< Previous탄소그리드-콘크리트 구조의 인장 거동 Tensile Behavior of Concrete Reinforced with Carbon- grid 김경민 Kyugmin Kim (재)한국건설생활환경시험연구원 건설기술연구센터 책임연구원 박성우 Sungwoo Park (재)한국건설생활환경시험연구원 건설기술연구센터 연구원 특집 3 | FEATURED ARTICLES Magazine of the Korea Concrete Institute 58 1. 머리말 철근 부식에 의한 철근콘크리트 구조물의 염해를 근본적으로 방지하기 위하여 부식에 강한 섬유보강재료(Fiber renforced polymer, FRP)를 콘크리트 인장보강재로 적용하고자 하는 시도가 1970년대부터 이루어져 왔다. 아라 미드섬유, 유리섬유, 탄소섬유 등을 보강용 섬유를 사용하여, 철근, 그리드 등의 형태로 FRP 인장보강재가 제작되 었으며, 주로 교량, 슬래브, PC부재 등에 적용되었다. 한편, 그리드 형태의 FRP 인장보강재를 콘크리트의 인장보강 재로 적용한 것은 직물섬유보강콘크리트(Textile reinforced concrete, TRC) 구조의 일종으로 볼 수 있으며, 그리 드 형태의 FRP 인장보강재와 같이 섬유를 수지에 함침할 경우, TRC 구조의 인장거동이 향상되는 것이 일부 실험 적 연구를 통하여 확인되었다. 이에 본고에서는 그리드 형태의 FRP 인장보강재 중에서 탄소섬유를 보강용 섬유로 사용한 탄소섬유보강재료 (Carbon fiber reinforced polymer, CFRP) 기반의 인장보강재(이하 탄소그리드)를 대상으로 제조방식에 따른 탄소그리드의 특징 및 이를 적용한 TRC 구조의 인장 거동 특성에 대하여 소개하고자 한다. 2. 탄소그리드 적용 TRC 구조의 주요 구성 재료 2.1 탄소그리드 대표적인 탄소그리드로는 <표 1> 및 <그림 1>과 같은 2축경편구조(Biaxial warp knitting structure) 및 교차적층구조(Cross-laminate structure)로 제작된 탄소그리드 등이 있다. 2 (b) 교차적층구조(a) 2축경편구조 그림 1. 제조방식에 따른 탄소그리드 제품 형상제35권 4호 2023. 07 59 축경편구조 탄소그리드는 위사와 경사 방향으로 탄 소섬유 스트랜드를 일정 간격으로 배치하고 평행하 게 잡아당긴 후 별도의 섬유를 사용하여 경사방향 으로 편직한 다음 에폭시에 함침하고 경화시켜 제 조한 것이다. <표 1>과 같이 인장강도 및 탄성계수 가 3,600 MPa/4,000 MPa, 230 GPa로 높은 반면 에 스트랜드의 단면적 및 간격은 1.8 mm2/3.6 mm2, 21 ~ 51 mm로 작은 것이 특징이다. 한편, 교차적층구조 탄소그리드는 얇은 띠형태 의 탄소섬유를 위사 및 경사 방향으로 교차 적층한 후 비닐에스터에 함침하여 경화시킨 것으로 2축경 편구조 탄소그리드와 비교하여 인장강도 및 탄성계 수는 1,400 MPa/1,200 MPa, 100 GPa/165 GPa 수준으로 낮은 편이나, 스트랜드 단면적 및 간격은 6.6 ~ 100.0 mm2, 50 mm/100 mm로 큰 것이 특징 이다. 2축경편구조 탄소그리드는 기존 구조물의 외부 보 강뿐만 아니라 신규 구조물 건설을 위하여 개발된 것 으로 비교적 물성이 뛰어난 에 폭시를 수지로 사용하고 있으 며, 탄소그리드 판 자체가 교차 적층구조 탄소그리드 대비 다소 Flexible한 특징이 있다. 