2.1 실험 개요

CFRP(carbon fiber-reinforced polymer) 시트로 휨 보강된 보의 경우 계면의 전단응력이 휨거동을 지배하며 계면의 박리응력(CFRP 시트의 표면의 직각인 응력) 또한 계면전단응력만큼이나 응력전달에 있어 주요한 역할을 한다^{(Teng et al. 2001)}. 따라서 본 연구에서는 콘크리트-에폭시 계면에 대한 환경하중 영향을 고찰하기 위하여 CFRP 시트를 부착한 일면전단실험체와 휨 실험체를 제작하였다. 실험은 지속하중을 가력 하는 크리프실험과 크리프실험 종료 후 부착강도 및 부착파괴에너지에 대한 변수의 영향을 평가하기 위한 전단 실험 및 휨 실험으로 총 2차에 걸쳐 진행되었다.

일면전단실험체 제작은 압축강도 34 MPa(28일 강도)의 콘크리트 블록(127×127×254 mm)을 사용하여 총 24개(총 8개 종류의 실험체, 각 실험체별 3개)를 제작하였다. 25 mm 폭의 CFRP 시트를 에폭시에 함침 시켜 콘크리트 블록에 부착하는 방식으로 제작하였으며, 실험에서 사용된 CFRP 시트 및 에폭시의 재료 물성치는 Table 1에 정리하였다.

Fig. 3. CEI specimens for experimental program

휨 실험체는 일면전단실험체와 동일한 재료 물성치를 가지고 있는 콘크리트를 사용하여 제작하였으며 콘크리트 블록(152×152×255 mm) 두 개를 에폭시를 활용하여 붙여 152× 152×510 mm 크기의 휨 실험체 30개를 제작하였다. 본 연구의 실험조건 및 실험체 상세는 Fig. 3과 Table 2와 같다.

에폭시의 양생기간에 따른 영향을 확인하기 위해 지속 하중을 가력하기 전까지 항온･항습실(상대습도 35 %, 21 °C)에서 7일 또는 90일 동안 에폭시 양생 후 지속 하중을 도입하였다. 여기서 에폭시 양생기간은 본 실험과 함께 병행한 에폭시 열역학적 시험의 양생조건과 동일하게 설정 되었다^{(Jaipuriar 2011)}. 그리고 실험체명 A-B-C-D의 A는 실험체 종류(SLS는 일면전단실험체 그리고 TPB는 휨실험체), B는 에폭시 양생기간(7d는 7일 그리고 90d는 90일), C는 지속하중 동안의 온도(21C는 21 °C 그리고 30C는 30 °C), D는 지속하중기간(CR30d는 30일, CR75d는 75일, 그리고 CR180d는 180일, 여기서 CR은 CREEP의 앞 두 철자임)을 의미한다. 그리고 D 항목이 없는 경우는 지속하중을 가력하지 않은 실험체이다.

2.2 크리프실험

제작한 2종의 실험체(예, 일면전단실험, 휨 실험체)에 다음과 같이 지속하중을 도입하였다(Fig. 4).

Fig. 4. Creep test setups

일면전단실험체에 지속 하중을 가력하기 위하여 Fig. 4(a)와 같이 강재 프레임과 스프링을 사용하여 지속 하중을 도입하였다. 지속 하중의 크기는 SLS-7d-21C 실험체의 계면전단강도실험 평균부착파괴하중의 47 %인 2.69 kN을 가력하였다. 지속하중 도입 후 일부 실험체는 상대습도 35 %, 21 °C의 조건에 노출시켰고 나머지 실험체는 상대습도 25 %, 30 °C의 조건에 노출시켰다(Fig. 4(a)).

휨 실험체의 경우 휨 실험체 중간에 스프링과 강재 프레임을 Fig. 4(b)와 같이 위치시켜 지속하중을 도입하였다. 지속하중의 크기는 4.67 kN이며 이는 TPB-7d 휨강도의 38 %, TPB-90d 휨강도의 45 %에 해당하는 수준이다. 스프링과 강재 프레임을 활용하여 휨 실험체에 지속하중을 도입하는 특성상(Fig. 4(b)) 하부에 위치한 휨 실험체가 상부 실험체의 자중만큼 더 많이 받게 되어 있다. 상부 실험체 하중에 의해 발생하는 휨모멘트로 환산해 보면 18 N･m만큼 더 많이 가력되며 이는 스프링에 의한 휨모멘트(534 N･m)의 3.3 % 수준이다. 따라서 크리프 변형결과에 대해 자중에 의해 발생하는 상하 실험체의 휨모멘트 차이 영향은 미미할 것으로 판단된다.

