3.1.1 인장시험체 형상 및 제조 방법

TRC 구조의 인장거동을 평가하기 위하여 탄소그리드 제조방식, 탄소그리드의 인장 축방향 스트랜드 단면적, 간격, 인장강도 및 탄성계수, 인장 수직방향 스트랜드 유무를 변수로 Table 2와 같은 9종류의 시험 케이스에 대하여 각각 2개의 인장시험체를 제작하였다.

Table 3은 RILEM TC 232-TDT^{(RILEM 2016)} 및 AC 434 (Arboleda 2014))에서 제시하고 있는 TRC 구조 인장시험체의 상세를 나타내며, RILEM TC 232-TDT는 섬유를 수지에 함침한 탄소그리드를, AC 434는 섬유를 수지에 함침하지 않고 비교적 위사 및 경사 방향 스트랜드 간격이 좁은 직물섬유를 주요 대상으로 하고 있다. 본 논문에서는 섬유를 수지에 함침하고 비교적 위사 및 경사 방향 스트랜드 간격이 넓은 탄소그리드를 대상으로 하였기 때문에 RILEM TC 232-TDT를 참고하여, 인장 축방향 스트랜드의 간격을 고려하여 2축경편구조 탄소그리드는 인장 축방향으로 스트랜드가 3개 이상, 교차적층구조 탄소그리드는 인장 축방향으로 스트랜드가 2개 이상 포함되도록 시험체 폭과 길이를 Table 2와 같이 결정하였으며, 시험체 두께는 스트랜드 단면 높이가 큰 교차적층구조 탄소그리드의 단면 크기(10×10 mm)를 고려하여 20 mm로 하였다.

인장시험체의 두께, 2축경편구조 탄소그리드 스트랜드 간격을 고려하여 본 논문에서는 압축재로 모르타르를 사용하였으며, Fig. 3과 같이 피복두께 상당의 높이까지 모르타르를 타설한 후에 탄소그리드를 배치하고 그 위로 모르타르를 타설하여 시험체를 제작하였다. 한편, 탄소그리드의 인장 수직방향 스트랜드가 인장거동에 미치는 영향을 평가하기 위하여 시험 케이스 CR8_N의 경우, 인장 수직방향 스트랜드를 절단하고 2개의 인장 축방향 스트랜드를 배치하여 제작하였다. 모르타르 타설 1일 경과 후에 거푸집을 탈형하였으며, 이후 인장시험 전까지 최소 28일 이상 실험실 환경(온도 20 °C, 습도 60 %)에서 인장 시험체를 양생하였다.

Fig. 3 Specimen manufacturing

3.1.2 재료 특성

모르타르는 Table 4와 같이 물-시멘트비 50 % 배합을 적용하였다. 모르타르 압축강도는 50 mm×50 mm×50 mm의 각주형 공시체를 제작하여, 인장시험체와 동일한 실험실 환경에서 28일 이상 양생한 후 1,000 kN의 만능시험기를 이용하여 측정하였으며, 그 결과는 Table 4와 같다.

Table 5는 탄소그리드의 인장시험 결과를 나타낸다. Table 5 중의 괄호 안의 값은 제품 제시 인장강도 및 탄성계수를 의미한다. 탄소그리드 인장시편은 ASTM D7205^{(ASTM 2016)} 및 CAN/CSA-S806-02^{(CAN/CSA 2009)}에 따라 Fig. 4와 같이 인장 축방향으로 한 개의 스트랜드를 대상으로 양단부 정착 구간에 에폭시와 철판을 덧대어 제작하였으며, 1,000 kN의 만능시험기를 이용하여 인장시험을 실시하였다. 인장시험결과, 인장강도는 제품 제시 값보다 큰 것으로 나타났다. 한편, 탄성계수는 2축경편구조 탄소그리드의 경우, 제품 제시 값보다 큰 것으로 나타난 반면에, 교차적층구조 탄소그리드의 경우, 스트랜드 단면적이 작은 FTG-CR6과 FTG-CR8은 제품 제시 값보다 작게, 스트랜드 단면적이 상대적으로 큰 FTG-CR16과 FTG-CMR6은 제품 제시 값보다 큰 것으로 나타났다. 여기서, FTG-CR16과 FTG-CMR6의 경우 인장시험으로 스트랜드의 단면적이 파단된 것이 아니라 적층된 탄소섬유 띠의 층분리로 인하여 최종 파괴되었기 때문에 제품에서 제시하고 있는 값과 차이를 보인 것으로 판단된다.

Fig. 4 The carbon grid test specimens

4.3.1 인장 응력-변형률 관계

Table 7은 9종류 시험 케이스 두 개 시험체의 인장시험 결과 평균값을, Fig. 8과 Fig. 9는 각각 2축경편구조 탄소그리드 적용 시험체와 교차적층구조 탄소그리드 적용 시험체의 인장 응력-변형률 관계를 나타낸 것이다. 여기서, 인장 응력은 시험체에 작용한 하중을 시험체 단면적으로 나눈 값이며, 변형률은 와이어 변위계로 계측한 값을 계측구간 길이로 나눈 값이다. 한편, Fig. 8 및 Fig. 9 중의 회색 실선은 철판과의 사이에 발생한 슬립의 확대로 응력이 저하된 시험체의 인장 응력-변형률 관계를 나타낸다.

