FRP 재료는 높은 부식저항성과 강도에도 불구하고 지난 20여년 동안 심각한 환경적 노출에 의한 재료의 성능저하에 대한 문제가 제기되어 왔다. 본 연구에서는 섬유와 수지로 구성된 이질재료인 FRP보강근이 온도와 화학적 노출을 복합적으로 받는 경우에 대하여 실험적으로 분석하였다. 각기 다른 형상으로 제작된 탄소, 유리 및 하이브리드 FRP 보강근 5종류에 대하여 중량변화, 계면전단강도(ILSS), SEM 및 FT-IR분석을 수행하였으며, 모든 FRP 실험편은 최대 150일까지 알칼리 용액과 증류수에 침지시킨 다음 60, 100, 150 및 300도의 온도에서 30분동안 노출하였다. 실험결과, 또한 FRP 보강근의 성능저하는 섬유의 종류뿐 아니라 수지의 종류와 제조과정에 따라 영향을 받는 것으로 관찰되었다. 침지 초기에는 ILSS 강도가 약간 증가한 후 시간경과에 따라 강도가 감소하는 것으로 나타났다. 알칼리 용액과 증류수 용액에 의해 손상을 받은 ILSS의 차이는 무시할 수 있는 수준인 것으로 관찰되었다.
FRP 재료는 높은 부식저항성과 강도에도 불구하고 지난 20여년 동안 심각한 환경적 노출에 의한 재료의 성능저하에 대한 문제가 제기되어 왔다. 본 연구에서는 섬유와 수지로 구성된 이질재료인 FRP보강근이 온도와 화학적 노출을 복합적으로 받는 경우에 대하여 실험적으로 분석하였다. 각기 다른 형상으로 제작된 탄소, 유리 및 하이브리드 FRP 보강근 5종류에 대하여 중량변화, 계면전단강도(ILSS), SEM 및 FT-IR분석을 수행하였으며, 모든 FRP 실험편은 최대 150일까지 알칼리 용액과 증류수에 침지시킨 다음 60, 100, 150 및 300도의 온도에서 30분동안 노출하였다. 실험결과, 또한 FRP 보강근의 성능저하는 섬유의 종류뿐 아니라 수지의 종류와 제조과정에 따라 영향을 받는 것으로 관찰되었다. 침지 초기에는 ILSS 강도가 약간 증가한 후 시간경과에 따라 강도가 감소하는 것으로 나타났다. 알칼리 용액과 증류수 용액에 의해 손상을 받은 ILSS의 차이는 무시할 수 있는 수준인 것으로 관찰되었다.
In spite of high resistant to corrosion and its strength, over the last two decades, concerns still remain about the durability of FRP materials under severe environmental and thermal exposures. In this paper, authors experimentally examine the combined degradation by thermal and chemical attacks in...
In spite of high resistant to corrosion and its strength, over the last two decades, concerns still remain about the durability of FRP materials under severe environmental and thermal exposures. In this paper, authors experimentally examine the combined degradation by thermal and chemical attacks in heterogeneous FRP rebar be made up with various fibers and resins. Five types of Carbon, Glass and Hybrid FRP rebars had manufactured by different process and surface patterns are adopted for the experiments such as weight change, interlaminar shear strength, SEM and FT-IR analysis. FRP specimens were immersed in alkaline or distilled solution up to 150 days and then thermal exposed on 60, 100, 150 and $300^{\circ}C$ for 30 minutes. From the test results, the degradation of FRP bars are influnced by the resin type and manufacturing process as well as the fiber, and ILSS of exposed FRP bar in solutions is slightly increased in initial stage and then decresed with the passing of immersed time. But, in this test, it is observed that the discrepancy of ILSS between degraded by alkaline solution and distilled water is negligible value.