2.3 전단강도실험 및 부착파괴에너지 실험

일면전단실험체의 전단강도 실험은 크리프 실험 기간 종료 후 시행되었다. 지속하중시간 종료 후 일면전단실험체의 지속 하중을 제거하고 전단강도실험을 실시하여 온도와 지속 하중의 영향을 평가하였다. Fig. 5는 계면전단 실험의 상세를 보여주고 있다.

휨 실험체에 대한 부착파괴에너지 실험은 크리프 실험 종료 후 지속하중을 제거하고 시행되었다. 여기서 부착파괴에너지는 균열의 발생, 진전, 그리고 파괴에 이르는 일련의 과정에서 필요한 단위면적당 외부에너지이다. 본 연구에서는 콘크리트-에폭시 계면의 부착파괴에너지 측정을 위해 휨 실험체에 대한 3점 휨 실험을 실시하였다. 콘크리트-에폭시 계면의 부착파괴에너지 추정은 ^{Hillerborg(1985)}의 the work-of- fracture method 방법에 의해 이루어졌으며 휨 실험체에 대한 3점 휨 실험은 RILEM(2007)에서 제시한 방법을 준용하였다. 부착파괴에너지는 3점 휨 실험의 하중과-처짐 그래프로부터 얻어지며 다음 식(1)에 의해 산정된다.

Fig. 5. Bond test setup for single-lap shear specimen

여기서, $G_{F}$는 부착파괴에너지, $W_{F}$는 총 에너지, 그리고 $B\left(D-a_{0}\right)$는 부착면의 크기이다. 실험방법 및 부착파괴에너지 산정의 자세한 내용은 ^RILEM(2007)에 상세히 기술되어 있다. ^RILEM(2007)에서 제시한 방법은 부착파괴에너지 측정 시험 중 동적인 영향으로 균열이 진전되는 영향을 최소화한 준정적 시험이며 이를 위해 저속으로 실험을 진행하기 위해 실험 매뉴얼^{(RILEM 2007)}에서는 3점 휨 시험 하부 중앙에 만든 notch의 균열 폭 증가 속도에 따른 시험을 수행하도록 하고 있다. Fig. 6은 크리프 실험 종료 후 휨 실험체에 시행한 부착파괴에너지 실험 상세를 보여주고 있다.

2.4 실험결과

Table 3은 일면전단실험체 그룹별 부착강도 평균을 나타내고 있으며 지속 하중에 따른 효과를 백분율(%)로 보여주고 있다. Table 3의 백분율(%) 양(+)의 의미는 지속하중에 의해 부착강도가 증가하였음을 나타내며 음(-)의 의미는 감소를 의미한다.

Fig. 6. Fracture test setup for three-point bending specimen

모든 지속하중실험체의 부착강도가 대조실험군과 비교하여 증가하였다. 본 연구 실험체에 한에서는 지속 하중이 부착강도 증가에 대하여 긍정적인 효과를 보여주고 있다. 가장 큰 효과를 보여주고 있는 실험체는 SLS-7d- 21C-CR30d(23 % 증가)이며 이 실험체의 지속하중기간이 가장 짧다(31일). Fig. 7은 지속하중기간에 대한 지속하중 효과 변화 추이를 보여주고 있다. 부착강도에 대한 지속 하중의 효과는 기간이 증가함에 따라 감소한다. 이는 지속하중이 부착강도 증가 측면에서는 긍정적으로 작용하나 지속하중기간이 증가함에 따라 그 효과는 감소하는 것으로 보인다(Fig. 7). 3.2절의 파괴 면 분석 결과를 바탕으로 추론해 보면 지속 하중 기간 증가로 인한 계면의 부착강도 저하로 판단된다. 자세한 내용은 3.2절에 기술하도록 하겠다.

Table 4는 휨 실험체 그룹별 평균 부착파괴에너지 결과를 보여주고 있다. 지속 하중 효과는 백분율(%)로 보여주고 있다. Fig. 8은 지속하중기간에 따른 지속하중 효과를 도식화하였다. Fig. 8에 따르면 지속하중기간동안 온도 효과와 상관없이 콘크리트-에폭시 계면의 부착파괴에너지와 지속하중효과는 음의 상관관계를 가지고 있으며 이는 지속하중기간 증가에 따른 부착파괴에너지 감소를 의미한다. 그리고 에폭시 양생기간이 90일인 실험체의 경우 7일 양생기간의 실험체보다 더 높은 부착파괴에너지를 보여주고 있다.

