大 韓 土 木 學 會 論 文 集 第28卷 第3D 號·2008年 5月 pp. 325~330
道 路 工 學
동결융해 반복을 받는 콘크리트 포장용 GFRP 다웰바의 장기성능저하 메커니즘
Long-Term Degradation Mechanism of GFRP Dowel Bar for Jointed Concrete Pavement under Repeated Freezing-Thawing
원종필*·장창일**·박찬기***·이상우****
Won, Jong Pil·Jang, Chang Il·Park, Chan-Gi·Lee, Sang Woo
···
Abstract
This study carried out the repeated freezing-thawing test in order to understand the long-term degradation mechanism of GFRP dowel bars. The mechanical property measured by shear test. In addition, analyzes repeated freezing-thawing degra- dation mechanism of GFRP dowel bars by observe the microstructure through Scanning Electron Microscope (SEM) and Gas Physisorption techniques. As the result of test, it was found that the mechanical property didn't decreased as the exposure time to water and repeated freezing-thawing environment. It shows clearly observed microstructure investigations.
Keywords :concrete pavement, dowel bar, glass fiber reinforced polymer (GFRP), long-term durability
···
요 지
GFRP
다웰바의 장기 내구성능 저하 메커니즘을 규명하기 위하여 실제 콘크리트 포장에서 발생할 수 있는 수분환경과 동
결융해반복 환경하의 촉진 내구성능 평가를 실시하였으며 그에 따른 미세구조 분석을 통해 성능저하 열화 진행 메커니즘을 분석하였다. GFRP 다웰바의 내구특성 평가는 촉진환경에 노출 후 전단시험을 실시하여 분석하였으며 미세구조 분석을 위하 여 SEM 사진과 가스흡착에 의한 공극측정을 실시하였다. 실험결과 수분환경 및 동결·융해반복 환경에 노출된 GFRP 다웰 바는 내구특성 저하가 거의 나타나지 않았다. 이와 같은 결과는 미세구조분석에서 명확히 관찰 할 수 있었다.
핵심용어
:내구특성, 다웰바, 유리섬유강화 합성 다웰바, 콘크리트 포장
···
1.
서 론
콘크리트 포장 슬래브에서의 하중전달을 목적으로 일반적 으로 사용되는 다웰바는 강재 다웰바가 대부분 적용되고 있 다. 그러나 강 다웰바는 수분환경에 노출될 경우 부식 발생 을 초래하며 이러한 강 다웰바의 부식은 줄눈부의 잠김 현 상, 스폴링 및 하중전달 효율의 감소로 인한 단차 발생 등의 결함을 초래하게 되는 원인이 된다. 이와 같은 강다웰바의 문제점을 해결하기 위하여 콘크리트 포장에서 비부식성의
Glass Fiber Reinforced Plastic(GFRP)다웰바 적용에 대한 연구가 다양하게 진행되고 있다(HITEC 1998; MaLawhorn
2003; Abo-Qudais 2000).GFRP
다웰바는 유리섬유를 폴리머수지로 결합하여 압출
성형한 제품이다. 유리섬유는 다양한 환경에서 성능저하가 발생하여 장기적으로는 성능저하에 문제점이 발생할 수 있
다. 일반적으로 GFRP 다웰바의 열화과정을 기존의 GFRP 복합재료에 대한 연구결과를 이용하여 분석해보면 열화환경 에 노출되어 있을 때 가수분해와 화학적 반응으로 재료적 열화와 역학적 성질의 감소가 발생할 수 있다(Machida,
1993). GFRP
복합재료의 열화과정은 GFRP 복합재료를 구
성하는 폴리머 수지에 수분이 흡수되면서 폴리머수지의 가 소화(plasticization)로 인해 팽창(swelling)이 발생하여 섬유 와 폴리머 수지사이에 박리와 미소균열을 발생시킨다
(Machida, 1993).
