2.1 사용 재료

성능 비교를 위한 대조군으로 사용할 시멘트 페이스트를 제작하기 위해 1종 보통 포틀랜드 시멘트와 수돗물을 사용하였다.

비교군으로 감쇠성능을 향상시키면서 구조용으로 사용할 수 있는 압축강도를 얻기 위해 2액형 경질 폴리우레탄을 사용하였다. 경질 폴리우레탄은 국내 M사 제품이며, 주제와 경화제 성질은 Table 1과 같다. 주제와 경화제를 무게 비로 1:1을 24 °C에서 혼합하면 경화시간은 30분으로 초속경 특성을 보이며, 경화 과정에서 95 °C∼110 °C의 반응열과 함께 최종적으로 80 Shore D 수준의 경도를 형성한다.

이 연구에서 사용한 경질 폴리우레탄의 경화 반응은 주제 내의 수산기(-OH)와 경화제의 이소시아네이트기(-NCO)가 충돌하여 우레탄 결합을 형성하는 단계 성장 중합(Step-growth polymerization) 반응이다. 혼합 직후 저점도의 주제와 경화제는 균질하게 교반되며, 경화제의 MDI(Methylene Diphenyl Diisocyanate) 성분이 주제의 폴리올 사슬을 연결하는 사슬 연장제 및 가교제 역할을 수행하여 분자량을 급격히 증가시킨다. 이 과정에서 경화제에서 기인한 경질 분절 간의 강한 응집력에 의해 미세상 분리가 발생하며, 주제가 형성하는 연질 분절 기질 내에 견고한 구조를 구축한다. 이 과정에서 수분과의 부반응을 억제함으로써 CO₂ 발생이 차단되어 무발포 특성이 확보되며, 최종적으로 삼차원 망상 구조의 폴리우레탄 매트릭스가 형성되어 높은 강성과 치수 안정성을 갖춘다.

기존 연구에 따르면 이소시아네이트의 종류(TDI, MDI, IPDI 등)에 따라 내부 미세상 분리, 분자 운동 및 감쇠성능(진동 에너지 소산, $\tan\delta$ 등)이 달라진다. 그중에서도 IPDI (Isophorone Diisocyanate)는 비대칭적 구조로 인해 감쇠성능은 우수하나, 방향족 구조인 MDI에 비해 분자 간 응집력이 낮아 건설용 구조재에 필수적인 고강성 발현에 한계가 있다. 또한 IPDI는 생산 공정이 복잡하여 경제성이 낮으므로, 대규모 물량이 투입되는 건설 현장에서는 상대적으로 저렴하고 수급이 용이한 MDI의 활용도가 높다. 강한 하중을 지지해야 하는 건설 환경의 특성상, 에너지 소산 능력보다는 MDI 기반의 높은 탄성 계수와 우수한 열적 안정성이 재료 선택의 결정적 요인으로 작용한다. 이에 MDI는 구조적 신뢰성과 비용 효율성을 동시에 만족시키기에 가장 적합한 이소시아네이트 사슬 연장제로 판단되어 이 연구에서 사용하였다.

한편, 2단계 타설 공법의 사전 채움 골재로는 화강암 굵은 골재를 사용하였으며, 밀도는 2.66 g/cm³이며, 최대 치수는 13 mm, 19 mm, 25 mm 세 종류이다.

2.2 배합 및 제조방법

이 연구에서 수행한 실험 변수 및 배합 조건은 Table 2와 같다. 대조군은 C40으로 물-시멘트비 40 %인 시멘트 페이스트이다. 실험군인 경질 폴리우레탄 관련 배합명인 RPU는 경질 폴리우레탄을 의미하며, 숫자는 경화제 대비 주제의 비를 의미한다. PA(Preplaced aggregate)는 골재 사전 채움을 의미하고, 숫자는 사용된 굵은 골재의 최대 치수(단위: mm)를 의미한다.

주제와 경화제의 혼합 비율에 따른 경질 폴리우레탄의 역학성능 및 감쇠성능을 알아보기 위해 경화제 대비 주제의 중량비를 1.00에서 1.75까지 0.25 단위로 달리하였다. 특히, 주제 비율이 높은 배합인 RPU1.50, RPU1.75의 경우 실제 구조 부재로서의 직접적인 활용보다는, 폴리우레탄 배합비 변화에 따른 역학적 강도 저하와 감쇠비 증가 사이의 극단적인 상충 관계 경향성을 실험적으로 규명하고 구조적 적용이 가능한 최적의 배합점을 도출하기 위한 대조군 목적으로 변수에 포함하였다.