2축경편구조 탄소그리드 적용 시험체의 경우, 인장강도의 약 24~40 % 수준의 응력에서 균열이 발생하였으며, 이후 다수의 균열이 연속적으로 발생하고 인장 축방향 스트랜드로 응력이 전달되면서 응력의 급격한 감소 및 증가가 반복되고 강성이 저하하였다. 한편, 철판에 고정된 부분의 모르타르가 파괴 및 탈락된 시험체는 인장강도 도달 이후 급격하게 응력이 저하되었으며, 철판과 시험체의 슬립으로 응력이 저하한 시험체는 인장강도 도달 이후 비교적 서서히 응력이 저하되었다.

교차적층구조 탄소그리드 적용 시험체의 경우, 인장강도의 약 21~65 % 수준에서 균열이 발생하였으며, 이후 균열 발생으로 인장 축방향 스트랜드로 응력이 전달되면서 강성이 저하한 상태에서 인장강도에 도달하였다. 또한, 2축경편구조 탄소그리드 적용 시험체와 달리 초기 균열 발생 이후의 연속적인 균열 발생에 따른 급격한 응력 감소 및 증가가 뚜렷하게 나타나지 않았으며, 이는 2축경편구조 탄소그리드 대비 교차적층구조 탄소그리드의 큰 단면적으로 인하여 탄소그리드 표면에서 시험체 표면까지 타설된 모르타르 높이가 낮고, 시험 중 균열 발생과 동시에 균열이 크게 벌어지지 않았기 때문으로 판단된다. 또한, 인장강도에 도달하기 전에 인장 축방향 스트랜드로 응력이 전달되면서 변형률은 크게 증가하지만 상대적으로 응력은 거의 증가하지 않거나 일부 감소하는 경향을 나타냈다. 한편, 2차경편구조 탄소그리드 적용 시험체와 마찬가지로 철판에 고정된 부분의 모르타르가 파괴 및 탈락된 시험체는 인장강도 도달 이후 급격하게 응력이 저하되었으며, 철판과의 슬립으로 응력이 저하한 시험체는 인장강도 도달 이후 비교적 서서히 응력이 저하되었다.

한편, 2축경편구조 탄소그리드 및 교차적층구조 탄소그리드 적용 시험 케이스 모두 균열 발생에 따라 이전 균열로 저하한 응력을 초과하는 응력 증가가 이루어지면서 전체적으로 인장 응력-변형률 관계의 강성은 균열 발생 전 초기 강성과 비교하여 저하하였으나, Fig. 1과 같이 변형률 증가와 비교하여 응력이 거의 증가하지 않는 균열 형성 구간의 거동을 보이지는 않았다. 또한, 교차적층구조 탄소그리드 적용 시험 케이스의 경우, 균열이 어느 정도 발생한 후에 인장 축방향 스트랜드로 응력이 전달되면서 변형률 증가와 비교하여 응력이 거의 증가하지 않거나 일부 감소하는 등 Fig. 1의 균열 안정화 구간 거동과는 다른 거동을 보이는 것으로 나타났다.

Fig. 8 Tensile stress-strain relationships of specimens using the biaxial warp knitting structure carbon grid

Fig. 9 Tensile stress-strain relationships of specimens using the cross laminate structure carbon grid

Fig. 10 Comparison of tensile strength according to tensile capacity

4.3.2 탄소그리드 보유 인장력에 의한 영향

Fig. 10은 탄소그리드의 인장 축방향 스트랜드 보유 인장력과 인장강도와의 관계를 나타낸 것이다. Fig. 10 중의 2축경편구조 탄소그리드 적용 시험 케이스는 시험 케이스 Q47, Q85 및 Q95를, 교차적층구조 탄소그리드 적용 시험 케이스는 시험 케이스 CR6, CR8 및 CR16을 비교한 것이다.

2축경편구조 탄소그리드 적용 시험체의 경우, 보유 인장력이 커질수록 인장강도는 감소는 것으로 나타났으며, 보유 인장력이 가장 작은 시험 케이스 Q47의 인장강도가 시험 케이스 Q85 및 Q95의 1.34배, 1.41배로 가장 큰 것으로 나타났다. 이는 2축경편구조 탄소그리드 적용 시험체가 철판과 맞물린 부분의 모르타르 파괴 및 탈락 혹은 철판과의 슬립에 의하여 파괴되었으며, 시험 종료 시까지 탄소그리드에는 손상이 발생하지 않았기 때문으로 판단된다.

