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문제 정의
- 하지만 PU는 광범위한 물성조절이 가능하기 때문에 인장강도와 신장률을 변화시킨 고인성·고부착성, 충격성에 강한 STPU를 적용하면 기존의 보강재로 사용되고 있는 섬유보강 공법의 단점인 불필요한 계면을 제거함과 동시에 2차적인 계면을 생성시키지 않아 박락에 의한 급작스런 파괴를 예방하고 보강성능을 증진시킬 수 있을 것으로 판단된다. 따라서 본 연구에서는 STPU를 일반 구조물의 새로운 보강재로 적용하기 위한 연구로서 STPU의 부착성능을 평가하고 RC 슬래브 시험체에 STPU를 적용하였을 때 나타나는 보강성능을 평가하고자 한다.
- 본 연구에서는 STPU의 보강성능을 평가하기 위해 슬래브 시험체(150×500×1200 mm)를 대상으로 휨 성능 평가실험을 실시하였다.
- 본 연구에서는 기존의 코팅 및 충격강도와 마모저항 성능이 요구되는 곳에 사용되는 PU의 물성을 변화시킨 STPU를 구조물의 보수보강재로 적용하기 위한 사전적인 연구로 콘크리트 구조물의 보강에 일반적으로 사용되는 섬유시트를 대처할 수 있을 것으로 기대되는 STPU의 구조 성능을 평가한 결과 다음과 같은 연구 결론을 도출하였다.
- 본 연구에서는 연성지수를 파괴하중 시 처짐과 하부 인장 철근이 항복할 때의 처짐에 대한 비로 정의하였다. 연성지수 평가결과 무보강 시험체의 연성지수는 5.
- 본 연구에서는 이러한 문제점을 근본적으로 해결함과 동시에 기존의 보강공법으로 활용되어 온 섬유보강 공법에 존재하는 계면을 제거하고 일체거동을 유도할 수 있는 경질형 폴리우레아(Stiff Type PolyUrea, STPU)를 적용하고자 한다. 일각에서는 높은 연성과 부착성능 및 충격성에 강하고 마모 저항 성능이 우수한 폴리우레아(PolyUrea, PU)가 폭발이나 충격에 대해 효과적으로 저항할 수 있어 콘크리트 구조물의 보강에 섬유시트 보강공법보다 우수한 성능을 발휘한다는 연구결과가 보고 된 바 있다(Davidson et al.
제안 방법
- STPU는 액상형의 A제(isocyanate prepolymer)와 B제(amine)로 구성되어 있으며, 반응기에서 65~70°C로 가열한 상태에서 14~17 MPa의 압력으로 고압분사장치를 이용하여 분사도포하였다.
- STPU의 보강성능을 확인하기 위한 시험체는 STPU와 시험체의 표면 부착력을 증대시키기 위해 STPU의 도포 전에 그라인딩하여 표면처리 작업을 한 후 프라이머를 도포하였다. STPU는 분사된 후 경화시간이 약 30~60초 정도로 기존에 사용되는 보강재보다 짧은 시간 내에 보강효과를 발휘할 수 있는 재료이다.
- 본 연구에서 사용한 STPU는 기존 연구(김성배 등, 2010)에서 사용한 FTPU의 주제 구성물에서 경도와 인장강도에 영향을 미치는 MDI(methylene diphenyl diisocyanate)와 신장률에 영향을 미치는 PPG(polyoxy propylene glycol)의 혼입률을 변화시키며, 구조물의 보수보강재로 사용하기 위한 주제 혼합비를 도출하였다. 경화제 구성물도 인장강도의 증진을 위해 아민계의 방향족 화합물을 추가로 첨가하였으며, 폴리옥시 프로필렌 디아민(Polyoxy propylene diamine)과 DETDA(diethylated toluene triamines)의 혼입률을 변화시켰다. 또한 STPU의 구성물이 인장강도를 높이기 위한 경질형의 혼합비이므로 반응성과 시공성이 저하되는 점을 방지하기 위해 경화제에 polylink를 추가로 혼입하였다.
- 섬유시트에 의한 보강은 시험체의 표면처리 작업을 실시한 뒤 프라이머를 도포하였다. 그 후 10분정도의 시간이 경과된 후 고무 스크래퍼를 이용하여 에폭시 레진을 하도한 후 섬유시트를 함침시켰다. 그 후 섬유시트 위에 에폭시 레진을 상도하는 방법으로 보강하였다.
