1. 서 론

기포콘크리트(foamed concrete)란 내부의 수많은 공극으로 이루어진 재료로서 높은 단열성과 낮은 밀도, 가벼운 중량 등을 특징으로 한다. 기포콘크리트는 높은 단열 및 흡음 성능, 동결융해 저항성을 지니는 기능성 재료로서, 구조용 재료와 함께 사용되어 에너지 효율성 증가와 같은 구조물의 성능을 높이는데 중요한 역할을 할 수 있다(Othuman and Wang, 2011; Shah et al., 2021). 전 세계적으로 지구온난화 문제가 심각해지면서 건설 산업에서도 친환경 건설 재료 개발의 필요성이 증가하고 있다. 여러 건설 재료 중, 기포콘크리트는 높은 단열성, 적은 양의 바인더 사용 등으로 친환경적 건설 재료로 떠오르며, 이에 대한 연구가 증가하고 있다.

기포콘크리트는 우수한 단열성 및 흡음성을 대표적인 성능으로 뽑을 수 있으며, 이러한 성능을 향상시킴과 동시에 적정 수준의 강도를 확보하는 것이 중요한 과제이다. 기포콘크리트 제작에 들어가는 재료에는 기본적으로 시멘트, 물, 그리고 잔골재가 포함된다. 이때 사용되는 기존 잔골재는 보통 자연에서 채취되기 때문에 환경오염, 천연 자원 고갈 등의 문제를 야기한다(Behera et al., 2014; Limbachiya et al., 2011). 이러한 문제를 해결하고자 기존에 사용하는 전통적인 잔골재와 비슷한 화학적 조성을 가지면서 유사한 재료 성능을 낼 수 있도록 하는 폐기물을 재활용한 잔골재 대체재에 대한 관심이 증가하고 있다(Behera et al., 2014; Chung et al., 2023; Oh et al., 2024).

폐기물을 활용한 잔골재 대체재 중에서 해양 패각은 다량의 탄산칼슘으로 구성되어 있어 잔골재 대체의 가능성에 대해 이미 여러 선행연구들을 통해 입증된 바 있다(Maglad et al., 2023; Oh et al., 2024). 뿐만 아니라, 패각은 건설재료에 활용되었을 때 열전도율을 낮춰 재료의 단열 성능을 높여준다는 것으로 알려져있다(Maglad et al., 2023). 따라서 패각을 잔골재 대체재로 기포콘크리트에 적용하면, 우수한 단열 성능 확보와 동시에 해양폐기물 문제 해결에도 기여할 수 있어, 기포콘크리트의 친환경성 강화와 폐자원 재활용을 통한 환경문제 대응이라는 복합적인 효과를 기대할 수 있다. 또한, 기포콘크리트에 패각 골재를 혼합할 경우, 패각 입자의 표면 형상과 AE제에 의해 생성된 기포 간의 상호작용으로 인해 공극 구조의 안정성과 연결성이 영향을 받을 수 있다. 본 연구에서는 이러한 복합적 거동을 규명하고, 기포콘크리트 생산 시 패각 잔골재의 기존 모래 골재 대체재로서의 활용 가능성을 평가하고자 하였다.

기포 콘크리트는 기포를 형성하는 방식에 따라 기포를 미리 생성하는 사전 기포 생성 방식(pre-foaming method)과 발포제를 모르타르 제작 시 함께 혼합하는 혼합 기포방식(mixed foaming process)으로 구분된다(Raj et al., 2019). 사전 기포 생성 방식은 기포생성기(foam generator) 등의 장비를 활용하여 모르타르와 혼합 전에 따로 기포를 생성하는 방식이며, 혼합 기포방식은 모르타르 혼합 과정에서 알루미늄 파우더(aluminium powder), 칼슘 카바이드(calcium carbide) 등과 같은 발포제를 첨가하여 기포가 모르타르 믹스 내에서 생성되는 방식이다. 사전 기포 생성 방식은 비교적 안정적이고 일정한 형상의 기포를 생성할 수 있다는 장점이 있지만, 기포생성기의 활용에 따른 물리/시간적 제약과 균일하고 일정한 밀도의 기포를 지속적으로 생산해 내는 데에 상당한 시간과 노력이 요구된다. 반면, 혼합 기포 방식은 발포제가 믹스 과정에서 재료 내 기포를 자연 발생시키므로 기포 생성을 위한 별도의 노력을 요구하지 않는다. 다만, 혼합 기포방식은 균일한 크기와 형상의 기포를 일관되게 유지하기 어렵다는 단점을 지닌다.

