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문제 정의
- 본 연구에서는 이러한 성능 영향인자들을 고려하여 에폭시의 종류는 시공 현장에서 가장 널리 사용되는 균열 주입용 에폭시를 선택하여 사용하고, 균열의 폭은 하중의 크기에 비례하게 되므로 재하 하중의 크기를 변수로 연구하고자 한다 기존의 연구는 주로 하중의 크기를 변화시켜 균열을 발생시킨 후 하중을 제거한 상태에서 균열에 에폭시를 주입하고 다시 가력하는 방법을 많이 사용해 왔다.5) 그러나, 실험적으로 정확한 균열 후 거동을 파악하기 위해서는 하중이 재하된 상태에서 균열을 보수하여 파괴 시까지 가력하는 방법으로 실험이 이루어져야 한다.
- 본 연구에서는 위의 두 가지 방법으로 실험체를 보수하여 파괴 시까지 가력함으로써, 보수방법에 따른 결과와 균열주입 시 하중의 크기에 따른 결과를 비교하여 균열 보수 후 거동을 파악하고 에폭시 주입공법의 적용성을 평가하고자 한다.
제안 방법
- 3mm에 미치지 못하여 균열의 폭을 증가시킬 수 있도록 더 큰 하중을 선택하였다. 이에 따라 균열을 발생시키는 하중의 선택은 균열이 극심한 상태의 보수 효과를 나타내기 위하여 공칭휨강도의 70%와 90%를 가력하도록 하였다. 균열을 보수한 실험체 중 2개의 실험체는 공칭 휨 강도의 70%, 90% 하중에서 균열을 발생시킨 후 하중을 제거한 상태에서 보수하였고, 2개의 실험체는 하중을 유지시킨 상태에서 균열에 에폭시를 주입하여 실험체를 제작하였다.
- 이에 따라 균열을 발생시키는 하중의 선택은 균열이 극심한 상태의 보수 효과를 나타내기 위하여 공칭휨강도의 70%와 90%를 가력하도록 하였다. 균열을 보수한 실험체 중 2개의 실험체는 공칭 휨 강도의 70%, 90% 하중에서 균열을 발생시킨 후 하중을 제거한 상태에서 보수하였고, 2개의 실험체는 하중을 유지시킨 상태에서 균열에 에폭시를 주입하여 실험체를 제작하였다. 균열 주입에 사용한 에폭시는 일반적으로 사용되는 균열용 저점도 에폭시를 선택하였고 그 역학적 성질은 Table 3과 같다.
- 균열 주입에 사용한 에폭시는 일반적으로 사용되는 균열용 저점도 에폭시를 선택하였고 그 역학적 성질은 Table 3과 같다. 에폭시 주입 후 실험체는 모두 7일간 양생시킨 후 실험하도록 하였다. 원 실험체의 제작 시에는 가능한 한 콘크리트 재료의 변화를 최소화하기 위하여 레미콘을 사용하였고, 콘크리트 타설 전 철근에 전기식 스트레인게이지를 부착하였다.
- 1과 같다. 가력 방법은 순지간 2, 400mm를 3등분 하여 2지점에서 가력하는 4점 재하 방식으로 하였으며, 하중에 따른 변위를 평가하기 위해 실험체의 중앙부와 1/4지점에 LVDT를 설치하여 수직 처짐을 측정하였다. 균열이 발생한 이후 부재에 과다한 변형이 발생하게 되면 전기식 스트레인 게이지로는 부재의 변형률을 측정할 수 없게 되므로 극한 상황에서의 부재의 변형을 계측하기 위한 포인터를 모멘트가 일정한 중앙부에 설치하여 하중 단계별로 길이변화를 계측하도록 하였다.
