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문제 정의
- 이 연구는 기존 유․무기단열재의 문제점을 보완하면서 높은 단열성능 및 내구성을 가지는 단열재 개발에 대한 기초 연구이다. 에어로겔의 표면 소수특성을 친수성으로 전환하였을 때 시멘트와의 배합 시 강도발현 및 열전도율에 미치는 영향을 평가하였다.
- 이 연구는 에어로겔을 활용한 고단열 콘크리트 재료 개발을 위한 기초연구이다. 시멘트계 재료에서 에어로겔의 재료 분리 방지 및 분산성 향상을 위하여 소수성 에어로겔의 표면 개질제로서 계면활성제를 이용하였다.
제안 방법
- 따라서 균질한 혼합을 위해서는 에어로겔 표면개질 과정이 필요하다[11,12]. 본 연구에서는 계면활성제를 사용하여 초 소수성 에어로겔을 친수성으로 표면개질 하였으며, Figure 4에 계면활성제를 이용한 에어로겔의 표면개질 메커니즘을 나타내었다. 일반적으로 계면활성제는 친수성과 소수성 두 가지 성질을 가지고 있다.
- 이 연구는 기존 유․무기단열재의 문제점을 보완하면서 높은 단열성능 및 내구성을 가지는 단열재 개발에 대한 기초 연구이다. 에어로겔의 표면 소수특성을 친수성으로 전환하였을 때 시멘트와의 배합 시 강도발현 및 열전도율에 미치는 영향을 평가하였다.
- 또한 시멘트 페이스트에 대한 계면활성제의 영향을 알아보고자 에어로겔 및 계면활성제 무첨가 시험체를 제작하였다. 이들 변수에 따라 에어로겔을 첨가한 시멘트 페이스트의 배합 직후 혼합 상태와 전반적인 역학적 특성을 평가하였다.
- 에어로겔을 첨가한 시멘트 페이스트의 역학적 특성을 평가하기 위한 배합상세는 Table 2와 같다. 주요 변수로 에어로겔을 시멘트 부피대비 0, 25, 50, 75, 90% 및 100% 첨가 하였으며, 물-시멘트비(W/C)는 40%로 고정 하였다. 표면 개질을 위해 사용된 계면활성제의 양은 물중량의 5%로 고정하였으며, 계면활성제는 시멘트 페이스트 배합 전 에어로겔과 함께 넣고 교반하였다.
대상 데이터
- 이 연구는 에어로겔을 활용한 고단열 콘크리트 재료 개발을 위한 기초연구이다. 시멘트계 재료에서 에어로겔의 재료 분리 방지 및 분산성 향상을 위하여 소수성 에어로겔의 표면 개질제로서 계면활성제를 이용하였다. 에어로겔의 첨가량 변화에 따른 시멘트 페이스트의 특성 평가결과 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 실험에 사용된 시멘트의 밀도 및 비표면적은 각각 3.15g/cm3 및 3,260cm2/g이다. 에어로겔은 국내 J사 제품을 사용하였으며, Table 1에 물리적 특성을 나타내었다.
- 15g/cm3 및 3,260cm2/g이다. 에어로겔은 국내 J사 제품을 사용하였으며, Table 1에 물리적 특성을 나타내었다. 에어로겔의 밀도 및 비표면적은 0.
이론/모형
- 에어로겔을 첨가한 배합실험은 KS L 5109에 준하여 실시하였으며, 압축강도는 KS L 5105에 따라 200 kN 용량의 만능재료시험기(universal test machine, UTM)을 사용하여 재령 1, 3, 7 및 28일에서 측정하였다. 시멘트 페이스트의 겉보기 밀도는 KS F 2459에 따라 측정하였으며, 미세구조분석 및 공극분포분석은 재령 28일에 시료를 채취하여 주사전자현미경(scanning elect -ron microscope, SEM) 및 수은압입법(mercury intru -sion porosimetry, MIP) 을 이용하여 분석하였다. 열전도율은 ASTM C518에 따라 300×300×50mm인 정방형 시험체를 제작하여 재령 28일에 측정하였다.
- 에어로겔을 첨가한 배합실험은 KS L 5109에 준하여 실시하였으며, 압축강도는 KS L 5105에 따라 200 kN 용량의 만능재료시험기(universal test machine, UTM)을 사용하여 재령 1, 3, 7 및 28일에서 측정하였다. 시멘트 페이스트의 겉보기 밀도는 KS F 2459에 따라 측정하였으며, 미세구조분석 및 공극분포분석은 재령 28일에 시료를 채취하여 주사전자현미경(scanning elect -ron microscope, SEM) 및 수은압입법(mercury intru -sion porosimetry, MIP) 을 이용하여 분석하였다.
- 시멘트 페이스트의 겉보기 밀도는 KS F 2459에 따라 측정하였으며, 미세구조분석 및 공극분포분석은 재령 28일에 시료를 채취하여 주사전자현미경(scanning elect -ron microscope, SEM) 및 수은압입법(mercury intru -sion porosimetry, MIP) 을 이용하여 분석하였다. 열전도율은 ASTM C518에 따라 300×300×50mm인 정방형 시험체를 제작하여 재령 28일에 측정하였다.