반면 에 교차적층구조 탄소그리드는 기존 구조물의 외부 보강용으로 개발된 것으로 에폭시 대비 역 학적 특성은 떨어지나 외부 환 경에 강한 비닐에스터를 수지로 사용하고 있으며, 탄 소그리드 판 자체는 stiff한 특징이 있다. 2.2 콘크리트 탄소그리드 중에서 신규 구조물 건설에도 사용되는 2축경편구조 탄소그리드의 경우, 그리드를 구성하는 스트랜드의 간격이 좁아 TRC 구조 적용 시, 압축재로 는 최대 골재 사이즈 1 ~ 2 mm의 모르타르가 주로 사 표 1. 제조방식에 따른 탄소그리드 제품 비교 제조방식사용재료 스트랜드 인장강도탄성계수비고 단면적간격 (위사 x 경사) 2축경편구조 탄소섬유 에폭시 3.6 mm2/EA 1.8 mm2/EA 21 mm x 21 mm 38 mm x 38 mm 51 mm x 51 mm 3,600 MPa 4,000 MPa 230 GPa • Stiff(제품에 따라 일부 Flexible) • 신규 부재 건설 및 기존 부재 외부 보강용 교차적층구조 탄소섬유 비닐에스터 6.6 mm2/EA 13.2 mm2/EA 17.5 mm2/EA 26.4 mm2/EA 39.2 mm2/EA 65.0 mm2/EA 100.0 mm2/EA 50 mm x 50 mm 100 mm x 100 mm 1,200 MPa 1,400 MPa 100 GPa 165 GPa • Stiff • 기존 부재 외부 보강용 표 2. TRC 구조의 모르타르 배합 예시 재료 구분 M1M2M3M4M5 바인더(kg/m3)700700809822839 혼화제(kg/m3)7.0 ~ 10.56.317.0 ~ 17.818.9 ~ 19.7 17.6 ~ 18.5 잔골재(kg/m3) 1,2151,1401,0791,0921,189 물(kg/m3)280280242.7245.6279.7 물/바인더0.400.40.300.300.33 압축강도(MPa)7432546472 그림 2. 콘크리트 압축강도 및 탄성계수 분포Magazine of the Korea Concrete Institute 60 특집 3 | FEATURED ARTICLES 용된다. 또한, 콘크리트와 탄소그리드 사이의 부착 향 상을 위하여, TRC 구조의 콘크리트는 바인더 함량이 높은 편(콘크리트 부피의 40 ~ 50 %)이며, 이에 따라 물/바인더비가 0.3 ~ 0.4로 상대적으로 높고, <그림 2>와 같이 압축강도도 높은 편이다. <표 2>는 2축경 편구조 탄소그리드 적용 TRC 구조의 콘크리트 배합 예시 및 이에 따른 압축강도 결과를 나타낸다. 3. 탄소그리드 적용 TRC 구조의 인장거동 3.1 인장거동 TRC 구조는 철근과 물리적 특성이 다른 직물섬유 를 콘크리트 인장보강재로 사용하기 때문에, 균열 발 생 전까지는 철근콘크리트 구조와 동일한 선형 탄성 의 인장거동을 보이지만, 균열 발생 이후에는 <그림 3>과 같이 균열이 연속적으로 발생함에 따라 응력 저 하와 증가가 반복되면서 응력에 비하여 변형률이 크 게 증가(구간 Ⅱa, 균열발생구간)하지만, 이후 균열 발 생이 안정화되면서 직물섬유 인장보강재가 하중을 부 담(구간 Ⅱb, 균열안정화구간)하다가, 직물섬유 인장 보강재가 파단되거나 콘크리트와의 슬립으로 파괴되 는 인장거동을 보이는 것으로 알려져 있다. 여기서, 균열안정화구간의 강성은 직물섬유와 콘크리트 사이 의 부착에 영향을 받으며, 직물섬유와 콘크리트 사이 의 부착이 좋을 경우, 직물섬유 자체 강성과 유사한 수준의 강성을 기대할 수 있는 것으로 나타났다. 한편, 기존 연구에 의하면 TRC 구조의 인장 응력- 변형률 관계는 직물복합 인장보강재의 수지 함침 유 무에 따라 균열 발생 이후 거동에 차이가 있는 것으로 나타났다. 