1. 서 론

선박해양플랜트연구소(KRISO)의 빙해수조에서는 모형빙 을 제작하여 극지 운항 선박의 저항 및 추진 성능 시험을 수 행하고, 해양 구조물에 작용하는 빙하중을 계측하는 시험을 진행하고 있다. 모형시험은 중력과 관성력의 비를 고려한 Froude 상사법칙을 기반으로 수행되며, 모형빙은 상사법칙 (law of similitude)의 역학적 상사(dynamic similitude)에 따라 물 리적 특성이 설정된다(ITTC, 2024b). 실험 결과의 해석 및 해 빙과의 유사성 확보를 위해, 두께(ice thickness), 굽힘강도 (flexural strength), 마찰계수(ice friction) 외에도 압축강도 (compressive strength), 밀도(density), 탄성계수(elastic modulus) 등이 중요한 물성 인자로 활용된다(Timco and Weeks, 2010). 이러한 상사법칙은 Table 1에 요약되어 있다.

모형빙은 결정구조(Crystal structure)와 화학적 구성성분 (Chemical composition)에 따라 각각의 고유한 물리적 특성을 나타낸다. Table 2에 요약된 바와 같이, 모형빙의 결정 구조 는 주로 생성 방식에 따라 입자형(fine-grained)과 기둥형 (columnar)으로 구분된다.

입자형 모형빙은 수면 위에 빙핵을 지속적으로 분사하여 다층으로 적층시키는 방식으로 생성되며, 기둥형 모형빙은 수면에 일회성으로 빙핵을 살포한 후 아래 방향으로 성장시 키는 방식으로 형성된다. 특히 기둥형 구조는 자연 해빙의 성장 방식과 유사한 특징을 지닌다(ITTC, 2021).

모형빙은 첨가되는 화학적 구성성분에 따라 명칭과 물리 적 특성이 달라지며, 일반적으로 다음 세 가지 유형으로 분 류된다. 첫째, 담수(fresh water)에 염화나트륨(Sodium Chloride, NaCl)을 혼합하여 생성하는 염수빙(saline ice), 둘째, 요소 (urea)를 첨가하여 제조한 요소빙(urea ice), 셋째, 프로필렌글 리콜(Propylene Glycol, PG), 에틸렌글리콜(Ethylene glycol, EG), 알킬계 계면활성제(Aliphatic Detergent, AD), 설탕(sugar) 등을 혼합하여 제조하는 합성빙(synthetic ice)이 있다.

선박해양플랜트연구소(KRISO)에서는 초기 단계에서 캐나다 국립 연구 위원회(NRC)의 빙해수조에서 사용되던 EG/AD/S 조성의 모형빙을 도입하였으나, 수조 내 박테리아 번식을 억제하기 위해 설탕 성분(S)을 제거한 EG/AD 모형빙으로 변 경하였다. 이후 인체 안전성을 고려하여 EG를 대체할 수 있 는 PG 성분을 도입하였고, 현재는 PG/EG/AD 조성의 합성 모 형빙이 사용되고 있다(Park et al., 2022).

한편, 상업적으로 널리 활용되는 해외의 주요 빙해수조로 는 핀란드의 AARC(Aker Arctic Technology Inc.), 독일의 HSVA (Hamburg Ship Model Basin), 러시아의 KSRC(Krylov State Research Center) 등이 있으며, 이들 수조는 공통적으로 염수 빙을 사용하고 있으나, 결정 구조는 수조별로 상이하다. 예 를 들어, AARC는 입자형 모형빙, HSVA는 기둥형 모형빙, KSRC는 입자형과 기둥형을 목적에 따라 선택적으로 사용하 고 있다(ITTC, 2021).

본 연구에서는 선박해양플랜트연구소(KRISO)의 콜드룸 내 간이수조를 활용하여, 화학적 조성이 상이한 모형빙을 직접 생성하고 그 물리적 특성을 분석하였다. 실험에 사용 된 모형빙은 결정 구조를 기둥형으로 통일하여 생성하였으 며, 조성 측면에서는 해외 주요 상업용 빙해수조에서 사용 되는 염수빙과 KRISO에서 운용 중인 합성빙의 화학적 조성 을 반영하였다. 이를 통해 차세대 빙해수조 모형빙 선정에 필요한 기초 자료 및 성능 비교 기준을 마련하고자 하였다.

