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ISSN : 2093-5145(Print)
ISSN : 2288-0232(Online)
Journal of the Korean Society for Advanced Composite Structures Vol.11 No.3 pp.1-7
DOI : https://doi.org/10.11004/kosacs.2020.11.3.01

Flexural Performance Evaluation of Concrete Strengthened with Ductile Coating Paint and BFRP Composite Plate

DonWoo Cho1, WooYoung Jung2
1Masters Degree, Department of Civil Engineering, Gangneung-Wonju National University, Gangneung, Korea
2Professor, Department of Civil Engineering, Gangneung-Wonju National University, Gangneung, Korea

본 논문에 대한 토의를 2020년 07월 31일까지 학회로 보내주시면 2020년 08월호에 토론결과를 게재하겠습니다.


Corresponding author: Jung, WooYoung Department of Civil Engineering, Gangneung-Wonju National University, 7 Jukheon-gil, Gangneung, Korea Tel: +82-33-640-2421, Fax: +82-33-646-1391 E-mail: woojung@gwnu.ac.kr
March 20, 2020 April 14, 2020 April 17, 2020

Abstract


With the increasing number of aging domestic structures, interest in research relating to the reinforcement of structures has gained considerable attention, especially glass fiber reinforced polymer (GFRP) reinforcement of performance degraded structures. However, glass fiber is facing environmental recycling concerns. Therefore, the application of flexural reinforcement plates using eco-friendly, high-temperature resistant basalt fiber, and flexural reinforcement painting with stiffening paint for ductile coating to solve the problem of external adhesion of existing FRP were evaluated and compared with the reinforcement performance of each case through the three-point bending test. The results compare the BFRP reinforced specimens with those of the non-reinforced specimens. The concrete-BFRP interface adhesion showed a ductility increase factor of 1.2. Conversely, flexural reinforcement through the application of ductile coating reinforcement painting exhibited a slight improvement over non-reinforced test specimens, but the actual reinforcement effect was not significant considering error during experimental specimen fabrication. Therefore, additional research is required for reinforcement methods using ductile coating painting according to future construction conditions.



연성 코팅페인트와 BFRP 복합재료로 각각 보강된 콘크리트의 휨 성능 평가

조 돈우1, 정 우영2
1강릉원주대학교 토목공학과 석사과정
2강릉원주대학교 토목공학과 교수

초록


최근 국내 구조물들의 노후화가 진행됨에 따라 구조물 보강과 관련된 연구에 대한 관심이 높아지고 있다. FRP보강은 노후화가 진행되어 성능이 저하된 구조물을 보강하는데 사용되며 주로 유리섬유를 사용한다. 그러나 이 유리섬유는 환경적 재 활용의 문제점이 대두되고 있다. 따라서 본 연구에서는 친환경적이고 내열성이 우수한 현무암 섬유를 활용한 휨 보강 플레이트 적용방법과 기존 FRP 외부부착의 문제점을 해소하기 위하여 연성 코팅용 보강페인트를 활용한 휨 보강 페인팅 적용방법을 통하 여 각각의 경우에 대한 3점 휨 시험을 통하여 보강성능을 평가, 비교하였다. 그 결과 BFRP 보강의 경우 무보강 시험체에 비하 여 약 1.2배 높은 강성 값을 나타내었고 콘크리트-BFRP 계면 부착력에 의한 연성효과도 나타났다. 반면 연성 코팅 보강페인팅 적용을 통한 휨 보강의 경우, 무보강 시험체에 비하여 약간의 개선효과는 나타났으나 실험체 제작의 오차 등을 고려할 때 실질 적인 보강효과는 크게 나타나지 않았다. 따라서 연성 코팅페인팅을 활용한 보강방법의 경우, 향후 다양한 시공조건에 따른 추 가연구가 필요할 것으로 판단된다.



