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ISSN : 2093-5145(Print)
ISSN : 2288-0232(Online)
Journal of the Korean Society for Advanced Composite Structures Vol.7 No.4 pp.74-82
DOI : https://doi.org/10.11004/kosacs.2016.7.4.074

Bond Characteristic of Lightweight Concrete with Deformed GFRP Bar and Sand Coated GFRP Bar

Dong-Ki Lee1, Heui-Suk Jang2
1Graduate student, Department of Civil Engineering, Pukyong National University, Busan, Korea
2Professor, Department of Civil Engineering, Pukyong National University, Busan, Korea
Corresponding author: Jang, Heui-Suk, Department of Civil Engineering, Pukyong National University, 45 Yongsoro Nam-gu Busan, 48513, Korea. +82-51-629-6064, +82-51-629-6063, janghs@pknu.ac.kr
November 9, 2016 December 12, 2016 December 21, 2016

Abstract

FRP (Fiber Reinforced Polymer) reinforced lightweight concrete structures can offer corrosion resistance and weight reduction effect simultaneously, so practical use of the structures may be expected afterwards. But, to construct the concrete structures using lightweight concrete and FRP bar, one of many important things to be previously investigated is to study bond characteristic between the lightweight concrete and the FRP bar. So, bond characteristics between lightweight concrete and two types of GFRP bar (helically deformed GFRP bar and sand coated GFRP bar) were investigated in this study. To do this study, literature review and bond strength test using a number of bond strength specimens were conducted. As a result, it could be seen that the bond strength of helically deformed GFRP bar and sand coated GFRP bar in the lightweight concrete were 49% and 81%, respectively, for the bond strength of steel reinforcement in the normal concrete.


경량콘크리트와 이형 GFRP 보강근 및 모래분사형 GFRP 보강근의 부착 특성

이 동기1, 장 희석2
1부경대학교 토목공학과 석사과정
2부경대학교 토목공학과 교수

초록


    Pukyong National University

    1.서 론

    FRP (Fiber Reinforced Polymer) 보강근은 철근에 비 하여 자중이 1/4 정도로서 중량 대비 고강도의 특성 을 갖고 있으며 또한 염화물 등으로 인한 부식에 강 한 내구성을 갖는다 (ACI, 2006; CSA, 2002; Seo et al., 2007; You et al., 2008). 따라서 경량골재를 사용 하는 콘크리트 구조물에 FRP 보강근을 함께 사용한 다면 구조물의 자중 감소와 더불어 내구성의 증가를 기대할 수 있을 것으로 생각된다 (Kwak and Jang, 1998; Shin and Choi, 1998). 이에 따라 앞으로 경량 콘크리트와 FRP 보강근을 함께 사용하는 콘크리트 구조물을 대상으로 기초적이고 실용적인 많은 연구가 필요할 것으로 생각된다.

    경량콘크리트와 FRP 보강근을 사용하여 구조체를 만들기 위해서는 FRP 보강근의 재료강도를 발현할 수 있는 정착길이가 규명되어야 한다. 그리고 정착길 이는 부착특성을 근거로 하므로 FRP 보강근과 경량 콘크리트 사이의 부착특성을 파악하는 것은 대단히 중요하다고 판단된다.

    그동안 보통콘크리트와 FRP 보강근의 부착강도에 대하여는 많은 연구 (Jung et al., 2011; Kim et al., 2005; Lee et al., 2008; Roman et al., 2005; You et al., 2006)가 있었으나, 경량콘크리트와 FRP 보강근 사이의 부착강 도에 대하여는 연구결과 (Malvar et al., 2003)가 많이 부족한 실정이었다.

    손병락 등 (Son et al., 2013)은 경량콘크리트와 보 강근 표면에 나선형태의 이형(deform)을 갖는 이형 GFRP 보강근 사이의 부착거동을 조사하였다. 이 연 구에서 보통콘크리트와 철근을 사용한 실험체의 부착 강도를 1.0으로 하였을 때, 보통콘크리트와 이형 GFRP 보강근을 사용한 실험체의 부착강도는 0.67, 경량콘크리트와 이형 GFRP 보강근을 사용한 실험체 의 부착강도는 0.49로 나타났다.

