[논문]화학적 환경에 노출된 콘크리트 보강용 FRP 보강근의 부착 성능

박찬기; 원종필

doi:10.5389/ksae.2004.46.3.073

문제 정의

그러나 FRP 보강근 자체의 알칼리 환경에의 노출로 인한 성능 저하 못지 않게 콘크리트 모체와 FRP 보강 근사이의 부착계면에서의 알칼리 용액의 침투로 분리 및 파괴가 족진됨으로써 성능저하를 조기에 발생시킬 수 있다. 따라서 본 연구에서는 FRP 보강 근의 알칼리 환경에 대한 영향을 평가하기 위하여 pH 12.6 의 0.16%Ca(OH)2+l%Na(OH)+1.4%K(OH) 용액을 제조하여 FRP 보강근을 25일 및 50일간침지하였다 10)
따라서 본 연구에서는 FRP 보강근의 융빙제에 대한 영향을 평가하고자 4%의 염화칼슘용액에 25일간 FRP 보강근을 노출시킨 후 융빙제에 대한영향을 평가하였다.
따라서 본 연구에서는 이에 대한 영향을 평가하기 위하여 60℃ 수돗물에 FRP 보강근을 25일 및 50일간 침지하였다.
본 연구에서는 FRP 보강근의 부착성능을 최적화하기 위하여 ACI 440위원회가 제시하고 있는 직접 부착실험을 실시하였다.2)부착시험 용 배합설계는 Table 2와 같다.
일반적으로 해수에 대한영향을 평가하기 위해서는 NaCl 용액을 사용한다. 본 연구에서는 FRP 보강근의 염해에 대한 영향을 평가하기 위하여 3%의 NaCl 용액에 FRP 보강근을 25일 및 50일간 침지하였다.

제안 방법

FRP 보강근의 부착특성을 평가하기 위하여 5가지 종류의 FRP 보강근을 시험하였다(Table 1). FRP 보강근의 표면형상은 표면을 규사 코팅한 CFRP 보강근(캐나다, CFRP ISO), 규사코팅과 나선형 웹을 표면에 처리한 GFRP 보강근(미국, GFRP Aslan) 및 폴리머 매트릭스를 이용하여 이형철근과 동일한 형태로 표면을 처리한 AFRP 보강근(일본, AFRP Technora)과 PVA 섬유를 이용하여 표면을 브레이딩 과정으로 rib을 처리한 2가지 종류의 FRP 보강근 (CFRP (D) 및 GFRP (D)) 으로 하였다.
1). FRP 보강근의 표면형상은 표면을 규사 코팅한 CFRP 보강근(캐나다, CFRP ISO), 규사코팅과 나선형 웹을 표면에 처리한 GFRP 보강근(미국, GFRP Aslan) 및 폴리머 매트릭스를 이용하여 이형철근과 동일한 형태로 표면을 처리한 AFRP 보강근(일본, AFRP Technora)과 PVA 섬유를 이용하여 표면을 브레이딩 과정으로 rib을 처리한 2가지 종류의 FRP 보강근 (CFRP (D) 및 GFRP (D)) 으로 하였다. 본 연구에서 사용된 FRP 보강근의 표면 형상은 Fig.
FRP 보강근이 노출될 수 있는 화학적 환경으로 본 연구에서는 산환경을 고려하였다. 특히 산에 대한 영향은 내화학성을 평가하는데 중요한 자료로 사용될 수 있다.
FRP 보강근이 하수관거 등 황산염에 심한 영향을 받을 수 있는 환경에 노출되었을 때의 영향을 평가하기 위하여 Na2SO₄ 10% 용액에 25일간 침지시 켰다.
통하여 평가하였다. 또한 알칼리, 염해, 산 및 중성환경, 융빙제, 황산염 등 6가지 화학적 환경 조건에 노출시킨 후 부착성능의 저하 정도를 평가하여 환경노출이 부착강도에 미치는 영향을 평가하였다.
본 연구는 FRP 보강근의 부착성능을 향상시키기위하여 표면을 브레이딩 과정으로 rib을 형성시킨 FRP 보강근의 부착성능을 평가하고, FRP 보강근이 직접적으로 노출 될 수 있는 6가지 화학적 환경 조건에 노출 후 부착시험을 실시함으로써 FRP 보강근의 내약품성을 평가하였으며, 그 결과를 요약하면 다음과 같다.
특히 산에 대한 영향은 내화학성을 평가하는데 중요한 자료로 사용될 수 있다. 본 연구에는 이를 위하여 기존 연구자들이 FRP 보강근의 산환경에 저항성을 평가하는데 사용하였던 pH 2.92의 0.6% 아세틸산용액에 FRP 보강근을 25일 및 50일간 침지하였다.
본 연구에서는 FRP 보강근의 부착성능 및 내화학성을 평가하기 위하여 FRP 보강근이 노출될 수 있는 6가지의 화학적 환경을 고려하였으며 노출 조건은 다음과 같으며 노출기간은 기존 연구자들이 많이 사용하였던 방법을 이용하였다4)5)
본 연구에서는 FRP 보강근의 표면을 친수성인 PVA 섬유를 사용하여 제직 처리 (braiding process) 한 CFRP 및 GFRP 보강근의 부착성능을 직접 부착시험을 통하여 평가하였다. 또한 알칼리, 염해, 산 및 중성환경, 융빙제, 황산염 등 6가지 화학적 환경 조건에 노출시킨 후 부착성능의 저하 정도를 평가하여 환경노출이 부착강도에 미치는 영향을 평가하였다.
콘크리트 공시체를 이용하여 FRP 보강근 직경의 5배를 매립하여 제작하였다. 시험은 28일간의 양생 후 25kN 용량의 변위를 조절할 수 있는 UTM을 이용하였는데, 하중 재하속도는 5 mm/ min으로 시험을 실시하였다(Fig. 2). 시험 결과는 하중과 변위를 직접 측정하여 식 1으로 부착 강도를 결정하였다.

