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ISSN : 2093-5145(Print)
ISSN : 2288-0232(Online)
Journal of the Korean Society for Advanced Composite Structures Vol.10 No.3 pp.8-14
DOI : https://doi.org/10.11004/kosacs.2019.10.3.008

Evaluation of Tensile and Shear Properties of Basalt Fiber Composite Plates Fabricated by Various Resins

YongJu Kwak1, WooYoung Jung2
1Master Course Student, Department of Civil Engineering, Gangneung WonJu National University, Gangneung, Korea
2Professor, Department of Civil Engineering, Gangneung WonJu National University, Gangneung, Korea

본 논문에 대한 토의를 2019년 07월 31일까지 학회로 보내주시면 2019년 8월호에 토론결과를 게재하겠습니다.


Corresponding author: Jung, WooYoung Department of Engineering, Gangneung-Wonju National University, 7 JukHun-gil, Gangneung, Korea Tel: +82-33-640-2421, Fax: +82-33-646-1391, E-mail: woojung@gwnu.ac.kr
May 27, 2019 June 1, 2019 June 3, 2019

Abstract


As the aging structure in Korea increase, interest in research related to structure reinforcement is also on the rise. FRP reinforcement is mainly used to reinforce structures with deteriorated performance due to aging. Glass fiber and Carbon fiber are two commonly use in structure reinforcement. However, these two conventional FRP which has been used up to now are not economically and environmentally friendly. Therefore, this study wanted to present Basalt fiber as structural reinforcement material, which has excellent mechanical properties, excellent fire resistance property and environmentally friendly. In this study, Basalt fiber was impregnated using epoxy, polyester, and vinyl ester resin to find the most suitable resin for constructing the Basalt FRP. Epoxy resin showed the highest performance in term of mechanical properties among the three types of resin. Therefore, tensile and shear tests were carried out for glass and carbon fiber with epoxy resin. Result illustrated that other fibers had less than 50% the performance of carbon fiber. Comparison between BFRP and GFRP showed that tensile strength and shear strength of BFRP were 30% higher than those of GFRP.



다양한 종류의 수지와 현무암섬유를 활용한 복합재료 플레이트의 인장 및 전단 물성치 평가

곽 용주1, 정 우영2
1강릉원주대학교 토목공학과 공학석사
2강릉원주대학교 토목공학과 교수

초록


최근 국내 구조물들의 노후화가 진행됨에 따라 구조물 보강과 관련된 연구에 대한 관심이 높아지고 있다. FRP보강은 노후화가 진행되어 성능이 저하된 구조물을 보강하는데 사용되며 주로 유리섬유 및 탄소섬유를 사용한다. 그러나 이 두 가지의 섬유는 경제적으로나 환경적으로나 나쁜 점이 있다. 따라서 본 연구에서는 친환경적이고 내열성이 우수한 현무암 섬유를 구조 용 보강재로 제시하고자 하였다. 또한 본 연구에서는 현무암 섬유에 가장 적합한 수지를 찾기 위하여 에폭시, 폴리에스테르 및 비닐에스테르를 함침 하였다.그 결과, 에폭시 수지를 사용하였을 때 가장 높은 인장 강도 및 탄성계수를 보였으며 전단강도 및 전단탄성계수가 타 수지에 비하여 50%정도 높게 측정되었다. 현무암섬유와 탄소, 유리 섬유의 물성을 비교한 결과 인장강도는 CFRF의 약 60%정도이나 GFRP보다 30%정도 높게 나타내었다.



    National Research Foundation of Korea
    NRF-2017R1A2B3008623

    1. 서 론

    국내 노후화 구조물 증가로 인해 구조물 보수ㆍ보강 에 대한 관심이 증가하고 있으며 우리나라의 경우 구 조물을 보강하는데 있어 저 중량 고강도 특성을 가진 FRP와 같은 재료를 활용하여 구조물에 부착하는 외 부 부착공법을 주로 활용하고 있다. 현재 구조물 보 강재로 활용되는 FRP는 주로 유리섬유 및 탄소섬유 로 제작된 FRP가 활용되고 있지만 기존의 활용되고 있는 GFRP의 경우 최근 내열성이 약하다는 단점과 재활용에 대한 환경적 제약성이 문제점으로 제기되었 으며 이에 따라 현무암을 1400℃의 고온에서 용융 후 방사하여 제작된 현무암섬유를 활용한 BFRP (Basalt Fiber Reinforced Polymer) 복합재료의 활용성에 대한 연구가 국외에서는 활발히 진행되고 있다. 일반적으 로 현무암섬유는 역학적 성질이 우수하고 기존 섬유 와 비교하여 내열성이 우수하며 제작 및 폐기 시 유 해물질이 발생되지 않아 친환경 섬유로써 고분자 재 료분야에서는 개발되고 있다.