    본 연구에서는 앞선 연구 (Son et al., 2013)와 연관 하여 추가실험과 문헌 조사를 통하여 자료들을 보충 하고 부착강도 분석을 다시 행하였다. 또한 보강근의 표면에 다른 형태를 갖는 GFRP 보강근과 경량콘크리 트 사이의 부착강도도 조사하기 위하여, 보강근 표면 에 모래가 코팅된 모래 분사형 GFRP 보강근을 보통 콘크리트와 경량콘크리트에 사용한 실험체들에 대하 여 부착실험을 행하였으며 타 연구자들의 연구결과도 조사하였다. 이러한 방법으로 경량콘크리트와 이들 2 종류의 GFRP 보강근(이형 및 모래 분사형) 사이의 부착특성을 종합적으로 분석하였다.

    2.이형 GFRP 보강근의 부착강도 특성

    2.1.실험체 제작

    본 연구에서의 추가실험은 앞선 연구 (Son et al., 2013)의 실험 자료를 보충하기 위하여 수행된 것으로, 앞선 연구에서 행한 실험과 동일하게 진행되었다. 앞 선 연구에서 보통콘크리트와 철근을 사용한 실험체의 부착강도가 경량콘크리트와 철근을 사용한 실험체의 부착강도보다 작게 나온 점을 고려하여, Table 1에서 와 같이 보통콘크리트와 철근으로 동일한 부착강도 실험체 3개 (NS13-1, NS13-2, NS13-3)를 다시 제작하 고 실험을 행하였다.

    또한 앞선 연구 (Son et al., 2013)에서 경량콘크리 트와 GFRP 보강근을 사용한 실험체들의 부착강도 비 교에서 경량콘크리트의 강도가 높음에도 불구하고 부 착강도가 더 작게 나온 점을 고려하여, 경량콘크리트 와 GFRP 보강근으로 동일한 부착강도 실험체 3개 (LG13-1, LG13-2, LG13-3)를 다시 제작하고 실험을 행하였다.

    실험에 사용된 GFRP 보강근은 유리섬유 함유율이 68%이고 수지로서 비닐에스터를 사용하고 있다. 그리 고 GFRP 보강근의 표면에 있는 나선형 돌기의 피치 간격과 높이는 각각 12mm와 1mm이다.

    이들 실험체에서 보통콘크리트와 경량콘크리트는 배합설계를 통하여 제작하였다. 실험체 제작에 사용된 경량골재는 팽창성 혈암을 사용한 메사라이트 인공경 량 굵은골재 및 잔골재이고 골재의 물리적 성질은 Table 2에 나타내었다. 부착강도 실험 시 측정된 공시 체들의 평균압축강도는 보통콘크리트에서 20.0 MPa, 경량콘크리트에서 19.17MPa 이었다.

    각각의 실험체는 Fig. 1과 같이 150mm×150mm× 150mm인 정육면체 블록으로 제작하였으며 GFRP 보 강근이 부착된 실험체의 제원을 Fig. 1~2에 나타내 었다.

    실험체 제작 시 GFRP 보강근과 보강근 주위의 콘 크리트 사이에 비 부착구간을 형성하는 것이 필요하 다. 따라서 본 실험에서는 콘크리트 블록의 중심에 설치된 GFRP 보강근에 대하여 CSA S806-02 규격에 따라 콘크리트 블록에 묻힌 4db (db: 보강근 지름)의 부착길이를 제외한 나머지 부분에 PVC 파이프를 덮 어씌워 비 부착구간을 형성하였다. 그리고 실험체에 인발하중을 가하기 위하여 사용된 하중단 그립은 Fig. 1에서와 같이 직경 40mm 원형 강봉 내부의 중심에 GFRP 보강근을 배치하고 주위에 에폭시를 충진하여 제작하였다 (Son et al., 2013).