이에 수지를 함침하지 않은 직물복합 인장 보강재를 적용한 TRC 구조의 경우, 인장 응력-변형 률 관계를 <그림 4(a)>와 같이 균열발생점을 기준으 로 강성이 변화하는 두 개의 직선에 의한 이선형 곡선 으로 모델화하고 있는 반면, 탄소그리드와 같이 수지 를 함침한 직물복합 인장보강재를 적용한 TRC 구조 의 경우 인장-응력 변형률 관계를 <그림 4(b)>와 같이 균열발생점과 균열 발생이 안정화되는 점을 기준으로 강성이 변화하는 세 개의 직선으로 이루어진 삼선형 곡선으로 모델화하고 있다. 그림 3. TR C 구조의 인장 응력-변형률 관계 (b) 삼선형 곡선(a) 이선형 곡선 그림 4. TR C 구조의 인장 응력 변형률 관계 모델 표 3. 시험체 형상 시험체명 폭 (mm) 길이 (mm) 두께 (mm) 탄소그리드 인장축방향 스트랜드 수 단면적 (mm2/EA) 인장강도 (MPa)탄성계수 (GPa)제조방식 Q47 10070020 31.73,600230 2축경편구조Q8551.84,000230 Q9533.53,600230 CR8_50226.41,400100 교차적층구조 CR6 14070020 217.51,400100 CR8_100226.41,400100 CR13265.01,400100제35권 4호 2023. 07 61 3.2 직접인장에 의한 인장거동 평가 3.2.1 직접인장시험 계획 탄소그리드 제조방식에 따른 인장거동을 평가하 기 위하여 <표 3>과 같이 2축경편구조 탄소그리드 3 종 및 교차적층구조 탄소그리드 4종을 사용하여 TRC 구조 인장시험체를 제작하고, <그림 5>와 같이 직접 인장시험을 실시하였다. TRC 구조 인장시험체는 탄 소그리드의 스트랜드 간격에 따라 스트랜드가 2개 이 상 포함되도록 인장시험체의 폭을 결정하였으며, 이 에 따라 인상시험체의 길이는 폭의 5배 이상이 되도 록 결정하였다. 한편, 압축재로는 물/시멘트비 50 % 의 모르타르를 사용하였으며, 28일 기준 압축강도는 43.9 MPa로 나타났다. 인장시험체 양단에 설치한 철판 지그를 이용하여 1,000 kN의 만능시험기에 인장시험체를 설치하고 5 mm/min의 속도로 가력하였다. 3.2.2 직접인장시험 결과 <그림 6>은 직접인장시험에 의한 인장시험체의 인 장 하중과 변위 관계를 나타낸다. 2축경편구조 탄소그리드 적용 인장시험체의 경우, 최대 하중의 약 19 ~ 32 % 수준에서 균열이 발생하였 으며, 이후 다수의 균열이 동시에 발생하면서 변위는 크게 증가하지만, 하중은 상대적으로 거의 증가하지 않는 균열 형성 구간을 거쳐 탄소그리드로 하중이 전 달됨에 따라 강성이 저하하면서 최대 하중에 도달하 였다<그림 6(a)>. 인장축방향으로 배치한 탄소그리드 자체의 인장력이 커질수록 인장시험체의 균열강도는 작아지지만, 인장강도는 커지는 것으로 나타났다. 교차적층구조 탄소그리드 적용 인장시험체의 경우, 최대 하중의 약 18 ~ 42 % 수준에서 균열이 발생하였 으며, 이후 2축경편구조 탄소그리드 적용 인장시험체 와 달리 균열이 동시에 발생하지 않았으며, 이에 따라 하중 증가에 따라 균열 발생으로 하중이 일시적으로 저하되다가 탄소그리드로 하중이 전달됨에 따라 하중 이 회복되고 강성이 저하하면서 최대 하중에 도달하 였다. 한편, 인장시험체 CR13를 제외하고 2축경편구 조 탄소드리드 적용 인장시험체와 마찬가지로 인장축 방향으로 배치한 탄소그리드 자체의 인장력이 커질수 록 인장시험체의 균열강도는 작아지지만, 인장강도는 커지는 것으로 나타났다. 