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동결/해동 조건에서 추운 지역 터널 PF단열재(페놀폼 보드) 및 폴리우레탄 단열재의 수분 흡수 및 열전도율 연구(3)

출처: https://www.researchgate.net/publication/343027114_Study_on_Water_Absorption_and_Thermal_Conductivity_of_Tunnel_Insulation_Materials_in_a_Cold_Region_under_Freeze-Thaw_Conditions/fulltext/5f156dcd299bf1e548c66a21/Study-on-Water-Absorption-and-Thermal-Conductivity-of-Tunnel-Insulation-Materials-in-a-Cold-Region-under-Freeze-Thaw-Conditions.pdf?origin=publication_detail

 3) 실내 온도에서 단열재의 열전도율

 

 

     질량 백분율로 수분 함량에 대해 측정한 두 단열재의 열전도율은 아래 그림과 같습니다. PF단열재(페놀폼 보드) 및 폴리우레탄 단열재의 열전도율은 수분 함량이 증가함에 따라 거의 선형적으로 증가했습니다. PF단열재(페놀폼 보드)의 경우 샘플의 수분 함량이 78.78%에 도달했을 때, 열전도율은 0.03742W/(m·K)였으며, 이 값은 건조 PF단열재(페놀폼 보드)보다 26.8% 더 높았습니다.

 

     폴리우레탄 단열재의 경우 샘플의 질량 수분 함량이 14.06%에 도달했을 때 열전도율은 0.02986W/(m·K)였으며, 이 값은 건조 샘플보다 14.4% 높았습니다.

 

     폴리우레탄과 PF단열재(페놀폼 보드)의 열전도율은 수분 함량이 0일 때 비슷합니다. 그러나 폴리우레탄 단열재의 흡수율이 낮아 폴리우레탄 단열재의 열전도율이 PF단열재(페놀폼 보드)의 열전도율보다 낮다는 것을 의미합니다. 따라서 열전도율 측면에서 볼 때, 폴리우레탄 단열재가 더 좋습니다. PF단열재(페놀폼 보드)의 열전도율과 수분 함량 간의 관계에 대한 적합한 공식은 다음과 같습니다.

 

λe = 0.0295 + 9.633 × 10³ω, (5)

 

     여기서 λe는 열전도율이고 ω는 수분 함량입니다. 폴리우레탄 단열재의 열전도율과 수분 함량 사이의 관게에 대한 적합한 공식은 다음과 같습니다.

 

λe = 0.0261 + 2.5485 × 10²ω, (6)

 

     여기서 λe는 열전도율이고 ω는 수분 함량입니다.

 

 4) 냉동 후 열전도율과 얼음 함량의 관계

 

     폴리우레탄 단열재와 PF단열재(페놀폼 보드)의 열전도율과 얼음 함량 간의 관계는 아래 그림과 같습니다. 일반적으로 단열재 내에 물이 얼면 열전도율이 급격하게 변하는 것이 관찰되었습니다.

 

 

[동결 전후 단열재의 열전도율. (a) PF단열재(페놀폼 단열재), (b) 폴리우레탄 단열재]

 

 

     이것은 주로 건조한 단열재의 열전도율이 얼음보다 훨씬 적기 때문입니다. 얼음의 함량이 증가함에 따라 폴리우레탄 단열재와 PF단열재(페놀폼 보드)의 열전도율이 점차 증가했습니다. 또한 열전도율이 동결 전에 관찰된 것보다 더 크게 증가하는 것이 관찰되었습니다. 열전도율의 변화는 저온에서 단열재가 동결된 후 더 민감했습니다. 냉동된 샘플의 열전도율은 일반적으로 냉동 전에 관찰된 것보다 더 컸습니다. 폴리우레탄 단열재와 PF단열재(페놀폼 보드)의 얼음 함량이 0일 때만 두 값이 가깝습니다. 이것은 동결이 건식 단열재의 열전도율에 미미한 영향을 미친다는 것을 보여줍니다. 얼음의 열전도율은 2.3W/(m·K)로 물(0.58W/(m·K))의 약 4배에 달합니다.

 

     단열재 내부의 물이 얼음으로 변환되면, 냉동 온도에서 열전도율은 증가하게 됩니다. 따라서, 폴리우레탄 단열재와 PF단열재(페놀폼 보드)의 열전도율은 얼음 함량이 증가함에 따라 점차적으로 증가했습니다. 특히 페놀폼 단열재(PF보드)의 열전도율은 얼음 함량이 증가함에 따라 상기 그림 [동결 전후 단열재의 열전도율. (a) PF단열재(페놀폼 단열재)]에서 볼 수 있듯이 포물선 방식으로 증가합니다. 상기 그림 [동결 전후 단열재의 열전도율. (b) 폴리우레탄 단열재]의 경우 열전도율 곡선은 얼음 함량에 따라 변합니다. 이것은 두 단계로 나뉘었습니다.

 

   ① 첫 번째 단계는 열전도율 변동 단계였으며, 얼음 함량 범위의 해당 변화는 0%에서 5%까지 였습니다. 여기서 열전도율은 위/아래로 변동한다는 점에 유의해야합니다.

 

   ② 두 번째 단계는 열전도율의 안정된 성장 단계였으며, 얼음 함량의 해당 변화는 5%에서 14% 범위였으며 열전도율은 얼음 함량에 따라 성현적으로 증가했습니다. 얼음 함량이 14.11%일 때, 열전도율은 건조했을 때보다 20.6% 증가했습니다.

