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ISSN : 2093-5145(Print)
ISSN : 2288-0232(Online)
Journal of the Korean Society for Advanced Composite Structures Vol.10 No.4 pp.33-37
DOI : https://doi.org/10.11004/kosacs.2019.10.4.033

Flexural Tensile Behaviors of Concrete Structures Reinforced by CNT-Composites for an Enhanced Seismic Performance

Bong-Kwon Sa1, Gyu-Dong Kim2, Hyung-Bae Choi3, Sang-Youl Lee4
1President, Yesung Engineering Co., Andong, Korea
2Manager, Yesung Engineering Co., Andong, Korea
3Master Student, Department of Civil Engineering, Andong National University, Andong, Korea
4Associate Professor, Department of Civil Engineering, Andong National University, Andong, Korea

본 논문에 대한 토의를 2019년 09월 30일까지 학회로 보내주시면 2019년 10월호에 토론결과를 게재하겠습니다.



Corresponding author: Lee, Sang-Youl Department of Civil Engineering, Andong National University, 1375 Gyeongdong-ro, Andong, Gyoungsangbuk-do, 760-749, Korea. Tel: +82-54-820-5847, Fax: +82-54-820-6255, E-mail: lsy@anu.ac.kr
August 8, 2019 August 16, 2019 August 16, 2019

Abstract


This study carried out flexural tensile behaviors of concrete plates reinforced by CNT-composites for an enhanced seismic performance. A multiscale analysis using the modified Haplin-Tasi model was applied to determine material properties of composites for different CNT weight ratios. The flexural tensile tests were performed for different composite types, CNT weight ratios, with and without a primer, and reinforcement methods. Parametric test results revealed enhanced flexural performances of concrete structures reinforced by CNT-composites.



내진성능 향상을 위한 CNT-섬유복합재로 보강된 콘크리트 구조체의 휨인장 거동

사 봉권1, 김 규동2, 최 형배3, 이 상열4
1예성엔지니어링(주) 사장
2예성엔지니어링(주) 과장
3안동대학교 토목공학과 석사과정
4안동대학교 토목공학과 부교수

초록


본 연구에서는 내진성능향상을 목표로 CNT-복합소재로 보강된 콘크리트 구조물의 휨 인장 거동을 다루었다. 다양한 CNT 함유량에 따른 복합소재의 재료적 물성은 수정된 Halpin-Tasi 모델을 적용하여 멀티스케일해석 이론으로부터 도출하였다. 휨인장 시험은 복합소재의 종류, CNT 함유비율, 도포제의 유무, 그리고 보강 방법에 따라서 수행하였다. 변수 실험 결과는 CNT-복합재로 보강된 콘크리트 구조의 향상된 휨인장 거동에 대하여 CNT 함유량과 적절한 도포제의 적용 (부착)의 중요성을 보여주었다.



    1. 서 론

    복합소재는 섬유와 수지재료가 조합되어 무게비 강 성 및 강도가 뛰어나 많은 산업분야에서 사용이 되 고 있다. 건설분야에서는 진입이 어려운 교량이나 터널의 보수 및 보강 시 굴절차를 이용하는 데 무게 대비강도가 좋아 시공성이 확보되므로 최근 보수·보 강 용도로 많이 사용되고 있다. 교량, 터널 등의 콘 크리트 구조에 발생되는 균열, 층분리, 파손 등은 손 상의 정도에 따라 다르지만 구조적인 손상의 경우 내구성 및 내하력을 현저히 저하시킨다. 이를 방지하 기 위해 직조, 쉬트, 스트립, 봉, 그리고 판 구조 등 의 다양한 형태로 보수·보강이 이루어지고 있다. 대 표적으로 CFRP(Cabon Fiber Reinforced Plastic), KFRP (Kavlar Fiber Reinforced Plastic), AFRP(Aramid Fiber Reinforced Plastic)가 주로 사용되고, CFRP는 내하력 증진, KFRP, AFRP는 지진 보강용으로 사용되고 있다.

