석재의 장단점과 성질

[Builder(吳昊駿)]

석재의 장단점과 성질 

* 석재란? : 암석의 원재 그대로 또는 여러 가지 가공을 한 토목 및 건축용 재료로서 이용되는 것으로 고대에서부터 건축의 구조 및 의장재료로 가장 많이 사용된 주요 재료 중 하나이다. 

1. 석재의 장단점 

종류	압축강도(kgf/㎠)
화강암	500~1940
안산암	1035~1680
응회암	86~372
사암	266~674
대리석	1180~2140
사문암	740~1200
점판암	1410~1640

1) 장점 

(1) 불연성이고 압축강도가 크다. 

⟶ 석재의 압축강도는 재료마다 다르지만 일반적으로 가장 작은 응회암은 86, 가장 큰 대리석은 2140(kgf/cm2) 을 나타낸다. 목재의 경우 200~700 정도의 압축강도를 나타내며 시멘트의 경우 경화일 수에 따라 다르지만 28일 강도에 의하면 250~500 정도의 압축강도를 나타낸다.  

(2) 내수성, 내구성, 내화학성, 내마모성이 크다. 

⟶ 석재의 내구성은 각 석재마다 편차가 커서 20~500년 정도이나 목재의 내구성은 70년 내외이다. 석재는 유리 및 목재 등 보다는 내구성이 좋으나 시멘트와 철골보다는 내구성이 약하므로 내장재에 주로 쓰인다. 

(3) 외관이 장중하고 갈면 광택이 난다. 

(4) 종류가 다양하고 같은 종류의 석재일지라도 생산지나 조직에 따라 여러 가지 외관과 색조를 나타낸다. 

(5) 매장량이 풍부하고 구입이 쉽다. 

2) 단점 

(1) 인장강도가 약하다. 

⟶ 인장강도가 압축강도의 1/20~1/40정도로 가구재로 사용하기 곤란하다. 

(2) 길고 큰 재료를 얻기 힘들다. 

(3) 비중이 크므로 가공이 어렵다. 

(4) 불에 손상된다. 

⟶ 불에 닿으면 화강암 등은 균열이 발생하고, 석회암 또는 대리석은 분해되어 저항력이 없어진다. 재사용이 불가능하다. 

(5) 석재에 발생되는 문제점 

① 광택의 손실 

㉠ 사람 보행에 의한 손실 

- 대리석의 경도가 화강석에 비해서 약해 화강석에 비해 대리석이 심하게 손실됨. 

㉡ 방지 및 재생 방법 

- 출입구에 긴 매트를 깔아 외부의 작은 모래나 이물질, 먼지의 유입방지. 

- 석재 바닥을 수시로 마른걸레로 청소. 

- 사람의 통행이 잦은 백화점 등의 경우에는 석재표면에 왁스나 도막이 있는 코팅제를 도포. 

- 한번 손상된 석재 광택은 전문적인 연마작업(honing)과 광택작업(polishing)으로 재생. 

<연마작업> 

   

<광택작업> 

② etching(에칭) 

㉠ 대리석에 산성의 액체가 접촉되어 흐릿한 부분 = 에칭이 발생된 부분 

㉡ 방지 및 재생 방법 

- 산성의 세척제나 화학약품을 함부로 사용하지 않음. 

- 탄산음료, 음식물에 의해서도 대리석에 에칭이 발생. 

- 알칼리성 세척제를 사용하는 경우에도 거울 면과 같은 대리석 표면에 에칭이 발생. 

- 가벼운 에칭은 대리석 광택 파우더로 제거, 상태가 깊은 에칭은 표면을 재생. 

③ 얼룩 

㉠ 얼룩의 원인 

- 건축물의 구조적인 문제로 발생되는 습기에 의한 얼룩. 

- 석재 시공 시 사용된 각종 접착제 등의 화학약품에 의한 얼룩. 

㉡ 얼룩 방지 및 재생 방법 

- 석재에 얼룩이 한번 발생하면 원래 상태로 복원하는 것은 매우 어려움. 

- 깨끗한 수건이나 종이타월로 석재 표면에 남아 있는 것을 제거하고 깨끗한 물로 즉시 닦아낸다. 

- 남아있는 얼룩은 별도의 습포처리 작업(polutice)으로 제거. 

- 심하게 얼룩이 발생하는 것을 예방하기 위해 석재표면에 적합한 침투형 보호제를 도포함. 

