[논문]콘크리트 표면처리와 CFRP 단부정착 방법에 따른 부착특성실험

유영준; 조정래; 정우태; 박종섭; 박영환

문제 정의

본 연구는 콘크리트와 FRP sheet 사이의 인장전단 부착거동을 알아보기 위한 실험으로 다양한 부착 방법과 정착방법에 대해 실험을 수행하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
본 연구에서는 계면에서의 전단에 의한 콘크리트와 섬유쉬트 사이의 인장전단 부착거동을 파악하기 위하여 콘크리트의 압축강도와 표면처리방법, 섬유쉬트의 부착조건에 따른 변화 등 다양한 변수를 설정하여 실험을 실시하였고, 또한 섬유쉬트의 부착성능을 향상시키기 위하여 에폭시 접착 외에 섬유쉬트를 정착시키는 방법에 대하여도 실험을 실시하였다.
콘크리트 압죽강도 270kgf/cm², 부착길이가 15cm인 시편에 대하여 보강폭과 매수의 변화가 부착 강도에 미치는 영향을 알아보기 위해 실험을 실시하였다.

제안 방법

FRP 보강재의 부착응력을 향상시키기 위해 쉬트 단부를 외적으로 구속하는 방법으로 시공을 실시하여 실험을 수행하였다.
모재가 되는 콘크리트는 135, 210, 270kgf/cm써】 가지 압축강도로 설계하였으며, 콘크리트 표면을처리하는 방법, 보강재의 부착길이와 폭, 두께, 보강재의 정착방법을 고려하여 실험변수를 설정하였다. 각 변수의 개요를 표 1과 표 2에 나타내었으며, 시편의 기본 조건은 콘크리트 표면만을 그라인더를 사용하여 평평하게 갈아낸 후, 쉬트의 폭을 5cm로 하여 15cm에 해당하는 길이만큼 부착한 시편이며, 보강매수는 1매이다.
부착길이가 부착강도에 미치는 영향을 살펴보기 위하여 콘크리트 압축강도 135, 270kgf/cm²에 대해 부착 길이를 10~35cm로 변화시켜가며 실험을 실시하였다.
세 가지 콘크리트 압축강도에 대해 콘크리트 표면에 어떠한 조치도 취하지 않고 쉬트를 부착한 경우와 그라인더로 표면을 갈아낸 후 쉬트를 부착한 경우, 표면을 갈아내고 프라이머를 도포한 후 쉬트를 부착한 경우에 대한 실험을 실시하였고, 결과를 그림 2에 나타내었다.
시편은 그림 1과 같은 제원으로 양쪽에서 인장이 가능하도록 철근을 심은 두 개의 콘크리트 블록을 제작한 후, 콘크리트에 부착한 쉬트의한 쪽에서만 파괴가 발생하도록 한쪽은 탄소섬유쉬트로 보강하였다. 시편은 각 실험변수에 대해 3개씩 제작하였다.

대상 데이터

설정하였다. 각 변수의 개요를 표 1과 표 2에 나타내었으며, 시편의 기본 조건은 콘크리트 표면만을 그라인더를 사용하여 평평하게 갈아낸 후, 쉬트의 폭을 5cm로 하여 15cm에 해당하는 길이만큼 부착한 시편이며, 보강매수는 1매이다.
실험에 사용된 쉬트는 탄소섬유쉬트로서 국내 H사에서 생산하는 설계두께 0.11mm, 인장강도 35, 500kgf/cm², 탄성계수 2.35xl06kgf/cm²?l 제품이다.
콘크리트 압축강도가 210kgf/cm²인 시편에 대해 표 2와 같은 변수들을 실험하였다.

이론/모형

하중은 KS F 2241 [유리섬유 강화 플라스틱의 인장 실험방법]에 준하여 2nmi/min의 속도로 가력하였다.