    반면, 복합재료 보강재는 공용증대로 인한 반복 적인 하중으로 인해 시간이 지남에 따라 품질 및 신 뢰성이 악화된다. 또한, 복합재료는 취성으로 파손되 는 단점이 있어 교량에 보강된 경우에는 중차량의 지속적인 통행이 구조물에 진동을 가해지면서 보강 재의 미세적인 손상부터 점진적으로 손상의 정도가 증가하며, 균열로 인한 누수와 습·건조의 반복 및 동 결융해로 콘크리트가 열화되어 보강재의 내구성이 점진적으로 저하된다. 이러한 단점을 보완하기 위해 본 연구에서는 복합재료 제조공정에서 수지재료에 탄소나노튜브(Carbon Nanotubes: CNT)를 함침하여 내 진성능을 목표로 보다 강도를 향상시킨 보강재로 적 용하고자 한다. CNT의 물성 측정 및 합성기술 등에 대한 다양한 실험 및 수치 해석적 접근방법이 다양 한 연구자들에 의하여 수행되었다 (Kanagaraj et al., 2007;Yeh et al., 2006;Gojny et al., 2004;Lee et al., 2018). 그러나, CNT 함유량에 따른 탄소섬유보강재로 보강된 콘크리트 구조의 향상된 인장강도 검증에 대 한 실험적 연구는 미미한 실정이다. 따라서, 본 연구 에서는 다양한 CNT 함유량 변화에 따른 섬유보강재 로 보강한 콘크리트 구조에 대한 휨인장 거동을 규 명하고자 한다. Fig. 1

    2. 휨인장 성능 시험

    휨인장 거동 시험을 위하여 탄소섬유를 약 60% 함 침하여 CFRP의 인장시험용 시편을 제작하였다. 시편 제작 시 CNT의 함유율이 보강재에 미치는 영향을 확인하기 위해 CNT가 함침되지 않은 0% 시편도 제 작하였다. CNT의 함유율은 이론적으로 5~6%에서 효 율적이나 실제 제조 시 5% 이상 함침하게 되면 레 진의 점성이 서서히 높아지면서 CNT가 골고루 혼합 되지 않아 제조하기가 다소 어려우며, 레진의 점성 이 높아지면 레진 탱크에서 혼합 시 CNT의 구조가 파괴될 우려가 있다. 또한, 제조과정이 어려워지면서 대량생산이 불가능해지며, 함유율이 증가되면 시편 의 표면이 거칠어지면서 제품에 대한 기대성능이 저 하될 수 있다. 전술한 이유로 인해 본 연구에서는 최대 CNT 함침 비율을 3%로 결정하여 0%, 1%, 3% 를 함침하여 시편을 제작하였다. Fig. 2

    제조 방식은 Step. 1에서 단방향 보강 섬유를 인 발하여 Step. 2에서 Industrial grade의 CNT를 레진에 배합 및 분산시킨 레진 탱크를 통과하면서 섬유와 CNT가 함유된 레진과 배합된다. Step. 3은 복합재료 성형체의 형태를 정밀하게 잡아주는 과정이며, 금형 온도 160℃, 속도 400mm/min의 조건으로 인발된다. Step. 4에서 최종적으로 목표형상을 잡아주며 인발성 형 된다. 마지막으로 적절한 크기로 재단하여 시편을 제작한다. 본 연구에서는 전술한 제조과정으로 CNT 가 함침된 AFRP 및 CFRP를 제조하여 휨 인장강도 시험을 통하여 휨에 대한 보강 성능을 확인하였다. Fig. 3

    시편의 제원은 콘크리트의 강도시험용 공시체 제 작방법(KS F 2403)에 기초하여 각주형 공시체(100mm ×100mm×400mm) 시편을 제작하였다. w/c는 47% 혼 화제는 고성능 AE감수제인 SP제(Super plasticizer)를 첨가하였다. 제작된 시편은 24시간 비닐시트 양생 후 몰드를 제거하고, 표준양생(20±3℃)을 실시하였다. 시험 변수는 Table 1과 같이 복합재 종류, CNT 함침 량, 하도제 도포 여부, 부착 방식에 따라 구분하였으 며, 각 경우마다 시편 3~5개씩 제조하여 휨강도 시 험을 수행하였다.