대상 데이터

부착시험공시체는 0 150 mm X 300 mm의 원추형 콘크리트 공시체를 이용하여 FRP 보강근 직경의 5배를 매립하여 제작하였다. 시험은 28일간의 양생 후 25kN 용량의 변위를 조절할 수 있는 UTM을 이용하였는데, 하중 재하속도는 5 mm/ min으로 시험을 실시하였다(Fig.

성능/효과

1. 국내에서 생산된 FRP 보강근의 부착 시험 결과는 기존의 해외에서 상용화된 FRP 보강근이 보강 철근과 비교하여 약 60% 정도의 부착강도를 가지고 있는데 비하여 70%~80%까지 부착 강도가 증가하는 것으로 나타났다.
2. CFRP 보강근 및 AFRP 보강근은 알칼리, 산, 염해, 중성용액에 25일간 노출 후 잔류 부착강도는 70% 정도를 나타내어 큰 영향을 받지 않았으나, 50일 노출 후에는 50%~60%의 잔류 부착 강도를 나타내어 부착강도가 현저히 감소함을 알 수 있었다.
8과 같다. 25일간 노출후 잔류 부착강도는 모든 FRP 보강근에서 약 70% 이상을 나타내었다. 특히 유리섬유를 사용한 FRP 보강근의 경우 약 70% 초반의 잔류 부착강도를 나타내어 장기간 온도가 높은 물에 노출시 상당한 성능 감소가 발생할 수 있는 것으로 나타났다.
7)12), 13) 나선형웹으로 표면을 처리하는 방법은 나선형 웹이 쉽게 벗겨져 충분한 부착성능을 획득할 수 없으며 규사 코팅 및 rib처리는 단지 FRP 보강근의 표면만을 처리한 것으로 부착성능의 증가에는 한계가 있다. 3)이와 같은 이유로 현재 상용화되어 있는 FRP 보강근의 부착강도는 보강철근의 약 60%를 발휘한다고 알려져 있다.또한 FRP 보강근이실제 환경에 노출되었을 때 부착성능의 저하는 노출 환경 조건에 따라 크게 영향을 받을 수 있다.
3. GFRP 보강근의 알칼리, 산, 염해, 중성용액에 25일간 노출 후 잔류 부착강도 60%~70%를 나타내었으나 50일 노출 후에는 40%~50%의 잔류 부착 강도를 나타냄으로써 환경노출에 큰 영향을 받았다.
4. 융빙제 환경 및 황산염 환경에 노출 후 부착 강도 시험결과 모든 FRP 보강근이 70% 이상의 잔류 부착강도를 나타내어 큰 영향을 받지 않았다. 그러나 CFRP ISO 보강근의 경우 표면 규사 코팅층과 FRP 보강근의 모체와의 분리로 인하여 다른 FRP 보강근 보다는 쉽게 표면 파괴가 발생하였다.
특히 유리섬유를 사용한 FRP 보강근의 경우 약 70% 초반의 잔류 부착강도를 나타내어 장기간 온도가 높은 물에 노출시 상당한 성능 감소가 발생할 수 있는 것으로 나타났다. 50일간 노출 후 유리섬유를 사용한 GFRP 보강근이 약 50%의 부착강도의 손실을 발생시키는 현저한 부착강도의 감소를 보여주었으며 CFRP 보강근 및 AFRP 보강근은 60%정도의 잔류 부착강도를 나타내어 GFRP 보강근 보다는 약간 우수한 성능을 발휘하였다. 그러나 국내에서 생산된 CFRP 보강근 및 GFRP 보강근은 부착 강도가 기존 상용 FRP 보강근 보다 상당히 크기 때문에 성능 저하가 어느 정도 크게 일어나도 부착 강도의 실제 값은 크게 나타남을 알 수 있었다.