- 그 후 10분정도의 시간이 경과된 후 고무 스크래퍼를 이용하여 에폭시 레진을 하도한 후 섬유시트를 함침시켰다. 그 후 섬유시트 위에 에폭시 레진을 상도하는 방법으로 보강하였다. Fig.
- 경화제 구성물도 인장강도의 증진을 위해 아민계의 방향족 화합물을 추가로 첨가하였으며, 폴리옥시 프로필렌 디아민(Polyoxy propylene diamine)과 DETDA(diethylated toluene triamines)의 혼입률을 변화시켰다. 또한 STPU의 구성물이 인장강도를 높이기 위한 경질형의 혼합비이므로 반응성과 시공성이 저하되는 점을 방지하기 위해 경화제에 polylink를 추가로 혼입하였다. STPU의 역학적 성질은 KS F 4922(폴리우레아 수지 도막방수재)에 준하여 측정하였으며, 섬유시트의 역학적 성질은 제조사에서 얻은 결과 값을 사용하였다.
- 또한, RC 구조물의 보강공법은 보강재와 콘크리트 모재와의 부착성능에 의해 보강효과가 크게 좌우될 수 있을 것으로 판단되어 슬래브 시험체를 2개씩 제작하여 휨 성능 평과결과를 평균화하였으며, 부착시험체(100×100×400 mm)도 제작하여 부착성능 평가를 수행하였다.
- 압축철근과 인장철근의 거동을 확인하기 위하여 철근게이지를 슬래브 중앙 최대 모멘트 지점인 중앙부 상부의 압축철근과 하부의 인장철근에 부착하였다. 또한, 시험체 하부에 도포한 STPU와 섬유시트의 변형률을 측정하기 위해 중앙부 하단 표면에 복합 변형률 게이지를 부착하였으며, 하중이 가해지는 중앙점 하부에 LVDT를 설치하여 처짐을 측정하였다.
- 휨 성능을 평가하기 위해 제작한 슬래브 시험체의 STPU 두께는 3, 5, 7 mm로 변화를 주었지만 부착성능평가에서는 콘크리트에 맞닿는 인장용 지그(Dolly)가 STPU의 두께 변화에 상관없이 동일한 부착면적(40×40 mm)을 갖기 때문에 STPU를 사용한 시험체는 3 mm 두께로만 제작하였다. 보강재료의 도포 및 부착 후 28일 대기양생 시켰으며, 양생이 완료된 시험체에 인장용 지그를 2액형 에폭시 접착제를 사용하여 부착하였다. 보강재의 도포 및 부착 후 인장용 지그와 비 부착되는 부분을 그라인더로 절단하였으며, KS F 4716(시멘트계 바탕 바름재)에 따라 부착성능 평가 실험을 실시하였다.
- 본 연구에서 사용한 STPU는 기존 연구(김성배 등, 2010)에서 사용한 FTPU의 주제 구성물에서 경도와 인장강도에 영향을 미치는 MDI(methylene diphenyl diisocyanate)와 신장률에 영향을 미치는 PPG(polyoxy propylene glycol)의 혼입률을 변화시키며, 구조물의 보수보강재로 사용하기 위한 주제 혼합비를 도출하였다. 경화제 구성물도 인장강도의 증진을 위해 아민계의 방향족 화합물을 추가로 첨가하였으며, 폴리옥시 프로필렌 디아민(Polyoxy propylene diamine)과 DETDA(diethylated toluene triamines)의 혼입률을 변화시켰다.
- 본 연구에서는 STPU의 부착성능을 평가하기 위하여 100×100×400 mm의 크기로 된 부착시험체를 제작하여 보강재료를 도포부착하였다.
- 7과 8에는 부착실험 전경과 부착 파괴 된 형태를 각각 보여주고 있다. 부착실험을 위해 제작된 부착시험체에는 인장용 지그를 각각 3개씩 부착하여 최대 강도를 측정하였다. 측정된 최대강도는 3개의 값을 평균화하였으며, 식 (1)에 따라 부착강도를 계산하여 Table 5에 결과 값을 나타내었다.
- 섬유시트에 의한 보강은 시험체의 표면처리 작업을 실시한 뒤 프라이머를 도포하였다. 그 후 10분정도의 시간이 경과된 후 고무 스크래퍼를 이용하여 에폭시 레진을 하도한 후 섬유시트를 함침시켰다.
