Journal Search Engine
Search Advanced Search Adode Reader(link)
Download PDF Export Citaion korean bibliography PMC previewer
ISSN : 2093-5145(Print)
ISSN : 2288-0232(Online)
Journal of the Korean Society for Advanced Composite Structures Vol.8 No.3 pp.23-29
DOI : https://doi.org/10.11004/kosacs.2017.8.3.023

An Experimental Study for Evaluation of FRP Hybrid Bar’s Corrosion Behavior Exposed to Salt Water

Ki-Tae Park
1, Dong-Woo Seo
2, Byung-Cheol Kim3, Joon-Seok Park
4, Seung-Tae Lee5
1Research Fellow, Structural Engineering Research Institute, Gyeonggi-Do, Korea
2Senior Researcher, Structural Engineering Research Institute, Gyeonggi-Do, Korea
3Research Specialist, Structural Engineering Research Institute, Gyeonggi-Do, Korea
4Post Doc, Structural Engineering Research Institute, Gyeonggi-Do, Korea
5Professor, Civil Engineering Dept, Kunsan National Univ, Junla-buk-Do, Korea
Corresponding author: Park, Ki-Tae Structural Engineering Research Institute, KICT, Daehwa-dong 283, Goyangdae-ro, Goyang-Si, Gyeonggi-do, 10223, Korea. +82-31-910-0134, +82-31-910-0121, ktpark@kict.re.kr
May 26, 2017 September 2, 2017 September 14, 2017

Abstract

Fiber reinforced polymer (FRP) reinforcing bars for concrete structure have been extensively investigated and a number of FRP bars are commercially available. However, major shortcoming of the existing FRP bars is low elastic modulus compared to conventional steel bars. Because of these reasons, FRP Hybrid Bar which have the concept of material hybridization(synthetic resins, deformed bar, glass fiber etc) for concrete structures have been developed. One of main features of this bar is corrosion resistance and this is important to confirm this anti-corrosion capacity of FRP Hybrid Bar. In this study, galvanic corrosion current behavior of 3 types of specimens, including two types of FRP Hybrid Bars and one conventional steel rebar, was investigated under the 0%, 1.5%, 3% and 6% salt water ratio condition. The result of this study can be used to evaluate the applicability of FRP Hybrid Bar to concrete structures.


염수용액에 노출된 FRP Hybrid Bar의 부식거동 평가를 위한 실험적 연구

박 기태
1, 서 동우
2, 김 병철3, 박 준석
4, 이 승태5
1한국건설기술연구원 구조융합연구소 연구위원, 공학박사
2한국건설기술연구원 구조융합연구소 수석연구원, 공학박사
3한국건설기술연구원 구조융합연구소 전임연구원, 공학박사
4한국건설기술연구원 구조융합연구소 박사후연구원, 공학박사
5군산대학교 토목공학과 교수, 공학박사

초록


    Korea Institute of Construction Technology

    1.서 론

    우리나라 주요 인프라 시설의 대표적인 형태인 철근 콘크리트 구조물은 다양한 부식 환경에 노출되어 철 근 부식이 발생한다. 이로 인해 콘크리트 구조물의 수명은 단축되고, 잦은 유지보수가 요구되며 그에 따 른 많은 비용이 발생하게 된다. 또한 철근 부식으로 인한 단면 손실은 내하력 감소, 부착력 저하 등의 구 조물 안전성에 영향을 준다. 국외의 경우 일본, 유럽, 캐나다, 미국 등을 중심으로 철근부식을 방지하기 위 한 다양한 연구(ACI, 1996)되고 있으며, 이에 대한 대 안으로 강력히 대두되고 있는 것이 FRP 복합재료를 활용하는 것이다.

    현재 복합재료를 활용하여 제품으로 개발하여 시 판되고 있는 FRP Bar는 여러 가지 형태가 있다. 대 표적인 제품으로서 1990년대 후반에 개발된 제품이고 캐나다에서 개발되어 시판 중인 V⋅ROD는 열경화성 수지로 제작되고 있으며, ASLAN은 미국에서 개발되 어 시판 중인 GRFP Bar이다.

    국내에서는 한국건설기술연구원(KICT, 2006)에서 철근과 유사한 형태를 가진 유리섬유강화폴리머 (Glass fiber polymer, GFRP) 보강근을 개발하였으 며, FRP Hybrid Bar의 역학 성능에 대한 실험과 연 구(You et al., 2015)(You et al., 2014)(Hwang et al., 2014)는 선행연구에서 수행되었다. FRP Hybrid Bar 와 관련하여 개요 및 제작방법을 포함한 수지 경화속 도에 따른 적정 배합비 산출을 위한 실험적 연구를 수행한 바 있다(Park, et al., 2016).

