1) Department of Civil Engineering, Sang Ji University
단열재 적용에 따른 터널 라이닝 열전달량 시험
Heat Transfer Test of Tunnel Lining with Heat Insulation
진 현 우1)･ 황 영 철† Hyunwoo Jin ･ Youngcheol Hwang
Received: January 11
th, 2017; Revised: January 19
th, 2017; Accepted: June 29
th, 2017
ABSTRACT : The surface of the tunnel lining issues various problems such as cracks due to the cold weather. It is necessary to reduce the recovery costs by means of developing new recovery techniques. However, the research on reducing the damage of road tunnel lining caused by cold weather has not actively been conducted. Hence, this paper analyzes the effectiveness of using insulating materials such as aerogel and heat insulating liquid in enhancing insulating capability. The results show that these materials are effective in reducing heat transfer, confirming damage reduction in cold weather.
Keywords : Winter season, Tunnel lining, Cracks, Heat insulating, Heat transfer
요 지 : 강원권의 동절기에는 한랭기후로 인한 복합적으로 터널 라이닝 표면이 열화되는 형태와 외관상의 문제 및 균열이 발생하 게 된다. 이에 따른 재해복구 관련 기술 개발을 통한 복구비용의 절감이 필요한 실정이지만, 국내에서는 기온에 따른 도로터널 라이 닝의 피해 저감에 대한 연구는 미비한 상태이다. 따라서, 본 논문에서는 터널 라이닝의 단열성능을 개선하기 위하여 단열재료(에어 로젤, 액상단열재)에 열전달량 실험을 실시하였다. 실험결과 단열재의 도포에 따라 열전달량이 상당히 감소하는 것으로 나타나, 동 결지역에서의 터널라이닝 피해저감 효과를 확인할 수 있었다.
주요어 : 동절기, 터널 라이닝, 균열, 단열성능, 열전달량 Journal of the Korean Geo-Environmental Society 18(7): 5～12. (July, 2017) http://www.kges.or.kr
ISSN 1598-0820 DOI https://doi.org/10.14481/jkges.2017.18.7.5
1. 서 론
강원권의 경우 자연재해 및 피해복구를 위하여 막대한 정부지원과 재해복구 관련 기술 개발을 통한 복구 비용의 절감이 필요한 실정이다. 그중에서도 겨울철 동결현상으로 인하여 도로터널의 라이닝, 갱구부 등에 누수, 고드름 발생 등의 유지 관리상 많은 문제점이 발생하고 있다. 국내의 경 우 터널 라이닝에 관한 동결피해 저감에 관한 기술적 연구 는 주로 도로포장을 위한 동결심도 및 동상방지층에 관한 연구가 주로 이루어졌으며, 터널 구조물의 장기적 내구성, 안정성과 연관된 지반동결 및 융해에 관한 국내 연구수준은 매우 미흡한 실정이다. 위 사례들에 대한 해결책의 하나로 단열 성능이 우수한 단열재를 적용하여 외부의 한랭기후를 차단하는 방법을 들 수 있다.
단열재를 이용한 국내 연구로는 Kim et al.(2003)이 한중 콘크리트 시공 시 보온양생 대책 중 손쉽고 효율적인 단열 보 온양생과 관련된 단열재 조합에 따른 온도이력을 검토하였 으며, Suh et al.(2012)는 최근에 주목받고 있는 VIP(Vacuum
Insulation Panel), 에어로젤, 그리고 미래기술로 연구되고 있 는 VIM(Vacuum Insulation Material), DIM(Dynamic Insulation Material) 등 단열재 및 단열 시스템의 특성과 장단점을 비 교하였다. 또한, Kim et al.(2015)은 구조용 콘크리트의 단열 성능을 향상시키기 위한 연구의 일환으로 마이크로기포제 (Micro foam cell Admixture), 규조토 미분말(Calcined diatomite powder), 경량골재(Lightweight aggregate)를 혼합 사용하고 그에 따른 물리･역학･열전도 특성에 대해 검토하였다.
