[논문]급속 알칼리 환경하에서의 비닐에스터/FRP 보강근의 재료성능 저하 특성에 관한 실험적 연구

오홍섭; 김영환; 장낙섭

doi:10.11112/jksmi.2019.23.2.51

급속 알칼리 환경하에서의 비닐에스터/FRP 보강근의 재료성능 저하 특성에 관한 실험적 연구
An Experimental Study on the Degradations of Material Properties of Vinylester/FRP Reinforcing Bars under Accelerated Alkaline Condition 원문보기

한국구조물진단유지관리공학회 논문집 = Journal of the Korea Institute for Structural Maintenance and Inspection, v.23 no.2, 2019년, pp.51 - 59

오홍섭 (경남과학기술대학교 토목공학과) , 김영환 (경남과학기술대학교 토목공학과 대학원) , 장낙섭 (경남과학기술대학교 토목공학과 대학원)

초록
AI-Helper

철근의 대체보강재로서 섬유보강근에 대한 적용연구가 증가하고 있으며, 단기거동에 대한 많은 연구가 진행되어 왔다. 본 연구에서는 동결융해와 알칼리 환경하에서의 바살트와 유리섬유보강근의 미세구조와 인장거동 변화를 실험적으로 평가하였다. 100회까지의 동결융해에서 5% 내외의 강도와 탄성계수 저하가 발생하였다. 20일까지의 초기 미세구조변화의 경우 알칼리용액의 온도가 낮은 경우에는 손상이 거의 발생하지 않았으나, $60^{\circ}C$에서는 20일 경과시에도 수지 용해와 섬유 손상이 관찰되었으며, 수지계면의 섬유분리가 발견되었다. 알칼리 환경에서는 $20^{\circ}C$환경에서 100일까지는 10% 내외의 강도저하 현상이 발생하였으며, 500일 노출시 최대50%의 강도 저하가 발생하는 것으로 관찰되었다. $40^{\circ}C$와 $60^{\circ}C$ 환경에서는 50일과 100일에서 급격한 강도저하가 관찰되었으며, 바살트섬유보강근의 경우에는 알칼리에서 섬유부풀음에 의한 손상으로 강도저하가 더 크게 나타났다. 따라서 블레이디드된 섬유보강근의 장기성능을 향상시키기 위해서는 내알칼리성 확보를 위한 표면처리가 필요한 것으로 분석되었다.

Abstract ▼ AI-Helper

There is increasingly more research focusing on the application of FRP reinforcing bars as an alternative material for steel reinforcing bars, but most such research look at short term behavior of FRP reinforced structures. In this study, the microscopic analysis and tensile behavior of Basalt and Glass FRP bars under freezing-thawing and alkaline conditions were experimentally evaluated. After 100 cycles of the freezing and thawing, the tensile strength and elastic modulus of FRP bars decreased by about 5%. In the case of microstructure of FRP bars during the initial 20 days, no significant damages of FRP bar sections were found under $20^{\circ}C$ alkaline solution; however, the specimens immersed in $60^{\circ}C$ alkaline solution were found to experience resin dissolution, fiber damage and the separation of the resin-fiber interface. In the alkaline environment, the strength decrease of about 10% occurred in the environment at $20^{\circ}C$ for 100 days, but the tensile strength of FRPs exposed for 500 days decreased by 50%. At temperature of $40^{\circ}C$ and $60^{\circ}C$, an abrupt decrease in the strength was observed at 50 and 100 days. Especially, the tensile strength decrease of Basalt fiber Reinforced Polymer bars showed more severe degradation due to the damage caused by dissolution of resin matrix and fiber swelling in alkaline solution. Therefore, in order to improve the long-term performance of the surface braided FRPr reinforcing bars, surface treatment is required to ensure alkali resistance.

주제어

표/그림 (11)

표 Table 1 Typical material properties of GFRP and BFRP reinforcing bars
표 Table 2 Tensile properties of used FRP bars suggested by manufacture
그림 Fig. 1 FRP Bar, test setup and anchorage detailing
표 Table 3 Tensile test results of reference specimens
표 Table 4 Environmental exposure condition for FRP reinforing bar
그림 Fig. 2 SEM images on the reference condition and immersed condition in alkaline solution for 20 days (2,000X and 500 X, respectively)
그림 Fig. 3 Typical Strength and elongation relationship of BFRP bars subjected with environmental conditions
그림 Fig. 4 Typical Strength and elongation relationship of GFRP bars subjected with environmental conditions
그림 Fig. 5 Tensile strength and elastic modulas of FRPs under freezing and thawing action
그림 Fig. 6 Tensile strength of FRPs under alkaline solution
그림 Fig. 7 Modulas of elasticity(ASTM) of FRPs under alkaline solution

