3. 실험 설정
1) 테스트 설정
이 연구에서는 (1)질량 손실과 (2)가연성 실험이라는 두 가지 다른 일련의 실험을 수행했습니다. 두 실험은 각각 아래 절에 설명된 일부 추가 수정 사항이 있는 동일한 기본 로를 사용했습니다.
(1) 기본 로(테스트 설정)
아래 그림 로의 내부 공간은 30×30×60cm(l×w×h)이며, 자동 압축 공기 가스 콘크리트 블록으로 제작되었습니다. 이 블록은 가스 콘크리트 블록에 의한 열분해 가스의 흡수를 줄이고 허용 가능한 기밀성을 만들기 위해 알루미늄 호일로 덮여있습니다. 로의 가열은 2,300W의 대형 전기 가열로 수행됩니다. 이 기본 설정은 질량 손실과 가연성 실험 모두에 사용할 수 있습니다. 샘플의 가열은 연료가 연소되지 않을 가능성이 있는 경우 가스 구성에 미치는 영향을 최소화하기 위해 전기 가열에 의해 수행됩니다. 가스 버너는 화재 방출물의 구성에 영향을 미칩니다. 발열체는 20×30cm의 단단한 황동판으로 만들어지며, 800W의 가열 나사산 3개가 배치됩니다. 크기로 인해, 샘플은 방사선에 똑같이 노출됩니다. 발열체는 용해로 전면에 배치된 시트 열전대에 연결되며, 샘플이 놓인 프레임 표면 바로 아래에 배치됩니다. 이 위치를 사용하면 샘플의 일부를 차단하지 않고도 샘플 높이에서 온도를 결정할 수 있습니다.
[왼쪽은 질량 손실 실험을 위한 설정이고, 오른쪽은 가연성 실험을 위한 설정이 있는 기본 로]
발열체는 자체 조절 온도 조절기 유형 West 6100에 부착된 이 시트 열전대에 의해 제어됩니다.
(2) 질량 손실 실험
질량 손실 실험은 샘플이 150, 250 및 350℃에서 노출되는 3가지 다른 일정한 온도를 사용합니다. 150℃ 온도는 접착층의 분해가 약 150℃에서 시작하기 때문에 하한으로 선택되었으며, 상한은 350℃로 설정되었습니다. 이 온도는 소방관이 안전하게 노출될 수 있는 온도에 해당됩니다. 이는 0.5 보기 계수가 20분 동안 4.5kW/m2인 복사 유량에 해당합니다. 이 복사 유량은 호주 화재 및 비상 사용위원회에 의해 제공됩니다.
샘플은 샘플 상자에 배치됩니다. 이 샘플 상자는 L-스틸 형상 50×50×5mm로 제작된 29.8×29.8mm의 크기와 4.133kg의 질량을 가지며, 로의 측면에 장착된 L-스틸 형상으로 지지됩니다. 샘플은 세라믹 단열재로 절연되어 샘플 측면을 통한 열 전달을 방지합니다. 대량 질량 손실 실험을 위한 현실적인 상황을 만들기 위해, 로의 상단 부분은 개방되어 있어야하므로, 샘플의 외부는 로 내의 열에 노출되는 동안 주변 온도에 노출됩니다.
실험자의 의견은 아래에서 황동 요소의 복사와 위로부터의 주변 온도와 결합된 뜨거운 공기층에 샘플을 노출시킴으로써 현실적인 상황을 실험한다는 것입니다. 아래 그림은 로에 있는 샘플의 사진을 보여줍니다. 또한 실험의 반복성을 확인하기 위해 실험을 세 번 수행합니다.
[아래에서 열에 노출된 상태에서 질량 손실 중 로에 있는 샘플]
(3) 가연성 실험
가연성 실험의 경우 상기 기본 로(테스트 설정)와 동일하게 적용됩니다. 질량 손실 실험과 달리 가연성 실험을 위한 실험 설정은 뚜껑을 사용하여 종료되었습니다. 또 다른 차이점은 샘플이 로 중앙에 있는 골에 배치되고 로 위에 있는 눈금으로 연속적으로 질량을 측정한다는 것입니다. 그 외에도 가연성 실험은 150℃에서 400℃까지 증가하는 온도를 사용하고 질량 손실 실험에서는 3개의 고정 온도를 적용합니다. 실험은 문헌의 열 중량 분석 데이터를 사용하여 로를 검증하는데도 사용되었습니다. 실험 중 샘플 질량의 연속 측정 결과를 TGA 데이터와 비교했습니다. 결과는 아래 단원에서 자세히 설명합니다.