 

 5) 수분 함유 단열재의 열화작용 분석

 

     아래 그림 (a)에서 폴리우레탄단열재의 원래 기공 구조의 대부분은 자연적인 오픈 셀(open-cell) 구조가 적은 폐쇄 셀(closed-cell) 기공 구조를 나타냄을 알 수 있습니다. 동결해동 시험 전의 내부 골격 구조는 주로 몇 개의 국소 균열이 있는 것으로 관찰되었습니다. 또한 그림 (b)에서 50회 동결해동 주기 후 폴리우레탄 단열재의 오픈(open) 기공 수가 점차 증가하고, 폐쇄(closed) 기공 수가 감소함을 알 수 있습니다.

 

 

 

[단열재의 미세 기공 구조.

(a) 동결해동되지 않은 폴리우레탄 단열재,

(b) 폴리우레탄 단열재 50회 동결해동]

     그림 (c)에서 PF단열재(페놀폼 보드)의 미세 기공 구조가 동결해동 시험을 거치기 전에 작고 조밀한 벌집 모양을 구성함을 알 수 있습니다. 생산 공정의 불가피한 결함으로 인해 소량의 골격 균열이 관찰되었습니다. 50회 동결해동 테스트 후, 그림 (d)와 같이 골격 구조는 거의 골격 모양이 없이 심각한 손상을 입었습니다. 또한 PF단열재(페놀폼 보드)의 기공 구조 손상은 폴리우레탄 단열재의 손상보다 더 심각했습니다.

 

[단열재의 미세 기공 구조.

(c) 동결해동되지 않은 PF단열재(페놀폼 보드),

(d) PF단열재(페놀폼 보드) 50회 동결해동]

 

     동결해동 주기에서 단열재의 성능 저하는 주로 수분 흡수의 지속적인 증가로 인한 열전도율의 증가에 의해 대규모 적으로 나타납니다. 현미경으로 보면, 단열재의 내부 기공 구조가 손상되었습니다. 동결해동 횟수가 증가함에 따라 폐쇄 모공이 오픈 모공으로 바뀌고 골격 구조의 균열이 발생했습니다. 이것은 물이 샘플에 침투하는 것을 더 쉽게 만들었으며, 또한 대규모 수준으로 물 흡수가 증가했습니다.

 

     동결해동 주기의 작용에 따른 단열재의 열화 작용은 아래 그림과 같습니다. 단열재는 환경의 상대 습도에 의존하는 느슨한 기공 구조를 나타내어 수분 흡수 성능은 상대 습도에 정비례합니다. 동결해동 주기 동안 액체 또는 고체상의 물의 부피가 지속적으로 변화하는 것으로 관찰되었습니다. 이로 인해 내부 압력이 발생하여 단열재의 골격 구조와 함께 기포 벽이 파손되어 단열재에 더 많은 물이 유입되었습니다. 동결해동 횟수가 증가함에 따라 단열재 구조의 손상이 증가하는 것으로 관찰되었습니다.

[동결해동 주기 하에서 단열재의 열화작용]

     또한 이로 인해 더 많은 물이 샘플에 침투하여 단열재의 수분 흡수가 증가했습니다. 또한 단열재의 기공 구조 파괴와 흡수율의 증가는 서로를 향상시켜 재료의 열화 과정을 악화시키는 것으로 관찰되었습니다. 물과 얼음의 열전도율은 각각 0.581W/(m·K) 2.3W/(m·K)이며, 이는 공기(0.023W/(m·K))보다 훨씬 더 큽니다. 단열재의 열전도율은 동결해동 횟수에 따라 증가합니다.

 

4. 결론

 

    이 연구에서는 동결해동 조건에서 추운 지역 터널에 사용되는 단열재의 수분 흡수 및 단열 특성을 연구했습니다. 결과는

 

  (1) 동결해동 주기에서 PF단열재(페놀폼 보드) 및 폴리우레탄 단열재의 수분 흡수 및 열전도율은 동결해동 주기 횟수에 따라 선형적으로 그리고 꾸준히 증가하는 것으로 관찰되었습니다. 50회 동결해동 후 PF단열재(페놀폼 보드)의 수분 흡수는 거의 3.7배 증가했으며, 열전도율은 50% 증가했습니다. 동일한 조건에서 50회의 동결해동 주기 후 폴리우레탄 단열재의 열전도율은 2% 이하로 증가했습니다.

 

  (2) 실온에서 PF단열재(페놀폼 보드) 및 폴리우레탄 단열재의 열전도율은 수분 함량에 따라 선형적으로 증가했습니다.

 

  (3) PF단열재(페놀폼 보드)의 경우, 얼음 함량 변화에 따른 열전도율 곡선은 포물선 모양을 하고 있습니다. 폴리우레탄 단열재의 경우, 얼음 함량에 따른 열전도율의 변화는 얼음 함량 0~5%> 5%의 두 단계로 나뉩니다. 얼음 함량이 0~5%일 때 열전도율이 변동했습니다. 또한 열전도율은 얼음 함량이 5% 이상일 때 선형 추세로 꾸준히 증가했습니다.

 

  (4) 동결해동 주기의 작용으로 단열재의 폐쇄 셀(closed-cell) 미세 구조가 손상되었으며, PF단열재(페놀폼 보드)의 구조적 손상이 더 심했습니다.

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