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ISSN : 2093-5145(Print)
ISSN : 2288-0232(Online)
Journal of the Korean Society for Advanced Composite Structures Vol.7 No.3 pp.35-40
DOI : https://doi.org/10.11004/kosacs.2016.7.3.035

An Experimental Study for Calculating Proper Mix Proportion according to Curing Time of Synthetic Resins in FRP Hybrid Bar

Ki-Tae Park1 , Hee-Ju Kim2, Young-Jun You1 , Sang-Yoon Lee3, Dong-Woo Seo4http://orcid.org/0000-0002-0412-7389
1Research Fellow, Structural Engineering Research Institute, Gyeonggi-Do, Korea
2Research Manager, Infrastructure Division, KAIA, Gyeonggi-Do, Korea
3Senior Researcher, Structural Engineering Research Institute, Gyeonggi-Do, Korea
4Research Specialist, Structural Engineering Research Institute, Gyeonggi-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
August 23, 2016 September 7, 2016 September 8, 2016

Abstract

FRP Hybrid Bar, composite structures composed of synthetic resins, deformed bar and glass fiber, was invented in order to solve corrosion of rebar in reinforced concrete structures. In order to bond deformed bar and glass fiber to FRP Hybrid Bar, synthetic resins is used. Curing time of the synthetic resins greatly affect productivity. If curing time of synthetic resins is short, cost of facilities is reduced and productivity is increased. Also, If this curing time is shorter or omitted, FRP Hybrid Bar can be commercialized. So, it can cause mass-production and substantial economic effect. Therefore, in this paper, optimum mix proportion is observed in order to increase economic efficiency of FRP Hybrid Bar and reduce curing time of synthetic resins. Total 9 variables are set, adjusting ratio of hardener ratio, and 3 resin moulds on each variables are fabricated. Optimum mix proportion is suggested based on data measured by temperature sensor.


FRP Hybrid Bar의 수지 경화 속도에 따른 적정 배합비 산출을 위한 실험적 연구

박 기태1 , 김 희주2, 유 영준1 , 이 상윤3, 서 동우4http://orcid.org/0000-0002-0412-7389
1한국건설기술연구원 구조융합연구소 연구위원, 공학박사
2국토교통과학기술진흥원 국토인프라실 연구원, 공학박사
3한국건설기술연구원 구조융합연구소 수석연구원, 공학박사
4한국건설기술연구원 구조융합연구소 전임연구원, 공학박사

초록


    KOREA INSTITUTE of CIVIL ENGINEERING and BUILDING TECHNOLOGY

    1.서 론

    우리나라 주요 인프라의 대표적인 형태인 철근콘크리 트 구조물은 다양한 부식 환경에 노출되어 철근 부식 이 발생한다. 이로 인해 콘크리트 구조물의 수명은 단축되고, 잦은 유지보수가 요구되며 그에 따른 많은 비용이 발생하게 된다. 또한 철근 부식으로 인한 단 면 손실은 내하력 감소, 부착력 저하 등의 구조물 안 전성에 영향을 준다. 국외의 경우 일본, 유럽, 캐나다, 미국 등을 중심으로 철근부식을 방지하기 위한 다양 한 연구(ACI, 1996)되고 있으며, 이에 대한 대안으로 강력히 대두되고 있는 것이 FRP 복합재료를 활용하 는 것이다.

    현재 복합재료를 활용하여 제품으로 개발하여 시판 되고 있는 FRP Bar는 여러 가지 형태가 있다. 대표적 인 제품으로서 1990년대 후반에 개발된 제품이고 캐 나다에서 개발되어 시판 중인 V·ROD는 열경화성 수지로 제작되고 있으며, ASLAN은 미국에서 개발되 어 시판 중인 GRFP Bar이다. Fig. 1.

    국내에서는 한국건설기술연구원(KICT, 2006)에서 Fig. 2와 같이 철근과 유사한 형태를 가진 유리섬유강 화폴리머(Glass fiber polymer, GFRP) 보강근을 개발하 였으며, FRP Hybrid Bar의 역학 성능에 대한 실험과 연구(You et al, 2015)(You et al, 2014)(Hwang et al, 2014)는 선행연구에서 수행되었다.

    FRP Hybrid Bar의 생산성 향상을 위해서는 공정의 간략화와 생산속도 향상에 대한 방안이 마련되어야 한다. 수지배합에 따른 경화속도는 FRP Hybrid Bar 제작시 열경화 구간을 통과하는 시간에 영향을 미칠 수 있는 중요한 변수이다.

