< Previous탄소 고분자 부식 ZERO 철근대체재 연구 동향 및 설계지침에 관한 연구 A Study on the Research Trends and Design Guidelines for Carbon Polymer Corrosion Zero Rebar Substitutes 특집 1 | FEATURED ARTICLES Magazine of the Korea Concrete Institute 48 김장호 Jang Ho Jay Kim 연세대학교 건설환경공학과 정교수 연영모 Yeong Mo Yeon 연세대학교 건설환경공학과 박사후연구원 김진수 Jin Su Kim 연세대학교 건설환경공학과 석박통합과정 01 1. 머리말 철근콘크리트는 현대사회를 구성하는 가장 중요한 건설재료 중 하나이다. 그러나 철근콘크리트 구조물은 시간 이 경과함에 따라 콘크리트 중성화, 염해, 동결융해 등으로 인해 노후화된다. 철근콘크리트 구조물 노후화의 가장 큰 문제는 콘크리트 내부에 매립된 철근의 부식이다. 콘크리트 내부에 매립된 철근이 부식되면 산화철이 생성되 어 콘크리트에 팽창압이 발생되고 심할 경우 <그림 1>에 보여진 것과 같이 콘크리트 피복이 박락된다. 또한, 철근 의 부식은 구조물의 내하력을 현저히 감소시켜 구조물 안전성을 감소시킨다. 노후화된 철근콘크리트 구조물의 안 전성을 확보하기 위해 에폭시 주입공법, 섬유/강판 부착공법, 표면매립보강 공법, 프리스트레싱 보강공법 등 다양 한 보수보강 공법이 사용되고 있다. <그림 2>에 보인 것과 같이, 국내 구조물 보수보강 비용은 매년 증가하고 있는 추세이며, 매년 막대한 양의 사회/경제적 비용이 소요될 것으로 예측된다. 또한, 구조물 보수보강 역시 시간이 경 과함에 따라 그 효과가 점차 감소되기 때문에 구조물 노후화를 방지하는 근본적인 해결책은 될 수 없다. 이러한 이 유로 철근부식을 방지하여 구조물 노후화를 방지하기 위한 다양한 방법들이 사용되고 있다. 대표적인 방법으로는 그림 1. 염해에 의한 피복 콘크리트 박락그림 2. 시설물유지관리도급액제35권 4호 2023. 07 49 철근에 방청제를 도포하거나, 에폭시 도막/아연 도금 철근을 사용하는 등이 있다. 그러나 이 방법들은 철근 과 콘크리트의 부착력을 감소시킨다는 단점이 있을 뿐 아니라 철근 부식을 지연시키는 방법으로 부식 문 제의 근본적인 해결책이 될 수 없다. 따라서 철근콘크 리트 구조물 노후화에 의한 철근 부식 문제를 해결하 기 위해서는 신(新)재료 및 공법 개발이 절실히 요구 되고 있다. 탄소섬유 복합재(Carbon Fiber Reinforced Plastics, CFRP)는 고강도, 고경량의 고성능 재료일 뿐 아니라 내화학성이 강한 비부식 재료로써 철근부 식 문제를 해결할 수 있는 우수한 대안 중 하나로 주목 받고 있다. 국외의 경우 CFRP 보강재를 건설분야에 적용하기 위한 다양한 방법들이 시도되고 있는 반면 국내의 경우 탄소섬유를 건설분야에 적용하기 위한 연구는 부족한 실정이다. 이에 본 연구에서는 철근 부 식에 의한 구조물 노후화 문제를 해결하기 위해 고성 능 CFRP 보강재를 개발하고 이를 기존 철근의 대체재 로써 적용하여, 콘크리트 구조물의 내구성, 인장강도, 경제성 등이 향상된 건설 재료개발을 목표로 한다. 기존의 CFRP 보강재로 철근을 대체하기 위한 연구 들은 철근 대비 CFRP의 재료 물성(내구성 및 인장강 도)에 주목한 초기단계의 연구 및 기술 개발이다. 반 면 본 연구는 CFRP 보강재를 전량 철근을 대체하여 적용하는 기술 개발 및 실용화 연구로써 기존 연구들 과의 차이점이 있다. 또한, 국내의 경우 콘크리트의 철근대체재로 적용을 위한 CFRP 보강재는 규격화된 표 1. 