2. 합성빙과 염수빙의 특성

합성빙에는 프로필렌글리콜(Propylene Glycol, PG)과 알킬 계 계면활성제(Aliphatic Detergent, AD)가 첨가되며, 염수빙에 는 염화나트륨(Sodium Chloride, NaCl)이 포함된다. 이와 같은 저분자량 첨가물은 얼음 결정 구조 내에 포획되었다가, 공 융 현상(eutectic phenomenon)을 통해 얼음의 강도를 저하시키 는 역할을 한다(Schwarz and Weeks, 1977). 특히 AD는 계면활 성제로서 용액의 표면 장력을 감소시켜 PG와 같은 첨가물이 얼음 결정 내에 더욱 많이 포획되도록 유도한다.

또한, 이러한 첨가물은 얼음의 측면 결정 성장(lateral crystal growth)을 억제하여 미세한 결정 조직(fine-grained structure)을 형성하는 데 기여한다(Schwarz and Weeks, 1977). 미세 결정 구조는 빙-선체 간 접촉(hull-ice interaction) 시 얼음이 파괴되 며 생성되는 빙편(ice fragments)의 크기를 감소시키는 데 효 과적이며, 결과적으로 실제 해빙에서 관찰되는 파괴 거동과 유사한 형상을 모형빙 실험을 통해 재현하는 데 도움을 준 다. 이와 같은 결정 성장 억제 및 파괴 특성은 Fig. 1에 시각 적으로 나타내었다.

2.1 혼합 화학물질 특성

모형빙 생성 시 사용되는 주요 첨가제인 프로필렌글리콜 (Propylene Glycol, PG), 알킬계 계면활성제(Aliphatic Detergent, AD), 염화나트륨(Sodium Chloride, NaCl)의 화학적 특성을 Table 3에 정리하였다. 이러한 첨가제는 모형빙의 물리적 특 성에 직접적인 영향을 미치며, 시험 목적에 부합하는 물성 확보를 위해 필수적으로 고려되어야 하는 요소이다.

PG는 무색 무취의 액체로, 분자량 76.09 g/mol, 밀도 1.036 g/cm³, 녹는점 –59 °C, 끓는점 188.2 °C의 물리적 특성을 가 진다. 낮은 녹는점과 비교적 높은 끓는점을 가져 극저온 환경 에서도 액상 상태를 유지할 수 있으며, 물을 포함한 다양한 용매와의 높은 혼화성(miscibility)을 나타낸다(CRC Handbook of Chemistry and Physics, 2021). 이러한 특성 덕분에 PG는 냉 각제, 보습제, 제약 및 식품 산업뿐만 아니라 모형빙 생성 시에도 광범위하게 사용된다.

AD는 약간의 냄새가 있는 무색의 액체로, 분자량은 약 250.37 g/mol, 밀도 0.90 g/cm³, 녹는점 –20 °C, 끓는점 300 °C 의 특성을 갖는다(Sigma-Aldrich Chemical Catalog, 2017). 계면 활성제(surfactant)로서 용액의 표면 장력을 감소시키는 기능 이 있어, PG와 같은 저분자량 화합물이 얼음 결정 내에 보다 효과적으로 포획될 수 있도록 도와준다. AD는 이와 같은 역 할을 통해 모형빙의 결정 성장을 제어하고 미세결정 조직을 유도하는 데 중요한 역할을 수행한다.

NaCl은 무취의 백색 결정성 고체로, 분자량 58.44 g/mol, 밀도 2.17 g/cm³, 녹는점 800 °C, 끓는점 1,465 °C의 높은 열적 안정성을 보인다(CRC Handbook of Chemistry and Physics, 2021). 수용성이 매우 높으며, 염수빙의 생성 시 얼음의 기계 적 강도 및 유연성 조절에 중요한 영향을 미친다. 또한 일반 적인 산업, 화학, 식품 공정 등 다양한 분야에서 기초 화합 물로 널리 사용되고 있다.

