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ISSN : 2234-6937(Print)
ISSN : 2287-6979(Online)
Journal of Korea institue for Structural Maintenance Inspection Vol.23 No.2 pp.51-59
DOI : https://doi.org/10.11112/jksmi.2019.23.2.51

An Experimental Study on the Degradations of Material Properties of Vinylester/FRP Reinforcing Bars under Accelerated Alkaline Condition

Hongseob Oh1*, Younghwan Kim2, Naksup Jang2

본 논문에 대한 토의를 2019년 3월 1일까지 학회로 보내주시면 2019년 5월호에 토론결과를 게재하겠습니다.


Corresponding author:opera69@ksmi.or.kr Department of Civil Engineering, Gyeongnam National University of Science and Technology, Jinju, 52725 , Rep. of Korea
26/10/2018 29/11/2018 15/01/2019

Abstract


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°C alkaline solution; however, the specimens immersed in 60°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 °C for 100 days, but the tensile strength of FRPs exposed for 500 days decreased by 50%. At temperature of 40°C and 60 °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.



급속 알칼리 환경하에서의 비닐에스터/FRP 보강근의 재료성능 저하 특성에 관한 실험 적 연구

오 홍섭1*, 김 영환2, 장 낙섭2
1종신회원, 경남과학기술대학교 토목공학과 교수
2정회원, 경남과학기술대학교 토목공학과 대학원

초록


철근의 대체보강재로서 섬유보강근에 대한 적용연구가 증가하고 있으며, 단기거동에 대한 많은 연구가 진행되어 왔다. 본 연구에서 는 동결융해와 알칼리 환경하에서의 바살트와 유리섬유보강근의 미세구조와 인장거동 변화를 실험적으로 평가하였다. 100회까지의 동결융해 에서 5% 내외의 강도와 탄성계수 저하가 발생하였다. 20일까지의 초기 미세구조변화의 경우 알칼리용액의 온도가 낮은 경우에는 손상이 거의 발생하지 않았으나, 60°C에서는 20일 경과시에도 수지 용해와 섬유 손상이 관찰되었으며, 수지계면의 섬유분리가 발견되었다. 알칼리 환경에 서는 20°C환경에서 100일까지는 10% 내외의 강도저하 현상이 발생하였으며, 500일 노출시 최대50%의 강도 저하가 발생하는 것으로 관찰되었 다. 40°C와 60°C 환경에서는 50일과 100일에서 급격한 강도저하가 관찰되었으며, 바살트섬유보강근의 경우에는 알칼리에서 섬유부풀음에 의 한 손상으로 강도저하가 더 크게 나타났다. 따라서 블레이디드된 섬유보강근의 장기성능을 향상시키기 위해서는 내알칼리성 확보를 위한 표 면처리가 필요한 것으로 분석되었다.



    1. 서 론

    2000년대 이후 콘크리트 구조물에 FRP보강근을 적용하기 위한 많은 연구들이 진행되고 있으며, 국외에서는 철근부식 의 위험이 높은 구조물을 중심으로 적용사례가 증가하고 있 다(ACI, 2003;CSA S807, 2010;Kim et al., 2014). 콘크리트내 부 철근은 부동태피막에 의해 부식이 발생하지 않으나, 사용 연한 증가와 환경인자 변화에 의한 염화물 침투와 탄산화 반 응 등에 의해 철근 부식이 가속화되게 된다. 이에 반하여 FRP 는 기본적으로 부식이 발생하지 않기 때문에 동결융해 및 염 해 환경하에서 구조물의 수명을 증가시킬 수 있는 장점이 있 다(ACI, 2003;CSA S806, 2012). 또한 전기절연성을 갖는 섬 유보강재의 경우에는 전류의 흐름이 발생하지 않아야 하는 다양한 분야에서 활용이 가능하다.