- 가력 방법은 순지간 2, 400mm를 3등분 하여 2지점에서 가력하는 4점 재하 방식으로 하였으며, 하중에 따른 변위를 평가하기 위해 실험체의 중앙부와 1/4지점에 LVDT를 설치하여 수직 처짐을 측정하였다. 균열이 발생한 이후 부재에 과다한 변형이 발생하게 되면 전기식 스트레인 게이지로는 부재의 변형률을 측정할 수 없게 되므로 극한 상황에서의 부재의 변형을 계측하기 위한 포인터를 모멘트가 일정한 중앙부에 설치하여 하중 단계별로 길이변화를 계측하도록 하였다. 철근 게이지는 인장 및 압축철근 중앙부와 가력점에 설치하였으며, 콘크리트 변형율의 측정위치는 Fig.
- 보수 후 하중 상태에 따른 보 길이 방향의 변형률 변화를 파악하기 위하여 중앙부와 중앙부에서 각각 600mm, 1200mm 지점에 스트레인 게이지를 부착하였다. 각 하중 조건에 따른 실험체 별 변형률의 변화는 대체로 유사하였으며, 대표적인 경우를 Fig.
대상 데이터
- 본 연구에서는 주 실험 변수를 보수 시 하중의 유무, 하중의 크기 등 2 종으로 하여 실험 변수별 4개의 실험체와 기준 실험체 등 총 5개를 제작하였으며 실험체의 상세는 Table 1과 같다. 실험체의 크기는 단면 150×250mm, 길이 2,800mm으로서 순지간을 2,400mm로 하고, 철근의 배근은 인장철근 2-D13, 압축철근 2-D10으로 계획하였다.
- Table 1과 같다. 실험체의 크기는 단면 150×250mm, 길이 2,800mm으로서 순지간을 2,400mm로 하고, 철근의 배근은 인장철근 2-D13, 압축철근 2-D10으로 계획하였다. 실험체의 제작에 사용한 재료의 성능은 Table 2 및 Table 3과 같다.
- 에폭시 주입 후 실험체는 모두 7일간 양생시킨 후 실험하도록 하였다. 원 실험체의 제작 시에는 가능한 한 콘크리트 재료의 변화를 최소화하기 위하여 레미콘을 사용하였고, 콘크리트 타설 전 철근에 전기식 스트레인게이지를 부착하였다.
성능/효과
- 3mm 이상인 경우 내구성을 고려하여 균열을 보수하도록 규정하고 있다.7) 최근 균열을 보수하기 위한 공법 중 균열에 에폭시를 주입하여 보수하는 에폭시 주입공법이 가장 널리 사용되어 왔으나, 에폭시 주입공법에 의한 균열보수공법은 보수 후 휨 부재의 거동에 대한 구체적인 검토 없이 적용되어 온 것이 사실이다. 이러한 에폭시 주입공법의 성능에 영향을 미치는 주 요소는 사용하는 에폭시의 성능과 균열의 폭인 것으로 알려져 있다5,11).
- 같다. Table 4에서 인장철근 항복 시의 모멘트를 비교하여 보면, 모든 실험체의 경우에서 기준 실험체와 3% 이내의 모멘트를 나타냄으로써 균열 및 보수의 효과가 철근 항복시까지는 거의 영향을 미치지 않음을 알 수 있다 반면, 실험체의 최대 모멘트의 경우에는 공칭모멘트의 70%까지 가력된 상태에서 보수된 실험체는 기준 실험체와 4% 이내의 유사한 결과를 나타내었으나, 공칭모멘트의 90%까지 가력된 상태에서 보수된 실험체는 그 내력이 30% 정도 증가하는 양상을 나타내었다. 이와 같이 응력이 큰 상태에서 보수된 CR-90M이나 REP-90M의 최대 모멘트의 증가폭이 큰 이유는 에폭시의 주입으로 인장 응력을 받는 면적이 증가하였고, 상대적으로 에폭시의 주입량이 많아 에폭시가 균열 주변 콘크리트에 함침되어 강도에 영향을 미친 것으로 보인다 즉, 에폭시로 보수된 실험체는 주입된 에폭시로 인하여 균열에 의한 불연속면이 없어지고, 오히려 균열면에서 에폭시에 의한 인장응력이 상호 전달되면서 내력이 증가하는 것으로 분석된다.