국내·외 기술개발 동향 기술 주요 내용 건설용 탄소보강근 -콘크리트 기술 개발 • 국외 기술 개발은 1950년대부터 활발히 진행되어 실용화단계, 국내 FRP 관련 연구는 2000년 초반 일부 실시 되었 으나 기술 수준 및 제조기술 문제로 실용화에 이르지 못함 : (미국) 철근부식으로 인한 교량 유지보수 비용의 절감을 위하여 CFRP 보강근을 이용한 철근대체를 추진 : (독일) Thyssenkrupp Carbon Components GmbH.는 고온 맞춤형 고강도 탄소섬유를 이용하여 이형철근 형태 의 Carbon4ReBar(C4R)를 개발 : (일본) CFRP를 포함 혁신적 장기 내구성능 향상 구조재료 개발을 위해 대규모 연구 수행 중(약 787억 원) 건설용 탄소그리드 -콘크리트 기술 개발 • 국외는 재료개발 완성단계 및 다양한 토목, 건축 구조물의 보수보강을 위하여 적용, 국내기술은 FRP 그리드 관련 연 구가 진행이 미비하며 실용화에 이르지 못함 : (미국) Altus group은 CFRP 그리드인 C-Grid를 활용 복합 패널을 개발 후 현장적용 : (독일) Solidian사는 GFRP, CFRP 그리드 제품 및 FRP 그리드 적용 샌드위치 패널 등 다양한 제품 생산 : (캐나다) Canadian Highway Bridge Design Code에 FRP 보강재 관련 내용 포함 및 CFRP 긴장재, 스터럽, 그리 드 등을 다수의 교량에 시험 적용 철근대체재 -콘크리트 실용화 기술 개발 • 미국, 캐나다, 유럽 등지에서 FRP 보강재 관련 설계 및 시공기준을 마련, 국내는 연구개발 성과 검증을 위해 교량 일 부 구간에 한정적인 시험 적용을 함 : (미국) ACI 440(FRP Reinforcement) 위원회를 중심으로 관련 기준 마련 : (캐나다) CAN/CSA-S807-10, CAN/CSA-S806-12, CAN/CSA-S6-06, ISIS Design Manual No. 3-01 등 : (유럽) 유럽표준화 기술위원회의 250(CEN/TC250)을 통하여 “FRP 구조설계를 위한 유럽가이드라인” 개발 : (국내) 한국콘크리트학회에서 FRP 보강근의 활용도를 높이기 위해 “FRP 보강근 구조설계지침” 발간, 새로운 탄소 섬유복합재 건설재료의 사용을 위해 공식화된 성능평가 기준과 가이드라인 등 제도적 정비 필요 그림 3. 개발 연구의 차별성 및 혁신성 소개 CFRP의 "철근완전대체"를 위한 실용화 기술개발Magazine of the Korea Concrete Institute 50 특집 1 | FEATURED ARTICLES 재료, 생산 방법 및 특성이 특정화되어있지 않은 실정 이다. 이에 따라, CFRP 보강재를 콘크리트 보강용으 로 적용 시 구조물 설계는 생산자가 제시하고 있는 보 강재 품질기준에 맞춰 적용하고 있다. 특히 국내의 경 우 관련 연구 데이터 축적의 부족으로 인해 CFRP 보 강재를 콘크리트 구조물에 적용하기 위한 설계/시공 지침은 전무한 실정이다. 이에 본 연구에서는 <그림 3>과 같이 CFRP의 재료, 부재, 시스템 및 실구조물의 적용을 통해서 개발 기술 및 연구의 우수성을 검증할 예정이며 이를 토대로 CFRP 철근대체재에 의한 구조 및 시설물의 성능 확보를 위한 각종 시방 및 설계 지 침 등을 포함하는 종합 기술을 개발하는 것을 그 목적 으로 한다. 2. 연구동향 및 특허동향 2.1 연구동향 국내에서는 2000년대 초반부터 철근콘크리트에 경 량, 고인성, 비부식 등의 이유로 일부 철근을 CFRP로 대체하기 위한 연구개발이 이루어졌으나 CFRP는 일 반 이형철근과 달리 단순 형태의 돌기를 가질 뿐만 아 니라 내열성, 절곡 등 가공기술이 전혀 고려되지 않아 철근콘크리트 구조물의 적용에는 한계가 있다. 이에 따라 여러 가지 섬유를 적용한 하이브리드 보강재 개 발 연구가 활발하게 진행 중에 있지만 내진보강 및 구 조적 패널용 보강재로써 적용에 국한되어 철근대체재 로써의 사용은 한계가 있는 실정이다. <표 1>에 보여진 것과 같이 해외에서는 CFRP를 콘 크리트 구조물의 철근 대체재로 적용하여 CFRP 보강 재의 철근 대체 기술 및 글로벌 시장 선점을 위한 대 규모 프로젝트를 수행하는 중이다. 