한편, <그림 7>과 같이 인장축방향으로 배치한 스 트랜드의 총 단면적이 커질수록 인장시험체의 인장강 그림 5. TRC 구조 직접인장시험 Set-up (a) 2축경편구조 탄소그리드 적용 (b) 교차적층구조 탄소그리드 적용 그림 6. 탄소그리드 제조방식에 따른 인장 하중-변위 곡선Magazine of the Korea Concrete Institute 62 특집 3 | FEATURED ARTICLES 도는 작아지는 것으로 나타났다. 즉, 2축경편구조 탄 소그리드 적용 인장시험체와 비교하여 교차적층구조 탄소그리드 적용 인장시험체는 인장축방향 스트랜드 의 총 단면적은 크지만, 인장강도는 작은 것으로 나타 났으며, 이는 인장시험체가 모두 탄소그리드의 인장 파괴가 아닌 인장시험체 양단부의 철판 지그에 고정 된 부분에서 발생한 인장시험체의 미끄러짐, 모르타 르 압축 손상 등으로 파괴되었기 때문으로 판단된다. <그림 8>은 인장시험체의 인장축방향으로 배치한 탄소그리드 자체의 인장력과 유효계수(coefficient of efficiency, COE, 참고문헌)의 관계를 나타낸 것 이다. 여기서, COE는 인장축방향 스트랜드의 인장강 도에 대한 실제 작용 인장응력의 비를 의미한다. 본 시험결과, 2축경편구조 탄소그리드 적용 인장시 험체와 교차적층구조 탄소그리드 적용 인장시험체의 COE는 각각 0.44~ 0.73, 0.10 ~ 0.34 수준으로 인장 축방향으로 배치한 탄소그리드 자체의 인장력이 커질 수록 COE는 작아지는 것으로 나타났다. 특히, 교차적 층구조 탄소그리드 적용 인장시험체가 2축경편구조 탄소그리드 적용 인장시험체 대비 실제 탄소그리드 에 작은 인장 하중이 작용한 것으로 나타났으며, 이는 2차적층구조 탄소그리드는 물리적 특성이 뛰어난 에 폭시를 수지로 사용한 반면에, 교차적층구조 탄소그 리드는 기존 부재의 외부 보강용으로 사용되는 것으 로 물리적 특성은 에폭시보다 떨어지나 외부 환경에 강한 비닐에스터를 수지로 사용하였으며, 결과적으로 이와 같은 수지의 사용이 모르타르와의 부착 성능 발 현에 영향을 미친 것으로 판단된다. 4. 맺음말 철근콘크리트 구조물의 부식을 근본적으로 방지하 기 위하여 아라미드섬유, 유리섬유, 탄소섬유 등을 보 강용 섬유로 사용하여 철근, 그리드 등의 형태로 FRP 인장보강재가 개발되었다. 이 중 그리드 형태의 FRP 인장보강재는 수지에 함침한 직물섬유에 의한 TRC 구조의 일종으로 볼 수 있다. 한편, 탄소섬유를 보강용 섬유로 사용한 탄소그리 드의 경우, 현재 2축경편구조, 교차적층구조 등으로 제조가 이루어지고 있으며, 각각 용도에 따라 다른 종 류의 수지를 적용하여 제품 생산이 되고 있다. TRC는 철근과 물리적 특성이 다른 직물섬유를 콘크리트의 인장보강재로 사용하기 때문에 철근콘크리트조와 다 른 인장 거동을 보이는 것으로 알려져 있다. 이에 제 조 형식에 따른 TRC 구조의 직접시험인장을 실시하 였으며, 그 결과 탄소그리드 제조에 사용한 수지 종류 에 따라 TRC 구조의 인장 강도가 차이가 나는 것을 확인하였다. 탄소그리드는 기존 철근과 비교하여 인장강도 등 물리적 특성이 뛰어나고 부식에 강한 재료로 철근 부 식에 따른 철근콘크리트 구조물의 부식을 근본적으로 해결할 수 있는 혁신적 재료이지만, 실제 구조물에 적 용하기 위해서는 이에 대한 충분한 성능평가 및 이를 바탕으로 한 기준 제시가 필요할 것이다. 그림 7. 탄소그리드 단면적에 따른 인장시험체의 인장강도 분포 그림 8. 탄소그리드 인장력에 따른 COE 분포 담당 편집위원 : 천성철(인천대학교) scchun@inu.ac.kr 김우석(금오공과대학교) kimw@kumoh.ac.kr 최명성(단국대학교) choims@dankook.ac.kr제35권 4호 2023. 