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

따라서 본 연구에서는 국내 조건에서 발생할 수 있는 온도 조건으로 국내 대기환경과 차량 주행시의 열을 고려하여 알칼리온도를 20℃에서 최대 60℃까지로 하였으며, 동결융해는 대기조건에서 최저 –20℃까지로 가정하여 FRP 보강근의 인장강도 특성을 분석하고자 하였다.
(2009)의 연구에서는 알칼리 환경하의 FRP의 손상의 경우, 온도 50℃까지는 선형적으로 증가하고 60℃이상에서는 지수적으로 증가하는 것으로 제시하고 있으며, 많은 연구들에서 알칼리 최대온도를 60℃로 적용하고 있다. 또한 경화단계인 초기 20일까지의 알칼리 환경하에서의 FRP 열화정도를 미세구조 분석을 통하여 분석하고자 하였다.
본 연구에는 알칼리 저항성을 실험적으로 평가하기 위하여 강알칼리 환경에 FRP 보강근을 노출시켰다. FRP 보강근을 콘크리트와 유사한 알칼리 용액에 침지시켜 50일, 100일 및 500일)(200일 침지+300일 노출)에서의 인장강도 변화정도를 실험적으로 평가하였으며, 환경노출조건은 Table 4에 정리하였다.

제안 방법

본 연구에는 알칼리 저항성을 실험적으로 평가하기 위하여 강알칼리 환경에 FRP 보강근을 노출시켰다. FRP 보강근을 콘크리트와 유사한 알칼리 용액에 침지시켜 50일, 100일 및 500일)(200일 침지+300일 노출)에서의 인장강도 변화정도를 실험적으로 평가하였으며, 환경노출조건은 Table 4에 정리하였다.
기준시험편의 인장강도 및 탄성계수 결과는 Table 3에 정리하였다. FRP 보강근의 탄성계수는 재료특성상 전반적인 변형을 측정할 수 있도록 익스텐소미터(Extensometer)를 사용하거나 처짐계를 사용하여 측정하는 것이 바람직하나 손상상태에서의 보강근의 변형 등을 고려하여 본 연구에서는 6mm의 전기저항식 변형률 게이지를 보강근 중앙과 1/3지점에 부착하여 변형률을 직접 측정하였다.
8mm에 직경 42mm의 강관을 적용하고, 앵커길이는 400mm로 고정하였다. 그리고 강관 내부에 Fig. 1과 같이 FRP 보강근을 고정하고, 고성능 그라우트로 충진한 후 Fig. 1(c)와 같이 3,000kN의 엑츄에이터를 사용하여 3mm/min의 속도로 인장실험을 실시하였다. 기준시험편의 인장강도 및 탄성계수 결과는 Table 3에 정리하였다.
따라서 –20℃의 대기중에 FRP 보강 근을 노출시켜 50cycle과 100cycle에서의 인장강도를 평가하였다.
쐐기형 앵커는 쐐기의 형상에 따라 앵커 끝단에서 응력집중에 의한 FRP 조기파괴가 발생할 수 있다. 따라서 본 연구에서는 외측에 돌기가 있는 FRP 보강근을 사용하혔기때문에 마찰형 앵커를 적용하여 실험을 수행하였다.
실험 방법은 ASTM D7792(2015)와 동일하게 최저 온도 –20℃와 최고 23±2℃으로 설정하였으며, 동결과 융해시간은 콘크리트 동결융해시험방법을 모사하여 각각 16시간, 8시간으로 설정하여 50cycle, 100cycle 동안 노출하였다.
알칼리와 동결융해환경에서의 GFRP와 BFRP 보강근의 미세구조와 인장거동 변화를 분석하였다.
이중 초기 수화열은 시멘트 종류 및 강도 등에 따라 50∼70℃까지 상승할 수 있기 때문에 알칼리 용액에서의 온도변수는 각각 20℃, 40℃과 60℃으로 설정하였다.
초기 콘크리트 경화단계에서의 보강근 변화를 평가하기 위하여 알칼리 용액 침지전과 10일과 20일 침지후 미세구조를 전계방사형 주사현미경(FE-SEM)을 이용하여 수행하였다. 50일 이후는 알칼리와 수지 반응에 의한 가스로 진공상태가 유지되지 못하여 측정이 불가능하였다.