In spite of high resistant to corrosion and its strength, over the last two decades, concerns still remain about the durability of FRP materials under severe environmental and thermal exposures. In this paper, authors experimentally examine the combined degradation by thermal and chemical attacks in heterogeneous FRP rebar be made up with various fibers and resins. Five types of Carbon, Glass and Hybrid FRP rebars had manufactured by different process and surface patterns are adopted for the experiments such as weight change, interlaminar shear strength, SEM and FT-IR analysis. FRP specimens were immersed in alkaline or distilled solution up to 150 days and then thermal exposed on 60, 100, 150 and $300^{\circ}C$ for 30 minutes. From the test results, the degradation of FRP bars are influnced by the resin type and manufacturing process as well as the fiber, and ILSS of exposed FRP bar in solutions is slightly increased in initial stage and then decresed with the passing of immersed time. But, in this test, it is observed that the discrepancy of ILSS between degraded by alkaline solution and distilled water is negligible value.
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문제 정의
논문에서는 고온조건이 알칼리 환경과 증류수환경에서 기손상을 받은 FRP 보강근의 내구성에 미치는 영향을 분석하였으며, 획득한 결론을 정리하면 다음과 같다.
또한 Bisby and Kodur(2007)는 CFRP 보강근의 고온노출시 인장강도가 50% 저하되는 임계온도를 250℃로 실험적으로 제시하였으며, 30mm의 피복을 갖는 콘크리트 부재가 고온에 30시간 노출 되면, CFRP 보강근의 온도는 임계온도에 도달한다고 주장하였다. 본 연구에서는 FRP 보강근의 온도에 대한 영향을 고찰하기 위한 기초 연구로서 고온에 순간적으로 노출된 경우의 강도변화 특성을 평가 하고자 하였다.
본 연구에서는 국내외에서 사용가능한 FRP 보강근을 증류수와 알칼리에 폭로한 후 고온에 일시적으로 노출된 후의 보강근의 성능변화를 실험적으로 검증하고자 하였다. 이때 노출온도수준은 Bisby and Kodur(2007)의 실험연구 결과에 근거하여 선정하였다(Fig.
제안 방법
FRP 보강근의 종류에 따른 화학 및 물리적 열화현상을 측정하기 위하여 GFRP 3종류(G1 9.53mm, G3 16mm), CFRP 2종류(C1 6.5mm, C2 9.6mm), Hybrid FRP 1종류(H1 9.5mm)로 총 5가지의 변수를 고려하였다. 또한 화학적 환경하에 노출시키기 위하여 pH 12.
각 FRP 보강근의 실험편을 50mm 크기로 절단한 후, 절단면에 의한 수분 및 용액침투 및 확산 영향을 배제하기 위하여 절단면에 에폭시레진을 도포하였다. 용액에 침지하기 전에 각 보강근별로 무손상의 경우는 5개의 실험편을 그리고 손상 및 침지일시별로 최소 2개의 실험편 중량을 1/1000g 정밀도의 저울로 계측하여 평균중량을 산정하였다.
5와 같이 밀폐용기를 사용하였다. 그리고 각 실험편은 일정기간 용액에 담가둔 후 꺼내어 챔버에서 60℃, 100℃, 150℃, 300℃에 30분동안 노출시킨 후 흡수율과 ILSS(Interlaminar Shear Strength)를 측정하였다.
69이다. 따라서 각 실험결과는 무손상 강도를 기준으로 강도비(손상 실험편의 평균강도/무손상실혐편의 평균강도)에 대하여 분석하였다. ILSS은 회귀분석에 의한 경험식들이 제시되어 있으며, 본 연구에서는 ASTM(2002)에서 제시하고 있는 식 (2)를 사용하였다.
5mm)로 총 5가지의 변수를 고려하였다. 또한 화학적 환경하에 노출시키기 위하여 pH 12.5의 Ca(OH)2용액과 pH 7.0의 증류수에 각각 15, 30, 60, 90일과 150일 동안 침지하였다. 실험결과의 편차를 최소화하기 위하여 총 900개의 실험편을 변수 당 두 개의 실험편에 대하여 실험을 실시하였으며, 용액의 증발을 제한하기 위하여 Fig.