    고속철도의 경우, 열차간의 충돌을 방지하기 위해 선로구 간내에 1개의 열차만이 들어가는 1500m 내외의 폐색구간을 궤도회로를 통해 확보하도록 하고 있다. 이때 궤도상의 신호 교란 및 누설전류로 전류량이 감소할 경우 구간내의 차량유 무를 확인할 수 없기 때문에 궤도 시공시 신호교란과 전류 누 설을 제어하기 위해 철근배근시 절연작업을 실시하고 있다. 따라서 절연이 필요한 철근대신 절연섬유 보강근을 사용한다 면 추가 절연작업과 구조물 노후화에 따른 부식 위험성을 낮 출 수 있기 때문에 수명주기동안 안전성과 경제성을 높일 수 있을 것이다.

    다양한 섬유중 유리섬유(Glass fiber)와 현무암섬유(Basalt fiber)의 경우 충분한 강도와 절연성을 확보하고 있다(Ali et al. 2019;Benmokrane et al., 2015a;Lu et al., 2015). 유리섬유 는 우수한 경제성으로 오래전부터 가장 많이 사용되고 있으 나, 상대적으로 인장강도와 피로저항성이 낮은 단점이 있다. 현무암섬유는 절연성능뿐만 아니라 내열성, 내화학성, 내마 모성이 우수하여 다양한 분야에서 사용되고 있다. 최근에는 비닐에스터 수지를 사용하고 제작공정 등을 단순화하여 GFRP 보강근의 단가가 동일직경의 철근에 거의 근접하였으 며, 고가인 BFRP도 2.5배 정도로서 충분한 경제성을 확보하 기 시작하였다.

    GFRP와 BFRP는 보강근 제작시 사용되는 수지와 섬유의 종류, 성형방법, 경화 온도 등에 따라 복합재료로서의 역학적 성질과 내구성능은 크게 차이를 갖게 된다. 따라서 구조물로 활용하기 위해서는 각각의 FRP 보강근에 대하여 역학적 성능 을 충분히 검증할 필요가 있다(ACI 2003;2015, CSA S806, 2012;Benmokrane et al., 2015a, 2017).

    FRP 보강근을 철도 궤도 등에 적용시 고려할 환경조건은 동결융해와 알칼리 환경이며, 특히 알칼리 환경은 FRP에 사 용되는 수지의 성능저하 원인이 될 수 있기 때문에 주의가 필 요하다.(Benmokrane et al., 2015b;Kim et al 2014;Lu et al., 2015;Wang et al.,2016) 경화된 콘크리트내부에 수분이 많지 않은 경우, 알칼리이온이 이동하지 않아 내부 FRP에 알칼리 손상을 발생할 위험이 낮으나, 경화전 상태나 균열 등에 의해 수분이 내부로 침투하여 알칼리 이온이 이동할 수 있게 되면 FRP 손상을 유발할 수 있다.

    따라서 본 연구에서는 국내 조건에서 발생할 수 있는 온도 조건으로 국내 대기환경과 차량 주행시의 열을 고려하여 알 칼리온도를 20℃에서 최대 60℃까지로 하였으며, 동결융해 는 대기조건에서 최저 –20℃까지로 가정하여 FRP 보강근의 인장강도 특성을 분석하고자 하였다. Robert et al.(2009)의 연 구에서는 알칼리 환경하의 FRP의 손상의 경우, 온도 50℃까 지는 선형적으로 증가하고 60℃이상에서는 지수적으로 증가 하는 것으로 제시하고 있으며, 많은 연구들에서 알칼리 최대 온도를 60℃로 적용하고 있다. 또한 경화단계인 초기 20일까 지의 알칼리 환경하에서의 FRP 열화정도를 미세구조 분석을 통하여 분석하고자 하였다.