    2.2.부착강도 측정실험

    부착강도 측정 실험을 위하여 MTS사의 시험기를 사 용하였으며 Fig. 3에 나타내었다. 실험장치는 Fig. 2 및 Fig. 3 에서와 같이 실험장치의 하단에 고정단 지 거를 설치하고 실험체의 하중단 그립을 고정단 지거 내부에서 아래쪽으로 향하게 배치한 후, 실험체가 얹 혀있는 상부 지거를 위쪽으로 인양하므로서 GFRP 보 강근이 인장력을 받도록 구성하였다.

    실험 시 각 하중 증가에 따른 미끌림 변위는 보강 근의 자유단에서 측정하였으며, 부착실험은 실험체가 할렬파괴되거나 또는 뽑힘파괴가 생길 때까지 진행하 였다.

    Fig. 4는 실험체 중에서 NS13-1 실험체의 실험 종 료 후 사진이다. NS13-1의 실험체는 뽑힘파괴 형태를 보여주고 있으며 NS13-2도 같은 형태의 파괴를 나타 내었고, NS13-3의 실험체는 취급 부주의로 인하여 실 험을 하지 못하였다. 그리고 LG13-1~3의 실험체들은 할렬파괴의 형태를 나타내었다.

    실험에서 구해진 보강근의 부착응력-미끌림변위 곡 선들을 실험체별로 Fig. 5에 나타내었다. Fig. 5에서 실험체가 하중을 받는 초기에 부착응력-미끌림변위 곡선들이 수평이거나 또는 완만하게 증가하는 현상들 을 일부 볼 수 있다. 이는 실험체 제작 시 실험체의 중앙에 GFRP 보강근이 돌출되게 되므로 실험체의 표 면을 완벽히 평탄하게 마무리하지 못하게 되고 이에 따라 실험체의 표면과 실험체가 얹혀있는 상부지거의 표면이 완전하게 접촉되지 못하여 생긴 현상이라고 분석된다. 그러나 이런 초기의 과정을 거치면 곧바로 정상적인 하중-처짐 거동을 나타내는 것을 볼 수 있 다.

    이 그림에서 부착응력은 부착면 전체에 동등하게 분배된다는 가정 하에 식 (1)에 의하여 계산된 평균 부착응력이며, 미끌림 변위는 자유단에 설치된 LVDT 를 사용하여 계측한 결과이다.

    u = P d b l π
    (1)

    여기서, u는 부착응력, P 는 인발하중, db는 보강근 의 직경, l은 보강근의 부착길이를 나타내며, 위 식 에서 P 값으로서 최대인발하중 (=파괴하중)을 사용 하여 계산된 u는 부착강도로 사용하였다.

    이 그래프들에서 LG13-1~3의 실험체들은 실험 시 순간적인 할렬파괴 발생으로 인하여 할렬파괴 이후의 미끄럼 변위 취득이 중단된 것을 나타내었으며, NS13-1,2 실험체와 LG13-1~3 실험체의 압축강도는 유사하지만 전자의 부착응력이 후자의 부착응력보다 더 큰 것을 알 수 있다.

    2.3.실험결과 및 문헌조사 결과

    식 (1)에서 P 값으로서 실험체들의 파괴하중을 사용하 여 계산한 실험체들의 부착강도와 정규화된 부착강도 (Khandaker, 2008; Roman et al., 2005)를 Table 3에 정리하여 나타내었다. 이 표에서 정규화된 부착강도는 부착강도를 콘크리트 압축강도의 제곱근으로 나누어 계산한 값으로서, 부착강도 측정 실험체들의 콘크리트 압축강도가 서로 상이하므로 비교할 목적으로 사용되 었다.

