2.1 시험계획

2.1.2 시험체 제작

탄소그리드로 보강된 모르타르(이하, 탄소그리드-모르타르) 시험체는 제조방식이 다른 두 종류의 탄소그리드, 2축경편구조 및 교차적층구조 탄소그리드를 대상으로 CFRP 스트랜드의 단면적 및 간격과 이에 따른 인장력을 시험변수로 다음 Table 3 및 Fig. 1과 같이 시험체를 제작하였으며, 시험체별로 동일 시험체를 3개씩 제작하였다. Table 3 중의 시험체명은 Table 1의 탄소그리드 명칭을 반영하여 명명하였으며, 시험체 CR8_50의 ‘50’은 스트랜드의 간격을 의미한다.

Fig. 1 Details of carbon-grid-mortar specimens

시험체 크기는 인장시험 결과와의 비교를 위하여 인장시험체^{(Kim and Park 2023)}와 동일하게 2축경편구조 및 교차적층구조 탄소그리드의 주근 방향 CFRP 스트랜드가 각각 3개 및 2개 이상 포함되도록 시험체의 폭을 결정하고, 시험체 길이는 시험체 폭의 5배 이상이 되도록 결정하였다.

시험체는 Fig. 2와 같이 피복두께 상당의 높이까지 모르타르를 타설한 후에 탄소그리드를 배치하고 그 위로 모르타르를 타설하여 제조하였으며, 모르타르 타설 1일 경과 후에 거푸집을 탈형하고, 28일 이상 온도 20 oC 및 습도 60 %의 시험실 환경에서 양생하였다.

Fig. 2 Manufacturing process for carbon-grid-mortar specimens

Table 3 Specifications of carbon-grid-mortar specimens

Specimen	Width (mm)	Length (mm)	Thickness (mm)	Carbon grid
				Name	No. of CFRP strands	Tensile force (kN)
Q47	100	700	20	Q47_38	3	22.3
Q85				Q85_21	5	37.1
Q95				Q95_38	3	42.0
CR8_50				FTG-CR8	2	88.5
CR6	140	700	20	FTG-CR6	2	50.9
CR8				FTG-CR8	2	88.5
CR16				FTG-CR16	2	286.8
CMR16				FTG-CMR16	2	301.2

2.2 시험방법

시험체 가력은 Fig. 3과 같이 1,000 kN의 만능시험기를 이용하여 시험체 중앙부에서 5 mm/min 속도의 3점 재하방식으로 실시하였다.

시험체 작용 하중은 만능시험기에 내장된 로드셀로 측정하였으며, 시험체 처짐은 Fig. 3(b)와 같이 시험체 하부 중앙부 위치에 Liner Variable Displacement Transducer(LVDT)를 설치하여 측정하였다.

Fig. 3 Test setup

3.1 파괴 형상

Table 4는 시험 종료 후의 시험체 표면 손상 상태를 나타낸다. 시험체는 하중 증가에 따라 중앙부에서 양단부로 균열이 분산되어 발생하였으며, 시험체 Q95, CR8 및 CR16 등 탄소그리드의 인장력이 상대적으로 큰 시험체 표면에는 탄소그리드 위치에 부착균열이 발생하였다. 또한, 시험체 중앙부 단면 압축연단의 모르타르가 압괴되었으며, 표면 모르타르가 탈락하였다.

한편, 시험체 중, 시험체 CMR16 중 한 개 시험체는 주근 방향 CFRP 스트랜드가 완전히 파단되었으며, 다른 시험체는 CFRP 스트랜드가 완전히 파단되지는 않았지만, Fig. 4(b)와 같이 CFRP 스트랜드 단면 일부 파단, CFRP의 층간 분리, 섬유와 수지의 계면파괴, 섬유 파단 등의 손상이 발생하였다.

2축경편구조 탄소그리드-모르타르 시험체와 비교하여 교차적층구조 탄소그리드-모르타르 시험체에는 단면 내부 모르타르까지 손상이 확대되었으며, 주근 방향 CFRP 스트랜드의 완전 파단뿐만 아니라 CFRP의 일부 파단, CFRP의 손상 등에 있어서도 더 심한 손상이 발생하였다. 이는 교차적층구조 탄소그리드는 2차적층구조 탄소그리드와 비교하여 상대적으로 CFRP 스트랜드의 단면적이 크고 이에 따라 시험체 단면 내의 모르타르 면적이 작아졌기 때문으로 판단된다.

