본 연구에서는 고온에 노출된 GFRP 보강근과 고온에 노출된 후 알칼리용액에 노출된 보강근의 단면을 현미경을 통해 관찰하고 발생된 손상의 특징을 고찰하였다. 또한, 각 시험체에 발생한 레진 균열과 공극에 대한 정량적 분석을 실시하였다. 알칼리로 인한 손상은 주로 표면에 집중되며 레진균열과 작은 공극을 발생시키는 것으로 확인되었다. 고온노출에 의한 손상은 레진균열과 공극을 발생시키는 것은 알칼리와 동일하지만 전단면에서 발생하며, 공극의 크기가 훨씬 크다. 또한 정량분석 결과, 동일한 알칼리 용액 노출조건에도 불구하고, $200^{\circ}C$ 이상의 고온에 노출된 시편에서 발견된 레진 균열과 공극이 고온노출이력이 전혀 없는 보강근에서 발견된 것 보다 1.5 및 1.4배 큰 것으로 확인되었다. 그러므로 동일한 알칼리 노출 조건이라 할지라도 $200^{\circ}C$ 이상의 고온에 노출된 보강근은 고온노출이력이 없는 보강근에 비하여 레진의 열화가 가속화 될 가능성이 있음을 알 수 있다.
본 연구에서는 고온에 노출된 GFRP 보강근과 고온에 노출된 후 알칼리용액에 노출된 보강근의 단면을 현미경을 통해 관찰하고 발생된 손상의 특징을 고찰하였다. 또한, 각 시험체에 발생한 레진 균열과 공극에 대한 정량적 분석을 실시하였다. 알칼리로 인한 손상은 주로 표면에 집중되며 레진균열과 작은 공극을 발생시키는 것으로 확인되었다. 고온노출에 의한 손상은 레진균열과 공극을 발생시키는 것은 알칼리와 동일하지만 전단면에서 발생하며, 공극의 크기가 훨씬 크다. 또한 정량분석 결과, 동일한 알칼리 용액 노출조건에도 불구하고, $200^{\circ}C$ 이상의 고온에 노출된 시편에서 발견된 레진 균열과 공극이 고온노출이력이 전혀 없는 보강근에서 발견된 것 보다 1.5 및 1.4배 큰 것으로 확인되었다. 그러므로 동일한 알칼리 노출 조건이라 할지라도 $200^{\circ}C$ 이상의 고온에 노출된 보강근은 고온노출이력이 없는 보강근에 비하여 레진의 열화가 가속화 될 가능성이 있음을 알 수 있다.
In this experimental study, the characteristic of damages on GFRP rebar exposed to high temperature only and immerged in alkaline solution after the exposure to high temperature was analyzed through microscopic image analysis. The found microcrack and pores in resin matrix were quantitatively compar...
In this experimental study, the characteristic of damages on GFRP rebar exposed to high temperature only and immerged in alkaline solution after the exposure to high temperature was analyzed through microscopic image analysis. The found microcrack and pores in resin matrix were quantitatively compared if there was effect of pre-exposure to high temperature. The damages, such as microcrack and pores in resin matrix, by alkali exposure were mainly found in rebar surface. On the other hand, the pores caused by high temperatures were extensively found in a section and had greater width than those caused by the alkali exposure. In results of the quantitative comparison, the accumulated length and widths of microcrack and pores in resin matrix in pre-exposed GFRP rebar to high temperature were respectively 1.5 and 1.4 times of those in the GFRP rebar only immerged in alkali solution. Therefore, the deterioration of resin matrix by the alkali exposure could be accelerated due to the pre-exposure to high temperature.