    Table 3을 살펴보면 보통콘크리트와 철근을 사용한 실험체 NS13-1~3들의 정규화된 부착강도의 평균값 은 4.92가 되어 앞선 연구 (Son et al., 2013)에서 경 량콘크리트와 철근을 사용한 실험체들의 값 (4.84 및 4.94)보다 다소 크거나 거의 유사하게 됨을 알 수 있 었다. 그러나 경량콘크리트와 GFRP 보강근을 사용한 실험체 LG13-1~3들에서 실험체의 압축강도는 19.17 MPa인데 정규화된 부착강도는 2.33이 되어 압축강도 가 낮을수록 오히려 부착강도가 커지는 결과가 앞선 연구에서와 유사한 경향을 나타내었다. 앞선 연구에서 경량콘크리트의 압축강도가 30.8MPa과 34MPa인 경 우에 정규화된 부착강도는 각각 2.11과 1.95이었다. 따라서 앞으로 많은 실험 자료의 축적을 통하여 이에 대한 재분석이 필요할 것으로 판단된다.

    문헌조사를 통하여 타 연구자들 (Jung et al., 2011; Lee et al., 2008)의 보통콘크리트와 GFRP 보강근 사 이의 부착강도에 대한 부착강도 실험 결과를 Table 4 에 나타내었다. 이 값들은 본 연구에서 사용된 것과 같은 굵기 및 형태의 이형 GFRP 보강근을 사용하여 얻어진 결과들이다. 따라서 비교 분석을 위하여 앞선 연구 (Son et al., 2013)의 실험결과, 본 연구에서의 추 가실험 결과로부터 얻어진 값들을 이 표에 함께 나타 내었다.

    3.모래 분사형 GFRP 보강근의 부착강도 특성

    3.1.실험체 제작

    본 연구에서는 이형 GFRP 보강근 이외에 보강근의 표면에 모래가 코팅된 모래 분사형 GFRP 보강근과 경량콘크리트 사이의 부착강도도 측정하기 위하여 Table 5에서와 같은 부착강도 측정용 실험체를 제작 하고 부착실험을 실시하였다.

    실험체의 규격은 이형 GFRP 보강근 실험체와 동일 하다. 실험에 사용된 모래 분사형 GFRP 보강근은 캐 나다 Pultrall Inc.에서 제조된 것으로서 부착강도 증진 을 위하여 표면에 모래가 부착되었으며, 비교를 위하 여 이형 및 모래분사형 GFRP 보강근의 재료 특성치 와 사진을 Table 6 및 Fig. 6에 각각 나타내었다.

    실험체는 콘크리트 종류, 즉 보통 및 경량콘크리트 의 실험변수를 택하여 제작하였다. 실험체명에서 첫 번째 영문자는 콘크리트 종류를 (N:보통콘크리트, L: 경량콘크리트), 두 번째 영문자 SCG는 모래 분사형 GFRP 보강근을 의미하며 이어지는 숫자 13은 보강근 의 직경을 나타낸다. 실험의 정확성을 기하기 위하여 동일한 실험체를 각각 3개씩, 총 6개를 제작하여 실험 을 행하였다.

    실험에 사용된 보통콘크리트와 경량콘크리트는 배 합설계에 의하여 제작하여 사용하였다. 이에 따라 부 착강도 실험 시 측정된 공시체들의 평균압축강도는 보통콘크리트에서 21.64MPa, 경량콘크리트에서 29.42 MPa이었다.

    3.2.부착강도 측정 실험

    실험체들의 파괴형태는 L-SCG13-3 실험체를 제외 하고는 모두 뽑힘파괴 형태로 나타났으며 L-SCG13-3 실험체는 할렬파괴 형태를 나타내었다. 실험 종료 후 N-SCG13-1~3 실험체들의 사진을 Fig. 7에 나타 내었다.

    실험에서 구해진 보강근의 부착응력-미끌림 변위 곡 선들을 실험체별로 Fig. 8에 나타내었다. 여기서 부착 응력은 식 (1)에 의하여 계산된 평균부착응력이며, 미 끌림 변위는 자유단에 설치된 LVDT를 사용하여 계 측한 결과이다. 이 그림들에서 보통콘크리트에 모래분 사형 GFRP 보강근을 사용한 실험체들 N-SCG13-1~3 은 부착강도 도달 후 부착응력의 감소가 완만함을 보 이나, 경량콘크리트에 모래분사형 GFRP 보강근을 사 용한 실험체들 L-SCG13-1~3은 부착강도 발생 후 부 착응력이 급격히 감소하는 것을 볼 수 있다.

