1. 서 론
1.1. 연구 배경 및 목적
2. 연구 방법
2.1. 시편 제작
2.2. 역학적 특성
2.3. 복소 임피던스 기반의 흡음 특성 변환
2.4. 실내 음향 시뮬레이션
3. 연구결과
3.1. 역학적 특성
3.2. 흡음 계수
3.3. 실내 음향 시뮬레이션
4. 결 론
1. 서 론
1.1. 연구 배경 및 목적
건설 산업에서는 천연 골재 자원의 고갈과 환경 규제 강화로 인해 기존 골재 사용에 대한 한계가 점차 뚜렷해지고 있다. 이에 따라 지속 가능한 건설 재료에 대한 요구가 증가하고 있으며, 폐자원을 활용한 대체 골재 개발이 하나의 대안으로 제시되고 있다(Alibeigibeni, Stochino, Zucca, & Gayarre, 2025). 이러한 대체 골재로 활용 가능한 폐자원 중 하나로 주목받고 있는 재료가 폐유리이다.
유리 제품의 사용 확대에 따라 폐유리 발생량 또한 지속적으로 증가하고 있으나, 재활용 과정의 복잡성과 낮은 경제성으로 인해 상당량이 매립되거나 소각 처리되고 있다. 색상 혼합, 불순물 포함, 복잡한 전처리 공정 등으로 인해 재활용 효율이 저하되며, 이 과정에서 추가적인 에너지 소비와 이산화탄소 및 오염물질 배출이 발생한다(Jang, 2020). 이러한 폐유리 처리 문제를 고려할 때, 폐유리를 건설 재료의 골재로 재활용하는 방안은 매립 폐기물 감소와 자원 절약을 동시에 달성할 수 있어 친환경 건설 재료로서 활용 가능성이 크다.
이러한 배경에서 기존 연구들은 폐유리를 분쇄하여 잔골재 또는 굵은 골재로 치환한 콘크리트의 물성 평가를 중심으로 연구를 수행해 왔다(Kim, Lee, Nam, & Park, 2009). 선행 연구에 따르면 폐유리 골재를 적정 비율로 치환할 경우 압축강도 및 탄성계수 저하를 최소화할 수 있으며, 경우에 따라서는 시멘트 수화 반응 촉진과 내부 공극 구조의 개선을 통해 기계적 성능이 유지되거나 향상될 수 있는 것으로 보고되었다(Chen, Dong, Liu, Liang, & Skoczylas, 2022). 최근에는 폐유리를 단순히 분쇄하는 방식뿐만 아니라, 발포 공정을 통해 다공성 구조를 갖는 경량 골재 형태로 제조하여 시멘트계 복합재료에 적용하려는 연구도 보고되고 있다. 폐유리 발포비드를 잔골재로 치환한 모르타르를 대상으로 한 연구에서는, 발포비드의 다공성 구조로 인해 초기 재령에서는 압축강도가 저하되는 경향을 보였으나, 내부양생 효과에 의해 장기 재령에서 강도 증가율이 향상되는 것으로 나타났다(Pyeon, Kim, Choi, Lee, & Nam, 2025). 이와 같은 선행 연구들은 폐유리 골재가 시멘트계 재료 내부에 다공성 구조를 형성할 수 있으며, 이러한 공극 구조가 역학적 성능 발현에 영향을 미칠 수 있음을 시사한다. 특히 다공성 구조는 기계적 성능뿐만 아니라 재료의 기능적 성능에도 중요한 역할을 할 수 있다는 점에서 주목할 필요가 있다.
한편, 이러한 기능적 성능 중 하나로서 포러스 콘크리트는 내부 공극 구조를 통해 음향 에너지를 효과적으로 흡수할 수 있어 흡음 재료로서의 적용 가능성이 제시되어 왔다. 기존 연구에서는 목표 공극률 변화에 따른 포러스 콘크리트의 흡음 특성을 분석하여, 공극률이 증가함에 따라 최대 흡음 계수를 나타내는 중심 주파수가 상대적으로 높은 주파수 대역으로 이동하는 경향을 보고하였다(Park, Yoon, & Lee, 2004). 이는 공극 구조가 포러스 콘크리트의 음향 성능을 결정하는 주요 인자임을 나타낸다.
