2.1 전단시험체 구성 및 노화촉진시험

^{KS F 4420}에서는 탄성받침에 사용되는 탄성 중합체는 천연고무(NR) 또는 합성고무(CR)를 사용하고 전단탄성계수별 고무함량을 Table 1과 같이 규정하고 있다. 탄성받침에 사용되는 합성고무(CR)은 화학제품으로 클로로프렌 고무를 중합시킨 고무를 말하며 천연고무(NR)와 같이 하나의 고무원료로 적용하고 있다.

합성고무(CR) 전단시험체는 ^{KS M ISO 1827}에 따라 4개의 플레이트(Fig. 1의 1, 2)에 두께 4mm, 너비 25mm, 길이 25mm인 4개의 고무시편(Fig. 1의 4)이 이중 샌드위치 배열을 갖도록 제작하였다. 모든 시험체는 Table 2와 같이 노화촉진온도(3가지)와 노출시간(10가지)을 변수로 하였으며 노화촉진온도 및 노출시간별 시험체 개수는 4개씩으로 총 120개의 시험체를 제작하였다.

^{KS M ISO 1134}6은 열-산화 노화에 의한 재료특성을 분석하기 위해서는 최소한 3가지 이상의 온도를 선택하고 노출시간에 대해서는 명확히 제시하고 있지는 않지만 충분한 특성이 나타날 수 있도록 적당한 노출시간을 정하도록 하고 있다. 따라서 이 연구에서는 노화촉진온도 변수를 70℃, 80℃, 90℃로 정하고, 노출시간은 Fresh(노화를 촉진하지 않은 시험체)를 포함하여 10단계로 결정하였다. 노화촉진시험은 KS M ISO 188에 따라 강제 공기 순환형 건조기 3개(70℃, 80℃, 90℃)를 이용하여 Table 2와 같이 3일~168일까지 노화촉진시험을 수행하였다.

Fig. 1 Design of test specimen

2.2 전단성능시험

50kN 용량의 만능재료시험기(UTM)을 사용하여 하중-변위를 측정하였으며, 하중재하는 변위제어로 ^{KS M ISO 1827}에 따라 5mm/min의 재하속도로 시험체가 파단될 때까지 시험을 진행하였다. Fig. 2는 시험체 설치모습과 파단된 시험체 형상이다.

Fig. 2 Installation of specimen

2.3 시험결과 및 분석

Figs. 3~5는 합성고무(CR) 전단시편에 대해서 노화촉진온도별(70℃, 80℃, 90℃)로 동일한 노출시간에 대해 4개 시험체의 하중-변위 데이터를 응력-변형률 곡선으로 각각 나타낸 것이다. 전단응력-변형률 관계곡선을 보면 천연고무(NR)와 유사(^{Sun and Kim, 2021})하게 동일한 노화조건의 시험체라도 최대응력과 최대응력시 변형률은 상당한 변동성을 보이지만 최대응력에 도달하기 전에는 큰 변동성을 나타내지 않는다. 고무재료의 파단 시 최대응력과 최대응력시 변형률은 변동성이 크기 때문에 실제 탄성받침은 고무종류와 무관하게 상시 전단변형률 70%, 지진시 전단변형률 150%를 적용하고 있으며 ^{KS M ISO 1827}에서는 전단탄성계수(G)를 25% 전단변형에서 측정하도록 하고 있다.

Figs. 3~5의 전단응력-변형률 곡선을 분석해 보면 전체적인 경향으로는 노출온도가 높을수록 노출시간이 길수록 최대응력과 최대응력시 변형률이 줄어들고 있다. 다만, 노출시간 168일에 해당되는 Fig. 3(j)를 보면, Fig. 3(a)의 Fresh를 제외하고는 다른 노출시간에 비해 전단응력이 약간 크게 나타나는데 이는 전단변형률 300% 이상에서 발생되는 현상으로 시험체의 품질 편차에 의한 영향으로 판단된다.

전단응력-변형률 곡선을 천연고무(^{Sun and Kim, 2021})와 비교해 보면 합성고무(CR)가 천연고무(NR)에 비해 상대적으로 감소비율이 작은 것을 알 수 있다. 즉, 합성고무(CR)가 천연고무(NR)에 비해 열-산화에 대한 노화에 내성이 큰 것으로 파악된다. 그리고 Fig. 5의 노화촉진온도 90℃에 대한 전단응력-변형률 곡선을 보면, 노출시간 140일부터는 최대응력 이후로 소성거동이 일부 나타난다. 일반적으로 가황된 고무는 유황분자가 고무분자 사이에 결합되어 있는 형태인데 일부 소성거동의 원인은 노화심화에 따른 결합력의 저하로 발생되는 것으로 예측된다.

Table 3~5는 합성고무(CR) 전단시편에 대해서 노출시간별로 최대응력(Ultimate Stress)과 최대응력시 변형률(Strain at Ultimate Stress)의 평균과 응력비(Stress Ratio) 및 변형률비(Strain Ratio)를 나타낸 것이다.

노화촉진온도 70℃에서 이 연구에서의 최대 노출시간인 168일에서도 최대응력과 최대응력시 변형률은 Fresh 대비 각각 0.91, 0.82로 9%, 18% 밖에 감소하지 않았다. 80℃에서는 각각 18%, 16% 감소하여 70℃에 비해 저하가 크게 나타났지만 큰 폭의 저하는 아니다. 그러나, 90℃에서는 140일의 노출시간에서 0.34로 이미 Fresh 대비 50%이하로 저하되었으며 168일에서는 각각 71%, 66% 감소하여 급격한 역학적 성능 저하가 발생하였다. 동일한 노화촉진 조건에서의 천연고무(NR)에 비해 노화가 상대적으로 작게 발생하여 합성고무가 열-산화 노화에 강한 것으로 나타났다(^{Sun and Kim, 2021}).