제거 전 약품 처리 중 제거 후 

④ 백화(석재표면에 발생하는 백색의 입자성 염) 

㉠ 발생 원인 

- 신축하는 건축물에 주로 발생. 

- 벽돌이나 석재 결합재가 빗물이나 다량의 물에 노출된 경우에 주로 발생. 

- 입자성 염들은 석재 결합재에서 주로 제공되는 무기염들이 물에 녹아 물은 석재표면에서 증발하고 염들만 표면에 남아 하얗게 보이는 것. 

㉡ 백화 방지 및 재생 방법 

- 가급적 물을 사용하지 않는 것이 좋다. 

- 연마 패드나 스틸울(steel wool)로 문질러 제거. 

  

⑤ 황변(석재가 노랗게 변하는 것) 

㉠ 발생원인 

- 먼지가 스며들면 석재가 노래지면서 거무스름하게 변색, 표면에 도포된 왁스나 기타 코팅제의 변색. 

- 일부 백색의 대리석에서 자주 발생되는 황변은 세월이 흐름에 따라 자연스럽게 나타나는 현상.  

㉡ 방지 및 재생 방법 

- 원인 1에 의한 황변은 전용의 세척제나 박리제를 사용하여 제거. 

- 원인 2에 의한 황변은 화학변화에 의한 자연적인 현상이기 때문에 그대로 두는 것이 좋다. 

2. 석재와 타 재료와의 비교 

1) 목재  

새로운 건축 재료의 출현과 개발로 구조재에서 장식재 등으로 용도가 변함. 

(1) 장점 

① 가벼워서 취급하기 쉽고 가공하기도 쉽다. 

② 무게에 비해서 강도, 탄성이 크다. ← 구조재 

③ 열전도율이 작다. 

④ 외관·감촉이 좋아 사람에게 친근감을 준다. ← 장식재 

⑤ 온도에 의한 신축이 적고, 산·알칼리에 대한 저항이 크다. 

(2) 단점 

① 가연성이다. 

② 흡수성이 강하며 이에 따라 신축·변형이 심하다. 

③ 내구성이 작다.(부패, 충해, 풍해) 

* 완전 흡수에 의해 공기를 전부 배제한 목재는 균해를 입지 않는다.  

2) 콘크리트  

콘크리트란 시멘트와 물 및 공재를 주원료로 하여 비빈 것으로 시간의 경과에 따라 시멘트와 물의 수화 반응에 의해 경화되는 성질을 가진 것이다. 

(1) 장점 

① 재료의 획득이 용이하다. 

② 압축강도가 크다. 

③ 내화성이 크다. 

④ 내구적이다. 

⑤ uc0강과 팽창계수가 거의 같고 부착력이 좋으며, 알칼리성이므로 강을 부식시키지 않으며 강이 녹스는 것을 막는다. ← 철근 콘크리트 구조 

⑥ uc0임의의 형태로 만드는 것이 타 재료보다 용의하며 기능·의장면에서 유리하다. 

(2) 단점 

① 중량이 크다. 

② 시공에 세심한 주의가 필요하다 . ← 수축·균열·팽창(RC로 보강) 

③ 인장강도가 약하다. 

3) 강재  

철(Fe)과 그 외의 금속원소(C, Si, Mn, P, S, Cu) 등을 함유하고, 탄소(C)와 망간(Mn)의 함유도에 따라서 영향을 받는 수요 구조재료이다. 

(1) 장점 

① 높은 강도를 갖고 있어 구조체의 무게를 가볍게 할 수 있다. ← (초)고층건물 

② 인성이 크다.-내진성이나 내충격성이 우수하여 지진·풍하중·기계진동을 받는 구조체에 적합하다. 

③ 재료의 균일성과 시공의 편이성-현장 시공뿐만 아니라 강공 공장에서의 부재 가공도 가능(건식-강재, 습식-콘크리트), (볼트, 용접 가능) 

(2) 단점 

① 내화성이 낮다.- 내화 피복으로 보강, 300℃까지는 상온에서와 같은 성질이나 그 이상 온도에서는 Creep이 발생 

② 압축재나 휨재의 허용 응력도가 좌굴에 의해 감소 

③ uc0부식 등에 의한 강도의 저하-주기적 도장을 필요로 한다. 