그러나 이러한 포러스 콘크리트 관련 연구는 대부분 일반 골재 또는 재생골재를 사용한 경우에 한정되어 있으며, 폐유리 골재를 적용한 포러스 콘크리트의 흡음 성능을 체계적으로 분석한 연구는 제한적인 실정이다. 특히 폐유리 골재는 입도 및 형상 특성이 일반 골재와 상이하여 공극 구조 형성에 영향을 미칠 수 있음에도 불구하고, 이러한 특성이 포러스 콘크리트의 역학적 특성과 흡음 성능에 동시에 미치는 영향을 종합적으로 검토한 연구는 거의 이루어지지 않았다.
따라서 본 연구에서는 폐유리 골재를 활용한 포러스 콘크리트를 대상으로 역학적 특성과 흡음 성능을 함께 평가하고, 실내 음향 시뮬레이션을 통해 실제 공간 적용 시의 음향 성능 개선 효과를 분석하고자 한다. 이를 통해 폐유리 골재를 적용한 포러스 콘크리트의 기능성 건축 재료로서의 적용 가능성을 검토하고, 향후 친환경 음향 건축 재료로의 활용을 위한 기초 자료를 제공하고자 한다.
2. 연구 방법
2.1. 시편 제작
본 연구에서는 폐유리 골재의 입도 및 형상이 포러스 콘크리트의 기계적 및 음향적 특성에 미치는 영향을 분석하기 위해, 폐유리 골재를 입도 범위와 형상에 따라 세 가지 유형으로 구분하여 시험체를 제작하였다. Figure 1은 본 연구에서 실험에 사용한 폐유리 골재의 외형을 나타낸 것이다. 폐유리 골재는 입도가 2.5–5.0 mm 범위인 각진 형태의 폐유리 골재(Large Glass Sand, LGS), 입도가 1.2–2.5 mm 범위인 각진 형태의 폐유리 골재(Small Glass Sand, SGS), 그리고 발포 공정을 통해 제조된 비드형 둥근 폐유리 골재(Glass Bead, GB)로 구분하였다. 특히 파쇄 공정을 통해 제조된 LGS와 SGS는 일반 유리의 밀도인 2.49 g/cm³를 유지하는 반면, GB는 내부에 독립 기공을 포함하는 발포 구조로 인해 약 0.40 g/cm³의 낮은 밀도 특성을 가진다.
각 골재 유형은 입도 및 형상 외의 영향을 최소화하기 위해 동일한 결합재 조건에서 배합되었으며, 결합재로는 초고성능 콘크리트(Ultra-High-Performance Concrete, UHPC) 계열 시멘트를 사용하였다. 포러스 콘크리트의 배합비는 Table 1과 같이 구성하였으며, 골재 유형에 따른 특성을 반영하여 일부 배합 조건을 조정하여 제작하였다. 특히 일반 모르타르와 달리 상대적으로 큰 입도의 골재를 사용하고, 골재의 비율을 증가시키는 동시에 물 사용량을 최소화하여 시멘트 페이스트가 골재 표면을 얇게 코팅하는 수준으로 배합함으로써, 골재 간 연속적인 공극 구조가 형성되도록 하였다. 이러한 배합 방식은 포러스 콘크리트의 전형적인 제조 방법에 해당하며, 본 연구의 LGS 및 SGS 시험체 또한 동일한 방식으로 제작되어 다공성 구조가 형성되도록 하였다. 한편, GB 시험체의 경우 발포 구조로 인해 골재 자체의 밀도와 강도가 LGS 및 SGS에 비해 현저히 낮기 때문에, 시험체 제작 시 소정의 기계적 안정성을 확보하기 위하여 다른 배합비가 적용되었다. 음향 성능 비교 분석을 위해 재활용 유리 골재를 적용하지 않은 일반 모르타르 시편(Natural Sand Mortar, NSM)을 기준 시편으로 추가 제작하였다. NSM은 일반 모르타르의 배합 기준인 0.5:1:3(물:시멘트:모래)의 비율을 적용하여 제작하였다.
Table 1
Mix Proportions of materials and A/B ratios for each specimen
Figure 2는 본 연구에서 제작한 시험체들의 표면 형상을 나타낸 것이다. 그림에서 확인할 수 있듯이, LGS, SGS 및 GB 시험체의 표면에서는 골재 간 연속적인 공극이 형성되어 있는 것을 관찰할 수 있다. 이는 시멘트 페이스트가 골재 표면을 얇게 코팅하면서 골재 간 직접 접촉과 공극 연결 구조가 유지된 결과로, 포러스 콘크리트의 전형적인 조직 특성을 나타낸다.