07 63 1. ACI 440.1R-06, “Guide for the Design and Construction of Structural Concrete Reinforced with FRP Bars”, 2021. 2. Schumann, A., Michler, H., Schladitz, F., and Curbach, M., “Parking slabs made of carbon reinforced concrete”, Strucrural Concrete, 19, 2018. 3. Diana, A., “Fabric Reinforced Cementitious Matrix (FRCM) Composites for Infrastructure Strengthening and R ehabilit ation: Characterization Methods”, Ph.D. Thesis, 2014 4. Gries, T., Raina, M., Quadflieg, T. and Stolyarov, O., “Manufacturing of textiles for civil engineering applications”, Textile Fibre Composites in Civil Engineering, 2016. 5. Vautard, F. and Drzal, L. T., “Carbon fiber-vinyl ester interfacial adhesion improvement by the use of a reactive epoxy coating”, ICCM17 Edingburgh, 2009. 6. Hinzen, M. and Brameshuber, W., “Improvement of serviceability and strength of textile reinforced concrete by using short fibres. 4th Colloquium on Textile Reinforced Structures (CTRS4)”, 2009. 7. Portal, N. W., “Usability of Textile Reinforced Concrete: Structural Performance, Durability and Sustainability”’Ph.D. Thesis, 2015. 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. 참고문헌 김경민 책임연구원은 일본 동경 대학교에서 프리스트레스 접합부 내 진성능 관련 연구로 박사학위를 취득 하였으며, 2014년부터 (재)한국건설 생활환경시험연구원에 재직하고 있 다. 주로 구조물 내진성능, 콘크리트 재료 관련 연구를 수행하고 있다. kymkim@kcl.re.kr 박성우 연구원은 동명대학교에서 학사학위를 취득하였으며, 2022년부 터 (재)한국건설생활환경시험연구원 에 재직하고 있다. 콘크리트 재료 관련 연구를 수행하고 있다. sungwoo@kcl.re.kr 학회인증사업 시행 안내 1. 인증의 종류 1) 재료 및 자재 : 콘크리트 구조물의 구성 재료 및 보수 · 보강 재료 등 2) 설계방법 및 공법 : 콘크리트 구조물의 설계방법과 시공, 보수 · 보강할 때의 공법 3) Software : 콘크리트 재료, 설계, 시공에 관련된 프로그램 4) 지침, 기준, 시방서 : 콘크리트 재료, 설계 시공에 관련한 제 규정 5) 기타 콘크리트에 관련된 기술 2. 