대상 데이터

따라서 앵커부를 포함하여 전체시험체의 길이는 Φ13mm와 Φ16mm 보강근의 경우은 각각 1,300mm과 1,450mm로 제작하였다.
손상시험편은 변수별로 5개의 시험편을 제작하였으며, 실험결과 분석시에는 측정된 결과의 평균강도 및 탄성계수를 사용하였다. 변수별 손상도에 따라 2개 시편만 실험된 1개의 변수를 제외하고 대체적으로 3~5개의 실험결과를 분석에 사용하였으며, 결과분석시 앵커부에서 섬유가 파단되거나 슬립 파괴가 발생한 시험편은 제외하였다.
최근 FRP 보강근에 대한 연구가 국내에서도 많이 진행되고 있으나, 상용화된 제품이 국내에는 아직 없고, 미국 또는 캐나다의 제품은 성능을 충분히 확보하고 있으나, 비용측면에서 불리하다. 본 연구에서는 Fig. 1과 같은 형태의 중국 N사의 GFRP와 BFRP를 사용하였으며, Table 2에는 제작사에서 제시하고 있는 재료성능을 정리하였다. 사용된 FRP보강근은 압출성형(pultrusion)방식으로 제작되었으며, 보강섬유의 배향성과 부착강도 향상을 위해 나일론 섬유를 일정간격으로 표면을 감아(braided) 성형하였으며, 외부에 규사 또는 모래 등을 사용하여 추가적으로 부착성능을 높이지는 않았다.
1과 같은 형태의 중국 N사의 GFRP와 BFRP를 사용하였으며, Table 2에는 제작사에서 제시하고 있는 재료성능을 정리하였다. 사용된 FRP보강근은 압출성형(pultrusion)방식으로 제작되었으며, 보강섬유의 배향성과 부착강도 향상을 위해 나일론 섬유를 일정간격으로 표면을 감아(braided) 성형하였으며, 외부에 규사 또는 모래 등을 사용하여 추가적으로 부착성능을 높이지는 않았다. 섬유와 수지의 함유량은 각각 72%와 28%로 제작사에서 제시하고 있다(Dai and He,2017).
손상시험편은 변수별로 5개의 시험편을 제작하였으며, 실험결과 분석시에는 측정된 결과의 평균강도 및 탄성계수를 사용하였다. 변수별 손상도에 따라 2개 시편만 실험된 1개의 변수를 제외하고 대체적으로 3~5개의 실험결과를 분석에 사용하였으며, 결과분석시 앵커부에서 섬유가 파단되거나 슬립 파괴가 발생한 시험편은 제외하였다.
따라서 앵커부를 포함하여 전체시험체의 길이는 Φ13mm와 Φ16mm 보강근의 경우은 각각 1,300mm과 1,450mm로 제작하였다. 앵커는 CSA S806과 동일하게 두께 4.8mm에 직경 42mm의 강관을 적용하고, 앵커길이는 400mm로 고정하였다. 그리고 강관 내부에 Fig.