3. 모형빙 생성방법

3.1 모형빙 생성용 간이 수조

선박해양플랜트연구소(KRISO)의 빙해수조 콜드룸은 약 –18 °C 까지 온도 제어가 가능한 폐쇄형 냉동 공간으로, 크 기는 5 m(L) × 4 m(B) × 2.5 m(H)이다. 본 연구에서는 콜드룸 내부에 모형빙 생성용 간이 수조를 새롭게 설계·제작하였으 며, 그 개요는 Fig. 2에 나타내었다. 간이 수조의 치수는 1,320 mm(L) × 820 mm(B) × 680 mm(H)이며, 담수와 첨가제가 균일하게 혼합될 수 있도록 마이크로버블 펌프와 분사 노즐 을 장착하였다. 또한 수조의 벽면에는 폴리우레탄 단열재를 부착하여 실내외 온도 차에 의한 열 손실을 최소화하고, 안 정적인 냉각 환경을 유지할 수 있도록 설계하였다.

아울러, 수조 상부에는 와이어 메쉬 커버(wire mesh cover) 를 설치하여, 콜드룸 내 공기 흐름에 의한 수면 교란을 방지 하고 빙결면의 균일한 형성을 유도하였다.

3.2 모형빙 생성 조건 및 공정

본 연구에서는 두 종류의 모형빙을 대상으로 실험을 수행 하였다. 염수빙(saline ice)은 NaCl 1.6%, 3%, 4.9%의 농도로 혼 합하여 제조하였으며, 합성빙(synthetic ice)은 PG 0.39% 단독 첨가형과 PG 0.39%, AD 0.036%를 함께 첨가한 조성의 두 가 지로 나누어 생성하였다. 각 실험 조건은 Table 4에 요약되 어 있다.

모형빙의 생성 절차는 혼합되는 화학물질의 조성을 제외 하면 모든 시료에서 동일한 공정으로 수행되었다. 우선, 냉 각(cooling) 단계에서 수조수를 영하의 온도로 낮춘 후, 빙핵 살포(Seeding) 단계에서는 수조 표면에 빙핵을 균일하게 분 사하여 결정 성장을 유도하였다. 이후 결빙(freezing) 단계에 서는 약 12시간 동안 얼음이 성장하도록 유지하였고, 마지막 으로 강도 조절(tempering) 단계에서는 냉동기를 정지시킨 상 태로 1시간 동안 자연 온도 상승을 유도하여 얼음의 내부 응력을 완화하고 강도를 조절하였다.

이러한 일련의 과정을 완료한 후, 생성된 모형빙에 대해 굽힘강도, 압축강도, 탄성계수 등 주요 물리적 특성을 계측 하였다.

4. 모형빙 특성 계측 방법

모형빙의 주요 물리적 특성인 굽힘강도(flexural strength), 압축강도(compressive strength), 탄성계수(elastic modulus), 밀도 (density) 및 마찰계수(friction coefficient)의 계측 방법은 수십 년에 걸쳐 개발된 ITTC(International Towing Tank Conference) 권고 기준에 따라 표준화되어 왔다(ITTC, 2024a).

본 연구에서는 이 중에서도 굽힘강도, 압축강도, 탄성계수 를 중점적으로 계측하였으며, 그 측정을 위해 만능재료시험 기(UTM, Universal Testing Machine)를 사용하였다. 특히 굽힘 강도 계측에는 3점 굽힘 시험법(3-Point Bending Test)을 적용 하여, 시편 중앙에 하중을 가하고 그에 따른 변형 및 파괴 응답을 분석하였다.

시험에 사용된 Load Cell의 사양은 Table 5에 정리되어 있 으며, 최대 20 kN까지의 정밀한 하중 계측이 가능하도록 설 계되었다.

4.1 굽힘강도 시험 방법

모형빙의 굽힘강도는 시편을 수조수에서 분리하지 않고 수행하는 in-situ 방법과, 시편을 분리하여 수행하는 ex-situ 방 법으로 구분된다.