    이와 같은 경향은 Fig. 5에서도 유사하게 나타나는 것을 볼 수 있다.

    3.3.실험 결과 및 문헌조사 결과

    식 (1)에서 P 값으로서 실험체들의 파괴하중을 사용하여 계산한 실험체들의 부착강도와 정규화 된 부착강도를 Table 7에 정리하여 나타내었다.

    타 연구자들의 문헌을 조사하여 Table 8에 나타 내었는데 이 값들은 본 연구에서 사용된 것과 같 은 굵기 및 형태의 모래 분사형 GFRP 보강근을 사용하여 얻어진 결과들이다. 따라서 비교를 위하 여 Table 7에 제시되어 있는 실험결과들도 함께 Table 8에 나타내었다.

    4.결과 분석

    4.1.이형 GFRP 보강근을 사용한 실험체의 부착강 도

    Table 4의 값들을 정리한 결과, 보통콘크리트와 철근, 보통콘크리트와 이형 GFRP 보강근, 그리고 경량콘크 리트와 이형 GFRP 보강근 사이의 정규화된 부착강도 는 각각 4.54, 3.16, 2.22로 나타났다. 따라서 보통콘 크리트와 이형 GFRP 보강근 사이의 부착응력은 보통 콘크리트와 철근 사이의 부착응력에 비하여 70% 정 도이고, 경량콘크리트와 이형 GFRP 보강근 사이의 부착응력은 보통콘크리트와 이형 GFRP 보강근 사이 의 부착응력에 비하여 70% 정도이다. 따라서 경량콘 크리트와 이형 GFRP 보강근 사이의 부착응력은 보통 콘크리트와 철근 사이의 부착응력에 비하여 49% 정 도를 나타내는 것으로 분석되었다. 이러한 분석결과는 앞선 연구 (Son et al., 2013)의 연구결과와 서로 유사 한 값을 보여준 것으로 판단된다.

    4.2.모래분사형 GFRP 보강근을 사용한 실험체의 부착강도

    Table 8의 값들을 정리한 결과, 보통콘크리트와 모래 분사형 GFRP 보강근, 경량콘크리트와 모래분사형 GFRP 보강근 사이의 정규화된 부착강도는 각각 3.26, 3.69로 나타났다. 따라서 경량콘크리트와 모래분 사형 GFRP 보강근 사이의 부착강도는 보통콘크리트 와 모래분사형 GFRP 보강근 사이의 부착강도에 비하 여 113% 정도임을 알 수 있다. 그러나 이러한 결과는 보통콘크리트의 부착강도가 경량콘크리트의 부착강도 보다 더 클 것이라는 일반적인 예상에 반하는 것으로, 앞으로 경량콘크리트와 모래분사형 GFRP 보강근 사 이의 부착강도에 대하여 더 많은 자료의 축적이 필요 하다고 판단된다.

    4.3.보통콘크리트에 이형 및 모래 분사형 GFRP 보강근을 사용한 실험체의 부착강도

    Table 48을 함께 살펴보면 보통콘크리트와 철근을 사용한 실험체의 정규화된 부착강도는 4.54이며 보통 콘크리트와 이형 GFRP 보강근을 사용한 실험체의 정 규화된 부착강도는 3.16이다. 또한 보통콘크리트와 모 래 분사형 GFRP 보강근을 사용한 실험체의 정규화된 부착강도는 3.26이다. 이에 따라 보통콘크리트와 철근 을 사용한 실험체의 부착강도를 1.0으로 한다면 보통 콘크리트와 이형 GFRP 보강근을 사용한 실험체의 부 착강도는 0.70이고, 보통콘크리트와 모래 분사형 GFRP 보강근을 사용한 실험체의 부착강도는 0.72로 나타났다. 따라서 보통콘크리트에 이형 또는 모래분사 형 GFRP 보강근을 사용 시에는 부착강도에 거의 차 이가 없음을 알 수 있다.

