지난 몇십 년간 철근콘크리트 구조물에는 대부분 항복강도 415MPa(415N/mm²) 철근이 보, 거더, 기둥에 쓰였고, 특수 모멘트 저항 골조에 속하지 않는 기둥에는 간혹 500MPa급이 사용되었습니다. 하지만 현재는 고층 콘크리트 건물과 내진 설계가 중요한 구조물에서 415MPa급을 대체해 고강도 철근이 널리 쓰이고 있습니다. 이는 지진 하중에 효과적으로 대응하기 위함입니다. 일반적으로 고강도 철근은 항복강도(YS) 500MPa 이상인 철근으로 정의됩니다. 일본에서는 내진 부재에 항복강도 690MPa급 철근이 이미 실용화되어 있습니다.
보, 거더, 기둥에 활하중과 고정하중을 지지하는 더 높은 강도의 철근 적용 가능성을 평가하는 다수의 연구가 수행되었습니다. 이 연구들은 내진·비내진 용도 모두에서 고강도 철근 수요가 늘고 있음을 보여줍니다. 콘크리트 구조물에 고강도 철근을 사용하면 공사비 절감, 공기 단축, 철근 혼잡도 완화 등 다양한 이점이 있습니다.
미국에서는 현재 항복강도 830MPa에 이르는 철근이 다양한 기계적·화학적 특성을 갖춰 개발 중입니다. 신규 고강도 철근은 여러 생산 방식으로 만들어지지만, 어느 것도 415MPa급의 기준 기계적 물성을 완벽히 만족하지는 못합니다. 각 고강도 철근은 저마다 기준 거동과 다른 특성을 보입니다. 연성이 낮은 고강도 철근은 굽힘 부위에서 파손될 수 있고, 더 큰 굽힘 반경이 필요할 수 있다는 우려가 있습니다.
일본에서는 1993년 종료된 5개년 'New RC' 프로젝트에서 내진 건축물용 고강도 철근 표준을 제정했습니다. 이 표준과 주요국 표준을 비교한 것이 표 1입니다.
| 표 1 고강도 철근 주요 표준 비교 | ||||
|---|---|---|---|---|
| 순번 | 국가 | 표준 | 항복강도(MPa) | 비고 |
| 1 | 일본 | New RC 프로젝트(1993) | 980 | 횡방향 철근 전용 1275MPa급 포함 |
| 2 | 미국 | ASTM A1035-14 | 830 | 미세조직 제어로 고항복강도 구현 |
| 3 | 인도 | IS 1786-2008 | 650 | 최대 탄소당량(CE) 0.53인 미세합금강 |
| 4 | 러시아 | GOST 10884-94 | 1200 | 실리콘 2.3% 첨가로 고항복강도 달성 |
| 5 | 한국 | KS D3504-11 | 700 | 탄소당량 0.63까지 허용 |
| 6 | 우크라이나 | DSTU 3760-06 | 1000 | |
| 7 | 영국 | BS 6744-01 + A2:09 | 650 | 스테인리스 철근 |
| 8 | 중국 | GB 1499.2-07 | 500 | 최대 탄소당량 0.55 |
참고: 탄소당량 CE = C + Mn/6 + (Cu + Ni)/15 + (Cr + Mo + V)/15
고강도 철근 생산에는 주로 세 가지 방식이 쓰입니다. (1) 냉간 가공, (2) 합금 원소 첨가, (3) 압연 중 담금질·뜨임(퀜칭·템퍼링). 담금질·뜨임으로 생산된 철근은 인장강도/항복강도 비가 상대적으로 낮고 파단 신율이 높은 편입니다. 미세합금화로 생산된 철근은 인장강도/항복강도 비가 상대적으로 높고 파단 신율도 높습니다. 이들 방식은 그림 1에 도식화되어 있습니다.