- 1에 나타내었다. 연성거동 평가 및 보강효과를 극대화시키기 위해 저 보강보로 제작하였으며, 일반강도의 콘크리트를 사용하였다. 압축철근과 인장철근의 거동을 확인하기 위하여 철근게이지를 슬래브 중앙 최대 모멘트 지점인 중앙부 상부의 압축철근과 하부의 인장철근에 부착하였다.
- 철근의 변형률도 보강재의 변형률과 동일하게 초기균열이 발생하기 전까지는 안정적인 탄성거동을 보이고 있으며, 초기균열 발생 후 기울기가 비선형적으로 증가하는 것을 확인할 수 있었다. 일반적으로 무보강 시험체는 콘크리트가 인장응력을 받다가 초기균열이 발생 후 인장철근이 항복하며 파괴가 발생하게 되는데 본 연구에서 실험한 무보강 시험체도 인장철근의 항복 이후에 콘크리트의 파괴가 진행되었다. 무보강 시험체의 초기균열 하중은 22.
- 정적구조성능 실험은 2,000 kN용량의 만능재료시험기(UTM)를 사용하여 3점 휨 실험을 하였으며, 휨 성능을 평가하기 위해 Fig. 2와 같이 슬래브 중앙부 전 단면에 걸쳐 하중이 재하되도록 선 하중을 재하하였다. 하중 재하속도는 중앙점에서 0.
- 또한, RC 구조물의 보강공법은 보강재와 콘크리트 모재와의 부착성능에 의해 보강효과가 크게 좌우될 수 있을 것으로 판단되어 슬래브 시험체를 2개씩 제작하여 휨 성능 평과결과를 평균화하였으며, 부착시험체(100×100×400 mm)도 제작하여 부착성능 평가를 수행하였다. 휨 성능 평가를 위해 제작한 시험체는 기준이 되는 무보강 시험체(Control)와 시험체 하부에 STPU를 3, 5, 7 mm 두께로 분사도포한 각각의 STPU_3, STPU_5, STPU_7 시험체, 섬유시트(Carbon fiber sheet, Glass fiber sheet)를 전단면에 부착한 CFRP GFRP 시험체 및 섬유시트를 2겹으로 보강한 CFRP_2, GFRP_2 시험체로 구성하였다. 부착성능을 평가하기 위한 시험체는 STPU와 섬유시트를 부착한 시험체로 구성하였다.
대상 데이터
- RC 슬래브 시험체 제작에 사용된 철근은 상하부 모두 SD 400의 13 mm 철근을 사용하였으며, Fig. 1과 같이 배근하여 제작하였다. 콘크리트의 목표설계 압축강도는 24 MPa이며, 배합표는 Table 2에 나타내었다.
- 휨 성능 평가를 위해 제작한 시험체는 기준이 되는 무보강 시험체(Control)와 시험체 하부에 STPU를 3, 5, 7 mm 두께로 분사도포한 각각의 STPU_3, STPU_5, STPU_7 시험체, 섬유시트(Carbon fiber sheet, Glass fiber sheet)를 전단면에 부착한 CFRP GFRP 시험체 및 섬유시트를 2겹으로 보강한 CFRP_2, GFRP_2 시험체로 구성하였다. 부착성능을 평가하기 위한 시험체는 STPU와 섬유시트를 부착한 시험체로 구성하였다.
- 연성거동 평가 및 보강효과를 극대화시키기 위해 저 보강보로 제작하였으며, 일반강도의 콘크리트를 사용하였다. 압축철근과 인장철근의 거동을 확인하기 위하여 철근게이지를 슬래브 중앙 최대 모멘트 지점인 중앙부 상부의 압축철근과 하부의 인장철근에 부착하였다. 또한, 시험체 하부에 도포한 STPU와 섬유시트의 변형률을 측정하기 위해 중앙부 하단 표면에 복합 변형률 게이지를 부착하였으며, 하중이 가해지는 중앙점 하부에 LVDT를 설치하여 처짐을 측정하였다.
- 휨 성능을 평가하기 위해 제작한 슬래브 시험체의 STPU 두께는 3, 5, 7 mm로 변화를 주었지만 부착성능평가에서는 콘크리트에 맞닿는 인장용 지그(Dolly)가 STPU의 두께 변화에 상관없이 동일한 부착면적(40×40 mm)을 갖기 때문에 STPU를 사용한 시험체는 3 mm 두께로만 제작하였다.