RPU1.00-PA 시리즈 배합은 폴리우레탄의 사용을 줄이기 위한 것으로, 2단계 타설 공법을 기반으로 사전 채움 골재의 최대 치수 변화가 복합재료의 성능에 미치는 영향을 조사하기 위한 배합이다. RPU1.00-PA 시리즈 배합의 경우 프리플레이스드 콘크리트 제조 방식과 유사하게 골재를 몰드에 채워 넣은 후 액상의 폴리우레탄을 골재 사이로 주입하여 제작하였다. 골재의 밀도와 무게를 통해 계산한 골재의 부피는 전체의 약 50 %였다.

본 실험에 사용된 경질 폴리우레탄은 굳기 전에 낮은 점도와 우수한 유동성을 보유하고 있어 별도의 가압 공정 없이도 골재 사이의 미세한 공극으로 자중에 의해 원활하게 침투하였다. Fig. 1은 이 연구에서 제안한 2단계 고감쇠 폴리우레탄 콘크리트 복합재료의 제조 과정을 도식적으로 나타낸 것이다.

Fig. 1 Preplaced aggregates (a) diagram (b) photo

감쇠성능과 역학성능을 평가하기 위해 40 mm × 40 mm × 160 mm 크기의 실험체를 배합별로 각 3개씩 제조하였다. 제조된 실험체는 폴리우레탄의 경화를 위하여 온도 23 °C ± 3 °C와 상대습도 60 % ± 5 %로 유지되는 항온항습실에서 2일간 거푸집 상태로 보관한 후 탈형하였으며, 이후 동일한 조건의 항온항습실에서 재령 28일까지 기중 양생을 실시하였다.

2.3 실험 방법

2.3.1 감쇠성능 평가 실험

각 배합 실험체의 감쇠 특성을 조사하기 위해 충격 가진 실험(Impact excitation test)을 수행하였다. Fig. 2는 이 연구에 적용된 자유 진동 기반의 실험 셋업 모식도를 보여준다. 실험체 길이 방향의 진동 신호는 가속도계(PCB 353B16, PCB Piezotronics, Inc., USA)와 데이터 수집 장치(PCB 480B21, PCB Piezotronics, Inc., USA 및 NI USB-5132, National Instruments, USA)를 사용하여 측정되었다. 가속도계를 한쪽 끝 표면에 부착하고, 반대쪽 끝 표면에 충격을 가하였다. 얇은 막대에 장착된 직경 12.5 mm의 강구(Solid steel ball)를 타격체(Impactor)로 사용하였다.

Fig. 2 Impact test

3.1 감쇠 특성

Fig. 3과 Table 3은 각 배합 실험체의 대표 진동수 영역 신호와 고유 진동수 및 감쇠비를 나타낸다. 기본 배합인 시멘트 기반 실험체 C40은 9,700 Hz의 1차 고유 진동수를 나타내었다. 경질 폴리우레탄이 혼입된 모든 실험체들은 이보다 낮은 값을 보였다. 이를 통해 경질 폴리우레탄이 혼입된 실험체들이 C40 실험체보다 질량 대비 강성 비율이 낮다는 것을 알 수 있다. 이는 고유 진동수($f_n$)가 다음 식 (2)와 같은 관계를 갖기 때문이다.

여기서, $k$와 $m$은 각각 강성과 질량을 나타낸다.