각 포러스 콘크리트 배합 조건에 대해서는 역학적 특성 시험 및 흡음 성능 시험을 위한 시편을 각각 3개씩 제작하였으며, 제작된 모든 시편은 동일한 조건에서 양생한 후 시험에 사용하였다. 한편, NSM은 음향 성능 비교를 위한 기준 시편으로 제작되었으며, 역학적 성능 시험은 수행하지 않았다.
2.2. 역학적 특성
포러스 콘크리트 시편의 역학적 특성 평가는 압축강도와 휨강도 시험을 통해 수행하였다. 시편 제작은 KS F 2403: 2019에 제시된 공시체 제작 기준을 따랐으며, 실험 간 조건 차이에 의한 영향을 최소화하기 위해 동일한 환경에서 제작 및 양생을 실시하였다. 또한, 시험체의 형상과 시험 절차는 ISO 679:2009(E)를 참고하여 설정하였다. 시험에 사용된 시편은 40 mm × 40 mm × 160 mm 크기의 직육면체로 제작되었으며, 제작된 시편의 형상은 Figure 3에 나타내었다. 혼합된 재료는 몰드에 충전된 후 두 단계로 나누어 타설되었으며, 각 단계에서 일정한 다짐을 적용하여 내부 조직이 균일하게 형성되도록 하였다.
성형된 시편은 탈형 이후(20 ± 2) °C의 온도와 상대습도 95% 이상의 조건에서 양생 되었으며, 이를 통해 시멘트 수화 반응이 충분히 진행될 수 있도록 하였다. 양생이 완료된 시편은 각각의 시험 조건에 따라 압축 및 휨강도 평가에 사용되었다. 압축강도는 KS F 2405 기준에 따라 축 방향 하중을 가하여 파괴 시 최대 하중을 측정하는 방식으로 산정하였으며, 휨강도는 KS F 2408에서 규정한 3점 휨 시험을 통해 평가하였다. Figure 4는 압축강도 및 휨강도 시험의 장치 구성을 나타낸다. 각 골재 유형(LGS, SGS, GB)에 대해 동일 조건의 시편을 3개씩 제작하여 시험을 수행하였으며, 결과는 평균값을 기준으로 정리하였다.
2.3. 복소 임피던스 기반의 흡음 특성 변환
본 연구에서는 임피던스 튜브 시스템(BSWA Technology, ISO 10534-2)을 이용하여 포러스 콘크리트의 음향 특성을 평가하였다. Figure 5는 임피던스 튜브 기반 음향 측정을 위한 전체 실험 시스템 구성을 나타낸 것이다. 모든 시편은 실제 벽체 시공 환경을 반영한 강성 배후(Rigid backing) 조건에서 측정되었으며, 이를 위해 Figure 6와 같이 임피던스 튜브 후단의 금속 피스톤을 시편 뒷면에 완전히 밀착시켜 경계면에서의 입자 속도가 0이 되도록 설정하였다.
광대역 주파수 특성을 확보하기 위해 두 가지 규격의 임피던스 튜브를 병행 활용하였다. 직경 100 mm 튜브는 63 Hz ~ 1,600 Hz의 저주파 대역에, 직경 29 mm 튜브는 1,000 Hz ~ 6,300 Hz의 중·고주파 대역에 적용하였다. 본 연구에서는 최종 분석에 1/1 옥타브 밴드를 적용하였으며, 각 튜브의 유효 측정 범위를 고려하여 주파수 대역별 데이터를 선택적으로 구성하였다. 이에 따라 1,000 Hz 옥타브 밴드까지는 100 mm 튜브의 데이터를 사용하고, 1,000 Hz를 초과하는 대역은 29 mm 튜브의 데이터를 사용하여 전체 주파수 응답을 구성하였다. 이러한 방법을 통해 서로 다른 튜브 조건에서 얻은 데이터를 하나의 연속적인 1/1 옥타브 밴드 특성으로 통합하였다.
Figure 7는 골재 유형별로 제작된 시편을 나타낸 것이다. 100 mm 튜브에는 두께 65 mm의 시편을, 29 mm 튜브에는 두께 20 mm의 시편을 적용하였다. 각 골재 유형별로 3개의 시편을 제작하여 반복 측정을 수행하였으며, 최종 분석에는 1/1 옥타브 밴드로 필터링된 값의 산술 평균을 사용하였다.