3. 석재의 성질 

1) 물리적 성질 

표) 석재의 물리적 성질이 건물에 미치는 영향 ●●● : 매우중요, ●● : 중요, ● : 약간중요 

물리적성질  용도	비 중	흡수율	압축강도	영하의  압축강도	장 력	탄성율	팽창성	충격저항	마모도
외 벽	●●	●●	●●	●●●	●●●	●●	●●		●
내 벽	●●	●	●		●
외부계단	●●	●●	●●	●●●	●●	●	●	●●●	●●●
내부계단	●●	●	●		●●			●●●	●●●
조립계단	●●	●	●●		●●●			●●●	●●●

  

(1) 비중  

암석의 비중은 조암 광물의 성질 비율, 공극의 정도 등에 따라 달라진다. 일반적으로 석재의 비중이라면 겉보기 비중을 말하며 보통 2.65 정도이지만 암석의 종류에 따라 약간 다르며 강도가 비중에 비례하며 비중으로 석재의 강도와 내구성을 추정할 수 있다. 겉보기 비중은 다음 식으로 구한다.   

겉보기비중 = W₁ / ( W₃ - W₂) 

W₁:110 ˚C로 건조하여 냉각시킨 중량 

W₂:수중에서 완전히 흡수된 상태의 중량 

W₃:표면건조 포화상태의 중량 

(2) 흡수율 

석재의 흡수율은 풍화, 파괴, 내구성에 크게 관계가 있다. 또 흡수된 양은 석재 분자간의 공극에 침입하므로 그 공극률을 알 수 있다. 흡수율이 클수록 풍화나 융해를 받기 쉬우며, 내구성이 저하된다. 흡수율이 크다는 것은 다공성이라는 것을 나타내며 대체로 동해를 받기 쉽다는 것을 의미한다. 흡수율 시험에서 사용되는 공시체는 비중 시험 때의 공시체와 같은 크기의 것을 쓰며, 다음 식으로 흡수율을 계산한다.  

흡수율(%) = (B-A)/A *100 

B:수중에서 흡수된 상태의 중량(g)  

A:공시체를 건조로 속에서 무게의 변화가 없을 때까지 건조했을 때의 절대건조공기중 중량(g) 

종 류	비 중	흡 수 율
화 강 암    안 산 암    응 회 암    대 리 석    사 문 암    점 판 암	2.61∼2.72    2.36∼2.88    2.0∼2.5    2.68∼2.75    2.75∼2.90    2.71	0.1∼0.4    0.5∼6.99    1.30∼2.00    0.02∼0.25    0.18∼0.40    0.18∼0.25

  

 

(3) 공극률 

공극률이 큰 것은 흡수율이 크고 흡수에 의한 동결융해 반복으로 동해 되기 쉽고 내구성이 적다. 내화성은 공극률이 클수록 크고 조성결정형이 작다. 또한 표면이 평활할수록 결로가 발생하기 쉬우므로 대리석을 실내장식에 사용할 때는 주의해야 한다.  

P = (1 - W/D) * 100 

D = (V - U) / V * 100 

P : 공극률(%)  

D : 진비중  

W : 겉보기 단위용적중량(Kg/L) 

U : 석재 실질의 체적(L) 

(4) 내화성  

석재는 화재에 대해 양질의 불연재이지만 화재에 접하면 조암광물의 열팽창률이 다르고, 이질적 광물의 대립을 함유한 석재는 내응력이 발생하여 스스로 파괴되며, 500℃정도까지는 거의 피해를 입지 않고, 1000℃이상의 고온으로 가열했을 때 암석은 파괴된다.  

(5) 압축강도  

석재는 압축강도가 크고 압축강도의 1/10~1/40정도로 석재에 따라 약간의 차이는 있다. 인장강도 및 휨강도는 압축강도에 비해 매우 작아 암석을 구조재료로 이용할 경우, 압축 재료로 유효하다. 석재의 압축강도는 단위용적중량이 클수록 큰 것이 일반적이며, 공극률이 작을수록 또는 구성 입자가 작을수록 크며, 결정도와 그 결합상태가 좋을수록 크다. 또한 함수율에 의한 영향을 받으며 함수율이 높을수록 강도가 저하된다.  

(6) 내구성 

석재의 내구성은 보통 암석의 조직, 광물조성에 따라 다르며, 또한 석재가 사용된 장소의 환경조건에 의해서도 영향을 받는다. 일반적으로 조암광물이 미립 등의 입자 일 경우와 흡수율이 작고 공극률이 작은 경우 내구성이 크다. 또한 조암광물의 풍화정도에 따라 내구성이 달라진다. 내구성이 큰 석재로는 화강암이나 안산암이 있으며, 연질사암이나 응회암 등은 내구성이 나쁘다. 