본 연구에서는 실내시험을 중심으로 한랭기후를 적용한 콘크리트 라이닝 모형에 에어로젤 및 액상단열재를 도포하 여 라이닝 콘크리트의 깊이별 시간에 따른 온도변화를 비교 분석하였다.
2. 열전도공식
열은 전도, 대류 및 복사의 세 가지 방법으로 전달된다.
이 중에서 전도는 입자 간 상호작용의 결과로서 보다 활동적
Table 1. Test results of aerogel
Uncoated wall Aerogel coated wall Difference Note
Heat transfer amount 32.0030 watts 20.8605 watts -11.1425 watts 34.8%
Heat transfer coefficient 1.6179
1.2544
-0.3635
22.4%
Thermal coefficient of resistivity 0.6181
0.7972
0.1791
28.8%
Table 2. Test results of liquid heat insulating material
Item Results
Bond strength (N/
) 2.4
Solar reflectance (300 nm ～780 nm) (%) 97.5 Thermal conductivity ( ･±℃) 0.037
VOCs (g/L) 0.0076
Formaldehyde (mg/kg) Non-detection
인 물질의 입자로부터 인근의 활동이 적은 입자로의 에너지 전달이다. 전도는 고체, 액체 또는 기체 내에서 일어날 수 있다. 기체와 액체에서는 분자들의 무작위 운동 동안에 분 자들의 충돌에 의해 일어나고, 고체에서는 격자 내의 분자 진동과 자유 전자에 의해 에너지 수송에 의해 전도가 일어 난다. 일정한 두께
x를 통한 열전도율 Q는 벽의 온도 차
T와 열전달 발향에 수직인 면적 A에 비례하고, 벽의 두 께에 반비례한다. 그러므로 열전도율은 다음과 같은 Eq. (1) 으로 나타낼 수 있다.
(1)여기서 비례상수
는 재료의 열전도계수(thermal con- ductivity)로서 재료의 열전도 능력을 나타내는 크기이다. 양 질의 전기전도체인 구리, 은과 같은 재료들은 좋은 열전도 체이므로
값이 큰 반면, 고무, 나무, 스티로폼과 같은 재 료들은 나쁜 열전도체이므로
값이 작다.금속과 같은 고체의 경우 열을 가했을 때 분자가 제자리 진동하며 자유전자의 이동으로 열 에너지를 전달시킨다. 기 체의 경우에는 고체처럼 분자와의 간격이 상대적으로 멀어 진동에 의한 에너지의 전달과정이 느리기 때문에 기체의 열 전도율은 다른 상보다 매우 낮은 값을 갖는다. 위와 같은 원리에 입각하여 콘크리트 라이닝 단열성능을 향상시키기 위한 방법으로는 콘크리트의 자체 공극을 형성시키는 방법, 다공질 재료를 콘크리트에 혼입하는 방법, 배합설계를 조정 하는 방법으로 크게 구분할 수 있다. 이에 본 논문에서는 재료에 의한 단열성능 개선으로 단열성능 향상 재료와 같은 다량의 공극을 함유하거나 발생시키는 재료로 콘크리트의 대류, 복사에 의한 열 이동을 억제하여 열전달량을 낮춰 단 열성능을 개선하고자 한다.
3. 시험계획 및 방법
3.1 단열재 특성
본 연구에 사용된 단열재의 종류는 에어로젤과 액상단열 재로 이루어졌으며, Table 1과 Table 2는 각각의 재료에 대
한 특성치를 나타낸 것이다. 에어로젤의 경우 실리카 입자 에 무수히 많은 나노크기의 기공이 있는 나노복합체로서 비 표면적이 700m2/g 이상이 되고 내부에 갇힌 공기입자에 의 해 열전달이 효과적으로 차단되는 물질이다. 액상단열재의 경우 마이크로 세라믹 비드(Micro Ceramics Bead)와 마이 크로 실리콘 비드(Micro Silicon Bead)로 구성되어 있기 때 문에 대류의 손실을 막아 주며 표면 자체의 낮은 열손실율 로 외부와 내부에서 발생하는 열의 손실을 줄여준다.