In-situ 시험 방법으로는 주로 빙해수조에서 적용되는 외팔 보 실험(Cantilever Beam Test)이 사용되며, 이는 Fig. 4에 도시 되어 있다. 한편, ex-situ 시험 방법으로는 3점 굽힘강도 시험 (3-Point Bending Test)이 일반적으로 사용되며, 본 연구에서도 해당 방법을 적용하였고, 실험 개요는 Fig. 5에 제시되어 있다.

시험에 사용되는 시편의 형상 및 치수비는 ITTC에서 권고 한 기준에 따라 결정되며, 특히 시편의 길이(l), 두께(h), 폭(b) 사이의 비율은 Fig. 3에 제시된 기준선을 하회하도록 설계되 어야 한다. 이 범위를 초과할 경우, 시편의 변형 거동이 순 수 굽힘 이론에서 벗어날 수 있어 정밀한 물성 평가에 부적 절할 수 있다(ITTC, 2024a).

4.1.1 외팔보 시험(Cantilever Beam Test)

모형빙의 굽힘강도는 ITTC Ice Committee에서 제안한 표준 시험 절차 중 하나인 외팔보 시험(Cantilever Beam Test)을 통 해 계측할 수 있다. 이 시험은 모형빙판을 절단하여 수조 내 에 외팔보 형태의 시편을 형성한 후, 푸시풀 게이지(Push-pull gauge)를 이용하여 시편의 자유단 끝에 수직 하중을 가하는 방식으로 수행된다.

시편은 수조수에 의해 지지되며, 시편 뿌리 부분에서 파 단이 발생하는 순간의 최대 하중을 계측한 뒤, 다음의 식(1) 에 대입하여 굽힘강도를 산출한다. 이 시험 방법은 현장에 서 즉시 수행 가능한 in-situ 측정 방식으로, 빙해수조 환경에 서 비교적 간편하게 굽힘강도를 평가할 수 있는 장점을 가 진다(ITTC, 2024a).

4.1.2 3점 굽힘강도 시험(3-Point Bending Test)

3점 굽힘강도 시험은 모형빙 시편을 양쪽으로 지지한 상 태에서 길이 방향 중앙에 하중을 가하여 파단될 때까지의 최대 하중을 계측하는 방법이다. 이는 ex-situ 방식으로, 모 형빙 시편을 빙해수조에서 적출한 후 실내 시험 장비(예: UTM)를 이용하여 수행된다.

계측된 최대 하중 값을 식(2)에 대입하여 굽힘강도 를 산 출한다. 이 시험법은 하중 분포의 제어와 반복성이 용이하 다는 장점을 가지며, 다양한 하중 조건에 대한 모형빙의 굽 힘 저항 성능을 평가하는 데 효과적이다(ITTC, 2024a).

4.2 압축강도 시험(Uniaxial Compression Test)

압축강도 시험은 Fig. 6과 같이 만능재료시험기(UTM, Universal Testing Machine)를 이용하여 수행되며, 얼음 시트에 서 절취한 시편을 두께(h), 폭(b), 길이(l) 비율로 1:2:4 또는 1:1:1 형태로 제작하여 사용한다. 시험 시 시편은 수직 방향 으로 압축력을 받도록 지지대에 고정되며, 이때 시편이 하 중 도중 미끄러지지 않도록 충분한 마찰력이 있는 표면을 선택하는 것이 중요하다.

시험 중 계측된 최대 하중(F)을 식(3)에 대입하여 압축강 도를 산출한다. 본 시험은 ITTC Ice Committee에서 제안한 절 차에 기반하며, 모형빙의 구조적 강도 특성 평가에 필수적 인 실험 방법으로 널리 사용된다(ITTC, 2024a).

4.3 탄성계수 시험(Elastic Modulus Test)

모형빙의 탄성계수는 ITTC Ice Committee의 권고 기준에 따라 수조 내에서 in-situ 방식으로 계측하는 것이 원칙이다. 이 경우, 측정 위치는 수조 벽면으로부터 최소한 특성 길이 (characteristic length)의 4배 이상 떨어진 지점에서 수행되어야 하며, 특성 길이는 식(4)를 통해 계산된다.

