단열층은 종종 서리 피해 문제를 해결하기 위해 추운 지역의 터널 라이닝 구조물에 침전됩니다. 터널 내에 공기 습도가 지나치게 높아지면, 단열재가 수분을 흡수하는 경향이 있어 열전도율이 크게 변합니다. 또한 낮과 밤주기 사이의 온도 차이는 추운 지역 터널의 입구 부분에서 현저하게 관찰되어 동결–해동 주기를 용이하게 하여 결과적으로 단열재의 성능을 저하시킵니다.
따라서 본 연구의 목적은 동결–해동 조건에서 경질우레탄폼 및 폴리 페놀폼 단열재의 수분 흡수, 열전도율 및 미세 구조의 변화를 확인하는 것입니다. 이를 위해 두 단열재 경질우레탄폼 및 폴리 페놀폼 단열재가 포화될 때까지 실내 수분 흡수 테스트를 수행한 후 동결–해동 주기 테스트를 수행했습니다. 동결–해동 주기의 수에 따라 이들 단열재의 수분 흡수 및 열전도율이 선형적으로 증가하는 것으로 판단됩니다.수분 흡수 후 단열재의 열전도율 변화를 알아보기 위해 이 연구에서는 터널 단열재의 열전도율과 함수율의 관계를 정상 온도와 동결 온도에서의 관계를 규명하였습니다.
1. 서론
중국의 서부, 특히 높은 고도와 위도의 추운 지역의 교통 발전을 촉진하기 위해 건설 중인 터널의 수가 상당히 증가되었습니다. 이전 연구에 따르면 중국 추운 지역 터널의 80% 이상이 서로 다른 정도의 서리 피해에 영향을 받는 것으로 나타났으며, 이 중 약 60%는 누수의 영향을 받았습니다. “10개의 터널과 9개의 누출” 이론은 누출 문제의 보편성과 심각성을 반영합니다.
추운 지역의 터널 서리 피해에는 여러 가지 이유가 있을 수 있습니다. 그러나 주된 이유는 터널 주변 암석의 원래 온도장의 교란 때문인 것으로 확인되었습니다. 터널 내부의 온도 변화는 터널 내부 지하수의 동결 및 해동을 쉽게하여 라이닝 구조의 안정성을 위협하는 것으로 관찰되었습니다. 이러한 온도 변화의 영향을 줄이기 위해 터널 라이닝 구조에 단열층이 증착됩니다. 단열재를 선택할 때, 가장 먼저 고려해야 할 사항은 재료의 열전도율이며, 이는 재료가 열을 전도하는 능력을 반영합니다.
열전도율에 대한 수분 함량의 영향 정도는 단열재의 유형에 따라 달라지며, 이는 재료의 구성과 내부 구조에 따라 달라집니다. 이는 또한 단열재의 흡습 성능 및 열전달에 영향을 미칩니다. 수분 함량이 일정한 폴리우레탄 단열재의 열전도율 변화는 Abu-Jdayi에 의해 연구되었습니다. 폴리우레탄의 수분 함량이 0%에서 10%로 증가하면 열전도율이 0.025W/(m·K)에서 0.046W/(m·K)으로 증가한 것으로 나타났습니다.
Loboda와 Szurman은 재료를 담근 후 즉시 미네랄울의 열전도율을 측정한 후, 미네랄울이 건조되는 동안 다른 시간 간격으로 후속 측정을 수행했습니다. 결과는 미네랄울의 수분 함량과 다시 건조한 재료의 열전도율에 미미한 영향을 미치는 것으로 나타났습니다. Gur’ev 및 Khainer가 섬유질 재료에 대한 열전도율에 대해 수행한 연구에 따르면 열전도율은 재료의 수분 함량에 따라 달라집니다.
Abdou와 Budaiwi는 세 가지 밀도의 재료, 특히 유리 섬유를 분석했습니다. 이어서 그들은 열전도율의 변화를 재료의 수분 함량의 측정된 변화와 비교했습니다. 초기 열전도율이 높고 초기 수분 함량이 높은 재료는 수분 함량의 변화에 따라 열전도율의 변화가 더 크다는 점을 주목했습니다. 섬유 단열재의 수치 실험은 열전도율에 영향을 미치는 가장 중요한 세 가지 요소가 초기 수분 함량, 섬유 단열층의 두께 및 주변 온도라는 Jintu의 추론을 용이하게 했습니다. D’Alessandro et al에 따르면, 상대 습도가 있는 챔버에 미네랄울 및 폴리우레탄폼과 같은 단열재를 배치하고 뜨거운 디스크 장치를 사용하여 샘플의 열전도율을 테스트하여 수분 함량의 영향과 다양한 재료의 영향을 평가했습니다.
요약하면 수분 함량은 단열재의 열전도율에 상당한 영향을 미칩니다. 단열재가 환경에서 물을 흡수하면 수분 함량이 변하여 실제 열전도율은 제조업체가 제공하는 열전도율 간에 상당한 차이가 발생합니다. 지금까지 단열재 성능에 대한 연구는 광범위하게 진행되어 왔지만, 단열재에 의한 물 흡수 후의 흡수 특성과 단열 성능에 관한 연구는 상대적으로 부족한 실정입니다.