이론/모형
- 또한 STPU의 구성물이 인장강도를 높이기 위한 경질형의 혼합비이므로 반응성과 시공성이 저하되는 점을 방지하기 위해 경화제에 polylink를 추가로 혼입하였다. STPU의 역학적 성질은 KS F 4922(폴리우레아 수지 도막방수재)에 준하여 측정하였으며, 섬유시트의 역학적 성질은 제조사에서 얻은 결과 값을 사용하였다. Table 3에는 본 연구에서 사용한 보강재의 역학적 성질을 정리하여 나타내었다.
- 보강재료의 도포 및 부착 후 28일 대기양생 시켰으며, 양생이 완료된 시험체에 인장용 지그를 2액형 에폭시 접착제를 사용하여 부착하였다. 보강재의 도포 및 부착 후 인장용 지그와 비 부착되는 부분을 그라인더로 절단하였으며, KS F 4716(시멘트계 바탕 바름재)에 따라 부착성능 평가 실험을 실시하였다.
- 콘크리트의 목표설계 압축강도는 24 MPa이며, 배합표는 Table 2에 나타내었다. 콘크리트 양생은 타설 후 모두 대기양생 시켰으며, 원주형 공시체를 제작하여 보강성능 평가를 위한 시험체와 동일한 조건에서 양생 후 KS F 2405(콘크리트의 압축강도 시험 방법)에 따라 압축강도를 측정하였다. 28일 압축강도의 측정결과 26 MPa이 나오는 것을 확인하였다.
성능/효과
- 1. 보강재의 보강성능을 평가하는 주요 항목 중 하나인 부착성능을 평가한 결과 STPU를 도포한 시험체의 부착강도는 5.93 MPa로 나타났으며, 섬유시트를 부착한 CFRP, GFRP 시험체의 부착강도는 각각 2.52 MPa과 2.58 MPa로 나타났다. STPU를 도포한 시험체가 가장 높은 부착강도를 보였으며, 탄소섬유시트를 부착한 시험체가 가장 낮은 부착강도를 갖는 것으로 나타났다.
- 2. STPU를 보강재로 사용하기 위해 제작한 시험체의 휨 성능을 평가한 결과 무보강 시험체가 가장 낮은 최대하중을 나타내었으며, 탄소섬유시트를 2겹으로 부착하여 보강한 시험체가 가장 높은 최대하중과 가장 낮은 변위를 나타내었다. STPU를 두께(3 mm, 5 mm, 7 mm)별로 도포한 시험체중에서는 STPU_5 시험체가 가장 높은 휨 성능을 나타내었다.
- 3. 보강재로 보강한 시험체의 연성지수 평가결과 STPU_5 시험체가 가장 높게 나타났으며, 유리섬유시트를 2겹으로 부착한 시험체가 가장 낮게 나타났다. STPU_5 시험체는 무보강 시험체에 비해 190% 이상, 섬유시트를 부착한 모든 종류의 시험체보다 200% 이상 높은 연성지수를 보였다.
- 4. STPU를 콘크리트 구조물에 적용한 시험체는 보강두께에 비례하여 보강효과가 증가할 것으로 예상했지만 휨 성능 평가 결과 STPU_3 시험체와 STPU_5 시험체만 비교적 안정적인 휨 파괴 거동을 나타내었다. STPU_7 시험체와 섬유시트를 2겹으로 시험체는 과보강 현상으로 인한 전단 파괴 거동을 보였다.
- 6 kN으로 나타났다. CFRP, GFRP 시험체의 항복하중은 각각 128.6 kN과 135.8 kN으로 STPU를 도포한 시험체보다 높은 것으로 나타났다. CFRP_2 시험체의 항복하중은 152.
- CFRP, GFRP 시험체는 하중이 재하되는 중앙하부에서부터 단부쪽으로 계면에 의한 탈락현상이 발생하여 최대하중에서의 변형률값을 나타내었다. CFRP_2, GFRP_2 시험체는 섬유시트의 높은 인장강도로 인해 시험체의 강성이 매우 높은 것으로 나타났으며, 변형률도 가장 작은 것으로 나타났다. 또한, 시험체의 강성이 향상되어 기울기의 변화가 거의 없는 것으로 나타났다.