일반적으로 임피던스 튜브를 통해 도출되는 수직 입사 음향 특성은 음파가 단일 방향에서 입사하는 조건에 기반하므로, 다양한 방향에서 음파가 유입되는 실제 공간의 난입사(Random Incidence) 음장 특성을 직접적으로 반영하기에는 물리적 한계를 가진다. 따라서 본 연구에서는 이러한 한계를 보완하고 시뮬레이션의 예측 정밀도를 확보하기 위해, 복소 음향 임피던스(Complex Acoustic Impedance) 를 기반으로 난입사 흡음 계수로 변환하는 수치적 방법론을 적용하였다. 해당 변환 과정은 복소 임피던스를 기반으로 반사계수와 각도별 흡음계수를 도출한 후, 확산 음장 조건에서 각도 평균을 수행하는 기존 이론적 절차에 기반하여 수행되었으며, Kuttruff(2000)의 확산 음장 이론과 Jeong(2012)의 연구를 참고하여 적용하였다.
복소 음향 임피던스는 재료 표면에서의 에너지 손실뿐만 아니라 위상 변화 정보를 함께 포함하므로, 입사각 변화에 따른 반사 및 흡수 거동을 보다 정밀하게 모사할 수 있다. 따라서 정상 입사 조건에서 측정된 데이터를 확산 음장 조건으로 변환함으로써, 실제 공간의 음장 특성을 보다 현실적으로 반영한 시뮬레이션 입력 데이터를 구성하고자 하였다.
두 마이크로폰 위치에서의 측정된 복소 음압 데이터는 재료 표면에서의 음향 특성을 정량적으로 평가하기 위한 전달 함수 도출에 활용되었으며, ISO 10534-2에 제시된 평면파 전파 이론을 적용하여 시편 표면의 정규화된 복소 표면 임피던스 를 산출하였다. 이때 표면 임피던스 는 재료 표면에서의 음압 와 법선 방향 입자 속도 의 비로 정의되며, 이는 식 (1)과 같다.
이를 공기의 특성 임피던스 로 정규화하면, 복소 표면 임피던스 가 도출되며, 이는 식 (2)와 같다. 이때 는 공기 밀도, 는 공기 중 음속을 나타낸다. 본 연구에서는 정규화 과정의 기준이 되는 공기 특성 임피던스 값을 415 Pa·s/m로 설정하여 정규화를 수행하였다.
본 연구에서는 강성 배후 조건의 포러스 콘크리트가 충분한 두께와 공기 흐름 저항을 가질 경우, 국부 반응(Locally reacting) 경계로 근사해도 확산 음장에서의 흡음률 예측 오차가 제한적이라는 Jeong(2012)의 결과를 근거로 국부반응 가정을 적용하였다. 국부반응 모델은 표면 임피던스가 입사각에 의존하지 않는다는 가정에 기반하며, 경사 입사 음파의 경우 경계 상호작용은 입자 속도의 법선 방향 성분에 의해 지배된다. 즉, 입사각 𝜃를 갖는 평면파에 대해 표면과의 상호작용은 입자 속도의 법선 성분에 해당하는 에 의해 조정된다. 이러한 가정을 바탕으로, 정상 입사에서 도출된 정규화 표면 임피던스 를 이용하여 임의의 입사각 𝜃에서의 복소 반사 계수 를 정의할 수 있으며, 이는 식 (3)과 같다.
여기서 𝜃는 입사 음파와 표면 법선 사이의 각도를 의미한다. 강성 배후 조건에서는 음파의 투과가 발생하지 않으므로, 입사 에너지는 반사 또는 흡수로만 분배된다. 따라서 각도별 흡음 계수 는 반사 계수의 크기를 이용하여 식 (4)와 같이 표현된다.
실제 실내 음장은 다양한 방향에서 음파가 입사하는 확산 음장에 가까우므로, 특정 입사각에서의 흡음 특성을 전체 입사 조건에 대해 평균화할 필요가 있다. 확산 음장에서 입사 에너지 분포는 , 입사각의 공간 분포는 에 비례하므로, 입사 방향의 기하학적 분포와 에너지 투영 효과를 동시에 고려하여 각 입사각의 기여도를 로 가중하는 Paris의 평균을 적용하면 난입사 흡음 계수 는 식 (5)와 같이 정의된다.