더욱이 추운 지역의 터널은 터널 입구의 낮과 밤 주기 사이의 온도 차이가 큰 가혹한 조건을 경험합니다. 잠에는 기온이 –20℃ 정도로 낮습니다. 이러한 조건에서 단열재의 기공 구조로 흡수된 물은 쉽게 얼음으로 변환될 것입니다. 동결–해동 주기는 수분 함유 단열재의 성능을 저하시킵니다. 따라서 추운 지역 터널에 사용되는 단열재의 수분 흡수 및 단열 특성을 연구하는 것은 매우 중요합니다.
이러한 특성은 적절한 단열재를 선택하고 단열재의 단열 성능과 터널의 부동 효과 등을 정확하게 예측할 때 재료 제조업체, 건물 소유자 및 설계자에게 매우 중요합니다.
이 연구에서, 폴리우레탄 및 폴리 페놀폼 단열재의 수분 흡수 및 열전도율은 동결–해동 조건에서 조사되었습니다. 실내 수분 흡수 테스트는 온도 및 습도 조절 상자에 두 재료 폴리우레탄 및 폴리 페놀폼 단열재를 넣어 수행했습니다. 추운 지역 터널의 환경을 대표하는 동결–해동 주기를 실험하기 위해 폴리우레탄 및 폴리 페놀폼 단열재 모두 샘플이 포화된 후 동결–해동 주기 테스트를 거쳤습니다. 마지막으로 주사 전자 현미경을 이용하여 단열재의 미세 구조를 조사했습니다.
2. 재료 및 방법
1) 재료 선택 및 재료 속성
폴리우레탄 단열재 및 폴리 페놀폼 단열재는 중국 추운 지역 터널 라이닝에 일반적으로 사용되기 때문에 시험 재료로 선정되었습니다. 재료의 기본 성능 지표는 아래 표와 같습니다. 샘플의 크기는 아래 그림과 같이 100mm*100mm*50mm로 결정되었습니다.
[단열재의 기본 성능 지표]
[단열재 샘플]
2) 테스트 과정
(1) 수분 흡수 테스트
폴리우레탄 단열재 및 폴리 페놀폼 단열재는 질량이 안정된 상태에 도달할 때까지 약 60℃의 오븐에서 건조되었습니다. 이어서 폴리우레탄 단열재 및 폴리 페놀폼 단열재는 건조 실린더에서 실온으로 냉각시켰습니다. 그후 폴리우레탄 단열재 및 폴리 페놀폼 단열재는 밀봉된 비닐에 넣어 폴리우레탄 단열재 및 폴리 페놀폼 단열재의 수분 함량에 대한 공기 습도의 영향을 완화했습니다. 흡습 테스트를 시작하기 전에 항온항습실의 온도를 20℃로 조정했습니다.
그런 다음, 건조된 폴리우레탄 단열재 및 폴리 페놀폼 단열재를 수분 흡수 장치에 넣었습니다. 수분 흡수 기간 후, 단열재 샘플이 안정된 수분 흡수 상태에 도달할 때까지 샘플의 질량을 측정하고 기록했습니다. 이 테스트에서 사용된 수분 흡수 장치는 아래 그림과 같습니다. 또한 일부 기술 매개 변수는 아래 표와 같습니다.
[온도 및 습도 콘트롤 박스]
[일정한 온도 및 습도 박스의 일부 매개 변수]
(2) 동결–해동 주기 테스트
단열재를 추운 지역 터널에 배치할 때, 발생하는 반복적인 동결–해동 주기 과정을 실험하기 위해 폴리우레탄 단열재 및 폴리 페놀폼 단열재에 수분 흡수 동결–해동 주기 테스트를 적용했습니다. 저온 테스트 박스의 온도는 사전에 –20℃로 조정되었습니다. 먼저, 흡수 테스트 과정을 반복하여 폴리우레탄 단열재 및 폴리 페놀폼 단열재의 포화되었는지 확인했습니다. 그 후, 폴리우레탄 단열재 및 폴리 페놀폼 단열재가 수분 흡수에서 포화 상태에 도달하면 밀봉된 비닐에 보관됩니다. 그런 다음, 저온 테스트 박스에 넣어 12시간 동안 동결시킨 다음 온도 및 습도 조절 챔버에 배치하여 온도 20℃, 상대습도 95%에서 12시간 동안 수분을 흡수합니다.
위에서 언급한 단계를 반복하여 수분 흡수 동결–해동 주기를 완료했습니다. 5회 동결–해동 주기 후, 단열재의 수분 흡수 및 열전도율을 테스트했습니다. 이 실험에 사용된 고온 및 저온 테스트 챔버는 아래 그림과 같으며, 또한 폴리우레탄 단열재 및 폴리 페놀폼 단열재를 그림과 같이 동결했습니다.
[고온 및 저온 테스트 챔버]
[샘플 동결]
3) 열전도율 테스트
이 실험의 열전도율 테스트는 센서(Transient Plane Source)방법을 기반으로하며, 아래 그림과 같이 Hot Disk-2500s, ermal Conductivity Meter를 사용합니다. Hot Disk-2500s, ermal Conductivity Meter는 테스트 조사, 열 상수 분석기 및 컴퓨터로 구성됩니다. 테스트 조사는 전도성 니켈 호일 와이어로 구성되어 이중 나선형 모양을 형성합니다. 테스트 동안 조사는 샌드위치 구조를 형성하기 위해 두 개의 절연 재료 샘플 중간에 배치됩니다. 탐지기에는 열원과 온도 센서의 두 가지 구성 요소가 있습니다.
[이 연구에 사용된 열전도율 측정 장치]
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