교차적층구조 탄소그리드 적용 시험체의 경우, Table 6과 같이 보유 인장력이 커질수록 균열 발생 응력은 작아지는 경향이 나타났으나, 보유 인장력 증가에 따라 인장강도는 증가하다가 다시 감소하는 것으로 나타났으며, 2차경편구조 탄소그리드 적용 시험체와 마찬가지로 시험체가 인장 축방향 스트랜드의 손상이 아닌 철판과 맞물린 부분의 모르타르 파괴 및 탈락, 철판과의 슬립 등으로 파괴되었기 때문으로 판단된다.

4.3.3 탄소그리드 간격에 의한 영향

Fig. 11은 탄소그리드의 인장 축방향 스트랜드 간격과 인장강도와의 관계를 나타낸 것이다.

2축경편구조 탄소그리드 적용 시험체의 경우, 인장 축방향 스트랜드 간격이 작은 시험 케이스 Q85가 보유 인장력이 작음에도 인장 축방향 스트랜드 간격이 큰 시험 케이스 Q95와 비교하여 인장강도가 1.05배 큰 것으로 나타났다. 또한, 교차적층구조 탄소그리드 적용 시험체의 경우, 보유 인장력이 동일하며 인장 축방향 스트랜드 간격이 각각 50 mm와 100 mm인 시험 케이스 CR8_50 및 CR8을 비교하였으며, 인장 축방향 스트랜드의 간격이 작은 시험 케이스 CR8_50의 인장강도가 인장 축방향 스트랜드의 간격이 큰 시험 케이스 CR8의 인장강도와 비교하여 1.13배로 큰 것으로 나타났다. 이에 따라, 본 시험 결과에 의하면 인장 축방향 스트랜드의 간격이 좁은 것이 인장강도 발현에 유리한 것으로 판단된다.

Fig. 11 Comparison of tensile strength according to longitudinal strand space

4.3.4 탄소그리드 제조방식에 의한 영향

Fig. 12는 인장 축방향 스트랜드의 보유 인장력이 유사한 2축경편구조 탄소그리드 적용 시험 케이스 Q85 및 Q95와 교차적층구조 탄소그리드 적용 시험 케이스 CR6의 인장강도를 비교하여 나타낸 것이다.

교차적층구조 탄소그리드 적용 시험 케이스 CR6의 인장 축방향 스트랜드 보유 인장력은 2축경편구조 탄소그리드 적용 시험 케이스 Q85 및 Q95의 인장 축방향 스트랜드 보유 인장력의 각각 1.36배 및 1.30배로 크지만, 시험 케이스 CR6의 인장강도는 시험 케이스 Q85 및 Q95의 0.50배, 0.53배로 작은 것으로 나타났다.

또한, Fig. 13과 같이 시험 케이스 CR6의 인장 응력-변형률 관계가 시험 케이스 Q85 및 Q95의 인장 응력-변형률 관계와 비교하여 균열 발생 전 및 균열 발생 이후 인장강도 도달까지의 강성이 작은 것으로 나타났다.

한편, 2축경편구조 탄소그리드의 경우, 상대적으로 물리적 특성이 뛰어난 에폭시를 수지로 사용한 반면에, 교차적층구조 탄소그리드의 경우, 에폭시보다 물리적 특성이 떨어지는 비닐에스터를 수지로 사용하였으며, 이와 같은 비닐에스터 수지 사용이 2축경편구조 탄소그리드 적용 시험체와 비교하여 교차적층구조 탄소그리드 적용 시험체의 적은 균열 개수, 넓은 균열 간격 등 탄소그리드와 모르타르의 부착 성능 저하에 영향을 미친 것으로 판단^{(Vautard and Drzal 2009)}되며, 결과적으로 2축경편구조 탄소그리드 적용 시험 케이스 Q85 및 Q95와 비교하여 교차적층구조 탄소그리드 적용 시험 케이스 CR6의 인장강도 및 강성 저하에 영향을 미친 것으로 판단된다.

Fig. 12 Comparison of tensile strength with similar tensile capacity

Fig. 13 Comparison between tensile stress-strain relationships with similar tensile capacity

4.3.5 탄소그리드 인장 수직방향 스트랜드에 의한 영향

Fig. 14는 인장 축방향 스트랜드가 인장 수직방향 스트랜드로 연결되지 않은 시험 케이스 CR8_N과 인장 축방향 스트랜드가 인장 수직방향 스트랜드로 연결된 시험 케이스 CR8의 인장강도를 비교하여 나타낸 것이다.

동일한 탄소그리드를 적용하였음에도 인장 축방향 스트랜드를 인장 수직방향 스트랜드로 연결하지 않은 시험 케이스 CR8_N의 인장강도가 인장 축방향 스트랜드를 인장 수직방향 스트랜드로 연결한 시험 케이스 CR8의 인장강도의 0.63배 수준으로 작은 것으로 나타났으며, 이에 따라 탄소그리드의 인장 수직방향으로 배치된 스트랜드는 인장 축방향 스트랜드의 인장강도 발현에 일부 유효한 역할을 하는 것으로 판단된다.

Fig. 14 Comparison of tensile strength according to existence of transverse strands