본 연구에서는 제작의 용이성과 발포제의 비율에 따른 재료 성능을 파악하는 연구 목표를 고려하여 혼합 기포 방식을 통해 시편을 제작하였다. 또한 발포제로는 air-entraining(AE) agent를 사용하였다. AE제는 콘크리트의 작업성을 향상시키고 동결융해 저항성을 증가시키는 역할을 하며, 이를 통해 기포콘크리트가 지니는 낮은 밀도 및 상대적으로 취약한 기계적 강도와 같은 물리적 한계를 보완할 수 있다(Chatterji, 2003; Du et al., 2005). 해양폐기물 대체제의 기포콘크리트 적용성을 평가하기 위하여 굴과 꼬막 패각 골재 대체 비율과 AE의 비율을 서로 다르게 하여 시험체를 제작하였으며, X-ray micro computed tomography(micro-CT), scanning electron microscopy(SEM) 등의 방법으로 미세구조 특성을 파악하고, 재료의 성능 평가를 위해 유한요소법을 활용한 흡음 해석을 수행하여 미세구조와의 상관관계를 분석하였다.

2. 재료 및 실험

2.1 실험에 사용된 재료 및 배합비

본 연구에서는 Type I 보통 포틀랜드 시멘트를 사용하여 시편을 제작하였으며, 패각은 굴과 꼬막 패각을 사용하였다. 굴, 꼬막 패각은 국내에서 많이 소비되는 식품으로 다량의 패각이 폐기되면 심한 악취와 함께 환경을 오염시키는 주범이 된다(Oh et al., 2024). 사용된 굴과 꼬막 패각은 조쇄 후 미세 분쇄하는 2단계 분쇄과정을 거쳤으며, 패각 표면 각종 불순물과 염소이온을 제거하기 위해 초음파 세척과정을 진행하였다. 사용된 모래 골재는 입경 2mm 이하를 사용하였고, 분쇄된 패각 골재 또한 입경 2mm 이하로 하여 모래 골재의 입도 분포와 유사하게 맞추어 사용하였다(Fig. 1). 사용된 모래 골재와 패각의 물성은 Table 1에 나타나 있다.

Fig. 1.

Particle size distribution of sand, cockle, and oyster shell aggregates

추가적으로 본 연구에 사용된 굴과 꼬막패각의 미세구조는 Fig. 2에 나타난 SEM 이미지를 통해 확인할 수 있다. SEM 이미지를 통해 꼬막 패각은 비교적 매끄럽고 탄산칼슘 결정이 층상으로 구조를 이룬 반면, 굴패각의 경우 뚜렷한 조직이나 균일한 면이 부족하고 거친 형상의 표면을 확인할 수 있다.

Fig. 2.

SEM images of oyster (top) and cockle (bottom) shells

기포생성을 위한 AE제는 시멘트 중량을 기준으로 0, 0.3, 0.6, 1.0% 로 변화시켜 가며 시편을 제작하였고 패각을 대체하지 않은 Reference 시편과 패각을 잔골재에 대하여 20, 30, 40% 대체한 AE 시편을 제작하여 총 28가지 시편을 제작하였다. 시편의 배합비는 Table 2에 나타나 있다. 표에서 C는 꼬막패각, O는 굴패각을 나타내며, 알파벳 뒤에 숫자는 패각 대체율을 의미한다. AE제 비율은 시편명의 맨 뒤에 표기하여 시편을 명명하였으며, 예를 들어 O20_0.3 시편은 모래골재가 굴패각 20%로 대체되고 AE제가 시멘트 무게 대비 0.3%가 첨가된 시편을 의미하며, Ref_0.3의 경우는 대체된 패각 골재가 없고 AE제가 0.3% 첨가된 것을 의미한다.

2.2 시편 제작 및 압축강도 측정

모든 시편은 ASTM C109/C109M-01 규격을 만족하도록 5 × 5 × 5cm³ 크기의 몰드에 타설하여 제작하였으며, 수중양생을 통해 28일간 양생되었다. 이후 Universal Testing Machine(UTM) 장비를 이용하여 각 케이스마다 5~8개의 시편의 강도를 측정한 뒤 이상치를 제외하고 평균값을 산출하였다.

