1. 서 론

유리섬유강화 폴리머보강근(이하 GFRP)은 이형철근의 부식문제를 해결하는 열어 방안 중 하나이며, 최근에는 탄소배출이 철근 대비 적은 것으로 보고되면서 크게 주목받고 있다^{(Garg and Shrivastava 2019; Işildar et al. 2020)}. 국내 콘크리트 보강용 GFRP 보강근을 제조, 판매하는 회사는 10여 개에 이르며, 전세계 제품도 14개국에서 27개의 주요제품을 제조, 생산하고 있다^{(Emparanza et al. 2017)}. 뿐만 아니라 국내외에서 GFRP 보강근 콘크리트 구조물의 설계기준이 발표되고 있는 것은 GFRP 보강근에 대한 관심이 크게 증가하고 있다는 것을 보여준다^{(ACI 2022; MOLIT 2024)}.

GFRP 보강근은 인발방식으로 생산된다. 유리섬유는 함침조를 통과하며 폴리머레진과의 합성체로 생산된다. 이 과정에서 공극과 균열 등 제조결함들이 발생할 수 있다는 것은 이미 오래전부터 알려져 있다^{(Benmokrane et al. 2017; El-Hassan et al. 2017)}. 제조결함 등은 GFRP 보강근이 콘크리트 보강재로 사용되었을 때 다양한 환경적 요인에 의한 성능저하를 촉발시킬 뿐 아니라 가속화시킬 수 있다. 그럼에도 불구하고 GFRP 보강근의 장기 내구성능에 대한 연구는 제조결함의 유무 및 그 정도에 대한 정량적 고찰 없이 콘크리트 및 사용환경 하에서 보강근의 성능저하와 손상의 진전에만 집중하여 왔다^{(Won et al. 2008; Vemuganti et al. 2020; Wu et al. 2023; Delaplanque et al. 2024)}.

한편, 보강근의 제조결함에 관한 연구는 국내 연구자에 의해 체계적으로 조사된바 있다^{(Roh et al, 2023)}. 이 연구에서는 경화제 혼입량, 가열온도 및 인발속도가 압입자국(Indentation mark), 기포 발생, 탄화 및 굽힘의 발생에 미치는 영향을 실험하였다. 연구결과는 적정한 가열온도 및 인발속도, 무엇보다 경화제 종류 및 혼입량에 대한 적정수준의 결정이 상기한 제조결함을 막기 위한 가장 중요한 요소라고 보고하고 있다. 또한 220 °C 이상의 가열온도가 주로 탄화를 발생시키며, 적정온도를 150 °C~ 220 °C 범위로 제시하였다. 그러나, 이 연구는 우수한 제품생산을 위한 생산과정 변수에만 초점을 두어 진행한 연구로서, 다양한 제조조건 변수별로 휨성능의 변화만을 비교, 고찰하였다.

GFRP 보강근의 내구열화 인자 중 하나는 흡습이다. GFRP 보강근의 흡습 발생의 매커니즘은 폴리머 매트릭스의 화학적 원인과 기계적 원인에 의한 흡습으로 나눌 수 있다. 화학적 원인에 의한 흡습의 경우에는 상대적으로 높은 온도 및 습도 환경에서 물분자의 수소와 폴리머 분자 내의 산소원자간의 수소결합 현상에 의하여 발생한다. 따라서 GFRP 보강근을 구성하는 폴리머의 재료특성에 주로 기인하므로 재료 배합 및 설계를 통해 흡습을 최소화하여야 한다. 한편 기계적 원인에 의한 흡습은 섬유와 매트릭스간 결합부, 제조 중 발생하는 미세 기공 및 균열, 사용중 발생하는 균열 등을 통한 수분침투 및 확산에 의하여 발생한다. 흡습은 레진 매트릭스의 가소화를 초래하여 유리전이 온도를 낮추고, 섬유와 레진매트릭스간의 계면으로 유입하여 균열을 발생시키고 응력전달 효율을 감소시킬 수 있다. 또한 섬유의 분해와 응력부식을 유발하여 강도를 저하시키는 요인이 될 수 있다고 보고되고 있다^{(Nkurunziza et al. 2005; Moura et al. 2021)}. 결과적으로 동일한 재료 및 동일한 사용환경이라면 제조중 발생하는 공극 및 균열 등의 결함발생을 최소화하는 것이 흡습저항성능 확보를 위해 중요하다. 그러므로 이와 같은 제조결함이 휨성능 등 역학적 성능에 미치는 영향을 고찰하기 이전에 내구적 성능인 흡습률에 미치는 영향에 대한 고찰이 반드시 선행적으로 필요하다.