    2. 실험계획

    2.1 FRP 보강근 및 인장실험

    섬유와 수지로 구성된 FRP 보강근은 철근과 같은 방법으로 인장실험을 할 수 없기 때문에 다양한 형태의 시험방법이 제시 되어 사용되고 있다. ACI 440.3R-12(2012),와 CSA S807(2010) 에서 적용하고 있는 마찰식 앵커방법과 ASTM(2012)에서 제 시하고 있는 압착식 앵커방법이 많이 사용되고 있으며, 인장강 도가 높은 긴장재의 경우에는 쐐기식 및 쐐기식+마찰식 혼합 앵커방법을 적용하여 인장강도를 평가하고 있다(Grelle et al, 2012;Oh et al., 2015;Schmidt et al., 2012).

    마찰식 앵커는 강관에 그라우트를 타설하여 그라우트와 보 강근의 부착으로 고정하는 방식으로 FRP 보강근에 리브(Rib) 가 있는 경우 적합한 방법이며, 압착식 그립은 홈이 있는 금속 판에 FRP 보강근을 삽입한 후 볼트 조임에 의해 고정하는 방 식으로 앵커를 재사용할 수 있는 장점이 있으나, FRP 보강근 이 리브를 가지는 경우에는 외부파괴가 먼저 발생할 수 있는 문제가 있다. 쐐기형 앵커는 쐐기의 형상에 따라 앵커 끝단에 서 응력집중에 의한 FRP 조기파괴가 발생할 수 있다. 따라서 본 연구에서는 외측에 돌기가 있는 FRP 보강근을 사용하혔기 때문에 마찰형 앵커를 적용하여 실험을 수행하였다.

    Table 1에는 각각 구조용 보강재로서 요구되는 일반적인 GFRP와 BFRP의 성능범위를 정리하였다. 최근 FRP 보강근 에 대한 연구가 국내에서도 많이 진행되고 있으나, 상용화된 제품이 국내에는 아직 없고, 미국 또는 캐나다의 제품은 성능 을 충분히 확보하고 있으나, 비용측면에서 불리하다. 본 연구 에서는 Fig. 1과 같은 형태의 중국 N사의 GFRP와 BFRP를 사 용하였으며, Table 2에는 제작사에서 제시하고 있는 재료성 능을 정리하였다. 사용된 FRP보강근은 압출성형(pultrusion) 방식으로 제작되었으며, 보강섬유의 배향성과 부착강도 향상 을 위해 나일론 섬유를 일정간격으로 표면을 감아(braided) 성 형하였으며, 외부에 규사 또는 모래 등을 사용하여 추가적으 로 부착성능을 높이지는 않았다. 섬유와 수지의 함유량은 각 각 72%와 28%로 제작사에서 제시하고 있다(Dai and He, 2017).

    FRP 보강근 인장시험시 CSA S806(2012)과 ACI 440 Committee(2012)에 의하면 앵커와 앵커사이의 측정길이를 ϕ 14mm 이하는 직경의 36배 이상, ϕ14mm~22mm는 직경의 40 배이상 되도록 규정하고 있기 때문에 앵커부는 Fig. 1과 같이 제작하였다. 앵커부의 길이는 CSA S806(2012)에서 L g = f u A g / 250 , ACI 440(2012)에서는 직경 13, 16mm GFRP에서는 380mm 이상으로 규정하고 있다. 따라서 앵커부 를 포함하여 전체 시험체의 길이는 ϕ13mm와 ϕ16mm 보강근 의 경우은 각각 1,300mm과 1,450mm로 제작하였다. 앵커는 CSA S806과 동일하게 두께 4.8mm에 직경 42mm의 강관을 적용하고, 앵커길이는 400mm로 고정하였다. 그리고 강관 내 부에 Fig. 1과 같이 FRP 보강근을 고정하고, 고성능 그라우트 로 충진한 후 Fig. 1(c)와 같이 3,000kN의 엑츄에이터를 사용 하여 3mm/min의 속도로 인장실험을 실시하였다. 기준시험편 의 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 보강근 의 변형 등을 고려하여 본 연구에서는 6mm의 전기저항식 변 형률 게이지를 보강근 중앙과 1/3지점에 부착하여 변형률을 직접 측정하였다.

