2.1 실험계획

실험계획은 콘크리트 내에 매립보강된 CFRP 보강재가 부착파괴가 되도록 하고 주요 변수는 부착길이와 보강재의 단면형태이다. 실험체의 상세 정보는 Table 1에 나타낸 바와 같다. 세 가지의 CFRP 형상, 즉 폭 15 mm 두께 1.2 mm인 경우, 폭 7.5 mm 두께 2.4 mm, 마지막으로 폭 5 mm 두께 3.6 mm인 경우에 대하여 각각 세 가지의 부착길이를 계획하였다. 홈의 규격은 ^{ACI 440 (2017)}에서 권장하는 바를 따라서, 홈의 폭이 FRP 두께의 3배 이상이 되도록 하였다. 실험체들의 부착길이는 모두 부착파괴될 수 있도록 계획하였다. 200 mm×200 mm×400 mm로 규격이 동일한 콘크리트 블록 9개를 제작하고, 각각의 블록에 서로 다른 형태의 9개의 CFRP 보강재로써 표면매립공법으로 보강한 후, 콘크리트 블록을 고정한 뒤 CFRP 끝단에 인장력을 가하여 계면부착파괴가 발생하도록 실험을 수행하였다.

Table 1 Specimen list

Specimen	Bond length (mm)	FRP size (mm)		Groove dimension (mm)
		$t_{p}$	$b_{p}$	$t_{g}$	$b_{g}$
L60H15	60	1.2	15	5	20
L90H15	90
L120H15	120
L110H7.5	110	2.4	7.5	9	12
L160H7.5	160
L215H7.5	215
L140H5	140	3.6	5	13	10
L205H5	205
L275H5	275

2.2 재료특성

실험체에 사용된 콘크리트의 28일 압축강도는 24 MPa이며 CFRP 보강재의 재료시험결과 인장강도는 2,349 MPa, 탄성계수는 210 GPa이다. 에폭시의 재료 특성은 Table 2와 같다.

2.3 실험체 제작 및 실험방법

CFRP 보강재를 콘크리트 블록에 매립하기 전에 단부는 실험 시 가력장치와 연결하기 위하여 철판과 볼트 그리고 에폭시 레진을 이용하여 물림부를 제작하였다. 이후, 준비된 콘크리트 블록의 중앙부에 400 mm 전체 길이를 따라 홈을 형성하고 내부를 깨끗하게 청소한 뒤, 표면 및 단부처리가 된 CFRP 보강재를 홈의 가운데 위치시킨 뒤 콘크리트 블록 단부에서 50 mm 위치에서부터 부착이 되도록 에폭시를 충진하여 부착하였다. 또한 CFRP 보강재의 윗면에도 에폭시를 도포하여 보강재의 4면이 에폭시에 접촉되도록 하였다. CFRP 보강재의 부착 시 각 실험변수에 따라 보강재의 계획된 길이까지만 부착이 이루어지도록 하기 위해 보강재 표면에 에폭시와 접촉하지 않도록 접착 방지 테이프를 사용하였다. Fig. 1은 제작된 실험체를 나타낸다.

CFRP 보강재로 보강한 후, 약 20 °C의 상온에서 1주일 실험체를 양생한 후, 실험을 진행하였다. 실험은 Fig. 2(a)와 같이 콘크리트 블록을 가력장치인 2,000 kN 용량 UTM(universal testing machine)의 하부 프레임에 여러 개의 볼트와 철판으로 고정시킨 뒤 실험체 제작 시 미리 제작해 둔 물림부에 인장력을 가하는 방식으로 진행하였다.

실험진행동안 따라 발생하는 하중에 대한 미끄럼 변위량과 변형률을 측정하기 위하여 변위계(LVDT, linear voltage displacement transducer, Tokyosoki CDP-100)를 설치하였으며 또한 CFRP 보강재의 변형률을 측정하기 위하여 전기식 변형률 게이지(electric strain gauge, Tokyosoki YEF series)를 부착하였다. Fig. 2(b)는 변위계 및 변형률게이지의 위치를 나타낸다. 변형률게이지는 부착구간의 양단에서 10 mm 내측 표면에 CN 본드를 이용하여 부착시켰다. L0은 계면에서의 미끄러짐과 CFRP 보강재의 인장변형이 다 고려된 총 발생변위, L1은 매립된 부분에서의 상대 미끄러짐변위량, L2는 매립된 가장 최하단 부분에서 순수 미끄럼 변위를 측정하기 위한 것이다.

Fig. 1 Fabricated specimens

Fig. 2 Test setup and locations of sensors

3.1 파괴양상

모든 실험체는 CFRP 보강재의 단부에 작용시킨 인장력이 점진적으로 증가함에 따라 접착계면에서 에폭시의 부착파괴에 의해 CFRP 보강재가 미끄러지면서 콘크리트 블록에서 분리되는 현상이 발생하였다. Fig. 3은 각 실험체의 파괴양상을 나타낸다. 부분적으로 부착구간 홈 주변의 콘크리트가 일부 탈락되는 부분도 확인할 수 있지만, 전체적으로 콘크리트에 심각한 손상없이 CFRP 보강재와 콘크리트 사이 계면에서 파괴가 집중되었음을 알 수 있다.

