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ISSN : 2093-5145(Print)
ISSN : 2288-0232(Online)
Journal of the Korean Society for Advanced Composite Structures Vol.11 No.2 pp.1-6
DOI : https://doi.org/10.11004/kosacs.2020.11.2.001

A Study on Adhesion Behavior of CFRP Composite Plate Attached on the RC Beams by Freezing and Thawing

Gyubin Kwon1, Dongjoo Lee1, Kyeongmin Kim1, Minho Kwon2, Jinsup Kim3
1Master’s Course, Department of Civil Engineering, Gyeongsang National University, Jinju, Korea
2Professor, Department of Civil Engineering, Gyeongsang National University, Jinju, Korea
3Assistant Professor, Department of Civil Engineering, Gyeongsang National University, Jinju, Korea

본 논문에 대한 토의를 2020년 05월 31일까지 학회로 보내주시면 2020년 06월호에 토론결과를 게재하겠습니다.


Corresponding author: Kim, Jinsup Department of Civil Engineering, Gyeongsang National University, 501, Jinju Daero, Jinju, Korea. Tel: +82-55-772-1791, Fax: +82-55-772-1799 E-mail: jinsup.kim@gnu.ac.kr
January 15, 2020 January 30, 2020 February 1, 2020

Abstract


This study investigated the long-term behavior of reinforced concrete beam structures reinforced with CFRP (Carbon Fiber Reinfored Polymer) composite plates and the adhesion behavior of CFRP composite plates. To consider long-term usability, the freeze-thawing test was used and evaluated using a 4-point bending test. The results of the 4-point bending tests were compared between the test specimens (FFCB) subjected to freezing and thawing after reinforcement with CFRP composite plates and the test specimens (LFCB) reinforced with CFRP composite plates after freezing and thawing. The CFRP composite plates on the LFCB test specimens delaminated earlier than that of the FFCB test specimens and the fracture patterns were different. In the case of FFCB, the concrete cover was dropped, and in the case of LFCB, the surface of the concrete was dropped. It seems that the properties of the concrete materials that are affected by freeze-thawing are weakened. The compressive strength of the concrete specimens was reduced by 19% through the freeze-thawing test, and accordingly, the tensile strength of the concrete cover part was also reduced. In the actual construction site, the concrete performance should fall short of the initial design performance because of long-term use and environmental effects in the concrete structure to be reinforced. Therefore, The concrete cover or reinforcement surface should be evaluated accurately.



RC보에 부착된 CFRP 플레이트의 동결융해에 의한 부착거동 연구

권 규빈1, 이 동주1, 김 경민1, 권 민호2, 김 진섭3
1경상대학교 토목공학과 석사과정
2경상대학교 토목공학과 교수
3경상대학교 토목공학과 조교수

초록


본 연구에서는 CFRP 복합재료 플레이트로 외부 보강된 철근콘크리트 보 구조물의 장기 거동 특성과 CFRP 복합재료 플레이트의 부착거동을 실험을 통하여 검토하였다. 장기 사용성을 고려하기 위하여 동결융해 시험법을 사용하였으며 4절점 휨 실험을 통하여 평가하였다. CFRP 복합재료 플레이트로 보강 후 동결융해를 진행한 시험체(FFCB)와 동결융해 후 CFRP 복합재 료 플레이트로 보강한 시험체(LFCB)의 4절점 휨 실험 결과를 비교 분석하였다. LFCB 시험체가 FFCB 시험체 보다 조기에 CFRP 복합재료 플레이트의 박리가 발생하였으며, 파괴형태가 다르게 발생하였다. FFCB의 경우 콘크리트 커버가 탈락되었으며, LFCB의 경우 콘크리트의 표면의 탈락이 발생하였다. 동결융해의 영향을 받은 콘크리트 재료의 성질이 약화된 결과로 판단된다. 동결융해 실험을 통하여 콘크리트 공시체의 압축강도가 약 19% 감소하였으며. 이에 따라 콘크리트 커버부의 인장강도도 감소한 것으로 판단된다. 콘크리트 구조물에 대한 보강의 경우사용기간 및 환경변수 등을 고려하여, 콘크리트 보강표면에 대한 정확한 상태평가가 필요할 것으로 판단된다.



