1. 서 론
2. 실험 방법
2.1 CFRP 소선(Carbon Fiber Reinforced Polymer wire)
2.2 CFRP 소선의 직접인장시험
2.3 시편 제작
3. 직접인장시험 결과 및 기계적 특성 평가 방법 도출
3.1 CFRP 소선의 파단 모드 분석
3.2 인장강도 및 탄성계수
4. 결 론
1. 서 론
프리스트레스트 콘크리트(Prestressed Concrete, 이하 PSC)는 고장력의 강재 및 강연선 긴장재를 활용한 프리스트레싱을 통해 콘크리트의 인장에 대한 약점을 보완하는 콘크리트로, 장경간 및 대형 구조물에서는 이 공법을 적용하는 것이 필수적으로 요구되고 있다(Min, 2015). 여기서 프리스트레싱이란, 주어진 하중에 의해 발생하는 응력을 특정 한도까지 상쇄할 수 있도록 응력 크기와 분포를 산정하여 긴장재를 통해 미리 내력을 가하는 기술을 말한다(Ho et al., 2010). 그러나 프리스트레싱 긴장재로서 가장 많이 사용되는 프리스트레스(Prestress, 이하 PS) 강연선은 프리스트레스트 콘크리트 특성상 높은 응력이 작용된다. 이에 따라, PS 강연선은 철근콘크리트(Reinforced Concrete, 이하 RC)에 사용되는 철근에 비하여 응력부식에 의한 부식 위험성이 크다. 응력부식이란 인장응력이 금속성 재료에 작용하여 소성변형이 발생되면 금속 표면의 피막이 파괴되어 재료 내부에 결함이 형성되며 부식이 촉진되는 현상이다. PSC 구조물에 사용되는 고강도 PS강연선은 내 ‧ 외부 응력 존재 하에 부식 환경에 적당히 노출될 수 있는 재료로서 응력부식의 발생 가능성이 매우 높다(Kim et al., 2014). 응력 부식이 PSC 구조물 내 고강도 PS강연선에 작용하게 되면 재료의 성능 저하 및 파단이 유발되어 PSC 구조물의 내구성에 큰 영향을 미칠 수 있다. 특히, 강연선이 파단되면 구조물의 취성 파괴를 일으켜 큰 인명피해로 이어질 수 있다(Kim, 2020). 실제로 이탈리아 모란디 교량은 환경 조건으로 인한 부식 및 구조적 결함으로 인해 교량이 취성 파괴되어 큰 인명피해를 일으켰다(Yi, 2019). 우리나라의 정릉천 고가교의 경우 다행히 인명피해는 없었지만, 수분에 의한 부식으로 인해 강연선이 파단 되어 당시 안전상 긴급 통제가 시행되었다(Yeon, 2022). 따라서 PSC 구조물의 장기적 안정성을 위해서는 긴장재의 응력부식 저항성 확보는 필수적이다.
한편, 탄소섬유 강화 폴리머(Carbon Fiber Reinforced Polymer, 이하 CFRP)는 비부식성, 경량성, 고강도, 고탄성의 재료로서 최근 건설 재료로 각광받고 있다(Hashim et al., 2020). 그러나 현재 건설 분야에서 CFRP를 활용한 연구의 대부분은 CFRP를 보강근으로 활용하는 것에 국한되어 있다(Kim et al., 2023). 본 연구에서는 현 연구 동향과 달리 CFRP의 강연선 대체 가능성에 집중하였다. CFRP의 우수한 피로 저항성, 릴랙세이션, 크리프 저항성을 고려하였을 때 강연선으로의 활용이 가능할 것이라 기대된다. 또한, 전술한 CFRP의 장점인 응력부식이 없고 낮은 자중을 고려하였을 때 긴장 작업의 효율성이 증대될 여지가 있어 PSC 긴장재 대체재로서 적합할 것이라 사료된다.