    인장강도는 Table 2의 제조사에서 제시한 강도보다는 다소 낮게 측정되었으나, 표준편차 등을 고려할 때 신뢰성 있는 결 과로 판단되며, ACI 440 및 CSA S807 등에서 제시하고 품질 기준조건은 만족하였다. 탄성계수는 Benmokrane et al.(2017) 연구와 같이 변형률 0.001~0.003사이의 할선탄성계수를 산정 하는 ASTM(2012) 방법과 인장강도의 25%~50%사이의 응력 에서의 탄성계수를 사용하는 CSA S806(2012)로 판정하였으 며, 제조사 기준과 ACI 등의 기준을 통과하는 것으로 나타났 다. 처짐계를 사용한 Benmokrane et al.(2017)의 연구에서는 초기변형과 측정구간이 짧은 ASCE 방법이 일정응력수준 이 상에서의 변형을 평가하는 CSA 방법보다 편차가 큰 것으로 분석되었으나, 국부변형을 중심으로 평가한 본 연구에서는 초기 탄성계수인 ASTM(2012)방법이 CSA(2012) 방법과 비 교하여 탄성계수가 높고 편차가 작게 분석되어 측정방법에 따라 차이가 발생하는 것으로 나타났다.

    2.2 환경노출조건

    FRP 보강근은 보강근의 미세손상유무에 따라 알칼리와 동 결융해 환경하에서 성능저하가 발생할 수 있다. 다수의 연구 들에 의하면 콘크리트 내부의 수분이 낮은 상태에서는 알칼 리이온의 이동이 정지되어 FRP보강근의 손상이 거의 없는 것 으로 연구되고 있으나, 알칼리 이온이 이동 가능한 콘크리트 경화전 단계 또는 외부로부터 알칼리가 침투하는 경우에는 열화현상이 진행될 수 있다(Benmokrane et al., 2015;Wu et al., 2015).

    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 정리하 였다.

    콘크리트 내부의 알칼리 환경은 pH12.5~13.0이고, Ca(OH)2, Na(OH), K(OH) 등으로 구성되므로 아래와 같은 조합으로 pH 12.6의 알칼리 용액을 혼합하여 보강근을 침지하였다 (Benmokrane et al., 2015a, b).

    0 .16%Ca(OH 2 )+1%Na(OH)+1.4%K(OH)
    (1)

    온도에 의한 손상은 크게 수화열, 공용중의 기후변화 등이 있다. 이중 초기 수화열은 시멘트 종류 및 강도 등에 따라 50 ∼70℃까지 상승할 수 있기 때문에 알칼리 용액에서의 온도 변수는 각각 20℃, 40℃과 60℃으로 설정하였다.

    Benmokrane et al.(2002,2015a )의 연구에서 비닐에스터수 지는 알칼리 용액에 충분한 저항성을 갖고 있다고 제시하고 있으나, Chen et al.(2007)은 알칼리 용액의 배합에 따라 20% 내외의 강도저하현상을 보고하였으며, 비닐에스터 제조사들 에 따라 약 50℃이상 온도에서는 알칼리이온에 대한 저항력 이 낮아지는 경우도 있는 것으로 나타나고 있다.

    최근 기후변화 등에 의해 FRP 보강근의 동결융해 저항성 을 확보할 필요가 있다. 따라서 –20℃의 대기중에 FRP 보강 근을 노출시켜 50cycle과 100cycle에서의 인장강도를 평가하 였다. 실험 방법은 ASTM D7792(2015)와 동일하게 최저 온 도 –20℃와 최고 23±2℃으로 설정하였으며, 동결과 융해시간 은 콘크리트 동결융해시험방법을 모사하여 각각 16시간, 8시 간으로 설정하여 50cycle, 100cycle 동안 노출하였다. Table 4 에는 FRP 보강근의 노출조건을 정리하였다.