    National Research Foundation of Korea
    NRF-2017R1A2B3008623

    1. 서 론

    국내 노후화 구조물 증가로 인해 구조물 보수⋅보강 에 대한 관심이 증가하고 있으며 우리나라의 경우 노후구조물을 보강하는데 있어 FRP와 같은 저 중 량 고강도 보강재를 외부에 부착하는 공법을 주로 활용하고 있다. 하지만 외부부착공법은 보강재의 성능보다 콘크리트와 보강재 사이의 부착성능에 따 라 보강효과가 지배되는 경향이 있어 새로운 보강 방법을 찾을 필요성이 있다. 본 연구에서는 기존 FRP 외부부착방법 중 최근 환경적 재활용 문제가 대두된 GFRP 복합재료 대신 BFRP 복합재료를 활 용한 외부부착 보강방법과 외부부착을 대신하여 하 부 면에 연성 코팅용 보강페인트를 적용하여 휨 보 강된 시험체를 각각 제작하여 상호 보강효과에 대 하여 비교, 평가하였다. 연성 코팅용 보강페인트의 경우, 기존 강성 보강 이외에 연성효과를 증가시키 기 위한 새로운 보강방법으로 본 연구에서 고려하 였다.

    2. 시험 계획 및 방법

    2.1 사용재료

    본 연구에 활용된 보강섬유는 현무암섬유이며 호주 에 위치한 BASALT FIBER Tech.에서 제작된 Plain Weave 형태의 섬유를 사용하였다. 외부부착 없이 콘 크리트 하부면 보강 및 부착성능 향상을 위하여 사 용된 상용 연성 코팅페인트로는 S사의 One-Shot Tan 이라는 제품으로 공기 중 수분과 반응하여 건조되는 우레탄 수지를 주성분으로 적용 후 탄성이 우수한 후도막이 형성되며 뛰어난 작업효과와 접착력이 발 생하는 것이 주요 장점이며 시공성 측면에서도 하지 의 균열이나 수축 및 팽창의 영향을 거의 받지 않는 도료로써 가사시간에 제한이 적고 시공이 간편한 우 레탄 탄성 방수제이다. 섬유함침용 수지는 범용 에 폭시수지인 Resoltech 1050(주제), 1056S(경화제)이며 선행연구(Kwak and Jung, 2019a, 2019b)에서도 보이 듯 본 제품은 현무암 섬유와 최적의 함침을 보이며 강도 또한 우수하기 때문에 본 연구에서 함침 시 활 용하였다. Table 12는 섬유 및 에폭시 수지의 정 보를 나타내고 FIg. 1은 본 연구에 사용된 상용 연성 코팅페인트를 보여주며 상용 연성 페인트제품의 물 성치는 Table 3과 같다.

    2.2 BFRP 복합재료 제작 및 물성치 조사

    BFRP 플레이트 제작방법으로는 크게 공장에서 제작 하는 Pultrusion공법과 수작업으로 섬유와 수지를 적 층하는 Hand Lay-Up공법, 가느다란 섬유를 길게 감 싸는 필라멘트 와인딩공법 (Filament Winding), 진공 상태에서 압력을 가해 In-Put Line과 Out-Put Line을 통해 섬유사이로 수지를 침투시켜 함침 시키는 VARTM (Vacuum Assisted Resin Transfer Molding) 공 법 등이 있으며 본 연구는 VARTM공법을 사용하였 다. Fig. 2는 VARTM공법을 통한 BFRP 복합재료 플 레이트의 제작과정을 보여준다.

    제작된 BFRP 복합재료의 물성치를 조사하기 위 하여 ASTM D3039/ D3039M기준에 의한 인장시험 시편과 장비를 고려하여 재료시험을 수행하였다. Table 4와 Fig. 3은 시험 시 고려된 시편의 규격과 제원을 나타낸다.

    BFRP의 인장강도, 탄성계수, 포아송 비 등 역학 적 성질을 알아보기 위하여 먼저, 인장강도의 경우 시험편의 정확한 단면적을 도출하기 위해 버니어 켈 리퍼스를 활용하여 두께와 폭을 측정하였으며 인장 시험으로 얻어진 데이터를 바탕으로 인장응력, 인장 변형률, 포아송 비를 아래 제시된 식 (1), 식 (2)와 (3)을 통하여 도출하였다.

