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문제 정의
- 화학약품 용액의 종류 및 보관일수에 따른 FRP 부재의 열화 특성을 파악하기 위하여 섬유배열에 따른 강도실험 및 전자주사현미경 검사결과 다음과 같은 결론을 확인할 수 있었다.
가설 설정
- 본 연구는 화학약품용액에 일정기간 보관된 FRP 부재의 강도 변화를 파악하기 위한 실험적 연구로서 FRP 부재가 유해환경, 염분 등에 직접적인 영향을 받는 상황을 재현하기 위하여 실험 변수를 실제 환경에서 발생될 수 있는 가장 열악한 환경을 가정으로 선정하였으며 이를 Table 1에 정리하였다. 기본물성 실험은 KS M 3381, KS M 3382, KS M 3383, KS M 3386에 의거하여 실험을 실시하였으며, 실험에 사용된 화학약품 용액은 강산 및 강알칼리성 용액으로 안전을 위해 전용 용기 및 전용 장갑 등을 착용한 후 100%원액에 일정한 간격으로 증류수를 혼합하여 조금씩 희석시키는 방법으로 10%농도 용액으로 제작하였다.
제안 방법
- 3. 화학약품용액에 침지한 FRP 부재의 전자주사현미경(SEM)평가화학약품용액 종류 및 보관일수에 따른 FRP 부재의 강도 실험 중 압축강도 실험에 사용된 시험체를 이용하여 전자주사현미경(SEM)으로 관찰하였다. 시험체의 파단면을 10배에서부터 5,000배 배율 사이를 관찰하면서 이상적인 단면형상을 확인하였다.
- FRP 부재의 화학약품 침지에 따른 역학적 특성을 파악 위하여 화학약품용액에 보관되지 않은 컨트롤 시험체와 10%황산, 10%질산, 10%염화나트륨, 10%수산화나트륨, 가솔린 및 경유에 각각 5일, 10일을 보관된 시험체를 각 섬유 방향별로 압축강도, 인장강도, 전단강도 및 휨강도 실험을 실시한 후 FRP 부재의 강도, 탄성계수, 강성 등의 변화를 분석하였다. 시험체는 조건별 각각 3개씩 제작하여 실험의 정확성을 높였으며, 화학약품에 보관된 광경은 Fig.
- 이에 본 연구에서는 급성 또는 만성적인 극심한 변화들을 화학적인 방법으로 가상적인 시뮬레이션을 할 수 있는 하나의 방법으로써 강산과 강알칼리화합물 용액에 FRP 부재를 일정기간 보관하였다. 그 시험체를 이용하여 압축강도, 인장강도, 전단강도 그리고 휨강도 실험을 실시하여 화학약품의 종류 및 보관일수에 따른 강도 변화를 분석하였다.
- 화학약품용액에 침지한 FRP 부재의 전자주사현미경(SEM)평가화학약품용액 종류 및 보관일수에 따른 FRP 부재의 강도 실험 중 압축강도 실험에 사용된 시험체를 이용하여 전자주사현미경(SEM)으로 관찰하였다. 시험체의 파단면을 10배에서부터 5,000배 배율 사이를 관찰하면서 이상적인 단면형상을 확인하였다. 관찰결과 눈에는 보이지 않으나 FRP의 섬유 적층을 확인할 수 있었으며, 컨트롤 시험체의 경우 섬유와 매트릭스의 분포가 적정하게 이루어져 있음을 확인할 수 있었으나, 화학약품에 보관된 시험체의 경우 섬유 주변의 매트릭스가 화학약품에 의해 많이 손상되어 공극으로 관측되었다.
- 이에 본 연구에서는 급성 또는 만성적인 극심한 변화들을 화학적인 방법으로 가상적인 시뮬레이션을 할 수 있는 하나의 방법으로써 강산과 강알칼리화합물 용액에 FRP 부재를 일정기간 보관하였다. 그 시험체를 이용하여 압축강도, 인장강도, 전단강도 그리고 휨강도 실험을 실시하여 화학약품의 종류 및 보관일수에 따른 강도 변화를 분석하였다.