Fig. 7. Sustained loading effect on peak load as function of sustained loading duration in single-lap shear specimens

Fig. 8. Sustained loading effect on total fracture energy as function of sustained loading duration in three-point bending specimens

지속하중기간 증가에 대한 실험체의 부착성능(일면전단실험체 경우 부착강도, 휨 실험체 경우 콘크리트-에폭시 계면 부착파괴에너지) 저하에 대한 원인은 콘크리트-에폭시 계면의 파괴면 이미지 분석을 통해 설명하도록 하겠다.

3.1 콘크리트-에폭시 계면 파괴면 분석

콘크리트-에폭시 계면 실험체 2종에 대한 전단실험 및 휨 실험 종료 후, 모든 실험체를 대상으로 콘크리트-에폭시 계면의 부착 파괴 면의 디지털 이미지를 분석하여 파괴 면 양상을 정량적으로 평가하였다. 서론 부분에서 언급한 바와 같이 콘크리트-에폭시 계면의 파괴 양상을 크게 세 가지로 구분할 수 있다. 균열 진행이 콘크리트 내에서 발생하게 되면 콘크리트면내파괴(cohesive failure in concrete, CC), 에폭시 내에서 발생하게 되면 에폭시면내파괴(cohesive failure in epoxy, CE), 마지막으로 에폭시와 콘크리트 사이 계면에서 발생하게 되면 계면부착파괴(interfacial failure, IF)이다. 콘크리트-에폭시 계면의 파괴면 자료를 포토샵(photoshop) 프로그램을 이용하여 분석하였다. 분석 과정은 다음과 같다.

• 전처리 : 포토샵 기능을 사용하여 이미지의 잡티와 같은 노이즈를 제거. 같은 위치에 정사각형 셀을 형성하기 위해 이미지를 다음 Fig. 9와 같이 축회전 함.

Fig. 9. Process of determining modes in concrete-epoxy of three-point bending (TPB) specimen

• Step 1 : 파괴면이 아닌 부분은 제거. 6.25 mm 정사각형 셀을 파괴면에 형성.

• Step 2 : 포토샵 프로그램에서 제공하는 기능(예, Subtract from Sample)을 이용하여 에폭시를 제외한 면을 선택 후 선택한 면을 제거.

• Step 3 : 픽셀 개수를 측정하는 포토샵 기능을 이용하여 셀 면적에 대한 에폭시 면적 비율을 계산.

• Step 4 : 동일 위치의 에폭시 면적 비율을 비교하여 파괴 양상을 결정.

• Step 5 : 전체 셀 개수에 대한 파괴모드(CC, CE, IF) 셀 개수의 비율을 계산하여 파괴면 파괴양상을 정량화.

독자들의 이해를 위해 분석과정에 관한 추가 설명을 하면 다음과 같다. 부착파괴에너지 실험 후 콘크리트-에폭시 계면은 두 개의 파괴면이 생기며 이를 디지털 이미지화 하면 Fig. 9와 같이 SIDE A와 SIDE B가 된다. 이때 두 개의 파괴면을 나란히 위치시켜 사진을 찍게 되면 파괴면의 동일한 위치는 두 파괴면 사이를 기준으로 대칭이 되게 된다. 그래서 둘 중 하나의 파괴면을 그림과 축회전 후 정사각형 셀을 형성하면 Step 3 과정의 동일 위치의 에폭시 면적 비율 비교가 용이하게 된다. 그리고 동일위치 셀의 에폭시 면적 비율 비교를 통해 그 위치의 파괴모드를 결정하게 된다(Step 4). 여기서 동일한 위치를 찾는 것은 디지털이미지 상의 골재파괴 형상 등을 고려하여 결정하였다. 일면전단실험체의 경우 전단강도실험 후 콘크리트 면과 부착된 CFRP 시트면을 뒤집은 후 Fig. 10의 전처리 사진과 같이 디지털 이미지화 하였다. 따라서 콘크리트 파괴면 부분을 그림과 같이 축회전을 시켜야만 Step 3 과정의 에폭시 면적 비율 비교가 용이하게 된다. 포토샵은 픽셀단위로 모든 것이 이루어지므로 픽셀과 실제길이와의 상관관계를 파악하기 위해 25 mm 선을 긋고 촬영하였다(see preprocessing step in Fig. 9). 포토샵에서 제공하는 색골라내기(color picker) 기능을 이용하여 파괴면상의 에폭시를 제외한 면(예, 골재 등)을 선택한 후 ‘Subtract from Sample’ 기능을 이용하여 제거한다.

