1.1 KS F ISO 10406-1

KS F ISO 10406-1 규준은 2017년에 제정된 콘크리트용 섬유강화폴리머(FRP) 보강재 시험방법에 대한 규준이며 FRP 보강근, 격자, 프리스트레싱용 텐돈에 대한 인장 특성을 평가하기 위한 규준을 제시하고 있다. 이 규준에서는 보강근 양 끝에 시편의 형상에 적합하고 인장력을 전달할 수 있는 정착부를 설치하도록 권장하고 있다. 시편의 전체길이는 자유길이에 정착부 길이의 2배를 더한 길이로 규정하고 있으며, 시험 속도는 시험 시작 후 5분 이내에 파단이 발생하도록 결정해야 한다.

KS 규준에서는 최대 인장력의 20 %와 50 % 사이 구간에서 발생하는 변형률 차이를 이용하여 탄성계수를 계산하도록 규정한다. 또한, 최대 인장력을 기준으로 평균값에서 10 % 이상 벗어나는 결과값은 제외하고 사용하는 보정방식을 채택한다. KS 규준에서는 인장강도 계산식을 식 (1), 탄성계수 계산식을 식 (2)와 같이 제시하고 있다.

여기서, $f_{u}$는 인장강도, $F_{u}$는 최대 인장력(N) $E$는 탄성계수, $\triangle F$는 최대 인장력의 20 %와 50 %에서의 하중 차이(N), $\triangle\varepsilon$는 $\triangle F$에서의 변형률 차이이며 $A$는 보강근의 단면적(mm²)이다.

1.2 FRP 보강근 구조설계지침^{(KCI 2019)}

FRP 보강근 구조설계지침^{(KCI 2019)}는 ACI 440.1R-15를 기반으로 하여 설계인장강도와 설계극한변형률 계산식을 제공하며, 설계에 사용되는 보장인장강도와 보장극한변형률의 신뢰성을 확보하는 것을 목표로 한다. 설계인장강도를 구하기 위해 필요한 보장인장강도 계산식은 식 (3), 보장극한변형률 계산식은 식 (4)와 같이 제시하고 있다.

여기서, $f_{fu}^{*}$는 FRP 보강근의 보장인장강도, $f_{u,\: ave}$는 시험으로 구한 FRP 보강근의 평균인장강도, $\epsilon_{fu}^{*}$는 보장극한변형률, $\epsilon_{u,\: ave}$는 시험으로 구한 평균변형률, $\sigma$는 각각의 표준편차이다.

이에 본 연구에서는 고온 환경에서 CFRP 보강근의 인장강도 실험을 수행하고, KS 규준과 KCI 지침에 따른 탄성계수와 인장강도, 보장인장강도, 보장극한변형률을 계산하였다. 또한, 데이터의 변동성 및 결과값을 분석하여 KS 규준이 상온 및 고온환경에서 FRP 보강근의 성능을 얼마나 신뢰성 있게 반영하는지 검토하고자 한다.

2.1 탄소섬유 보강근

본 연구에서 사용된 탄소섬유 보강근은 H사의 탄소섬유 H2550-24K와 K사의 에폭시 KER 828 제품을 사용하여 인발성형 방식으로 생산되었으며 보강근 표면에는 유리섬유가 감겨져 있다. 탄소섬유 보강근의 지름은 13 mm이며 Fig. 1에 탄소섬유 보강근을 나타내었다. 보강근의 열적 성능을 파악하기 위해 DSC(Differential Scanning Calorimetry) 분석을 수행하였으며 유리전이온도($T_{g}$) 및 수지분해온도($T_{d}$), 보강근의 제원을 포함한 결과는 Table 1에 나타내었다. 국내 FRP 보강근 구조설계지침에서 제시하는 최소 섬유 함유율 55 %와 최소 유리전이온도 100 °C를 만족하는 것을 확인하였다.

