2.1 부식 메커니즘

콘크리트의 내부는 pH 12~13의 강알칼리 상태이기 때문 에 철근 주위에 부동태 피막(Passive layer)이라 불리는 보호 막이 형성되어 철근의 부식을 억제한다. 콘크리트 내부에 염 화물 이온이 침투해 임계값에 도달할 경우 부동태피막이 손 실되어 부분적으로 부식이 진행되게 된다. 부식된 철근은 본 래 체적의 약 2.5배 팽창하여 콘크리트에 팽창압으로 인한 균 열이 발생하여 내구적으로 영향을 미치게 된다(^{Broomfield, 1997}). 부식으로 인한 균열발생시 산소 및 염화물 이온의 침투 가 가속화되어 부식의 진전은 더욱 빨라진다(^{Kwon et al., 2011(a)}; ^{Park et al., 2012}; ^{Song et al., 2006(a)}; ^{Song et al., 2006(b)}). Fig. 1에는 철근의 부식반응을 나타내었다.

부식과정에서 염소이온(Cl^-)은 소모되지 않고 부식반응 중 간생성물인 FeCl₂를 형성하였다가 다시 방출되며, 수소이온 발 생으로 인한 pH저하가 부식 환경을 촉진하게 된다(^{Broomfield, 1997}; ^{CEB, 1997}).

2.2 FRP Hybrid Bar의 내부식성

실험에 적용된 FRP Hybrid Bar는 유리섬유와 에폭시로 철 근을 코팅하였으며, 부착강도를 향상시키기 위한 돌기사로 구성 된다(^{KICT, 2013}). 유리섬유와 에폭시로 철근을 보호하 기 때문에 염화물 차단성능이 우수한데, 본 실험에서는 FRP Hybrid Bar를 적용한 시편과 일반 철근을 적용한 시편의 부 식량 평가를 통해 FRP Hybrid Bar의 내부식 성능을 평가하였 다. Fig. 2에서는 FRP Hybrid Bar의 개요도와 사진을 나타내 고 있다.

3.1 실험재료 및 배합

실험에 사용된 콘크리트 배합은 Table 1과 같다. 설계기준 강도는 24 MPa로서 1종 보통 포틀랜트 시멘트가 사용되었으 며, 하절기 사용을 위해 2종 Fly ash가 15% 치환된 레미콘 배 합을 사용하였다.

실험에 사용된 강재는 항복강도 400 MPa의 D13 이형철근 과 같은 외경의 FRP Hybrid Bar를 사용하였다. 실험에 사용된 배합의 압축강도 평가 결과 재령 28일에서 약 26 MPa로 실제 구조물에 적용할 수 있는 일반강도 등급의 배합으로 판단된 다. Fig. 3에는 재령에 따른 압축강도 그래프를 나타내었다.

3.2 시편의 제원 및 제작

부식 전후의 휨내력 저하를 평가하기 위해 보 시편을 제작 하였으며, 부식실험 적용시 보의 유효깊이를 40 mm로 고정 하고 피복두께를 20 mm(150×60×650 mm), 30 mm(150×70× 650 mm), 40 mm(150×80×650 mm)의 세가지 수준으로 제작 하였다. 시편의 제원 및 모식도를 Fig. 4에 나타내었다.

3.3 Impressed Current Method(ICM)

ICM에 대한 실험 조건은 이미 많은 문헌에서 채택되어 사 용 되었다(^{Baek et al., 2012}; ^{Sakurada et al., 2008}). ICM은 매 립된 철근과 구리판을 각각 Anode 와 Cathode로 전극을 선택 하여 전압을 가압하고, 저항을 수분이 포화된 콘크리트로 고 려하여 인위적인 부식전지를 만드는 것이다.

일반적으로 24~30 MPa 정도의 일반강도등급 콘크리트의 경우에도 내구적 성능이 우수하여 자연부식으로는 수년안에 내력저하를 기대하기가 어렵다. 따라서 본 연구에서는 ICM 을 적용해 부식 유발시기를 앞당겨 이로 인한 RC 보의 내력저 하를 유도하였다. ICM 적용시 해수와 같은 염화물 농도를 고 려하기 위해 3.5% NaCl 수용액을 사용하였으며, 모든 시편을 2주간에 걸쳐 10 V의 전압을 가해 부식으로 인한 내력저하를 충분히 확보할 수 있도록 하였다. 완성된 시편의 강재가 수용 액에 닿지 않도록 Fig. 5와 같이 수용액에 침지시키면 침지된 시편의 모세관 현상에 따라 철근위치까지 수용액이 침투하게 된다. Fig. 5에는 ICM의 모식도를 나타내었다.