CFRP를 PSC의 긴장재로 사용할 경우, 경험적 증거를 바탕으로 하여 인장강도, 탄성계수, 피로 저항성 등 정확한 재료 물성을 파악하는 것은 매우 중요하다. 그러나 CFRP를 강연선으로 활용하기 위한 구체적인 물성 평가 기준 및 공인된 실험방법이 마련되어 있지 않은 상황이다. 현재까지는 FRP(Fiber Reinforced Polymer)로 철근을 대체하기 위한 연구가 대부분이기에 인장시험, 부착 시험, 피로 시험과 같은 실험방법은 철근 직경과 유사한 공칭 지름 10 mm 이상 및 와이어 수 7개 이상의 CFRP 연선에 대해서만 제시되고 있으며, 아직 공칭 지름 5 mm 및 와이어 수 1개인 CFRP 소선에 대한 실험방법은 제시되지 않고 있다. 이러한 이유로 규격에 포함되지 않는 치수를 가진 FRP 재료에 대해서는 표준화된 물성 파악이 매우 어려운 실정이다. 건설 분야에서 우수한 잠재력을 가진 재료로 평가되는 FRP를 다방면으로 개발하고 활용하기 위해서는, 목표로 하는 물성치를 충분히 달성할 수 있도록 실험방법, 시편 설계 등 실험 규격의 보편화가 필수적이다. 따라서 본 연구의 목적은 CFRP 소선을 PSC 긴장재로 사용 시 정확한 물성 파악을 위한 적절한 평가 기준 확립에 있다. 이를 위한 기초 연구로 각기 다른 치수의 시편을 제작하여 직접인장시험을 수행한 뒤, 시편의 파단 모드, 인장강도, 탄성계수를 비교 ‧ 분석함으로써 공칭 지름 5 mm의 CFRP 소선의 기계적 특성 평가 방법을 제안하고자 한다.
2. 실험 방법
2.1 CFRP 소선(Carbon Fiber Reinforced Polymer wire)
본 연구에서 사용된 CFRP 소선은 폴리아크릴로나이트릴(PAN)계 탄소섬유와 열경화성 수지가 결합하여 CFRP의 물리적 ‧ 화학적 특성을 갖는 단선이다. CFRP 케이블은 와이어 형태의 탄소섬유를 꼬아서 결합하는 공정을 거쳐 형성되는데, 이때 와이어 수는 1개, 7개, 19개, 37개로 구성될 수 있으며 공칭 지름은 최소 5 mm부터 최대 40 mm까지 다양한 치수를 가진다(Benmokrane et al., 2016). 긴장재를 대체할 수 있는 케이블에 대한 실험 수행을 위해 와이어 1개로 구성되며 공칭 지름 5 mm인 CFRP 소선이 실험 대상 재료로 사용되었다.
2.2 CFRP 소선의 직접인장시험
직접인장시험은 용량 250 kN인 UTM(Universal Testing Machine)을 통해 수행되었다. 본 실험 전, 그립 강도(grip strength) 설정을 위해 사전실험이 수행되었다. 그립 강도 1,500 psi, 2,000 psi, 2,500 psi에 대한 사전실험 시 시편의 양 끝단 전부에서 미끌림(slip)이 발생하였으며, 특히 그립 강도 1,500 psi의 경우에는 목표 강도의 50%에 도달한 시점에서 미끌림(slip)이 발생하였다. 이에 따라 전 시편에 대해 그립 강도는 3,000 psi로 설정되었다. 본 시험인 직접인장시험은 변위제어를 통해 시편이 파단 될 때까지 수행되었다. 하중 재하 속도는 기존 시험 규격에서 권장되는 범위 내로 실험 변수로서 설정되었다. 시험 중 하중, 기계 변위 및 변형률은 DAQ(Data Acquisition) 시스템을 통해 1초 간격으로 수집되었다. 변형률 측정을 위해 변형률 게이지는 CFRP 소선 중앙부에 하중 방향과 일치하도록 부착되었다. 수집한 데이터를 기반으로 인장강도 및 탄성계수가 확인되었으며, 이를 통해 설정된 시험 조건의 적합성이 평가되었다. Fig. 1은 직접인장시험 전경 및 시험체 형상을 나타낸다.