본 논문에서는 GFRP 보강근의 제조결함 중 대표적 결함인 균열이 보강근의 흡습률에 미치는 영향을 실험을 통해 집중적으로 조사하였다. 국내업체 2개사로부터 생산된 다양한 GFRP 보강근을 대상으로 하였다. 우선, 제조상 발생한 균열의 유무 및 정도(길이 및 폭)를 구분하여, 정량화하였다. 이후 ^{ASTM D 570 (1998)}에서 규정하고 있는 시험방법과 절차에 따라 흡습률 시험을 수행하였다. 실험결과는 ^{ASTM D 7957 (2022)}에서 규정하고 있는 콘크리트보강용 GFRP 보강근의 규격에 의하여 평가하였다. 실험 및 분석을 통해 국내생산 GFRP 보강근의 제조상 품질상태와 규격에 적합한 임계균열량을 제안하였으며, 평가기준과 시험방법에 대한 고찰을 수행하였다. 본 논문의 결과는 국내 GFRP 보강근의 제조품질현황을 파악하고 향후 GFRP보강근 제조기술의 발전에 기여할 것이다.

2. 실 험

2.2 흡습률 시험절차 및 방법, 평가기준

GFRP 보강근의 흡습률 시험은 ASTM D 570에 따라 수행하였다. 보강근은 수냉식 커터를 사용하여 절단 중 손상이 발생하지 않도록 주의하며, 25 mm 길이로 절단된 시편을 50 °C의 오븐에서 24시간 노출시킨 후 초기중량 $W_{0}$를 측정한다. 증류수가 가득 채워진 50 °C±0.1 °C로 유지되는 항온챔버에 시편을 침지시킨 후 측정일자에 맞추어 시편을 꺼내 표면물기 제거 후 시편의 무게 $W_{day}$를 측정하였다. 흡습률(Moisture Absorption Rate, MAR)은 식 (1)에 의하여 계산되었다. Fig. 1은 시편의 절단과 침지노출을 보여주고 있다.

(1)

$MAR(\%)=\dfrac{W_{day}-W_{0}}{W_{0}}\times 100$

GFRP 보강근의 흡습률에 대한 품질 평가기준은 ^{KCI-GFRP101 (2024)}과 ^{ASTM D 7957 (2022)}에 규정되어 있다. 본 연구에서는 ASTM D 7957에 따라 분석하였다. 이 기준에 따르면 24시간 노출 후 흡습률 최소 소요기준은 0.25 %이며, 포화 시 흡습률은 1 %로 규정하고 있다. 포화흡습률은 이전 무게측정치와 이번 무게측정치의 차이가 $W_{0}$의 0.1 %를 초과하지 않는 경우로 규정하고 있다.

Fig. 1 Preparation and immersion of specimens

3. 균열결함 조사

이미지 분석을 통하여 GFRP 보강근의 균열결함조사를 수행하였다. 50배율의 실사현미경을 이용해 촬영된 단면 이미지에 관찰되는 균열의 폭과 길이를 일일이 조사하였다. 결함에 의한 균열의 폭은 0.2 mm~0.42 mm로 다양한 것으로 조사되었다. 최소폭에 해당하는 0.2 mm 이상의 균열의 길이를 모두 조사하여 정리하였다(Table 2 참고). Fig. 2~Fig. 3은 GFRP 보강근의 단면촬영 이미지에서 0.2mm 이상의 균열을 표시하여 나타내고 있다.

보강근 마다 제조결함에 해당하는 균열의 길이는 최소 3 mm에서 최대 26 mm로 제품마다 큰 차이가 있다. 또한 동일한 직경의 보강근이라도 균열의 길이는 동일하지 않고 매우 큰 차이가 있음을 확인할 수 있다. 보강근의 직경에 따라서도 큰 차이를 보인다.

Fig. 2 Investigation of crack defects for GFRP A

Fig. 3 Investigation of crack defects for GFRP B

4. 흡습률 결과

4.1 24시간 흡습률

ASTM D 7957에 따르면, 24시간 후 흡습률은 0.25 % 이하여야 한다. 두 GFRP 보강근의 24시간 노출 흡습량의 결과는 Table 3, Fig. 4와 같다. 우선, 전반적으로 GFRP B 보강근의 MAR이 모든직경에서 GFRP A 보강근보다 큰 것을 확인할 수 있다. 모든 GFRP A 보강근의 MAR은 기준치인 0.25 % 이하인데 반하여 GFRP 보강근 B 중에서 G10, G16과 G19의 MAR은 기준치인 0.25 % 이상이다.