전압 인가시 시편의 양 지점에서 국부적인 부식이 발생할 수 있다. 이렇게 발생한 부식은 양 지점의 균열을 유발하고 정 확한 부식량 및 휨 내력저하 평가를 어렵게 하므로 콘크리트 타설 전 몰드 안쪽 기준으로 약 30 mm 정도 에폭시를 도포하 여 방청 처리를 하였으며, 절단된 철근 단부 역시 에폭시 처리 를 하여 국부부식을 방지하였다. 방청 처리된 강재의 상태를 Fig. 6에 나타내었다.

4.1 부식량 평가 방법

철근의 부식량 평가는 식 (1)과 같은 Faraday 법칙을 통해 계산된 이론값과 휨강도 측정 후 수거한 강재의 부식량을 평 가하여 비교하였다.

여기서, M은 부식량(mol), z는 철의 이온수(=2), F는 Faraday의 수(= 96,500C), q는 전류(mA), t는 측정시간(sec), c는 실험 상수 이다. 1 mol의 철(Fe)은 55.847 g이므로, 식 (1) 을 통해 강재의 부식량을 예측할 수 있다.

4.2 RC 보와 FRP Hybrid Bar 보의 부식량 평가

일반 RC 시편과 FRP Hybrid Bar를 적용한 시편을 피복두 께에 상관없이 2주간 10 V의 전압을 가했으며, 실험 종료 후 부식된 시편의 상태는 Fig. 7과 같다.

부식 실험 결과 일반 RC 시편의 경우 피복두께에 상관없이 모든 시편에서 부식으로 인한 균열을 육안으로도 쉽게 확인 할 수 있었다. 반면 FRP Hybrid Bar를 적용한 모든 시편에서 는 부식 및 균열을 확인할 수 없었는데, 이는 에폭시 수지가 도 포되어 2주간의 실험동안에서는 수분의 유입이 없기 때문이 다. 대표적인 시편에 대하여 부식실험 진행중 측정된 전류값 을 Fig. 8에 도시하였다.

부식이 발생된 RC 시편에서는 높은 전류량이 시간에 따라 평가 되었지만 육안으로 부식 및 균열을 확인할 수 없었던 FRP hybrid Bar 적용 시편에서는 전류값이 거의 측정되지 않 았다. 본 연구에서는 온도보정을 하지 못했으며, 증류수를 사 용하지 않아서 이론값과의 차이가 발생하였는데, 실험상수 c (0.6)을 적용하였다. 부식량 평가를 위해서는 1일 동안 기건 상태에서 부식된 철근을 충분히 건조시킨 뒤, 천을 사용하여 녹을 제거하고, 부식 제거제를 사용하여 2차 제거작업을 하였 다. 실험 전의 중량을 미리 측정하여 두 조건의 중량차이를 부 식량으로 정하였는데, 부식량 평가 결과를 Table 2에 나타내 었으며, Fig. 9에 도시하였다.

보정계수를 통한 부식량 예측값은 실험값과 비슷한 수준으 로 평가되었으며, 일반 RC 시편에서 FRP Hybrid Bar 적용 시 편에 비해 많은 부식이 발생했음을 확인할 수 있다. Fig. 10에 는 실험값을 통한 피복두께별 부식률을 도시하였다. 일반 RC 시편에서는 4.9~7.8%의 높은 부식률을 보였지만 FRP Hybrid Bar는 거의 0.0%의 부식률을 보여 FRP Hybrid Bar의 내부식 성능이 일반 철근에 비해 우수하다는 것을 확인할 수 있었다. 실제로 전류가 동일하게 인가되면 피복두께 증가에 대해 선 형적인 부식량이 측정되어야 하는데, 비선형적으로 감소하였 다. 이는 증류수를 사용하지 않고 주기적인 침지수의 교반이 없었으므로 발생하는 국부적 염화물 농도의 차이, 콘크리트 내의 골재 영역에서의 염화물 진행 변동성, 그리고 국부적인 콘크리트 모재의 수화물 변동성(OH^-, pH) 등으로 예상할 수 있다. 콘크리트와 같이 국부적인 변동성이 큰 재료에서 국부 적인 부식량 제어는 매우 어려운 일이다(^{Baek et al., 2012}; ^{Kwon et al., 2011(b)}; ^{Kwon and Park, 2012}).

Fig. 11에는 부식률이 7.8%인 일반 철근과 같은 피복두께 에 적용된 FRP Hybrid Bar의 부식량 제거 전/후 상태를 나타 내었다.

각 강재의 부식량 제거 결과, 일반 철근에서는 많은 부식이 발생하였는데, 이는 콘크리트와의 부착력 저하 및 인장강도 의 감소를 야기하게 된다. 반면 FRP Hybrid Bar는 부식량 제 거 전/후 상태의 차이가 없으며, 이는 부식에 대하여 우수한 저항성을 가지고 있음을 알 수 있다.