2.3 열전도율 측정

시편의 단열 성능을 확인하기 위해 Hot Disk® TPS 2500S(Hot Disk AB, Sweden)를 활용하여 각 케이스에 대하여 5번의 열전도율을 측정 후 평균값을 산출하였다. Hot Disk는 같은 종류의 두 시편 사이에 센서를 위치시켜 정전압을 가하여 저항 변화를 기록하여 열물성을 산출하는 방식을 사용하며, 본 연구에서는 모든 시편에 대해 가열 전력은 80mW, 시간은 20s로 설정하여 double-sided 방식으로 열전도도를 측정하였다.

3. 재료의 미세구조 분석

3.1 Micro-CT 이미지 처리 및 분석 과정

Micro-CT 이미지 분석방법은 재료를 파괴하지 않으면서 3차원적인 공극 구조를 분석할 수 있는 방법이다(Kim et al., 2019). 일반적으로 micro-CT 이미지 분석 과정에서 시편의 크기가 너무 크면 픽셀의 크기가 커져서 크기가 작은 구성 성분들은 식별이 어렵고, 이미지의 해상도를 위해 시편의 크기를 작게 하면 시편의 대표성을 확보하기 어려운 것으로 알려져 있다(Chung et al., 2022). 따라서, micro-CT 이미지 분석을 위한 적절한 크기의 시편 제작이 필요하며, 선행 연구를 참고하여 micro-CT 이미지 촬영 용도의 시편은 2 × 2 × 2cm³ 크기로 제작하였다.

Micro-CT 이미지는 130kV, 61µA 조건 하에서 25µm의 해상도로 촬영이 되었다. 얻어진 이미지는 MATLAB을 활용하여 380 × 380pixels 크기의 관심영역(regions-of-interest, ROI)을 추출해내고 히스토그램 기반의 threshold selection방법을 적용하여 공극 영역과 고체 영역을 분리하는 이진화 처리 과정을 진행하였다. 이진화 처리된 이미지는 정육면체 형태로 적층되어 공극의 3차원적 구조분석에 활용되었다. Fig. 3은 micro-CT 이미지 처리과정을 요약하여 나타낸다. Micro-CT 분석은 AE제 첨가량 변화에 따른 비교와 패각 대체율에 따른 비교로 나누어 진행되었다.

Fig. 3.

Schematic of micro-CT imaging

3.2 SEM 이미지 분석

시편의 미세구조적 형상 및 특징을 살펴보기 위해 SEM IT-500 HR 장비를 활용하여 분석을 수행하였다. 시편 표면에 Pt 코팅을 진행하였고 수화물, 미수화물을 관찰 및 공극 주변의 변화를 중심으로 촬영 및 분석을 진행하였다.

3.3 시편의 acoustic 물성 분석

기포콘크리트의 주요 물성인 소음 흡음 성능의 평가를 위해, 상용프로그램인 GeoDict(Math2Market GmbH, Germany) 소프트웨어를 사용하여 흡음 해석을 수행하였다. 28가지의 케이스 중, 재료 특성을 고려하여 대표적인 케이스를 선정하여 어쿠스틱 해석을 진행하고 AE제 첨가율 및 패각의 대체율에 따른 재료의 흡음 특성을 분석하였다. GeoDict을 통한 흡음해석에는 Johnson-Champoux-Allard(JCA) 모델이 사용되었으며, JCA모델은 강체골격과 임의 형상의 공극을 포함한 다공성 재료에 적용할 수 있다. 본 모델을 사용할 때 필요한 변수로는 공극비(∅), tortuosity(α∞), 점성 특성 길이(𝛬) 가 있는데 이는 입력된 micro-CT 이미지를 기반으로한 3차원 이미지에서 공극의 크기 및 구조, 공기 특성 등에 의해 결정되며, 이를 바탕으로 식 (1), (2)에 나타난 유효밀도(ρe )와 동적 체적 탄성률(Ke) 값이 결정된다. 이 값들은 식 (3)과 식 (4)에서 나타낸 바와 같이 복소 파수(kc)와 특성 임피던스(Zc)를 계산하는데에 사용이 된다. 이를 바탕으로 표면 임피던스 (Zs) 값이 식 (5)를 통해 결정되고 식 (6)과 식 (7)에 사용되어 반사계수(R)와 흡음률(𝛼)을 산정한다.