특히, 독일의 경우 건설용 CFRP 그리드를 철근 대체재로 적용방안 등을 고안하였으며 이를 실증하기 위한 건축물(CUBE)을 실제 건설 중에 있다. 일본의 경우 실제 CFRP 그리드 를 건설용으로 대량 및 저비용으로 생산하는 기술을 개발하였으며 내진보강 등의 용도로 CFRP 그리드를 건축물 외부에 적용하고 있다. 표 2. FRP 보강근 관련 국내외 설계 및 시공 지침 구분제목 국외 시공기준 ACI 440.5M-08 (미국, ACI) Specification for Construction with Fiber-Reinforced Polymer Reinforcing Bars ACI 440.6M-08 (미국, ACI) Specification for Carbon and Glass Fiber-Reinforced Polymer Bar Materials and Concrete Reinforcement Model Code 2010 Chapter 5.5 (유럽, CEB-FIB) Non-metallic reinforcement S807-10 (캐나다, CSA) Specification for fibre-reinforced polymers 국외 설계기준 ACI 440.1R-15 (미국, ACI) Guide for the Design and Construction of Structural Concrete Reinforced with Fiber-Reinforced Polymer Bars CNR-DT 203/2006 (이탈리아, CNR) Guide for the Design and Construction of Concrete Structures Reinforced with Fiber-Reinforced Polymer Bars S806-12 (캐나다, CSA) Design and construction of building structures with fibre-reinforced polymers 국내 설계 및 시공 기준 KCI PM1.12.1-19 (대한민국, KCI) FRP 보강근 구조설계지침제35권 4호 2023. 07 51 2.2 특허동향 국내 CFRP 철근대체재 기술의 기술수준 및 격차는 모두 유럽, 미국, 일본의 뒤를 쫓고 있으며, 중국을 앞 서나가고 있는 것으로 분석되었으며, 국내 기술발전 단계는 개발기인 반면에, 국외는 도입기와 성장기 사 이에 위치한 것으로 분석된다. CFRP(Carbon Fiber Reinforced Plastic) 철근대 체재 기술 분야의 연도별 전체 특허동향을 살펴보면, <그림 4>와 같이 2000년 초반부터 평균 40건의 출원 을 지속하며 증가세를 보이다가 2017년에 57건으로 최다출원을 기록하였다. 국가별 특허 점유율을 기준 으로 보면 전체 884건 중 372건으로 미국에서 42 % 의 비중을 차지하면서 가장 많은 특허가 출원되었으 며, 다음으로 한국 39 %(344건), 일본 11%(101건), 유럽 8 %(67건) 순으로 조사되었다. 다음 그림은 연도 별 특허 출원 동향을 나타내었다. 또한 FRP 보강근의 생산공정은 적재-함침-와인딩- 경화-쿨링 과정으로 나누어져 있으며 생산공정 관련 특허 기술에 따르면 와인딩의 개수가 증가할수록 저 비용, 대량생산에 효과가 있다. 3. 국내외 철근대체재 콘크리트 구조물 설계 및 시공 지침 조사 기존 FRP bar 보강, 탄소보강근, 탄소그리드 콘크 리트 구조물의 설계 및 시공 지침을 조사하였다. 선행 연구 및 문헌으로 <표 2>에 제시한 바와 같이 국내 및 국외(미국, 캐나다, 유럽)의 시공 및 설계기준을 조사 하였다. 