- Table 4에서 인장철근 항복 시의 모멘트를 비교하여 보면, 모든 실험체의 경우에서 기준 실험체와 3% 이내의 모멘트를 나타냄으로써 균열 및 보수의 효과가 철근 항복시까지는 거의 영향을 미치지 않음을 알 수 있다 반면, 실험체의 최대 모멘트의 경우에는 공칭모멘트의 70%까지 가력된 상태에서 보수된 실험체는 기준 실험체와 4% 이내의 유사한 결과를 나타내었으나, 공칭모멘트의 90%까지 가력된 상태에서 보수된 실험체는 그 내력이 30% 정도 증가하는 양상을 나타내었다. 이와 같이 응력이 큰 상태에서 보수된 CR-90M이나 REP-90M의 최대 모멘트의 증가폭이 큰 이유는 에폭시의 주입으로 인장 응력을 받는 면적이 증가하였고, 상대적으로 에폭시의 주입량이 많아 에폭시가 균열 주변 콘크리트에 함침되어 강도에 영향을 미친 것으로 보인다 즉, 에폭시로 보수된 실험체는 주입된 에폭시로 인하여 균열에 의한 불연속면이 없어지고, 오히려 균열면에서 에폭시에 의한 인장응력이 상호 전달되면서 내력이 증가하는 것으로 분석된다.
- 각 경우에 대하여 하중이 재하된 상태에서 보수된 REP 실험체와 하중을 제거한 후 보수한 CR 실험체의 내력을 비교하여 보면, 인장철근의 항복모멘트와 최대 모멘트 등 모든 경우에서 REP 실험체가 약간씩 적은 값을 나타내고는 있으나, 그 영향성이 크지는 않은 것으로 판단된다. 이와 같은 결과로부터 하중을 제거하여 균열면이 일부 닫히더라도, 에폭시의 주입이 확실하게 이루어진다면 그 성능을 양호하게 발현할 수 있음을 알 수 있다.
- 2에서 나타나듯이 부재의 강성 및 최대 내력에 약간의 차이가 발생하게 되는 것을 알 수 있다. 즉, 공칭 휨강도의 90%까지 하중을 가력했다가 하중을 제거한 후 보수한 실험체의 경우를 살펴보면, 균열의 폭 및 길이가 증가하여 주입되는 에폭시의 양이 증가하게 되고, 콘크리트에 비하여 상대적으로 강도 및 강성이 큰 에폭시의 주입은 부재 전체의 강성 및 최대 내력을 증가시키는 결과를 가져오게 된다. 인장철근의 항복 후 보수된 실험체의 하중-처짐 곡선이 상하로 움직이는 현상은 공칭휨강도의 70% 하중을 준 경우와 동일하게 나타났다.
- 이상에서, 균열 보수 시 하중의 유무와 관계없이 균열의 형태는 이미 보수된 균열에서는 발생하지 않고 주변에서 발생하여, 하중이 증가함에 따라 급격히 혹은 점진적으로 중립축까지 진전하는 형태를 나타내고 하중점 부근에서 먼저 발생하고 지점 부근으로 진전되는 현상을 나타내었다 따라서, 에폭시 주입 균열 보수 공법은 균열면을 충분히 일체화시켜 인장 응력을 전달시킬 수 있도록 하므로, 에폭시에 의한 균열 보수는 안정된 구조적 거동을 보이면서 내구성을 확보할 수 있는 방법이라고 할 수 있다.