그러나 본 연구에 사용된 간이 수조는 제한된 물리적 크 기로 인해, ITTC에서 권장하는 특성 길이(characteristic length) 조건을 충족할 수 없었다. 이에 따라 수조 내에서 직접 수행 하는 in-situ 방식의 탄성계수 측정은 불가능하였으며, 대신 ex-situ 방식의 3점 굽힘강도 시험(3-Point Bending Test)을 통 해 탄성계수를 간접적으로 산출하였다.

Fig. 7은 일반적인 응력–변형률 곡선(stress–strain curve)의 형태를 개념적으로 도식화한 것으로, 초기 선형 탄성 구간 에서의 기울기가 Young’s modulus에 해당함을 보여준다. 이 곡선은 재료가 항복 이전까지 선형 탄성 거동을 보이는 구 간에서, 변형률 증가에 따른 응력 상승 관계를 설명하며, 본 연구에서 사용한 분석 절차의 이론적 배경을 시각적으로 나 타낸 것이다.

Fig. 8은 실제 실험을 통해 획득한 하중–변위 곡선(load– displacement curve)으로, 시편이 파단될 때까지의 하중 변화 양상을 보여준다. 해당 곡선에서 선형 거동을 나타내는 초 기 구간을 기준으로 응력–변형률 곡선을 유도하고, 이 곡 선의 기울기를 계산하여 Young’s modulus를 산정하였다.

이와 같이 도출된 Young’s modulus는 식(5)를 통해 탄성계 수로 환산되며, 해당 수식은 3점 굽힘하중 하의 Euler– Bernoulli beam theory를 기반으로 유도된다. 이 이론에 따르 면, 직사각형 단면을 갖는 보(beam)의 처짐(변위)과 응력–변 형률 관계는 하중 조건, 지지 방식, 단면 특성에 따라 수식 화될 수 있으며, 선형 탄성 거동을 가정할 경우 다음과 같은 형태로 정리된다.

5. 모형빙 특성 계측 결과

콜드룸 내부의 대기 온도는 모형빙의 강도 변화에 중요 한 영향을 미치므로, 본 실험에서는 냉동기를 정지한 직후 약 –18 °C에서 시작하여 물성치 계측이 완료되는 3시간 후 약 –4 °C에 도달하도록 동일한 온도 변화를 유도하며 제어 하였다. 물성치 계측은 30분 간격으로 이루어졌으며, 각 시 간 구간마다 간이수조에서 채취한 동일한 조건의 모형빙 시 편 3개를 측정하여 그 평균값을 분석에 사용하였다.

5.1 굽힘강도 계측 결과

Fig. 9는 시간에 따른 각 모형빙의 굽힘강도 변화를 나타 낸 그래프이다. 전반적으로 염수빙의 굽힘강도는 염분 농도 가 낮을수록 높은 값을 나타냈으며, 특히 1.6% 염수빙은 3% 및 4.9% 염수빙 대비 초기 강도 및 유지 특성 모두 우수하게 나타났다.

합성빙의 경우, PG 단독 첨가 합성빙과 PG/AD 혼합 합성 빙 모두 1.5에서 2.5시간 구간에서는 유사한 강도를 보였으 나, 3시간 경과 시점에서는 PG/AD 합성빙의 강도가 더 크게 감소하는 경향을 확인할 수 있었다.

강도 조절(tempering) 단계 동안 1.5시간부터 3시간 구간 의 시간당 굽힘강도 변화 속도를 분석한 결과, 모형빙의 조성에 따라 다음과 같은 경향이 관찰되었다. 1.6% 염수빙 은 –23.6 kPa/h로 가장 빠른 강도 감소 속도를 보였으며, 3% 염수빙과 4.9% 염수빙은 각각 –9.2 kPa/h와 –13.4 kPa/h의 감소 속도를 나타냈다. 한편, PG 합성빙은 –16.8 kPa/h, PG/AD 합성빙은 –21.7 kPa/h로 계측되어, 합성빙 중에서는 AD가 포함된 조성이 더 빠르게 굽힘강도가 저하되는 경향 을 보였다.