국외의 시공기준으로는 미국(ACI 440.5M- 08, ACI 440.6M-08), 유럽(Model Code 2010), 캐 나다(S807-10)이 있으며, 설계기준으로는 미국(ACI- 440.1R-15), 이탈리아(CNR-DT 203/2006) 캐나다 (S806-12) 등이 제시되어 있다. 일부 설계기준에는 FRP 보강근, 텐던, 보강재 등으로 사용하는 경우가 있 으나 본 과업의 조사에서는 FRP 보강근 적용에 따른 콘크리트 구조물의 설계에 대한 내용을 제시하였다. 또한, 국내에서는 2008년 한국콘크리트학회의 연 구전문위원회 중 FRP 구조위원회를 주관으로 “FRP Bar를 사용한 콘크리트 구조물 설계 및 시공지침 개 발” 연구과제가 수행되었다. 특히, 캐나다 CSA 기준(S807-10)에는 FRP 재료의 품질관리와 재료의 취급 시 수급자 및 취급자가 작성 해야 하는 재료 및 품질성능에 대한 보고서 작성방법 과 관련된 사항이 작성되어 있다. 캐나다 CSA S806-12 시방에서는 FRP 보강근의 직경별 최소보강인장강도를 제시하고 공급자가 적 정한 시험방법을 선정 및 수행하여 인장강도를 제시 하도록 규정되어 있다. 이는 공급자가 선정한 인정 시험방법을 통해 최소인장강도의 평균값을 선정하 고 식 (1)에서 제시하는 식과 같이, 변동계수(COV, Coefficient of Variants)값과 샘플 수에 따라 계산 된 강도계수( )를 최소인장강도 평균값에 곱하여 계 산된 극한인장강도() 값을 설계에 사용하도록 규 정한다. 식 (1) V : 품질시험으로부터 얻어진 인장강도의 시험변동 계수 (COV) n : 인장강도 측정 샘플 수 KCI 2008 시방에서는 FRP 보강근의 강도에 따른 분류로 ACI 440.1R-15 시방의 규정을 따르나, 휨설 계에서는 CSA S806-12 시방 규정에 맞추어 극한인 그림 4. 연도별 특허출원동향Magazine of the Korea Concrete Institute 52 특집 1 | FEATURED ARTICLES 장강도()값을 적용하도록 하고 있다. 또한, GFRP 보강근으로서 보편적으로 사용되는 국외제품(C-bar, Hughes Brothers, ISOROD, NEFMAC 등에 대한 극한인장강도()를 제시하고 있는데, 국내 제품의 극한인장강도()는 현재 제시되어 있지 않다. 따라 서, 국내의 FRP 보강근을 적용한 콘크리트 구조물의 설계를 위해서는 공급자 혹은 관련전문기술자가 합리 적인 극한인장강도()값을 제시해야한다. 휨설계의 경우 CSA S806-12 시방에서는 식 (3)과 같이 한계상태설계법에 의거하여 콘크리트 압축강도 에 따른 계수( ), GFRP 보강근의 재료특성계수() 등 한계상태를 반영하기 위한 설계상수들이 적용되어 있다. 이처럼 강도설계법과 한계상태설계법이 혼용되 어 사용되고 있으므로 FRP 보강근을 적용한 콘크리 트 구조물의 설계는 실무자 및 수요자의 요구에 따라 적용되어야 한다. 식 (2) 식 (3) 4. 맺음말 탄소산업은 개별 산업 사이클상 성장기 단계에 속 하고 있으며 선진각국에서는 탄소섬유 활용 건설재료 기술에 많은 투자를 하여 원천기술을 확보하고 시장 을 개척하고 있다. 국가 차원의 기술개발과 대규모 투자가 이루어진다 면 막대한 경제적 이득이 예상되며, 관련 기술에 지속 적인 투자와 원천 핵심 기술에 대한 경쟁력 확보는 향 후 관련기술 및 재품 수출로 이어지겠다고 판단된다. 또한 철근 콘크리트 시설물의 수명 단축 및 안전사 고 발생, 노후 시설물의 유지보수에 막대한 예산 투입 등 철근 부식으로 인한 사회적 ·경제적 문제 해결방안 마련 필요성이 대두되고 있으며, 이러한 문제를 해결 하기 위한 방안으로 CFRP 철근대체재의 적용이 필수 적이라고 판단되며 이를 적용하기 위한 연구를 수행 중이다. 따라서, 본 연구에서는 CFRP 제조기술 활용 경량 · 고강도, 염해환경에서 부식이 없는 철근대체를 위한 건설용 탄소보강재(탄소보강근, 탄소그리드) 개발 및 타 FRP 대비 고강성을 실현하고, 난연성 및 연성 부여 를 목표로 하고 있으며, 소재-재료부터 설계 ·시공 및 제반 기준까지 건설산업 전주기 연구수행 및 단계별, 체계적 성능평가와 실증 연계를 통한 현장 적용성 확 대 및 실용화 기반 마련을 추진하고자 한다. 