    본 연구에서 다루고 있는 FRP Hybrid Bar는 Fig. 1과 같이 합성수지와 이형철근, 유리섬유로 구성 된 복합 구조체이며, 기존 철근에 유리섬유(GFRP)로 피복된 형태이다. 이형철근은 기존의 철근과 동일한 제품을 사용하였으며, 다양한 직경을 이용하여 제작할 수 있다. 철근을 감싸고 있는 유리섬유는 높은 비강 도, 뛰어난 내부식성, 비자기성 등 많은 장점을 가지 고 있는 재료이다. 하지만 소성거동을 보이는 강재와 는 달리 취성적으로 파괴되고 탄성계수가 철근의 1/4 정도로 낮은 재료특성 때문에 건설 구조물에서 소극 적으로 활용되고 있다. 이러한 단점은 강재를 혼합함 으로써 개선할 수 있으며, 기존의 이형철근을 감싸는 형태로 제작하여 높은 인장강도를 확보할 수 있다.

    FRP Hybrid Bar의 제작 순서는 Fig. 2와 같으며, 상세 공정은 다음과 같다.

    먼저 유리섬유를 수지에 함침시키고, 섬유와 합성 되는 재료를 노즐에 통과시켜 심재를 형성시킨다. 노 즐을 통과한 심재의 외부에 돌기사를 감아 돌기를 형 성시키고, 피복 섬유를 직조하여 피복을 형성시키는 데, 섬유를 직조하는 방식은 Ko et al. (1997)이 제안 한 브레이드트루젼(Braidtrusion) 공정을 개선한 방식 을 적용한다. 이러한 브레이딩 공정을 통하여 강화섬 유다발과 돌기를 형성하는 섬유에 장력이 도입되는데, 이는 섬유다발을 일정한 배열상태로 만들고 공극을 감소시키는 역할을 한다. 그 후 피복된 FRP hybrid Bar를 온도 90∼110℃의 열관에 통과시키는 경화공정 을 거쳐서 제품이 완성된다(You et al., 2015).

    본 연구에서는 FRP Hybrid Bar의 부식 저항성을 확인하기 위하여 일반철근과 FRP Hybrid Bar(I type, L-type) 등 총 3종류의 철근을 콘크리트에 매 립하여 갈바닉 부식전류 거동을 측정하였고, 이로부터 FRP Hybrid Bar의 부식성능과 관련한 콘크리트 구 조물 적용성을 평가하기 위한 기초자료를 제시하고자 하였다. 이때 콘크리트는 해사 사용 콘크리트를 모사 하기 위하여 염화물량이 시멘트 중량에 대하여 0%, 1.5%, 3% 및 6%인 염화물 선혼입 콘크리트를 제조 하여 해당 철근을 매립한 후 주기별로 자연전위를 측 정하여 상호 비교하고자 하였다.

    2.실험개요

    2.1.사용재료

    2.1.1.시멘트

    본 연구에 사용된 시멘트는 KS L 5201 규정에 적합 한 보통포틀랜드시멘트(이하 OPC라 약함)와 고로슬 래그미분말(이하 SG로 약함)이며, 화학성분 및 물리 적 성질은 Table 1과 같다.

    2.1.2.골재

    골재는 경기도 양주지역에서 생산되는 굵은 골재 및 잔골재를 사용 하였으며, 굵은 골재의 경우 최대골재 크기(Gmax)가 13mm이하인 것을 사용하였다. Table 2는 굵은 골재 및 잔골재의 물리적 성질을 나타내고 있다.

    2.1.3.화학혼화제

    본 연구에서 사용된 혼화재료는 코팅재의 성능 및 작 업 환경을 조절하기 위하여 국내 E사의 폴리카르본산 계인 유동화제(이하 SP라 약함)을 사용하였다(Table 3 참조).

    2.1.4.철근

    철근의 부식성능을 고찰하기 위하여 사용한 철근은 Fig. 3과 같이 일반 이형철근(D13)및 FRP Hybrid Bar (FHB) 6종 등 총 7종을 사용하였다.

    본 연구에서 장기부식거동을 평가하기 위해 사용 된 철근은 Fig. 3 (Series I)과 같이 이형철근 매립 위치가 다른 2종류의 FHB를 사용하였다. 또한, 초기 부식거동을 평가하기 위하여 Fig. 4 (Series II)에서와 같이 이형철근, I type FHB 및 L type FHB를 사용 하였다.