가연성 자체는 배기관을 사용하여 로 외부에서 테스트됩니다. 가스를 점화하는 세 가지 다른 방법, 즉 압전소자, 일반 라이커 및 라이터가 있는 유리 병이 적용되었습니다. 유리 병 방법은 유리 병을 사용하여 배기 가스 혼합물을 모은 다음 가스 혼합물을 일반 라이터로 점화합니다. 가연성 한계(τ)는 존재하는 총 가스 질량(기류, mt)에 대한 열분해 가스 질량(mp)의 질량 비율입니다.
τ = mp / mt (1)
열분해 가스의 질량은 측정된 샘플의 질량 손실을 기반으로 계산됩니다. 공기의 질량 흐름은 직접 측정할 수 없기 때문에 이상 기체 법칙을 사용하여 계산됩니다. 배기의 용량이 질량 흐름에 대처할 수 있을 만큼 충분히 높다고 가정하고, 로의 압력은 배기로 인한 외부 압력과 동일하게 유지된다는 가정입니다. 일부 예비 계산이 수행되어 배기 용량이 충분함을 나타냅니다. 등압 과정과 함께 이상 기체 법칙을 사용하면 부피 변화는 ΔV 부피 변화(m3), V1 오픈 부피(m3), T1 온도 시간 단계 1(K) 및 온도 시간 단계 2(K)와 같습니다.
ΔV = (V1 · T2/T1) – V1 (2)
다음 단계는 공기 밀도를 사용하여 부피 증가를 공기 질량으로 변환하는 것입니다. 공기 밀도는 온도에 따라 달라지며 ρ는 kg/m3 단위의 공기 밀도, ρ는 Pa 단위의 대기압, T는 켈빈 단위의 온도입니다. 공식 (2)와 (3)의 조합은 공기의 질량 흐름을 생성합니다.
ρ = 3.46 · 10⁻³(p/T) (3)
2) 재료
테스트된 재료는 PUR, PIR, EPS, XPS 및 암면입니다. PUR, PIR 및 암면에 대한 실험은 코어 재료(가연성 실험)와 샌드위치패널 샘플(질량 손실 실험) 모두에서 수행됩니다. EPS 및 XPS에 대한 실험은 샌드위치패널의 적용이 네덜란드에서 제한되어 있기 때문에 코어 재료에 대해서만 수행되었습니다. 또한 150℃에서 녹는 EPS와 XPS의 특성으로 인해 로를 오염시킬 수 있기 때문에 샌드위치패널에서 실험을 수행할 수 없었습니다.
그럼에도 불구하고 EPS 및 XPS에 대한 가연성 실험은 두 재료가 건물에 광범위하게 적용되기 때문에 여전히 관련성이 있습니다. 시장에서 판매는 EPS가 2015년 네덜란드 시장의 35%를 차지하고 있음을 보여줍니다. 따라서 EPS는 네덜란드에서 평형한 지붕에서 두 번째로 많이 사용되는 단열재입니다. PUR/PIR은 45%, 미네랄울은 16%를 차지합니다. 나머지 4%는 다른 재료가 차지합니다. 테스트된 샘플의 특성은 아래 표와 같습니다.
[실험에 사용된 다양한 단열재의 물리적 특성]
[(a) 샌드위치패널에 조인트가 있는 샘플과 (b)조인트가 없는 샘플]
질량 손실 실험 중에 테스트된 샘플은 25×25cm이며, 그 중 20×20 영역이 열원에 노출됩니다. 샌드위치패널 샘플은 조인트가 있는 샘플(길이 방향)과 조인트가 없는 샘플 두 가지 유형이 제공됩니다. 상기 그림은 조인트가 있는 샘플과 조인트가 없는 샘플의 절단면을 보여줍니다. 조인트는 질량 손실 및 화재 방출물의 가연성에 영향을 미칠 수 있기 때문에 관련성이 있을 수 있습니다.
가연성 실험 중 테스트된 샘플은 10×10cm이었고 샘플의 높이는 샌드위치패널 내의 코어 재료의 높이와 동일했습니다. 이 샘플은 샌드위치패널의 금속 표면을 사용하거나 사용하지 않고 테스트합니다.