성능/효과

1) 콘크리트의 압축강도가 높을수록 부착효과는 유리하게 나타나며, 콘크리트 표면에 프라이머를 도포하는 것은 프라이머를 도포하지 않는 경우보다 불리하다.
2) 섬유쉬트의 보강폭이 증가할수록 최대하중은 증가하지만 평균 부착강도는 감소하고, 보강매수가 증가할 경우에는 최대하중과 평균부착강도 모두 증가한다.
3) 섬유쉬트의 부착면적, 부착두께를 증가시킴으로써 좀더 높은 부착강도를 얻을 수 있다.
4) FRP 보강재의 부착방법은 섬유쉬트 단부의 부착면적을 넓히고, 강판과 같은 부속물을 사용하여 섬유쉬트의 단부를 단단히 정착시키는 방법이 효과적이다.
그러나, 에폭시를 사용하여 콘크리트에 강판을 매립한 후 단순히 섬유쉬트 단부를 강판에 부착시켜 부착 강도를 높이려는 방법은 별다른 효과가 없었고, 매립된 강판을 앵커를 사용하여 단단히 고정시킨 경우에는 13%의 최대하중 증가가 관찰되었다. 이는 매립된 강판에 응력이 전달되면서 강판과 콘크리트 사이의 슬립 등과 같은 미세
부착면적확대의 경우에도 두께가 증가함은 물론 보강쉬트의 폭 이외에 부착면적이 늘어남으로 인해 부착 강도의 상승이 있었지만, 이때의 섬유쉬트 방향은 보강재의 방향과 동일하지 않았기 때문에, 일방향성을 지닌 탄소섬유쉬트의 특성상, 부착면적을 확대시킨 경우보다는 보강용 섬유쉬트와 동일한 방향으로 저항하도록 시공한 경우가 효과가 더 좋은 것으로 나타났다.
섬유쉬트를 단부를 말아서 시공한 경우에는 요철의 경우와 비슷한 경우이겠으나, 요철시공과는 달리 쉬트 단부 자체가 콘크리트에 매립되어 있어 10% 정도의 부착강도 증가가 나타났다.
실험결과 부착면적확대의 경우 기준시험체에 비해 최대하중이 12% 향상되었으며, 쉬트 단부에 쉬트 한 장을 덧대어 두께를 증가시켰을 경우에는 15%의 효과 상승이 있었다. 부착면적확대의 경우에도 두께가 증가함은 물론 보강쉬트의 폭 이외에 부착면적이 늘어남으로 인해 부착 강도의 상승이 있었지만, 이때의 섬유쉬트 방향은 보강재의 방향과 동일하지 않았기 때문에, 일방향성을 지닌 탄소섬유쉬트의 특성상, 부착면적을 확대시킨 경우보다는 보강용 섬유쉬트와 동일한 방향으로 저항하도록 시공한 경우가 효과가 더 좋은 것으로 나타났다.
실험결과는 부착길이가 증가함에 따라 최대하중은 증가하였으나 평균 부착강도는 낮아지는 결과를 나타내었다. 이는 극한상태에서 변형률과 부착웅력이 분포하는 일정한 영향길이가 존재하므로 부착저항력의 크기가 일정해지기 때문인 것으로 판단되며, 그림 3의 측정된 위치별 변형률 분포에서와 같이 전체 부착면 중 일정 부분만이 부착웅력을 발생시키는 것을 확인할 수 있었다.
실험결과는 어떤 일정한 경향을 보이지 않았으나 각 압축강도별로 콘크리트 표면을 깨끗이 그라인딩 한 후프 라이머를 도포한 경우가 도포하지 않은 경우보다 더 낮은 값을 나타내는 것으로 보아 표면을 강화시키기 위한 프라이머는 섬유쉬트와의 부착성능을 증진 시키기보다는 오히려 성능을 감소시키는 것으로 판단된다. 이것은 콘크리트 표면의 미세한 공극 속으로 에폭시가 침투되어 부착강도에 긍정적인 효과를 주는데 반해 프라이머를 도포할 경우에는 에폭시가 콘크리트 표면에 침투할 수 없어 부착강도에 부정적인 효과를 초래하는 것으로 사료된다.
최대하중은 보강폭이 증가할수록 증가하나 그림 4에서 보듯이 부착강도는 감소하는 경향을 보이며 특히 폭 5cm와 6cm일 경우에는 거의 같은 값을 나타내고 있는 것으로 보아 소정의 면적 이상으로 부착면적을 확보하는 것은 큰 의미가 없을 것으로 사료된다.

후속연구

그러므로, 섬유쉬트를 단순히 콘크리트에 부착시키는 것보다는 보강재 단부의 부착면적을 상하로 넓히면 좀 더 나은 부착효과를 얻을 수 있고, 보강재의 단부가 콘크리트에 일체화되도록 하는 방법이 좀 더 효과적인 방안이라 할 수 있겠다.

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