    본 연구에서는 BFRP를 노후화 구조물의 보강용 복합재료로서 적용하기 위하여 BFRP 제조특성에 따 른 인장 및 전단 재료특성 조사를 실험적으로 수행하 였다. 이를 위하여 다양한 복합재료용 수지를 제조 시 적용하였으며 함침된 수지에 따른 특성과 이를 통 한 최적수지를 선정하였다. 또한 상용 복합재료와의 재료적 특성을 비교하기 위하여 유리섬유 및 탄소섬 유 복합재료와의 시험결과를 비교 및 분석하였다.

    2. 시험 계획 및 방법

    2.1 사용재료

    본 연구에 활용된 섬유로는 현무암섬유, 유리섬유, 탄소섬유이며 사용수지는 에폭시수지, 폴리에스테르 수지, 비닐에스테르 수지를 적용하였다. 현무암섬유 는 호주 현무암섬유 제작회사인 BASALT FIBER Tech. 에서 구매한 Unidirectional 섬유와 Plain Weave 섬유를 사용하였으며 유리섬유와 탄소섬유는 국내 섬유회사인 (주)한국카본에서 제작된 Plain Weave 섬 유를 사용하였다. 본 연구에서 적용된 섬유와 수지 의 정보들은 Table 1에서 5에 각각 나타내었다. Table 2, 3, 4

    2.2 시편 제작

    인장시편의 규격 및 형상은 ASTM D3039/D3039M 기 준에 따라 Fig. 1과 같이 제작하였으며 Table 6에 시 편규격을 나타내었다. 또한 시편의 형상을 살펴보면 지그와 시험편이 물리는 부분에서 국부응력이 발생하 여 지그접합부에서 파단이 일어나는데 이를 방지하고 시험편 정중앙에서 파단을 유도하기 위해 Tab을 부착 하여 접합부의 두께를 증가시켰다.

    시험에 활용된 모든 시편은 Hand Lay-up 공법을 활 용하여 제작하였으며 시험결과의 신뢰성을 위하여 각 시편 당 5개의 시편을 제작하여 그 결과를 제시하였다.

    인장시험으로 도출되는 인장강도, 탄성계수 및 포 아송 비는 ASTM D3039/D3039에 제시된 표준식을 참 고하여 다음과 같이 계산하였다.

    F t u = P max / A
    (2.1)

    • Ftu = ultimate tensile strength, MPa

    • Pmax = maximum load before failure, N

    • A = average cross-sectional area, mm²

    E t c h o r d = Δ σ / Δ ε
    (2.2)

    • E t c h o r d = tensile chord modulus of elasticity, GPa

    • Δε = difference in applied tensile stress, MPa

    • Δσ = difference between the two strain point (norminally 0.002)

    ν = Δ t / Δ l
    (2.3)

    • ν = Poisson’s ratio

    • Δt = difference in lateral strain between the two transverse strain, μ∈

    • Δl = difference between the two longitudinal strain, μ∈ (norminally either 0.001,0.002, or 0.005)

    전단시편의 규격 및 형상은 ASTM D4225/D4225M 기준에 따라 Fig. 2와 같이 제작하였으며 Table 7에 시편규격을 나타내었다.

    ASTM 기준에 제시된 전단시편의 경우, 시험 시 전단력을 적절하게 가력하기 위하여 Two-Rail 또는 Three-Rail 지그를 필요로 하는데 본 연구에서는 Two-Rail 지그를 직접 설계, 제작하여 시험을 수행하 였다. 지그의 형상은 Fig. 3과 같다.

