실리카 에어로겔을 사용한 산화마그네슘 기반 경화체의 특성 = Properties of Matrix Based on Magnesium Oxide Using Silica Aerogel

국문 초록 (Abstract)

본 연구에서는 시멘트 대체재로서 산화마그네슘, 염화마그네슘, 에어로겔 등을 사용하여 높은 기공도, 낮은 열전도율, 초경량 등의 특성을 가진 물질로서 주로 단열재로 쓰이는 에어로겔을 치환하여 그 치환율에 따른 경화체의 역학적 성질 및 물리적 성질을 평가해보고 에어로겔을 치환한 산화마그네슘 경화체의 적용성을 연구하고자 하였다. 그 결과, 본 연구 범위 내에서는 다음과 같이 요약할 수 있다.

1. 에어로겔의 치환율 및 W/B에 따른 경화체의 특성 (SeriesⅠ)

최대 치환율에 따른 경화체의 유동성 시험은 에어로겔의 치환율이 증가함에 따라 유동성이 증가하는 경향을 보였다. 이는 수분산 에어로겔에 포함된 수분으로 인하여 W/B의 상승으로 유동성 또한 증가한 것으로 판단된다. 최대 치환율에 따른 경화체의 압축강도 시험은 에어로겔의 치환율이 증가함에 따라 강도는 감소하는 경향을 나타내었다. 에어로겔의 치환율이 50 % 이상인 경화체는 강도 측정이 불가능 하였다. 최대 치환율에 따른 경화체의 휨강도의 경우도 압축강도와 비슷한 경향을 나타내었다. W/B에 따른 경화체의 유동성 시험결과, W/B의 증가에 따라 유동성은 증가하는 모습을 보였다. W/B 30 %의 경우에는 에어로겔이 수분을 포함하고 있더라도 낮은 결합수의 양으로 인하여 낮은 유동성을 보였다. W/B에 따른 경화체의 압축강도 시험결과, W/B의 증가에 따라 압축강도는 감소하는 모습을 보였다. W/B 30 %의 경화체가 가장 높은 강도를 나타내었다. 이후 W/B 40 %의 경화체 까지는 강도가 떨어지는 감소폭이 크게 감소하지 않았으나, W/B 45 %의 경화체 부터는 강도가 감소하는 폭이 크게 감소하면서 낮은 강도를 보였다. W/B에 따른 경화체의 휨강도 시험의 경우 압축강도와 비슷한 경향을 나타내었다.

2. 에어로겔의 종류에 따른 경화체의 특성 (SeriesⅡ)

유동성 시험의 경우 에어로겔의 치환율이 증가함에 따라 유동성이 증가하는 경향을 보였으며 수분산 에어로겔을 치환한 경화체가 분말형태의 에어로겔을 치환한 경화체 보다 높은 유동성을 보였다. 밀도 시험 결과, 에어로겔의 치환율이 증가함에 따라 밀도는 감소하는 경향을 나타내었으며, 수분산 에어로겔이 비교적 더 낮은 밀도를 나타내었다. 흡수율 시험 결과, 밀도가 감소하는 경향을 보여 흡수율은 증가할 것이라 예상하였지만 흡수율도 감소하는 경향을 나타내었다. 이는 수분산 에어로겔이 경화되며 소수성을 띄게 되어 흡수율이 낮아진 것으로 판단된다. 압축강도 및 휨강도 시험 결과, Plain 경화체가 가장 높은 강도를 나타내었다. 기공성이 높은 에어로겔을 치환한 경화체들은 모두 강도가 저하되는 모습을 보였다. 소수성을 띄는 분말형 에어로겔이 수분산 에어로겔보다 낮은 강도를 보였다. 열전도율 시험 결과, 수분산 에어로겔을 15 % 치환한 경화체가 가장 낮은 0.7 W/mK의 열전도율을 보였다. 전체적으로 에어로겔을 치환한 경화체들은 열전도율이 낮아지는 모습을 보였으며, Plain 경화체가 가장 높은 열전도율을 보였다. 이는 에어로겔의 기공성이 높아 공기층 작용을 하여 열전도율이 낮아진 것이라 판단된다. 전기로 실험 결과, 전체적으로 모든 경화체가 균열이 생기거나 파괴되었다. Plain 경화체와 수분산 에어로겔 5 %를 치환한 경화체가 심한 균열이 생기거나 파괴되지 않았다.