- STPU를 두께(3 mm, 5 mm, 7 mm)별로 도포한 시험체중에서는 STPU_5 시험체가 가장 높은 휨 성능을 나타내었다. STPU_5 시험체는 무보강 시험체보다 112%의 하중 증가량과 270% 이상의 변위 증가를 보이고 있는 것으로 나타났지만 섬유시트를 부착한 시험체보다 하중 증가량은 다소 낮은 것으로 나타났다. 하지만 우레탄 계열의 고분자 화합물인 PU는 광범위한 물성의 조절이 가능하기 때문에 본 연구에서 적용한 STPU보다 강성 효과를 높일 수 있으며, 연성 또한 유지시킬 수 있는 조성비를 알아낸다면 현재 보강재료로 사용되는 섬유시트를 대처해 독립적인 보강재료로 충분히 사용 가능 할 것으로 판단된다.
- 보강재로 보강한 시험체의 연성지수 평가결과 STPU_5 시험체가 가장 높게 나타났으며, 유리섬유시트를 2겹으로 부착한 시험체가 가장 낮게 나타났다. STPU_5 시험체는 무보강 시험체에 비해 190% 이상, 섬유시트를 부착한 모든 종류의 시험체보다 200% 이상 높은 연성지수를 보였다. 그러나 섬유시트로 부착된 시험체의 경우 전단면에 섬유시트를 부착하여 섬유시트의 특성인 박리가 일어나지 않고 지속적으로 하중에 저항하게 되어 연성지수가 높아진 것으로 보인다.
- 6 kN으로 가장 높았다. STPU로 보강한 시험체의 최대하중은 무보강 시험체보다 108% 높은 130.6~144.2 kN으로 무보강 시험체보다 높은 최대하중 값을 나타내었다. 하지만 섬유시트로 보강한 시험체보다는 모두 낮은 최대하중값을 나타내었다.
- 0 kN으로 시험체 중에서 가장 높은 것으로 나타났다. STPU를 도포하여 보강한 시험체에서는 STPU_5 시험체의 항복하중이 가장 높은 102.6 kN으로 측정되었다. 이는 초기균열 하중과 마찬가지로 무보강 시험체보다 116% 높은 항복하중이지만 섬유시트로 보강한 시험체보다는 낮은 값으로 STPU만으로 보강한 시험체의 보강성능은 섬유시트보다 높지 않은 것으로 나타났다.
- 58 MPa로 나타났다. STPU를 도포한 시험체가 가장 높은 부착강도를 보였으며, 탄소섬유시트를 부착한 시험체가 가장 낮은 부착강도를 갖는 것으로 나타났다. 이러한 이유는 STPU의 경화시간을 지연시켜 반응이 서서히 진행되도록 하여 시험체에 있는 공극을 충분히 채워주었기 때문인 것으로 판단된다.
- 일반적으로 FRP 공법에서는 계면에서의 탈락으로 인해 연성지수가 철근콘크리트 구조물보다 낮게 나오는 것이 일반적이지만 본 연구에서는 섬유시트와 STPU의 보강성능 평가를 동일 단부 조건으로 맞추기 위해 전단면에 섬유시트를 부착하여 계면에 의한 섬유시트의 탈락 및 박리 현상이 발생하지 않았기 때문에 연성지수가 높게 나타난 것으로 판단된다. STPU를 도포한 시험체의 연성지수는 모두 12 이상으로 나타나 무보강 시험체에 비해 220% 이상 높게 나타났으며, 섬유시트를 부착한 시험체보다는 200% 이상 증가하는 것으로 나타났다.
- 섬유시트를 부착한 시험체는 콘크리트 모재와 섬유시트 사이에 사용되는 에폭시 레진이 탈락하며 낮은 부착강도를 나타내었다. 그러나 Pull-off test를 통해서 도출된 결과는 모두 KS F 4921 (콘크리트용 에폭시 수지계 방수방식재)에서 규정하는 표준상태에서의 부착강도 합격기준강도인 1.5 MPa을 넘는 결과 값으로 우수한 부착성능을 보이고 있는 것으로 나타났다.
- 보강재의 변형률을 보면 초기균열이 발생하기 전까지는 모든 시험체에서 안정적인 탄성거동을 보이고 있다. 그러나 초기균열이 발생하는 시점의 변형률은 STPU_7 시험체가 STPU_3, STPU_5 시험체보다 작게 생기는 것을 확인할 수 있었다. 이는 시험체 하부에 보강한 STPU의 두께가 두꺼워져 시험체의 하부 강성을 향상시켜 주어 초기균열이 발생하는 시점의 변형을 억제시켜 주었기 때문인 것으로 판단된다.