    FRP Hybrid Bar는 열경화성 수지를 사용하여 경화 를 진행시키게 되는데, 현재 공정에서 사용중인 수지 를 이용하여 상온에서 최단시간의 경화를 보이는 배 합비를 생산공정에 적용할 경우 생산시간을 단축할 수 있으리라 사료된다. 그러므로 본 연구에서는 수지 배합비를 설계변수로 하여 각각의 경화속도를 고온에 의한 경화시간 도출에 앞서 상온에서 비교하는 실험 을 실시하였다. 이를 통하여 생산속도를 증가시키고 공정의 간략화를 이룰 수 있는 적정 배합비를 도출하 였다.

    2.FRP Hybrid Bar 소개

    2.1.FRP Hybrid Bar의 재료적 특성

    본 연구에서 다루고 있는 FRP Hybrid Bar는 Fig. 3과 같이 합성수지와 이형철근, 유리섬유로 구성된 복합 구조체이며 기존 철근에 유리섬유(GFRP)로 피복된 형태이다. 이형철근은 기존의 철근과 동일한 제품을 사용하였으며, 다양한 직경을 이용하여 제작할 수 있 다. 철근을 감싸고 있는 유리섬유는 높은 비강도, 뛰 어난 내부식성, 비자기성 등 많은 장점을 가지고 있 는 재료이다. 하지만 소성거동을 보이는 강재와는 달 리 취성적으로 파괴되고 탄성계수가 철근의 1/4 정도 로 낮은 재료특성 때문에 건설 구조물에서 소극적으 로 활용되고 있다. 이러한 단점은 강재를 혼합함으로 써 개선할 수 있으며, 기존의 이형철근을 감싸는 형 태로 제작하여 높은 인장강도를 확보할 수 있다.

    유리섬유와 내부 철근을 밀착시키는 합성수지는 실 과 같이 연속된 유리섬유 사이로 함침되어 철근과 유 리섬유를 단단하게 연결하는 역할을 한다. 그리고 외 력이 작용했을 때 단면 내 모든 섬유와 수지가 외력 을 받는 메카니즘이 이루어진다. 이러한 메카니즘에 근거하여 강재와 섬유가 혼합되어 있는 FRP Hybrid Bar의 경우 기계적인 연결장치가 없는 한 유리섬유와 철근의 일체화를 이루기 위해 수지의 접착강도가 반 드시 확보되어야 한다.

    특히 전단면에 FRP와 수지로 구성되는 기존 FRP Bar와 달리 FRP Hybrid Bar는 내부에 강재가 배치되 는 형태이다. 이로 인해 FRP와 수지로 배합되는 체적 이 상대적으로 매우 작아지므로 수지의 배합비 및 경 화속도를 적절하게 결정하는 것이 매우 중요하다.

    2.2.FRP Hybrid Bar의 제작방법

    FRP Hybrid Bar의 제작 순서는 Fig. 4와 같으며, 상세 공정은 다음과 같다. 먼저 유리섬유를 수지에 함침시 키고, 섬유와 합성되는 재료를 노즐에 통과시켜 심재 를 형성시킨다. 노즐을 통과한 심재의 외부에 돌기사 를 감아 돌기를 형성시키고, 피복 섬유를 직조하여 피복을 형성시키는데, 섬유를 직조하는 방식은 Ko et al. (1997)이 제안한 브레이드트루젼(Braidtrusion) 공정 을 개선한 방식을 적용한다.

    이러한 브레이딩 공정을 통하여 강화섬유다발과 돌 기를 형성하는 섬유에 장력이 도입되는데, 이는 섬유 다발을 일정한 배열상태로 만들고 공극을 감소시키는 역할을 한다. 그 후 피복된 FRP hybrid Bar를 온도 90~110°C의 열관에 통과시키는 경화공정을 거쳐서 제 품이 완성된다(You et al, 2015).

    3.수지 배합비에 따른 경화속도 검토

    3.1.합성수지의 종류

    FRP Hybrid Bar 제작에 사용되는 수지는 두 가지 이 상의 재료를 조합하여 물리적 및 화학적으로 재료가 원래의 성질을 유지하면서 원래의 재료보다 우수한 성능을 갖도록 복합재료를 사용한다. 복합재료의 구성 성분은 크게 강화재(reinforced material)와 모재(matrix) 로 크게 나눌 수 있다. 강화재의 한 종류가 섬유이 며, 모재는 고분자 복합재료, 금속 복합재료, 세라믹 복합재료, 고무 복합재료 등이 있다. 모재는 섬유 사 이에서 응력을 전달하며, 외부 유해 환경과 기계적인 마모로부터 강화재인 섬유를 보호하는 역할을 한다.