인증의 절차 및 기간 1) 절차 : 신청서 및 서류 검토, 발표 및 현장(필요할 때) 심사 등 실시 2) 기간 : 신청일로부터 1개월 이내(단, 시험이나 실험이 추가로 필요한 경우 신청자와 협의하여 조정) 3. 인증의 기한 및 갱신인증 1) 최초인증 유효기간 5년(2년 범위 내에 조정 가능) 2) 갱신인증은 최초인증 절차에 준하며, 3년 주기로 인증 연장 가능 4. 기술 인증 사후 특전 한국콘크리트학회의 학회지와 홈페이지에 기술내용 및 인증서 공고 5. 문의처 : 학회 사무국 담당:이웅종 책임연구원 Tel:02-539-5983, E-mail : woojon94@kci.or.kr 콘크리트 관련 국내 유일의 연구 전문 기관인 우리 학회는 관련 업계에서 개발한 신기술 등의 학회 공인 요청에 대처하고자 콘크리트 재료 및 공법 등의 기술개발 사항을 의뢰 받아 우리 학회 전문가의 면밀한 검토와 심의를 거쳐 검증하고 검증된 재료 및 공법은 인증서를 발급하여 그 우수성을 널리 알리고 신뢰도를 제고하고자 하오니 관심있는 업계의 많은 신청바랍니다. 사단법인 한국콘크리트학회 TEL : (02)568-5984~7 FAX : (02)568-1918 http://www.kci.or.kr철근대체 구조재료의 성능평가 Performance Evaluation of Rebar Alternative Structural Materials 허종완 Jong-Wan Hu 인천대학교 건설환경공학부 교수 김현수 Hyun-Su Kim 인천대학교 건설환경공학과 석사과정 김영찬 Young-Chan Kim 인천대학교 산학협력단 연구원 특집 4 | FEATURED ARTICLES Magazine of the Korea Concrete Institute 64 1. 머리말 철근콘크리트는 건설 분야에서 가장 많이 사용되고 있는 구조재료이다. 철근콘크리트는 높은 압축 강도와 상대 적으로 낮은 인장강도를 지닌 콘크리트에 인장강도를 보완해주는 철근을 콘크리트 내부에 정착시켜 이론적으로 이상적인 거동을 나타내는 재료이다. 철근은 콘크리트의 피복 효과로 내부에서 산소와 직접 접촉하지 않고 콘크리 트의 주성분인 탄산칼슘이 이산화탄소를 제거하므로 반영구적인 구조재료로 인식되고 있으나 시간에 따른 콘크리 트의 노후화로 발생하는 미세한 균열로 인하여 수분이 침투하고 철근이 부식되어 강도 저하가 발생한다. 이는 노 후화된 철근콘크리트 구조물의 수명 단축을 일으키는 파손, 붕괴 등 안전사고의 위험 요인이 되고 철근 부식을 방 지하기 위해서는 유지 및 보수에 막대한 예산이 필요하므로 국가적 차원에서의 사회 · 경제적 문제가 되고 있다. 국 내 · 외에서는 철근 부식으로 인한 사고를 예방하기 위하여 일반적으로 철근 표면에 에폭시 코팅 및 아연도금 등 산 소와 접촉을 막거나 피복두께를 증가 등의 방법이 사용되지만, 이는 철근의 부식을 지연시키는 임시방편으로 근본 적인 문제가 해결되지는 못한다. 따라서, 근본적으로 철근의 부식을 해결하기 위해서 주원인이 되는 철근의 대체재 로 비부식성 재료를 활용하는 기술을 개발하는 것이다. 철근 대체재로 활용 가능한 재료는 비부식성 재료인 섬유 강화 폴리머(Fiber Reinforced Polymer, FRP)이 며 최근에는 FRP 제조기술이 발전함에 따라 건설 분야에서도 FRP 활용이 증가하고 있다. FRP는 섬유 종류에 따 라 구분되며 대표적으로 탄소섬유 강화 폴리머(Carbon Fiber Reinforced Polymer, CFRP), 유리섬유 강화 폴리 머(Glass Fiber Reinforced Polymer, GFRP), 아라미드 섬유 강화 폴리머(Aramid Fiber Reinforced Polymer, AFRP) 등이 있다. 