    Ministry of Land, Infrastructure and Transport
    20SCIPB146946-03

    1. 서 론

    전 세계적으로 철근콘크리트 구조물은 경제성과 시 공성면에서 우수한 면을 보이고 많은 현장에서 쓰일 수 있는 건설재료로 쓰이고 있다(Kwak, 2019). 하지 만 구조물의 장기사용과 온도의 급격한 변화에 따른 동결융해와 같은 여러 외부적인 요인으로 내구성에 저하가 나타난다. 여러 요인들 중에서도 한국에서는 최근 지진과 같은 자연재해로 인해 구조물의 내진보 강에 대한 많은 연구가 진행되고 있다(Sa et al., 2019;Kim et al., 2013). 기존의 구조물의 보강 공법 에는 강판보강법과 단면증설법이 사용되었다(Lim et al., 2015). 하지만 이와 같은 보강방법에는 이용 공간 의 제한이나 건물하중의 증가와 같은 여러 문제점이 있다. 이 문제점을 보완하기 위해 최근 가벼운 재료이 면서 강도가 크고, 시공성이 편리하며 부식에 대한 강 점을 가진 섬유보강재(FRP, Fiber Reinforced Polymer) 를 이용한 보강법이 개발되었다. (Lee et al., 2002;Sim and Kim, 2000). FRP의 종류에는 유리섬유, 탄 소섬유와 폴리에틸렌섬유 등이 있다. 탄소섬유시트 는 인장성능에서 우수한 측면이 있고, 시공 방법에 서 또한 용이하여 구조물의 보수 보강 재료로 많이 쓰이고 있다(Lim et al., 2015, Kim et al., 2014). 탄소 섬유 복합재료(CFRP, Carbon Fiber Reinfored Polymer) 의 경우 철의 약 1/5의 중량이지만 강성과 강도에 있 어 더 높은 경향을 띄고 있다. 철이나 알루미늄 등의 금속보다 높은 강도와 강성을 가지고 있으면서 가볍 다는 특징을 가지고 있기 때문에 스포츠와 레저부터 항공 우주까지 폭 넓은 분야에서 이용되고 있다.

    본 연구에서는 외부 보강된 철근콘크리트 보 구 조물의 장기 사용에 따른 CFRP 복합재료 플레이트 의 부착특성 변화에 따른 철근콘크리트 보 구조물의 거동특성의 실험을 통하여 검토하고자 한다. 부재의 장기 사용성을 검토하기 위하여 동결융해 시험법을 고려하였다. 기존의 재료에 대한 동결융해 시험법을 활용하여 철근콘크리트 보 부재에 대하여 동결융해 실험을 수행하였다. CFRP 복합재료 플레이트로 보 강된 철근콘크리트 보 구조물의 반복 동결융해에 따 른 거동특성 및 CFRP 복합재의 동결융해에 의한 부 착특성을 4절점 휨 실험을 통하여 검토하였다.

    2. 실 험

    2.1 시험체 설계

    실험연구를 위하여 철근콘크리트 보 구조물 시험체 를 제작하였다. 시험체는 300mm×450mm×2440mm로 제작하였고, 콘크리트 구조기준(2012)에 따라 Table 1과 같이 설계하였다. 동결융해에 따른 CFRP 복합 재료 플레이트와 철근콘크리트 보 시험체의 접착면 의 거동특성을 검토하기 위하여, CFRP 복합재료 플 레이트로 보강 후 동결융해를 수행한 시험체(FFCB) 와 동결융해를 수행 후 CFRP 복합재료 플레이트로 보강한 시험체(LFCB)로 설계하였다. 철근콘크리트 보 부재의 휨 거동을 검토하기 위하여, 시험체 중앙 부 철근에 스트레인게이지(Straingage)를 부착하여 철 근의 휨에 대한 변형률을 측정하였다. 철근콘크리트 보 시험체의 상세는 Fig. 1과 같다.

    2.2 재료실험

    2.2.1 콘크리트(Concrete)

    철근콘크리트 보 시험체 제작을 위한 콘크리트는 재 령28일 강도가 24MPa로 설계된 레미콘(Ready Mixed Concrete)를 사용하였다. 철근콘크리트 보 시험체 제 작 시 동결융해 전과 후의 콘크리트 품질 테스트를 위해 KS F2404에 명시된 직경 100mm, 높이 200mm 의 실린더용 몰드를 사용하여 콘크리트 공시체를 제 작하였다. 동결융해 전과 후 각각 3개씩 실험하기 위해 총 6개의 콘크리트 공시체를 제작하였으며, 1 일 경과 후 몰드를 제거하고 28일간 양생시켰다. 그 중 3개는 FFCB의 시편과 동일하게 동결융해 실험을 수행하였다.