성능/효과

이에 반하여 알칼리 환경에 노출된 시험편의 경우 노출기간보다 온도의 영향이 큰 것으로 분석되었다. 20℃의 알칼리 용액에 노출된 경우에는 100일 노출시까지 강도저하가 크지 않았으나, 500일 노출시 최대 50%정도까지 강도가 급격히 감소하는 것으로 나타났다. 40℃노출의 경우에는 100일이후 급격한 강도 저하 현상이 발생하여 GFRP는 50%, BFRP는 20% 정도의 강도저하가 발생하였다.
20℃의 알칼리 환경에서 500일 경과시 약 40~50% 정도의 강도저하가 발생하는 것으로 분석되었으나, 알칼리 이온 이동이 가능한 일반적인 콘크리트 경화상태의 50일 이전에서는 10% 내외의 강도저하 후 다시 강도가 회복되는 것으로 분석되었다. 40℃이상의 온도에서는 강도저하가 급격하게 진행되고, BFRP 보강근의 경우에는 섬유의 부풀어짐까지 발생하는 것으로 분석되어 고강도 콘크리트와 같이 수화열이 높게 발생할 위험이 있는 콘크리트 등에서는 사용시 주의가 필요할 것으로 판단된다.
온도 20℃에서 50일 경과시 강도가 약간 감소한 후 100일경과시에는 약간 회복되었다, 그러나 500일 노출시에는 50% 정도의 강도까지 감소되는 것으로 분석되었다. 40℃ 알칼리용액노출시에는 GFRP와 BFRP 모두침지 100일에서 50%내외로 급격하게 강도가 감소하는 것으로 나타났으며, 직경이 큰 시험편의 강도 감소가 미소하나마 작은 것으로 분석되었다. 노출 500일의 경우 GFRP는 약 20% 정도의 강도를 나타내는 반면 BFRP는 외부 수지 손상과 현무암섬유의 부풀어짐(swelling)에 의해 강도측정이 불가능하였다.
5에는 동결융해환경에서의 평균인장강도와 탄성계수의 변화정도를 도시하였다. 50cycle (50-F)보다는 100cycle(100-F)에서 강도감소가 발생하지 않으며, 전체적으로 강도감소율을 10% 미만으로 동결에 의한 강도감소는 크지 않은 것으로 분석되었다. FRP 보강재의 탄성계수는 Fig.
동결융해에 의한 인장강도 저하는 크지 않으나, 탄성계수는 산정 방법에 따라 편차가 크게 나타났다. FRP의 초기변형을 사용하는 ASTM 방법은 강도 변화정도와 유사한 변화를 나타내었으나, 사용응력수준이상의 변형률을 사용하는 CSAS807의 경우에는 손상후 편차가 증가하고, 측정이 어려워지는 문제가 있는 것으로 분석되었다.
직경 10μm이하의 다양한 섬유가 존재하는BFRP에 비하여 GFRP는 평균 12μm내외의 균질한 직경을 갖고 있으며, BFRP 내부에서 수지가 완전히 충진되지 않아 발생한 미세공극을 확인할 수 있다. 논문에 제시하지는 않았으나, 두 보강근 모두 나이론으로 감겨진(braided) 측면의 수지는 다소 거친표면을 갖고 있는 것으로 분석되었다. BFRP 보강근의 경우 20℃ 침지 10일에서는 손상이 발견되지 않았으나, 40℃, 60℃에서는 보강근 측면에서 외부에 감겨진 나일론 섬유와 수지의 계면에서 손상이 발생하여 섬유와 수지가 노출되었다.
5(b)에 나타내었다. 무손상 상태 탄성계수는 측정방법에 따라 차이가 크지 않은 것으로 분석되었으나, 동결융해 노출이후에는 CSA에 의한 탄성계수가 낮게 산정되고, 편차가 커지는 것으로 분석되었다. 이는 강도 25~50%의 응력에서의 변형을 측정하는 CSA 탄성계수의 특성상 섬유의 미세단락에 의한 보강재의 비선형 특성에 기인한 것으로 판단된다.
알칼리 환경에 노출됨에 따라 표면수지과 섬유의 미세손상으로 보강근의 일체성이 파괴되어 인장거동시 비선형거동을 나타내게 되고, 응력수준에 따라 추가적인 탄성계수의 저하가 발생하게 된다. 설계 목적에 따라 사용성 또는 내구성 설계 시에는 사용응력상태를 평가하는 CSA S807에 따른 탄성계수로 설계하는 것이 적절할 수 있으며, 강도설계시에는 ASTM 방법에 의한 탄성계수를 사용하는 것이 적절한 것으로 판단된다.
60℃ 노출시는 모든 시험편에서 50일 이후, 수지 손상과 섬유의 부풀음으로 인장강도측정이 불가능하였다. 알칼리 용액 50일 온도 40℃와 60℃ 노출변수(50-A-40, 50-A-60)과 500일 노출의 경우에는 초기 이후 신장량이 비선형적으로 증가하는 것을 확인할 수 있으며, 이는 수지와 사이의 손상과 일부 섬유의 단락에 의한 것으로 판단된다.
온도 20℃에서 50일 경과시 강도가 약간 감소한 후 100일경과시에는 약간 회복되었다, 그러나 500일 노출시에는 50% 정도의 강도까지 감소되는 것으로 분석되었다. 40℃ 알칼리용액노출시에는 GFRP와 BFRP 모두침지 100일에서 50%내외로 급격하게 강도가 감소하는 것으로 나타났으며, 직경이 큰 시험편의 강도 감소가 미소하나마 작은 것으로 분석되었다.
인장강도는 Table 2의 제조사에서 제시한 강도보다는 다소 낮게 측정되었으나, 표준편차 등을 고려할 때 신뢰성 있는 결과로 판단되며, ACI 440 및 CSA S807 등에서 제시하고 품질기준조건은 만족하였다. 탄성계수는 Benmokrane et al.
BFRP 보강근이 알칼리 환경에서 손상이 큰것으로 분석되어 BFRP 적용시 외부수지보강과 수화열 및 온도에 대한 관리가 같이 수행되어야 할 것으로 판단된다. 전체적으로 고온의 알칼리 노출 이후 외측의 나이론 섬유 계면에서 외부수지의 일차 손상이 발생하고, 알칼리 침투에 의해 내부섬유와 수지 계면이 파괴되는 것으로 판단되며, 특히 BFRP의 경우에는 현무암성분의 부풀어짐으로 인해 손상이 가속화된 것으로 판단된다.
BFRP의 경우, Φ13mm보다 Φ16mm의 강도가 전체적으로 높게 산정된 반면 GFRP는 Φ16mm의 강도가 다소 낮게 측정되었다. 전체적으로 대기중의 동결융해시험편은 온도영향만을 받기 때문에 강도 저하현상이 크지 않은 것으로 나타났으며, 기준시험체와 거의 유사한 탄성거동을 하는 것으로 분석되었다. 이에 반하여 알칼리 환경에 노출된 시험편의 경우 노출기간보다 온도의 영향이 큰 것으로 분석되었다.