    하도제(Primer)의 주 역할은 콘크리트 표면에 침 투하여 표면강도 증진 및 에폭시와의 부착력을 향상 시켜 주는 쐐기 역할을 한다. 따라서 하도제 도포 여부는 복합소재 보강재가 뛰어난 기계적 물성으로 뛰어난 보강성능을 내기 위해서는 에폭시의 역할 즉, 부착 강도가 매우 중요하기 때문에 시험 변수에 추가하였다. AFRP의 경우 일반적으로 지진에 대한 보강재로서 교량과 같은 구조물의 교각부에 적용하 나 보강재로서의 성능 검증을 위해 추가적인 시험을 수행하였으며, 전술한 바와 같이 CNT는 0%와 1%를 함침된 시편을 사용하였다. 보강재의 보강방식은 부 분보강(Type B)의 경우 보강재 3개를 콘크리트 시편 하단부에 등간격으로 부착하였다. 하도제를 도포하 는 경우는 부분보강 (Type C)와 전면보강 (Type D) 로 구분하였다.

    Fig. 4(a)는 무보강 콘크리트 시편이며, 일반적인 콘크리트의 휨강도 실험 시 발생하는 양상으로 취성 파괴가 발생하였다. Fig. 4(b)(c)는 각각 CNT가 함 침된 CFRP 및 AFRP 시편이 부분 보강된 경우이며, 하중이 증가되면서 순간적인 파손과 함께 보강재를 부착시킨 에폭시가 부착력을 잃어버리면서 보강재가 떨어져 나가는 현상이 발생하였다. Fig. 4(d)는 CNT 가 함침된 AFRP가 부분 보강된 상태에서 하도제가 도포된 경우이며, 전자의 경우와는 다르게 콘크리트 시편이 파손되는 중앙부에서부터 점진적으로 에폭시 의 부착력이 떨어져 버리는 현상이 발생하였다. 이 는 파손 후에도 보강재로서의 성능을 유지하고 있다 는 의미로 볼 수 있다. 이러한 결과로부터 복합재료 보강재의 성능도 중요하지만 이를 부착하는 부착재 도 보강재의 성능, 구조물의 거동에 중요한 영향을 미친다는 사실을 알 수 있다.

    Fig. 5의 경우, 무보강의 휨강도(콘크리트 휨 인 장부 응력)는 4.96MPa이며, 무보강과 비교하여 각각 52.42%, 71.37%, 94.35%의 강도증진 효과가 발현되 는 것으로 나타났다. CNT가 0% 함침된 경우를 기준 하여 1%, 3%는 각각 12.43%, 27.51%의 강도증진 효 과가 발현되는 것으로 나타났다. Fig. 5(b)는 CNT가 함침된 AFRP시편이 콘크리트에 하도제가 없는 부분 보강(Type B)된 경우이며 CNT의 함침량에 따라 도 시한 것이다. 무보강과 비교하여 각각 8.46%, 47.17% 의 강도증진 효과가 발현되는 것으로 나타났다. CNT 가 0% 함침된 경우를 기준하여 1%는 35.68%의 강 도증진 효과가 발현되는 것으로 나타났다. Fig. 5(c) 는 CNT가 함침된 CFRP시편이 콘크리트에 하도작업 후 부분보강(Type C)된 경우이며 CNT의 함침량에 따 라 도시한 것이다. 무보강과 비교하여 각각 83.06%, 103.62%, 111.89%의 강도증진 효과가 발현되는 것으 로 나타났다. CNT가 0% 함침된 경우를 기준하여 1%, 3%는 각각 11.23%, 15.74%의 강도증진 효과가 발현되는 것으로 나타났다. 위의 결과로부터 CNT의 함유율이 증가함에 따라 강도가 증가되는 것을 확인 할 수 있고, 하도제를 도포한 경우가 강도증진에 상 당한 영향을 미친다는 사실을 알 수 있다.

    Fig. 6은 CNT가 각각 0%, 1%, 3% 함침된 CFRP 가 콘크리트에 보강된 경우이며, 하도제 도포 여부 에 따라 도시한 것이다. Fig. 6(a)는 각각의 시험 결 과를 보여주며, Fig. 6(b)는 평균값을 나타낸 것이다. 이 결과로부터 하도제를 도포한 경우가 CNT 함침 0%, 1%, 3%에서 각각 20%, 19%, 9%의 강도증진 효 과가 발현되는 것으로 나타났다. 이러한 결과로부터 CNT의 함유율이 증가에 따라 강도가 증진되는 것을 확인할 수 있다. Fig. 7은 CNT가 1% 함침된 CFRP가 콘크리트 시편에 보강된 경우로 부착형식에 따른 휨 강도 결과를 보여준다. 하도제가 도포된 상태의 Type D는 Type A와 B, C에 비교하여 각각 약 400%, 237%, 200%의 강도증진 효과가 나타나는 것으로 확인되었 으며, Type D인 경우가 보강 효율이 가장 좋은 것으 로 나타났다.