    고분자 복합재료는 크게 열경화성 수지와 열가소성 수지로 나뉜다. 열가소성 수지란 어느 온도에서나 가 열하면 연화하고 냉각하면 고화하는 성질을 나타내는 재료로서 자유로이 변형이 되며 화학적 변화를 일으 키지 않는다. 이에 반해 열경화성 수지는 가열하면 화학적 변화를 일으켜 굳는 재료이다. 본 연구에서는 제작 시간을 단축하고 경제성을 확보하기 위하여 열 경화성 수지를 사용하였다.

    본 연구에서 FRP Hybrid Bar 제작에 사용되는 수 지는 열경화성을 가진 비닐에스터 수지이다. 이 수지 는 산, 알칼리에 대한 뛰어난 내식성과 기계적 강도, 경화성이 우수하여 다양한 내식기계 분야에 광범위하 게 사용되고 있는 수지이다. 그리고 경화제, 왁스가 첨가되지 않은 형태이므로 사용시 경화제를 첨가해야 경화가 되는 특징을 가지고 있다. 경화시간은 제작 온도에 따라 상이하게 나타나는데 온도가 낮을수록 경화시간이 길어진다. 수지를 상온(25°C)에서 경화시 킨다면 경화되는데 최소 이틀 이상이 소요되는 것을 확인하였으며, 수지의 제품 사양은 Table. 1과 같다. 여기에서 수지는 애경화학의 DION-9100 제품을 사용 하였다.

    3.2.합성수지 배합비

    열경화성 수지를 사용하면서 작업속도를 단축시키고 경화성을 증대시키기 위해 합성수지의 배합비를 이용 하여 경화시간을 조절할 수 있다. FRP Hybrid Bar 제 작시 경화과정을 거치기 때문에 합성수지의 양생 속 도는 생산성에 큰 영향을 미치는 요소이다. 따라서 적정의 경화시간을 찾기 위하여 합성수지의 배합비를 설계변수로 하는 실험을 수행하였다.

    본 실험에 사용된 배합 비율 현재 FRP Hybrid Bar 의 제작에 사용되고 있는 수지의 배합비를 기준으로 Table. 2에서 볼 수 있듯이 서로 다른 9가지 case로 구분하여 각각 3개씩, 총 27개의 시험체를 제작하여 실험하였다.

    본 실험에 사용된 합성수지는 2종류의 경화제를 혼 합한 형태이다. 열경화성 수지는 경화제의 양에 따라 속도가 결정되므로 이를 설계변수로 설정하여 배합비 를 산정하였다. 수지재료를 기준으로, 고온경화제와 저온경화제에 차등의 비율을 주어 비교 실험을 수행 하였다. 여기에서 고온경화제와 저온경화제는 애경화 학의 HETRON-922 제품과 PERKDOX-16 제품을 각 각 사용하였다.

    3.3.실험방법

    수지배합비에 따른 경화시간을 확인하기 위하여 온도 센서와 데이터 로거를 이용하여 배합비에 따른 경화 온도를 4주 동안 측정하였으며, Fig. 5는 실험절차를 나타내고 있다.

    Table. 2에 제시된 설계변수에 따라 전자저울을 이 용하여 수지를 소요의 용량만큼 계량하였다. 계량된 수지와 경화제를 바이브레이터를 이용하여 가루경화 제가 사라질 때까지 믹싱한 뒤, 혼합된 합성수지를 경화용기에 옮겨 담는다. 합성수지 몰드의 중심에 센 서가 위치하도록 고정 한 뒤 온도센서를 데이터 로거 에 연결하고, 측정주기를 30초로 하여 각각의 몰드별 온도를 계측하였다.

    4.실험 결과

    4.1.수지경화를 위한 경화제비

    수지를 경화시키기 위해 2가지의 경화제를 사용하였 고, 각 case별 경화제 비율을 달리하여 실험을 수행하 였다. Table. 3과 같이 경화제비에 따라 수지의 경화 유‧무가 차이가 있음을 확인할 수 있었다.

    Case 1의 경우 경화제의 비율이 가장 낮은 0.4%로, 실험이 종료되는 4주 동안 일정한 온도를 유지한 채 경화되지 않았다. case 1을 제외한 나머지 8가지 경화 제비는 비율에 따라 경화시간의 차이는 보였지만 모 두 경화되는 것을 확인할 수 있었다. FRP Hybrid Bar 에 사용되는 수지가 경화되기 위해서는 최소 0.45% 이상의 경화제가 필요하다는 것을 알 수 있었다.

    4.2.경화시간에 따른 적정배합비 제안

    FRP Hybrid Bar를 구성하고 있는 수지의 경화속도를 확인하기 위하여 각각의 case별로 온도변화를 측정하 였다.