Series I과 Series Ⅱ의 종합적인 실험결과, 치환율이 높아질수록 강도가 낮아지는 경향을 나타내었기 때문에 15 %이하로 치환하는 것이 바람직하다고 판단된다. 또한 W/B의 경우에는 수분산 에어로겔이 수분을 포함하고 있기 때문에 40 ~ 45 % 사용하는 것이 바람직하다고 판단된다. 또한, 보통 밀도를 낮추기 위하여 기공성이 높은 재료를 사용하면 흡수율이 높아지는데 수분산 에어로겔의 경우 친수성을 띄고 있지만 경화후 소수성으로 바뀌게 되므로 밀도와 흡수율을 모두 낮출 수 있는 장점이 있다. 또한 기공성이 높아 열전도율을 낮출 수 있어 단열성에도 도움을 준다. 추가적인 실험을 지속적으로 진행한다면 건축재료 분야에서 사용가능할 수 있을 것이라고 판단된다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

This research used cement alternative such as magnesium oxide, magnesium chloride, and aerogel. In particular, aerogel which has high air porosity, low heat conduction, ultra-lightweight properties and is often used as insulator was used as replacement. Dynamic and physical properties of matrix according to aerogel replacement ratio were assessed and the applicability of magnesium oxide matrix with aerogel replacement was studied. The results can be concluded as below within the scope of this research.

1. Matrix properties according to aerogel replacement ratio and W/B

Liquidity experiment on matrix according to maximum replacement ratio showed that liquidity increased with replacement ratio of aerogel increase. This could be due to increased W/B due to moisture from aqueous aerogel, which could also increase liquidity. Compressive strength experiment on matrix according to maximum replacement ratio showed that strength decreased with replacement ratio of aerogel increase. Measurement of matrix with over 50% aerogel replacement ratio could not be taken.
Flexural strength experiment on matrix according to maximum replacement ratio showed similar trend to that of compressive strength. Liquidity experiment results of matrix according to W/B showed increasing liquidity with increasing W/B. W/B 30%showed low liquidity due to low bond number, even if aerogel included moisture. Compressive strength experiment results on matrix according to W/B showed decreasing compressive strength with increasing W/B. W/B 30 %matrix showed the highest strength. Although up to W/B 40 % matrix the decreasing gap of strength was not great, the decrease was significant from W/B 45% and henceforth, thus exhibiting low strength. Flexural strength experiment on matrix according to W/B showed similar trend as that of compressive strength.

2. Matrix properties according to aerogel type

In liquidity experiment, liquidity showed an increasing trend with increasing replacement ratio of aerogel. Matrix with aqueous aerogel replacement showed higher liquidity than powder aerogel replacement. Density experiment showed decreasing trend of density with increasing replacement ratio of aerogel, in which aqueous aerogel showed relatively lower density. In water absorption ratio experiment, the results were expected to show increasing water absorption ratio, but the ratio decreased. This could be due to hardening of aqueous aerogel that exhibit hydrophobicity to lower water absorption ratio. Compressive strength and flexural strength experiment results showed that Plain matrix to have the highest strength. All matrixes with aerogel replacement with high porosity showed reduced strength, while hydrophobic powder aerogel showed lower strength than aqueous aerogel. Heat conduction experiment results showed matrix with 15% replacement of aqueous aerogel to have the lowest heat conduction of 0.7 W/mK. Overall, matrixes with aerogel replacement exhibited lower heat conduction, while plain matrix showed the highest heat conduction. This may be due to high porosity of aerogel that act as an air layer to lower heat conduction. Electricity experiment resulted in crack or destruction in all matrixes. Plain matrix and matrixes with 5% replacement of aqueous aerogel resulted in extensive crack but were not destroyed.
Overall experiment results of Series I and Series II showed a trend of decreasing strength with increasing replacement ratio, and thus it would be appropriate to use lower than 15% replacement. Further, in W/B, aqueous aerogel includes moisture, and thus 40~45% should be used. Moreover, the use of high porous materials to lower density led to increased water absorption ratio; while aqueous aerogel is hydrophilic, after hardening it becomes hydrophobic, and thus both density and water absorption ratio were be reduced. Lastly, high porosity could also lower heat conduction to contribute in insulation. Further research could lead to application of the matrix in the construction material field.