잔류 부착 강도시험 결과 25일간의 노출 후 유리섬유를 사용한 GFRP 보강근이 약 70% 초반의 값을 나타내어 약간의 성능감소가 발생하였으며, 나머지 FRP 보강 근의 부착 강도는 80% 이상으로 큰 영향은 받지 않는 것으로 나타났다. 50일간 산환경에 노출 후의 부착 강도 시험결과는 모든 시험공시체 중 GFRP 보강 근만 이 약 50%의 잔류부착강도를 보여주어 부착강도가 현저히 감소하였다. 나머지 FRP 보강근 역시 약 60% 정도의 잔류 부착강도를 보여주어 부착 강도가 현저히 감소함을 알 수 있었다.
시험결과를 살펴보면 GFRP Aslan 보강근, CFRP ISO 보강근 및 AFRP Technora 보강근은 국내에서 제조된 GFRP 보강근 및 CFRP 보강근에 비하여 최대부착강도 및 Slip이 작게 나타났다. FRP 보강근 부착공시체의 부착시험결과 현재 상용화되어 있는 FRP 보강근이 보강철근과 비교하여 약 60% 정도의 부착강도를 발현하는데 비하여 국내에서 생산된 FRP 보강근은 약 70%-80% 정도의 부착 강도를 보여주었다(Fig. 4). 이와 같은 결과는 국내에서 생산된 FRP 보강근은 기존 FRP 보강근의 부착성능 저하를 발생시켰던 rib 부분의 전단파괴와 규사코팅부분의 분리파괴를 표면형상 처리에 의하여 최소화하였기 때문이다.
50일간 노출 후 유리섬유를 사용한 GFRP 보강근이 약 50%의 부착강도의 손실을 발생시키는 현저한 부착강도의 감소를 보여주었으며 CFRP 보강근 및 AFRP 보강근은 60%정도의 잔류 부착강도를 나타내어 GFRP 보강근 보다는 약간 우수한 성능을 발휘하였다. 그러나 국내에서 생산된 CFRP 보강근 및 GFRP 보강근은 부착 강도가 기존 상용 FRP 보강근 보다 상당히 크기 때문에 성능 저하가 어느 정도 크게 일어나도 부착 강도의 실제 값은 크게 나타남을 알 수 있었다.
5). 또한 50일간의 알칼리환경에 노출시킨 FRP 보강근 부착공시체의 잔류부착강도는 유리섬유를 주요 구성요소로 하는 GFRP 보강근의 경우 잔류부착강도는 약 40% 의 낮은 값을 나타내었다. 이와 같은 결과는 알칼리 용액에 노출된 콘크리트 모체의 강도 감소뿐만 아니라 알칼리 용액이 FRP 보강근의 유리섬유를파괴시켜 부착강도의 현저한 저하를 발생시킴을 보여준다.
이와 같은 결과는 알칼리 용액에 노출된 콘크리트 모체의 강도 감소뿐만 아니라 알칼리 용액이 FRP 보강근의 유리섬유를파괴시켜 부착강도의 현저한 저하를 발생시킴을 보여준다. 반면 CFRP 보강근은 60%이상의 잔류 부착강도를 보여주었고, AFRP 보강근은 50% 이상의 잔류 부착강도를 보여주어 상대적으로 GFRP 보강근 보다는 알칼리 환경에서 우수한 성능을 발휘함을 알 수 있었다. 그러나 국내에서 제조된 FRP 보강근과 해외에서 상용화되어있는 FRP 보강근 사이의 부착강도 저하정도에는 큰 차이가 없었다.