또한 철근-콘크리트 구조물의 현장 적용을 위해서 는 보강근의 연성화 성능이 중요하다고 판단된다. 탄 소보강근의 연성화 연구를 Chopped와 Stitching 을 통하여 증대시키는 연구를 추진하고 있으며, 다음 <그림 5>에서 본 연구의 추진 목적 및 향후 계획을 나타냈다. 그림 5. 연구의 추진 목적 및 향후 계획 담당 편집위원 : 천성철(인천대학교) scchun@inu.ac.kr 김우석(금오공과대학교) kimw@kumoh.ac.kr 최명성(단국대학교) choims@dankook.ac.kr제35권 4호 2023. 07 53 1. ACI 440.1R-06, “Guide for the Design and Construction of Structural Concrete Reinforced with FRP Bars”, 2021. 2. CNR-DT 203/2006, “Guide for the Design and Construction of Concrete Structures Reinforced with Fuber-Reinforced Polymer Bars”, 2007. 3. CSA S806, “Design and construction of building structures with fibre-reinforced polymers”, 2021 4. CSA S807, “Specification for fibre-reinforced polymers”, 2019 5. ASTM D7205/D7205M-06, “Standard Test Method for Tensile Properties of Fiber Reinforced Polymer Matrix Composite Bars”, 2011. 6. ASTM D7617/D7617M, “Standard Test Method for Transverse Shear Strengh of Fiber-reinforced Polymer Matrix Composite Bars”, 2017. 7. CSN/CSA-S06-06., “Canadian Highway Bridge Design Code”’ 2006. 8. ACI 519.4R-13, “Guide to Design and Construction of Externally Bonded Fabric- reinforced Cementitious Matrix (FRCM) Systems for Repair and Strengthening Concrete and Masonry Structures”, 2013. 9. KCI PM1.12.1-19 “FRP 보강근 구조설계지침”, 2009. 참고문헌 김장호 교수는 Northwestern University에서 박사학위를 수여 받 은 후 세종대학교의 교수로 재직하였 으며 현재 연세대학교 건설환경공학 과 콘크리트구조공학연구실에 교수로 재직 중이다. 주요 연구분야로서는 극 한하중에 따른 콘크리트 구조물 거동 분석 및 CFRP 재료에 대한 거동 분석 등이다. jjhkim@yonsei.ac.kr 연영모 박사후연구원 은 충북대 학교 토목공학과 철계-형상기억합금 을 이용한 콘크리트 부재 프리스트레 싱에 대한 연구로 박사학위를 취득한 후 2023년 부터 연세대학교 건설환 경공학과 콘크리트구조공학연구실에 서 박사 후 연구원으로 활동 중이다. 