국내 · 외에서 구조물의 보강재로서 FRP중 GFRP가 경제적인 이유로 실용화 연구가 먼저 진행 되었으나, 환경에 따라 영향을 받고 철근보다 탄성계수도 낮아 하중 작용에 따라 큰 변형이 발생할 수 있어 건설 분 야에서 사용은 매우 한정적이다. 이러한 단점을 보완된 재료가 CFRP이며 CFRP는 GFRP보다 높은 인장강도와 탄 성계수를 나타내고 주변 환경의 영향을 받지 않아 내구성과 안정성이 뛰어나다. 또한, CFRP는 미국, 유럽 등에서 구조재료로 활용하기 위하여 연구가 활발하게 진행되고 있으며 성공적인 연구결과를 통하여 우수성을 입증하였제35권 4호 2023. 07 65 다. 국내에서는 최근 2021년부터 탄소 고분자 부식 ZERO 철근대체재 기술 개발 사업을 시작하여 철근 대체재-콘크리트의 탄소보강근 및 탄소그리드 등 철 근 대체재의 기술 개발과 철근대체재의 부재 및 구조 물 설계, 성능평가, 현장적용 및 경제성 분석 등 철근 대체재 실용화 기술에 대한 연구를 수행하고 있다. 원 활한 연구가 진행되어 건설재료로써 철근대체재로 활 용한다면 사회 · 경제적으로 긍정적인 효과를 보여줄 것으로 전망된다. 본고에서는 국내 건설 분야에서 철근대체재-콘크리 트의 실용화 연구 및 신뢰성 있는 연구 결과를 위하여 국내 · 외 철근대체재와 관련된 시험방법, 기준 및 기 계적 특성평가 등의 연구 현황에 대해 다루고자 한다. 2. 국내 · 외 철근대체재 시험방법 국내 · 외에서는 FRP 보강근 및 그리드에 제품 생 산을 위한 최적의 시험 방법 표준 및 규준을 제시하 고 있다. 국외의 경우 미국재료시험학회(American Society for Testing and Materials, ASTM)에서 제시하고 있는 FRP 소재의 인장특성 실험(ASTM D3039), 압축특성 실험(ASTM D3410), 전단특성 실 험(ASTM D7205) 등과 FRP 보강근 및 그리드의 인 장특성 실험(ASTM D7705), 압축특성 실험(ASTM D695), 부착성(ASTM D7913) 등 시험 규격을 제시 하고 있다. 국제표준화기구(ISO)에서는 콘크리트에 사용되는 FRP 보강근 및 프리스트레싱 긴장재용 FRP 텐던의 시험방법 규정(ISO 10406-1), FRP 시트 시험 방법 규정(ISO 10406-2) 등을 제시하고 있다. 국내의 경우 FRP 보강근 및 그리드의 시험 기준을 국외의 시 험 기준에 준용하여 시험표준을 제시하고 있다. 3. 철근대체재 기계적 특성 평가 철근대체재-콘크리트 실용화를 위해서는 기본적으 로 철근대체재로 활용될 CFRP 재료에 대한 기계적 특성평가 연구가 필수적이므로 본고에서는 CFRP의 실험방법에 따른 기계적 특성을 평가하고 구조재료로 써 성능 검증에 대한 연구를 수행하였다. 대표적으로 철근대체재 CFRP의 기계적 특성평가에 대한 연구결 과는 다음과 같다. 우선 CFRP의 인장 실험과 압축 실험의 규격을 조 사하고, 실험에 필요한 지그 및 실험설계를 진행하였 다. CFRP 기계적 특성평가를 위한 시편은 UIN100E, UHN125B, UPN116B, UPN116E으로 결합재를 보 강 섬유에 미리 함침시킨 시트형태의 프리프레그로써 탄성계수가 각각 160 ~ 180 GPa, 200 ~ 220 GPa, 220 ~ 240 GPa, 240 ~ 260 GPa인 시편을 각 케이스 별 5개씩 제작하였다. 인장 실험은 ASTM D3039의 규정을 바탕으로 복 합재 시편 규격은(15mm×1 mm×318 mm)이고 시편 손상 방지와 중앙부 파단을 유도하기 위하여 그림 1. 