발생한 박리와 미소균열을 따라 수분 및
화학이온이 확산되어 폴리머수지가 열화되고 섬유와 폴리머 수지의 계면까지 열화가 진행된다. 결국 섬유의 열화가 발생 하여 섬유와 섬유간의 하중전달 매카니즘의 약화로 역학적 성능이 감소한다(Machida, 1993).
유리섬유의 내구성에 대한 문제점을 보완하는 방법으로는 내구성이 우수한 폴리머수지를 이용하여 유리섬유를 결합하
*정회원ㆍ건국대학교사회환경시스템공학과교수 (E-mail : [email protected])
**정회원ㆍ건국대학교 대학원 사회환경시스템공학과 박사과정
***정회원ㆍ공주대학교지역건설공학전공전임강사
****정회원ㆍ건국대학교 대학원 사회환경시스템공학과 박사과정
고 유리섬유를 표면에 노출하지 않게 보호하여 장기적으로 외부환경이 유리섬유와 직접적으로 접촉하지 않게 하는 것 이 중요하다. 따라서 사용된 폴리머 수지의 내구성이 전체적 인 GFRP 다웰바의 성능저하의 주요 관점이 된다.
일반적으로 GFRP 복합재료에 널리 사용되고 있는 폴리머 수지는 비닐에스터수지이다. 폴리에스터수지는 외부환경에 노 출되었을 시 내구성에 큰 영향이 있어 거의 사용되지 않고 있다(Benmokrane 등, 2001). 따라서 비닐에스터 수지와 에 폭시 수지가 널리 사용되고 있는데 에폭시 수지의 경우 경 제성이 비닐에스터수지보다 감소하기 때문에 비닐에스터 수 지를 사용하는 것이 내구성 및 경제성 측면에서 가장 적절 하게 고려될 수 있다(Buck, 1998).
GFRP
복합재료에서 내구성에 영향을 미칠 수 있는 환경
적 요인은 매우 많으며 특히 극심하게 노출될 수 있는 환경 은 철근의 부식이 발생하는 환경보다는 폴리머수지 및 섬유 에 영향을 미칠 수 있는 환경이 보다 중요하게 고려되어야 한다(Bank 등, 1997). 이와 같은 환경에는 수분, 알칼리, 염 해 환경 등이 있을 수 있다(Chin 등, 1997). 또한 국내와 같이 4계절이 뚜렷하고 겨울철 일교차가 심하여 발생하는 동결융해의 반복에 대한 영향은 매우 중요한 FRP 복합재료 의 파괴원인이 될 수 있다. FRP 복합재료의 동결융해반복에 의한 파괴의 가능성은 FRP 복합재료 자체의 파괴와 FRP 복합재료와 콘크리트와의 접착면의 파괴로 고려될 수 있다.
동결융해반복을 받는 콘크리트 포장 구조체에서 온도에 의 한 영향과 동결융해반복에 대한 영향을 구분하는 것은 매우 어렵다. 동결융해의 영향은 FRP 복합재료와 콘크리트 사이 의 접착면에서 동결수에 의한 영향으로 평가할 수 있다
(Dutta
등, 1995). 다른 한편으로 온도에 의한 영향은 FRP
복합재료를 적용한 콘크리트의 구성재료 사이의 열팽창계수 와 같은 온도에 영향을 받는 특성의 불일치로부터 만들어진 다고 할 수 있다. FRP 복합재료의 동결융해반복에 대한 저 항성을 평가하기 위한 실험방법은 일반적인 콘크리트에서 적 용하는 방법과 동일하게 적용하여 부착시편을 제작하여 FRP 복합재료의 동결융해에 대한 영향뿐만 아니라 콘크리트와
FRP복합재료 사이의 접착표면의 동결융해에 대한 파괴의 영향을 평가하기도 한다(Karbhari 등, 1998, 2003). Vijay는