Fig. 3 Failure shapes of specimens

3.2 CFRP 보강재의 인장 및 계면에서 미끄러짐 변위

Fig. 2(b)에 나타낸 바와 같이, 변위계 L1은 매립부에서 CFRP 보강재의 인장변형과 부착계면에서의 미끄러짐을 합친 변형, 변위계 L2는 CFRP와 콘크리트 사이 계면에서의 미끄러짐 변형을 계측하게 된다. 실험을 통하여 얻은 이 두 가지의 변형을 CFRP 보강재의 형상에 따라 나타내면, 각각 Figs. 4, 5와 같다. Fig. 4로부터, 두께에 대한 높이비가 큰 판형태의 CFRP 보강재를 사용한 H15 시리즈는 부착길이가 길어짐에 따라 최대하중과 기울기가 확연히 증가하는 양상을 보이는 반면에 CFRP 보강재의 두께에 대한 높이비가 작은 H5 시리즈의 경우에는 부착길이가 길어지더라도 하중-변위의 기울기의 변화가 거의 없음을 알 수 있다. 또한 부착길이가 205 mm와 275 mm인 L205H5와 L275H5 실험체들은 부착길이가 차이가 남에도 불구하고 최대내력이 거의 유사하다. 이로부터, 부착성능은 CFRP 보강재의 형상에 영향을 받는 다는 것을 알 수 있다.

부착계면에서 CFRP 보강재의 미끄러짐 변위를 나타낸 Fig. 5를 보면 소정의 하중에 도달하기 전까지 미끄러짐 변형은 거의 발생하지 않는다. 또한 부착미끄러짐이 시작된 이후에는 하중의 증가량이 미미한 반면에 미끄러짐 변형이 크게 발생하는 양상을 보인다. 하지만 두께에 대한 높이비가 큰 판형태의 CFRP를 사용한 H15 시리즈의 경우에는 미끄러짐 변형이 발생하였음에도 불구하고 확연하게 점진적으로 하중이 상승하는 양상을 보인다. 이는 비록 미끄러짐 변형이 시작되더라도 계면에서의 저항능력이 일정 상태로 유지되고 있음을 의미한다. 모든 시리즈에 대해서 미끄러짐 변형이 지속적으로 증가함에도 불구하고 곧바로 하중이 저하되지 않고 소정의 내력이 유지되는 양상을 보이는데 이는 에폭시접착제의 파괴가 지배함에 따라 소정의 소성변형이 발생하였기 때문으로 보여진다.

Fig. 4 Total displacement at bonded region (L1)

Fig. 5 Slip at the interface (L2)

3.3 CFRP 보강재의 변형률

Fig. 2(b)에 나타낸 바와 같이, CFRP 보강재에는 3개의 변형률게이지를 부착하였다. Fig. 6은 L120H15 실험체에서 하중을 CFRP 면적으로 나눈 응력과 계측된 세 변형률게이지의 값들을 나타낸다. 응력작용방향의 매립부착 시작 부위 (S1)에서 변형률이 높고 매립 끝단 (S2)이 낮은 값을 보였다. 전체적으로 모든 실험체에서 나타난 위치별 변형률은 Fig. 6과 거의 유사하였다.

전체 실험체들에 대하여, S1 게이지의 변형률을 인장응력($P/A_{f}$)과의 관계로 함께 나타내면, Fig. 7과 같다. 각 그래프에 나타낸 회귀식은 기울기를 나타낸다. 작용응력의 증가에 따라 발생하는 변형률은 모든 실험체에서 거의 유사하며 CFRP의 재료탄성계수값인 210 GPa에 근사한 값임을 알 수 있다.

Fig. 6 Strains at each location of CFRP (L120H15)

Fig. 7 Strain curves at S1 of CFRP

3.4 NSM CFRP 보강재의 부착강도 평가

콘크리트에 표면매립보강된 CFRP 보강재의 부착파괴가 FRP 보강재와 에폭시 접착계면에서 발생할 경우, 부착강도는 파괴면에 근거하여 다음과 같이 나타낼 수 있다.

여기서, $\tau_{b}$는 접착제의 전단강도, $L_{per}$는 FRP 보강재의 둘레길이, $L_{d}$는 FRP 보강재의 부착길이이다.

이때 둘레길이 $L_{per}$은 FRP 보강재의 부착파괴면 즉, FRP 보강재와 접착재료 사이의 계면 둘레길이로서 식 (4)와 같이 나타낼 수 있다.

각 실험체의 미끄러짐하중과 최대하중에 대하여 FRP 보강재 단면적으로 나눈 인장강도와 단위길이의 부착강도로 나타내면 Table 3과 같다. 부착강도는 FRP 보강재 둘레길이와 접착제인 에폭시의 전단강도를 고려하였다. 부착길이에 따른 부착파괴 하중시의 부착강도를 나타내면 Fig. 8과 같다. 이때 고려한 에폭시의 전단강도 $\tau_{b}$는 제조사에서 제공한 값인 10 MPa을 사용하였다. 부착길이가 증가함에 따라 비례적으로 $P_{n}/(\tau_{b}L_{per})$값이 증가하는 양상을 보인다. Fig. 7의 그래프에서 점선은 회귀분석결과 제시되는 가장 근사한 관계식이다. 이를 부착강도 산정을 위한 식으로 나타내면 다음과 같다.

여기서, $P_{nd}$는 부착파괴 하중, $\alpha$는 실험상수로서, 0.92이다.

Fig. 9는 제시된 회귀식을 이용하여 산정한 부착강도를 실제 실험결과인 미끄러짐하중 및 최대부착하중과 비교하여 나타낸 그림이다. 그림으로부터, 제시된 회귀식을 사용할 경우, FRP 보강재와 접착제 계면파괴가 지배할 때의 미끄러짐이 발생하는 부착파괴 시작 시의 하중이 적절하게 예측되고 최대부착파괴 하중은 안전하게 예측됨을 알 수 있다.