    3. 요약 및 결론

    본 연구에서는 극한 외부환경에 노출된 주요 시설물 의 보수·보강에 효과적으로 대응하고자 CNT-아라미 드 또는 탄소섬유 보강판으로 보강된 콘크리트 구조 에 대하여 CNT 함침량에 따른 내진성능 향상을 목 표로 휨인장성능 평가를 수행하였다. CNT 함침량에 따른 CFRP 및 AFRP 보강재의 성능을 검토하기 위 한 휨강도 시험은 부분 및 전면 보강 모두 CNT의 함침량이 증가함에 따라 휨인장강도가 증가하는 것 으로 나타났으며, 하도제를 도포한 경우 강도가 증 가하였다. 전면보강된 경우가 무보강, 하도제가 도포 된 부분보강, 하도제가 도포되지 않은 부분보강에 비교하여 각각 약 400%, 237%, 200%의 강도증진 효 과가 나타나는 것으로 확인되었으며, 전면보강한 경 우가 보강 효율이 가장 좋은 것으로 나타났다. 전술 한 결과로부터 CNT는 함유율이 증가함에 따라 보강 에 성능은 크게 상승하며, 부착강도가 매우 중요한 인자임을 알 수 있다.

    추후 CNT의 직경, 길이, 두께 등의 구조형태에 따라 변화하는 강성 추정값을 토대로 실제 철근 콘 크리트 구조에 대한 실험 및 유한요소 해석을 통한 보강성능 검증이 필요하다. 또한, 하도제의 도포 여 부에 따라 강도의 차이가 확연하므로 토목 구조물 보수용으로 적합한 부착재에 대한 추가 연구가 필요 할 것으로 판단된다.

    감사의 글

    본 논문은 중소기업벤처부에서 지원하는 2018년도 산학연 도약기술개발사업(No.S2600495)의 연구수행으 로 인한 결과이며, 행정안전부 장관의 방재안전분야 전문인력양성 사업으로 지원되었습니다.

    Figure

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    CNT-CFRP Composite Specimens
    KOSACS-10-4-33_F2.gif
    Specimens for Flexural Tensile Tests
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    Specimens Coated by a Primer
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    Failure Results for Different Cases
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    Flexural Tensile Strengths for Different CNT Ratios
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    Flexural Tensile Strengths with and without Primer
    KOSACS-10-4-33_F7.gif
    Flexural Tensile Strengths for Different Types

    Table

    Parameters for Flexural Tensile Strength Tests

    Reference

    1. Gojny, F. H. , Wichmann, M. H. G. , Köpke, U. , Fiedler, B. , and Schulte, K. (2004), “Carbon Nanotube-Reinforced Epoxy-Composites Enhanced Stiffness and Fracture Toughness at Low Nanotube Content”, Compos. Sci. Technol., Vol. 64, pp. 2363-71.
    2. Kanagaraj, S., Varanda, F. R., Zhil’tsova, T. V., Oliveira, M. S. A., and Simoes, J. A. O. (2007), “Mechanical Properties of High Density Polyethylene/Carbon Nanotube Composites”, Compos. Sci. Technol., Vol.67, pp. 3071-3077.
    3. Lee, S. Y. (2018), “Determination of Material Properties and Stiffness Variations of Carbon Nanotube Reinforced Multi-Scale Laminated Composite Structures”, J. Korean Society for Advanced Composite Structures, Vol. 9, No. 4, pp. 14-19 (in Korean).
    4. Yeh, M. K. , Tai, N. H. , and Liu, J. H. (2006), “Mechanical Behavior of Phenolic-Based Composites Reinforced with Multi-Walled Carbon Nanotubes”, CARBON, Vol. 44, pp. 1-9.