In this experimental study, the characteristic of damages on GFRP rebar exposed to high temperature only and immerged in alkaline solution after the exposure to high temperature was analyzed through microscopic image analysis. The found microcrack and pores in resin matrix were quantitatively compared if there was effect of pre-exposure to high temperature. The damages, such as microcrack and pores in resin matrix, by alkali exposure were mainly found in rebar surface. On the other hand, the pores caused by high temperatures were extensively found in a section and had greater width than those caused by the alkali exposure. In results of the quantitative comparison, the accumulated length and widths of microcrack and pores in resin matrix in pre-exposed GFRP rebar to high temperature were respectively 1.5 and 1.4 times of those in the GFRP rebar only immerged in alkali solution. Therefore, the deterioration of resin matrix by the alkali exposure could be accelerated due to the pre-exposure to high temperature.
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문제 정의
본 연구에서는 GFRP 보강근의 고온노출에 의한 손상이 콘크리트와 유사한 고알칼리 환경에서 성장하는지를 현미경 이미지 분석을 통하여 고찰하였으며 주관적인 영상분석의 문제를 극복하기 위하여 객관적인 기준으로 각 손상별로 정량분석을 수행하였다. 본 고찰을 통해 획득한 결론은 다음과 같다.
본 연구에서는 고온에 의해 발생한 손상이 알칼리 노출에 의하여 성장하는지를 정량적인 분석을 통해 고찰하고자 하였다. 이를 위하여 Fig.
본 연구에서는 현미경 관찰을 통해 고온 노출로 인해 이미 발생한 손상이 이후 알칼리에 장기간 노출되는 과정에서 악화되는지를 규명하는데 집중하였다. 이 연구는 화재에 노출된 콘크리트 구조물에 보강된 GFRP 보강근의 전면교체 여부, 지속사용 또는 보수 및 보강 등의 의사결정을 위하여 필요하다.
본 연구에서는 현미경 관찰을 통해 고온 노출로 인해 이미 발생한 손상이 이후 알칼리에 장기간 노출되는 과정에서 악화되는지를 규명하는데 집중하였다. 이 연구는 화재에 노출된 콘크리트 구조물에 보강된 GFRP 보강근의 전면교체 여부, 지속사용 또는 보수 및 보강 등의 의사결정을 위하여 필요하다. 이를 위하여 본 연구에서는 고온에만 노출된 시편과 고온에 노출된 후 30일간 알칼리 용액에 노출된 시편의 단면을 현미경으로 관찰하여 비교하였으며 주관적 영상분석의 문제를 극복하기 위하여 정량적인 비교를 시도하였다.
제안 방법
05 µm)를 분사하여 연마하였다. 각 단계별로 200번의 연마과정을 실시하였다.
고온 또는 알칼리 용액에 침지된 시편의 길이방향으로 주앙부분 길이 10 mm를 정밀 절단기로 절단하였다. 이때 절단 시 마찰열로 인한 고온손상이 발생하지 않도록 충분한 양의 물을 살포하였다.
노출온도에 대한 영향을 살펴보기 위하여 노출온도는 120°C, 200°C, 300°C로 하였으며, 각 온도에 대하여 노출시간은 10분으로 하였다(Table 1 참조).
12와 같이 보강근 단면의 9개 위치를 촬영한 이미지가 포함하고 있는 균열이 발생한 섬유 수, 레진균열의 길이 누적, 40 μm를 초과하는 공극의 너비의 합을 상호비교 분석하였다. 선정된 위치는 고온과 알칼리의 노출이 주로 표면부에 집중되는 것을 감안하여 선정하였다.
이를 위하여 Fig. 12와 같이 보강근 단면의 9개 위치를 촬영한 이미지가 포함하고 있는 균열이 발생한 섬유 수, 레진균열의 길이 누적, 40 μm를 초과하는 공극의 너비의 합을 상호비교 분석하였다.
이 연구는 화재에 노출된 콘크리트 구조물에 보강된 GFRP 보강근의 전면교체 여부, 지속사용 또는 보수 및 보강 등의 의사결정을 위하여 필요하다. 이를 위하여 본 연구에서는 고온에만 노출된 시편과 고온에 노출된 후 30일간 알칼리 용액에 노출된 시편의 단면을 현미경으로 관찰하여 비교하였으며 주관적 영상분석의 문제를 극복하기 위하여 정량적인 비교를 시도하였다.