Fig. 3 Shear stress-strain curve of aged chloroprene rubber(70℃)

Fig. 4 Shear stress-strain curve of aged chloroprene rubber(80℃)

Fig. 5 Shear stress-strain curve of aged chloroprene rubber(90℃)

Fig. 6은 Figs. 3~5에서 변동성이 큰 최대응력 발생구간을 제외하고 전단변형률 25%, 50%, 75%, 100%, 150%, 200%, 250%, 300%에 대해서 노화촉진온도별 노출시간에 따른 전단응력을 표시한 것이다. 일부 동일 변형률에서 노출시간에 상관없이 전단응력이 역전되는 현상도 있지만 전체적으로 동일 변형률에서 노출시간이 늘어날수록 전단응력이 증가하는 현상을 확인할 수 있으며 이는 합성고무재료가 노화에 의해 경화되고 있음을 의미한다. 그리고 천연고무(^{Sun and Kim, 2021})와는 다르게 노화촉진온도 70℃와 80℃에서 168일 노출시간에 대해서도 전단변형률 300%까지 파단이 발생하지 않았다. 노화촉진온도 90℃에서는 노출시간 56일까지는 전단변형률 300%까지 파단이 발생하지 않았다.

Fig. 6 Shear stress-strain curve at different aging period

2.4 노화촉진에 의한 강성변화

합성고무(CR) 전단시편에 대해 노화촉진온도별(70℃, 80℃, 90℃) 노출시간에 따른 전단강성의 변화를 분석하였다. 전단강성은 천연고무(^{Sun and Kim, 2021})와 동일하게 하중-변위 곡선의 원점에서 전단변형률 25%, 50%, 75%, 100%, 150%, 200%, 250%, 300%에 해당되는 하중-변위의 직선 기울기로 계산하였다.

Fig. 7은 합성고무(CR) 전단시편 각각의 전단변형률에서 노출시간에 따른 전단강성 변화를 나타낸 것으로 일부 노출시간에 상관없이 역전되는 현상은 있으나 전체적으로 노출시간이 길수록 전단강성은 증가하며, 이는 천연고무(^{Sun and Kim, 2021})에 비해 상대적으로 증가량은 작으나 합성고무(CR)도 노화가 진행될수록 강성이 증가한다고 볼 수 있다. 일반적으로 대부분의 재료는 변형이 커질수록 강성이 줄어들지만 고무재료는 Fig. 7과 같이 전단변형률 75%~100%까지는 강성이 줄어들다가 전단변형률 75%~100% 이후부터는 다시 강성이 증가하는 것으로 나타났으며, 이는 노화된 고무와 Fresh한 고무,

천연고무(NR)와 합성고무(CR) 모두 동일한 현상으로 나타난다. 이러한 현상은 Fig. 6에서도 확인할 수 있다.

Fig. 8는 합성고무(CR) 전단시편에 대해서 각각의 전단변형률(25%, 50%, 75%, 100%, 150%, 200%, 250%, 300%) 단계에서 노출시간에 따른 전단강성(Shear Stiffness)과 Fresh 대비 강성비(Shear Stiffness Ratio)의 변화를 나타낸 것으로 노화촉진온도가 높을수록 노출시간이 길수록 전체적으로 강성이 증가하는 것으로 나타났다. 노화촉진온도 70℃와 80℃에 노출된 시험체에 비해 노화촉진온도 90℃에 노출된 시험체는 노출시간이 길어질수록 파단이 빨리 발생하여 강성을 구할 수 없는 경우가 일부 있었다.

Fig. 7 Shear stiffness change at different aging period

Fig. 8 Shear stiffness change at each strain level

Table 6에서, 지진시 허용전단변형률인 150%에서의 전단강성을 분석해 보면 노출시간 112일째 Fresh 대비 전단강성비는 노화촉진온도 70℃, 80℃, 90℃에서 각각 1.01배, 1.30배, 1.34배 증가하는 것으로 나타났다. 상시의 허용전단변형률인 75%에서의 노출시간 168일째 Fresh 대비 전단강성비는 노화촉진온도 70℃, 80℃, 90℃에서 각각 1.35배, 1.30배, 2.29배 증가하는 것으로 나타났다. 그리고 ^{KS M ISO 1827}에 따라 전단탄성계수를 산정할 때 적용하는 전단변형률인 25%에서의 노출시간 168일째 Fresh 대비 전단강성비는 노화촉진온도 70℃, 80℃, 90℃에서 각각 1.33배, 1.31배, 2.14배 증가하는 것으로 나타났다.

이상에서와 같이 탄성받침의 고무재료의 하나인 합성고무는 천연고무(^{Sun and Kim, 2021})에 비해 상대적으로 노화에 대한 내성이 강하지만 노화가 진행될수록(노화촉진온도와 노출시간이 증가) 전단강성이 증가하여 경화됨을 알 수 있다. 이는 탄성받침을 사용하여 교량을 장주기화하여 내진성능을 확보하는 측면에서 보면 고무재료의 경화(전단강성 증가)로 인해 교량의 내진성능이 점차 저하됨을 의미한다. 다만, 탄성받침은 순수하게 고무로만 형성되는 것이 아니고 고무와 강재 보강판이 적층으로 구성되기 때문에 탄성받침에서의 전단강성의 변화율은 이러한 고무재료의 전단탄성의 변화율 보다는 작을 것이라고 충분히 예측할 수 있다. 추후 고무재료와 동일한 노화조건에서의 탄성받침의 전단변형률 특성 변화에 관한 연구가 필요하다.