이러한 결과는 PG/AD 합성빙이 상대적으로 강도 저하 속 도가 크며, 고농도 염수빙(3%, 4.9%)보다도 더 빠르게 강도 가 감소함을 시사한다. 그러나 전체적인 굽힘강도 변화의 기울기를 기준으로 비교했을 때, 1.6% 염수빙과 PG/AD 합성 빙의 감소 추세가 가장 유사하게 나타났다.

이는 향후 실제 해빙의 기계적 거동을 모사할 수 있는 대 안적 모형빙 조성으로 두 조성이 유사한 역할을 할 수 있음 을 시사한다.

5.2 압축강도 계측 결과

Fig. 10은 시간에 따른 각 모형빙의 압축강도 변화를 나타 낸 그래프이다. 초기 압축강도가 가장 높게 나타난 모형빙 은 PG 합성빙이었으며, 다음으로는 PG/AD 합성빙 순으로 나타났다. 반면 염수빙의 경우, 굽힘강도와 마찬가지로 NaCl 농도가 낮을수록 압축강도가 높게 나타났으며, 특히 1.6% 염수빙은 3% 및 4.9% 염수빙과 비교하여 뚜렷한 차이를 보 였다.

강도 조절(tempering) 단계 동안 1.5시간부터 3시간 구간 의 시간당 압축강도 변화 속도를 분석한 결과, PG 합성빙은 –190.3 kPa/h, PG/AD 합성빙은 –135.7 kPa/h의 감소 속도를 보였다. 이는 합성빙 중에서도 PG 단일 첨가물이 AD를 함께 첨가한 조성보다 더 빠르게 강도를 저하시키는 경향을 나타 낸다.

염수빙의 경우, 1.6% 농도에서 –103.9 kPa/h, 3% 농도에서 –38.4 kPa/h, 4.9% 농도에서 –60.0 kPa/h의 감소 속도를 보였 으며, 염분 농도가 높을수록 초기 압축강도는 낮고 강도 감 소 속도는 완만해지는 경향을 확인할 수 있었다.

합성빙과 염수빙을 비교하였을 때, PG/AD 합성빙과 1.6% 염수빙은 유사한 압축강도 변화 기울기를 보여 강도 조절 과정에서의 구조적 응답 특성이 유사함을 시사한다. 다만, 굽힘강도의 경우 1.6% 염수빙이 PG/AD 합성빙보다 높은 초 기 강도를 보인 반면, 압축강도에서는 PG/AD 합성빙의 초기 강도가 더 높게 나타났다.

이는 첨가제의 종류와 조성에 따라 모형빙이 굽힘 및 압 축 조건에서 상이한 기계적 거동을 보일 수 있음을 의미한 다.

5.3 탄성계수 계측 결과

콜드룸에서 생성된 모형빙의 강도 조절(tempering) 단계 동 안 탄성계수의 변화 경향을 분석한 결과는 Fig. 11에 제시되 어 있다. 실험 결과, PG/AD 합성빙이 가장 높은 초기 탄성계 수를 나타냈으며, 그다음은 1.6% 염수빙, 이어서 PG 합성빙, 3% 염수빙 순으로 확인되었다. 한편, 4.9% 염수빙 시편은 강 도가 너무 낮아 3점 굽힘강도 시험을 통한 Stress–Strain 곡 선 획득이 불가능하여 탄성계수를 산출하지 못하였다.

각 조성별로 탄성계수의 시간당 변화 속도를 정량적으로 분석한 결과, PG 합성빙은 시간당 약 –10.7 MPa의 감소 속도를 보여 가장 빠른 강성 저하를 나타냈다. PG/AD 합성 빙은 이와 유사하게 –10.5 MPa/h의 감소 속도를 보였으며, 염수빙의 경우 1.6% 염수빙은 –8.7 MPa/h, 3% 염수빙은 – 6.2 MPa/h로 상대적으로 완만한 감소 경향을 보였다.