현미경 관찰은 고온에만 노출된 시편(Table 1의 T 시편)과 고온 노출 후 알칼리에 30일 동안 침지시킨 시편(Table 1의 TA 시편)에 대하여 수행하였다. 노출온도에 대한 영향을 살펴보기 위하여 노출온도는 120°C, 200°C, 300°C로 하였으며, 각 온도에 대하여 노출시간은 10분으로 하였다(Table 1 참조).
대상 데이터
노출온도에 대한 영향을 살펴보기 위하여 노출온도는 120°C, 200°C, 300°C로 하였으며, 각 온도에 대하여 노출시간은 10분으로 하였다(Table 1 참조). 기준 시험체로서 고온과 알칼리에도 전혀 노출이 없는 시편(Table 1의 TA 시편)과 고온 노출 없이 알칼리 용액에만 30일간 침지시킨 시편(Table 1의 NA 시편)도 제작하였다.
본 연구에 사용된 현미경은 고배율 실사 현미경으로서 라이카 DM-750M 모델이 사용되었다.
시편은 정밀커터를 이용하여 길이 75 mm로 절단하여 변수별로 준비한 후 Fig. 1과 같은 고온챔버를 이용하여 각각 정해진 온도에 노출하였다.
알칼리용액은 1Mole의 수산화나트륨(NaOH) 용액을 준비하고 용액의 온도를 40°C로 장기간 유지할 수 있는 Fig. 2와 같은 수조에 시편을 30일 동안 담가 두었다.
성능/효과
1) 알칼리 노출에 의한 손상의 특징은 주로 표면에 집중되며, 표면 둘레를 따라 동일한 깊이에 레진의 균열을 발생시키고, 용액의 침투 경로를 따라 얼음과 유사한 형태의 레진과 섬유의 분리가 관찰되었다.
2) 고온노출에 의한 손상은 중앙부와 표면부에 걸쳐 넓게 나타났으며, 레진 균열, 공극의 발생을 야기 시키는 것으로 나타났다. 특히 120°C 노출에서는 손상이 제한적이었으나, 200°C 이상의 노출에서는 공극이 매우 커서, 공동으로 발전되는 것으로 확인할 수 있으며, 표면부 레진은 석탄화되는 것을 확인할 수 있었다.
3) 정량적인 분석 결과, 200°C의 온도에 노출된 후 30일간 알칼리 용액에 노출된 시편에서 발생한 레진균열과 공극은 200°C에만 노출된 시편에서 측정된 레진균열과 공극에 비하여 각각 1.5배 및 1.4배 큰 것으로 나타났다. 그러므로 동일한 알칼리 노출 조건이라 할지라도 200°C 이상의 고온에 한번 노출된 보강근은 그렇지 않은 보강근에 비하여 레진 매트릭스의 열화가 가속화 될 수 있다고 판단된다.
공극 폭의 누적에 대한 결과에서, T_120과 TA_120의 차이는 거의 없으나, T_200에 비하여 TA_200의 공극 폭의 합이 1.4배 큰 것으로 나타났다. 또한 레진에 발생한 균열 길이의 합에서도 유사한 결과를 얻었다.
한편, 균열이 발생한 섬유의 개수에 대한 조사 결과에서는 모든 온도에 대하여 알칼리 노출과 무관한 결과를 나타내었다. 그러므로 본 연구에서 고려한 정도의 온도와 알칼리노출 조건은 주로 레진의 손상을 유발하는 것으로 추정된다.
표면부의 이미지를 보면 섬유와 레진간의 이격이 없이 잘 부착되어 있음을 확인할 수 있다. 또한 보강근의 레진과 마운팅 간의 경계가 명확하고 균열이나 손상이 전혀 발생하지 않았음을 확인할 수 있다.