석 재	내구년한	석 재	내구년한
화 강 암    대 리 석    석 영 암    백 운 석	75∼200    60∼100    75∼200    30∼500	석 회 암    사암조립    사암제립    사암경질	20∼40    5∼15    20∼50    100∼200

  

2) 화학적 성질 

석재를 구성하고 있는 조암광물 중에서 특히 장석이나 방해석은 주성분인 칼슘이 산류를 함유하고 있는 물과 공기에 의해 침해되어 파괴가 발생될 수가 있다. 석재는 산화작용이나 동결융해작용에 의해서 조직이 파괴된다. 공기 중의 탄산가스와 약한 산이 함유된 빗물 또는 화학공장의 가스 등은 석재의 내구성을 저하시키는 중요한 요인이 되며, 그 침해 작용들은 다음과 같다.   

(1) 산화작용 – 건축물에 쓰이는 석재의 대부분은 공기 중의 탄산, 약한 염산 또는 황산류에 의해 생긴 침식과 이들 산류를 포함한 물의 흡수에 의한 팽창수축이 반복되어 긴 세월 간에 걸친 침해를 받는다.  

조암광물 중에서 장석, 방해석 등은 그 주성분이 되는 칼슘(Ca)이 공기 중의 산류를 포함한 공기나 물에 침해되어 붕괴되므로 모암파괴를 유발할 수가 있다. 또 황철광, 갈철광과 같은 금속함유 광물은 그 산화에 의한 팽창 붕괴의 원인이 된다.   

(2) 융해작용 – 주로 빗물에 의한 산화로 융해되는데 이것은 공기의 오염도와 밀접한 관계가 있다. 또 산류를 취급하는 곳에서는 바닥재로 내산성이 부족한 석재의 사용을 피해야 한다. 일반적으로 규산분을 많이 함유한 석재는 내력이 크고 석회분을 포함한 것은 내산성이 적으므로 대리석, 사문암, 백운암 등을 외장재로 사용하는 것은 좋지 않다.  

4. 주요 석재와 특징 

1) 화성암 

화성암은 600~1300도의 뜨거운 온도에서 용융 또는 부분 용융된 암석물질인 마그마에 의해 형성된 암석이다. 

(1) 화강암 

타 석재에 비해 흡수율이 적고, 강도 및 내구성이 크며 외관이 수려하다. 최근 석재가공기술의 발달과 긴 결 공법의 개발로 대형건물 외장재로써 화강석 사용이 급증하고 있다. 화강암은 그 질이 단단하고 내구성 및 강도가 크고 외관이 수려하며 눈이 적어서 큰 판재를 생산할 수 있는 장점이 있으나 내화성이 약하고 너무 단단하여 조각 등에는 부적당하다.  

* 화강암의 용도 

기둥, 토대, 바닥재, 내외장재로 고루 쓰인다.   

2) 수성암 

(1) 사암 

① 구성 물질에 따라 특성이 다양하다. 

② 단단한 것은 구조용대에도 사용할 수 있으며 무른 것은 실내 장식재로 사용한다. 

(2) 석회암 

① 석질은 치밀하고 강도가 크다. 

② 내화성이 떨어지고 산에 약하다. 

③ 도로포장, 석회, 시멘트의 원료로 이용된다. 

3) 변성암 

(1) 대리석 

① 색상이 다양하고 갈면 광택이 난다. 

② 강도가 높고 석질이 치밀하여 견고할 뿐 아니라 외관이 미려하여 실내장식재, 조각재로 주로 사용된다. 

③ 내화성이 낮고 풍화되기 쉬우며 산에 약해 실외용으로는 부적합하다. 

(2) 사문암 

아름다운 무늬가 있고 풍화성 때문에 실내장식재(대리석 대용)으로 이용된다. 

4) 인조석  

인조석이란 대리석, 사문암, 화강암 등의 쇄석을 기본으로 하여 백색 포틀랜드시멘트에 안료를 섞어 다진 후 천연석재와 유사하게 성형시킨 것을 의미한다. 

(1) 테라조 

테라조란 대리석을 종석으로 시멘트를 이용 콘크리트판 한쪽에 부어 가공, 연마 하여 대리석과 같은 광택을 지니도록 마감한 것이다. 

(2) 수지계 이조석  

포틀랜드시멘트 이외에 폴리에스텔, 에폭시 등과 같은 합성수지등을 이용하여 테라조와 의석을 제작할 경우 압축강도가 강하고, 균열이 적고, 방수성, 내마모성 등의 다양한 장점을 나타낸다. 단, 내열성, 내화성이 다소 떨어진다.