대상 데이터
- 본 연구는 화학약품용액에 일정기간 보관된 FRP 부재의 강도 변화를 파악하기 위한 실험적 연구로서 FRP 부재가 유해환경, 염분 등에 직접적인 영향을 받는 상황을 재현하기 위하여 실험 변수를 실제 환경에서 발생될 수 있는 가장 열악한 환경을 가정으로 선정하였으며 이를 Table 1에 정리하였다. 기본물성 실험은 KS M 3381, KS M 3382, KS M 3383, KS M 3386에 의거하여 실험을 실시하였으며, 실험에 사용된 화학약품 용액은 강산 및 강알칼리성 용액으로 안전을 위해 전용 용기 및 전용 장갑 등을 착용한 후 100%원액에 일정한 간격으로 증류수를 혼합하여 조금씩 희석시키는 방법으로 10%농도 용액으로 제작하였다. 또한, FRP 부재의 시험체는 곽계환 등(2008)에 의해 제안된 단면 및 재료를 사용하였다.
- 기본물성 실험은 KS M 3381, KS M 3382, KS M 3383, KS M 3386에 의거하여 실험을 실시하였으며, 실험에 사용된 화학약품 용액은 강산 및 강알칼리성 용액으로 안전을 위해 전용 용기 및 전용 장갑 등을 착용한 후 100%원액에 일정한 간격으로 증류수를 혼합하여 조금씩 희석시키는 방법으로 10%농도 용액으로 제작하였다. 또한, FRP 부재의 시험체는 곽계환 등(2008)에 의해 제안된 단면 및 재료를 사용하였다.
- FRP 부재의 화학약품 침지에 따른 역학적 특성을 파악 위하여 화학약품용액에 보관되지 않은 컨트롤 시험체와 10%황산, 10%질산, 10%염화나트륨, 10%수산화나트륨, 가솔린 및 경유에 각각 5일, 10일을 보관된 시험체를 각 섬유 방향별로 압축강도, 인장강도, 전단강도 및 휨강도 실험을 실시한 후 FRP 부재의 강도, 탄성계수, 강성 등의 변화를 분석하였다. 시험체는 조건별 각각 3개씩 제작하여 실험의 정확성을 높였으며, 화학약품에 보관된 광경은 Fig. 1과 같다.
성능/효과
- (1) 화학약품 용액에 침지된 FRP 부재의 강도실험(압축강도, 인장강도, 전단강도, 휨강도)결과 시험체의 파괴모드는 기본 컨트롤 시험체의 파괴모드와 동일하여 화학약품 용액의 종류 및 보관일수가 FRP 부재의 파괴모드에 영향을 미치지 않음을 확인할 수 있었다.
- (2) 화학약품 용액에 침지된 FRP 부재의 강도실험결과 화학약품의 종류 및 보관일수에 따라 강도는 다소 감소하였으나, 평균적으로 컨트롤 시험체의 약 70%이상의 강도를 발현하는 것으로 분석되어 FRP 재료가 화학약품에 내구성이 강함을 확인할 수 있었다.
- (3) FRP 부재는 강산 및 강알칼리 용액에 의한 강도 감소보다는 화학약품 용액의 보관일수에 따른 강도 감소가 훨씬 더 크게 작용함을 확인할 수 있었다.
- (4) 화학약품 용액에 10일 보관된 시험체의 강도실험 결과 값 중 전단강도는 컨트롤 시험체의 약 90%정도로 화학약품 용액에 침지된 후에도 가장 높은 강도 발현을 나타냈으며, 휨강도가 컨트롤 시험체의 69%로 가장 낮은 강도를 발현하는 것으로 분석되었다. 추후, FRP 부재를 휨 부재로 사용할 경우 화학약품 용액에 따른 강도감소 경향을 설계 및 구조계산에 고려할 필요가 있을 것으로 판단된다.
- (5) 화학약품 용액에 침지된 FRP 부재에 대한 SEM 분석결과 컨트롤 시험체의 경우 섬유와 매트릭스의 분포가 적정하며 손상이 발견되지 않았으나, 화학약품 용액에 보관된 시험체의 경우 섬유 주변의 매트릭스가 화학약품에 의해 많이 손상되어 있었다.
- 또한, 전단탄성계수의 경우 보관일수에 딸 전단탄성계수가 거의 선형적으로 감소되어 화학약품 보관일수에 따른 변형이 커짐을 확인할 수 있었다. 각 시험체 별 결과 값을 살펴보면 플랜지의 경우 컨트롤 시험체의 전단 강도는 평균 75.3 MPa, 전단탄성계수는 24259 MPa이고, 화학약품 중 가솔린에 10일 보관된 시험체에서 가장 낮은 전단강도인 67.3 MPa 값을 나타내었다. 웹의 경우 컨트롤 시험체의 전단강도는 평균 69.