주 연구분야는 철계-형상기억합금, CFRP 보강재 등과 같이 신(新)재료를 건설분야 적용하기 위한 연구이다. yym235@naver.com 김진수 석박통합과정 은 연세대 학교 건설환경공학과에서 석박사통합 과정을 수행 중이며, 현재 연세대학교 콘크리트구조공학연구실에서 철근콘 크리트 구조 해석 및 나노 소재 재료 분야 연구를 진행하고 있다. kjinsu@yonsei.ac.kr • 저 자 : 한국콘크리트학회 • 정가(비회원가) : 68,000원 • 출판사 : 기문당 • 회원할인가 : 54,400원(20%) • 발행일/Page : 2021.03.15 | 도서소개 | 2021년 2월 KDS 14 20 00 : 2021이 새롭게 고시됨에 따라 이를 사용하여 콘크리트 구조물 의 설계에 종사하는 실무기술자의 이해를 돕고 기준 활용의 편의성을 제공하기 위하여 설계기준 해설집을 발간하게 되었다. 이 해설집은 새로 고시된 기준의 각 조항에 대한 배경 및 필요성, 학술 적 근거 및 적용범위, 적용 방안 및 제한, 조항의 변천 등에 대하여 상세히 기술하여 실무기술자뿐 아니라 콘크리트 설계에 관련된 분야의 학생들에게도 도움이 되도록 하였다. 콘크리트구조 설계기준 해설 2021무한궤도 방식을 이용한 건설용 섬유 보강근의 제조 방법 Manufacturing Method of Fiber Reinforcement for Construction using Caterpillar Method 권도영 Do-Young Kwon 한국세라믹기술원 탄소중립소재센터 학생연구원 유혜진 Hye Jin Yu 한국세라믹기술원 탄소중립소재센터 인턴연구원 염우성 Woo Sung Yum 한국세라믹기술원 탄소중립소재센터 선임연구원 추용식 Yong-Sik Chu 한국세라믹기술원 탄소중립소재센터 수석연구원 특집 2 | FEATURED ARTICLES Magazine of the Korea Concrete Institute 54 1. 머리말 철근 콘크리트는 건축 및 토목 분야에서 가장 많이 사용되는 건설재료이다. 하지만 최근 지구온난화가 급격하게 진행됨에 따라 우리나라를 비롯하여 세계적으로 여름철에는 폭염 및 태풍, 겨울철에는 한파 및 폭설 등과 같은 이 상기후가 발생하고 있으며, 이는 기존에 건설된 사회기반시설물 및 건축물의 내구성 열화를 가속화시키고, 나아가 사용자의 안전성을 위협하고 있다. 특히, 철근 콘크리트의 철근은 부식에 취약하고 콘크리트와는 달리 열화가 시작 되면 별도의 유지보수 방안이 없으므로 높은 부식 저항성을 가지며 철근 대비 내구성 및 강도 등이 개선된 새로운 대체재 개발 연구가 시급한 실정이다. 한편, 미국, 독일, 캐나다, 일본 등과 같은 해외 주요국에서는 건설 분야에 사용되는 철근을 대체하기 위해 1960 년대부터 다양한 재료를 이용하여 섬유 보강근 개발 연구를 수행해 왔으며, 최근에는 실용화 단계까지 도달한 상태 이다. 섬유 보강근의 주요 재료는 섬유 및 수지이며, 섬유는 탄소섬유, 유리섬유, 현무암 섬유 등과 같은 섬유가 주 로 사용되고, 수지는 일반적으로 에폭시 및 비스페놀 계열의 수지가 보강근 제조에 사용된다. 섬유 보강근의 경우 원재료(섬유 및 수지)의 종류, 배합비, 제조 방법에 따라 최종 제품의 물리적 · 화학적 특성이 크게 달라진다. 따라서 본고에서는 섬유 보강근의 다양한 제조 방법 중에서 가장 일반적으로 사용되는 무한궤도 방법에 대해 소 개하고자 한다. 2. 무한궤도 방법을 이용한 섬유 보강근 제조 방법 섬유 보강근을 제조하는 방법은 여러 가지 방법들이 있으며, 대표적으로는 유압 인발대 방식, 무한궤도 방식, 롤 러 인발 방식이 존재한다. 유압 인발대 방식은 상하 유압프레스 형태의 인발대가 제품을 순차적으로 파지하여 왕복 하는 연속 인발 방식을 의미하며, 무한궤도 방식은 회전하는 캐터필러를 이용하여 제조하는 방법을 의미한다. 롤러 제35권 4호 2023. 07 55 인발 방식은 상하부 롤러 간격을 조정하여 인발품을 가압하며 회전력으로 인발하는 방식을 의미한다. 본고에서는 탄소 보강근 제조에 가장 많이 사용되 고, 연속 생산이 편리한 무한궤도 제조 방식에 대해 설명하고자 한다. 무한궤도 장비의 설계 도면은 <그 림 1>과 같으며, 총 8단계로 구성되어 있다. 