알칼리용액노출에 의한 손상은 알칼리의 침투, 포화로 인해 폴리머재료의 용해(dissolution)로 인한 것으로 설명할 수 있으며, 고온노출에 의한 손상은 화학적 열분해(thermal decomposition)에 기인한다. 알칼리나 고온노출 모두 레진의 손실(loss)을 발생시키고, 섬유와 레진의 분리(delamination)를 발생시키는 것을 확인하였다.
알칼리용액 노출에 의한 손상은 표면으로부터 일정 깊이만큼은 용액 포화로 인한 부품(Sewlling)과 레진의 용해로 인하여 심각한 레진균열과 섬유와 레진의 분리가 발생하는 것을 확인할 수 있다.
5배를 초과하는 것으로 확인되었다. 이상의 결과에 따르면, 사전고온노출 온도의 수준에 따라 다른 결과가 발생되는 것을 알 수 있다. 상대적으로 낮은 온도인 120°C에 노출된 보강근은 알칼리 노출에도 불구하고 레진의 손상이 크게 진전되는 양상이 없지만, 200°C에 노출된 시편의 레진 손상은 알칼리 노출에 의하여 심각하게 확대된다는 평가가 가능하다.
즉, 120°C에 노출된 시편에서는 균열이 발견되지 않았지만, T_200 시편의 레진 균열길이 합이 약 1875 μm, TA_200 시편의 레진 균열길이 합은 2830 μm로 1.5배를 초과하는 것으로 확인되었다.
특히 120°C 노출에서는 손상이 제한적이었으나, 200°C 이상의 노출에서는 공극이 매우 커서, 공동으로 발전되는 것으로 확인할 수 있으며, 표면부 레진은 석탄화되는 것을 확인할 수 있었다.
특히 200°C 이상의 고온에 의하여 보강근 표면의 레진은 급격한 열분해가 발생하고 수분을 잃게 되면서 딱딱해지며 검게 변하여 Char가 되는 것을 확인하였다.
T_200 시편의 이미지와 비교할 때 중앙부에서는 큰 차이가 없다. 표면에만 알칼리 침투로 인한 전술한 바와 같은 섬유와 레진의 분리가 관찰되며, 50배의 이미지에서 확인할 수 있듯이 보강근이 표면을 따라 무수한 구멍들이 발생하였음을 확인할 수 있다.
상대적으로 낮은 온도인 120°C에 노출된 보강근은 알칼리 노출에도 불구하고 레진의 손상이 크게 진전되는 양상이 없지만, 200°C에 노출된 시편의 레진 손상은 알칼리 노출에 의하여 심각하게 확대된다는 평가가 가능하다. 한편, 균열이 발생한 섬유의 개수에 대한 조사 결과에서는 모든 온도에 대하여 알칼리 노출과 무관한 결과를 나타내었다. 그러므로 본 연구에서 고려한 정도의 온도와 알칼리노출 조건은 주로 레진의 손상을 유발하는 것으로 추정된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
GFRP 보강근의 고온 노출에 의한 손상은 어떻게 나타났는가?
2) 고온노출에 의한 손상은 중앙부와 표면부에 걸쳐 넓게 나타났으며, 레진 균열, 공극의 발생을 야기 시키는 것으로 나타났다. 특히 120°C 노출에서는 손상이 제한적이었으나, 200°C 이상의 노출에서는 공극이 매우 커서, 공동으로 발전되는 것으로 확인할 수 있으며, 표면부 레진은 석탄화되는 것을 확인할 수 있었다.
GFRP 보강근의 알칼리 노출에 의한 손상은 어떻게 나타났는가?
1) 알칼리 노출에 의한 손상의 특징은 주로 표면에 집중되며, 표면 둘레를 따라 동일한 깊이에 레진의 균열을 발생시키고, 용액의 침투 경로를 따라 얼음과 유사한 형태의 레진과 섬유의 분리가 관찰되었다.