파괴 모드는 다음과 같은 기준에 의해 결정하였다.

• 콘크리트면내파괴(CC) : 에폭시 면적 비율이 양쪽 모두 10 % 이하인 경우.

• 에폭시면내파괴(CE) : 에폭시 면적 비율이 양쪽 모두 90 % 이상인 경우.

• 계면부착파괴(IF): 콘크리트면내파괴 및 에폭시면내파괴가 아닌 나머지 경우.

여기서, 콘크리트면내파괴의 경우 파괴면이 콘크리트 내에서 형성되므로 에폭시 면적이 이론적으로는 0 %가 되어야 하지만 본 연구에서는 10 %까지는 콘크리트면내파괴로 정하였다. 반대로 에폭시면내파괴의 경우는 이론상 에폭시 면적이 100 %가 되어야 하지만 본 파괴모드 분석에서는 90 %까지는 에폭시면내파괴로 정하였다. 그리고 나머지 경우는 계면부착파괴로 하였다. 파괴면 분석 시, 파괴모드는 에폭시 면적 비율의 기준값 및 분석면적의 셀 크기에 따라 달라지므로 후속 연구에서는 이에 대한 민감도 분석을 통해 적절한 기준을 제시할 예정이다.

Fig. 10. Process of determining modes in concrete-epoxy interface of single-lap shear (SLS) specimen

3.2 콘크리트-에폭시 계면 이미지 정량적 분석

일면전단실험체의 파괴 면 분석 결과, 대부분의 파괴 형태는 콘크리트면내파괴(CC) 및 계면부착파괴(IF)이며 에폭시면내파괴(CE)는 1 % 이내였다. 다음 Fig. 11은 지속 하중 기간에 따른 계면부착파괴(IF)(Fig. 11(a))와 콘크리트면내파괴(CC)(Fig. 11(b)) 비율을 나타내고 있다. 여기서 에폭시 양생기간과 온도는 고려하지 않았다.

지속 하중 기간이 증가함에 따라 콘크리트-에폭시 계면파괴 양상이 달라짐을 Fig. 11에서 확인 할 수 있다. 즉 지속하중기간 초기에서는 콘크리트면내파괴(CC)가 많이 관찰 되었다면 지속하중기간이 증가함에 따라 계면부착파괴(IF) 빈도가 증가함을 확인할 수 있다. 부착면 파괴 양상이 콘크리트면내파괴(CC)에서 계면부착파괴(IF)로 전이가 발생한 것이며 이는 지속 하중에 의한 부착강도 저하로 인해 발생한 것으로 판단된다. 일면전단실험체의 경우 최대부착강도에 대하여 양(+)의 지속하중 효과가 확인 되었으나 지속하중 기간이 증가하면서 양(+)의 지속하중 효과는 감소하였다(Fig. 7). 이는 지속 하중 기간 초기 에폭시 응력완화로 인해 최대부착파괴하중 증가가 발생하였으나 지속 하중 기간 증가는 에폭시 응력완화의 긍정적인 측면을 점점 감소시켰기 때문으로 판단된다^{(Jeong et al. 2016)}.

휨 실험체의 경우, Fig. 12는 지속하중기간에 따른 콘크리트-에폭시 계면의 부착파괴에너지($G_{F}$)와 계면부착파괴모드(IF) 변화를 보여주고 있다.

콘크리트-에폭시 계면의 파괴면 분석 결과, 휨 실험체의 경우 지속하중을 가력하지 않은 실험체에서는 콘크리트면내파괴(CC)가 주로 관찰되었다(분석면적의 90 %가 콘크리트면내파괴(CC)). 하지만 크리프 실험체의 경우는 대조실험체에 비해 계면부착파괴가 높은 비율(30 % 이상)로 관찰되었다. 휨 실험체에 대한 콘크리트-에폭시 계면의 부착파괴에너지와 파괴면 분석 결과에 따르면 콘크리트-에폭시 계면에 대한 지속하중의 존재는 계면의 부착강도를 저하시키며 이는 계면의 부착파괴(IF)를 유발하고 궁극적으로 균열에 대한 콘크리트-에폭시 계면의 저항성(부착파괴에너지)을 저하시킨다.

Fig. 11. Percent of failure modes of single-lap shear specimens versus sustained loading duration

Fig. 12. Percent of interfacial failure (IF) modes and total fracture energy ($G_{F}$) of three-point bending specimens versus sustained loading duration