Fig. 4 Damages observed in the mortar and carbon grid of specimens

Table 4 Failure of carbon-grid-mortar specimens

3.2 하중-처짐 관계

Fig. 5는 2축경편구조 탄소그리드-모르타르 시험체의 하중과 중앙부 처짐과의 관계를, Fig. 6은 교차적층구조 탄소그리드-모르타르 시험체의 하중과 중앙부 처짐과의 관계를 나타낸다. 그림 중의 C_f는 최초 균열 발생 점을, C_s는 마지막 균열 발생 점으로 균열 안정화 구간의 시작점을 의미한다^{(Portal 2015)}.

2축경편구조 탄소그리드-모르타르 시험체는 연속적인 균열 발생으로 하중이 일시적으로 감소하였다가 다시 증가하기를 반복하면서 강성이 크게 감소하였으며, 시험체 단면 중앙부 압축연단의 모르타르 압괴로 최대 하중에 도달하였다. 이후, 주근 방향 CFRP 스트랜드의 손상, 모르타르 탈락 등의 손상으로 시험체의 중앙부 처짐이 증가에 따른 연성적 파괴 거동을 나타내었다.

동일하게 제작한 2축경편구조 탄소그리드-모르타르 시험체 중에서도 초기 균열 발생으로 (-)방향으로 하중이 감소한 시험체는 이후 가력으로 하중이 크게 증가하지 않았으며, 다른 시험체와 비교하여 최대 하중이 작은 것으로 나타났다. 또한, 시험체 Q85 중에서도 균열이 중앙부뿐만 아니라 양단부로 분산되어 발생한 시험체(Table 4 참조)의 경우, 다른 시험체와 비교하여 균열 발생 이후 강성이 크고 최대 하중도 커지는 것으로 나타났다.

교차적층구조 탄소그리드-모르타르 시험체의 경우, 주근 방향 CFRP 스트랜드의 단면적이 작은 시험체 CR8_50, CR6 및 CR8은 균열 발생에 의한 하중의 일시적인 감소 및 증가 거동을 보였지만, 주근 방향 CFRP 스트랜드의 단면적이 큰 시험체 CR16 및 CMR16은 균열 발생에 따른 하중의 감소와 증가가 반복되지 않았으며, 다른 시험체와 비교하여 균열 발생 이후 강성이 더 큰 것으로 나타났다.

교차적층구조 탄소그리드-모르타르 시험체는 2축경편구조 탄소그리드-모르타르 시험체와 마찬가지로 시험체 중앙부 단면 압축연단의 모르타르 압괴로 최대 하중에 도달하였다. 하지만, 2축경편구조 탄소그리드-모르타르 시험체보다 단면 내 모르타르 면적이 작고 모르타르 내부로 손상이 확대되었으며, 주근 방향 CFRP 스트랜드의 일부 혹은 전단면이 파단되거나, CFRP 층 분리, 섬유-수지 계면파괴 등의 손상이 발생면서 최대 하중에 도달함과 동시에 하중이 급격하게 감소하는 취성적 파괴거동을 나타내었다.

Fig. 5 Relationship of load and mid-span deflection (biaxial warp knitting structure carbon grid)

Fig. 6 Relationship of load and mid-span deflection (cross-laminate structure carbon grid)

3.3 휨강도 특성

Table 5는 시험체의 균열안정화 구간 시작점, C_s와 피크점의 모멘트와 파괴모드를 나타낸다. 시험체는 모두 중앙부 압축연단 모르타르의 압괴에 의하여 휨강도에 도달하였으며, 이후 모르타르 탈락과 주근 방향 CFRP 스트랜드 단면 일부 파단, CFRP의 층간 분리, 섬유와 수지의 계면파괴, 섬유 파단 등의 CFRP 스트랜드 손상 및 CFRP 스트랜드의 파단으로 최종 파괴되었다.

2축경편구조 탄소그리드-모르타르 시험체의 경우, 시험체 Q85의 휨강도뿐만 아니라 휨강도의 편차도 큰 것으로 나타났다. 한편, 주근 방향 CFRP 스트랜드의 인장력이 유사한 시험체 Q85와 Q95의 경우, 단면적이 작은 CFRP 스트랜드를 좁은 간격으로 더 많이 배치한 시험체 Q85의 휨강도가 편차는 크지만, 시험체 Q95의 휨강도보다 1.47배 커지는 것으로 나타났다.