냉간 가공은 고강도 철근을 생산하는 전통적 방식입니다. 냉간 압연, 냉간 비틀기, 냉간 인발 등 냉간 가공 공정으로 강재를 변형시킵니다. 이 방식은 용접성이 좋은 저탄소·망간강으로 고강도 철근을 만들 수 있습니다. 열간 압연 후 철근에 변형 경화를 가해 항복강도를 높이며, 변형 정도를 늘릴수록 항복강도도 올라갑니다. 냉간 가공은 강재의 재결정 온도 이하에서 이루어지며, 결정 격자 내 전위(dislocation) 생성과 이동을 유발합니다. 전위는 결정학적 결함으로, 항복강도와 연성에 큰 영향을 미칩니다. 냉간 가공은 항복 평탄부를 없애고 강재를 경화시키지만, 연성과 인장강도/항복응력 비를 모두 낮춥니다. 따라서 내진 부재용 고강도 철근 생산에는 일반적으로 적합하지 않습니다.
이 방식은 탄소와 망간 함량을 낮게 유지해 용접성 저하를 막으면서 합금 원소를 첨가해 항복응력을 높입니다. 보통 티타늄(Ti), 니오븀(Nb), 바나듐(V)을 소량 첨가하는 미세합금화(micro-alloying)로 고강도를 구현합니다. 미세합금화 철근은 공기 냉각 후 압연 상태 그대로 사용합니다. 미세합금화는 690MPa급 기준 인장강도/항복응력 비 1.25 이상을 달성할 수 있어 담금질·뜨임 철근보다 높은 비율을 보입니다.
미세합금화는 금속간 탄화물을 형성해 미세결정 강화와 침전 경화를 유도합니다. 열기계 공정(압연) 중 평면 결함(결정립계)을 핀닝(pinning)해 매우 미세한 결정립을 만드는데, 결정립이 미세할수록 항복응력이 높아지는 홀-페치 효과(Hall-Petch 효과)가 작용합니다. 금속간 탄화물이 페라이트립 내에 분산되면 선 결함(전위)도 핀닝되어 항복응력이 추가로 상승합니다(침전 경화).
담금질은 오스테나이트 상(강재가 재결정하는 온도)까지 가열된 강재를 급랭하는 공정입니다. 압연 직후 즉시 담금질한 뒤, 냉각 베드에서 심부 잔열로 표면을 자가 뜨임(self-tempering)시키며 서서히 식힙니다. 이 과정에서 표면(외피)과 심부(코어) 사이에 기계적 물성 차이가 생깁니다. 심부는 항복강도가 낮고 연성이 높으며, 외피는 경도 높고 강합니다. 담금질·뜨임 철근은 변형 경화되지 않았고 화학 조성도 바뀌지 않아 항복 평탄부를 유지합니다. 화학 조성이 용접 조건을 만족하면 용접도 가능합니다. 690MPa급 기준 인장강도/항복응력 비는 1.15 정도로 낮게 나옵니다.
일반적으로 물로 담금질해 단단하고 취성인 마르텐사이트 조직을 만든 뒤, 뜨임으로 미세조직을 조절해 경도를 낮추고 연성을 높입니다.
고강도 철근 생산은 열기계 처리에 기반합니다. 열기계 처리는 소성 변형 공정과 열처리·수냉·가열·다양한 냉각 속도 제어 등을 단일 공정으로 결합한 야금 공정입니다. 냉간 가공 같은 기계적 가공이 아닌 열기계 처리로 고강도를 부여합니다. 철근 강도는 표면의 뜨임 마르텐사이트층에서, 연성은 심부의 페라이트-펄라이트 조직에서 나옵니다.
열기계 처리는 철근 표면을 경화 조직(마르텐사이트)으로 전환한 뒤, 상온 냉각 중 뜨거운 심부가 표면을 열교환으로 뜨임시켜 독특한 복합 미세조직을 만듭니다(그림 2). 표면부: 뜨임 마르텐사이트 / 전이부: 펄라이트+베이나이트 / 심부: 미세결립 페라이트-펄라이트. 이 담금질·자가뜨임 공정으로 생산된 고강도 철근을 'QST(Quenched and Self-Tempered) 철근'이라 부릅니다.
