템을 갖춘 ‘생태단열흙집(Terra Passive House)’의 사례도 소개해 놓았다.

책을 펴내며

1장 / 흙건축 3대 기술
1. 자연토를 건축토로 바꾸는 입자 이론
최밀 충전 / 섬유 보강 / 물리적 안정
2. 섞어서 더 단단해지는 결합재 이론
점토 반응 / 석회 반응 / 화학적 안정
3. 풀칠, 흙칠, 기름칠, 콩댐으로 하는 생태 마감
내벽 마감 / 외벽 마감 / 바닥 마감

2장 / 흙건축 5대 공법
1. 차곡차곡 쌓아 올리는 흙쌓기 공법
흙자루 / 계란판 / 메주 / BB와 BF
2. 흙을 똑같은 크기로 압축한 흙벽돌 공법
3. 거푸집에 흙을 넣고 다지는 흙다짐 공법
4. 거푸집에 고강도 흙을 붓는 흙타설 공법
건물 구조체 / 건물 외부
5. 쇠흙손, 손, 붓으로 바르는 흙미장 공법
흙미장 / 흙붙임 / 짚단벽 / 흙짚 반죽

3장 / 흙건축의 열적 특성
1. 여름에 시원하고 겨울이 따뜻한, 단열
열관류율 / 네 가지 흙건축 단열 / 생태단열흙집(테라 패시브 하우스)
2. 첨단 에너지 절약형 난방, 구들
전통구들 / 간편구들

4장 / 흙건축의 시험법
1. 흙 시험법의 종류
2. 심토를 찾는 현장 시험법
네 가지 주요 시험 / 여섯 가지 간단한 시험
3. 최밀 충전 흙을 찾는 실험실 분석
입도 분석, 다짐시험, 배합 설계 / 용적 중량, 비중, 함유량, 함수량
/ 네 가지 정밀 시험

15쪽
우리나라 흙에는 실트처럼 가는 모래 성분이 많고, 모래와 자갈 같은 굵은 모래 성분이 적다. 실트는 입자가 작고 비표면적이 커서 많은 물을 함유하고 있다. 그래서 실트는 점토와는 달리 반응에 참여하지 못하고, 함유하고 있는 물을 그대로 증발시켜서 균열이나 강도에 악영향을 미친다. 따라서 모래를 섞거나 점토분이 많은 흙을 골라 상대적으로 실트의 비율을 낮추는 게 중요한데, 점토분이 많은 흙을 구하기는 쉽지 않으므로 모래를 섞는 것이 일반적이다.

15쪽
적절한 입도 분포를 구할 수 있도록 만들어진 것이 표준 입도 분포 곡선이며, 나라별로 차이가 있다. 나라별로 흙의 구성이 다르기 때문인데, 우리 연구진이 십여 년간 실험하여 제안한 입도 분포는 그림1,2, 3과 같다. 입도를 분석한 결과값이 그림에서 보여지는 점선 안에 분포해야 알맞은 입도 분포가 된다.

30쪽
석회 반응은 결합재 이론matrix theory의 대표적인 것으로서, 입자와 입자 사이를 엮어 주는 결합력이 강한 물질의 존재에 의해 응결 현상이 일어나게 한다. 점토분과 외부로부터 투입되는 석회가 반응하는 이온 반응과 포졸란 반응에 의해 나타나는 응결 현상으로서, 회다지가 대표적으로 이 원리를 이용한다. 흙에 석회와 같은 외부 물질이 투여되어야 하는 단점이 있지만, 강도가 높고 물에 강하다. 전통적으로 흙을 단단하게 하기 위해 사용해 왔던 삼화토三和土 원리를 이용하여 흙을 콘크리트만큼 단단하게 만들어 쓰는 방식이다. 주로 구조부나 외부에 사용되며 이러한 고강도 기술은 한국이 강한 분야이기도 하다.

30쪽
흙에 모래와 석회를 적정한 비율로 섞어서 사용하는 방법으로, 왕릉을 조성하거나 집터를
만들 때 사용했다. 석회:흙:모래 비율은 1:1:1을 주로 사용했고, 더 높은 강도를 필요로 하는 곳이나 왕릉 같은 경우는 3:1:1로 석회를 다량 사용하기도 했다. ‘조선 콘크리트’라고 불릴 만한 기술이다. 중국은 흙에 석회와 찹쌀풀을 더해 만리장성에 사용했다. 요즈음에는 고강도 석회의 개발로 인해 1:2:4 비율로 사용하며 더 높은 강도를 필요로 하는 경우에는 1.5:2:4나 2:2:4 비율로 사용한다.


31쪽
포졸란 반응은 흙 속의 실리카(SiO2)나 알루미나(Al2O3)가 석회의 알칼리와 반응하는 것으로서, 고대 로만시멘트나 우리나라의 회다지 등에 쓰였던 반응이다. 그러나 그 반응에 관한 구체적인 분석은 없었는데, 우리 연구진이 다음과 같이 규명했다.

37쪽
흙을 굽게 되면(fusing) 흙의 결합을 이루는 구조가 변하게 되고, 흙이 아닌 전혀 새로운 물질(ceramic)이 된다. 참고로 시멘트도 흙과 석회석을 원료로 하여 만드는데, 높은 온도로 구워서 만들면 흙이 아닌 새로운 물질이 되는 원리와 유사하다. 흙을 구우면, 고온 소성에 의한 흙용융 고착으로 강도가 발현된다. 이런 방식으로 만든 구운 벽돌은 오랫동안 폭넓게 이용되어 왔다. 강도가 높고, 제조 시 흙만을 이용하는 장점이 있다. 반면에 많은 에너지가 소모되고, 흙의 고유 특성이 상실되는 단점이 있다.

37쪽
석회나 천연 유기물질은 흙의 기본 성질을 해치지 않는다. 시멘트나 합성수지는 수화 반응으로 수화 반응 물질을 생성하고 그에 의한 강도 발현(Cementation), 또는 수지막 형성에 의한 코팅 효과로 강도 발현(Imperviousness)이 되어 강도가 높은 장점이 있다. 하지만 결합재에 흙이 둘러싸임으로써 흙의 고유 성질을 잃어버리고, 또 시멘트나 합성수지가 갖는 문제점을 그대로 드러내는 단점이 있어서 되도록 사용하지 않는 게 좋다.

62쪽
최근에는 빗물이 시멘트 보도블록을 통과하여 토양을 오염시키는 문제가 발생해서 이를 해결하기 위해 투수 흙벽돌이 개발되었다. 또한 흙벽돌을 대형화하여 토목 자재로 이용하는 사례도 늘고 있는데, 빗물저류조가 대표적이다.

81쪽
구조체를 이 공법으로 짓게 되면, 그 동안 겪었던 흙의 제약에서 벗어나 다양한 형태와 크기를 갖춘 흙건축을 지을 수 있어서, 흙건축이 획기적으로 발전할 계기가 될 것이다. 이러한 고강도 흙 재료를 써서 일반 시멘트 콘크리트처럼 만든 게 황토 콘크리트이고, 시멘트 콘크리트와 같은 방식으로 타설하여 구조체를 만들 수 있다.

90쪽
실외에 적용되는 흙패널은 기존에 사용되던 시멘트 패널과 같이 사용될 수 있으며, 다양한 색상이나 질감의 표현이 가능하다. 건식 공정으로서 공기 절감의 효과가 있고, 시멘트 사용량을 줄인다는 점에서 지구환경적 측면의 친환경 재료 공법이라고 볼 수 있다. 향후
활발하게 적용이 될 것으로 전망된다.