    손상시험편은 변수별로 5개의 시험편을 제작하였으며, 실 험결과 분석시에는 측정된 결과의 평균강도 및 탄성계수를 사용하였다. 변수별 손상도에 따라 2개 시편만 실험된 1개의 변수를 제외하고 대체적으로 3~5개의 실험결과를 분석에 사 용하였으며, 결과분석시 앵커부에서 섬유가 파단되거나 슬립 파괴가 발생한 시험편은 제외하였다.

    3. 미세구조분석

    초기 콘크리트 경화단계에서의 보강근 변화를 평가하기 위 하여 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.

    Fig. 2에는 침지전상태와 20, 40 및 60℃에서 20일 침지후 의 BFRP와 GFRP의 미세단면을 각각 2,000배와 500배 확대 하여 정리하였다. 직경 10μm이하의 다양한 섬유가 존재하는 BFRP에 비하여 GFRP는 평균 12μm내외의 균질한 직경을 갖 고 있으며, BFRP 내부에서 수지가 완전히 충진되지 않아 발 생한 미세공극을 확인할 수 있다. 논문에 제시하지는 않았으 나, 두 보강근 모두 나이론으로 감겨진(braided) 측면의 수지 는 다소 거친표면을 갖고 있는 것으로 분석되었다. BFRP 보 강근의 경우 20℃ 침지 10일에서는 손상이 발견되지 않았으 나, 40℃, 60℃에서는 보강근 측면에서 외부에 감겨진 나일론 섬유와 수지의 계면에서 손상이 발생하여 섬유와 수지가 노 출되었다. 그리고 Fig. 2에 나타낸 것과 같이 알칼리 노출 20일 의 경우 40℃에서 보강근을 감싸는 섬유와 수지에 손상이 심 하게 발생하고 일부 수지가 용해된 것을 확인할 수 있으며, 6 0℃에서는 일부 섬유의 손상도 관찰되었다. GFRP의 경우에 는 20℃ 10일 침지의 경우에는 BFRP와 같이 손상이 발견되 지 않았으나, 40℃, 60℃에서는 일부 외부수지의 박락이 관찰 되었다. 그리고 20일 노출된 보강근에서는 40℃의 경우 보강 근을 감싸고 있는 섬유가 많이 손상되어 섬유가 알칼리 환경 에 더 노출됨을 알 수 있다.

    BFRP 보강근이 알칼리 환경에서 손상이 큰 것으로 분석되 어 BFRP 적용시 외부수지보강과 수화열 및 온도에 대한 관리 가 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 현 무암성분의 부풀어짐으로 인해 손상이 가속화된 것으로 판단 된다.

    4. 인장강도특성

    Fig. 34에는 각 변수별 대표 시험편의 응력-신장도 관계 를 정리하였다. BFRP의 경우, ϕ13mm보다 ϕ16mm의 강도가 전체적으로 높게 산정된 반면 GFRP는 ϕ16mm의 강도가 다 소 낮게 측정되었다. 전체적으로 대기중의 동결융해시험편은 온도영향만을 받기 때문에 강도 저하현상이 크지 않은 것으 로 나타났으며, 기준시험체와 거의 유사한 탄성거동을 하는 것으로 분석되었다. 이에 반하여 알칼리 환경에 노출된 시험 편의 경우 노출기간보다 온도의 영향이 큰 것으로 분석되었 다. 20℃의 알칼리 용액에 노출된 경우에는 100일 노출시까지 강도저하가 크지 않았으나, 500일 노출시 최대 50%정도까지 강도가 급격히 감소하는 것으로 나타났다. 40℃노출의 경우 에는 100일이후 급격한 강도 저하 현상이 발생하여 GFRP는 50%, BFRP는 20% 정도의 강도저하가 발생하였다. 특히 BFRP의 경우는 침지 200일 이후에 수지와 섬유의 손상으로 강도 측정이 불가능하였다. 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 신장 량이 비선형적으로 증가하는 것을 확인할 수 있으며, 이는 수 지와 사이의 손상과 일부 섬유의 단락에 의한 것으로 판단된 다.