ASTM A1035(2011)에 규정된 또 다른 생산 방식입니다. 이 철근은 인장강도/항복강도 비가 크지만 파단 신율은 상대적으로 낮습니다. 특허받은 '미세조직 조작(MMFX)' 공정으로, 강재 미세조직을 조작해 원하는 기계적 물성과 강도를 얻습니다. 이 공정으로 생산된 철근은 명확한 항복점이 없고, 인장강도/항복응력 비가 높으나 파단 신율은 낮습니다. MMFX 철근은 ASTM A1035 규격을 만족합니다.
고강도 철근은 보통 압연공장에서 직선 형태로 생산되나, 소구경 철근은 코일링이 일반화되고 있습니다. 압연 직후 코일링하면 열이 코일 내에 갇혀 직선 철근보다 냉각 속도가 느려집니다. 시험편은 테스트 전 교정해야 하므로, 코일 철근은 항복응력이 낮게 나오고 응력-변형률 곡선이 둥근 경향이 있습니다. 이를 보완하려면 동일 구경 직선 철근보다 더 많은 미세합금 원소가 필요합니다.
압연 중 철근 식별 마크가 찍히고, 압연(마킹) 후 기계적 물성 시험을 합니다. 고강도 철근의 기계적 물성을 충족하지 못하면 해당 마크와 연계된 규격을 만족하지 못한 것으로 간주됩니다.
고강도 철근 가공 이슈는 두 범주로 나뉩니다. (1) 여러 강종 철근을 가공장에서 일정 관리·입고·보관해야 하는 문제, (2) 고강도 철근 물성에 따른 가공 공정 변경 필요성.
전단과 벤딩 공정은 고강도 철근 물성의 직접적 영향을 받습니다. 동일 구경이라도 전단·벤딩 힘이 더 크고, 벤딩 후 탄성 복원(스프링백)도 커집니다. 이로 인해 (1) 기존 설비 마모 증가와 고용량 신규 설비 필요성, (2) 벤딩 중 철근·설비 파손 시 작업자 안전, (3) 가공 공차 준수 등의 문제가 발생합니다. 고강도 철근 가공 시 설비 고장이 더 잦으며, 철근 결함으로 벤딩 중 고하중에서 파손 시 안전 우려가 커집니다. 안전한 작업 환경 유지를 위한 추가 조치가 필요해 가공 효율에 영향을 줄 수 있습니다.
고강도 철근의 강도와 연성은 여러 방식으로 정의됩니다. 인장 물성과 강도·연성을 정의하는 요구사항에는 (1) 규격상 최소 항복응력, (2) 규격상 최대 항복응력, (3) 항복 평탄부 길이 또는 항복 평탄부 끝 변형률, (4) 인장강도, (5) 균일 신율과 총 신율, (6) 인장강도/항복응력 비(또는 그 역수인 항복비), (7) 벤딩 시험 또는 벤딩-리벤딩 시험 결과 등이 포함됩니다. 모든 고강도 철근에 이 모든 물성과 시험이 적용되는 것은 아닙니다. 몇몇 인장 물성은 그림 3의 이상화된 응력-변형률 곡선에 표시되어 있습니다.
모든 철근은 항복점 또는 항복응력이 규정됩니다. 일부 표준(ASTM 등)은 고강도 철근에 대해 항복 평탄부 끝 변형률을 명시하기도 합니다. ASTM은 실측 항복응력이 강종 등급 미만으로 떨어지는 것을 불허하지만, 호주/뉴질랜드 표준 등은 5% 프랙타일 개념을 써서 소수 시험이 최소 강도 미만이어도 허용합니다. ASTM A370은 항복점을 '최대 응력 미만에서 변형률 증가 시 응력 증가가 없는 최초의 응력'으로 정의하며, 이는 주로 저강도 철근에서 나타납니다.
고강도 철근은 명확한 항복점이 없는 경우가 많아 항복응력을 별도 정의해야 합니다. ASTM A370은 항복응력을 '응력-변형률 비례성에서 지정된 한계 편차를 보이는 응력'으로 정의합니다. 0.2% 옵셋법 또는 '하중 하 신율(EUL)'법(변형률 0.0035)으로 항복응력을 산정합니다. 0.2% 옵셋법이 주된 산정법이나, EUL법(변형률 0.0035)으로도 최소 항복응력을 추가 확인합니다. EUL법으로 690MPa급 550MPa, 830MPa급 620MPa 이상의 최소 응력을 요구합니다. 0.2% 옵셋법은 많은 국가 규격에서 항복응력 정의에 쓰입니다.