3.2 한랭지역 외기온도에 따른 단열재를 적용한 콘크 리트 라이닝 시험
본 연구에서는 한랭지역 도로터널 라이닝에서 사용이 가 능한 단열성능을 비교하기 위하여 에어로젤과 3가지의 액 상단열재를 사용하였으며, 본 논문에서는 4가지 형태(A, B, C, D Type)로 구분하여 기술하였다. A Type의 단열재는 나 노크기의 구멍들이 무수히 많이 분포하여 높은 단열성을 나 타내는 물질로써 열전도도 0.02w/mk 이하의 속성을 지니며 강한소수성이라 부식, 곰팡이 저항성이 있으며 투명의 수성 코팅제로 만들어졌다. B Type의 경우 수용성 아크릴 실리 콘 수지, 10마이크론 세라믹, 40마이크론 특수 세라믹, 산화 티타늄(TiO2)을 합하여 만들어진 단열재이며, C Type은 1 회의 작업만으로도 1mm두께의 코팅이 가능한 건물 및 시 설물 벽면에 주로 사용하는 수증기 침투성 제품이며, 난연 성(방염성)으로 화재예방 및 화재지연에 효과적이며 화제 시 유독가스가 발생하지 않는다. 마지막으로 D Type의 경 우 공기가 들어있는 마이크로비드가 여러 층을 이루기 때문 에, 코팅 후에 매우 낮은 열 전도성과 따뜻함을 유지하며, 무엇보다 마치 보온병처럼 표면에 반사되는 복사열의 90%
가량을 보존해주며, 건조 후에 ‘Heat Mirror’역할을 하여 안 정적 단열을 제공한다. 또한 실내시험에 사용되는 콘크리트
Fig. 1. Laboratory test diagram
(a) Test specimen (b) Freezing chamber and data logger
Fig. 2. Temperature measurement using T-type thermocouple
Table 3. Mixture proportion of concrete W/C
(%)
Unit weight (kg/
) Slump
(mm)
Air content (%)
Compressive strength (MPa)
C W S G ad 3 Days 7 Days 28 Days
48 354 170 819 941 2.66 190 6.5 20.1 32.7 36.4
Table 4. Test item
Division Test Item Test session Total test session
Control specimen Standard -25°C 2 2
A Type Heat insulating material -25°C
(Thickness 1 mm) 1 1
B Type Heat insulating material -25°C
(Thickness 1 mm) 1 1
C Type Heat insulating material -25°C
(Thickness 1 mm) 1 1
D Type Heat insulating material -25°C
(Thickness 1 mm) 1 1
Total 6
시험체의 28일 강도는 36.4Mpa이며, 슬럼프는 190mm 등 을 나타내었다(Table 3).
터널 라이닝 콘크리트의 단열특성을 알아보기 위하여 실 내시험을 하였다. 현장조건을 모사하기 위하여 Fig. 1, Fig. 2 와 같이 냉동챔버의 윗면에 구멍을 뚫어 시험체를 걸쳐놓음 으로써 시험체 하부는 냉동챔버의 온도영향을 받도록 하고,
시험체의 하부(표면)에 약 1mm씩 도료를 도포하였다. 또한, 냉동챔버에는 자동온도조절 장치가 되어있으나 시험조건에 따라 냉동챔버의 내부온도 차이가 있을 수 있으므로 별도의 내부온도를 측정하였으며, 시험체는 동시에 3개를 설치하 여 비교 분석하였다. 시험에 사용되는 시험체의 경우 두께는 일반적인 터널 라이닝을 기준으로 300mm로 제작하였다.
T-type의 온도센서 및 Data Logger를 이용하여 시험체의 0cm (표면), 75mm, 150mm, 225mm, 300mm(상부) 온도를 5분 간 격으로 측정하였다(Fig. 2). 열전달량은 일반시험체의 온도가 최저점에 도달했을 때를 기점으로 Fig. 1의 모식도에서 보는 것과 같이 A, B, C, D Type 단열재를 적용한
의 온도 차를 이용하여
∆
으로 분석하였다. Concrete 의 Thermal conductivity의 경우 SciTech(2013) Heat Transfer in Practice을 참고하여 1.4
･
을 적용하였으며, 시험 체의 모식도 및 시험 조건은 다음과 같다(Fig. 1, Table 4).Fig. 3은 콘크리트 표면에 도포된 액체 단열재의 도포두께 및 도포된 형상을 나타낸 것이다.