    Fig. 5에는 동결융해환경에서의 평균인장강도와 탄성계수 의 변화정도를 도시하였다. 50cycle (50-F)보다는 100cycle (100-F)에서 강도감소가 발생하지 않으며, 전체적으로 강도 감소율을 10% 미만으로 동결에 의한 강도감소는 크지 않은 것으로 분석되었다. FRP 보강재의 탄성계수는 Fig. 5(b)에 나 타내었다. 무손상 상태 탄성계수는 측정방법에 따라 차이가 크지 않은 것으로 분석되었으나, 동결융해 노출이후에는 CSA에 의한 탄성계수가 낮게 산정되고, 편차가 커지는 것으 로 분석되었다. 이는 강도 25~50%의 응력에서의 변형을 측정 하는 CSA 탄성계수의 특성상 섬유의 미세단락에 의한 보강 재의 비선형 특성에 기인한 것으로 판단된다.

    Fig. 67에는 알칼리 용액에서 침지된 경우의 인장강도와 ASTM 방법에 의한 탄성계수의 변화를 도시하였다. 손상에 의하여 비선형적으로 거동하는 보강근에서는 CSA 방법의 탄 성계수가 신뢰성이 낮다고 판단되어 도시하지 않았다.

    온도 20℃에서 50일 경과시 강도가 약간 감소한 후 100일 경과시에는 약간 회복되었다, 그러나 500일 노출시에는 50% 정도의 강도까지 감소되는 것으로 분석되었다. 40℃ 알칼리 용액 노출시에는 GFRP와 BFRP 모두 침지 100일에서 50%내 외로 급격하게 강도가 감소하는 것으로 나타났으며, 직경이 큰 시험편의 강도 감소가 미소하나마 작은 것으로 분석되었 다. 노출 500일의 경우 GFRP는 약 20% 정도의 강도를 나타내 는 반면 BFRP는 외부 수지 손상과 현무암섬유의 부풀어짐 (swelling)에 의해 강도측정이 불가능하였다. 이와 같은 현상 은 60℃ 알칼리 용액에서도 비슷한 결과는 나타내었으며, 50 일 경과후 20%내외의 강도로 저하된 후 GFRP와 BFRP 모두 측정이 불가능하였다. Sand coated BFRP와 GFRP 보강근의 휨강도와 계면전단강도를 평가한 Benmokrane et al (2015)의 연구에서는 비닐에스터수지를 사용하였음에도 60℃ 알칼리 환경에서 200일까지 GFRP는 10%내외, BFRP는 35% 정도의 강도저하만을 나타낸 반면 본 연구에서 사용된 보강근은 외 부 나이론섬유와 수지사이의 계면 손상에 의해 큰폭의 강도 저하가 발생하였다. 이는 open-die pultrusion 방식으로 보강 근 제작시 나일론을 외부에 감싸는(braided) 공정에서 외측수 지 계면에서 미세손상이 발생할 수 있고, 섬유내부 공극이 충 분히 제거되지 못하였기 때문인 것으로 판단된다. 이와 같은 알칼리 용액에서의 급격한 강도저하는 braided 형태의 보강 근을 적용한 Wu et al.(2014)와 Lu et al.(2015) 등의 연구에서 도 나타나며, 따라서 보강근의 리브 또는 돌기 제작시 수지의 손상을 억제하고, 저항성을 높일 수 있는 공정 또는 처리방법 이 필요한 것으로 판단된다.

    보강근의 탄성계수는 인장강도와 달리 측정방법과 산정방 법에 따라 편차가 크게 발생하게 된다. 특히 알칼리 침지후에 보강근 외형변화와 섬유의 미세단락 등에 의한 비선형 거동 으로 인하여 CSA S807에 의한 탄성계수산정은 신뢰성이 낮 은 것으로 판단되어 Fig.8에는 ASTM 방법에 의한 탄성계수 의 변화만을 도시하였다. 전반적으로 노출시간 증가에 따라 탄성계수 감소를 나타내었으나, 강도저하정도와 같은 크기의 감소율을 보이지는 않았다. 또한 BFRP의 경우에는 50일에서 감소후 100일 측정시 인장강도와 같이 일부 회복되는 것으로 나타났으나, GFRP의 경우에는 회복되는 침지 시간과 비례하 여 감소하였다.