규격상 인장강도는 응력-변형률 곡선의 피크 응력으로 일관되게 정의됩니다. 시편이 견딘 최대 하중을 공칭 단면적으로 나누어 계산합니다.
신율은 보통 파단부를 포함한 규격 게이지 길이(200mm)에서의 총 신율로 보고됩니다. ASTM A370은 총 신율 결정에 두 가지 방법을 제시합니다. (1) 게이지 길이를 200mm로 표시해 파단까지 인장, 파단 후 양 끝을 맞춰 게이지 길이 재측정, 원래 길이 대비 증가율로 신율 산출(탄성 신율 미포함). (2) 신율계(extensometer)로 파단 신율 측정(탄성 신율 포함). 두 방법 모두 네킹 부위 국부 신율과 네킹 외 부위 신율을 포함합니다.
균일 신율은 시편이 피크 응력(인장강도)에 도달할 때의 변형률을 백분율로 나타낸 것입니다. 인장 변형률이 게이지 길이 전 구간에 걸쳐 균일하게 분포하는 최대 변형으로, 네킹 직전에 발생합니다. 보통 시험 중 신율계로 측정하며, 소성 변형률과 하중 제거 시 회복되는 탄성 변형률을 모두 포함합니다. 시편을 시험기에서 빼내 소성 변형률(네킹 부위 제외 측정)을 구하고 회복 변형률을 더해 균일 신율을 구하기도 합니다.
캐나다 표준 CSA G30.18(2009)은 초기 탄성계수 200,000MPa로 선형 언로딩을 가정해 균일 신율을 계산합니다. 하지만 415MPa급 철근 시험 데이터에 따르면 (1) 언로딩 탄성계수는 인장 변형률 증가에 따라 감소, (2) 언로딩 곡선은 초기만 선형, (3) 완전 언로딩 시 점차 비선형화됩니다. 언로딩 응답을 선형화하면 초기 탄성계수의 2/3 수준이 됩니다. 고강도 철근의 회복 변형률은 1%에 달하기도 합니다. 호주/뉴질랜드 표준 4671(2001) 등은 균일 신율 보고를 요구합니다.
균일 신율은 내진 설계에 유용한 물성으로, 항복 힌지 구역에서 의존하는 최대 사용 가능 신율(useable elongation)과 밀접합니다. 사용 가능 신율은 순환 하중 조건에서 균일 신율과 동등한 손상 상태가 더 작은 변형률에서 발생할 수 있어 균일 신율의 75% 이하로 봅니다. 철근 유형별로 균일 신율/파단 신율 비율이 특징적으로 나타납니다.
벤딩 시험과 벤딩-리벤딩 시험은 철근 연성 평가의 두 가지 주요 방식입니다. 보통 규격에 벤딩 시험이 포함되며, 정해진 직경의 핀/맨드릴에 정해진 각도로 벤딩해 외측에 크랙이 없으면 합격입니다. 벤딩 직경은 철근 직경에 따라 다릅니다.
철근 벤딩 거동 연구에 유용한 실험 시험은 세 범주로 나뉩니다. (1) 벤딩 외관 검사(ASTM 벤딩 시험), (2) 벤딩/리벤딩 시험, (3) 콘크리트 내 벤딩 시험. 각 범주는 특정 질문군에 답하기 위해 설계되었습니다.
ASTM 철근 규격은 '벤딩 시험편이 핀에 감겨 외측에 크랙 없이 견뎌야 한다'고 명시합니다. 180도(43mm 이상은 90도) 벤딩 후 육안 검사로 크랙 유무를 판단합니다. 크랙이 보이지 않으면 합격. 단순하지만 벤딩부의 예비 강도와 연성을 정량 평가하진 못합니다. 육안으로 안 보이는 미세 크랙이 실구조물에서 성능을 저하시킬 수 있습니다.