2.3 시편 제작
CFRP 소선의 직접인장시험 수행을 위한 시편은 ASTM D7205/D7205M - 21(ASTM International, 2021)에 제시된 방법을 준용하여 제작되었다. Fig. 2는 시편 구조에 대한 상세도이다. 시편은 시험체 시험 부위와 양 끝단의 정착부로 구성되어 있다. 정착부는 계획된 길이의 강관과 CFRP 소선을 지면으로부터 수직으로 고정한 후 에폭시를 강관에 주입 및 경화시켜 완성하였다. 앵커로 사용된 강관은 내경 약 10.5 mm, 외경 13.5 mm인 강재이다. 시편의 정착부는 시험 조건의 한계를 극복하며 시험체 성능 평가의 정확성을 보장하기 위해 제작된다. 흔히 FRP 시험체 표면 그립에서는 미끌림이 발생하며, FRP 소재는 표면 손상에 민감하여 시험 중 그립부 압력 및 응력 집중에 의해 시험체가 파손될 우려가 크다. 그러나 앵커를 설치함으로써 이러한 구조적 ‧ 재료적 문제를 보완할 수 있다. 또한, 앵커는 강관 내 그라우팅을 통해 설치되는데 이는 하중이 균일하게 시험체로 전달되도록 해주어 파단 위치를 시험체 중앙부로 유도해줌으로써 FRP 케이블의 본래 성능을 온전히 평가할 수 있도록 한다(Zhang et al., 2006). 한편, 본 연구에서 사용된 에폭시는 호주 A사의 제품으로 압축강도 100 MPa, 인장강도 71 MPa, 휨강도 115 MPa 및 쇼어 경도 84를 갖는다. 에폭시는 인장강도 60 MPa 이상의 고강도 에폭시가 사용됨으로써 FRP 시험체 및 강관 사이의 높은 부착강도 및 충분한 하중 전달이 발생하도록 유도되었다(Attia et al., 2022).
Table 1은 CFRP 소선의 기계적 특성 평가를 위한 시험변수를 요약하여 나타낸다. 시험 변수로 정착길이(100 mm, 200 mm, 300 mm), 순간격(50 mm, 100 mm, 150 mm)이 고려되었으며, 변수별 3개의 시편이 제작되었다.
Table 1.
Details of specimens
3. 직접인장시험 결과 및 기계적 특성 평가 방법 도출
3.1 CFRP 소선의 파단 모드 분석
Table 2, Fig. 3은 각각 CFRP 소선에 대한 직접인장시험 결과의 요약 및 시편의 파괴 형상을 나타낸다. 직접인장시험 결과 분석 시 인장강도, 탄성계수와 같은 수치적 결과뿐만 아니라 파괴 형상과 같은 형태적 결과도 함께 고려해야 한다. 본 연구에서는 유효한 수치적 결과 판별을 위하여 파단 모드가 우선적으로 평가되었다. 첫 번째로 하중 재하 속도는 0.3 mm/min로 진행된 시험에서 모든 시편의 응력-변형률 선도는 불안정한 초기 선형구간을 보였다. 반면 하중 재하 속도가 3 mm/min인 경우, 0.3 mm/min의 속도로 진행된 시험과 달리 불안정한 초기 선형구간은 발생하지 않았다. 이에 따라 CRRP 소선의 인장 시험 속도는 3 mm/min가 적절할 것으로 판단된다. 정착길이 100 mm, 순간격 50 mm 시험체에서는 정착부 부근에서 국부 전단으로 인한 조기 파단이 관측되었다. 이 국부전단에 의한 파괴는 정착길이 부족, 파단 부위의 낮은 결합 강도에 의한 곳으로 사료된다.
Table 2.
Results of failure mode of direct tensile test with loading condition
다음으로는 시험 속도 3 mm/min 조건으로 진행된 시편에 대해 순간격 및 정착길이에 따른 파단 모드가 관찰되었다. 정착길이 100 mm인 경우 CFRP가 강관 내 에폭시에서 뽑히며 시편이 파괴되는 양상을 보여 CFRP의 특성 평가가 불가능하였다. 정착길이 200 mm의 시편에서는 강관 내 에폭시와 강관 사이 계면에서 미끌림이 발생하였는데, 이는 인장강도 결과가 과소평가 되는 대표적인 원인으로서 이러한 파단 모드 역시 CFRP 자체의 기계적 특성을 신뢰성 있게 평가하는 데 한계가 있다. 한편, 정착길이 300 mm에서는 시편 중앙부에서 파단이 발생하여 정상적인 파단을 보임에 따라 CFRP 재료 자체의 특성에 대한 평가가 가능하였다. 따라서 파단 모드 분석 결과, CFRP 소선의 직접인장시험 조건은 시편 정착길이 300 mm, 시험 속도 3 mm/min로 설정하는 것이 적절한 것으로 판단되었다.