- 또한, 인장강도 역시 압축강도와 마찬가지로 화학약품의 보관일수에 따라 강도 및 탄성계수가 지속적으로 감소되고 있었으나, 기대 이상의 인장강도 및 인장탄성계수를 발현하고 있음을 확인할 수 있었다. 각 시험체별 결과 값을 살펴보면 플랜지 섬유방향의 경우, 컨트롤 시험체의 인장강도 383.0 MPa로서, 10%황산에 10일 보관할 때 가장 낮은 336.8 MPa의 인장강도를 나타내었다. 플랜지 섬유직각 방향의 경우, 컨트롤 시험체의 인장강도는 132.
- 휨강도 실험결과 화학약품의 종류 및 보관 일에 관계없이 모든 시험체의 파괴양상은 중앙 인장부에서 섬유 층간 분리에 의한 파괴가 발생되었으며, 파괴는 항복점이 없는 취성파괴가 발생되었다. 결과 값을 분석해 보면 화학약품의 보관일수에 따른 휨강도가 다른 강도보다 강도 감소가 큰 것으로 나타났다. 또한, 휨 탄성계수 역시 화학약품에 보관일수에 따라 휨탄성계수 값이 감소되어 화학약품 용액에 따른 변형이 커짐을 확인할 수 있었다.
- 시험체의 파단면을 10배에서부터 5,000배 배율 사이를 관찰하면서 이상적인 단면형상을 확인하였다. 관찰결과 눈에는 보이지 않으나 FRP의 섬유 적층을 확인할 수 있었으며, 컨트롤 시험체의 경우 섬유와 매트릭스의 분포가 적정하게 이루어져 있음을 확인할 수 있었으나, 화학약품에 보관된 시험체의 경우 섬유 주변의 매트릭스가 화학약품에 의해 많이 손상되어 공극으로 관측되었다. 이러한 손상이 FRP 재료의 강도 저하를 유도하는 것으로 확인되었다.
- 화학약품의 종류 및 보관일수에 따라 파괴모드의 변화는 없는 것으로 분석되었다. 또한, 각 시험체별 압축강도 변화를 분석해 보면 화학약품의 종류에 따른 강도 저하는 일정한 규칙을 나타내지 않았으며, 보관일수가 증가함에 따라 강도 감소는 더욱 커지는 것으로 분석되었다. 플랜지 섬유방향의 경우 컨트롤 시험체의 압축강도는 414.
- 파괴모드는 화학약품 용액의 종류 및 보관일수에 관계 없이 모든 시험체에서 섬유방향의 경우 섬유의 뽑힘에 의한 파괴가 발생되었으며, 섬유직각 방향의 경우에는 섬유층에 따른 파단에 의한 파괴가 발생되었다. 또한, 인장강도 역시 압축강도와 마찬가지로 화학약품의 보관일수에 따라 강도 및 탄성계수가 지속적으로 감소되고 있었으나, 기대 이상의 인장강도 및 인장탄성계수를 발현하고 있음을 확인할 수 있었다. 각 시험체별 결과 값을 살펴보면 플랜지 섬유방향의 경우, 컨트롤 시험체의 인장강도 383.
- 다른 실험에서 마찬가지로 전단강도 실험에서도 화학약품의 보관일수에 따라 강도저하가 관찰되었으나, 평균 89%이상의 강도 발현을 하고 있는 것으로 분석되었다. 또한, 전단탄성계수의 경우 보관일수에 딸 전단탄성계수가 거의 선형적으로 감소되어 화학약품 보관일수에 따른 변형이 커짐을 확인할 수 있었다. 각 시험체 별 결과 값을 살펴보면 플랜지의 경우 컨트롤 시험체의 전단 강도는 평균 75.
- 결과 값을 분석해 보면 화학약품의 보관일수에 따른 휨강도가 다른 강도보다 강도 감소가 큰 것으로 나타났다. 또한, 휨 탄성계수 역시 화학약품에 보관일수에 따라 휨탄성계수 값이 감소되어 화학약품 용액에 따른 변형이 커짐을 확인할 수 있었다. 컨트롤 시험체의 휨강도는 541.
- 압축강도 실험 결과 화학약품 용액의 종류 및 보관 일수에 관계없이 모든 시험체의 파괴양상은 섬유방향의 경우 주로 섬유 적층면 분리에 의한 파괴가 대부분 발생되었으며, 섬유 직각방향의 경우에는 섬유 적층면에 따라 발생되는 섬유 층의 박리 파괴가 발생되었다. 화학약품의 종류 및 보관일수에 따라 파괴모드의 변화는 없는 것으로 분석되었다.