위와 같이 계산된 흡음률 산정을 통해 재료의 흡음 주파수 대역을 규명할 수 있으며, 또한 음향 해석과 관련된 재료 파라미터들을 모델 기반으로 추정하였다.

4. 재료 분석 결과

4.1 압축강도 측정 결과 및 해석

굴과 꼬막 패각 골재를 포함한 시편의 역학적 물성을 파악하기 위해 압축강도 측정결과를 Fig. 4와 5와 같이 얻었다. 각 그림에서는 대체 골재 별, 같은 AE비율에 따른 강도 변화를 나타내고 있다.

Fig. 4.

28-day compressive strength of AE concrete with different oyster shell replacement ratios and AE agent contents

Fig. 5.

28-day compressive strength of AE concrete with different cockle shell replacement ratios and AE agent contents

AE제를 첨가하지 않은 일반 콘크리트 시편에서는 패각의 대체율이 증가함에 따라 압축강도가 뚜렷하게 감소하는 경향이 관찰되었다(Fig. 4와 5). 특히, 동일 조건에서 굴패각을 첨가한 시편은 꼬막패각을 첨가한 시편에 비해 강도 저하의 폭이 뚜렷하게 나타난 반면, AE제를 첨가한 시편의 경우에는 패각 대체율 증가에 따른 강도 감소 경향이 상대적으로 뚜렷하게 드러나지 않았다.

이러한 현상에 대해서는 다음과 같은 원인을 추론할 수 있다. 우선, 기포가 도입된 콘크리트는 일반 콘크리트에 비해 밀도가 낮으며, 이는 동일한 부피의 몰드 내에 투입되는 시멘트 및 골재의 절대량이 감소함을 의미한다. 이로 인해 바인더의 영향이 상대적으로 적어지며, 압축 강도 등의 물리적 특성은 바인더의 영향을 받는데, 기포 콘크리트에서는 그 영향이 바인더의 절대량이 감소함에 따라 감소할 수 있다.

또한, 기포는 시멘트 및 골재와는 달리 질량과 밀도가 없으며, 이로 인해 혼합 및 타설 과정에서 다른 구성재료와 균일하게 분산되기 어렵다. 그러므로 기포 콘크리트는 일반 콘크리트보다 재료의 균질성을 확보하는 데 더 큰 제약을 받게 된다. 이는 결과적으로 강도 발현의 변동성을 증가시키는 요인으로 작용할 수 있다.

강도에서 나타나는 특성을 살펴보았을 때, AE 1.0 %를 첨가한 케이스를 제외하고, 비구조용 재료(단열재)로 사용되는 기포콘크리트의 강도 기준(7~10MPa)을 넘기 때문에 패각을 대체재로 하여 기포콘크리트에 혼합 시에도, 효과적으로 단열 및 흡음재로 활용될 수 있음을 확인할 수 있다.

4.2 열전도도 측정 결과 및 해석

굴과 꼬막 패각 골재를 포함한 시편의 열전도도 측정결과는 Fig. 6와 7에 각각 나타나 있으며, 각 그림에서 같은 AE비율에 따른 패각 대체율별 열전도도 변화를 나타내고 있다.

Fig. 6.

Thermal conductivity of AE concrete with different oyster shell replacement ratios and AE agent contents

Fig. 7.

Thermal conductivity of AE concrete with different oyster shell replacement ratios and AE agent contents

AE를 첨가하지 않은 일반 콘크리트에 대해서 패각의 대체율이 증가함에 따라 열전도도가 감소하는 경향이 비교적 뚜렷하게 잘 나타나고 있으며, 이는 일반 모르타르에 대한 선행 연구의 결과와 일치하고 있다(Oh et al., 2024). 반면, AE를 첨가한 기포콘크리트 시편에 대해서는 패각대체율에 따른 열전도도 경향성이 명확하게 나타나지 않고 불규칙성을 띄고 있음을 확인해 볼 수 있다. 이러한 불규칙성은 강도 측정 결과의 경향과 유사하다.