3.2 인장강도 및 탄성계수
CFRP 소선의 극한 인장강도 및 탄성계수를 얻기 위해 재하 하중과 변형률 데이터가 측정되었다. 극한 인장강도(Ultimate Tensile Strength)는 지속 하중 하에 시험체가 파단 되기까지의 인장강도이며 식 (1)을 통해 얻어질 수 있다. 탄성계수(Modulus of Elasticity, E)는 선형 회귀법을 통해 응력-변형률 선도의 초기 선형 부분의 기울기를 계산하여 산정될 수 있다(You et al., 2008).
여기서, 은 극한 인장강도(MPa), 는 시편이 파단 되기 직전의 최대 하중(kN), 는 시편 단면적(mm2)을 의미한다.
Table 3은 각 시편의 인장강도 결과를 요약한 것이다. 정상 파단이 관측되었던 정착길이 300 mm, 순간격 50 mm인 CFRP 소선의 인장강도는 3,296 MPa로 산출되었다. 반면, 조기 파단이 발생했던 정착길이 100 mm 시편에서는 평균 인장강도가 1,451.4 MPa로 확인되었다. 이는 정착길이 300 mm 시편의 인장강도의 약 44%에 해당하는 수치로, 조기 파단으로 인한 측정 오류가 존재했던 것이 검증되었다. 또한, 정착길이 200 mm인 경우는 최대 인장강도는 2,924.7 MPa, 평균 인장강도는 2,571.9 MPa로, 정착길이 300 mm 시편의 약 78%에 해당한다. 이에 따라 정착길이 200 mm 시편에 대한 인장강도 결과가 과소평가 되었음이 검증되었다. 특히, Fig. 4는 하중 재하 속도 0.3 mm/min 및 3 mm/min에 따른 응력-변형률 선도를 나타낸 것으로, 시험 속도 0.3 mm/min인 (a)에서는 불안정한 초기 선형 구간이 관찰되어 탄성계수 평가가 불가능하였고, 시험 속도 3 mm/min인 (b)에서는 탄성계수가 172.3 GPa로 산출되었다. 이에 따라 CFRP 소선의 기계적 특성 평가를 위해서는 시험 속도 3 mm/min 이상, 시험체 정착길이 300 mm 이상, 순간격 100 mm 이상인 조건이 확보되어야 할 것으로 판단된다.
Table 3.
Results of average ultimate tensile strength of direct tensile test with loading condition
4. 결 론
본 논문에서는 CFRP 소선을 PSC 긴장재로 대체하기 위하여 정착길이, 순간격, 시험속도가 변수로 고려된 직접인장 시험이 수행되었다. 시험공칭 지름 5 mm인 CFRP 소선의 직접인장시험을 통해 CFRP 소선의 기계적 특성 평가 기준을 제안한다.
(1) 적절한 시편 규격 및 시험 속도를 확인하기 위하여 CFRP 시험체의 정착길이 100 mm, 200 mm, 300 mm, 시험체 순간격 50 mm, 100 mm, 150 mm, 하중 재하 속도 0.3 mm/min, 3.0 mm를 실험 변수로 설정하여 직접인장시험 수행 후 시편의 파단 모드를 분석한 결과, 시험 속도는 3 mm/min이 적합함을 확인하였다.
(2) 정착길이에 따른 파단 모드 분석 결과, 정착길이 300 mm인 CFRP 시험체가 정상적으로 시편 중앙부에서 파단을 보임에 따라 정착길이 300 mm가 적절한 시편 규격임이 확인되었다.
(3) 공칭 지름 5 mm인 CFRP 소선 시편 중 정착길이 300 mm, 순간격 50 mm인 시편의 인장강도는 3,296 MPa, 탄성계수는 172.3 GPa로 산출되었으며, 파단 모드 분석 결과와 함께 종합적으로 고려하였을 때 충분히 신뢰가능한 물성값이 산출되었다고 판단된다.
(4) 이상의 연구 결과를 종합하였을 때 CFRP 소선의 기계적 특성 평가를 위해 시험체 정착길이 300 mm 이상, 순간격 100 mm 이상, 시험 속도 3 mm/min 이상인 조건이 확보되어야 할 것으로 사료된다.
(5) 향후 시편 제작 공정 기술 개발 및 PSC 부재에 적용하는 추가 연구를 통해 실제 물성값과 측정값의 오차를 최소화할 수 있을 것으로 사료된다.