교차적층구조 탄소그리드-모르타르 시험체의 경우, 시험체 CMR16의 휨강도가 시험체 CR6의 휨강도의 4.1배로 탄소그리드의 인장력(Table 3 참조)이 커질수록 시험체의 휨강도가 커지는 것으로 나타났으며, 탄소그리드 FTG-CR8을 적용한 시험체 CR8_50과 CR8이 상대적으로 휨강도 편차가 큰 것으로 나타났다.

또한, Fig. 7과 같이 탄소그리드의 제조방식과 상관없이 탄소그리드의 주근 방향 CFRP 스트랜드의 인장력이 커짐에 따라 전반적으로 탄소그리드-모르타르 시험체의 휨강도는 증가하는 것으로 나타났다.

한편, 균열안정화 구간 시작점의 휨모멘트는 휨강도의 0.57~0.65 수준(Table 5 참조)으로 탄소그리드의 제조방식 및 인장력에 따른 차이는 없는 것으로 나타났다.

Fig. 7 Relationship between tensile force and flexural strength

3.4 유효계수

탄소그리드-모르타르 시험체의 인장시험 결과^{(Kim and Park 2023)}, 인장력을 받은 탄소그리드-모르타르 시험체는 탄소그리드 인장 축방향 CFRP 스트랜드의 인장강도의 0.04~0.70 수준의 인장응력에서 파괴되는 것으로 나타났다(Table 6의 탄소그리드 인장 축방향 CFRP 스트랜드의 인장 유효계수, $COE_{T}$). 또한, 휨을 받는 탄소그리드-모르타르 시험체의 경우에도 주근 방향 CFRP 스트랜드의 인장강도보다 낮은 수준의 인장응력에서 휨강도에 도달하는 것으로 나타났다^{(Portal 2015)}. 이에 따르면, 휨이 작용하는 탄소그리드-모르타르 시험체의 주근 방향 스트랜드에 작용하는 인장응력 수준은 다음 식 (1)의 휨 유효계수(coefficient of efficiency for flexural strength, $COE_{M}$)에 의하여 평가할 수 있다.

여기서, $COE_{M}$: 탄소그리드 주근 방향 CFRP 스트랜드의 휨 유효계수, $d$: 단면유효높이, $f_{cgu}$: 탄소그리드 주근 방향 스트랜드의 인장강도, $A_{cg}$: 탄소그리드 주근 방향 CFRP 스트랜드의 총 단면적, $M_{u}$: 휨강도

Table 6과 같이 2축경편구조 탄소그리드-모르타르 시험체의 $COE_{M}$ 값은 0.24~0.35, 교차적층구조 탄소그리드-모르타르 시험체의 $COE_{M}$ 값은 0.23~0.35로 휨강도 도달 시 탄소그리드 제조방식에 관계없이 주근 방향 스트랜드에는 유사한 수준의 인장응력이 작용한 것으로 나타났다. 또한, Fig. 8과 같이 인장력 100 kN 미만의 작은 수준에서는 인장력의 증가에 따라 $COE_{M}$ 값은 전반적으로 감소하는 경향을 나타냈으며, 인장력 300 kN 정도의 큰 수준에서는 인장력의 증가에 따라 $COE_{M}$ 값은 증가하는 것으로 나타났다. 한편, Fig. 9와 같이 2축경편구조 탄소그리드-모르타르 실험체는 $COE_{T}$와 비교하여 $COE_{M}$이 작은 반면에($COE_{M}/ COE_{T}$=0.50~1.26), 교차적층구조 탄소그리드-모르타르 시험체는 $COE_{T}$와 비교하여 $COE_{M}$이 큰 것으로 나타났다($COE_{M}/ COE_{T}$=1.61~10.60). 교차적층구조 탄소그리드는 인장력에 대해서는 CFRP 스트랜드 인장강도의 0.03~0.17 수준에 불과한 인장성능을 발현하였지만, 휨에 대해서는 스트랜드 인장강도의 0.23~0.35의 인장성능을 발현하여 $COE_{T}$와 비교하여 $COE_{M}$값이 커졌다. 특히, CFRP 스트랜드의 단면적이 큰 탄소그리드 FTG-CR16과 FTG-CMR16의 $COE_{M}/ COE_{T}$이 각각 10.60과 9.72로 인장력과 달리 휨에 대해서는 인장성능 발현이 가능한 것으로 나타났으며, 결과적으로 Fig. 9와 같이 다른 탄소그리드-모르타르 시험체와 비교하여 큰 휨강도 발현이 가능했었던 것으로 판단된다.

Fig. 8 Relationship between $COE_{M}$ and tensile force

Fig. 9 Comparison of $COE_{T}$ and $COE_{M}$