    전단시험으로 도출되는 전단강도, 탄성계수는 ASTM D4225/D4225에 제시된 표준식으로 계산하였으며 다음과 같다.

    τ x y = P max A
    (2.4)

    • τxy = ultimate shear stess, MPa

    • Pmax = the maximum load before failure, N

    • A = cross-secional area at test section, mm²

    G c h o r d = Δ τ / Δ γ
    (2.5)

    • Gchord = chord modulus of elasticity, GPa

    • Δτ = difference in applied shear stress between the two strain point, MPa

    • Δγ = difference between the two shear strain point (nominally 0.004)

    인장 및 전단 재료시험에 요구되는 하중조건을 만 족하기 위하여 100KN 용량의 UTM 만능재료시험기를 사용하였다. 인장시험 시 가력조건으로는 일반적인 복합재료 시험에서 적용된 2mm/min로 재하 하였으며, 전단시험 시에는 1mm /min의 속도로 가력하여 시험 을 진행하였다. 또한 시험에 의해 도출된 데이터를 수집하기 위하여 시편 정중앙에 스트레인게이지를 완 전 부착시켰으며 데이터 로거를 활용하여 데이터를 측정하였다. 사용된 UTM 장비 및 데이터로거, 스트 레인게이지는 Fig. 4에 나타내었다.

    3. 시험변수 및 물성치 평가

    BFRP는 현무암섬유와 수지로 구성되어 있으며 둘 사 이의 결합성은 복합재료의 특성을 결정하는데 무엇보 다 중요하다. 본 연구에서는 제조 시 현무암섬유와의 결합성을 조사하기 위하여 최적수지 선정을 위한 실 험을 수행하였다. 선정 기준으로는 시험결과로 도출 되는 제조수지별 최대강도 및 탄성계수를 기준으로 고려하였으며 대상 수지로는 에폭시 수지, 폴리에스 테르 수지, 비닐에스테르 수지를 각각 동일한 함침비 율로 제조하여 인장시편과 전단시편을 제작, 재료시 험을 수행하였다.

    3.1 인장시험 결과

    인장실험에서는 Fig. 5에 보이는 것과 같이 인장력을 가하여 시험을 수행하였으며 시험에 사용된 시편별 특징들을 섬유와 수지 및 섬유방향을 정리하여 Table 8.과 같이 나타내었다. 일반적으로 재료시험 시 고려 되는 섬유의 배열방향의 경우 0°와 90° 양방향으로의 물성치를 조사하게 되므로 본 연구에서는 두 방향에 대한 물성치 조사를 위한 시편을 각각 제작하였다.

    인장시험에서 도출된 파단형태를 살펴보면 Tab을 부착했음에도 불구하고 파단면으로 고려되어 스트레 인게이지가 붙여진 정중앙보다 주로 시험체의 단부에 서 파단이 부분적으로 발생하는 것을 확인할 수 있었 다. 이는 Tab 제작 시 각도를 조정하지 않아 응력이 갑작스럽게 집중되었거나 Tab의 길이가 상대적으로 짧아 단부에서 파단이 났을 것으로 예상된다. 또한 0° Unidirectional 섬유의 경우 섬유가 끊어지듯이 파단된 형상을 보였으며 이는 단일 방향 섬유의 특성으로 보 인다.

    각 함침된 수지별 종류에 따른 인장시험 결과로는 BE-90(T), BP-90(T), BV-90(T) 시험체의 인장강도 평 균값은 각각 337.07MPa. 324.06MPa, 317.01MPa로 나 타났으며 에폭시를 사용하여 함침한 복합재료 시험체 의 경우가 가장 높은 강도를 나타내었다. 수지배열방 향으로 제작된 BE-0(T), BP-0(T), BV-0(T) 시험체의 경우 726.38MPa, 691.44MPa, 708.67MPa로 최대강도 측 면에서 보았을 때 이전 시험체와 동일하게 에폭시수 지로 함침한 BFRP가 최대강도 측면에서 가장 우수한 것으로 나타났다. 이는 탄성계수에 대해서도 동일한 결과를 확인할 수 있었는데 BE-0(T), BP-0(T), BV-0(T) 시험체에 대한 평균값은 각각 23.63GPa, 15.28GPa, 22.91GPa을 나타냈으며 BE-0(T), BP-0(T), BV-0(T) 시험 체에 대한 평균값은 각각 30.08GPa, 27.21GPa, 28.50GPa 로 탄성계수 또한 에폭시 수지로 함침한 경우 가장 큰 탄성계수 값을 나타내었다. Fig. 6, 7