    σ u t = P max / A
    (1)

    • σut = 극한 인장강도, MPa

    • Pmax = 최대 인장력, N

    • A = 단면적, mm²

    E t c h o r d = Δ σ / Δ ε
    (2)

    • E t c h o r d = 인장 현 탄성계수, GPa

    • Δε = 변형률의 0.001과 0.003점의 차이, MPa

    • Δσ = 변형률 0.001과 0.003점 사이에 해당되는 인장응력 값의 차이 (보통 0.002)

    ν = Δ t / Δ l
    (3)

    • ν = 포아송 비

    • Δt = 축방향과 수직인 방향의 변형률, μ∈

    • Δl = 축방향 변형률의 0.001과 0.003점의 차이, μ∈ (보통 0.001, 0.002 또는 0.005)

    최종적으로 제작된 인장시편들은 만능재료시험기 (UTM)를 통해 2mm/min.의 가력속도로 물성치를 측 정하였다. 시편 내 인장변형률을 측정하기 위하여 Fig. 4와 같이 제작된 시험편 정중앙부에 2축 스트레 인게이지를 부착하였으며 지그에서의 파단을 방지하 여 위하여 지그가 고정되는 양쪽 끝면에 두께를 증 가하기 위하여 Tab을 부착하였다. Fig. 5는 ASTM D3039/ D3039M기준에 의한 인장 시험 장비들을 보 여준다.

    Table 5와 Fig. 6은 본 연구에 활용된 BFRP 복합 재료의 물성치와 인장응력-변형률 거동을 각각 나타 낸다.

    2.3 콘크리트 휨 보강 시험체 제작

    콘크리트 휨 시험체 제작은 1종 보통포틀랜드 시멘 트를 활용하였으며 배합에 사용된 굵은 골재 최대치 수는 19mm이다. 휨 시험방법은 KS F 2408(콘크리트 의 휨 강도 시험방법)에 근거하여 수행하였으며 기 준 시험체 제작을 위하여 100x100x400mm 거푸집에 무근으로 타설하였다. 배합된 콘크리트의 압축강도 의 경우 KS F 2405(콘크리트의 압축강도 시험)기준 에 맞추어 직경 100mm, 높이 200mm의 시험체를 제 작하였다. Table 6은 콘크리트 휨 시험체 제작 시 고 려된 배합설계를 나타내고 있으며 Fig. 7은 KS F 2405 기준에 따라 시험하였고 Table 7은 압축강도 시험 결과이다.

    콘크리트 휨 시험체 제작 후 본 연구에서 고려된 휨 보강방법에 맞추어 보강 시험체를 제작하였다. 첫 번째 보강방법으로는 BFRP 복합재료를 Plate 형 태로 제작하여 콘크리트 시편 하부표면에 고강도 항 공용 부착제를 사용하여 외부부착 시공하였다. 콘크 리트 시편에 외부부착 시 보강면적은 KS F 2408 콘 크리트의 휨 강도시험에 준하는 순지간 L에 대하여 0.8L만큼 보강되도록 부착하였다. 콘크리트 시험체의 외부부착에 있어 보강순서는 먼저, 콘크리트 표면에 이물질 등을 제거한 뒤에 연성코팅제 및 에폭시 부 착제의 부착력을 향상시키기 위해 하도 프라이머 작 업을 실시하였다. 그 후 연성코팅제를 도포하여 양 생 후 보강재를 부착하였으며 연성코팅제는 도장사 양서의 이론 소요량을 참고하여 각각 40g씩 정량 측 정하여 2회 도포하였다. Fig. 8은 BFRP를 활용한 외 부부착 시 보강방법을 나타내며 Fig. 9는 연성 코팅 용 보강페인트 적용 시 이에 대한 보강방법을 나타 낸다. 외부부착 및 연성 페인팅 보강방법 모두 콘크 리트 시험체 적용 전 작업과정은 동일하였으며 보강 시 가장 큰 차이점은 외부부착 유무에 따른 보강방 법이며 이는 Fig. 10에서와 같이 나타난다.

    3. 실험방법 및 결과

    3.1 보강된 콘크리트의 휨 성능평가

    본 연구에서는 BFRP 플레이트로 외부 부착된 보강 시험체(B_R)와 외부부착 없이 연성 코팅 보강페인트 만으로 휨 보강된 실험체(SP_R)를 평가하여 그 결과 를 무보강 시험체와 비교하였다. 각 실험에 사용되 는 시험체는 시험데이터의 객관적 신뢰성을 확보하 기 위하여 각각의 경우에 대하여 5개를 제작, 실험 하였다. 휨 성능평가 시 300kN급 만능재료 시험기를 활용하여 1mm/min.의 가력속도로 동일하게 3점 휨 실험을 수행하였으며 중앙부에 설치된 LVDT를 통하 여 발생변위를 측정하였다.