    4.4.경량콘크리트에 이형 및 모래 분사형 GFRP 보강근을 사용한 실험체의 부착강도

    Table 48을 같이 살펴보면 보통콘크리트와 철근을 사용한 실험체의 정규화된 부착강도는 4.54이며 경량 콘크리트와 이형 GFRP 보강근을 사용한 실험체의 정 규화된 부착강도는 2.22이다. 또한 경량콘크리트와 모 래 분사형 GFRP 보강근을 사용한 실험체의 정규화된 부착강도는 3.69이다. 이에 따라 보통콘크리트와 철근 을 사용한 실험체의 부착강도를 1.0으로 한다면 경량 콘크리트와 이형 GFRP 보강근을 사용한 실험체의 부 착강도는 0.49이고 경량콘크리트와 모래 분사형 GFRP 보강근을 사용한 실험체의 부착강도는 0.81로 주어졌다. 따라서 경량콘크리트에 모래분사형 GFRP 보강근을 사용하면 이형 GFRP 보강근을 사용 하는 것보다 약 1.7배 가량 부착강도가 증가하였다. 그러나 이 결과 역시 추후 더 많은 실험자료의 보충을 통하 여 재고될 필요성이 있다고 판단된다.

    5.결 론

    본 연구에서는 경량콘크리트와 2 종류의 GFRP 보강 근 (보강근 표면에 나선형태의 이형을 갖는 이형 GFRP 보강근과 보강근 표면에 모래가 분사된 모래 분사형 GFRP 보강근) 사이의 부착특성을 조사하기 위하여 일련의 부착실험체 제작 및 부착실험을 행하 였으며, 또한 타 연구자들의 연구결과도 조사하였다. 이러한 자료들에 대하여 비교 분석을 통하여 얻어진 결론은 다음과 같다.

    1. 보통콘크리트와 철근을 사용한 실험체의 부착강 도를 1.0으로 한다면 보통콘크리트와 이형 GFRP 보 강근을 사용한 실험체의 부착강도는 0.70이고 보통콘 크리트와 모래 분사형 GFRP 보강근을 사용한 실험체 의 부착강도는 0.72로 나타났다. 따라서 보통콘크리트 에 이형 또는 모래분사형 GFRP 보강근을 사용 시에 는 부착강도에 거의 차이가 없음을 알 수 있다.

    2. 보통콘크리트와 철근을 사용한 실험체의 부착강 도를 1.0으로 하였을 때 경량콘크리트와 이형 GFRP 보강근을 사용한 실험체의 부착강도는 0.49이고 경량 콘크리트와 모래 분사형 GFRP 보강근을 사용한 실험 체의 부착강도는 0.81로 주어졌다. 따라서 경량콘크리 트에 모래분사형 GFRP 보강근을 사용하면 이형 GFRP 보강근을 사용 하는 것보다 약 1.7배 가량 부 착강도가 증가하였다. 그러나 이 결과는 추후 더 많은 실험자료의 보충을 통하여 재고될 필요성이 있다.

    감사의 글

    이 논문은 부경대학교 자율창의학술연구비(2015년)에 의하여 연구되었음.

    Figure

    KOSACS-7-4-74_F1.gif

    Specimen dimension (unit: mm)

    KOSACS-7-4-74_F2.gif

    Specimen setup dimension (unit: mm)

    KOSACS-7-4-74_F3.gif

    Test setup

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    Failure type of specimen NS13-1

    KOSACS-7-4-74_F5.gif

    Bond stress-slip curves

    KOSACS-7-4-74_F6.gif

    Figure of GFRP bars

    KOSACS-7-4-74_F7.gif

    Failure type of specimens N-SCG13-1~3

    KOSACS-7-4-74_F8.gif

    Bond stress-slip curves

    Table

    Specimen details

    Physical properties of lightweight aggregates

    Result of additional experiment

    Bond strength of specimens with deformed GFRP bar

    Specimen details

    Mechanical properties of GFRP bars

    Result of bond strength test

    Bond strengths of specimens with sand coated GFRP bar

    Reference

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