주제 비율의 영향을 조사하고자 설정한 배합인 RPU1.00부터 RPU1.75 실험체를 보면 주제의 양이 증가하면서 고유 진동수 피크가 고주파 대역(RPU1.00, 약 3,600 Hz)에서 저주파 대역(RPU1.75, 약 2,400 Hz∼2,700 Hz)으로 뚜렷하게 이동하였다. 이와 동시에 공진 피크의 폭(Bandwidth)은 점차 넓어지는 점탄성 거동의 심화 현상을 보였다. 이 넓어진 대역폭을 바탕으로 하프파워법(Half-power bandwidth method)을 적용한 결과, 주제 비율이 가장 낮은 RPU1.00의 감쇠비는 2.40 %로 C40 배합보다 57 % 높았다. 주제 비율이 1.75로 증가한 RPU1.75 배합의 감쇠비는 11.43 %로 RPU1.00 배합보다 약 4.7배 증가하였다. 이러한 현상은 매트릭스 내부의 화학적 가교 밀도(Crosslink density) 변화로 해석된다. 구조물의 고유 진동수는 재료의 질량 대비 강성 비의 제곱근에 비례하는데, 주제 비율 증가로 인한 질량 감소 효과보다 가교 밀도 저하로 인한 강성 감소 효과가 훨씬 지배적이므로 고유 진동수가 감소했기 때문이다. 즉, 매트릭스 내부의 가교 밀도 저하는 고분자 사슬의 자유 부피와 분자 사슬 유동성을 증가시킨다. 진동 하중이 가해지면 증가된 유동성으로 인해 고분자 사슬 세그먼트 간에 활발한 상대 거동이 발생하며, 이 과정에서 발생하는 내부 분자 마찰이 기계적 에너지를 열에너지로 소산시켜 감쇠비가 향상된 것으로 해석된다(Baur et al., 2026; Zheng et al., 2025).

Fig. 3 Frequency domain signal of each representative specimen

굵은 골재를 사전 채움 방식으로 넣고 경질 폴리우레탄을 매트릭스로 사용한 RPU1.00-PA 시리즈 배합을 보면 C40 배합과 순수 폴리우레탄 배합의 중간 정도의 감쇠특성을 나타내었다. 굵은 골재의 크기에 따른 영향은 크지 않았으나 유의미한 차이는 나타났다. 13 mm 골재를 사용한 배합보다 25 mm를 사용한 배합의 고유 진동수가 5.3 % 높은 것으로 측정되었고, 감쇠비도 10.8 % 높은 것으로 나타났다. 굵은 골재 최대 치수가 증가하면 입도분포에서 범위가 넓어져 입자채움도 증가로 골재의 양이 증가했을 가능성이 있으며, 이로 인해 고유 진동수가 증가했을 것으로 판단된다. 감쇠비 증가는 증가된 골재 간 맞물림에 의한 마찰로 진동 에너지가 추가 소산되었기 때문으로 판단된다. 기존 연구에서도 골재 맞물림에 의한 감쇠 현상은 관찰되었다(Lee et al., 2017). RPU1.00-PA 시리즈 실험체의 경우 굵은 골재의 최대 치수가 실험체 크기에 비해 상대적으로 크기 때문에 벽면효과(wall effect)나 크기효과가 클 수 있다. RPU1.00-PA 시리즈 실험체들의 변동계수(5.9 %∼10.8 %)가 다른 배합들과 유사한 수준(3.9 %∼11.7 %)임을 확인하였으나, 향후 부재 규모의 실험체를 이용한 추가 검증이 필요하다.

3.2 압축강도와 휨강도

Table 4는 각 배합별 압축강도와 휨강도를 나타낸다. 순수 경질 폴리우레탄 배합인 RPU1.00은 C40 배합보다 압축강도는 30 % 낮은 것으로 측정되었으나 일반적인 구조용 재료로 사용하기에 충분한 강도를 나타내었다. 휨강도의 경우 C40 배합은 일반적인 시멘트 배합의 값을 나타낸 반면, RPU1.00 배합은 C40 배합보다 14배 높은 값을 나타내었다. 순수 경질 폴리우레탄 배합의 경우 주제 비율이 증가할수록 강도는 감소하는 것으로 나타났고, 주제 비율이 1.50으로 증가하면 압축강도는 8.98 MPa로 급격히 감소하였으며, 1.75에 도달한 RPU1.75 배합은 구조재료로 사용하기에 하중 지지 능력이 거의 없는 것으로 나타났다.