PG와 PG/AD 합성빙을 비교했을 때, 초기 탄성계수는 약 2배의 차이를 보였고, PG 합성빙이 더 빠르게 탄성계수가 감소하는 경향을 보였다. 염수빙 역시 1.6% 염수빙이 3% 염 수빙보다 약 2배 높은 초기 탄성계수를 나타냈으며, 온도 상 승에 따라 두 조성 모두 유사한 수준의 감소 기울기를 보였 다.

이러한 결과는 PG/AD 합성빙이 높은 초기 강성과 함께, 온도 상승에 따른 점진적인 강성 저하 특성을 동시에 갖추 고 있음을 시사한다. 특히 PG/AD 합성빙의 탄성계수 변화 기울기가 1.6% 및 3% 염수빙과 유사하게 나타났다는 점은, 해당 조성이 실제 해빙의 기계적 특성 변화를 효과적으로 모사할 수 있는 잠재적 대안이 될 수 있음을 보여준다.

5.4 탄성계수/굽힘강도 비

모형빙의 강도 특성을 보다 정량적으로 비교하기 위해 탄 성계수와 굽힘강도의 비율을 분석한 결과는 Fig. 12에 제시하 였다. 이 비율은 모형빙의 상대적 강성과 취성의 정도를 판 단할 수 있는 지표로 활용될 수 있으며, 강도 조절(tempering) 시간에 따라 각 조성별로 상이한 거동을 나타내었다.

PG/AD 합성빙은 전체 시험 구간에서 가장 높은 초기 탄 성계수/굽힘강도 비율을 보였으며, 시간 경과에 따라 해당 비율이 지속적으로 증가하는 경향을 나타냈다. 이는 시간이 지날수록 상대적으로 굽힘강도에 비해 강성(탄성계수)의 유 지 정도가 높다는 것을 의미한다.

염수빙 중에서는 1.6% 염수빙이 초기에는 PG/AD 합성빙 보다 다소 낮은 비율을 보였으나, 이후 유사한 상승 추세를 보이며 강성 유지 특성에서 긍정적인 성능을 나타냈다. 반 면, 3% 염수빙과 PG 합성빙은 시간이 지남에 따라 탄성계수 /굽힘강도 비율이 점차 감소하는 경향을 보였으며, 이는 상 대적으로 강성 저하가 굽힘강도 저하보다 더 크게 발생했음 을 시사한다.

이러한 분석은 모형빙의 조성에 따라 시간에 따른 강도 특성 변화 양상이 뚜렷하게 달라짐을 보여주며, 실제 해빙 특성 모사를 위한 모형빙 선정에 있어 중요한 기준이 될 수 있다.

5.5 압축강도/굽힘강도 비

모형빙의 기계적 특성을 종합적으로 판단하기 위한 지표 로, 압축강도 대비 굽힘강도의 비율을 분석하였다. Fig. 13은 각 조성별 모형빙의 압축강도/굽힘강도 비율의 시간에 따른 변화를 나타낸다.

PG 및 PG/AD 합성빙은 전체적으로 약 8에서 14의 범위 내에서 높은 압축강도/굽힘강도 비율을 보였으며, 이는 염수 빙의 3에서 5 범위보다 현저히 높은 값이다. PG 합성빙과 염 수빙은 강도 조절(tempering) 시간이 경과함에 따라 해당 비 율이 상대적으로 일정하게 유지되는 경향을 보였으나, PG/AD 합성빙은 시간에 따라 뚜렷한 증가 추세를 나타내었 다. 이는 동일한 시간 동안 굽힘강도가 압축강도보다 더 빠 르게 감소했음을 시사한다.

한편, 염수빙 조성들(1.6%, 3%, 4.9%)의 경우, 초기 압축/굽 힘강도 비는 합성빙에 비해 낮았으나, 시간이 경과함에 따 라 완만한 상승 경향을 보였다. 이는 염수빙 또한 강도 조절 단계에서 상대적으로 굽힘강도 감소가 더 크게 발생했음을 의미하나, 합성빙에 비해 그 변화 폭은 작았다.