AE 0.3%를 첨가한 시편에 대해 굴패각 20, 30%를 대체한 시편이 패각이 들어가지 않은 시편에 비해 열전도도가 오히려 증가함을 확인해 볼 수 있다. 굴패각을 40% 대체했을 때에는 모든 케이스(AE 0, 0.3, 0.6, 1.0%) 에 대해 열전도도가 감소하는 경향을 보였으나, 굴패각을 20%, 30% 대체한 경우에는 열전도도가 살짝 증가하거나 변화가 미미하게 나타났다.

한편, 꼬막 패각을 활용한 시편은 굴패각을 활용한 시편에 비해 패각 대체율 증가에 따른 열전도도 감소 경향이 비교적 안정적으로 확인되었다. 다만, AE 0.3%가 첨가된 시편에서 꼬막 패각 40%를 대체한 경우에는 열전도도가 소폭 증가하는 불규칙적인 결과도 관찰되었다. 전반적으로 굴패각을 포함한 시편에서의 열전도도 경향은 꼬막 패각을 포함했을 때보다 변동성이 더 크게 나타났다. 이는 꼬막 패각은 매끄러운 표면을 가진 반면 굴 패각의표면은 방향성이 없고 거친 형태를 띄고 있다는 특성 차이에서 오는 결과로 분석될 수 있다. 표면 특성은 다음 절의 미세구조 특성 분석에 보다 상세히 나타나 있다.

4.3 Micro-CT 이미지를 통한 공극 미세구조 분석

Micro-CT 이미지 해석을 통해 얻은 공극비의 결과는 Table 3에 정리되어 있다. Table 3은 패각의 대체율을 고정한 상태에서 첨가한 AE제의 양에 따른 공극비 결과를 나타낸다. 패각을 대체한 시편과 대조군 시편 모두에서 첨가한 AE제의 양에 비례하여 공극비가 증가하는 것을 확인할 수 있다. 이는 AE제가 액체 분자의 표면장력을 약화시키고 기포 생성 작용을 활발히 할 수 있는 액체 상에 존재하는 계면활성제의 양을 증가시키기 때문으로 분석할 수 있다(Du et al., 2005). 또한, AE제 첨가량이 동일할 때, 패각을 첨가한 시편이 패각을 첨가하지 않은 시편보다 공극비가 약간 더 증가하는데, 이는 패각 표면 불순물과 불규칙한 형상이 원인이 되었을 것으로 판단된다(Oh et al., 2024).

AE제의 첨가량을 고정한 상태에서 패각의 종류 및 대체율이 변화함에 따른 공극비의 변화를 Table 4에서 확인할 수 있다. 꼬막 패각 시편은 대체율에 따른 공극비 증가 경향성이 명확하게 나타나지 않았으며, 굴 패각 시편은 대체율이 증가함에 따라 공극비가 다소 증가했음을 확인해 볼 수 있다. 이는 굴패각과 꼬막 패각의 서로 다른 표면 형상의 차이로 인한 현상으로 판단될 수 있다.

콘크리트 재료의 물성은 공극비 뿐만 아니라 공극비가 비슷한 경우에는 공극의 크기 및 형상의 영향도 받는다(Chung et al., 2022). 따라서, micro-CT 이미지 분석과정을 통해 공극비 정보와 더불어 공극의 형상 및 공극의 크기별 분포를 살펴보았으며, 공극의 형상은 sphericity 지표를 활용하였다. Sphericity란 공극의 구형 정도를 나타내는 지표로써, 그 값이 1에 가까울수록 구형에 가까워지는 것을 의미한다. Fig. 8은 패각을 혼합하지 않은 Reference 시편에서 첨가된 AE제의 비율에 따른 형상 별 공극 분포를 보여준다. 오른쪽 아래로 내려가는 형태로, 공극 크기와 Sphericity 간의 음의 상관관계가 비교적 뚜렷하게 나타나고 있는데 이를 통해 공극의 크기가 커짐에 따라 이방성이 커지는 경향을 확인해 볼 수 있다.

Fig. 8.

Pore sphericity of reference concrete with different AE dosages

반면, 굴 패각과 꼬막 패각을 모래골재의 20% 대체한 Fig. 9와 Fig. 10의 경우, 오른쪽 아래로 내려가는 음의 상관관계가 약하고 크기가 200µm 이상의 구형도가 큰 공극의 비율이 줄어듦을 확인할 수 있다. 이러한 현상의 원인으로는 우선 기존 모래 골재보다 패각골재가 물 흡수율이 더 높아 실질적인 W/C 비율이 감소하는데 기여했을 것으로 판단할 수 있다(Torrans and Ivey, 1968). 또한, 패각 표면의 거친 형상 역시 이러한 결과에 영향을 미칠 수 있다고 판단할 수 있는데, 거칠고 구멍이 많은 표면은 핵생성 부위의 역할을 하여 거친 표면 주위에서 구형의 기포가 다량 생성되는 것이 알려져 있기 때문이다(Sullivan et al., 2025, Zhang et al., 2024).