    Fig. 11에서 13은 무보강 및 보강 시험체에 대한 하중-변위곡선을 나타낸다. 그림에서 보이는 것과 같 이 모든 시험체는 선형 거동특성을 보였으며 BFRP 로 보강된 시험체의 경우 외부부착 특성에 의하여 부분적인 연성을 나타내었다. 전반적으로 5개의 모 든 시험체에서 모두 비슷한 패턴의 최대강도와 파괴 특성을 보였으며 응력 기반 재료시험기의 특성 상 콘크리트 파괴 후 변위측정이 어려운 점으로 인하여 콘크리트 파괴를 최종 파괴로 정의하였다.

    Table 8 및 Fig. 14는 휨 시험체에 대한 보강성능 평가 결과들을 요약 정리하였다. 각 변수에 따른 휨 성능평가 결과를 살펴보면 최대변위는 OPC, BFRP 외부부착보강, 상용 연성 코팅페인트 보강 시험체에 대하여 각각 0.053mm, 0.290mm, 0.055mm로 나타났 으며 최대하중은 각각 14.3kN, 19.2kN, 15.0kN으로 측정되었다. BFRP 외부보강의 경우 최대하중 및 최 대변위 모두에서 무보강 시험체에 비하여 증가하였 다. 그러나 연성 코팅 휨 보강페인트의 경우, 무보강 휨 시험체에 비하여 최대하중 및 최대변위가 다소 증가하였으나 실험의 오차 등을 고려할 때 큰 개선 효과가 없는 것으로 판단된다.

    하중-변위곡선을 활용하여 탄성구간 내에서 초기 강성을 도출한 결과, 각각 263.4kN/mm, 280.5kN/mm, 325.1kN/mm로 나타났으며 BFRP로 보강된 시험체는 6.5%의 보강성능을 보였고 상용 연성 코팅페인트의 경우 23.4%의 보강성능을 보였다. 이는 전체적인 거 동을 고려할 때 BFRP 외부보강이 우수하나 초기강 성의 경우 실제적으로 페인팅의 경우 콘크리트와 하 중 재하 즉시 바로 일체거동 특성을 보이나 BFRP 외부부착의 경우 경계면에서의 부착특성에 따라 일 체거동이 다소 지연되는 특성이 존재하는 것으로 판 단된다. 그러나 전체적인 강성의 크기는 BFRP이나 연성 코팅 페인팅 모두 무보강에 비하여 우수한 강 성 증진효과를 나타내었다.

    초기 하중재하 이후 보강재와 부착제가 같이 하 중을 받으며 저항하다 콘크리트의 초기 균열이 발생 하며 변형 증가와 함께 하중 감소가 두드러지게 발 생하였다. Fig. 15는 휨 실험 이후 시험체에 발생된 파괴형상을 보여주고 있으며 BFRP로 보강된 휨 콘 크리트 시험체의 경우 콘크리트와 보강재 사이의 계 면 부착파괴에 의하여 최종파괴가 발생한 것을 보여 주고 있으며 상용 연성코팅 페인팅으로 보강된 콘크 리트 휨 시험체의 경우 모든 시험체가 무보강 시험 체와 동일하게 중앙부에서 균열에 의하여 최종파괴 가 발생하였다.

    4. 결 론

    본 연구의 목적은 BFRP와 연성 코팅페인트를 활용 하여 보강된 콘크리트의 휨 시험체의 정적성능 평가 에 대한 연구로서 재료적 측면에서 기존 GFRP 보강 재를 대체한 건설 복합소재 발굴과 시공적 측면에서 기존 외부부착공법의 문제점을 개선할 수 있는 새로 운 공법의 개발 및 타당성을 평가하기 위함이다. 따 라서 BFRP 플레이트를 활용한 휨 보강재 적용성 평 가와 외부부착에 따른 문제점 해결을 위하여 연성코 팅 보강페인트를 활용한 휨 보강효과에 대하여 무보 강 시험체와의 성능 비교를 통하여 그 결과를 비교, 평가하였다. 본 연구에서 수행한 실험결과들은 다음 과 같다.

    1. 연성 코팅페인트로 보강된 시험체는 무보강시 험체(OPC)에 비하여 최대변위와 최대하중이 약간 증가함을 보였으나 그 차이는 매우 미소 하였다. 그러나 BFRP로 보강된 콘크리트 휨 시험체의 경우 최대하중의 증가나 초기항복 발생 후 BFRP 보강재의 부착특성에 의한 연성 보강이 매우 진전되는 것으로 나타났다. 연성 코팅페인트의 경우도 연성효과가 조금 발생하 긴 하였으나 그 차이가 매우 작게 나타났다.