이와 같이 산출된 는 정상 입사 기반 임피던스 데이터를 실제 확산 입사 조건으로 변환한 값으로, 옥타브 대역 평균 기반 실내 음향 시뮬레이션에 적용 가능한 물리적 입력 파라미터를 제공한다. 결과적으로 본 연구의 데이터 변환 과정은 포러스 콘크리트의 미세 기공 구조가 다양한 입사 조건에서 나타내는 에너지 소산 특성을 반영함으로써, 수직 입사 측정값의 한계를 보완하고 공간 음향 해석의 신뢰도를 향상시키는 데 기여하고자 하였다.
2.4. 실내 음향 시뮬레이션
폐유리 골재를 적용한 포러스 콘크리트의 실내 음향 성능 개선 효과를 실제 공간 조건에서 검증하기 위해 실내 음향 시뮬레이션을 수행하였다. 대상 공간은 약 1.1초 수준의 초기 감쇠 시간(EDT)을 갖는 실제 카페 공간을 기반으로 설정하였으며, 이를 토대로 3차원 음향 모델을 구축하였다. 카페 모델의 기하학적 정보는 Table 2에 제시하였다.
Table 2
Geometric properties of the café model
| Parameter | Value |
| Room volume (m3) | 1,245.6 |
| Total surface Area (m2) | 2,348.1 |
| Ceiling height (m) | 4.0 |
주요 분석 지표로는 초기 잔향 특성을 나타내는 EDT(Early Decay Time), 잔향시간 특성을 나타내는 T20, 음향 명료도를 나타내는 C80(Clarity Index), 초기/후반 반사 에너지 분포를 평가하는 D50(Definition), 그리고 흡음 성능을 나타내는 가중 흡음 계수()를 사용하였다. 각 지표는 건축 음향 해석 소프트웨어인 Odeon 17.04를 이용하여 계산하였으며, 소프트웨어의 표준 계산 방법에 따라 1/1 옥타브 밴드 기반으로 산출하였다. 또한 가중 흡음 계수는 KS F ISO 11654 기준에 따라 250 Hz ~ 4,000 Hz 범위의 1/1 옥타브 밴드 흡음 계수를 이용하여 산정하였다.
Figure 8는 폐유리 골재 기반 포러스 콘크리트가 적용된 부위를 카페 3차원 모델에 나타낸 것이다. 실제 콘크리트로 마감된 부위를 대상으로 포러스 콘크리트를 적용하였으며, 해당 부위의 적용 면적 및 시뮬레이션 조건은 Table 3에 정리하였다.
Table 3
Acoustic simulation parameters
| Parameter | Value |
| Transition order | 3 |
| Number of surfaces | 7,563 |
| Number of late rays | 1,000 |
| Impulse response length (ms) | 1,000 |
| Impulse response resolution (ms) | 1 |
| Absorptive material area (m2) | 303.7 |
Figure 9는 Odeon 시뮬레이션에 사용된 모델과 음원 및 수음점의 위치를 나타낸다. 음원은 공간 중심에서 지면으로부터 1.5 m 높이에 위치하도록 설정하였으며, 수음점은 이용자의 청취 위치를 고려하여 좌석 영역 내에 분포시키고 지면으로부터 1.2 m 높이에 배치하였다. 시뮬레이션에 사용된 기존 마감재의 종류, 적용 면적 및 1/1 옥타브 밴드 흡음 계수는 Table 4에 정리하였다.
Table 4
Surface area and absorption coefficients of materials in the experimental chamber
3. 연구결과
3.1. 역학적 특성
Table 5는 각 시험체별로 3회 반복 측정을 통해 산출된 압축강도 및 휨강도의 평균값과 표준편차를 나타낸 것이다. 전반적으로 모든 시험체에서 표준편차가 비교적 작은 범위로 나타나, 실험 결과의 재현성과 측정 신뢰도가 확보된 것으로 판단된다. 특히 LGS와 SGS 시험체는 평균값 대비 변동폭이 크지 않아 비교적 균일한 재료 거동을 보였으며, 반면 GB 시험체는 낮은 강도 수준과 함께 상대적으로 큰 변동성을 나타내어 내부 구조의 불균일성이 반영된 것으로 해석된다.