7가지 종류의 폴리머수지에 따른 GFRP 복합재료의 동결융 해반복 및 알칼리 환경이 복합적으로 작용할 때의 영향을 평가하였다(Vijay 등, 1999). 알칼리 용액 내에서 141회의 동결융해반복을 실시한 후 강도 및 강성의 감소를 평가하였 는데 인장강도는 서로 다른 GFRP 보강근의 종류에 따라
6%~49%
까지 감소하였다. 또한 GFRP 복합재료를 적용한
콘크리트에서의 동결융해반복에 대한 저항성을 평가하는 연
구를 실시하였다. 12개월 동안 알칼리 용액에 침지한 후
GFRP
복합재료의 동결융해반복시험을 실시한 결과 29.8%의
인장강도 감소를 나타내었다. 그러나 이와 같은 FRP 복합재 료의 동결융해에 대한 저항성의 평가는 GFRP 다웰바가 노 출되어 있는 환경과 비교하면 양호한 편이다. GFRP 다웰바 의 경우 콘크리트 내부에 포함되어 있는 것이 아니라 콘크 리트 포장의 가로줄눈부에 설치되어 있어 각종 환경적 요인 의 침투가 용이하고 GFRP 다웰바가 콘크리트 포장과 분리 되어 있는 비부착 상태로 되어 있어 GFRP 다웰바가 전체 적으로 환경적 요인의 분산이 쉽다. 또한 GFRP 다웰바의 경우 겨울철 융설재를 살포하는 콘크리트 포장의 경우 동결 융해와 융설재의 영향을 복합적으로 받기 때문에 내구성 저 하 가능성이 매우 높다. 따라서 본 연구에서는 콘크리트 포 장에서 발생할 수 있는 동결융해 반복 환경에서의 GFRP 다웰바의 내구특성을 분석하였다. 이를 위하여 촉진동결융해 반복시험을 적용하였으며 역학적 특성의 저하현상을 전단특 성시험을 통하여 평가하였다. 또한 GFRP 다웰바의 열화 매 카니즘을 분석하기 위하여 주사현미경(SEM)을 이용한 내부 결함을 평가하였고 가스흡착에 의한 내부 공극량을 측정하 였다.
2.
실험계획 및 방법
2.1 GFRP
다웰바
본 연구에서 사용한 다웰바는 국내에서 제작된 타원형
50×34×41mm의 GFRP 다웰바를 사용하였다. GFRP 다웰바 는 E-유리섬유의 함량이 체적비로 80%이고 비닐에스터 수 지의 함량을 체적비로 20%로하여 압출성형의 가공방법으로 제조되었다. 본 연구에서 사용된 GFRP 다웰바의 형상 및 특성은 표 1과 같다.
2.2
실험 계획
본 연구에서는 콘크리트 포장에서 발생할 수 있는 2가지 환경에 대한 영향을 평가하였는데 평가항목으로는 수분환경 및 동결융해 반복을 실시하였다. 표 2는 GFRP 다웰바의 평 가 시험내용이다. 촉진열화환경에서 GFRP 다웰바의 역학적 성능 평가는 ASTM D 4475(Standard Test Method for
Apparent Shear Strength of Pultruded Reinforced PlasticRods by in Short-Beam Method)
를 적용하였다.(ASTM
2000) ASTM D 4475
는 GFRP 다웰바가 도로포장에서 하
중전달장치로 사용될 경우 콘크리트 슬래브와 슬래브사이에 서 파괴될 수 있는 두 가지 파괴 모드와 가장 유사한 역학 적 특성 시험방법으로 사용되고 있다. 또한 본 연구에서는
표
1. GFRP다웰바의 형상 및 특성
GFRP
다웰바의 형상 치수 (mm) 배합비(%)
장반경
(mm)단반경
(mm)적용반경
(mm)유리섬유 비닐에스터수지
50 34 41 80 20
촉진열화 환경에서 GFRP 다웰바의 열화매카니즘을 분석하 기 위하여 가스흡착방법에 의한 내부공극량을 측정하였으며 내부열화환경을 평가하기 위하여 SEM분석을 실시하였다.