Fig. 9.

Pore sphericity of concrete with 20% oyster shell replacement at different AE dosages

Fig. 10.

Pore sphericity of concrete with 20% cockle shell replacement at different AE dosages

패각을 포함한 시편의 미세구조적 특성과 강도의 상관관계를 분석해 보면, 강도는 일반적으로 공극비의 지배적인 영향을 받지만 공극의 형상 및 크기 등 다양한 요인이 강도에 영향을 줄 수 있다. 굴패각을 포함한 시편에 대해 O20_0.3, O20_0.6이 Ref_0.3, Ref_0.6 보다 강도가 증가하는 현상은 패각의 물 흡수량에 따른 W/C 감소 및 패각의 거친 표면으로 인한 AE제의 작용 활성화의 복합적 작용으로 인해 크기가 작고 구형에 가까운 공극의 비율이 많아졌기 때문에 강도 경향에 영향을 미쳤을 수도 있다고 판단된다. 굴 패각시편(Fig. 9)과 꼬막 패각시편(Fig. 10)의 sphericity 분포 그래프를 비교해 보았을 때 굴패각시편에서 더 위아래로 길게 늘어진 형태를 볼 수 있는데 이는 굴패각의 표면이 꼬막 패각표면에 비해 더 거칠고 방향의 불규칙성이 더 심하기 때문이라고 판단된다(Oh et al., 2024).

Fig. 11은 첨가한 AE제가 1.0%로 고정된 상태에서 굴과 꼬막패각의 대체율이 증가하였을 때의 공극형상 분포 변화를 보여준다. 대체적으로 굴패각이 첨가된 시편이 꼬막 패각이 첨가된 시편에 비해 산점도가 더 얇고 가느다란 형태로 위아래로 길게 뻗어있는 것을 확인할 수 있다. 이는 꼬막 패각에 비해 굴 패각이 물 흡수량이 더 많고, 표면의 형상이 더 거칠다는 두 가지 요인이 복합적으로 작용하여 나타난 현상으로 판단될 수 있다. 굴 패각과 꼬막 패각 모두 대체율에 따른 sphericity 그래프 형태의 큰 차이를 보이지 않으나 꼬막 패각에 비해 굴 패각 시편의 그래프에서 대체율이 증가함에 따라 산점도가 더 아래로 많이 흩어지는 형태로 나타난다. 이는 앞서 언급한 두 패각의 물 흡수율 차이, 표면 형상 차이의 복합적 원인으로 해석된다.

Fig. 11.

Pore shape distribution of foamed concrete with different seashell replacement ratios at fixed AE dosage of 1.0%

4.4 SEM 이미지를 통한 미세구조 분석

각각의 케이스별 시편의 SEM 이미지는 Fig.12와 Fig. 13에 나타나 있다. SEM 이미지를 통해 패각을 넣지 않은 시편과 넣은 시편 모두 AE제가 충분한 양이 첨가되어 공극이 많을 때 판상형의 탄산칼슘이 공극 주변으로 잘 생성되는 것을 확인할 수 있다. 그림에 나타난 판상형 부분의 원소 분석 결과, 해당 부분에 높은 농도의 칼슘 이온이 검출된 반면 규소는 거의 검출 되지 않는 것을 통해 탄산칼슘임을 확인해 볼 수 있었다. 이러한 현상은 공극이 많은 콘크리트에서는 탄산이온이 침투할 수 있는 경로가 더 열려 있고 이에 따라 탄산화 진행을 수월하게 했다는 것으로 유추해 볼 수 있다. 이러한 탄산화는 때로는 강도 증진의 결과를 가져오기도 하기 때문에 기포콘크리트가 일반 콘크리트에 비해 강도의 불규칙성을 가져오는 이유로 판단될 수도 있다(Stefaniuk et al., 2023).

Fig. 12.

SEM images of specimens without seashells and AE agent (left) and without seashells but with AE agent (right)

Fig. 13.