    2. BFRP와 연성 코팅페인트의 휨 성능 개선효과 를 비교한 결과 최대하중 및 연성비의 경우 BFRP 외부부착에 따른 효과가 가장 크게 나 타났지만 하중재하 초기에 발생된 강성의 경 우 연성 코팅 보강페인트를 적용한 값이 상대 적으로 높게 나타났다. 그러나 이는 초기재하 시 실험값에서 발생한 오차의 범위나 보강재 적용에 따른 변수 등을 고려할 때 최종 결과 로 단정 짓기가 어려우며 이에 대한 분석은 추후 보강실험을 통하여 검증될 필요가 있을 것으로 판단된다. 상용 연성 코팅용 보강페인 트를 단독 보강했을 때 실질적으로 만족할만 한 보강효과를 얻기는 어려웠으나 실제 적용 에 따른 시공조건, 즉 페인팅의 두께, 범위 등 을 다방면으로 고려할 때 그 결과를 최종적으 로 판단하기에는 다소 객관성이 결여된다고 할 수 있으므로 추후 이들 다양한 시공인자에 대한 연구를 진행할 필요가 있다고 판단된다.

    ACKNOWLEDGMENT

    This work was supported by the National Research Foundation of Korea (NRF) grant funded by the Korea government (MSIT) (NRF-2017R1A2B3008623).

    Figure

    KOSACS-11-3-1_F1.gif
    Commercial Ductile Coating Paint Products Package
    KOSACS-11-3-1_F2.gif
    VARTM Process Sequence
    KOSACS-11-3-1_F3.gif
    Specification and Shape of BFRP Tensile Test Specimen
    KOSACS-11-3-1_F4.gif
    Specimen and Gauge Attachment of Tensile Test
    KOSACS-11-3-1_F5.gif
    Test Machine and Measurement Devices
    KOSACS-11-3-1_F6.gif
    BFRP Tensile Stress-Strain Curve
    KOSACS-11-3-1_F7.gif
    Compressive Strength Test
    KOSACS-11-3-1_F8.gif
    Reinforcement Method Using BFRP
    KOSACS-11-3-1_F9.gif
    Ductile Coating Paint Reinforcement Method
    KOSACS-11-3-1_F10.gif
    Reinforcement Preparation of Concrete Flexural Test Specimen
    KOSACS-11-3-1_F11.gif
    OPC Load-Strain Curve
    KOSACS-11-3-1_F12.gif
    B_R Load-Strain Curve
    KOSACS-11-3-1_F13.gif
    SP_R Load-Strain Curve
    KOSACS-11-3-1_F14.gif
    Maximum Load-Strain Graph
    KOSACS-11-3-1_F15.gif
    Destructive Shape of Test Body

    Table

    Plain Weave Type Basalt Fiber
    Properties of the Resoltech 1050 Epoxy Resin
    Commercial Ductile Coated Paint
    Specifications for Tensile Test Specimen
    Tensile P erformance E v aluation o f Multi-Materials
    Concrete Mix Design Table
    Concrete Compression Strength Test Results
    Results Flexural Strengthening Performance

    Reference

    1. ASTM D3039/D3039M (2002), “Standard Test Method for Tensile Properties of Polymer Matrix Composite Materials.”
    2. KS F 2405 (2017), “Standard Test Method for Compressive Strength of Concrete.”
    3. KS F 2408(2016), “Standard Test Method for Flexural Strength of Concrete.”
    4. KS F 3211(2015), “Waterproofing Membrane Coating for Construction.”
    5. Kwak, Y. J. , and Jung, W. Y. (2019a), “Evaluation of Tensile and Shear Properties of Basalt Fiber Composite Plates Fabricated by Various Resins,” Journal of the Korean Society for Advanced Composite Structures, Vol. 10, No. 3, pp. 8-14.
    6. Kwak, Y. J. , and Jung, W. Y. (2019b), “Evaluation of Tensile Bonding Strength of the Concrete-BFRP Interface under Freezing-thaw Cycling,” Journal of the Korean Society for Advanced Composite Structures, Vol. 10, No. 4, pp. 8-15.