    5. 결 론

    알칼리와 동결융해환경에서의 GFRP와 BFRP 보강근의 미 세구조와 인장거동 변화를 분석하였다.

    동결융해에 의한 인장강도 저하는 크지 않으나, 탄성계수 는 산정 방법에 따라 편차가 크게 나타났다. FRP의 초기변형 을 사용하는 ASTM 방법은 강도 변화정도와 유사한 변화를 나타내었으나, 사용응력수준 이상의 변형률을 사용하는 CSA S807의 경우에는 손상후 편차가 증가하고, 측정이 어려워지 는 문제가 있는 것으로 분석되었다.

    초기미세구조 변화의 경우, 20℃에서는 손상이 거의 관찰 되지 않은 반면 60℃ 환경하에서 20일 침지 수준에서도 섬유 와 수지의 분리가 관찰되었으며, 외측표면의 수지가 용해되 는 것을 관찰할 수 있다. 특히 BFRP 보강근은 섬유의 부풀음 에 의해 추가 손상이 발생하는 것으로 관찰되었다. 이는 상대 적으로 알칼리 저항성이 낮은 비닐에스터 수지가 사용되고, 보강근 제작시의 외측수지 손상에 기인한 것으로 내구성 확 보를 위해 표면처리가 필요한 것으로 판단된다.

    알칼리 환경에 노출됨에 따라 표면수지과 섬유의 미세손상 으로 보강근의 일체성이 파괴되어 인장거동시 비선형거동을 나타내게 되고, 응력수준에 따라 추가적인 탄성계수의 저하 가 발생하게 된다. 설계 목적에 따라 사용성 또는 내구성 설계 시에는 사용응력상태를 평가하는 CSA S807에 따른 탄성계 수로 설계하는 것이 적절할 수 있으며, 강도설계시에는 ASTM 방법에 의한 탄성계수를 사용하는 것이 적절한 것으로 판단된다.

    20℃의 알칼리 환경에서 500일 경과시 약 40~50% 정도의 강도저하가 발생하는 것으로 분석되었으나, 알칼리 이온 이 동이 가능한 일반적인 콘크리트 경화상태의 50일 이전에서는 10% 내외의 강도저하 후 다시 강도가 회복되는 것으로 분석 되었다. 40℃이상의 온도에서는 강도저하가 급격하게 진행되 고, BFRP 보강근의 경우에는 섬유의 부풀어짐까지 발생하는 것으로 분석되어 고강도 콘크리트와 같이 수화열이 높게 발 생할 위험이 있는 콘크리트 등에서는 사용시 주의가 필요할 것으로 판단된다.

    감사의 글

    본 연구는 연구재단 이공분야기초연구사업 연구비(2018 R1D1A1B07049278)지원에 수행되었으며, 이에 감사드립니다.

    Figure

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    FRP Bar, test setup and anchorage detailing

    JKSMI-23-2-51_F2.gif

    SEM images on the reference condition and immersed condition in alkaline solution for 20 days (2,000X and 500 X, respectively)

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    Typical Strength and elongation relationship of BFRP bars subjected with environmental conditions

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    Typical Strength and elongation relationship of GFRP bars subjected with environmental conditions

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    Tensile strength and elastic modulas of FRPs under freezing and thawing action

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    Tensile strength of FRPs under alkaline solution

    JKSMI-23-2-51_F7.gif

    Modulas of elasticity(ASTM) of FRPs under alkaline solution

    Table

    Typical material properties of GFRP and BFRP reinforcing bars

    Tensile properties of used FRP bars suggested by manufacture

    Tensile test results of reference specimens

    Environmental exposure condition for FRP reinforing bar

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