- 4(a)에서 기준 실험체는 초기하중 시 중앙부에서 변형률이 크게 발생하다가, 하중이 점차 증가함에 따라 가력지점 부근에 해당하는 중앙부에서 600mm 위치에 부착한 스트레인 게이지에서 최대 변형률을 나타내는데, 이와 같은 현상은 REP-70M 실험체에서도 동일하게 중앙부에서 600mm 지점에서 최대 변형률을 나타내고 있음을 알 수 있다. 변형률의 크기를 비교하여 보면, 동일 하중 하에서 REP-70M 실험체의 변형률이 기준 실험체의 변형률보다 적게 나타남을 알 수 있는데, 이는 보수재료로 주입된 에폭시의 인장강도가 부재의 인장내역에 기여함에 따른 현상으로 분석되며, 그 영향성은 크지 않은 것으로 보인다. 전체적으로 부재의 변형률 분포를 살펴보면 변형률의 크기에서 약간의 차이는 있으나, 대체적으로 보수된 실험체와 기준 실험체의 변형률 분포는 유사하게 거동한다는 것을 알 수 있다.
- 변형률의 크기를 비교하여 보면, 동일 하중 하에서 REP-70M 실험체의 변형률이 기준 실험체의 변형률보다 적게 나타남을 알 수 있는데, 이는 보수재료로 주입된 에폭시의 인장강도가 부재의 인장내역에 기여함에 따른 현상으로 분석되며, 그 영향성은 크지 않은 것으로 보인다. 전체적으로 부재의 변형률 분포를 살펴보면 변형률의 크기에서 약간의 차이는 있으나, 대체적으로 보수된 실험체와 기준 실험체의 변형률 분포는 유사하게 거동한다는 것을 알 수 있다. 이상에서 에폭시 주입방법에 의한 균열의 보수는 효율적인 것으로 평가할 수 있다
- 전체적으로 부재의 변형률 분포를 살펴보면 변형률의 크기에서 약간의 차이는 있으나, 대체적으로 보수된 실험체와 기준 실험체의 변형률 분포는 유사하게 거동한다는 것을 알 수 있다. 이상에서 에폭시 주입방법에 의한 균열의 보수는 효율적인 것으로 평가할 수 있다
- 1) 균열의 양상이 기 보수된 곳에서는 발생하지 않고, 기존 균열의 주변에서 발생하여 하중에 따라 진전하는 형태로 나타나므로, 에폭시의 주입으로 인한 균열은 충분히 보수되어 일체화된다고 볼 수 있다.
- 2) 각 실험변수에 따른 철근 항복 시의 내력은 약간의 차이가 있으나 매우 유사하며, 최대 내력은 극한 상황에서 보수된 실험체(90M)의 경우 주입된 에폭시의 양이 증가함에 따라 30% 정도 내력의 증가를 나타내었다.
- 3) 기준 실험체에 비하여 가력 상태에서 보수한 실험체의 하중-처짐 곡선은 인장철근의 항복 이후 톱니 형태로 상하로 움직이는 현상을 나타내는데, 이는 균열을 보수한 상태에서 하중이 증가함에 따라 발생되는 균열이 보수 전 균열의 높이까지 급작스럽게 진전됨에 따라 나타나는 현상이다.
- 4) 보의 길이에 따른 변형률의 분포 및 최대 변형률의 발생 위치가 기준 실험체와 가력 상태에서 보수한 실험체에서 동일하며, 전체적으로 유사한 거동을 한다.
- 5) 에폭시 주입에 의한 균열 보수는 하중의 재하여부에 관계없이 균열 면이 일체화되어 안정된 구조적 거동을 보이므로, 충분히 균열 보수공법으로 적용할 수 있다
후속연구
- 이러한 에폭시 주입공법의 성능에 영향을 미치는 주 요소는 사용하는 에폭시의 성능과 균열의 폭인 것으로 알려져 있다5,11). 즉, 건축구조물의 균열 보수 후 성능을 파악하기 위해서는 에폭시의 종류와 균열의 폭을 변수로 연구할 필요가 있다.
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