환경노출에 따른 GFRP 보강근과 BFRP 보강근의 역학적 거동 특성에 관한 실험적 연구 = An Experimental Study on the Mechanical Behavior of GFRP Rebar and BFRP Rebar under Environmental Exposure

국문 초록 (Abstract)

철근 콘크리트 구조물에서 철근은 부동태 피막에 의해 부식이 발생하지 않지만 콘크리트 균열에 의한 수분 침투 및 염화물로 인해 부동태 피막이 손상되면 철근 부식이 발생하게 된다. 부식 시 생성되는 철 산화물은 콘크리트 균열이나 박리현상을 발생시켜 구조물의 성능 및 수명이 저하되게 된다. 이러한 철근부식에 따른 철근 콘크리트 구조물의 성능저하에 대한 문제 해결책으로 FRP 보강근이 있다. FRP 보강근은 철근과 달리 구조성능이 우수하며 중량이 작아 취급이 용이하다. 특히 내식성이 우수한 특성으로 인해 철근 콘크리트 구조물에서 발생할 수 있는 부식으로 인한 성능 저하를 방지할 수 있다.
본 연구에서는 FRP 보강근 중 절연성이 뛰어난 GFRP 및 BFRP 보강근의 환경조건하에서의 역학적 성능을 평가하고자 인장실험과 미세구조분석을 실시하였다. 실험변수는 보강근의 직경 및 노출환경(알칼리-온도, 동결융해)으로 설정하였으며, 미세구조분석의 경우 동결융해 실험결과 인장강도 및 FRP 육안평가 했을 때 FRP의 상태변화가 미미하여 알칼리-온도 환경에 노출한 FRP 보강근만 분석을 실시하였다. 이러한 실험결과에 대한 결론은 다음과 같다.
기준 환경에서 GFRP 보강근에 비해 BFRP 보강근의 인장강도가 약 150MPa 높았으나 알칼리 60℃에 50일 노출된 경우 오히려 BFRP 보강근이 GFRP 보강근에 비해 100MPa 낮게 나왔다. 알칼리 환경에서 대부분의 시험체가 온도 및 노출기간이 증가함에 따라 인장강도가 감소하는 경향을 보이는 반면에 알칼리 20℃에 100일 노출된 GFRP D16와 BFRP D13의 경우 기준환경 보다 오히려 인장강도가 증가하는 것을 볼 수 있었다.
동결융해 환경에서 50일 노출한 경우 기준환경에서 보다 전체적으로 인장강도가 4~7%정도 감소한 반면에 100일의 경우 BFRP D13을 제외하고 인장강도가 오히려 증가하는 것을 확인할 수 있다. 이로 인해 동결융해 환경은 FRP 보강근 인장강도에 큰 영향을 미치지 않는 것을 알 수 있었다.
미세구조분석에서 FRP 단면과 측면의 부분을 분석한 결과 섬유과 레진사이의 부착면을 보면 GFRP 보강근 보다 BFRP 보강근이 알칼리- 온도 환경에서 섬유와 레진의 계면이 열악한 것을 알 수 있었다.
이와 같은 결과로 보았을 때 GFRP 보강근이 알칼리 환경에서의 인장강도 감소율이 적으며 미세구조분석 결과 BFRP 보강근에 비해 레진 손상이 적은 것을 알 수 있었다. 그러므로 알칼리환경에 노출되기 쉬운 콘크리트 구조물의 경우 BFRP 보강근 보다는 GFRP 보강근을 적용 하는 것이 좋다고 판단된다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

In reinforced concrete structure, rebar does not corrode owing to passive film. However, rebar corrodes as passive film is damaged due to various environmental factors. Iron oxides produced in corrosion cause concrete crack or delamination. So, the performance and life of structure decreases. There is FRP rebar as resolution to problem of decrease in the performance of reinforced concrete structure according to this rebar corrosion. FRP rebar has excellent structural performance different from that of rebar, and is easy to handle because of light weight. In particular, corrosion resistance is excellent. So, FRP rebar can be used in corrosive environments without restraint. Accordingly, crack in structure is not caused by corrosion.
This study selected GFRP and BFRP rebar having excellent insulating capability among FRP rebars, and carried out a tensile test and Analysis of Micro-structure in order to evaluate the mechanical performance of rebar. The diameter of rebar and environment to which rebar was exposed (alkali-temperature, freeze-thaw) was selected as experimental variable. And in case of Analysis of Micro-structure, a change in tensile strength and visual appearance was insignificant according to the results of freeze-thaw experiment. Therefore, only FRP rebar exposed to alkali-temperature environment was analyzed. The conclusions of these experiment results are as follows.
The tensile strength of BFRP rebar was higher by approximately 150MPa than that of GFRP rebar in reference environment. However, in case of being exposed to alkali 60℃ for 50 days, the tensile strength of BFRP rebar turned out to be lower by 100MPa than that of GFRP rebar instead. In most of specimens, the tensile strength showed a decreasing tendency as temperature and exposure duration increased in alkaline environment. However, in case of GFRP D16 and BFRP D13 exposed to alkali 20℃ for 100 days, it was possible to find that tensile strength increased, as compared with reference environment.
In case of being exposed to freeze-thaw environment for 50 days, tensile strength decreased by about 4~7% on the whole than that of reference environment. However, in case of 100 days, it was possible to verify that tensile strength increased except for BFRP D13. Therefore, it was possible to find that freeze-thaw environment did not have large effect on the tensile strength of FRP rebar.
According to the results of analyzing the section and side of FRP in Analysis of Micro-structure, it was possible to find that BFRP rebar had inferior interface between fiber and resin in alkali-temperature environment.
Based on the above-mentioned results, the GFRP rebar showed less reduction rate of tensile strength under alkaline environment and Analysis of Micro-structure showed less resin damage than the BFRP rebar. Therefore, it is evaluated that application of GFRP rebar is better than application of BFRP rebar in case of concrete structure liable to be exposed to alkaline environment.

목차 (Table of Contents)

• 제 1 장 서론 1
• 1.1 연구배경 및 목적 1
• 제 2 장 FRP 보강근 2
• 2.1 FRP 보강근 특성 2
• 2.2 FRP 보강근 연구동향 3
• 제 3 장 FRP 보강근 인장실험 5
• 3.1 실험목적 5
• 3.2 인장실험 그립(Grip) 선정 6
• 3.3 실험방법 7
• 3.4 노출환경 9
• 3.4.1 기준환경 9
• 3.4.2 알칼리환경 9
• 3.4.3 동결융해 10
• 3.5 실험결과 11
• 3.5.1 알칼리환경 12
• 3.5.2 동결융해 28
• 제 4 장 FRP 미세구조 분석 39
• 4.1 실험목적 39
• 4.2 실험방법 39
• 4.3 노출환경 39
• 4.4 실험결과 40
• 4.4.1 FRP 보강근 측면 40
• 4.4.2 FRP 보강근 단면 47
• 제 5 장 결론 50
• 참고문헌 52
• ABSTRACT 54
• 감사의 글 56