2.3
촉진열화환경
GFRP
다웰바의 수분에 대한 저항성을 평가하기 위하여 2
가지의 환경조건을 고려하였으며 촉진환경에 노출 후 전단 시험을 실시하여 그 성능을 평가하였다. 기준 시편은 22
oC상온의 실험실 환경에 노출시켜 수분흡수 및 온도변화로 인 한 결함의 가능성을 최소화하였고 역학적 시험결과에 영향 을 미칠 수 있는 운반 및 절단에 의한 손상을 최소화하였다.
수분환경에 대한 영향을 평가하기 위하여 GFRP 다웰바를 일반 수돗물에 침지시키는 방법을 사용하였다. 일반 수돗물 의 온도는 70
oC로 하여 온도의 영향을 고려한 촉진 열화환 경을 모사하였다.
GFRP
다웰바의 동결융해반복에 대한 저항성을 평가하기
위한 시험방법으로 본 연구에서는 콘크리트에 적용하는 방 법과 동일하게 KS F 2456에 따라 시험을 실시하였다. 일반 적인 동결융해 사이클은 시편 온도를 2시간 내지 4시간 사 이에서 교대로 4
oC에서 -18
oC로 변환시키며 이를 1cycle로 한다. 이때 시편 온도가 -19
oC이하 또는 6
oC이상이 되면 안되게 하였다. 또한 시편의 중심온도와 표면온도차는 항상
28oC를 초과하지 않도록 하고 동결해서 융해상태로 바뀌는 순간의 시간은 10분을 초과하지 않도록 하였다.
2.4
시험방법
2.4.1전단 특성
전단시험은 ASTM D 4475(Standard Test Method for
Apparent Shear Strength of Pultruded Reinforced PlasticRods by in Short-Beam Method)
의 방법을 사용하였다. 내
구특성 평가에 사용된 시편은 ASTM D 4475의 규정에 맞 게 절단하여 측정일 수 마다 5개의 공시체를 측정하였다.
시험은 허용용량 250KN의 변위조절식 UTM을 사용하여 변 위제어 속도는 1.3mm/min으로 실시하였다. 시험 후 전단 강도는 식 (1)에 의하여 계산하였다.
(1)
여기서, S: 내부결합 전단응력,(전단 강도:MPa),
D:시편의 직경,(mm)
P:
파괴시 하중(하중-처짐 곡선에서 주어진 점의 하 중), (KN)
2.4.2
미세구조 분석
GFRP
다웰바의 열화에 대한 성능 저하 원인은 열화를 촉
진시키는 각종 저하 인자가 GFRP 다웰바의 표면을 파괴하 여 궁극적으로 GFRP 다웰바 내부의 미세균열 등 공극구조 를 악화시켜서 발생한다. 따라서 열화환경에 노출 후 성능 저하의 원인을 미세구조 분석을 통하여 평가할 수 있다.
GFRP
다웰바의 촉진열화환경에 노출 후의 내부 미세 공극
을 분석하기 위하여 가스흡착에 의한 방법(Gas absorption) 을 적용하였다. 공극량은 열화환경에 노출 후 각각의 촉진일 수마다 2개의 시편을 사용하여 측정하였다.
주사현미경(Scanning Electronic Microscope)을 이용하여 촉진열화환경에 노출된 GFRP 다웰바의 표면사진을 측정하 면 GFRP 다웰바를 구성하는 유리섬유와 폴리머수지 및 유 리섬유와 폴리머수지의 접착표면의 열화상태를 관찰 수 있 다. 열화표면의 관찰은 GFRP 다웰바의 열화파괴 매카니즘 을 분석할 수 있다.
3.