- 8 kN/mm로 분석되었다. 웹 섬유직각 방향의 경우 컨트롤 시험체에 비해 10%황산에 보관된 경우 가장 낮은 강성 값을 나타내고 있으며, 기본 시험체의 약 67% 수준인 것으로 분석되었다.
- 인장강성 값을 분석해 보면 플랜지 섬유방향의 경우 컨트롤 시험체는 95.8 kN/mm로 분석되었으며, 화학약품 중 10%황산에 10일 보관된 시험체가 가장 낮은 74.9 kN/mm(77.9%수준) 강성 값을 나타내었다. 플랜지 섬유 직각 방향의 경우에는 10%황산에 보관된 시험체가 가장 낮은 39.
- 전단강도 실험 결과 약품의 종류 및 보관일수에 관계없이 모든 시험체의 파괴양상은 컨트롤 시험체의 파괴와 동일하게 섬유의 뽑힘에 의한 항복점이 없는 취성파괴가 발생되었다. 다른 실험에서 마찬가지로 전단강도 실험에서도 화학약품의 보관일수에 따라 강도저하가 관찰되었으나, 평균 89%이상의 강도 발현을 하고 있는 것으로 분석되었다.
- 전단강성 값을 분석해 보면 플랜지의 경우 컨트롤 시험체의 파괴하중은 15.1 kN, 최대변위는 0.3 mm이고 화학약품 중 10%황산에 보관된 시험체에서 가장 낮은 34 kN/mm(77.7% 수준)의 전단강성 값을 나타내었다. 웹 부분의 경우 파괴하중은 13.
- 파괴모드는 화학약품 용액의 종류 및 보관일수에 관계 없이 모든 시험체에서 섬유방향의 경우 섬유의 뽑힘에 의한 파괴가 발생되었으며, 섬유직각 방향의 경우에는 섬유층에 따른 파단에 의한 파괴가 발생되었다. 또한, 인장강도 역시 압축강도와 마찬가지로 화학약품의 보관일수에 따라 강도 및 탄성계수가 지속적으로 감소되고 있었으나, 기대 이상의 인장강도 및 인장탄성계수를 발현하고 있음을 확인할 수 있었다.
- 압축강도 실험 결과 화학약품 용액의 종류 및 보관 일수에 관계없이 모든 시험체의 파괴양상은 섬유방향의 경우 주로 섬유 적층면 분리에 의한 파괴가 대부분 발생되었으며, 섬유 직각방향의 경우에는 섬유 적층면에 따라 발생되는 섬유 층의 박리 파괴가 발생되었다. 화학약품의 종류 및 보관일수에 따라 파괴모드의 변화는 없는 것으로 분석되었다. 또한, 각 시험체별 압축강도 변화를 분석해 보면 화학약품의 종류에 따른 강도 저하는 일정한 규칙을 나타내지 않았으며, 보관일수가 증가함에 따라 강도 감소는 더욱 커지는 것으로 분석되었다.
- 휨강도 실험결과 화학약품의 종류 및 보관 일에 관계없이 모든 시험체의 파괴양상은 중앙 인장부에서 섬유 층간 분리에 의한 파괴가 발생되었으며, 파괴는 항복점이 없는 취성파괴가 발생되었다. 결과 값을 분석해 보면 화학약품의 보관일수에 따른 휨강도가 다른 강도보다 강도 감소가 큰 것으로 나타났다.
- 휨강성 분석결과 컨트롤 시험체의 파괴하중은 5.8 kN, 최대 변위는 18.8 mm로서 휨강성은 0.31 kN/mm 값을나타냈으며, 화학약품 중 10%황산에 된 시험체가 가장 낮은 62.9% 수준의 0.2 kN/mm의 값으로 분석되었다.
후속연구
- (4) 화학약품 용액에 10일 보관된 시험체의 강도실험 결과 값 중 전단강도는 컨트롤 시험체의 약 90%정도로 화학약품 용액에 침지된 후에도 가장 높은 강도 발현을 나타냈으며, 휨강도가 컨트롤 시험체의 69%로 가장 낮은 강도를 발현하는 것으로 분석되었다. 추후, FRP 부재를 휨 부재로 사용할 경우 화학약품 용액에 따른 강도감소 경향을 설계 및 구조계산에 고려할 필요가 있을 것으로 판단된다.
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