Table 5
Mechanical properties of porous concrete with glass aggregates
| Specimen ID | Compressive Strength (MPa) | Flexural Strength (MPa) |
| Mean (SD) | Mean (SD) | |
| GB | 0.53 (0.08) | 0.08 (0.02) |
| LGS | 5.45 (0.42) | 7.88 (0.55) |
| SGS | 4.85 (0.35) | 6.42 (0.48) |
Figure 10은 폐유리 골재의 입자 형상 및 배합 조건에 따른 시험체의 압축강도와 휨강도 변화를 비교하여 나타낸 것이다. 그래프에서 확인할 수 있듯이, GB 시험체는 압축강도 0.53 MPa, 휨강도 0.08 MPa로 매우 낮은 역학적 성능을 보였으며, 이는 다른 시험체 대비 현저히 낮은 수준이다. 반면, 동일한 폐유리 골재를 사용하되 입자 형상과 배합 조건에 차이를 둔 LGS 및 SGS 시험체에서는 GB 대비 약 9배 이상의 압축강도 향상이 나타났으며, 휨강도 또한 크게 증가하였다. LGS 시험체는 압축강도 5.45 MPa, 휨강도 7.88 MPa로 가장 높은 강도를 보였으며, SGS 시험체 역시 각각 4.85 MPa와 6.42 MPa로 안정적인 강도 수준을 나타냈다.
이러한 강도 차이는 골재의 입자 형상 및 내부 구조 특성에 기인하는 것으로 판단된다. GB 시험체의 경우, 둥근 형상과 매끄러운 표면, 그리고 내부 기공을 포함하는 발포 구조로 인해 골재 간 접촉이 점 접촉 형태로 이루어지며, 하중 전달 경로가 효과적으로 형성되지 못한 것으로 해석된다. 특히 Pyeon 등(2025)는 폐유리 발포 비드가 다공성 구조로 인해 일반 골재 대비 낮은 파쇄 강도를 가지며, 이러한 물리적 취약성이 전체 매트릭스의 기계적 성능 저하로 이어진다고 보고한 바 있다.
이에 비해 LGS와 SGS 시험체는 각진 형상의 골재를 사용함으로써 시멘트 페이스트와의 접촉 면적이 증가하고, 입자 간 물리적 맞물림이 형성되어 보다 안정적인 골격 구조가 형성된 것으로 판단된다. 이러한 입자 형상은 점 접촉이 아닌 면 접촉을 유도하여 하중 전달 경로를 확보하고, 결과적으로 기계적 강도를 향상시키는 역할을 한다. 특히 LGS는 상대적으로 큰 입자 크기와 뚜렷한 모서리를 통해 보다 효과적인 골격 구조를 형성하였으며, SGS는 입자 크기가 작아지면서 접촉 조건은 개선되었으나 골격 형성 측면에서는 다소 제한적인 구조를 보인 것으로 해석된다.
종합적으로, 폐유리 골재 기반 포러스 콘크리트의 역학적 성능은 단순한 입자 크기보다 입자 형상에 따른 접촉 면적과 맞물림 특성에 크게 의존하는 것으로 나타났다. 본 연구의 목적이 구조적 성능의 최적화보다는 건축 재료로서의 적용 가능성 평가에 있는 점을 고려할 때, LGS 및 SGS 시험체에서 확보된 강도 수준은 비구조용 건축 마감재 또는 흡음 재료로 활용 가능한 기초적인 역학적 안정성을 확보한 것으로 판단된다.
3.2. 흡음 계수
Table 6는 각 시료의 정규화된 복소 임피던스를 1/1 옥타브 밴드 주파수 대역에서 나타낸 것이다. 임피던스 튜브를 통해 측정된 표면 복소 임피던스는 공기 밀도(ρ, kg/m³)와 음속(c, m/s)의 곱인 공기의 특성 임피던스(ρc, Pa·s/m)로 나누어 정규화하였으며, 이를 통해 정규화된 임피던스 값을 도출하였다.
Table 6
Normalized Complex Impedance (/) of specimens at 1/1 octave band
이후 해당 임피던스 값들을 기반으로 반사 계수를 산정하고, 이를 기반으로 각 입사각에 대한 흡음 계수를 계산한 후, Paris의 가중 평균을 적용하여 모든 입사각에 대한 흡음 기여도를 적분함으로써, 난입사 흡음 계수를 산정하였다. Figure 6은 이러한 변환 과정을 통해 도출된 폐유리 골재 종류별 주파수에 따른 난입사 흡음 계수의 변화를 나타낸 것이다.