실험 결과
3.1
전단 특성
GFRP
다웰바의 수분환경에 촉진 침지 후 전단강도 변화
를 측정하였으며 시험결과는 그림 1과 같다. 수분환경에 노 출된 GFRP 다웰바는 전단강도의 큰 변화를 나타내지 않았 으며 기준 시편의 전단강도와 약 3MPa의 강도 저하를 나타 내었는데 이는 전체 강도에 대하여 약 5%의 강도 저하를 나타낸다. 따라서 수분환경에 노출된 GFRP 다웰바는 내구 특성 저하가 나타나지 않을 것으로 판단되었다. 일반적인 콘 크리트의 동결융해 시험방법에 따라 GFRP 다웰바의 동결융 해 시험을 실시하였으며 시험결과는 그림 2와 같다. 내구특 성 저하는 지속적으로 나타났으며 420회 반복 후에 약
5MPa의 전단강도 저하를 보였다. 그러나 동결융해에 대한 전체적인 성능은 90% 이상의 잔류전단강도를 나타냄으로써
S 0.849P
D2 ---
=
표
2. GFRP다웰바의 실험계획 열화환경 화학적 측정 일수
(
일) 시험 내용 온 도
(oC)상 온
-전단, 미세구조분석 상 온 수분환경
20
전단
70 40
전단, 미세구조분석
80전단, 미세구조분석 동결-융해
반복환경 매 60회 반복
(
총 600회 반복) 전단,
미세구조분석
-18∼4
그림
1.수분환경에서의
GFRP다웰바 전단강도
상대적으로 우수한 저항성을 가지고 있었다.
3.2
미세구조 분석결과
GFRP
다웰바의 촉진열화 환경에서의 미세구조를 분석하
기 위하여 가스흡착의 방법을 통한 공극측정을 실시하였으 며 아울러 SEM 분석을 실시하였다. 기준 GFRP 다웰바의 총 공극량은 0.0395cc/g을 나타내었다.
3.2.1
수분 환경
수분 환경에서의 GFRP 다웰바의 전단강도 저하는
1.5MPa
이내의 값을 나타내었으며 강도 저하가 크게 일어나
지 않았다. 이와 비슷한 경향으로 수분환경에서의 GFRP 다 웰바의 총 공극량은 기준 GFRP 다웰바의 총 공극량과 거 의 같은 값을 나타냈다. 촉진일의 증가에 따른 총 공극량의 증가가 거의 나타나지 않았으며 따라서 촉진일수에 관계없 이 열화가 거의 진행되지 않은 것으로 판단되며 SEM에서도 유리섬유의 형태가 그대로 유지하고 있는 것으로 나타났다.
따라서 GFRP 다웰바는 수분 환경에서의 영향을 받지 않는 것으로 판단된다. 수분 환경에서의 GFRP 다웰바의 미세구 조 분석결과는 그림 3과 같으며 표면형상은 그림 4와 같다.
3.2.2
동결·융해 반복환경
동결·융해 반복환경에서 GFRP 다웰바의 전단강도 저하 는 300사이클까지 거의 나타나지 않았으나 420사이클 이후 강도저하가 나타나기 시작하였다. 이후 600사이클에서는 기 준 시편의 전단강도보다 약 5MPa 저하된 전단강도 값을 나
타냈다. 동결·융해 반복의 증가에 따른 GFRP 다웰바의 총 공극량은 동결융해의 반복이 증가함에 따라 증가하는 것으 로 나타났다. 600사이클에서의 총공극량은 0.0555cc/g으로 알칼리 환경에서의 GFRP 다웰바의 총 공극량과 유사한 값 을 나타냈다(그림 5). 그림 6에서와 같이 SEM 사진에서도 촉진일이 증가함에 따라 열화가 진행되는 경향이 나타났다.