성능/효과
- 1) 재령 7일 이후 시멘트 페이스트의 강도 증가 기울기는 에어로겔 첨가량이 증가함에 따라 감소하였다.
- 2) 에어로겔 첨가율이 0%에서 100%로 변화할 때 시멘트 페이스트의 겉보기 밀도의 감소율은 18%로 비교적 작았다.
- 3) 에어로겔을 첨가한 시멘트 페이스트의 열전도율은 겉보기 밀도에 비례하여 비선형적으로 감소하였다. 에어로겔을 100% 첨가한 시험체의 열전도율은 일반 시멘트 페이스트 대비 약 43% 감소하였다.
- 4) 에어로겔 혼입 시멘트 페이스트의 거대 모세관 공극율은 일반 페이스트에 비해 높았다.
- 5) 계면활성제를 이용한 에어로겔의 표면 개질은 일정 수준의 교반시간 확보 미흡 시 시멘트 페이스트와의 불균질 혼합 및 열전도율 감소에 영향을 미칠 수 있다. 에어로겔을 활용한 콘크리트의 압축강도와 단열성을 향상시키기 위해서는 에어로겔의 최적 표면개질 및 에어로겔의 크기와 혼입율에 대한 다양한 연구들이 진행될 필요가 있다.
- 하지만 에어로겔을 100% 첨가한 A100 시험체의 열전도율의 측정결과는 C 시험체 및 A0 시험체의 열전도비율에 비해 43% 및 27% 낮게 나타나 에어로겔 혼합에 따른 열전도율 감소효과가 비교적 크게 나타났다. A90 시험체의 열전도율은 0.42W/m·k로 A75 시험체에 비해 증가하는 결과를 나타내었는데, 이는 배합특성의 결과와 같이 에어로겔의 표면개질이 부분적으로 이루어지고 친수성이 부여되지 못한 소수성 에어로겔이 배합과 정에서 시멘트 페이스트와 균일하게 혼합되지 못해 발생된 것으로 판단된다.
- 더불어, 시멘트 페이스트의 전체 공극률의 증가는 열전도율과 매우 유사한 관계를 나타내었다. 결과적으로, 에어로겔 첨가율의 증가는 시멘트 페이스트의 공극률 증가와 함께 열전도율 감소의 효과를 나타내었다.
- 595W/m·k로 가장 높았으며, 계면활성제 사용에 따른 열전도율 감소영향이 에어로겔 첨가율이 25∼90%인 경우에 비해 크게 나타났다. 계면활성제만을 첨가한 A0 시험체의 열전도율은 0.462W/m·k로 C 시험체 대비 약 23% 감소한 반면, 에어로겔 첨가량이 25∼90% 일때 열전도율 감소는 A0 시험체 대비 6∼18% 수준으로 그 영향이 미미하였다. 하지만 에어로겔을 100% 첨가한 A100 시험체의 열전도율의 측정결과는 C 시험체 및 A0 시험체의 열전도비율에 비해 43% 및 27% 낮게 나타나 에어로겔 혼합에 따른 열전도율 감소효과가 비교적 크게 나타났다.
- 2MPa로 C 시험체의 약 28% 수준으로 가장 낮았다. 더불어 재령 7일 이후 모든 시험체의 강도 증가 기울기 에어로겔 첨가량이 증가함에 따라 감소하는 경향을 나타내었다. 특히, A100 시험체의 재령 7일 이후 재령 28일까지의 압축강도 증가율은 약 2% 수준으로 가장 낮았다.
- 기공(Artificial air pore) 또한 에어로겔의 첨가량이 0%에서 100%로 변화함에 따라 증가하였는데, 이는 에어로겔 첨가량의 증가와 함께 계면활성제로 인행 형성된 기포 자체 수분량 감소로 기포막이 불안정한 상태가 되어 주변의 기포와 병합되거나 소포되어 공극이 커진 것으로 판단된다. 더불어, 시멘트 페이스트의 전체 공극률의 증가는 열전도율과 매우 유사한 관계를 나타내었다. 결과적으로, 에어로겔 첨가율의 증가는 시멘트 페이스트의 공극률 증가와 함께 열전도율 감소의 효과를 나타내었다.
- 17g/cm3으로 C 시험체의 약 80% 수준으로 가장 낮았다. 또한 에어로겔 첨가율이 0%에서 100%로 변화할 때 시멘트 페이스트의 겉보기 밀도의 감소율은 18%로 비교적 작게 나타났다. 더불어 계면활성제의 사용은 시멘트 페이스트의 겉보기 밀도 변화에 큰 영향을 미치지 않았는데, C 시험체 대비 A0 시험체의 겉보기 밀도 감소율은 1% 수준이었다.