Figure 11에 나타난 바와 같이 폐유리 골재를 적용한 모든 시험체(GB, LGS, SGS)는 일반적인 시멘트 모르타르 기반의 NSM 시험체와 비교하여 전 주파수 대역에서 상대적으로 높은 흡음 성능을 보였다. 주파수 대역별 특성을 살펴보면, 250 Hz 이하의 저주파 영역에서는 모든 시편이 0.1 이하의 낮은 흡음률을 보였으나, 500 Hz를 기점으로 흡음 성능이 급격히 상승하는 거동을 보였다. 특히 1 kHz ~ 2 kHz의 중·고주파 대역에서 흡음 성능이 극대화되었으며, GB는 1 kHz에서 0.71, LGS와 SGS는 2 kHz에서 각각 0.74와 0.76의 최대 흡음 계수를 기록하였다.
3.3. 실내 음향 시뮬레이션
변환 과정을 통해 얻은 난입사 흡음 계수를 활용하여 가중 흡음 계수를 산정하고 Odeon 시뮬레이션을 수행하였다. 가중 흡음 계수의 경우 GB와 SGS는 각각 0.40, LGS는 0.35, NSM은 0.10 수준으로 나타났으며, 이는 폐유리 골재를 적용한 포러스 콘크리트가 일반 모르타르 시편에 비해 약 3~4배 높은 흡음 성능을 나타냄을 의미한다.
동일한 난입사 흡음 계수를 입력값으로 사용하여 Odeon 시뮬레이션을 통해 일반 콘크리트 마감을 폐유리 골재를 활용한 포러스 콘크리트로 대체하였을 때의 실내 음향 지표 변화를 분석하였다. 동일한 공간 조건 하에서 마감 재료만을 변화시켜 수행한 결과, 폐유리 골재 적용 여부에 따라 주요 음향 지표에서 뚜렷한 변화가 확인되었다.
Figure 12는 EDT와 T20의 결과를 나타낸 그래프이다. NSM 조건에서 평균 EDT는 1.38 s로 나타났으며, 폐유리 골재 적용 시 GB는 0.92 s, LGS는 1.05 s, SGS는 0.96 s로 감소하였다. 폐유리 골재 기반 포러스 콘크리트 적용 시 공간 내 잔향이 전반적으로 단축되는 경향을 보였으며, NSM 대비 EDT는 GB에서 약 33.3%, LGS에서 약 23.9%, SGS에서 약 30.4% 감소하였다. 이 중 GB 적용 시 가장 큰 감소 폭을 보였다. T20의 경우 NSM 조건에서 1.49 s로 나타났으며, 폐유리 골재 적용 시 GB는 1.27 s, LGS는 1.33 s, SGS는 1.31 s로 감소하였다. 이는 각각 약 14.8%, 10.7%, 12.1%의 감소에 해당하는 수준으로, 재료 변경에 따라 공간의 잔향 특성이 전반적으로 개선되는 경향을 확인할 수 있다.
Figure 13는 D50와 C80에 대한 결과 그래프이다. NSM 조건에서 0.37이었던 D50 값이 GB 0.55, LGS 0.49, SGS 0.54로 증가하였다. 전반적으로 폐유리 골재 기반 포러스 콘크리트 적용 시 초기 반사음의 비율이 증가하는 경향을 보였다. C80의 경우 NSM 조건에서 0.4 dB였으며, GB 4.0 dB, LGS 2.8 dB, SGS 3.7 dB로 나타났다. 폐유리 골재 적용 시 모든 조건에서 C80 값이 증가하는 경향을 보였다.
종합적으로 볼 때, 일반 콘크리트 마감을 폐유리 골재 기반 포러스 콘크리트로 대체함에 따라 실내 음향 지표 전반에서 변화가 나타났다. 특히 T20과 EDT의 감소와 D50 및 C80의 증가 경향을 통해 공간의 잔향 특성이 개선되고 음향 명료도가 향상되는 양상을 보였다. 폐유리 골재 적용 조건 간 비교 시에는 GB가 대부분의 지표에서 가장 큰 변화 폭을 나타냈으며, 그다음으로 SGS, LGS 순으로 변화가 나타났다. 이는 동일한 공간 조건 하에서 재료 특성에 따라 실내 음향 성능에 차이가 발생함을 보여주는 결과로 판단된다.
4. 결 론
본 연구에서는 폐유리 골재 기반 포러스 콘크리트의 음향 건축 재료로서의 적용 가능성을 평가하기 위해, 골재 형상에 따른 내부 구조 형성의 차이가 역학적 성능, 음향 성능, 그리고 실제 공간 음환경에 미치는 영향을 종합적으로 분석하였다.