인장 및 인장 반복 시편 규격 그림 2. CFRP 인장 실험 표 1. 인장 및 압축 실험에 사용된 시편 종류 CasePrepregModulus of Elasticity CFRP-C1UIN100E160 ~ 260 GPa CFRP-C2UHN125B200 ~ 220 GPa CFRP-C3UPN116B220 ~ 240 GPa CFRP-C4UPN116E240 ~ 260 GPaMagazine of the Korea Concrete Institute 66 특집 4 | FEATURED ARTICLES GFRP로 구성된 Tab을 양단부에 부착하였다. Tab 길 이는 인장시험 중 지그에서 Slip을 방지하기 위하여 양단부에 각각 90 mm로 구성하였다. 실험은 변위제 어를 통해 파단이 일어날 때까지 진행하였으며 하중 재하 속도는 1 mm/min으로 진행하였다. 압축 실험은 ASTM D6641에 따라 규정하고 있 는 지그 복합부하 고정 장치(Combined Loading Compression, CLC)를 사용하여 표준 조임 토크 권 장값인 3 N·m에 맞추어 진행하였다. 시편의 규격 은(12 mm×3 mm×140 mm)으로 제작되었으며 6 mm의 변위제어를 두고 하중재하 속도는 1 mm/ min으로 실험을 진행하였다. 인장 및 압축 실험을 수행하여 도출된 결과는 모두 응력-변형률 응답으로 나타내며 극한강도(Stress)는 다음과 같이 정의된다. (1) 인장 및 압축 반복 실험은 인장 및 압축 실험과 동 일한 시편 규격, 하중재하 속도로 수행되었으며 탄성 계수, 강성, 내력의 변화 등을 확인하기 위하여 로딩 프로토콜을 다음 <그림 5>와 같이 나타냈다. <그림 6>은 인장 실험을 통해 도출된 응력-변형률 응답을 나타내며 모든 응답에서 안정적으로 선형적 인 관계를 보여주고 있다. CFRP-C1의 경우 5개 시편 의 평균 최대하중은 60.41 kN을 나타내며 평균 연신 율은 6.48%이고 평균 인장강도는 4.03 GPa를 보여 준다. CFRP-C2의 경우 40.98 kN의 평균 최대하중, 2.73 GPa의 평균 인장강도와 3.74 % 평균 연신율을 보여준다. CFRP-C3의 경우 37.06kN의 평균 최대 하중, 2.47GPa의 평균 인장강도, 3.32 %의 평균 연 신율을 나타내고 CFRP-C4의 경우 39.45 kN의 평균 최대하중, 2.63 GPa의 평균 인장강도, 3.73 %의 평균 연신율을 보여준다. <그림 7>은 압축 실험을 수행한 결과이다. CFRP-C1은 평균 최대하중이 23.57 kN이며 평균 압 축 강도는 0.65GPa로 CFRP-C2는 평균 최대하중이 18.64 kN, 평균 압축 강도는 0.52GPa로 CFRP-C3 의 평균 최대하중은 18.13 kN, 평균 압축 강도는 그림 3. 압축 및 압축 반복 시편 규격 그림 4. CFRP 압축 실험 (a) 인장 반복 로딩 프로토콜 (b) 압축 반복 로딩 프로토콜 그림 5. 인장 및 압축 반복 로딩 프로토콜제35권 4호 2023. 07 67 (c) CFRP-C3 응력 변형률 응답 (b) CFRP-C2 응력 변형률 응답 (a) CFRP-C1 응력-변형률 응답 (d) CFRP-C4 응력 변형률 응답 그림 6. Case별 인장시험 응력변형률 응답 (c) CFRP-C3 응력 변형률 응답 (b) CFRP-C2 응력 변형률 응답 (a) CFRP-C1 응력-변형률 응답 (d) CFRP-C4 응력 변형률 응답 그림 7. Case별 압축시험 응력변형률 응답Next >