- 섬유시트를 부착한 시험체는 콘크리트 모재와 섬유시트 사이에 사용되는 2차 재료인 에폭시 레진이 탈락하며 낮은 부착성능을 나타내는 것으로 판단된다. 그러나, 부착성능평가 결과 모두 KS F 4921(콘크리트용 에폭시수지계 방수방식재)에서 규정하는 합격기준 부착강도인 1.5 MPa보다 높은 것으로 나타났다. 따라서, 보강재료로 사용한 STPU에 의한 부착성능 저하로 인한 보강효과의 성능 저하는 일어나지 않을 것으로 판단된다.
- 하지만 섬유시트로 보강한 시험체보다는 모두 낮은 최대하중값을 나타내었다. 그러나, 최대변위는 63.96~76.40 mm로 무보강 시험체와 섬유시트로 측정한 모든 시험체의 최대변위보다 2배 이상 향상되는 효과를 나타내었다. 이는 STPU의 높은 신장률과 부착성능으로 인해 극한하중 이후에도 급격한 파괴거동을 보이지 않고 하중에 지속적으로 저항하면서 변위만 증가하는 연성거동을 나타내었기 때문이다.
- 52 MPa로 가장 낮은 것으로 나타났다. 기존 연구(오상근 등, 2002)에서 도막방수재나 지하 구조물의 코팅재로 사용되는 PU는 경화시간이 10~20초의 빠른 반응성으로 인해 부착강도가 3.5 MPa 이하로 나타났지만, 본 연구에서 사용한 STPU는 경화시간을 30~60초로 지연시켜 STPU의 반응이 서서히 진행되도록 하여, 시험체에 있는 공극을 충분히 채워주었기 때문에 높은 부착성능을 나타낸 것으로 판단된다. 섬유시트를 부착한 시험체는 콘크리트 모재와 섬유시트 사이에 사용되는 에폭시 레진이 탈락하며 낮은 부착강도를 나타내었다.
- 무보강 시험체는 철근의 항복에 의한 휨 파괴 거동이 나타났으며, STPU_3 시험체도 안정적인 휨 파괴 거동을 확인할 수 있었다. 또한 STPU_5 시험체도 실험 초기에는 안정적인 휨 파괴를 보이다가 하중이 증가할수록 휨전단 파괴가 같이 일어나는 것을 확인할 수 있었다. 하지만 STPU를 7 mm 도포한 시험체는 실험 초기단계부터 전단파괴 형상으로 파괴가 진행되는 것으로 나타났는데 이는 STPU의 보강 두께가 증가하여 하부강성의 증가와 함께 신장률 효과를 나타내지 못하기 때문인 것으로 판단된다.
- 그러나 전단파괴 형상으로 파괴가 진행되면서도 시험체에 도포된 STPU의 높은 부착성능으로 인해 계면에 의한 탈락이나 부착파괴, 파단에 의한 파괴는 발생하지 않았다. 또한 최대 하중 이후인 소성구간에서 연성거동을 유지하며 점차적으로 하중이 저하되며 파괴가 일어나는 점으로 보아 STPU의 연성거동 성능은 매우 우수한 나타났다. 섬유시트로 보강한 시험체는 재하점에서 가까운 위치에서부터 콘크리트 모재와 섬유시트 사이의 계면박리 및 탈락이 발생하여 시험체 단부방향으로 박리가 진행되는 것을 확인할 수 있었다.
- CFRP_2, GFRP_2 시험체는 섬유시트의 높은 인장강도로 인해 시험체의 강성이 매우 높은 것으로 나타났으며, 변형률도 가장 작은 것으로 나타났다. 또한, 시험체의 강성이 향상되어 기울기의 변화가 거의 없는 것으로 나타났다. 철근의 변형률도 보강재의 변형률과 동일하게 초기균열이 발생하기 전까지는 안정적인 탄성거동을 보이고 있으며, 초기균열 발생 후 기울기가 비선형적으로 증가하는 것을 확인할 수 있었다.
- 하중이 증가할수록 보강재료를 보강한 시험체에는 다수의 균열이 발생하는 것을 확인할 수 있었고 균열의 분포도 광범위하게 나타났다. 무보강 시험체는 철근의 항복에 의한 휨 파괴 거동이 나타났으며, STPU_3 시험체도 안정적인 휨 파괴 거동을 확인할 수 있었다. 또한 STPU_5 시험체도 실험 초기에는 안정적인 휨 파괴를 보이다가 하중이 증가할수록 휨전단 파괴가 같이 일어나는 것을 확인할 수 있었다.