각 FRP 보강근의 실험편을 50mm 크기로 절단한 후, 절단면에 의한 수분 및 용액침투 및 확산 영향을 배제하기 위하여 절단면에 에폭시레진을 도포하였다. 용액에 침지하기 전에 각 보강근별로 무손상의 경우는 5개의 실험편을 그리고 손상 및 침지일시별로 최소 2개의 실험편 중량을 1/1000g 정밀도의 저울로 계측하여 평균중량을 산정하였다. 이때 FRP 보강근의 기건상태의 중량을 초기중량(Wi)로 간주하였으며, 실험편은 각 용액에서 15일, 30일, 60일, 90, 150 및 300일간 침지한 후 실험편을 꺼내어 표면건조 포화상태에서 중량(Wsat)을 측정하여 식 (1)에 의하여 흡습율을 측정하였다.
용액에 침지하기 전에 각 보강근별로 무손상의 경우는 5개의 실험편을 그리고 손상 및 침지일시별로 최소 2개의 실험편 중량을 1/1000g 정밀도의 저울로 계측하여 평균중량을 산정하였다. 이때 FRP 보강근의 기건상태의 중량을 초기중량(Wi)로 간주하였으며, 실험편은 각 용액에서 15일, 30일, 60일, 90, 150 및 300일간 침지한 후 실험편을 꺼내어 표면건조 포화상태에서 중량(Wsat)을 측정하여 식 (1)에 의하여 흡습율을 측정하였다. 고온 노출 영향은 실험편을 고온챔버에 일정 시간 노출후 동일한 방법으로 중량(Wt)을 계측하여 식 (1)로부터 폭로 후 중량 변화율을 산정하였다.
대상 데이터
본 연구는 Table 1에 정리한 것과 같이 이형 GFRP, 표면이 섬유로 직조된 GFRP와 Hybrid FRP와 표면이 규사 등으로 침지된 GFRP와 CFRP를 대상으로 하였다. 보강근의 제조방법은 모두 인발성형방법으로 제작되었으며, 하이브리드 보강근의 경우, 내부는 탄소섬유로 외부는 아라미드 섬유로 제작되었다.
0의 증류수에 각각 15, 30, 60, 90일과 150일 동안 침지하였다. 실험결과의 편차를 최소화하기 위하여 총 900개의 실험편을 변수 당 두 개의 실험편에 대하여 실험을 실시하였으며, 용액의 증발을 제한하기 위하여 Fig. 5와 같이 밀폐용기를 사용하였다. 그리고 각 실험편은 일정기간 용액에 담가둔 후 꺼내어 챔버에서 60℃, 100℃, 150℃, 300℃에 30분동안 노출시킨 후 흡수율과 ILSS(Interlaminar Shear Strength)를 측정하였다.
이론/모형
본 연구에서는 국내외에서 사용가능한 FRP 보강근을 증류수와 알칼리에 폭로한 후 고온에 일시적으로 노출된 후의 보강근의 성능변화를 실험적으로 검증하고자 하였다. 이때 노출온도수준은 Bisby and Kodur(2007)의 실험연구 결과에 근거하여 선정하였다(Fig. 2 참조). 일반적인 수지의 유리전이온도는 100~150℃ 정도로 보고되고 있기 때문에 노출온도는 60~300℃의 범위로 결정하였다.
성능/효과
(1) G1 이형 GFRP보강근의 경우에는 알칼리 용액보다는 증류수환경에서 중량변화의 편차가 큰 것을 나타났으며, 특히 고온의 영향을 상대적으로 많이 받는 것으로 나타났다.
(2) 비닐에스터 수지를 사용한 G3와 H1의 경우에는 60일까지 중량변화 정도가 크게 나타났으나, 시간이 경과함에 따라 변화정도가 감소하는 것으로 관찰되었다. 그러나 300℃ 고온 폭로의 경우는 중량 변화가 증가하는 것으로 나타났다.