    콘크리트 재료실험 결과는 Table 2와 같다. 양생 된 콘크리트 공시체의 압축강도는 설계강도인 24MPa 보다 큰 30.76MPa로 측정되었고, 이후 동결융해 실험 을 거친 콘크리트 공시체의 경우 압축강도가 24.9MPa 로 측정되었다. 동결융해로 인한 콘크리트 공시체의 압축강도가 약 6MPa(약 19%)감소하였다.

    2.2.2 철근(Rebar)

    보 제작을 위한 철근은 KS B0801 규정에 따라 제작 된 SS400철근을 사용하였다. 철근의 재원은 Table 3 과 같다. 철근콘크리트 보 시험체의 주철근은 D19로 3가닥, 전단철근은 D13을 사용하였다.

    2.2.3 CFRP 복합재료 플레이트

    철근콘크리트 보 시험체 제작 후 보강을 위한 복합 재료는 카본(Carbon)재질의 두께 2mm인 플레이트를 사용하였다. CFRP 복합재료 플레이트의 재원은 Table 4와 같다.

    2.3 동결융해 시험법

    철근콘크리트 보 시험체의 장기사용성 검토를 위한 시험법으로 동결융해 방법을 사용하였다. 동결융해 시험법은 KS F 2456 (급속 동결융해에 대한 콘크리 트의 저항 시험방법) 및 ASTM C666/C666M (Standard Test Method for Resistance of Concrete to Rapid Freezing and Thawing, ASTM C666, ASTM-C66 6/C666M-03, 2008)에 의해 규정되어있으며, 대부분 콘크리트 재료에 대한 시험법이다. 이 규정에서는 영하 18℃와 영상 4℃ 사이를 1사이클(Cycle)로 하여 시험법을 제안하고 있다.

    본 연구에서는 기존의 재료적 시험법을 참고로 하여 구조부재의 장기거동성에 대한 동결융해 실험 법을 제안하고 진행하였다(Kwon et al., 2013). 제안 된 동결융해 실험법은 콘크리트 재료에 대한 동결융 해 실험법을 참고하여, 동결융해가 반복되도록 계획 하였다. 콘크리트의 표면에서 깊이 5cm 아래의 온도 를 기준으로 동결융해 온도가 영하 18℃와 영상 4℃ 를 반복적으로 발생하도록 하였다. 온도센싱을 위하 여 직경 10cm이고 길이가 40cm인 콘크리트 공시체 를 제작하여 정중앙에 온도센서가 위치하도록 제작 하였다. 제작된 온도센싱공시체는 Fig. 2와 같다. 실 제 실험에서 측정된 온도 사이클은 Fig. 3과 같다. 1 일 평균 3∼4회의 반복 사이클이 진행되었고, 최종 300Cycle이상의 동결융해 실험을 진행하였다.

    2.4 4절점 휨 실험 계획

    철근콘크리트 보 시험체의 장기사용성능에 대한 거동특성 시험을 분석하기 위하여 4절 휨 실험 (4Point Bending Test)을 수행하였다. 철근콘크리트 보 시험체의 길이는 2440mm이며, 힌지의 폭과 커버 를 고려하여, 순지간은 2200mm으로 결정하였다. 가 력부의 간격은 440mm으로 가력부를 제외한 양쪽 길 이는 830mm이 되도록 실험을 설계하였다. 전체적인 실험가력 계획은 Fig. 4와 같다.

    철근 콘크리트 보 시험체에 대한 반복가력 실험 을 수행하였다. 반복 가력 변위는 Fig. 5와 같다. 주 철근의 항복변형률인 0.002를 기준으로 항복변위에 대한 변위하중을 일정하게 나누어 변위사이클을 결 정하였다. 항복변위를 약 70mm로 가정하고, 5mm, 10mm 씩 증가시켜 최종 80mm까지 반복사이클을 설 계하였고, 가력속도는 5mm/min. 의 일정한 속도로 가력 하였다.