    2.2.콘크리트 배합

    본 연구에서 콘크리트 배합은 물, 결합재, 골재의 비 를 일정하게 두어 결합재 이외의 인자들에 의한 콘크 리트의 기초물성, 염소이온의 침투특성 및 콘크리트 내 철근부식에 대한 영향을 최소화하였다. 본 실험에 사용된 콘크리트의 배합은 다음 Table 4와 같다. 또 한 Table 5와 같이 콘크리트 공시체의 부식촉진실험 조건에 맞추어 3일 습윤, 4일 건조로 1 사이클로 주 기적으로 부식을 측정하였다.

    2.3.실험방법

    반전지 전위법(ASTM C 876)은 콘크리트 표면에 기 준 전극을 접촉하여 철근과의 전압차를 측정하는 방 법으로, 콘크리트 표면 위를 움직이면서 부식이 일어 난 지점을 찾을 수 있는 방법이다(Fig. 5 참조). 기준 전극으로는 황산동 전극을 사용하였으며 -350mV를 기준으로 부식 여부를 판단하였다. 콘크리트 고유 물 성에 의한 영향을 최소화하기 위하여 측정 전 30분동 안 시편을 습윤 상태로 유지시켰다. 그러나 이 방법 은 콘크리트의 함수량, 철근 주위의 산소량, 미세 균 열 등에 의해 많은 영향을 받는 단점을 가지고 있다. 부식 전위 기준은 Table 6에 나타내었으며 ASTM 기준을 준용하여 수행하였다.

    3.실험 결과

    3.1.Series I

    콘크리트에 매립된 이형철근의 60사이클까지의 자연 전위를 염화물량별로 비교하여 Fig. 6에 나타내었다. Fig. 6에서 알 수 있듯이 이형철근의 자연전위는 염 화량에 따라 다르게 나타났으며, 염화량 0%일 때, 이 형철근의 자연전위가 60사이클까지 대부분 활성 영역 의 자연전위를 나타내지 않는 것으로 확인되었다. 한 편, 염화량의 증가에 따라 이형철근의 자연전위는 활 성 영역의 값으로 나타남으로써, 부식이 촉진되는 것 으로 나타났으며, 콘크리트에 혼입된 염화량이 많을수 록 부식이 활성화되는 것으로 조사되었다. 한편, Fig. 7 및 Fig. 8은 중앙 및 측면에 매립된 이형철근을 가진 FHB의 60사이클까지의 자연전위를 염화량에 따라 비 교하여 나타낸 것이다. Fig. 7에서 나타나듯이 염화량 및 이형철근의 매립위치에 관계없이 FHB의 자연전위는 대체적으로 안정된 값을 나타냄을 확인할 수 있었다.

    Fig. 9는 염화량 6.0% 경우의 이형철근 및 FHB 의 자연전위를 상호 비교하여 나타낸 것으로써, FHB 의 자연전위는 이형철근과 비교하여 우수한 부식저항 성을 나타내었다. 따라서, FHB의 자연전위를 고려하 여 판단해 볼 때, 철근의 매립위치는 부식에 크게 영 향을 미치지 않는 것으로 확인되었다.

    3.2.Series II

    3.2.1.염화량의 영향

    일반적으로 금속의 자연전위란 금속이 존재하는 환경 속에서 유지하고 있는 전위를 말하며, 부식의 양극반 응과 음극반응에 의한 전위의 분극으로부터 결정된다. 따라서, 자연전위는 환경이나 철근의 상황에 따라 변 화하며 기본적으로 이러한 전위의 변화로부터 철근의 부식성을 판정하기 위해서는 반전지와 전위차계를 이 용하여 측정되는 값으로 부식을 정성적으로 판단할 수 있다.

    Fig. 10은 염화량이 상이한 OPC 콘크리트에 매립 된 이형철근의 자연전위 측정결과를 나타낸 것이다. Fig. 10에서 알 수 있듯이 콘크리트 보강 이형철근의 자연전위는 콘크리트에 포함된 염화량에 따라 다르게 나타났으며, 염화물 0%경우의 OPC 콘크리트에 매립 된 이형철근의 자연전위가 초기 사이클까지는 부동태 영역의 값을 나타냈으나 장기로 갈수록 활성영역 값 을 나타낸 것을 확인하였다. 한편, 염화량의 증가에 따라 이형철근의 자연전위는 활성영역의 값으로 나타 남으로써, 부식이 촉진되는 것으로 조사되었다. 이러 한 경향은 염화물량이 높을수록 자연전위가 크게 나 타나는 것으로 관찰되었다.