직경에 따른 경향을 살펴보면(Fig. 4 참고), 보강근의 직경이 클수록 MAR은 감소하는 경향을 나타낸다. 동일한 경향은 ^{Benmokrane et al. (2017)}의 실험결과에서도 확인된다. 이 연구에서는 작은 직경을 갖는 보강근의 높은 비표면적(표면적/부피)이 이와 같은 결과의 원인이라고 설명하고 있다. 그러나 이와 같은 경향도 에폭시를 사용한 GFRP A에서는 보강근 직경에 따른 감소율이 GFRP B에 비하여 상대적으로 크지 않다.

정량적인 비교를 위하여 균열의 길이를 단면적으로 나눈 균열길이에 대한 흡습률의 변화를 Fig. 5에 나타내었다. 균열길이가 증가할 때 24시간 MAR의 증가경향이 명확하게 확인된다. 실험자료와 추세선과의 상관도는 각각 62 %와 78 %로 높은 수준이다. 균열길이 증가에 따른 MAR의 증가율은 GFRP B에서 훨씬 큰 것을 확인할 수 있다.

Fig. 4 Moisture absorption rate (MAR) comparison according to rebar diameter

Fig. 5 Moisture absorption rate (MAR) comparason according to normalized crack length

Table 3 Moisture absorption rate for 1 day exposure (unit %)

GFRP rebar		G10	G13	G16	G19	G22	G25
A	#1	0.141	0.055	0.027	0.098	0.083	-
	#2	0.148	0.117	0.049	0.079	0.080
	#3	0.157	0.074	0.046	0.113	0.069
B	#1	0.548	0.207	0.392	0.344	0.205	0.159
	#2	0.573	0.221	0.313	0.349	0.220	0.131
	#3	0.612	0.106	0.365	0.380	0.242	0.191

4.2 포화흡습률

노출일 증가에 따른 MAR의 변화는 Fig. 6~Fig. 7에 나타내었다. 매 2주마다 중량변화를 보여주고 있다. 본 실험에서는 시편의 2주마다의 중량변화량이 보강근의 $W_{0}$의 0.1 %를 초과하지 않을 때 포화라고 판정하였다. 그래프에서 시편의 중량이 증가없이 거의 동일하게 유지되는 것이 포화에 해당하며, 오히려 중량이 감소하는 것은 보강근 구성물질의 스티렌 등의 물질 용해로 인한 중량감소로 판단할 수 있다. 모든 보강근에 대한 포화흡습률과 포화에 도달한 노출일은 Table 4에 정리하였다.

ASTM D7957에 따르면, 포화흡습률은 1 %를 초과하지 않아야 한다. 두 GFRP 보강근의 평균포화 MAR은 Fig. 8과 같다. 전반적으로 GFRP B의 포화 MAR은 GFRP A에 비해 매우 큰 것으로 나타났다. GFRP B-G10-#1의 MAR은 1 %를 초과하여 기준을 만족하지 못하는 것으로 나타났다. 평균결과로는 보강근 종류에 상관없이 모든 보강근의 포화 MAR이 기준치인 1 %에 이르지 않는 것으로 확인되었다. 한편 포화일을 비교하며, GFRP A 보강근의 포화일은 대부분 70일을 초과하는데 반해 GFRP B 보강근은 이 보다 훨씬 단기에 포화에 이르게 되는 것을 확인할 수 있다.

정량적인 고찰을 위하여 단면적으로 나눈 균열길이에 따른 포화 MAR 결과를 Fig. 9에 나타내었다. 상관도는 0.21로 24시간 노출결과 분석에 비하여 다소 낮다. 그러나 단면적으로 나눈 균열길이가 클 때 흡습률도 증가하는 것을 알 수 있다. 결국은 제조중 발생하는 균열결함이 많을수록 흡습률이 증가한다는 것을 알 수 있다. GFRP B의 경우에는 MAR의 증가율이 GFRP A의 두배에 이르는 것을 볼 수 있다.

Fig. 6 Moisture absorption rate (MAR) according to immersion day for GFRP A

Fig. 7 Moisture absorption rate (MAR) according according to immersion day for GFRP B

Fig. 8 Moisture absorption rate (MAR) according to increasing immersion day for GFRP B

Fig. 9 Saturation Moisture absorption rate (MAR) comparison according to crack length/sectional area