    3. 실험결과 및 분석

    3.1 변위-하중

    FFCB와 LFCB 시험체의 4절점 휨 실험에 의한 변 위-하중 그래프는 Fig. 6과 같다. 철근콘크리트 보 시험체의 변위하중에 대한 4절점 휨 실험 결과는 Table 5에 정리 하였다. FFCB 시험체가 변위 14.1mm에서 최대 하중 395.5kN이 발생하였고, LFCB 시험체는 변위 28.4mm에서 최대하중 370.3kN이 발생 하였다. FFCB 시험체의 경우 박리가 발생하면서 최 대하중이 발생하였고, LFCB 시험체의 경우 박리 시 점과는 별개의 지점에서 최대하중이 발생하였다. LFCB 시험체의 박리시점은 5mm 사이클 거동에서 변위 4.9mm, 142.6kN 발생했으나, FFCB 시험체의 경우 10mm 사이클 거동에서 변위 4.8mm, 263.7kN에 서 발생하였다.

    3.2 CFRP 복합재료 플레이트의 박리 및 균열패턴

    CFRP 복합재료 플레이트부분의 최종 파괴사진은 Fig. 7과 같다. CFRP 복합재료 플레이트로 보강 후, 동결 융해를 진행한 시험체(FFCB)의 경우 철근콘크리트 보 시험체의 아래 콘크리트 커버부분의 파괴가 발생 하였다. 동결융해 후 CFRP 복합재료 플레이트로 보 강한 시험체(LFCB)의 경우 철근콘크리트 보 시험체 와 CFRP 복합재료 플레이트의 박리가 조기에 발생 하였다.

    FFCB의 4절점 휨 실험에 따른, 하중재하별 균열 패턴 결과는 Fig. 8과 같다. 동결융해 후 CFRP 복합 재료 플레이트로 보강한 시험체(LFCB)의 4절점 휨 실험에 따른 균열 패턴 결과는 Fig. 9와 같다. FFCB 시험체의 결과에서는 20mm 변위 사이클에서 CFRP 플레이트와 콘크리트표면과의 박리가 발생하였다. 하지만 LFCB 시험체의 실험결과에서는 10mm 변위 사이클에서 CFRP 복합재료 플레이트와 콘크리트 표 면과의 박리가 발생하였다. LFCB의 CFRP 복합재료 플레이트의 박리가 FFCB보다 조기에 발생한 원인 은, 동결융해의 영향을 받은 콘크리트 재료의 영향 으로 판단된다. 동결융해 전에 CFRP 복합재료 플레 이트로 보강한 경우, 동결융해 전 콘크리트와 접착 재와의 화학적 결합력이 우수하여 동결융해 후 성능 이 감소된 콘크리트 재료의 커버가 파괴된 것으로 판단된다. 또한, 동결융해 후 보강된 시험체의 경우, 동결융해에 따라 콘크리트 표면의 성능이 감소하여 접착재와의 화학적 결합이 약한 것으로 판단된다. 재료실험 결과에서 동결융해 실험을 통하여 콘크리 트 공시체의 압축강도가 약 19% 감소하였으며. 이에 따라 콘크리트 커버부의 인장강도 등 콘크리트의 재 료적 성능이 감소한 것으로 판단된다. 동결융해를 받은 철근콘크리트 보에 CFRP 복합재료 플레이트로 외부보강을 할 경우, 콘크리트표면과 CFRP 복합재 료 플레이트간의 접착력이 중요한 요소 작용한다. 콘크리트 구조물에 대한 보강의 경우사용기간 및 환 경변수 등을 고려하여, 콘크리트 보강표면에 대한 정확한 상태평가가 필요할 것으로 판단된다.