도피막측정기를 통하여 액체 단열재의 두께를 확인하였
(a) A type (b) B type
(c) C type (d) D type
Fig. 3. Thickness and shape of heat insulating material
Fig. 4. Control specimen temperature variation at temperature -25°C
다. 도료된 단열재의 두께는 약 1mm인 것을 확인할 수 있었으며, 다음과 같은 형태로 형상되어 있다(Fig. 3).
4. 열전달량 분석 결과
위의 조건을 바탕으로 도포된 단열재 1mm의 실내시험 결 과는 다음과 같다. Fig. 4는 우선 기준시험체 및 A, B Type
단열재의 경우 5분 간격으로 측정하였으며, 외기온도 7.5°C 에 대한 각 시험체 초기의 온도는 기준시험체의 경우 표면 은 6.8°C, 75mm는 6.6°C, 150mm의 경우 6.5°C, 225mm는 6.5°C, 상부의 경우 6.6°C를 나타내었으며, A type의 경우 표 면은 7.2°C, 75mm는 6.9°C, 150mm의 경우 6.9°C, 225mm 는 6.9°C, 상부의 경우 7.5°C를 나타내었다. B type의 경우 표면은 8.5°C, 75mm는 7.9°C, 150mm의 경우 7.7°C, 225mm 는 7.5°C, 상부의 경우 7.6°C를 나타내었다. 그 후 외기온도
Fig. 5. Temperature variation at temperature -25°C (A type)
Fig. 6. Temperature variation at temperature -25°C (B type)
-25°C를 적용하여 콘크리트 라이닝의 온도를 측정한 결과는 다음 Fig. 4～Fig. 6과 같다.
기준시험체가 최저온도로 떨어질 때까지의 시간은 4,020분 (67시간)이 소요되었으며, 온도변화의 경우 기준시험체 표 면은 -20°C, 75mm는 -9°C, 150mm의 경우 -6.6°C, 225mm 는 -5.1°C, 상부의 경우 -3.4°C를 나타내었으며, A type의 경 우 표면은 -17.6°C, 75mm는 -7.7°C, 150mm의 경우 -5.2°C, 225mm는 -3.8°C, 상부의 경우 0.6°C를 나타내었다. B type의 경우 표면은 -14.3°C, 75mm는 -8.2°C, 150mm의 경우 -5.9°C, 225mm는 -4.3°C, 상부의 경우 -2.2°C을 나타내었다.
이에 따른 열전달량을 나타내면 Fig. 7과 같은 그래프를 나타낼 수 있다.
기준시험체가 최저점을 나타낸 당시의 열전달량은 기준 시험체의 경우 8.344w, A type의 경우 7.728w, B type의 경 우 5.6w로 B type의 경우가 가장 좋은 단열효과를 나타내 었다.
다음은 기준시험체 및 C type과 D type의 시험결과이다.