- 일반적으로 무보강 시험체는 콘크리트가 인장응력을 받다가 초기균열이 발생 후 인장철근이 항복하며 파괴가 발생하게 되는데 본 연구에서 실험한 무보강 시험체도 인장철근의 항복 이후에 콘크리트의 파괴가 진행되었다. 무보강 시험체의 초기균열 하중은 22.2 kN으로 가장 낮게 측정되었으며, CFRP_2 시험체는 섬유시트의 높은 인장강도로 인해 시험체의 강성이 향상되어 초기균열 하중이 40.5 kN으로 가장 높게 측정되었다. CFRP, GFRP 시험체는 각각 36.
- 측정된 최대강도는 3개의 값을 평균화하였으며, 식 (1)에 따라 부착강도를 계산하여 Table 5에 결과 값을 나타내었다. 부착성능 시험결과 STPU를 도포한 시험체의 평균 부착강도가 5.93 MPa로 가장 높게 나타났으며, 탄소섬유시트를 부착한 시험체의 부착강도가 2.52 MPa로 가장 낮은 것으로 나타났다. 기존 연구(오상근 등, 2002)에서 도막방수재나 지하 구조물의 코팅재로 사용되는 PU는 경화시간이 10~20초의 빠른 반응성으로 인해 부착강도가 3.
- 또한 최대 하중 이후인 소성구간에서 연성거동을 유지하며 점차적으로 하중이 저하되며 파괴가 일어나는 점으로 보아 STPU의 연성거동 성능은 매우 우수한 나타났다. 섬유시트로 보강한 시험체는 재하점에서 가까운 위치에서부터 콘크리트 모재와 섬유시트 사이의 계면박리 및 탈락이 발생하여 시험체 단부방향으로 박리가 진행되는 것을 확인할 수 있었다. 시험체에 발생하는 균열도 단부 구속된 부분의 섬유시트가 정착력 증가로 단부쪽으로 진행되는 것을 확인할 수 있었으며, 하중의 증가는 없었지만 변위는 점차적으로 증가하는 연성적인 거동을 보였다.
- 이는 시험체 하부에 보강한 STPU의 두께가 두꺼워져 시험체의 하부 강성을 향상시켜 주어 초기균열이 발생하는 시점의 변형을 억제시켜 주었기 때문인 것으로 판단된다. 섬유시트로 보강한 시험체에서는 섬유시트가 콘크리트와 철근보다 매우 우수한 인장강도를 가지고 있어 시험체의 초기균열이 발생 할 때의 변형을 억제시켜 주어 큰 변형률이 발생하지 않았으며, 기울기의 변화도 크지 않은 것으로 나타났다. 초기균열 발생 이후 STPU_3 시험체와 STPU_5 시험체는 지속적인 하중의 증가와 함께 보강재의 변형률도 같이 증가하는 것으로 나타났다.
- 섬유시트로 보강한 시험체는 재하점에서 가까운 위치에서부터 콘크리트 모재와 섬유시트 사이의 계면박리 및 탈락이 발생하여 시험체 단부방향으로 박리가 진행되는 것을 확인할 수 있었다. 시험체에 발생하는 균열도 단부 구속된 부분의 섬유시트가 정착력 증가로 단부쪽으로 진행되는 것을 확인할 수 있었으며, 하중의 증가는 없었지만 변위는 점차적으로 증가하는 연성적인 거동을 보였다. 섬유시트를 2겹으로 보강한 시험체는 모두 전단파괴 거동을 보여 급격한 취성파괴가 이루어 졌는데 섬유 시트의 높은 인장강도와 함침재로 인해 구조물이 과보강보로 변화되며 나타나는 현상으로 판단된다.
- 본 연구에서는 연성지수를 파괴하중 시 처짐과 하부 인장 철근이 항복할 때의 처짐에 대한 비로 정의하였다. 연성지수 평가결과 무보강 시험체의 연성지수는 5.61로 가장 낮게 나타났으며, 섬유시트를 1겹으로 부착하여 보강한 시험체의 연성지수는 각각 6.17과 5.69로 무보강 시험체에 비해 105% 가량 높은 것으로 나타났다. 일반적으로 FRP 공법에서는 계면에서의 탈락으로 인해 연성지수가 철근콘크리트 구조물보다 낮게 나오는 것이 일반적이지만 본 연구에서는 섬유시트와 STPU의 보강성능 평가를 동일 단부 조건으로 맞추기 위해 전단면에 섬유시트를 부착하여 계면에 의한 섬유시트의 탈락 및 박리 현상이 발생하지 않았기 때문에 연성지수가 높게 나타난 것으로 판단된다.