    염화량이 상이한 SGC 콘크리트에 매입된 이형철 근의 자연전위 측정결과를 Fig. 11에 나타냈다. SGC 콘크리트 중 철근의 자연전위는 OPC 콘크리트와 마 찬가지로 염화물량에 따라 다르게 나타났다. 그러나, 염화물 0%의 SGC 콘크리트에 매립된 이형철근의 자 연전위는 58사이클까지 활성태영역의 값을 나타내는 것을 확인하였다. 한편, 염화물량의 증가에 따라 이형 철근의 자연전위는 활성영역의 값으로 나타남으로써, 부식이 촉진되는 것으로 조사되었다. 이러한 경향은 염화량이 높을수록 자연전위가 크게 나타나는 것으로 판단된다.

    아래의 Fig. 12는 OPC 콘크리트에 매립된 FHB 의 자연전위를 염화량에 따라 비교하여 나타낸 것이 다. 염화량 및 사이클에 관계없이 FHB의 자연전위는 부동태 영역의 값을 나타내었으며, 이형철근의 자연전 위에 비하여 매우 안정된 부식전위 거동을 나타내었 다. 한편, Fig. 13에 SGC 콘크리트에 매립된 I형 FHB의 자연전위를 염화물량별로 비교하여 나타냈으 며, 자연전위 경향이 Fig. 12와 유사하게 나타남을 알 수 있었다. 따라서, I형 FHB의 자연전위를 고려하여 판단해 볼 때, 콘크리트 종류에 관계없이 양단 코팅 처리된 I형 FHB는 콘크리트에 매립되는 철근부식에 우수한 저항성을 나타내는 것으로 확인되었다. 이는 이형철근을 둘러싼 수지가 부식인자의 침투를 효과적 으로 감소시켰기 때문으로 판단되며, FHB의 부식특 성을 평가하기 위해서는 보다 장기재령에서 부식거동 을 고찰할 필요가 있는 것으로 판단된다.

    한편, OPC 및 SGC 콘크리트에 매립된 L형 FHB 의 자연전위 측정결과를 각각 Fig. 14 및 Fig. 15에 각각 나타내었다. Fig. 14는 염화물이 혼입된 OPC 콘 크리트에 매립된 L형 FHB의 자연전위를 나타낸 것 으로써, 염화물 함량이 높은 콘크리트(3.0% 및 6.0%) 에 매립된 FHB의 자연전위가 대체적으로 부식 활성 영역인 것으로 조사되었다. FHB의 절곡부분에 발생 한 균열부분에 부식인자가 침투하여 강선의 부식이 발생한 것으로 판단되며, 이러한 경향은 염화물 함량 이 높을수록 빠른 부식개시를 초래한 것으로 판단된 다. Fig. 15에는 염화물이 혼입된 SGC 콘크리트에 매립된 L형 FHB의 자연전위를 나타내었으며, 염화물 함량이 3.0% 이상일 경우의 콘크리트 보강 FHB의 자연전위가 불활성영역의 높은 값으로 나타남을 알 수 있었다.

    3.2.2.균열보수의 영향

    Fig. 16 및 Fig. 17은 염화물이 6.0%인 L형 FHB의 절곡부 보수유무에 따른 자연전위를 비교하여 나타낸 것이다. Fig. 16에서 OPC 콘크리트에 매립된 균열보 수 FHB의 자연전위가 대체적으로 -200 mV∼-303 mV의 값을 나타낸 반면, 균열 미보수 FHB의 자연전 위는 –400mV 이하의 값을 나타내는 것으로 조사되 었다. 또한, 염화물량이 6.0%인 SGC 콘크리트 보강 FHB의 자연전위도 OPC 콘크리트와 유사한 경향을 나타내었다.

    실험결과로부터 알 수 있듯이 경화성 수지를 사용 하여 강선을 보호하고 있는 FHB의 자연전위는 강선 을 보호하는 수지에 결합이 없다면 대체적으로 불활 성영역의 값을 나타내어 부식에 안정한 경향을 나타 냄을 확인할 수 있었다. 따라서, 해양 콘크리트 구조 물용 대체철근으로써, FHB는 방식측면에서 매우 우 수한 성능을 나타냄을 알 수 있으며, 부착성능, 탄성 계수 등 철근의 역학적 특성이 개선된다면 우수한 해 양철근용 소재로 적용할 수 있을 것으로 판단된다.

    4.결 론

    본 연구에서는 FRP Hybrid Bar를 0∼6.0%의 염화물 을 선혼입하여 콘크리트를 제조하고, 일반철근 및 FRP Hybrid Bar를 매립시켜 주기적으로 자연전위를 측정하였으며, 그 결과는 다음과 같다.