Fig. 1 Carbon fiber reinforced polymer (CFRP) rebar specimen

2.2 시편 상세

인장강도 시험 시편은 KS F ISO 10406-1 규준에 의거하여 제작하였다. 자유길이는 500 mm로 결정했으며, 그립부에서의 슬립을 방지하기 위해 보강근 양 끝에 길이 700 mm, 외경 34 mm, 두께 4.5 mm 강관을 고강도 무수축 그라우트로 채워 Fig. 2와 같이 제작하였다.

Fig. 2 Details of the tensile specimen

2.3 실험 방법

고온 환경은 탄소섬유 보강근 중앙부에 용량 4.2 kW의 200 mm 가열부를 가진 전기로를 설치하여 조성하였다. 온도 노출시간을 일정하게 유지하기 위해 전기로를 먼저 목표 온도까지 가열한 후 시편 중앙부에 설치하였다. 그 후 30분간 목표 온도를 유지한 다음 가열 중인 상태에서 인장강도 시험을 진행하였다.

변위 측정은 시편의 자유길이 양 끝에 지그를 설치하여 LVDT(linear variable differential transducer) 2개로 측정하였다. 하중은 KS 규준에서 요구하는 5분 내 파단과 분당 0.5 %~ 1.5 %의 변형률을 만족시키기 위해 1,200 kN 용량의 UTM을 사용하여 변위제어 방식으로 5 mm/min의 속도로 재하하였다. 고온 시험 전경과 모식도는 Fig. 3에 나타내었다. Fig. 3(a)는 UTM에 시편을 고정한 뒤 전기로를 설치하여 가열 중인 모습이다. Fig. 3(b)는 가열 구간과 LVDT 설치 상태를 모식도로 나타내었다.

Table 2에 실험 온도별 시편의 개수를 정리하였다. 실험은 25 °C(상온)에서 250 °C까지는 시편을 5개씩 사용하였으며, 375 °C에서는 시편을 3개 사용하여 수행하였다. 시편의 ID는 ‘25 °C-1’ 형태로 나타내었으며, 여기서 ‘25 °C’는 실험 온도, ‘1’은 시편의 번호를 의미한다.

Fig. 3 Test setup for carbon fiber reinforced polymer (CFRP) rebar at elevated temperature

3.1 온도별 파단 양상

고온 환경에서 수행된 인장강도 실험 결과, 18개 모든 시편이 자유길이 500 mm 내에서 파단이 발생하였다. Fig. 4에 온도 조건에 따른 시험 후 파단 양상을 나타냈다.

Fig. 4(a)와 Fig. 4(b)에서는 유리섬유로 구성된 리브가 먼저 파괴된 후 보강근이 파단되는 양상이 관찰되었다. Fig. 4(c)에서는 수지가 유리전이온도($T_{g}$)를 초과하면서 수지가 고무 상태로 변해 시편의 변형이 발생하는 파단 양상이 나타났다. Fig. 4(d)에서는 수지분해온도($T_{d}$)를 초과하면서 섬유의 풀어짐으로 인한 파단 양상이 나타났다.

이는 일정 온도 이하에서 보강근의 섬유 파단이 발생하여 고온에 노출되면 수지의 연화로 인해 섬유 간 결합력이 약화되고 응력 전달 능력이 감소하여 점성적인 파괴가 발생한다는 기존 연구 결과^{(Bazli and Abolfazli 2020; Wu et al. 2023)}와 일치한다. 이러한 결과를 통해 탄소섬유 보강근의 파단 양상은 온도 증가에 따라 섬유 파단, 수지의 연화로 인한 변형 파단, 섬유의 풀어짐 순으로 변화하며, 기존 연구와 유사한 경향을 보이는 것을 확인할 수 있다.

Fig. 4 Failure mode by temperature

3.2 인장강도 및 극한변형률

보장인장강도 및 보장극한변형률은 Table 3에 나타내었으며, 인장강도 및 극한변형률은 Tables 4, 5에 나타내었다. 25 °C-2 시편의 경우 인장강도가 1579.8 MPa로 측정되어 평균값에서 11.5 %의 차이가 발생하였으며, 이는 KS 규준 계산방식에 따라 제외하고 나머지 4개의 값으로 인장강도와 탄성계수, 극한변형률을 계산하였다.