    3.2 전단시험 결과

    FRP 시편의 전단 물성치를 평가하기 위한 시험으로 인장시험과 동일한 10KN 용량의 UTM 만능재료시험 기 이외에 자체 제작된 전단지그를 결합하여 Fig. 8과 같이 시험을 수행하였다. 전단시험의 메커니즘은 Fig. 9에 제시하였다.

    시험에 사용된 시편의 종류와 재료특성은 Table 9 에 나타내었으며 시험에 사용된 섬유의 형태는 인장 시편과 동일한 0° Unidirectional 현무암섬유가 사용되 었다.

    각 제작시편에 따른 전단시험 결과를 살펴보면 BE-0(S), BP-0(S), BV-0(S) 시편의 경우, 최대 전단강 도로 각각 125.42 MPa, 72.71MPa, 64.29MPa 측정되었 으며 이는 에폭시수지, 비닐에스테르수지, 폴리에스테 르수지 순으로 높은 전단강도를 나타내었다.

    특히 Fig. 10에서 보이듯 에폭시수지를 사용하여 현무암섬유와 함침한 경우 다른 시편에 비하여 눈에 띄게 높은 값을 나타냄을 확인할 수 있다. 각 시편별 전단 탄성계수 값을 비교해본 결과 BE-0(S), BP-0(S), BV-0(S) 시편에서 측정된 값이 각각 3.57GPa, 2.73GPa, 2.86GPa로 전단 탄성계수의 경우에도 인장 탄성계수 와 동일하게 에폭시수지로 함침한 경우 가장 높은 값 을 나타내었다. 나머지 두 수지로 함침된 시편의 경 우 비슷한 값을 보였으나 에폭시 함침 시편에 비하여 다소 많은 차이를 나타내었으며 BV-0(S) 시험편이 상 대적으로 큰 값을 나타내었다.

    본 재료시험을 통하여 도출된 최종 결과로는 인장 시험과 전단시험 모두 에폭시수지를 활용한 경우 가 장 높은 기계적 성질을 보였으며 따라서 현무암섬유 를 동일한 환경 하에 제작하여 활용하는 경우 에폭시 수지를 함침하여 시편을 제작하는 경우 가장 우수한 물성치를 얻을 수 있을 것으로 판단된다.

    3.3 섬유 종류에 따른 물성치 평가

    본 실험은 BFRP의 기계적 성질을 검증하기 위하여 최적 함침수지 선정을 위한 시험을 우선적으로 수행 하였다. 그 결과 최적 수지로 선정된 에폭시를 함침 한 BFRP 복합재료 제작을 통하여 CFRP, GFRP로 제 작된 시편과의 인장 및 전단에 대한 최대 강도 및 탄 성계수를 비교, 평가하였다.

    동일한 조건으로 직조된 섬유와 에폭시로 함침된 시편을 제작, 성능을 비교하기 위하여 본 시험에 사 용된 모든 섬유의 형태로는 Plain Weave 직조형태로 동일 시 하였다. 비교 시험에 사용된 수지 및 섬유, 섬유형태 등은 Table 10에 정리하여 나타내었다.

    섬유 종류에 따른 FRP 인장 및 전단시험 결과를 살펴보면 먼저, 인장시험의 경우 인장강도 및 탄성계 수의 평균값은 Fig. 11에서 확인할 수 있듯이 CFRP가 인장강도 1,265MPa로 눈에 띄게 높은 것을 확인할 수 있다. GFRP와 BFRP의 인장강도 비교에서는 571.46MPa, 778.59MPa로 BFRP의 인장강도가 다소 높게 나타나는 것을 확인할 수 있다.

    전단시험의 경우 전단강도를 살펴보면 CE-P(S), BE-P(S), GE-P(S) 시편이 각각 147.74MPa, 71.92MPa, 53.32MPa로 탄소섬유를 활용하여 제작한 복합재료가 기대한 바와 같이 가장 높은 값을 나타내었으며 그 다음으로는 현무암섬유, 유리섬유 복합재료 순으로 전단강도의 차이가 나타났다. Fig. 12를 살펴보면 더 확실한 성능 차이를 확인할 수 있다.