각 단계 는 ① 섬유 보빈 랙, ② 수지 함침조, ③ 리바 로드 성 형부, ④ 리브 와인딩부, ⑤ 경화부, ⑥ 냉각부, ⑦ 인 발부(캐터필러), ⑧ 절단부이며, 탄소 보강근의 사용 목적 및 목표 물리적 · 화학적 특성을 만족시키기 위해 일부 공정이 변경될 수 있다. (1) 섬유 보빈랙 : 섬유 보강근 제조를 위한 섬유 공 급 장치이며 보빈은 섬유봉 실패, 랙은 실패 거치대를 의미한다. 섬유 공급과정에서 섬유의 꼬임 및 엉킴이 발생하지 않도록 해야하며, 기계 설비와의 마찰 등에 의해 섬유가 파손 및 손상되지 않도록 해야한다. 이를 방지하기 위해서 섬유 이송 시 가이드가 필요하며, 본 연구에서는 원형 봉을 이용한 가이드를 설치하였다. 1차 파일롯 설비에서는 섬유 보빈을 30개로 구성하였 으나, 이는 제조되는 섬유 보강근의 두께, 요구 물리 적 특성에 따라 보빈의 개수가 변경될 수 있다. 섬유 인발 시 엉킴 방지 및 일직선 이동을 위해 보빈에 장 력부하용 베이스 축 및 고정 롤러를 구축하였으며, 원 형 봉을 사용한 가이드를 설치하였다. (2) 수지 함침조 : 보빈 랙에서 인발된 섬유에 수지 를 코팅시키기 위해 설치하는 함침부이며, 수지 온도 를 제어하기 위해 히터를 설치하였다. 수지 점도는 섬 유 보강근 제조 시 가장 중요한 인자이며, 수지 내 결 함(기공 등)을 제거하기 위해 수지 점도가 낮을수록 유리하지만 수지 점도에 따른 섬유의 코팅 정도도 동 시에 고려되어야 한다. 본 연구에서 사용된 수지 함침 조 내부에는 가이드 봉이 설치되어 있으며, 가이드 봉 은 섬유에 코팅되는 수지의 양 조절과 섬유 이동 시 장력을 부하하는 역할을 동시에 수행한다. (3) 리바 로드(Rebar Rod) 성형부 : 수지 함침조에 함침된 섬유 다발을 인발 성형하여 리바 로드(보강근) 를 제조하는 설비이며, 보강근의 코어부를 제조하기 설비이다. 그림 1. 무한궤도 장비의 설계 도면 (b) 섬유용 보빈 및 가이드 봉(a) 보빈 랙 외관 그림 2. 섬유 보빈랙 (b) 너비방향 외관(a) 길이방향 외관 그림 3. 수지 함침조 (b) 너비방향 외관(a) 길이방향 외관 그림 4. 리바 로드 성형부Magazine of the Korea Concrete Institute 56 특집 2 | FEATURED ARTICLES (4) 리바 와인딩부 : 리바 로드 성형부에서 인발된 섬유 보강근 외주면에 유리섬유를 이용하여 리브를 나선형으로 형성하는 설비이다. 리브용 섬유를 감아 놓은 크릴부에 장력을 부하하기 위해 장력 부하용 스 프링 및 조임나사 등을 설치하였으며, 리바 로드의 외 주면에 수직 방향으로 리브를 와인딩하여 로드에 압 축력을 부가하여 보강근의 밀도를 높여 인장강도 및 탄성계수 향상에 기여하도록 하였다. 또한, 리브는 스 파이럴 그립을 이용하며, 그릴의 속도를 조절하여 리 브의 간격 등을 조정할 수 있다. (5) 경화부 : 섬유와 수지를 경화하여 일체화하는 부분으로, 수지의 경화를 위해 100 ℃ 이상의 고온으 로 가열하는 전기로 부분이다. 일반적으로 발열체가 내장된 직접 가열방식으로, 경화시간과 온도 관계는 수지의 종류에 따라 상이하며, 보강근의 물리적 특성 을 만족시키기 위해 경화로의 길이 등은 변경될 수 있 다. 본 파일롯 설비의 경화로 구간은 4개의 영역으로 구분하고 있으며, 구간별 온도는 수지의 물리적 특성 등에 따라 상이하게 설정되었다. 보강근의 대량 생산 이나 특정 물리적 특성을 만족하기 위해 경화부의 길 이 및 온도 설정은 변경될 수 있다. (6) 냉각부 : 경화로 통과 후 고온의 보강근을 공냉 또는 수냉 방식으로 냉각할 수 있는 공간이 필요하며, 본 연구에서는 공냉 방식을 선택하여 냉각을 수행하 였다. 