4.3 휨강도 평가 및 비교

각 시편의 휨 내력저하를 평가하기 위해 KS F 2408(콘크리 트 휨 강도 시험방법) 규격에 따라 중앙점 재하 방법을 통해 휨 강도를 평가하였다. Fig. 4에 나타낸 시편에 대하여 3 점 휨 시험을 수행하였는데, Fig. 12에 시험사진을 나타내었다.

하중재하 방법으로 시험을 수행하여 최대하중이 측정된 상 태로 평가하였다. 3점 휨 시험시 공칭 모멘트와 하중과의 관 계를 고려하여, 일반 RC보의 최대 하중은 식 (2)의 관계를 고 려하여 식 (3)과 같이 나타낼 수 있다.

여기서, P는 최대하중, A_s는 철근의 단면적, f_y는 철근의 인장강도, d는 제원의 유효깊이, f_ck는 콘크리트의 압축강도, b는 제원의 유효폭을 나타낸다. 모멘트 계산시 인장영역의 콘 크리트는 무시하므로, RC 보에 대한 최대하중 P는 10.93 kN 으로 평가되었다.

FRP Hybrid Bar를 가진 RC 보의 공칭 모멘트에 대한 명확 한 국내 규정이 없으므로 ACI 440.1R 기준과(^{ACI, 2006}) 기 존의 연구결과(^{Ko, 2014})를 이용하여 휨강도를 평가하였다. ACI 440.1R에서는 사용 보강비(ρ_f)가 균형 보강비(ρ_bf)보다 작을 경우와 클 경우 분류하여 식 (4a) 및 (4b)와 같이 제안하 였다.

여기서 M_n은 공칭모멘트, A_f 및 f_fu는 보강재의 단면적과 설계인장강도, β₁은 콘크리트 압축강도에 따른 압축깊이 보정 계수, c_b는 균형 조건에서의 중립축 길이, ρ_f는 균형 보강재비 (A_f/b_d), f_f는 보강재의 인장응력으로 식 (5)와 같이 나타난다.

본 실험에서는 ρ_f(0.021)이 ρ_fb(0.0165)보다 크므로 식 (4b) 를 사용하여 M_n을 구하고 식 (6)과 같은 조건에서 P를 도출하 였다.

계산결과 f_f는 295.5 MPa로 평가되었으며, P는 9.34 kN으 로 평가되었다. Table 3에서는 각 설계정수의 값을 나타내고 있다.

휨강도 실험 결과와 비교해본 결과 RC 시편과 FRP Hybrid Bar 시편에서 모두 이론값보다 높은 하중이 평가 되었으며, 부식된 RC 시편에서는 이론값보다 낮은 값이 평가되어 구조 물의 안정성에 영향을 미칠 것으로 판단된다. Table 4에 휨 강 도 평가에 의한 결과값을 나타내었으며, Fig. 13에 이론값과 함께 결과를 도시하였다.

Fig. 13에서 FRP Hybrid Bar에서는 Control 값이 이론값에 비하여 피복두께가 클수록 크게 평가되었는데, 이는 인공해 수에 2주간 침지하면서 부식촉진동안 구체의 수화작용에 따 라 콘크리트 강도가 증가하였기 때문이다. 그러나 주된 휨모 멘트 증가 원인은 FRP Hybrid Bar의 경우 일반철근과 달리 항 복이 발생하지 않고 인장경화가 발생하므로(^{Seo et al., 2013}), 피복두께가 증가할수록 인장부 저항력이 증가하여 최대하중 이 크게 평가되었다(^{Ko, 2014}). 인장경화가 발생할 경우 인장 부 콘크리트가 저항할 수 있으므로 피복두께의 증가에 따라 RC 보의 항복강도가 증가하게 된다. 전반적으로 촉진부식시 험 이후 부식이 전혀 발생하지 않아 구조적으로 우수함을 알 수 있다.

휨 강도 평가 결과 일반 RC 시편에서 -25.4~-50.8%의 내 력 저하가 발생했으며, FRP Hybrid Bar 적용 시편에서는 부식 으로 휨 내력저하를 확인할 수 없었다. 이는 부식으로 인해 부 착성능이 저하된 RC 시편에 비해 부식이 발생하지 않은 FRP Hybrid Bar의 부착성능에 큰 변화가 없기 때문이다. 5% 이상 부식이 발생할 경우 RC 보부재의 급격한 내력저하는 기존의 연구와 일치하게 평가되었다(^{Chung, 2004}). FRP Hybrid Bar 를 가진 RC 보부재에서는 높은 부식 저항성능으로 인해 구조 적/내구적으로 우수한 성능을 가지고 있는 것으로 평가되었다.

그러나 본 실험은 2주간의 촉진실험이며, 장기 침지시 국소 적인 수분포화가 에폭시 코팅에서 발생할 수 있다. 또한 FRP Hybrid Bar의 표면조도 등이 장기간 침지시 부정적인 영향을 줄 수 있으므로 실용화를 위해서는 장기적인 침지 실험을 통 한 부재 저항력의 정량화가 필요하다.