2.1.1 탄소섬유보강폴리머 인장 시편

시편 제작의 일관성을 확보하기 위하여 제조사에서 권장하는 시공기법을 이용하여 본 실험에서 사용된 탄소섬유보강폴리머 인장시험 시편을 제작하였다. 모든 시편은 제조사에서 권장하는 에폭시를 사용하여 라미네이트(laminate)로 제작되었다. 시험 구간과 그립부 탭의 양면은 에폭시를 충분히 적셔 부착하였고, 롤러(roller)와 퍼티용 칼(putty knife)을 사용하여 과잉의 에폭시를 제거하였다.

한 장의 탄소섬유보강폴리머 시험 시편의 공칭 두께는 제조사에서 제안하고 있는 0.11 mm으로 가정하였고 실험결과를 분석할 때 사용하였다. 실험 시편의 폭과 길이 그리고 탄소섬유의 두께는 본 실험의 주요 변수로써 Table 1에 요약하였고 각 시편은 Fig. 1과 같이 제작되었다.

Table 1에 요약된 시험편의 길이는 시편 양 단부의 그립부를 제외한 순수 실험 구간을 나타낸다. 시편의 그립부는 ASTM D3039(ASTM 2014)⁽²⁾에서 권장하는 다양한 방법 중에 부착방식을 사용하여 보강하였다. Fig. 2에서 확인할 수 있듯이, 시편의 양 단부는 시편과 폭이 동일하고 길이가 100 mm인 탄소섬유보강폴리머 탭을 부착하였다. 탭의 두께는 0.22 mm로 제작되었고 시편의 양면에 에폭시를 사용하여 부착하였다. Fig. 3은 이 연구에서 사용된 시편의 명명법을 나타내고 있다.

2.1.2 계측 방법

탄소섬유보강폴리머의 인장 시편은 얇고 경량이지만 철근보다 상대적으로 높은 인장강도를 가지고 있으므로 인장시험 장비의 그립에서 미끄러짐 현상이 발생할 수 있다. 따라서 탄소섬유보강폴리머의 인장 시편의 변형률을 계측할 때는 변형률 게이지나 신장계(extensometer)를 이용하여 미끄러짐에 의한 변위의 과장된 측정을 방지하였다.

탄소섬유보강폴리머는 인장 파괴에 이르기까지 선형 거동을 보이는 것으로 알려져 있다. 또한, 시험 시편의 파괴는 취성파괴 양상을 보이고 또한 시편의 제작 오류, 재료의 비균질성, 시험 세팅에서의 설치 오차 등으로 인해 정확한 파괴 위치를 예측하기 어려우므로 ASTM D3039(ASTM 2014)⁽²⁾에서 다양한 파괴형상을 제시하고 있다. 또한, 이러한 인장파괴특성을 고려하여 탄소섬유보강폴리머의 변형률을 측정하기 위하여 ASTM D3039(ASTM 2014)⁽²⁾에서는 인장 시편의 중앙부에 3개의 변형률 게이지를 앞면과 뒷면에 번갈아서 부착하는 것을 권장한다. 본 실험에서는 중앙부 이외에 추가로 인장 시편의 상･하단부 그립에서 20 mm 위치를 선정하여 총 세 부분의 앞･뒷면에 변형률 게이지를 부착하였다. 또한, 시편의 제작 오차나 시편 자체의 결함으로 인해 발생하는 시편의 비틀림과 그립부의 미끄러짐 현상을 확인하기 위하여 Fig. 4에서와 같이 만능재료시험기의 웻지 그립(wedge grip)에 두 개의 리니어 포텐셔미터(linear potentiometer)를 설치하여 모든 실험의 비틀림과 미끄러짐을 계측하였다.

2.1.3 실험 방법

Fig. 4와 같은 2,000 kN 용량의 만능재료시험기를 사용하여 시편의 인장실험을 수행하였다. 인장실험은 변위제어 방법을 이용하였으며 가력 속도는 1~2 mm/min.(0.01 min-1)이며 탄소섬유보강폴리머 시편의 인장 파괴 시까지 일정하게 유지하였다.

2.2.1 응력-변형률 거동

탄소섬유보강폴리머 인장 시편의 폭, 길이 그리고 두께에 따른 응력-변형률 거동을 비교하였을 때, 시편의 단면적에 따른 독특한 양상이 확인되었다. Fig. 5는 이러한 양상을 나타내는 대표적인 실험체의 실험 결과를 나타낸다. 모든 인장 시편의 응력-변형률 거동은 평균적으로 선형 증가하는 경향을 보인다고 할 수 있지만, Fig. 5(a)와 5(b)에서 볼 수 있듯이 시편의 폭과 두께가 작을수록, 즉, 시편의 단면적이 작을수록 선형 거동에 일정한 노이즈가 발생하는 것을 확인할 수 있다. 이에 반해 Fig. 5(c)와 같이 시편의 단면적이 상대적으로 커지면 이러한 노이즈의 발생이 줄어들고 일반적으로 알려진 탄소섬유보강폴리머의 특성인 선형 취성파괴 거동을 보인다.