- [6]은 글라스울 및 미네랄울의 함수율에 따른 열전도율을 평가 하였으며, 함수율 5%에서 0%대비 각각 70% 및 123% 증가함을 보였다. 또한, 시험체를 다시 건조한 후 열전도율을 평가한 결과 열전도율은 시험 전 대비 각각 3.1% 및 15.9% 증가해 단열재의 내구성 저하가 일어난 것을 확인하였다. 이처럼 단열재의 함수율 증가는 내구성에 중대한 영향을 미치게 된다[7,8].
- 에어로겔 혼입 시멘트 페이스트의 재령 28일 겉보기 밀도는 Figure 7과 같다. 시멘트 페이스트의 겉보기 밀도는 에어로겔의 첨가량이 증가함에 따라 감소하는 경향을 나타내었다. C 시험체의 재령 28일 겉보기 밀도는 1.
- 특히, A100 시험체의 재령 7일 이후 재령 28일까지의 압축강도 증가율은 약 2% 수준으로 가장 낮았다. 시멘트 페이스트의 압축강도는 에어로겔뿐만 아니라 계면활성제에 의한 영향도 받는 것으로 나타났는데, A0 시험체의 재령 28일 압축강도는 28.9MPa로 C 시험체 대비 약 22% 감소함을 보였다. 즉, 이는 배합도중 계면활성제로 인해 생성된 기포의 영향으로 시험체 내부에 다수의 공극이 형성되어 압축강도가 감소됨을 의미한다.
- 측정결과 시멘트 페이스트의 압축강도는 재령에 관계없이 에어로겔 첨가량이 0%에서 100%로 변화함에 따라 감소하는 경향을 나타내었다. 에어로겔 및 계면활성제가 첨가되지 않은 C 시험체의 경우 재령 28일 압축강도는 36.8MPa로 가장 높게 나타났다. 또한 A25 시험체의 재령 28일 압축강도는 25.
- 3) 에어로겔을 첨가한 시멘트 페이스트의 열전도율은 겉보기 밀도에 비례하여 비선형적으로 감소하였다. 에어로겔을 100% 첨가한 시험체의 열전도율은 일반 시멘트 페이스트 대비 약 43% 감소하였다.
- 에어로겔을 첨가한 시멘트 페이스트의 압축강도 측정 결과를 Figure 6에 나타내었다. 측정결과 시멘트 페이스트의 압축강도는 재령에 관계없이 에어로겔 첨가량이 0%에서 100%로 변화함에 따라 감소하는 경향을 나타내었다. 에어로겔 및 계면활성제가 첨가되지 않은 C 시험체의 경우 재령 28일 압축강도는 36.
- 에어로겔의 첨가량 변화에 따른 시멘트 페이스트의 열전도율 측정 결과를 Figure 8에 나타내었다. 측정결과 시멘트 페이스트의 열전도율은 에어로겔 및 계면활성제가 첨가되지 않은 C 시험체가 0.595W/m·k로 가장 높았으며, 계면활성제 사용에 따른 열전도율 감소영향이 에어로겔 첨가율이 25∼90%인 경우에 비해 크게 나타났다. 계면활성제만을 첨가한 A0 시험체의 열전도율은 0.
- 462W/m·k로 C 시험체 대비 약 23% 감소한 반면, 에어로겔 첨가량이 25∼90% 일때 열전도율 감소는 A0 시험체 대비 6∼18% 수준으로 그 영향이 미미하였다. 하지만 에어로겔을 100% 첨가한 A100 시험체의 열전도율의 측정결과는 C 시험체 및 A0 시험체의 열전도비율에 비해 43% 및 27% 낮게 나타나 에어로겔 혼합에 따른 열전도율 감소효과가 비교적 크게 나타났다. A90 시험체의 열전도율은 0.
후속연구
- 이러한 현상은 소수성을 갖는 에어로겔의 친수성부여를 위해 사용된 계면활성와의 교반이 충분히 이루어지지 못해 발생된 것으로 판단된다. 결과적으로, 에어로겔의 표면 친수성 부여를 위해서는 계면활성제와의 교반 시간이 일정 수준 확보되어야 하며, Sessile Prop Mothod[13] 및 Wilhelmy Plate Method[14] 등의 에어로겔 표면 특성 변화 측정을 통해 교반 시간에 따른 표면 개질 효율성 등의 평가가 이루어져야 할 것으로 판단된다.
- 5) 계면활성제를 이용한 에어로겔의 표면 개질은 일정 수준의 교반시간 확보 미흡 시 시멘트 페이스트와의 불균질 혼합 및 열전도율 감소에 영향을 미칠 수 있다. 에어로겔을 활용한 콘크리트의 압축강도와 단열성을 향상시키기 위해서는 에어로겔의 최적 표면개질 및 에어로겔의 크기와 혼입율에 대한 다양한 연구들이 진행될 필요가 있다.
- 02W/m․K이하로 뛰어난 단열성능을 가지며[10], 제조 공정상 강한 소수성 (hydrophobicity)을 가지는 표면특성으로 인해 발수 및 방수효과가 뛰어나다. 이에 따라 에어로겔을 활용하면 높은 단열성능과 내구성을 확보한 시멘트계 단열재 개발을 기대할 수 있을 것으로 예상되나, 이에 대한 실험적 연구는 미흡하다.
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