2.1 사용재료

본 실험에서 사용한 규사코팅 CFRP는 Fig. 2에 나타낸 바와 같은 ‘G’사에서 개발한 직경 10, 12, 16 mm를 사용하였으며, 물리적 성질은 Table 2에 나타낸 바와 같다. 시멘트는 ‘H’사의 1종 보통 포틀랜드 시멘트를 사용하였으며, Table 3에 나타낸 물리적 성질을 가지고 있다. 잔골재의 경우 ‘E’사의 강모래를 사용하였으며, Table 4에 나타낸 물리적 성질을 가지고 있다. 굵은골재는 최대치수 20 mm의 쇄석을 사용하였으며, 물리적 성질은 Table 5와 같다.

Fig. 2 CFRP bar

2.2 실험방법

본 실험에 사용된 시험체 제작은 Table 6에 나타낸 배합표를 사용하여 제작하였다. 부착강도 시험체는 ^{ASTM C 234 (1991)}에 의거하여 Fig. 3에 나타낸 바와 같이 내경 150×150× 150 ㎣의 몰드를 사용하여 제작하였다. 콘크리트와 보강근의 수직도가 부착강도에 큰 영향을 주기 때문에 보강근의 수직도를 유지하는 것이 시험체 제작 시 중요한 요인이다. 기존 시험체를 제작하는 방법은 보강근을 수직으로 세워서 제작하였으나, 수직도를 유지하기에 적합하지 않다고 판단하여, 보강근을 수평으로 삽입하여 제작하였다. 제작한 부착강도 시험체와 압축강도 공시체는 28일간 수중양생 하였다.

부착강도 실험은 Fig. 4에 나타낸 바와 같이 ^{ASTM C 234 (1991)}에 의거하여 부착강도 실험을 진행하였다. 지그에 부착강도 시험체를 수평으로 맞춰 거치 후, 하중에 따른 콘크리트와 CFRP 사이의 미끌림을 확인하기 위해 양쪽 하단에 LVDT를 설치하였다. CFRP의 깨짐을 방지하기 위해 Clamping jaw에 충분한 물림길이를 확보하여 실험을 진행하였다. 부착강도 실험은 최대하중이 300톤의 성능을 가진 UTM(universal test machine)을 사용하여 0.01 mm/sec의 속도로 가력하여 진행하였다. 부착강도 실험에서 측정되는 하중은 UTM의 로드셀을 데이터 로그에 연결하여 1초마다 1회씩 측정한 데이터를 수집하였다.

Fig. 3 Bond strength mold of CFRP bar

Fig. 4 Test equipment and methods

3.1 압축강도

본 실험에서 실시한 물-시멘트비별 콘크리트의 재령 28일의 험체 각각의 압축강도는 Table 7에 나타낸 것과 같으며, 평균압축강도는 Fig. 5에 나타낸 바와 같다. 압축강도 공시체의 파괴형상은 Fig. 6과 같다. 실험결과 물-시멘트비 40 %는 32.4 MPa, 50 %는 23.2 MPa, 60 %는 20.1 MPa의 강도발현을 나타냈다. 이는 물-시멘트비가 낮을수록 시멘트량이 증가하여 강도증진에 영향을 주는 수화물이 생성되어 나타난 결과로 판단된다.

Fig. 5 Results of concrete compressive strength (MPa)

Fig. 6 Fracture shape of concrete

3.2 부착강도

부착강도 실험은 양쪽 하단에 설치한 LVDT 변위계의 값이 15 mm가 될 때까지 진행하였으며, 부착강도 실험 중 최대 하중에 도달하였을 때 평균부착응력을 구하였다. 본 실험에서 CFRP를 사용하여 제작한 3개의 시험체의 평균부착강도는 식 (1)을 활용하여 계산하였다. 식 (1)에서 $u$는 평균부착응력, $p$는 시험체에 가해진 최대 하중이며, $d_{b}$는 보강근의 지름, $l_{d}$는 보강근의 묻힘길이(4$d_{b}$)를 의미한다.

재령 28일 부착강도 실험결과는 CFRP로 제작한 공시체 3개의 평균값으로 나타냈으며, Fig. 7에 나타낸 바와 같다. 물-시멘트비 40 %, 50 %, 60 %일 경우 CFRP 직경 10 mm의 부착강도는 5.51 MPa, 4.51 MPa, 5.06 MPa로 발현되었으며, 직경 12 mm의 부착강도는 13.67 MPa, 10.26 Mpa, 8.05 MPa, 직경 16 mm는 13.85 MPa, 11.17 MPa, 9.24 MPa의 부착강도가 발현되었다. 물-시멘트비가 낮을수록 콘크리트와 CFRP 사이의 부착면에 수화물이 밀실하게 생성되어 높은 부착강도가 발현된 것으로 판단된다. 하지만, Fig. 2에 나타낸 바와 같이 12, 16 mm는 보강근 표면에 나선형 리브가 뚜렷하게 존재하는 반면, 10 mm는 표면에 규사코팅만 존재할 뿐 나선형 리브의 모양이 뚜렷하지 않아 원활한 부착강도 발현하지 못한 것으로 판단된다.