위에서 설명한 응력-변형률 그래프의 특성은 인장 시편의 제작 특성에 기인하는 것으로 판단된다. Fig. 5(a)에서 볼 수 있는 단면적이 작은 인장 시편의 요동치는 응력-변형률 거동은 경화된 에폭시의 국소적인 인장균열에 의한 것으로 볼 수 있고 이러한 에폭시의 국소적인 인장균열은 모든 시편의 인장시험 과정에서 맨눈으로 관찰할 수 있었다. 시편의 단면적이 작은 경우 에폭시의 국소적인 균열에 의한 인장응력 및 변형률의 급격한 변화가 시편의 응력-변형률 거동에 미치는 영향이 단면적이 큰 경우에 비하여 크기 때문에 응력-변형률 거동의 변동이 심하게 나타난다. 이에 반해 시편의 단면적이 큰 경우는 에폭시의 인장균열로 인한 응력-변형률 거동에 대한 영향이 작은 것을 알 수 있다. 하지만 평균적인 응력-변형률 거동의 기울기, 즉 탄성계수는 시편 단면적의 변화와 관계없이 대략 비슷한 값으로 계산되었다.

2.2.2 인장강도

본 연구에서는 시편의 형상에 따른 영향을 포괄적으로 알아보기 위하여 인장 시편 실험 구간의 길이를 시편의 단면적으로 나눈 값을 형상변수(shape parameter; $h_{shape}$)라 정의하고 다음의 식 (1)과 같이 계산하여 탄소섬유의 형상에 따른 실험 결과를 평가하였다. 형상변수는 1/길이(mm-1)의 차원을 가지고 있지만, 실험 변수 간의 특성을 가장 잘 나타내었기 때문에 본 연구에서 활용되었다.

추가로 형상변수에 따른 강도의 경향을 알아보기 위하여 상자 수염 차트를 이용하여 형상변수에 따른 데이터의 분포를 Fig. 6과 같이 나타내었다. 통계적 비교의 편의상 상자의 시작과 끝은 인장강도의 평균값에 표준편차를 더하고 뺀 값으로 각각 정의하였고 수염의 값은 표준편차의 1.5배의 값으로 정의하였다. 데이터의 분포에 대한 이해를 돕기 위하여 박스 수염 차트의 왼쪽에 정규분포 그래프와 데이터의 산점도를 추가하였다. Table 2에서 확인할 수 있듯이 형상변수의 값이 증가할수록 표준편차와 변동계수(coefficient of variation)가 감소하고 있는데 이는 시험 시편의 길이가 길거나, 단면적이 감소할수록 인장강도 시험결과의 오차가 줄어든다고 볼 수 있다. 또한, 100~150의 형상변수의 범위까지는 형상변수의 증가에 따라 시편의 인장강도가 증가하는 경향을 보이지만 형상변수의 범위가 150-200로 증가할 경우는 오히려 시편의 인장강도가 감소하는 것을 알 수 있다. 형상변수의 범위가 150~200에 속해있는 시편의 형상을 자세히 살펴보면 시편의 면적이 가장 작고(폭: 20 mm, 두께: 0.11 mm(1 layer)) 길이가 가장 긴(400 mm) 경우임을 알 수 있었다. 이는 시편의 면적과 길이가 극단적으로 작거나 클 때 재료의 비균질성, 시편 제작 오차, 또는 거치 시 오차 등으로 인한 시편의 조기 파괴가 유발된 것으로 추정된다. 형상변수의 범위가 150~200인 표본수는 다른 형상변수의 범위 표본수보다 상대적으로 적기 때문에 위의 추정을 일반화하려면 추가적인 검증이 필요할 것으로 판단된다. 하지만 본 연구에서는 일반적으로 보강공법에 널리 쓰이지 않는 폭(20 mm)이기 때문에 추가 실험을 진행하지 않았다.

2.2.3 탄성계수

탄소섬유보강폴리머를 구조 재료로 사용하는 경우 구조물의 보수 및 보강성능을 평가할 때 가장 중요한 기계적 특성은 탄성계수이다. 탄소섬유보강폴리머는 주로 인장 성능을 보강하는 재료로 사용되기 때문에 ASTM D3039(ASTM 2014)⁽²⁾에서는 탄소섬유보강폴리머의 초기 현 탄성계수(chord elastic modulus)를 평가하는 방법을 기본으로 제안하지만, 실험에 따른 탄성계수의 정의 방법을 실험자가 정할 수 있는 여지를 두고 있다. 앞 절(2.2.1)에서 설명한 바와 같이 단면적이 작은 인장 시편의 경우 경화된 에폭시의 균열로 인한 탄성계수 평가 시 변형률 범위에 따라 영향을 받게 된다. 따라서 본 논문에서는 에폭시의 균열에 의한 탄성계수의 변동성을 최소화하기 위하여 가력 시점부터 인장 시편의 파괴 시까지 전체의 데이터를 대상으로 선형회귀분석법을 이용하여 할선탄성계수를 식 (2)~(5)으로 구하여 시편의 형상에 따른 특성을 분석하였다.