탄소섬유 보강근의 25 °C에서 평균 인장강도는 1835.6 MPa로 측정되었으며, 250 °C까지는 강도의 저하가 거의 나타나지 않았으나, 375 °C에서 급격히 감소하는 양상을 보였다. 100 °C에서는 인장강도가 미세하게 증가하였고, 이는 임계온도 이하에서 열 노출로 인해 발생한 post-curing 효과로 인해 수지가 추가로 경화되어 강도가 증가한 결과로 판단된다^{(Moon 2013; Spagnuolo et al. 2018)}. 250 °C까지는 극한변형률이 증가하였는데, 이는 수지가 유리전이온도($T_{g}$) 근처에 도달하면서 Fig. 4(c)와 같이 고무 상태로 변화하여 섬유와 수지 간 결합이 약화되고, 더 큰 변형을 허용하게 되어 변형률이 증가한 결과로 판단된다. 375 °C에서는 인장강도가 급격히 저하되어 1038.9 MPa로 상온 대비 43.4 % 감소하였다. 이는 300 °C를 초과하면서 수지분해온도($T_{d}$)에 도달하여 수지가 연화 및 분해됨에 따라 응력 전달 능력이 저하된 결과로 판단된다.

설계에 사용되는 보장인장강도 및 보장극한변형률은 25 °C서의 값이 100 °C, 150 °C에 비해 다소 낮게 계산되었다. 이는 상온에서 인장강도의 데이터 변동성이 상대적으로 크다는 것을 의미하며, 추후 연구에서 시편 개수를 늘려 데이터의 변동성을 줄일 경우 보장인장강도 및 보장극한변형률 값을 향상 시킬 수 있을 것으로 판단된다.

3.3 탄성계수

온도별 응력-변형률 그래프와 탄성계수 산정구간은 Fig. 5, 온도에 따른 탄성계수 변화는 Table 6, Fig. 6에 나타내었다. KS 규준에서 탄성계수 산정구간은 최대 인장력의 20 %와 50 %로 산정하므로 온도 조건마다 탄성계수 산정구간 구간이 다르게 결정되었다. 탄성계수 평균값은 상온(25 °C)에서 107.3 GPa로 산정되었다. 250 °C까지 탄성계수가 점차 감소하다가 375 °C에서는 탄성계수 증가하는 경향을 나타내었다.

375 °C에서 탄성계수가 증가하는 원인은 섬유 복합재료의 인장 특성이 섬유에 의해 지배되며, 수지 연화와 분해가 탄성계수에 미치는 영향이 감소한다는 ^{Zhang et al. (2021)}의 연구와 관련이 있다. 이는 초기 온도 구간에서는 수지의 연화로 인해 탄성계수가 감소하였으나, 300 °C 이상의 고온 구간에서는 수지가 분해되며 하중 전달에 미치는 영향이 줄어들고, 탄소섬유가 주요 하중을 지탱하게 되면서 탄성계수가 상대적으로 증가한 것으로 분석된다. 추후 더 높은 온도에서도 실험을 수행하여 탄성계수의 변화를 확인할 필요가 있다.

KS 규준으로 계산된 탄성계수의 변동계수(CV)는 1.7 %에서 18.9 %까지 증가하는 경향을 보였다. 변동계수의 증가 원인은 상온 및 유리전이 온도와 수지분해온도 근처에서 수행된 탄소섬유 보강근의 응력-변형률 곡선에서 전이점이 발생한 것과 관련이 있다. 25 °C, 250 °C에서 전이점 발생구간이 탄성계수 산정구간에 포함되어 변동계수가 높게 측정된 것으로 판단된다. 높은 변동계수는 일정 온도에서 탄성계수 계산식 적용에 한계를 보여준다. 이를 보완하기 위해 KS 규준에 고온 환경을 고려한 보정방식을 도입할 필요가 있다고 판단된다.