후속연구

BFRP 보강근이 알칼리 환경에서 손상이 큰것으로 분석되어 BFRP 적용시 외부수지보강과 수화열 및 온도에 대한 관리가 같이 수행되어야 할 것으로 판단된다. 전체적으로 고온의 알칼리 노출 이후 외측의 나이론 섬유 계면에서 외부수지의 일차 손상이 발생하고, 알칼리 침투에 의해 내부섬유와 수지 계면이 파괴되는 것으로 판단되며, 특히 BFRP의 경우에는 현무암성분의 부풀어짐으로 인해 손상이 가속화된 것으로 판단된다.
이때 궤도상의 신호교란 및 누설전류로 전류량이 감소할 경우 구간내의 차량유무를 확인할 수 없기 때문에 궤도 시공시 신호교란과 전류 누설을 제어하기 위해 철근배근시 절연작업을 실시하고 있다. 따라서 절연이 필요한 철근대신 절연섬유 보강근을 사용한다면 추가 절연작업과 구조물 노후화에 따른 부식 위험성을 낮출 수 있기 때문에 수명주기동안 안전성과 경제성을 높일 수 있을 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	콘크리트 구조물에 FRP보강근을 적용하려는 이유는 무엇인가?	, 2014). 콘크리트내부 철근은 부동태피막에 의해 부식이 발생하지 않으나, 사용 연한 증가와 환경인자 변화에 의한 염화물 침투와 탄산화 반응 등에 의해 철근 부식이 가속화되게 된다. 이에 반하여 FRP는 기본적으로 부식이 발생하지 않기 때문에 동결융해 및 염해 환경하에서 구조물의 수명을 증가시킬 수 있는 장점이 있다(ACI, 2003; CSA S806, 2012). 또한 전기절연성을 갖는 섬유보강재의 경우에는 전류의 흐름이 발생하지 않아야 하는 다양한 분야에서 활용이 가능하다.
	현무암섬유의 특징은 무엇인가?	유리섬유는 우수한 경제성으로 오래전부터 가장 많이 사용되고 있으나, 상대적으로 인장강도와 피로저항성이 낮은 단점이 있다. 현무암섬유는 절연성능뿐만 아니라 내열성, 내화학성, 내마모성이 우수하여 다양한 분야에서 사용되고 있다. 최근에는 비닐에스터 수지를 사용하고 제작공정 등을 단순화하여GFRP 보강근의 단가가 동일직경의 철근에 거의 근접하였으며, 고가인 BFRP도 2.
	알칼리 환경에서 나타나는 현상은 무엇인가?	20일까지의 초기 미세구조변화의 경우 알칼리용액의 온도가 낮은 경우에는 손상이 거의 발생하지 않았으나, $60^{\circ}C$에서는 20일 경과시에도 수지 용해와 섬유 손상이 관찰되었으며, 수지계면의 섬유분리가 발견되었다. 알칼리 환경에서는 $20^{\circ}C$환경에서 100일까지는 10% 내외의 강도저하 현상이 발생하였으며, 500일 노출시 최대50%의 강도 저하가 발생하는 것으로 관찰되었다. $40^{\circ}C$와 $60^{\circ}C$ 환경에서는 50일과 100일에서 급격한 강도저하가 관찰되었으며, 바살트섬유보강근의 경우에는 알칼리에서 섬유부풀음에 의한 손상으로 강도저하가 더 크게 나타났다.

LOADING...

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증