Table 4 Moisture absorption rate and exposure days to saturation

GFRP rebar		G10		G13		G16		G19		G22		G25
		Rate (%)	Saturation (days)	Rate (%)	Saturation (days)	Rate (%)	Saturation (days)	Rate (%)	Saturation (days)	Rate (%)	Saturation (days)	Rate (%)	Saturation (days)
A	#1	0.53	28	0.30	77	0.21	70	0.60	70	0.39	77	-	-
	#2	0.50	77	0.46	77	0.24	70	0.50	42	0.48	63	-	-
	#3	0.61	70	0.31	70	0.23	70	0.61	77	0.40	70	-	-
B	#1	1.04	63	0.77	56	0.67	49	0.86	70	0.43	70	0.67	42
	#2	0.64	77	0.72	49	0.83	70	0.77	70	0.36	42	0.57	70
	#3	0.94	42	0.59	77	0.60	35	0.74	35	0.46	70	0.59	49

5. 제조상 발생 균열의 임계치

균열길이를 단면적으로 나눈 값에 따른 MAR의 추세분석결과로부터 24시간 및 포화시의 성능 기준인 흡습률 0.25 %와 1.0 %에 해당하는 균열길이/단면적을 평가할 수 있으며, 이를 임계균열길이(Critical crack length)라고 정의하였다. 상기 추세선 식의 y값이 각각 0.25 %와 1.0 %인 x값은 임계균열길이이며, 각 보강근의 결과는 Table 5와 같다. GFRP A의 임계균열길이는 GFRP B 보강근의 임계균열길이의 277배에 달하는 것을 볼 수 있다. 한편 포화의 경우에도 GFRP A 보강근의 임계균열길이는 GFRP B 보강근의 2.33배에 이른다. 균열결함은 GFRP B의 흡습률에 훨씬 더 가혹하게 작용한다는 것을 확인할 수 있다.

이와 같은 결과는 균열결함에 따른 흡습 성능이 보강근에 사용된 레진종류에 의존한다는 것을 알 수 있다. 즉, 에폭시 레진을 사용한 보강근이 비닐에스터 레진을 사용한 보강근에 비하여 훨씬 우수한 흡습성능을 보여준다. 에폭시 레진을 사용하는 경우에는 제조균열이 발생하더라도 ASTM D 7957의 흡습률 소요성능을 충분히 만족시킬 수 있지만 비닐에스터를 사용하는 경우에는 균열결함의 관리를 철저히 할 필요가 있다고 판단된다.

6. 결 론

국내에서 생산하고 있는 2개사의 GFRP 보강근에 발생한 균열결함이 흡습률에 미치는 영향에 대한 실험적 연구를 수행하였다. GFRP 보강근은 각각 에폭시와 비닐에스터를 매트릭스로 사용한 제품이다. 제조상에서 발생한 균열은 사전조사를 통해 정량화하였다. 실험연구를 통해 획득한 결론은 다음과 같다.

1) GFRP 보강근의 제조 시에 공극 및 균열등 다양한 제조상 결함이 발생하는 것을 확인하였다. 그중 균열결함에 대한 정량적 분석 결과, 모든 보강근에서 0.2 mm 이상의 균열결함이 관찰되었다. 균열결함은 보강근의 직경, 레진의 종류에 상관없이 매우 무작위로 발생하였다. 0.2 mm 이상의 폭을 갖는 균열의 총 길이는 보강근 마다 최소 3 mm에서 최대 45 mm에 이르는 것으로 조사되었다.

2) 에폭시를 사용한 GFRP 보강근의 24시간 흡습률 결과는 ASTM D 7957에서 규정하고 있는 기준치 0.25 % 이내에 있어 모두 기준을 만족하지만, 비닐에스터를 사용한 GFRP 보강근은 기준치에 육박하거나 일부 직경에서는 기준치 이상의 흡습률을 나타내는 등 기준을 만족시키지 못하는 것으로 확인되었다. 그러나 포화흡습률 평균결과는 레진종류에 상관없이 1.00 % 이내에 있는 것으로 확인되었다. 비닐에스터를 사용한 보강근 중 오직 한 개의 시편만 포화흡습률이 1 %를 초과하였다.

3) 각 보강근에 발생한 균열결함을 각 보강근의 직경으로 나눈 단면적당 균열결함길이에 따른 흡습률의 분석결과, 균열결함의 증가에 따른 24시간 및 포화흡습률의 증가는 더욱 명확하게 확인되었다. 다만, 흡습률의 증가율은 레진의 종류에 따라 큰 차이를 나타내었는데, 24시간 흡습률의 결과에서는 에폭시에 비하여 비닐에스터일 때 증가율이 58배, 포화흡습률의 결과에서는 증가율이 2배에 달하는 것으로 확인되었다. 즉, 균열결함이 흡습률에 미치는 영향은 비닐에스터를 사용한 보강근에 대하여 훨씬 가혹하다는 것을 확인할 수 있다. 따라서 비닐에스터를 사용한 GFRP 보강근의 제조결함의 관리가 매우 중요하다는 것을 확인할 수 있다.