SEM이나 현미경을 통한 영상을 통한 분석방법의 장점은?
SEM이나 현미경을 통한 영상을 통한 분석방법은 손상을 직접적으로 관찰할 수 있기 때문에 직접적이며, 명확하다는 장점이 있어 GFRP 보강근의 손상 분석을 위하여 빈번히 사용되고 있다. 특히 강알칼리 용액에 노출된 GFRP 보강근의 단면을 관찰함으로서 손상의 특징을 구분하고, 노출기간에 따른 손상의 진전여부를 판단, 평가하기 위하여 활용되고 있다(Abbasi and Hogg, 2005; Chu et al.
참고문헌 (14)
Abbasi, A., Hogg, P. J. (2005), Temperature and Environmental Effects on Glass Fibre rebar: Modulus, Strength and Interfacial Bond Strength with Concrete, Composites Part B : Engineering, 36, 394-404.
Chu, W., Wu, L., Karbhari, V. M. (2004), Durability Evaluation of Moderate Temperature Cured E-glass/Vinylester Systems, Composite Structures, 66, 367-376.
ElSafty, A., Benmokrane, B., Rizkalla, S., Mohamed, H., Hassan, M. (2014), Degradation Assessment of Internal Continuous Fiber Reinforcement in Concrete Environment, Composite Structures, Rep. BDK82-977-05, Florida Department of Transportation, Univ. of North Florida.
Gardoni, P., Trejo, D., and Kim, Y. (2013), Time-Variant Strength Capacity Model for GFRP Bars Embedded in Concrete, Journal of Engineering Mechanics, 139, 1435-1445.
Hong, S. (2010), Assessment of Durability of Carbon/epoxy Composite Materials After Exposure to Elevated Temperatures and Immersion in Seawater for Navy Vessel Applications, Ph. D Thesis, University of California, San Diego.
Kamal A., Boulfiza, M. (2011), Durability of GFRP Rebars in Simulated Concrete Solutions under Accelerated Aging Conditions, Journal of Composite for Construction, 15(4), 473-481.
Katsuki, F., and Uomoto, T. (1995), Prediction of Deterioration of FRP Rods Due to Alkali Attack, Proc. Second Int. RILEM Symp. (FRPRCS-2), Non-Metallic (FRP) Reinforcement for Concrete Structures, L. Taerwe, ed., E&FN Spon, London, 83-89.
Kim, M., Moon, D., and Kim, S. (2014), Prediction of Long-term Residual Inter-laminar Shear Strength of Thermally Damaged GFRP Rebar, Journal of the Korea Institute for Structural Maintenance and Inspection, 18(3), 108-115.
Micelli, F., and Nanni, A. (2004), Durability of FRP Rods for Concrete Structures, Construction and Building Materials, 18, 491-503.
Moon, D., and Oh, H. (2011) Durability of GFRP Rebar with Ribs Containing Milled Alkaline Resistant Glass Fibers, Journal of the Korea Institute for Structural Maintenance and Inspection, 15(1), 281-287.
Oh, H., and Moon, D. (2012) A Degradation Characteristic of FRP Rebars Attacked by Combined Environmental Factors, Journal of the Korea Institute for Structural Maintenance and Inspection, 16(3), 1-10.
Sen, R., Mullins, G., and Salem, T. (2002) Durability of E-glass/Vinyl Ester Reinforcement in Alkaline Solution, ACI Structural Journal, 99(3), 369-375.
Trejo, D., Aguiniga, F., Yuan, R., James, R. W., and Keating, P. B. (2005). Characterization of Design Parameters for Fiber Reinforced Polymer Composite Reinforced Concrete Systems, Research Rep. 9-1520-3, Texas Transportation Institute, Texas A&M Univ., College Station, TX.
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