선형회귀분석법을 이용하여 각 인장 시편의 탄성계수는 Table 3에 요약되어있다.

2.2.4 그립부의 미끄러짐

앞에서 언급했듯이 ASTM D3039(ASTM 2014)⁽²⁾에서는 변형률 게이지를 인장 시편의 중앙에 설치하여 계측한 변형률을 이용하여 탄성계수를 구하는 것을 권장하고 있다. 실험 장비 자체의 변위는 실제 시편의 인장 변위에 그립부에서의 미끄러짐에 의한 마찰 변위가 더해진다. 그에 따라 실험장비의 그립 자체의 변위를 이용하여 탄성계수를 구하면 탄성계수의 값이 실제의 값보다 과소평가되는 경향을 보이게 된다. 인장 시편의 미끄러짐에 의한 영향을 최소화하기 위하여 변형률 게이지를 이용하여 인장 성능을 평가하는데 그립부의 비대칭적인 미끄러짐 현상에 의하여 각각의 변형률 게이지에서 구한 탄성계수의 값에 큰 변동을 보일 수 있다.

탄소섬유보강폴리머의 인장실험 시 그립부에서의 미끄러짐 현상을 정량적으로 평가하기 위하여 본 실험에서는 다양한 인장 시편의 길이 및 단면적에 따른 할선탄성계수를 리니어 포텐셔미터와 변형률 게이지를 이용하여 구하였고 이를 비교하였다. 비교의 편의를 위하여 리니어 포텐셔미터를 이용하여 구한 선형탄성계수를 변형률 게이지를 이용하여 구한 선형탄성계수로 나누어준 값을 구하였고 이 값들은 Table 3에 정리되어 있다.

Fig. 7은 탄소섬유보강폴리머 시편의 두께에 따른 리니어 포텐셔미터를 이용한 탄성계수와 변형률 게이지를 이용한 탄성계수의 비율의 경향성을 나타낸 그래프이다. 그림에서 확인할 수 있듯이 시편의 두께가 증가할수록 탄성계수의 비율은 감소하는 경향을 나타냈다. 이러한 경향은 시편의 길이와 상관없이 관측되었으며, 이것을 통해 인장 시편의 두께가 증가할수록 미끄러짐에 의한 변위가 증가하는 경향을 확인할 수 있었다.

Fig. 8은 시편 길이의 탄성계수 비율에 대한 영향을 나타내고 있다. 두께와 폭이 일정한 상태에서, 즉, 시편의 단면적이 일정할 경우 인장 시편의 길이가 증가할수록 탄성계수의 비율이 증가하는 경향을 보인다. 즉, 인장 시편의 길이가 증가할수록 미끄러짐 현상이 줄어드는 현상이 확인된다. 이러한 현상은 시편의 길이가 길어져서 그립부의 영향이 상대적으로 감소했기 때문에 발생할 수 있지만, 길이가 긴 시편 전체에 응력이 고루 전달되기까지 발생할 수 있는 변형을 함께 고려하여 미끄러짐 현상을 기술하였다.

Fig. 9는 시편의 길이와 두께를 일정하게 유지할 때의 탄성계수 비율을 보여주고 있다. 실험 결과를 통해 시편의 폭이 증가할수록 탄성계수의 비율이 감소하는 것을 확인하였다. 이러한 결과는 시편의 폭이 증가할수록 그립부의 미끄러짐 현상이 증가하는 것을 나타낸다.

Fig. 10의 그래프는 형상변수에 따른 탄성계수의 비율을 나타낸다. 전체적으로 변형률 게이지를 이용하여 구한 선형탄성계수의 값이 높은 것을 확인할 수 있었다. 또한, 형상변수가 커짐에 따라 탄성계수의 비율이 증가하는 경향을 확인할 수 있었다. 특히 인장 시편의 폭이 넓을수록 탄성계수의 비율이 0.27~0.98의 넓은 범위에 분포하고 있지만, 시편의 폭이 좁은 경우 탄성계수의 비율이 0.65~0.89의 상대적으로 좁은 범위에 분포되어 있다는 것을 알 수 있다. 탄성계수 비율의 값이 0.5 이하의 값을 나타내며 변동폭이 큰 경우는 전체의 12 %를 차지했으며 이 경우는 모두 형상변수의 값이 20 이하였다. 이를 통해 시편의 길이가 증가하거나 단면적이 작아질수록 그립에서 시편의 미끄럼에 의한 변위가 줄어드는 경향을 확인할 수 있다.