국내외 대다수의 보강근 제조 업체들이 공냉 방 식을 선택하여 사용 중이며, 본 연구에서도 성형된 보 강근을 공냉한 뒤 절단 단계로 이동하였다. (7) 인발부 : 캐터필러에 우레탄 고무가 코팅된 블 록을 설치하여 섬유 보강근을 가압 후 회전 이송하는 설비이며, 캐터필러 상하축을 움직이는 볼트 간격을 조정하여 파지력을 조정하도록 설계되었다. 캐터필러 회전 속도는 섬유 보강근의 물리적 특성을 고려하여 조절할 수 있다. (8) 절단부 : 캐터필러에서 인발하는 섬유 보강근을 일정 길이로 절단하기 위해 설치한 장비이며, 일반적 으로 보강근 이동 중 절단하기 때문에 클램핑한 상태 로 절단 공정을 실시한다 (b) 너비방향 외관(a) 길이방향 외관 그림 5. 리바 와인딩부 (b) 너비방향 외관(a) 길이방향 외관 그림 6. 경화부 (b) 너비방향 외관(a) 길이방향 외관 그림 7. 인발부 (b) 너비방향 외관(a) 길이방향 외관 그림 8. 절단부제35권 4호 2023. 07 57 3. 무한궤도 방법을 이용하여 제조된 탄소섬유 보강근 본고에서는 무한궤도 제조 장비를 이용하여 실제 제조한 섬유 보강근에 대해 간략하게 소개하고자 한 다. 건설용 섬유 보강근을 제조하기 위해 탄소섬유 와 에폭시계열의 수지를 이용하여 보강근을 제조하 였으며, 유리섬유를 이용하여 리브를 생성하였다. 제 조 장비의 운영 방법을 다양하게 하여 직경 5 mm 및 10 mm 크기의 섬유 보강근을 제조하였으며, 이 외에 도 리바 와인딩 부의 제조 조건을 다르게 하여 다양한 간격의 리브가 생성된 보강근을 제조하였다. 4. 맺음말 다양한 기술의 발전으로 인해 건설 재료의 다양화 가 이루어 지고 있으며, 이에 따라 고성능, 고내구성, 다기능성, 친환경 건설 재료들의 개발이 세계적으로 이루어지고 있는 실정이다. 건설재료로 가장 많이 사 용되는 철근 콘크리트의 철근 또한 방청재를 적용하 여 부식 저항성을 강화시키거나, 본고의 설명과 같이 다양한 종류의 탄소섬유들을 활용하여 기존의 철근 을 대체할 수 있는 보강근 연구가 활발하게 이루어지 고 있다. 따라서 국내에서도 다양한 재료와 제조 방법 을 통해 철근을 대체할 수 있는 대체재를 기술을 선제 적으로 확보해야 한다고 판단된다. 또한, 단순히 섬유 보강근을 제조하는 것에서 그치는 것이 아니라 이를 실제 콘크리트에 적용하여 다양한 구조 실험, 내구성 실험 등을 통해 실용화 단계 수준으로까지 발전시켜 야 할 필요성이 있다고 판단된다. (b) 리브 간격이 다른 섬유 보강근(a) 직경이 다른 섬유 보강근 그림 9. 무한궤도 장비를 통해 생성된 섬유 보강근 권도영 학생연구원은 한양대학 교 건축공학과에서 석사과정을 수행 중이며, 현재 한국세라믹기술원 탄소 중립소재센터에서 건설용 탄소 보강 근 개발 연구 및 시멘트 관련 연구를 수행하고 있다. bjh08217@naver.com 유혜진 인턴연구원은 2023년 부 경대학교 토목공학과에서 석사학위를 취득하였고, 2023년부터 한국세라믹 기술원 탄소중립소재센터에서 건설용 탄소보강근 제조 연구 및 시멘트 미세 구조 관련 연구를 수행하고 있다. tara0774@kicet.re.kr 염우성 선임연구원은 2018 년 울산과학기술원에서 “Influence of various auxiliary activators on CaO-activated cementless binder”로 박사학위를 취득하였고, 2022년부터 한국세라믹기술원 탄소 중립소재센터에서 시멘트 · 콘크리트 분야의 연구를 수행하고 있다. wsyum@kicet.re.kr 추용식 책임연구원은 한양대학 교 신소재공학과에서 유리연마 폐슬 러지를 재활용하여 제조한 다공성 소 재의 기공 구조와 물리적 특성에 관한 연구로 박사학위를 취득한 후 한국세 라믹기술원에서 시멘트 · 콘크리트 건 축소재 분야의 연구를 진행하고 있다. yschu@kicet.re.kr 담당 편집위원 : 천성철(인천대학교) scchun@inu.ac.kr 김우석(금오공과대학교) kimw@kumoh.ac.kr 최명성(단국대학교) choims@dankook.ac.krNext >