    4. 결 론

    본 연구에서는 장기 사용에 따른 CFRP 복합재료 플 레이트의 부착거동 특성을 실험을 통하여 검토하였 다. 철근콘크리트 구조물의 장기 사용성을 고려하기 위하여 기존의 동결융해 시험법을 사용하였다. 동결 융해 실험을 통하여 콘크리트 공시체의 압축강도가 약 19% 감소하였으며. 이에 따라 콘크리트 커버부의 재료 성능도 감소한 것으로 판단된다. 보강 후 동결 융해를 진행한 시험체(FFCB)와 동결융해 후 보강한 시험체(LFCB)의 4절점 휨 실험 결과, LFCB 시험체 가 FFCB 시험체 보다 조기에 CFRP 복합재료 플레 이트의 박리가 발생하였으며, FFCB의 경우 콘크리 트 커버가 탈락되었으며, LFCB의 경우 콘크리트의 표면의 탈락이 발생하였다. 동결융해의 영향을 받은 콘크리트 재료의 동결융해에 따라 재료의 성질이 감 소된 결과로 판단된다. 콘크리트 구조물에 대한 보 강의 경우 사용기간 및 환경변수 등을 고려하여, 콘 크리트 보강표면에 대한 정확한 상태평가가 필요할 것으로 판단된다.

    ACKNOWLEDGMENT

    This research was supported by a grant (20SCIPB146946- 03) from Construction technology research program funded by Ministry of Land, Infrastructure and Transport of Korean government.

    Figure

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    Details of Specimens
    KOSACS-11-2-1_F2.gif
    Temperature Sensing Method
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    Freezing and Thawing Cycle
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    Test Setup(4-Point Bending Test)
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    Displacement Loading Cycle
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    Load-displacement Relationships
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    CFRP Plate Delaminate Pattern
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    Crack Pattern (FFCB)
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    Crack Pattern (LFCB)

    Table

    Design of Test Apecimen
    Test Results of Concrete Compressive Strength
    Properties of Rebar
    Properties of CFRP Plate
    Test Results of 4-Point Bending Test

    Reference

    1. ASTM-C666/C666M-03 (2008), Standard Test Method for Resistance of Concrete to Rapid Freezing and Thawing, West Conshohocken, PA: American Society for Testing and Materials.
    2. Kim, J. S. , Kwon, M. H. , Seo, H. S. , Lim, J. H. , and Kim, D. Y. (2013), “An Experimental Study on Seismic Performance Evaluation of Retrofitted Column of FRP Seismic Reinforcement that can be Emergency Construction,” Journal of the Korea Institute for Structural Maintenance and Inspection, Vol. 17, No. 6, pp. 21-30. (in Korean).
    3. Kim, J. S. , Seo, H. S. , Lim, J. H. , and Kwon, M. H. (2014), “An Performance Evaluation of Seismic Retrofitted Column Using FRP Composite Reinforcement for Rapid Retrofitting,” Journal of the Korea Concrete Institute, Vol. 26, No. 1, pp. 47-55. (in Korean)
    4. Kwak, Y. J. , and Jung, W. Y. (2019), “Evaluation of Tensile Bonding Strength of the Concrete-BFRP Interface under Freezing-Thaw Cycling,” J. Korean Soc. Adv. Comp. Struc., Vol. 10, No. 4, pp. 8-15. (in Korean).
    5. Kwon, M. H. , Kim, J. S. , Jung, W. Y. , and Kwon, S. W. (2013), “An Performance Evaluation of the Postinstalled Anchor System According to the Freezing and Thawing of Concrete and the Corrosion of Anchor,” Journal of the Korea Institute for Structural Maintenance and Inspection, Vol. 17, No. 5, pp. 31-39. (in Korean)
    6. Lee, Y. T. , Na, J. M. , Kim, S. H. , and Lee, L. H. (2002), “Behaviors of Shear Strengthened RC Columns with Carbon Fiber Sheets,” Journal of Architectural Institute of Korea Structure & Construction, Vol. 18, No. 4, pp. 19-26. (in Korean)
    7. Lim, J. H. , Kwon, M. H. , Seo, H. S. , and Kim, J. S. (2015), “Performance Evaluation of Steel Frame with FRP Composite Panel according to Guide System,” J. Korean Soc. Adv. Comp. Struc., Vol. 6, No. 2, pp. 46-51. (in Korean)
    8. Sa, B. K. , Kim, G. D. , Choi, H. B. , and Lee, S. Y. (2019), “Flexural Tensile Behaviors of Concrete Structures Reinforced by CNT-Composites for an Enhanced Seismic Performance,” J. Korean Soc. Adv. Comp. Struc., Vol. 10, No. 4, pp. 33-37. (in Korean).
    9. Sim, J. S. , and Kim, G. S. (2000), “Application of FRP in Construction,” Magazine of the Korea Concrete Institute, Vol. 12, No. 6, pp. 37-43. (in Korean)