데이터 측정은 A type, B type과 같은 5분 간격으로 측정하 였으며, 외기온도 5.7°C에 대한 각 시험체 초기의 온도는 기준시험체의 경우 표면은 6.2°C, 75mm는 5.8°C, 150mm
Fig. 7. Heat transfer (Control specimen, A type, B type) at temperature -25°C
Fig. 8. Control specimen temperature variation at temperature -25°C
Fig. 9. Temperature variation at temperature -25°C (C type)
Fig. 10. Temperature variation at temperature -25°C (D type)
Fig. 11. Heat transfer (Control specimen, C type, D type) at temperature -25°C Table 5. Heat transfer comparison
Division Control (w)
Heat insulating material type (w) Deviation (w)
Note (difference)
A (1 mm) B (1 mm) C (1 mm) D (1 mm)
-25°C Heat transfer
8.344
(standard) 7.73 5.6 A -0.6 A 7.3%
B -2.7 B 32.6%
-25°C Heat transfer
8.344
(standard) 6.66 5.77 C -1.6 C 20.1%
D -2.5 D 30.8%
의 경우 5.6°C, 225mm는 5.6°C, 상부의 경우 5.5°C를 나타 내었으며, C type의 경우 표면은 7.1°C, 75mm는 8°C, 150mm 의 경우 8.1°C, 225mm는 8.2°C, 상부의 경우 6.8°C를 나타 내었다. D type의 경우 표면은 7.7°C, 75mm는 7.9°C, 150mm 의 경우 8°C, 225mm는 8.1°C, 상부의 경우 7.7°C를 나타내 었다. 그 후 외기온도 -25°C를 적용하여 콘크리트 라이닝의
온도를 측정한 결과는 다음 Fig. 8～Fig. 10과 같다.
일반시험체가 최저온도로 떨어질 때까지의 시간은 2,670분 (44.5시간)이 소요되었으며, 온도변화의 경우 일반시험체 표 면은 -20.3°C, 75mm는 -9.3°C, 150mm의 경우 -6.9°C, 225mm 는 -5.4°C, 상부의 경우 -3.1°C를 나타내었으며, C type의 경 우 표면은 -16.6°C, 75mm는 -8.5°C, 150mm의 경우 -6.1°C,
225mm는 -4.7°C, 상부의 경우 4.2°C를 나타내었다. D type 의 경우 표면은 -14.3°C, 75mm는 -7.6°C, 150mm의 경우 -5.4°C, 225mm는 -3.9°C, 상부의 경우 -0.5°C을 나타내었다.
이에 따른 열전달량을 나타내면 Fig. 11과 같은 그래프를 나타낼 수 있다.
기준시험체가 최저점을 나타낸 당시의 열전달량은 일반 시험체의 경우 8.344w, C type의 경우 6.664w, D type의 경 우 5.768w로 D type의 단열재가 가장 좋은 단열효과를 나 타내었다.
5. 결 론
본 논문에서는 실내시험을 중심으로 한랭기후를 적용한 콘크리트 라이닝 모형에 에어로젤(A, B type) 및 액상단열 재(C, D type)를 도포하여 시간에 따른 온도변화 및 열전달 량의 분석을 실시하였으며, 그 결과는 다음과 같다.
(1) 단열재 두께 1mm를 중심으로 실내시험한 결과, 에어로 젤 및 액상단열재를 사용한 시험체와 사용하지 않은 시 험체를 비교했을 때 단열재를 사용한 것이 시간에 따른 온도가 낮게 나타났다. 에어로젤의 경우 내부에 갇힌 공기입자에 의해 열전달이 차단되었으며, 액상단열재의 경우 표면자체에서부터 낮은 열손실율을 보이기 때문 에 외부와 내부에서 발생하는 열 손실을 줄여준 것으로 판단된다.
(2) 열전달량의 시험결과 기준시험체 대비 단열재를 도포 한 경우 약 7.3%～32.6%의 열전달량이 감소하는 것으 로 나타났으며, 이는 재료의 공극형성에 기인하여 개선
된 것으로 판단된다. B type의 액상단열재가 32.6%로 가 장 단열성능이 우수한 것으로 나타났다. 그에 반해 에어 로젤인 A Type의 경우 가장 낮은 7.3%를 나타내었다.
(3) 상기와 같은 열전달량을 감소시키는 단열재를 콘크리 트에 사용할 경우 한랭지역에서의 도로터널 라이닝부 배면의 동결피해를 저감시켜줄 것이라 판단되며, 한랭 기후에서의 발열체 및 단열재를 적용한 터널 라이닝의 구조적 안정성과 온도변화를 분석하고 현장적용에 관 한 연구가 수행되어야 할 것으로 판단된다.
감사의 글
본 연구는 국토교통부 국토교통기술지역특성화사업 연 구개발사업의 연구비지원(16RDRP-B066780)에 의해 수행 되었습니다.
References