    • 1) 일반철근의 경우, 염화물량의 증가에 따라 자 연전위가 활성영역의 값을 나타내므로 부식이 촉진되는 것으로 나타났고, 콘크리트 선혼입 염화물량이 많을수록 부식이 활성화되는 것으 로 나타났다.

    • 2) 반면 FRP Hybrid Bar는 강선의 매립위치 또 는 염화물량의 증가 수준과는 무관하게 부식저 항성이 매우 우수한 것으로 나타났다.

    • 3) 위의 결과를 고려할 때, FRP Hybrid Bar는 방식 측면에서 매우 우수한 성능을 나타내고 있음을 알 수 있으며, 탄성계수 등 철근의 역 학적 성능이 개선된다면 우수한 해양철근용 소재로 적용할 수 있을 것으로 사료된다.

    ACKNOWLEDGMENT

    본 연구는 한국건설기술연구원의 주요사업인 “FRP Hybrid Bar를 활용한 해양항만구조물 수명 향상기술 개발” 과제를 통해 수행되었으며 이에 감사드립니다.

    Figure

    KOSACS-8-23_F1.gif
    Cross-sectional Shape of FRP Hybrid Bar
    KOSACS-8-23_F2.gif
    Step-by-step production process
    KOSACS-8-23_F3.gif
    Types of reinforcing bars for long-term corrosion test (Series I)
    KOSACS-8-23_F4.gif
    Types of reinforcing bars for long-term corrosion test (Series II)
    KOSACS-8-23_F5.gif
    Half-cell Potential Method
    KOSACS-8-23_F6.gif
    Influence of mix chloride of deformed re-bars
    KOSACS-8-23_F7.gif
    Influence of mix chloride of center position FHB
    KOSACS-8-23_F8.gif
    Influence of mix chloride of side position FHB
    KOSACS-8-23_F9.gif
    Comparison of natural potential of rebar and FHB (Chloride 6%)
    KOSACS-8-23_F10.gif
    Influence of mix chloride of OPC concrete reinforced rebar
    KOSACS-8-23_F11.gif
    Influence of mix chloride of SGC concrete reinforced rebar
    KOSACS-8-23_F12.gif
    Influence of mix chloride of OPC concrete reinforced FHB
    KOSACS-8-23_F13.gif
    Influence of mix chloride of SGC concrete reinforced FHB
    KOSACS-8-23_F14.gif
    Influence of mix chloride of OPC concrete reinforced L type FHB
    KOSACS-8-23_F15.gif
    Influence of mix chloride of SGC concrete reinforced L type FHB
    KOSACS-8-23_F16.gif
    Influence of crack repair of OPC concrete reinforced L type FHB (Chloride 6%)
    KOSACS-8-23_F17.gif
    Influence of crack repair of SGC concrete reinforced L type FHB (Chloride 6%)

    Table

    Chemical components and mechanical properties of cement
    Mechanical properties of aggregate
    Mechanical properties of admixtures
    Mix proportion of concrete
    Conditions of accelerated exposure tests of concrete specimen
    Evaluated of corrosion standard for natural potential

    Reference

    1. (1996) State-of-the-Art Report on Fiber Reinforced Plastic (FRP) Reinforcement for Concrete Structures , ACI 440R-96, Committee 440, 3
    2. Hwang J H , Park K T , You Y J , Lee S Y , Seo D W (2014) Experimental Study on the Mechanical Properties of FRP Bar by hybridizing with Steel Wires , Journal of the Korea Institute for Structural Maintenance and Inspection,
    3. Ko F K , Somboonsong W , Harris H G Scott M.L (1997) Fiber architecture based design of ductile composite rebars for concrete structures , Proceedings of the 11th International Conference of Composite Materials,
    4. (2006) Design and construction technology for concrete structures using advanced composite materials , Interim report submitted to the Korea Research Council of Public Science and Technology, Korea,
    5. Park K T , Kim H J , You Y J , Lee S Y , Seo D W (2016) An Experimental Study for Calculating Proper Mix Proportion according to Curing Time of Synthetic Resins in FRP Hybrid Bar , Journal of Korean Soc Adv. Comp. Struc, Vol.7 (3) ; pp.35-40
    6. You Y J , Park K T , Seo D W , Hwang J H (2015) Experimental Study on GFRP ReinforcingBars with Hollow Section , Journal of the Korea Institute for Structural Maintenance and Inspection, Vol.19 (1) ; pp.045-052
    7. You Y J , Park Y H , Choi J H , Kim J H (2014) Evaluation of Static and Fatigue Performances of Decks Reinforced with GFRP Rebar for Reinfocement Ratio , Journal of the Korea Concrete Institute, Vol.26 (24) ; pp.491-497