- 6 kN으로 측정되었다. 이는 초기균열 하중과 마찬가지로 무보강 시험체보다 116% 높은 항복하중이지만 섬유시트로 보강한 시험체보다는 낮은 값으로 STPU만으로 보강한 시험체의 보강성능은 섬유시트보다 높지 않은 것으로 나타났다.
- 또한, 시험체의 강성이 향상되어 기울기의 변화가 거의 없는 것으로 나타났다. 철근의 변형률도 보강재의 변형률과 동일하게 초기균열이 발생하기 전까지는 안정적인 탄성거동을 보이고 있으며, 초기균열 발생 후 기울기가 비선형적으로 증가하는 것을 확인할 수 있었다. 일반적으로 무보강 시험체는 콘크리트가 인장응력을 받다가 초기균열이 발생 후 인장철근이 항복하며 파괴가 발생하게 되는데 본 연구에서 실험한 무보강 시험체도 인장철근의 항복 이후에 콘크리트의 파괴가 진행되었다.
- 하지만 무보강 시험체보다는 133% 높은 하중에서 초기 균열이 발생하여 STPU에 의한 균열저항성이 높은 것으로 나타났다. 철근이 항복하는 시점의 하중으로 항복하중을 확인한 결과 무보강 시험체의 항복하중은 88.6 kN으로 나타났다. CFRP, GFRP 시험체의 항복하중은 각각 128.
- 섬유시트로 보강한 시험체에서는 섬유시트가 콘크리트와 철근보다 매우 우수한 인장강도를 가지고 있어 시험체의 초기균열이 발생 할 때의 변형을 억제시켜 주어 큰 변형률이 발생하지 않았으며, 기울기의 변화도 크지 않은 것으로 나타났다. 초기균열 발생 이후 STPU_3 시험체와 STPU_5 시험체는 지속적인 하중의 증가와 함께 보강재의 변형률도 같이 증가하는 것으로 나타났다. 그러나, STPU_7 시험체는 과도한 STPU의 두께로 인해 전단파괴가 발생하여 최대하중 이후의 변형률 증가는 확인하지 못하였다.
- 초기 균열 양상은 시험체 하부 중앙에서 비슷하게 나타났다. 하중이 증가할수록 보강재료를 보강한 시험체에는 다수의 균열이 발생하는 것을 확인할 수 있었고 균열의 분포도 광범위하게 나타났다. 무보강 시험체는 철근의 항복에 의한 휨 파괴 거동이 나타났으며, STPU_3 시험체도 안정적인 휨 파괴 거동을 확인할 수 있었다.
- 8 kN으로 섬유시트로 보강한 시험체에 비해 낮은 하중에서 초기균열이 발생하였다. 하지만 무보강 시험체보다는 133% 높은 하중에서 초기 균열이 발생하여 STPU에 의한 균열저항성이 높은 것으로 나타났다. 철근이 항복하는 시점의 하중으로 항복하중을 확인한 결과 무보강 시험체의 항복하중은 88.
후속연구
- STPU_7 시험체와 섬유시트를 2겹으로 시험체는 과보강 현상으로 인한 전단 파괴 거동을 보였다. 따라서 STPU를 5 mm 이상 두께로 도포하여 사용할 경우 구조물 설계에 대한 충분한 검토를 필요로 할 것으로 사료된다. 하지만 섬유시트를 2겹으로 보강한 시험체들은 전단파괴 거동을 보이다가 급작스런 파괴를 보였지만 STPU_7 시험체는 STPU의 높은 신장률과 부착성능으로 인하여 급작스런 파괴는 발생하지 않았다.
- STPU_5 시험체는 무보강 시험체보다 112%의 하중 증가량과 270% 이상의 변위 증가를 보이고 있는 것으로 나타났지만 섬유시트를 부착한 시험체보다 하중 증가량은 다소 낮은 것으로 나타났다. 하지만 우레탄 계열의 고분자 화합물인 PU는 광범위한 물성의 조절이 가능하기 때문에 본 연구에서 적용한 STPU보다 강성 효과를 높일 수 있으며, 연성 또한 유지시킬 수 있는 조성비를 알아낸다면 현재 보강재료로 사용되는 섬유시트를 대처해 독립적인 보강재료로 충분히 사용 가능 할 것으로 판단된다.
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