벤딩-리벤딩 시험에서는 시편을 정해진 각도와 직경으로 벤딩한 뒤 준정적 또는 동적 하중으로 재차 펴줍니다. 415MPa급은 가공경화로 벤딩부 강도가 높아 벤딩부 밖에서 연성 파단이 일어납니다. 하지만 고강도 철근처럼 연성이 제한적이면 벤딩부 변형 요구도가 크랙을 유발해 벤딩부가 미벤딩부보다 약해지고 취성 파단에 취약해집니다. 벤딩부에서 취성 파단하면 불합격, 연성 파단이면 합격. 이 시험은 벤딩부에 하중을 가해 강도와 연성을 직접 측정할 수 있다는 장점이 있습니다.
일부 표준은 소구경에 벤딩-리벤딩, 대구경에 벤딩 시험을 요구합니다. 벤딩-리벤딩 시험에서 시편 중앙을 맨드릴에 90도 벤딩하고 양단에 45도씩 추가 벤딩해 V자 형상(그림 4)을 만듭니다. 이후 100℃ 오일에서 1시간 숙성(시효 처리) 후 냉각, 역방향으로 인장력 가해 재벤딩(리벤딩)합니다. 숙성·냉각 단계는 변형 시효의 악영향을 모사합니다. 벤딩 시 강재에서 질소가 방출되면 취화될 수 있고, 리벤딩 시 취화된 강재가 크랙되기 쉽습니다. 리벤딩 후 크랙이 없어야 합격.
벤딩/리벤딩 시험은 콘크리트 구조물 내 벤딩부보다 더 가혹한 조건임을 유의해야 합니다. 따라서 고강도 철근의 벤딩/리벤딩 성능을 수십 년간 콘크리트 부재에서 검증된 415MPa급과 비교하는 것이 바람직합니다. 콘크리트 내 벤딩 시험도 가능합니다. 훅 철근을 콘크리트 블록에 매입해 인장 파단까지 당기는 단순화된 시험에서 (1) 블록 외측 최대 응력부 파단, (2) 블록 내부 벤딩부 근처/위 파단, (3) 콘크리트 블록 쪼개짐 등 파괴 모드가 나타납니다. 주변 콘크리트가 벤딩부 하중을 일부 덜어주므로 구조물 내 최악 하중을 재현하진 못할 수 있습니다. 반면 구속 적용 시 팽창하는 콘크리트 코어가 후프 벤딩부를 펴면서 고인장 하중을 가하는 경우가 최악 하중일 수 있습니다. 또 손상 구역(심각한 지진 하중의 조인트, 심한 균열 구역)에서는 콘크리트 부착 저하로 벤딩부 이점이 줄어듭니다. 고강도 철근 벤딩부의 적정 성능 검증을 위해 콘크리트 부재 내 벤딩 시험은 필수이나, 고비용이고 변수 탐색에 한계가 있습니다.
변형 시효는 탄성 한계를 넘어 변형된 강재가 시간 경과에 따라 기계적 물성이 변화하는 현상입니다. 일반적으로 탄성 한계 이상 변형된 철근은 시간이 지나며 인장강도는 증가하고 연성은 감소합니다(그림 5). 변형 시효는 강재의 취성 전이 온도에도 영향을 줍니다. 영향 인자는 강재 조성, 온도, 큰 변형 발생 후 경과 시간입니다. 주원인은 강재 기지 내 질소 재분배입니다. 고온에서 가속되므로 따뜻한 지역에서 더 빠르게 진행됩니다.
철근 변형 시효 효과는 대부분 변형 후 몇 달 내 발생합니다. 벤딩 시 큰 소성 변형이 생기므로 벤딩부는 변형 시효 취화에 취약하며, 조기 파단과 구조 하중 시 소성 변형 능력 저하를 초래할 수 있습니다.
한 연구에 따르면 티타늄과 바나듐을 포함한 미세합금강은 철근 변형 시효 효과를 낮출 수 있습니다. 이들 원소는 질소와 결합해 질화물을 형성, 강재 내 자유 질소량을 줄여 변형 시효 원인을 완화합니다.
제조공정
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