이러한 분석은 모형빙의 성능 평가지표로서 압축-굽힘강 도 비율이 유의미하게 활용될 수 있음을 시사하며, 조성별 특성 차이를 정량적으로 이해하는 데 도움이 된다.

6. 결 론

본 연구에서는 합성빙과 염수빙의 조성 변화에 따른 물리 적 특성의 차이를 정량적으로 평가하고, 강도 조절(tempering) 단계 동안 모형빙의 주요 특성인 굽힘강도, 압축강도, 탄성 계수 및 이들의 비율(탄성계수 대비 굽힘강도, 압축강도 대 비 굽힘강도)의 변화 경향을 분석하였다. 강도 조절 단계는 모형빙의 두께를 성장시키는 동시에 굽힘강도, 압축강도 및 탄성계수를 저감시켜 상사법칙에 따른 목표 물성을 유도하 는 과정으로 정의된다.

이 과정에서 탄성계수 대비 굽힘강도 비율과 압축강도 대 비 굽힘강도 비율이 실제 해빙의 특성 범위에 근접하도록 조정되어야, 모형빙의 파괴 거동이 실해역 해빙과 유사하게 재현될 수 있다. 문헌에 따르면 실제 해빙의 탄성계수 대비 굽힘강도 비율은 약 2,000 ~ 8,000 범위, 압축강도 대비 굽힘 강도 비율은 약 5 ~ 10 범위로 알려져 있으며, KRISO 빙해수 조에서는 각각 약 725 ~ 1168 및 1.5 ~ 2로 계측된 바 있다.

한편, 본 연구에 사용된 간이수조(1320 mm × 820 mm × 680 mm)는 실제 빙해수조(42 m × 32 m × 2.5 m)에 비해 규모 가 작고, 냉동기의 성능 또한 상이하기 때문에 축척 효과 (scale effect)에 따른 물성 변화가 존재하며, 절대적인 수치를 비교하는 데에는 한계가 있다. 그럼에도 불구하고 동일한 환경에서 생성된 다양한 조성의 모형빙을 상호 비교한 결 과, PG/AD 합성빙은 현재 KRISO 빙해수조에서 사용 중인 PG/EG/AD 조성의 합성빙과 가장 유사한 물리적 특성을 나 타내는 것으로 확인되었다.

PG/AD 합성빙은 강도 조절 과정에서 굽힘강도와 압축강 도의 감소가 균형 있게 이루어졌으며, 압축강도 대비 굽힘 강도 비율도 일정 수준 이상으로 유지되었다. 반면, PG 단독 합성빙은 굽힘강도 대비 탄성계수의 상대적 감소폭이 커서 탄성계수 대비 굽힘강도 비율이 지속적으로 하락하는 경향 을 나타냈다.

또한, 염수빙 조성 중에서는 1.6% 염수빙이 굽힘강도, 압 축강도, 탄성계수 측면에서 PG/AD 합성빙과 유사한 물성을 보였으며, 강도 조절 시간에 따라 탄성계수 대비 굽힘강도 비율이 증가하는 경향도 동일하게 나타났다. 이는 1.6% 염수 빙이 실제 해빙의 거동 특성을 모사하는 데 있어 유사한 대 체 조성으로 활용될 수 있음을 시사한다. 반면, 3% 이상 고 농도 염수빙은 초기 강도가 낮고 탄성계수도 크게 저하되는 특성을 보여 모형빙으로서의 적합성이 낮은 것으로 판단되 었다.

결론적으로, PG/AD 합성빙은 간이수조 환경에서 KRISO 빙해수조의 합성빙 조성을 효과적으로 재현할 수 있는 적절 한 대안으로 판단되며, 염수빙 중에서는 1.6% 염수빙이 가장 유사한 특성을 보이는 것으로 확인되었다. 향후에는 1.6%를 기준으로 한 염수 농도 확장 실험 및 상사법칙을 기반으로 한 추가 검증이 필요할 것으로 판단된다.