Fig. 7 Result of CFRP bond strength (MPa)

3.3 부착강도와 미끌림의 관계

본 실험에서 Slip of maximum bond strength는 최대 부착강도일 때 측정된 양쪽 하단에 설치한 LVDT 변위계의 평균값을 사용하였다. Table 8은 부착강도 실험데이터를 정리한 것이다. 시험체 명의 표기법은 다음과 같다.

CW_D#N

C : 시험체에 사용된 보강근의 종류

W : 물-시멘트비

D : 시험체에 사용된 보강근의 지름

N : 시험체의 개수

Fig. 8은 CFRP의 부착강도 실험 전과 후의 형상을 나타낸 것이며, 그림에 나타난 바와 같이 부착강도 실험에 사용한 CFRP의 표면코팅이 깨져 내부의 매끈한 부분이 보임을 확인하였다.

Fig. 9는 물-시멘트비 40 %의 콘크리트와 CFRP의 부착강도와 미끌림의 관계를 나타낸 것이며, Fig. 10은 물-시멘트비 50 %의 콘크리트와 CFRP의 부착강도와 미끌림의 관계를 나타낸 것이다. Fig. 11은 물-시멘트비 60 %의 콘크리트와 CFRP의 부착강도와 미끌림의 관계를 나타낸 것이다. 슬립은 부착강도 결과와 동일하게 직경 10 mm만 다른 결과를 보였으며, 뚜렷하지 못한 리브의 영향으로 인한 결과로 판단된다. 모든 부착강도 시험체가 약 3~5 mm 수준의 미끌림에서 최대 부착강도를 나타내는 것을 알 수 있었다. 직경 10 mm의 경우 잔류하중 구간에서 하중이 유지되는 거동을 보였으며, 직경 12 mm와 16 mm의 경우 잔류하중 구간에서 하중이 감소하는 거동을 보였다. 이는 직경 12 mm와 16 mm의 경우 표면에 뚜렷하게 형성되어있던 리브가 깨져 내부에 매끈한 보강근이 나와 잔류하중이 점점 감소하기 때문인 것으로 판단되며, 직경 10 mm의 경우 표면의 리브가 뚜렷하지 않았기 때문에 리브가 깨져도 큰 차이 없이 잔류하중이 유지되었기 때문인 것으로 판단된다.

Fig. 8 Fracture shape of 12 mm CFRP bar

Fig. 9 W/C 40 test result of bond strength and slip

Fig. 10 W/C 50 test result of bond strength and slip

Fig. 11 W/C 60 test result of bond strength and slip

또한, Fig. 9에 나타낸 바와 같이 물-시멘트비 40 %, 직경 16 mm의 경우 최대 부착강도 이후 부착강도가 급격한 하락을 보이는 경향을 확인하였다. 이는 높은 강도로 인해 부착선단 영역에 응력집중이 발생하여 콘크리트와 CFRP의 부착면이 깨져 순간적으로 급격한 하락을 보였으며, 이후 순간적으로 하락했던 하중이 원상태로 돌아오면서 나타난 결과로 판단된다. 다른 물-시멘트비의 경우 낮은 강도로 인해 부착면이 서서히 파괴되어 급격한 하락구간이 없는 것으로 판단된다. 또한, 물-시멘트비 40 %의 경우 직경 10 mm에서 슬립과 부착강도의 차이가 크게 나타난 것은 실험적 오차가 발생하여 나타난 결과로 판단된다.

3.4 본 실험과 기존 이형철근의 부착강도 비교

선행연구와 비교를 위해 선행연구 중 본 실험의 압축강도와 가장 비슷한 논문을 선택하였다. 선행연구에서 나타낸 직경 13 mm 이형철근과 본 실험에서 사용한 직경 12 mm CFRP의 부착강도 결과를 비교하였다^{(Lee et al. 2016)}. Fig. 12에 나타낸 바와 같이 압축강도 약 32 MPa 수준의 경우 CFRP의 부착강도가 이형철근의 부착강도에 비해 약 33 % 낮게 발현된 것을 확인하였다. 또한, 압축강도 24 MPa 수준의 경우 CFRP 보강근의 부착강도가 이형철근의 부착강도에 비해 약 21 % 낮게 발현되는 것으로 나타났다.

Fig. 12 Comparison of bond strength of CFRP with deformed bar

이는 이형철근의 경우 표면에 형성되어 있는 마디와 리브가 깨지지 않는 반면, 본 실험에 사용한 CFRP는 표면의 규사코팅과 리브의 파괴로 인해 부착강도가 낮게 발현된 것으로 판단된다. 따라서, 본 연구에서 사용한 CFRP를 철근콘크리트구조에 사용하기 위해서는 CFRP 표면의 코팅과 리브에 관한 추가적인 연구가 필요할 것으로 판단된다.