Fig. 5 Stress–strain curve

Fig. 6 Variation curve of elastic modulus with temperature

3.4 신뢰성 검토

본 연구에서는 총 18개의 시편을 실험하였으나, 실험 결과가 전체 탄소섬유 보강근의 물성을 대표한다고 단정하기 어렵다. 또한, KS 규준이 탄소섬유 보강근의 고온 환경에서의 성능을 적절히 반영하는지 검증할 필요가 있다. 이에 따라, 본 연구에서는 신뢰성 검토를 통해 실험 데이터의 통계적 유효성을 평가하고, 오차 범위에 따른 최소 실험 개수를 산정하였다. ^{Kocaoz et al. (2005)}는 유리섬유 보강근의 인장 실험을 통해 신뢰성 평가식을 식 (5)와 같이 제시하였으며, 다양한 신뢰 수준에서 필요한 실험 개수를 결정하였다. 본 연구에서도 동일한 접근법을 적용하여 탄소섬유 보강근에 대한 신뢰성 평가를 수행하고, KS 규준의 고온 환경 적용성을 검토하여 Table 7에 나타내었다.

여기서, $n$은 필요한 시험 횟수, $d$는 평균 강도 추정치에 대한 최대 허용 오차, $z_{p}$는 표준정규분포에서 100×$p$번째 백분위의 값, $\sigma$는 표준편차이다.

본 연구에서는 최소 허용 오차를 표준편차의 10 %로, 최대 허용 오차를 그 3배로 결정하였다. 신뢰도 평가 결과, 인장강도는 25 °C에서 신뢰도가 상대적으로 낮게 나타났다. 반면, 100 °C 이상의 고온 환경에서는 최대 허용 오차 30 MPa 이내에서 95 %의 신뢰도를 제공하는 것으로 분석된다. 탄성계수도 25 °C에서 신뢰도가 상대적으로 낮게 나타났으며, 250 °C를 제외한 고온에서는 2 GPa 오차 이내에서 97 % 이상의 신뢰도를 제공하는 것으로 분석된다.

3.5 잔존 강도율 비교 및 SEM 분석

온도에 따른 강도 저하 곡선은 Fig. 7에 나타내었다. 선행 연구^{(Wang et al. 2007; Ashrafi et al. 2017; Hamad et al. 2017; Zhou et al. 2019)}에서는 200 °C를 초과하면서 잔존 강도율이 80 % 이하로 점진적으로 감소하는 경향을 보였으나, 본 연구에서 수행한 보강근은 300 °C를 초과한 이후 급격한 강도 감소가 나타났다. 이는 본 연구에서 사용한 보강근의 지름이 선행 연구에서 사용된 보강근의 지름보다 크기 때문으로 판단된다. 지름이 클수록 내부 수지가 높은 온도에서도 비교적 안정적으로 유지될 가능성이 커지며, 이는 수지의 열분해가 지연되는 효과를 초래할 수 있다. 따라서, 본 연구에서 실험한 보강근은 초기 고온 구간에서 선행 연구보다 잔존 강도가 높게 유지되었으나, 일정 온도를 초과한 후 수지의 급격한 분해로 강도 감소가 발생한 것으로 해석된다.

실험 후 탄소섬유 보강근 시편의 중앙부를 1,500 배율로 SEM (Scanning Electron Microscope) 분석한 결과를 Fig. 8에 나타내었다. Fig. 8(a)는 상온 시편으로 수지가 존재하는 모습을 확인할 수 있다. Fig. 8(b)와 Fig. 8(c)에서는 실험 후에도 일부 수지가 잔류하는 모습을 보였으며, 이는 해당 온도 구간에서 수지가 완전히 분해되지 않고 부분적으로 유지되었음을 의미한다. 반면, Fig. 8(d)에서는 대부분의 수지가 연소되어 탄소섬유만 남아 있는 상태가 관찰되었다. FRP 보강근의 인장 성능은 수지의 역할에 영향을 받으므로, 250 °C 이하에서는 남아 있는 수지가 변동계수 증가 및 응력-변형률 그래프의 전이점 발생에 영향을 준 것으로 판단된다.

Fig. 7 Comparison of tensile strength

Fig. 8 Scanning electron microscopy (SEM) images of carbon fiber reinforced polymer (CFRP) specimens (x1,500)