    Fig. 6과 Fig. 7은 case5와 case6의 시간에 따른 수 지의 온도변화 및 최고온도상승 구간을 확대하여 도 시한 것이다. 실험이 시작되고 난 이후 일정시간 이 후에 고온의 온도변화를 확인할 수 있는데, 이는 고 온구간으로 접어들 때 수지의 경화가 시작되는 것이 라 할 수 있다. 반면, case1의 경우 일정 시간이 경과 된 후에도 온도변화를 확인할 수 없었는데, 이는 충 분한 경화제가 배합되지 않아 수지의 경화가 발생하 지 않는 것으로 판단된다.

    Case2부터 case9의 배합비는 수지경화가 시작되었 으며, 각각의 case 별 최고온도와 경화소요시간은 Table. 4와 같다. 저온경화제와 고온경화제 적용량이 증가할수록 양생시간은 감소한 반면, 최고경화온도는 점차 증가하는 양상을 보이고 있었다.

    Case2는 case1보다 경화제의 양이 2.5g 더 추가된 배합비를 적용하였으며, 169hr(약 7일)일 때 170°C의 최고 경화온도를 보이며 경화되었다. Case3는 기존 FRP Hybrid Bar 제작 시 사용하고 있는 배합방식으 로써 164hr(약 7일) 172°C의 최고 경화온도를 보이며 case2에 비해 약 5시간 정도 빨리 경화되었다. Case4 는 193°C의 최고 경화온도를 보였으며 124hr(약 5일) 의 경화시간을 보였다. 모든 case에 비해 가장 높은 경화온도와 짧은 경화시간을 보였으며, 이는 기존에 사용하고 있는 case3 배합비 보다 경화시간 측면에서 는 우수하다는 것을 알 수 있다. Case5는 case4보다 경화제의 양이 늘었지만 오히려 경화소요시간은 더 길게 나타났다. 이를 통해 경화제의 양이 많을수록 경화시작시간이 단축되는 것은 아니며 최적의 적정량 이 있다는 것을 알 수 있다.

    Case6과 case9는 고온경화제의 양이 상대적으로 많 은 경우이고 case7과 case8은 저온경화제의 양이 많은 경우이다. case7과 case8은 약 6일째 수지경화가 발생 하였으며, 최고온도는 170°C를 상회하는 것을 보였다. 이에 비해 case6과 case9는 약 7일과 약 9일째 수지가 경화되기 시작하였고, 온도도 다른 case에 비해 상대 적으로 낮게 측정되었다. 그러므로 수지의 경화에 상 대적으로 더 큰 영향을 미치는 경화제는 저온경화제 인 것을 확인할 수 있다.

    5.결 론

    본 연구에서는 FRP Hybrid Bar의 수지 경화 속도에 따른 적정 배합비 산출을 위하여 실험을 수행하였다. 총 9개의 배합비를 대상으로 하여 경화시간을 검토하 였으며, 분석 결과 도출된 결론은 다음과 같다.

    1. FRP Hybrid Bar에 사용되는 수지를 경화시키기 위해 사용되는 경화제는 본 연구에서 사용된 수지와 경화제를 기준으로 할 때, 최소 0.45% 이상의 구성비 를 확보해야 함을 알 수 있었다.

    2. 상온에서 진행된 경화실험의 경우 case4(저온 및 고온 경화제 비율 각 0.55%)의 배합비가 모든 case에 비해 가장 짧은 수지경화시간을 나타내었다. 이로부 터 FRP Hybrid Bar의 제작시간 단축을 통한 생산성 향상에 가장 적합한 적정 배합비는 case4이다.

    3. 수지의 경화에 영향을 미치는 경화제 중 저온경 화제의 양이 고온경화제에 비해 수지 경화시간에 더 큰 영향을 미치는 것을 실험을 통해 확인한 바, 수지 경화시간 조정을 위해 저온경화제의 적용 양 조절이 필요함을 알 수 있었다.

    감사의 글

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

    Figure

    KOSACS-7-3-35_F1.gif

    Overseas kinds of RFP bar

    KOSACS-7-3-35_F2.gif

    Developed FRP Bar

    KOSACS-7-3-35_F3.gif

    Section of FRP Hybrid Bar

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    Step-by-step production process

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    Experiments step-by-step procedures

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    experiment result of case5

    KOSACS-7-3-35_F7.gif

    experiment result of case6

    Table

    Resins product specifications

    Experimental ratio

    Hardening of the ratio

    The maximum temperature and curing time

    Reference

    1. American Concrete Institute (ACI) (1996) State-of-the-Art Report on Fiber Reinforced Plastic (FRP) Reinforcement for Concrete Structures ACI 440R-96 Committee 440, Vol.3
    2. FRP Bar by hybridizing with Steel Wires , Journal of the Korea Institute for Structural Maintenance and Inspection,
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