(3) 중량변화의 경우 알칼리 용액에 침지된 경우보다 증류수에 침지된 시험편의 중량 감소가 전체적으로 크게 나타났으나, 이는 보강근내로 확산된 용액이 고온 노출후 수분증발에 의하여 알칼리 결정이 남았기 때문인 것으로 판단된다. 또한 90일정도 이후에는 변수별로 중량변화는 크지 않은 것으로 나타났다.
(4) ILSS변화의 경우, 알칼리 및 증류수 침지 후 점차 강도가 감소하는 것으로 나타났으나, 초기 30일에서는 강도가 약간 증가하는 경우가 발생하였다. 또한 알칼리 용액과 증류수 환경에서 섬유의 종류에 따른 강도 감소의 차이는 크지 않은 것으로 나타났으며, 수지의 영향이 상대적으로 크게 관찰되었다.
(5) 고온노출에 따른 보강근의 ILSS 변화는 에폭시 수지를 사용한 경우에는 고온노출 후 강도가 감소하는 것으로 나타났으나, 비닐에스터 수지의 경우는 150℃ 정도의 노출후에는 강도가 약간 증가하는 것으로 나타났다. 이는 보강근 제조시 미경화된 수지성분이 고온에 의해 크로스링크되는 것으로 판단되며 제조 공정에 따라 온도의 영향을 크게 받는 것으로 판단된다.
C1과 C2는 90일 이후 노출온도에 관계없이 선형적으로 감소하였으며, 300일 경화후 55~65% 정도로 강도가 저하되는 것으로 나타났다.
그러나 전체적으로 90일 이후에는 중량변화가 점차 감소하는 것으로 나타났다. G3의 경우는 알칼리 폭로 후 온도노출에 대하여 증류수 폭로에 비하여 중량변화가 크지 않은 것으로 나타났으며, 증류수 환경하에서는 점차 중량이 감소하는 것으로 관찰되었다. H1의 경우에는 중량의 증감이 반복되는 형태를 나타냈으며, 증류수환경하에서 점차 중량이 감소되는 것으로 나타났다.
에폭시수지를 사용한 G1의 경우에는 온도 증가에 의하여 강도가 감소하는 경향을 나타내었으나, 300℃ 노출후 약 17%의 강도 저하 현상을 나타내었다. 그러나 비닐에스터 수지가 사용되고 표면을 섬유로 감싼 H1의 경우에는 60℃ 노출 후 강도가 20% 증가하였다가 점차 감소하는 경향을 나타내었으며, 300℃ 노출후의 강도도 무손상 상태보다 높게 나타났다.
동일한 재료를 사용하고 직경만 다른 C1과 C2의 경우에는 알칼리 환경하에서 직경이 큰 C2의 경우에는 60일 침전시 중량이 감소하였다가 90일에 중량이 원상회복된데 반하여 C1의 경우에는 중량이 증가하였다가 원상회복되는 형태를 나타내었다. 그러나 증류수 환경하에서는 300℃ 노출의 경우를 제외하고 전체적으로 중량이 감소하였다가 90일 이후 원상회복되는 것으로 관찰되었다.
대부분의 실험편의 경우 중량의 변화가 ±2%내외로서 변화가 크지 않은 것으로 나타났으나, H1, C1과 C2 실험편의 경우는 중량 변화가 상대적으로 크게 나타났다.
(4) ILSS변화의 경우, 알칼리 및 증류수 침지 후 점차 강도가 감소하는 것으로 나타났으나, 초기 30일에서는 강도가 약간 증가하는 경우가 발생하였다. 또한 알칼리 용액과 증류수 환경에서 섬유의 종류에 따른 강도 감소의 차이는 크지 않은 것으로 나타났으며, 수지의 영향이 상대적으로 크게 관찰되었다.