10과 같다. 시험결과 AFRP 보강근(82%)을 제외하고는 모두 70%대의 잔류부착 강도를 보여주었다. 특히 CFRP ISO 보강근이 가장 작은 잔류 부착강도를 보여주었는데 이는 염화칼슘 용액이 규사 코팅 층과 FRP 보강근 모체 사이의 침투하여 결합층을 쉽게 파괴하였기 때문이다.
9와 같다. 시험결과, GFRP Aslan 보강근과 국내에서 생산된 CFRP 보강근이 상대적으로 큰 잔류강도를 나타내었다. 그러나 다른 FRP 보강근의 경우 70% 초반의 잔류 부착강도를 나타내어 황산염 환경시 약간의 영향을 받는 것으로 나타났다.
3과 같다. 시험결과를 살펴보면 GFRP Aslan 보강근, CFRP ISO 보강근 및 AFRP Technora 보강근은 국내에서 제조된 GFRP 보강근 및 CFRP 보강근에 비하여 최대부착강도 및 Slip이 작게 나타났다. FRP 보강근 부착공시체의 부착시험결과 현재 상용화되어 있는 FRP 보강근이 보강철근과 비교하여 약 60% 정도의 부착강도를 발현하는데 비하여 국내에서 생산된 FRP 보강근은 약 70%-80% 정도의 부착 강도를 보여주었다(Fig.
6과 같다. 잔류 부착 강도시험 결과 25일간의 노출 후 유리섬유를 사용한 GFRP 보강근이 약 70% 초반의 값을 나타내어 약간의 성능감소가 발생하였으며, 나머지 FRP 보강 근의 부착 강도는 80% 이상으로 큰 영향은 받지 않는 것으로 나타났다. 50일간 산환경에 노출 후의 부착 강도 시험결과는 모든 시험공시체 중 GFRP 보강 근만 이 약 50%의 잔류부착강도를 보여주어 부착강도가 현저히 감소하였다.
25일간 노출후 잔류 부착강도는 모든 FRP 보강근에서 약 70% 이상을 나타내었다. 특히 유리섬유를 사용한 FRP 보강근의 경우 약 70% 초반의 잔류 부착강도를 나타내어 장기간 온도가 높은 물에 노출시 상당한 성능 감소가 발생할 수 있는 것으로 나타났다. 50일간 노출 후 유리섬유를 사용한 GFRP 보강근이 약 50%의 부착강도의 손실을 발생시키는 현저한 부착강도의 감소를 보여주었으며 CFRP 보강근 및 AFRP 보강근은 60%정도의 잔류 부착강도를 나타내어 GFRP 보강근 보다는 약간 우수한 성능을 발휘하였다.

후속연구

그러나 CFRP ISO 보강근의 경우 표면 규사 코팅층과 FRP 보강근의 모체와의 분리로 인하여 다른 FRP 보강근 보다는 쉽게 표면 파괴가 발생하였다. 위와 같은 부착시험결과 부착강도를 향상시키기 위하여 FRP 보강근의 표면을 제직공정으로 생산한 국내생산 FRP 보강근은 수리구조물, 해양구조물 등 콘크리트 구조물에 적용되어 부착 및 내구성능을 향상시킴으로써 콘크리트 구조물에 내 구연 한을 증가시킬 수 있을 것이라 판단된다.

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