    전단탄성계수의 경우, CE-P(S), BE-P(S), GE-P(S) 시편에서 각각 3.98GPa, 2.37GPa, 2.20GPa로 나타나 전단강도의 패턴과 같이 CE-P(S)시편에서 가장 높은 값을 나타내었으며 BE-P(S), GE-P(S) 시편 순으로 약 간의 차이를 보였다.

    BFRP의 전단강도 및 전단탄성계수를 GFRP 및 CFRP와 비교한 결과, 인장성능평가 결과와 마찬가지 로 CFRP는 두 섬유시편에 비하여 눈에 띄게 높은 강 도를 보였으며 GFRP와의 비교에서는 미미하지만 상 대적으로 우수한 성질을 확인할 수 있었다. 따라서 현무암섬유를 활용한 복합재료의 역학적 성능이 현재 구조물 보강재로 널리 활용되는 GFRP와의 비교 시 거의 유사하거나 상대적으로 우수한 성질을 보이므로 향후 건설용 보강재로 적용하기에 큰 문제점은 없을 것으로 보인다.

    4. 결 론

    본 연구의 목적은 BFRP를 노후화 구조물의 보강용 복합재료로서 적용하기 위하여 BFRP 제조특성 및 인 장 및 전단 물성치 조사를 수행하였다. 이를 위하여 현무암섬유와 여러 종류의 수지와의 함침을 통하여 최적수지를 선정하였으며 기존 복합재료와의 물성치 비교를 위하여 유리섬유 및 탄소섬유 복합재료로 제 작된 시편에 대한 인장 및 전단시험 또한 수행하였 다. 최종적으로 도출된 결론은 다음과 같다.

    • 1) BFRP의 함침수지에 따른 기계적 성능평가 결 과, 인장시험의 경우 에폭시수지로 함침하였을 때 가장 높은 인장강도 및 탄성계수를 보였으 며 전단시험의 경우 마찬가지로 에폭시수지로 함침 시 전단강도 및 전단계수가 타 수지에 비 해 평균 50% 높은 것으로 나타났다.

    • 2) BFRP와 CFRP, GFRP의 인장강도를 비교한 결 과, BFRP의 최대 인장강도는 CFRP의 약 60% 에 불과하나 GFRP 보다 약 30% 정도 높은 것 으로 나타났다.

    • 3) BFRP의 전단강도는 CFRP의 약 50%에 불과하 나 GFRP 보다 약 30% 높은 것으로 나타났다.

    본 연구에서 도출된 결과들은 모두 에폭시 수지를 함침 매트릭스로서 활용한 결과로서 향후 건설용 보 강재로의 BFRP 재료의 적용성과 타당성을 검토한 기 초연구로서 그 가치가 있다고 판단된다.

    ACKNOWLEDGMENT

    This work was supported by the National Research Foundation of Korea(NRF) grant funded by the Korea government(MSIT) (NRF-2017R1A2B3008623).

    Figure

    KOSACS-10-3-8_F1.gif
    Tensile Test Specimen
    KOSACS-10-3-8_F2.gif
    Two Rail Shear Test Specimen
    KOSACS-10-3-8_F3.gif
    Two Rail Shear Test Fixture
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    Test Machine and Device
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    Tensile Test
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    Result of Tensile Test according to Resin (90° Uni.)
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    Result of Tensile Test according to Resin (0° Uni.)
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    Shear Test
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    Shear Test Mechanism
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    Result of Shear Test according to Resin
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    Result of Tensile Test according to FRP
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    Result of Shear Test according to FRP

    Table

    Basalt Fiber Unidirectional
    Basalt Fiber Plain Weave
    Glass Fiber Plain Weave
    Carbon Fiber Plain Weave
    Resin Information
    Tensile Test Specimen Dimension
    Two Rail Shear Specimen Dimension
    Specification of Tensile Test Specimen
    Specification of Shear Test Specimen
    Specification of Tensile/Shear Test Specimen

    Reference

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