13과 14에는 알칼리 용액과 증류수에 침지된 시간에 따른 FRP 보강근의 ILSS 변화를 나타내었다. 모든 실험편의 경우 초기에는 약간의 강도 증진후 침지시간이 경과함에 따라 300일 침지후 최대 45%정도의 강도 저하 현상을 나타내었다. 에폭시 레진이 사용된 G1의 경우에는 알칼리 용액에서 30일 경과후 강도비가 1.
본 연구에서는 유리섬유보강근(G1, G3)의 경우가 탄소섬유보강근(C1, C2)의 경우와 비교하여 알칼리 환경과 증류수 환경하에서 강도저하 현상이 더 크게 나타나지는 않았으나, 침지후 온도 변화에 따른 강도변화 편차는 크게 나타났다.
이는 알칼리 용액이 보강근내로 확산된 후 고온노출시 수분은 증발하고 알칼리 결정이 섬유내에 존재하였기 때문인 것으로 판단된다. 이에 반하여 증류수에 침지된 경우는 비소페놀 A의 용출 및 표면 가냇의 탈락 등에 의하여 중량이 감소한 것으로 판단되며, 온도가 높을 수록 감소율이 커지는 것으로 나타났다.
특히 다른 보강근과 달리 온도의 영향은 거의 받지 않은 것으로 관찰되었다. 증류수에 폭로된 경우에는 초기 강도 증가 현상의 거의 관찰되지 않았으며, 강도 저하 현상도 온도에 따라 편차가 상대적으로 크게 나타났다.
그러나 300℃ 고온 폭로의 경우는 중량 변화가 증가하는 것으로 나타났다. 탄소섬유 보강근의 역시 유사한 결과를 나타내었으며, 증류수 침지후 300℃ 노출된 경우에만 중량이 크게 감소하는 것으로 나타났다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
FRP 보강근의 내구성은 무엇에 의해 전혀 다른 내구특성을 나타내는가?
FRP 보강근은 일반적으로 보강섬유를 수지가 있는 탱크에 침지시켰다가 인발(Pulltrusion)한 후 일정이상의 고온으로 수지를 경화시키는 공정으로 제작되며 제품에 따라 보강근의 부착성능을 향상시키기 위하여 수지 경화전 또는 경화후 보강근의 표면에 추가적으로 섬유로 직조하거나 규사 등을 부착시키게 된다. 따라서 FRP 보강근의 내구성은 FRP의 혼입율, 수지의 종류, 제작과정의 정밀성 등에 의해 전혀 다른 내구특성을 나타낼 수 있다. 따라서 국외의 기준에서도 내구 특성을 특정값으로 표현하기보다는 보수적인 환경지수를 사용하여 내구설계에 적용하는 경향이 있다(ACI 440-10R).
비닐에스터 수지를 사용한 G3와 H1의 경우 60일까지 중량변화가 크게 나타나다가 시간이 경과함에 따라 감소하는데, 예외는 무엇인가?
(2) 비닐에스터 수지를 사용한 G3와 H1의 경우에는 60일까지 중량변화 정도가 크게 나타났으나, 시간이 경과함에 따라 변화정도가 감소하는 것으로 관찰되었다. 그러나 300℃ 고온 폭로의 경우는 중량 변화가 증가하는 것으로 나타났다. 탄소섬유 보강근의 역시 유사한 결과를 나타내었으며, 증류수 침지후 300℃ 노출된 경우에만 중량이 크게 감소하는 것으로 나타났다.
FRP 재료의 장점은 무엇인가?
FRP 재료는 중량대비 높은 비강도와 부식저항성 등의 장점으로 인하여 철근의 대안으로 인식되어 왔으나, 알칼리 및 습도에 의한 물성저하와 온도 등에 대한 성능 변화 등에 문제가 꾸준히 제기되고 있다(문도영과 오홍섭, 2011; 원종필과 박찬기, 2004; Chen et al., 2007; Clarke and Sheard, 1998; Micelli and Nanni 2004; Sen et al.
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