굵은 골재를 혼입한 배합들의 압축강도는 RPU1.00 배합과 거의 유사한 값을 나타냈으며, 골재 크기의 영향은 유의미한 차이가 없었다. 반면 휨강도는 RPU1.00 배합보다 낮게 나타났다. 13 mm 굵은 골재를 사용한 RPU1.00-PA13 배합은 RPU1.00 배합보다 63 % 낮은 휨강도를 보였다. 골재 크기의 영향은 휨강도에서 압축강도보다 크게 나타났으나, 일관된 경향성은 확인되지 않았다. RPU1.00과 RPU1.00-PA 시리즈의 압축강도와 휨강도 결과를 보면 RPU1.00-PA 시리즈 실험체들에서 가장 결합력이 약한 부위가 계면인 것을 유추할 수 있다. RPU1.00-PA 시리즈의 경우, 사전 채움 타설 공법의 특성상 굵은 골재들이 매트릭스 주입 전에 거푸집 내에 조밀하게 채워지며 골재 간의 연속적인 접촉점을 형성하여 독립적이고 견고한 골재 골격 구조가 형성된다(Abdelgader et al., 2018). 압축 하중이 가해질 때, 응력은 결합력이 약한 계면이나 상대적으로 연성인 폴리우레탄 매트릭스를 거치지 않고, 이 골재 골격의 물리적 맞물림을 통해 직접 전달 및 지지된다. 이러한 골격 지지 효과 덕분에, 폴리우레탄과 골재 사이의 계면 결합력이 낮음에도 불구하고 RPU1.00-PA 시리즈의 압축강도가 급감하지 않고 RPU1.00 배합과 유사한 약 30 MPa 수준을 안정적으로 유지할 수 있었던 것으로 판단된다. 감쇠 특성에서와 같이 RPU1.00-PA 시리즈 실험체의 압축강도와 휨강도의 변동계수는 다른 배합들과 유의미한 차이를 나타내지 않았다.

3.3 종합성능지수

이 연구에서는 폴리우레탄 배합비 및 골재 혼입이 구조 재료로서의 다목적 성능(하중 지지 능력 및 진동 제어 성능)에 미치는 효율성을 정량적으로 평가하기 위해, 대조군(C40)을 기준으로 정규화된 ‘종합성능지수(Normalized Performance Index, NPI)’를 사용하였다. 이 지수는 서로 다른 물리적 차원과 수치적 스케일을 가진 변수들을 비교 가능하도록 대조군 대비 무차원 성능 비로 산정하였으며, 식 (3)과 같이 정의된다.

여기서 $\zeta, f_c, f_f$는 각각 해당 배합의 감쇠비, 압축강도, 휨강도이며, 아래첨자 C40은 대조군의 실험결과 값을 의미한다. 따라서 대조군(C40)의 종합성능지수 값은 항상 1.0이 된다. 이러한 상호곱셈식 기반의 무차원 지수는 특정 구조 성능이 극단적으로 저하될 경우 지수 전체가 급격히 감소하는 페널티 효과를 내재하고 있다. 예를 들어, 주제 비율이 극대화된 RPU1.75 배합의 경우 감쇠비 비율은 대조군 대비 약 7.5배 수준으로 매우 높지만, 압축강도 비율이 0.02 수준으로 급감함에 따라 종합성능지수는 0.15로 대조군(1.0)보다 훨씬 낮은 값을 나타낸다. 따라서 이 지수는 본 연구의 배합 조건 내에서 감쇠비, 압축강도, 휨강도의 상대적 균형을 비교하기 위한 보조 지표로 사용할 수 있다. 다만 실제 구조 적용에서는 사용 목적에 따라 각 성능 항목의 중요도가 달라질 수 있으므로, 향후 적용 대상별 가중치 설정 및 장기 성능 평가를 포함한 보완이 필요하다. Fig. 4는 각 배합별 정규화 종합성능지수의 산정 결과를 보여준다. 분석 결과, 순수 경질 폴리우레탄 배합인 RPU1.00은 압축강도가 소폭 감소했음에도 불구하고 대조군 대비 휨강도가 14배, 감쇠비가 57 % 향상되어 변수 간의 최적의 균형을 이루며 C40 대비 15배 높은 종합성능지수를 나타내었다. 또한, 경제성을 확보하기 위해 굵은 골재를 사전 채움한 RPU1.00-PA25 배합 역시 연속된 골재 골격 구조를 통해 압축 성능을 온전히 유지하면서 계면 마찰을 통한 에너지 소산 능력을 동시에 확보하여 대조군 대비 5.6배 높은 성능을 나타냈다.

Fig. 4 Normalized performance index of each mixture