연구 결과, 골재의 형상과 물리적 특성은 골재 간 접촉 조건과 내부 구조 형성 방식에 영향을 미치며, 이는 재료의 역학적 성능과 음향 성능에 중요한 요인으로 작용하는 것으로 판단된다. LGS와 SGS 시험체는 동일한 배합 조건에서 골재 입자 크기와 형상만을 달리하여 제작되었으며, GB 시험체의 경우 골재 자체의 낮은 밀도와 강도를 고려하여 별도의 배합비를 적용하였음에도 불구하고 매우 낮은 강도(압축강도 0.53 MPa)를 나타냈다. 이는 배합 조건보다는 골재 자체의 발포 구조와 낮은 파쇄 강도가 역학적 성능 저하에 더 크게 영향을 미친 결과로 해석된다.
음향 성능 측면에서는 골재 형상에 따른 내부 구조의 차이가 흡음 특성에 영향을 미치는 것으로 나타났다. GB는 비교적 큰 공극이 형성된 구조로 인해 높은 음에너지 소산 특성을 보이며 약 0.40 수준의 가중 흡음 계수()를 나타냈고, SGS 역시 비교적 균일한 내부 구조를 통해 유사한 수준의 흡음 성능(0.40)을 보였다. 반면 LGS는 상대적으로 안정적인 구조를 형성하며 약 0.35의 값을 나타냈다. 이러한 결과는 골재 형상에 따른 내부 구조의 차이가 흡음 성능에 영향을 미칠 가능성을 시사한다.
이러한 재료 수준의 음향 특성은 실내 공간 적용 시 음환경의 변화로 이어졌다. 포러스 콘크리트를 기존 콘크리트 마감에 적용할 경우, 음에너지 흡수가 증가하면서 초기 반사음이 감소하였고, 그 결과 EDT가 최대 약 33% 감소하였다. 또한, T20의 감소를 통해 공간의 전반적인 잔향 특성이 개선되었으며, D50과 C80의 증가를 통해 음향 명료도가 향상되는 경향을 보였다. 특히 GB와 SGS와 같이 상대적으로 높은 흡음 성능을 보인 경우, 초기 반사음 감소 효과가 더욱 뚜렷하게 나타나 잔향 감소와 명료도 향상에 유리하게 작용한 것으로 판단된다. 반면 LGS는 비교적 안정적인 흡음 거동을 바탕으로 전반적인 음향 성능 개선을 유도하였다. 이러한 변화는 실제 공간에서 잔향이 감소하고 음향적 선명도가 향상된 환경으로 개선되었음을 의미한다.
종합적으로, GB는 우수한 음향 성능을 나타냈으나 골재 자체의 구조적 취약성으로 인해 실내 마감재로의 적용에는 한계가 있다. 반면 LGS와 SGS는 골재 형상에 기반한 안정적인 구조를 통해 기계적 안정성과 음향 성능을 동시에 확보한 재료로 평가되며, 비구조용 음향 마감재로서의 적용 가능성이 높은 것으로 판단된다. 다만, 포러스 콘크리트는 다공성 구조로 인해 표면이 거칠고 입자 탈락 가능성이 존재하므로, 사용자의 직접 접촉이 빈번한 공간에서는 적용에 제약이 따른다.
그러나 이러한 한계에도 불구하고, 포러스 콘크리트는 무기질 기반 재료로서 우수한 내화성과 내열성을 가지며, 표면 접촉이 제한되는 환경에서는 기능적 음향 성능이 더욱 중요하게 작용한다. 따라서 화재 안전성과 소음 저감이 동시에 요구되는 터널 및 철도 역사와 같은 인프라 공간에서는 기존 유기계 흡음재를 대체할 수 있는 비구조용 음향 마감재로 활용될 수 있는 잠재력을 가진다.
향후 연구에서는 내부 공극률 및 투수성 등의 물성치를 정량적으로 평가하고 이를 음향 성능과 연계한 정밀 해석이 필요하다. 또한, 복합 골재 배합을 통해 내부 구조를 제어하고 음향 및 기계적 성능 간의 균형을 확보하는 연구가 요구되며, 표면 안정화 및 코팅 기술을 적용하여 내구성과 시공성을 개선함으로써 실제 적용 가능성을 확대할 필요가 있다.