SEM images of specimen with 20% cockle shell replacement and AE agent (left), and specimen with 30% oyster shell replacement and AE agent (right)

4.5 GeoDict 소음흡수 해석 결과

JCA 모델은 약 0.3 이상의 충분한 공극비를 가지는 재료에 대해 적용할 수 있다(Champoux and Allard, 1991). 이러한 사실에 근거하여, AE제가 0.6%, 1.0% 첨가된 충분한 공극비를 가진 시편에 대해 패각이 들어갔을 때와 들어가지 않았을 때의 흡음률을 계산하였다. 흡음해석을 위해 MATLAB(R2024a)을 통해 이진화 처리가 진행된 micro-CT 이미지를 활용하였으며, Fig. 14에서 GeoDict을 활용한 흡음 해석 결과 그래프를 확인해 볼 수 있다. 흡음 해석에 사용된 각각의 시편에 대한 입력값은 Table 5에 정리되어 있다.

Fig. 14.

Sound absorption results for different materials using the JCA model

해석 결과, 같은 양의 AE제가 들어간 시편에 대해 패각 첨가에 대한 열전도율 성능의 저하가 없었고 오히려 소폭 증가하는 향상을 보여주었다. 또한 AE양이 0.6%에서 1.0%로 증가 시 공극비가 대폭 증가함에 따라 흡음 성능이 눈에 띄게 증가하는 것으로 나타났고 패각을 혼합했을 때 흡음 효과 증가 정도가 더 큰 것을 확인할 수 있었다. 대체적으로 공극비가 증가함에 따라 흡음 성능이 향상되는 경향을 보였으며, 때문에 같은 AE제 양에 대해서 패각이 들어갔을 때 흡음률이 증가하는 경향은 패각이 들어감에 따라 공극비가 다소 증가했기 때문이라고 분석될 수 있다.

이처럼 본 해석은 패각 기반 잔골재를 도입한 기포 콘크리트가 공극률의 증가 및 유동저항 조절을 통해 흡음 성능을 향상시킬 수 있음을 시사한다. 위와 같은 결과를 통해 공극비가 증가함에 따라 흡음성능이 향상되는 경향성을 확인할 수 있었다. 따라서, 공극비와 흡음률이 양의 상관관계를 갖는 것을 유추할 수 있다. 다만 JCA 모델을 통한 이론적 내용의 가정과 이미지의 이진화･이방성에 따른 해석 민감도를 고려할 때, 임피던스 튜브 등의 실험적 측정과의 교차검증, 모델 파라미터 민감도/재현성 평가를 포함한 추가 정밀 연구가 필요할 것으로 판단된다.

5. 결 론

본 연구에서는 기포콘크리트 생산 시 기존 잔골재를 해양 폐패각을 활용한 골재로 대체했을 때의 물리적 특성 변화 및 미세 구조적 변화를 관찰하였다. 기포가 첨가되지 않은 일반 콘크리트와 달리, 다수의 공극이 포함된 기포콘크리트에서는 압축강도 및 열전도도 경향의 차이가 있음을 확인할 수 있었다. 이는 기포콘크리트가 같은 부피 대비 공극이 차지하는 비율이 크기 때문에, 재료를 구성하는 바인더의 양이 줄어들고 이로 인해 일반적인 콘크리트와는 다른 물리적 특성과 경향을 보여주고 있음을 시사한다. 본 연구에서는 이러한 물리적 차이의 변화를 더 구체적으로 설명할 수 있도록 대표적 케이스의 시편을 선정하여 micro-CT 이미지와 SEM 이미지 분석을 수행하였으며, 분석 내용을 물리적 특성과 함께 상관관계를 분석할 수 있었다.

본 연구를 통해 적정 비율의 패각 잔골재 대체율에 대해서는 기포콘크리트의 물리적 결함을 가져오지 않았으며, 특정 대체 비율에 대해서는 성능이 향상될 수도 있음을 보여주었다. 본 연구에서 사용된 대부분의 배합비에 대해 기포콘크리트가 비구조용 재료로서 사용될 수 있는 기준 강도, 열전도도의 기준을 만족하고 있으며, 향상된 흡음성능을 보여주고 있기 때문에 패각 잔골재가 기포콘크리트 제작 시 효과적인 잔골재 대체재로 사용될 수 있음을 보여준다.