그림 6(a)은 기준 상태의 GFRP 다웰바의 사진으로 유리섬 유와 비닐에스터수지사이의 어떠한 결함도 발견되지 않았 다. 그러나 6(b)의 사진을 보면 유리섬유와 수지의 접촉면 그리고 유리섬유 부분에 약간씩 결함이 발생하고 있음을 나 타낸다. 6(c)의 사진을 보면 6(b)의 사진과 비교하여 결함은 점정도 확장되어 유리섬유를 부분적으로 파괴시키고 있음을 알 수 있으며 6(d)의 사진은 6(c)와 비교하여 결함의 성장이 좀더 적극적으로 발생하지만 6(c)와 비교하여 큰 차이는 발 생하지 않았다. 그러나 6(e)의 사진은 유리섬유를 관통하여 균열이 발생할 정도로 결함이 증대하였으며 6(f)의 사진은 유리섬유가 결함이 크게 증대되어 파괴되는 경향을 보여주 그림
2.동결·융해 반복환경하에서의
GFRP다웰바 전단강도
그림
3.수분 환경에서 침지시간에 따른
GFRP다웰바 총공극량
그림
4.수분 환경에서 침지시간에 따른
GFRP다웰바의 표면
형상
고 있다. 특히 결함의 정도는 480회 반복부터 심각하게 증 가됨을 알 수 있다. 따라서 동결융해 반복에 대한 총 공극 량의 증가가 420회부터 증가하는 것을 SEM 사진 분석결과 로도 알 수 있다. 따라서 GFRP 다웰바는 동결융해 환경에 노출될 경우 노출 기간의 증가에 따라 폴리머 매트릭스에서
섬유-메트릭스 계면으로 점차 열화가 진행되는 것으로 판단 되며 열화가 진행됨에 따라 섬유-매트릭스간의 박리와 매트 릭스의 미세균열이 발생하여 총 공극량 증가 및 전단강도의 저하가 발생할 것으로 판단되었다.
4.
요약 및 결론
강 다웰바의 대체 재료로서 사용되는 GFRP 다웰바의 동 결융해 반복에 따른 장기 내구성능 저하를 분석하기 위하여 실험을 실시하였다. 노출환경은 국내 콘크리트 포장 슬래브 에서 생성될 수 있는 2가지 환경을 모형화 하였으며 각각의 침지기간 및 반복횟수에 따라 전단강도의 변화를 측정하였 다. 또한 미세구조 분석을 위하여 가스흡착에 의한 미세 공 극 측정을 실시하였으며 SEM 사진을 통하여 열화 진행을 분석하였다. 분석된 시험 결과 및 결론을 요약하면 다음과 같다.
그림
5.동결·융해 반복환경하에서의
GFRP총공극량
그림
6.동결·융해 반복환경하에서의
GFRP다웰바의 표면형상
1.
수분 환경에서의 GFRP 다웰바의 전단강도 저하는 1.5
MPa이내의 값을 나타내었으며 강도 저하가 크게 일어나 지 않는 것으로 나타났다. 이와 비슷한 경향으로 수분환경 에서의 GFRP 다웰바의 총 공극량은 기준 GFRP 다웰바 의 총 공극량과 거의 같은 값을 나타냈다. 즉 촉진일의 증가에 따른 총 공극량의 증가가 거의 나타나지 않았으며 따라서 촉진일수에 관계없이 열화가 거의 진행되지 않은 것으로 판단되며 SEM에서도 유리섬유의 형태가 그대로 유지하고 있는 것으로 나타났다.
2.
동결융해 반복환경에 노출된 GFRP 다웰바의 전단강도 감 소는 반복횟수가 증가할수록 지속적으로 감소하였는데 공 극량도 반복횟수가 증가할수록 지속적으로 증가하였으며,
SEM관찰결과도 반복회수가 증가할수록 유리섬유의 침식 되는 양이 증가하고 있음을 알 수 있다. 특히 동결융해 반복 횟수가 약 420회 이상이 되면 전단강도의 감소가 약간 크게 나타났는데 SEM 관찰결과 역시 360회 반복하 였을 때 보다 480회 반복하였을 때 GFRP 다웰바의 침 식되는 양이 현저히 증가함을 알 수 있다.
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