2.1 실험계획

고인성 복합체는 인장변형률 증대를 위하여 섬유 혼입률을 변수로 Table 1과 같이 4개의 배합설계로 총 12개의 실험체를 계획하였다. 고인성 복합체 시험체 배합조건은 Table 2에 나타내었으며 섬유 종류 및 재료적 특성은 Table 3와 같다. 성능목표 기준은 고인성 복합체 제조회사 중 세계최고수준인 일본 D사의 고인성 복합체 압축강도 45 MPa과 휨 강도 15 MPa의 80% 이상을 목표로 계획하였다. 측정항목으로는 플로우, 압축강도, 휨 강도, 길이변화율 및 직접인장성능 시험을 통해 섬유 혼입률 증가에 따른 물성을 평가하였다.

2.2 실험방법

고인성 복합체의 인장변형률 증대를 위하여 고인성 복합체의 섬유 혼입률 증가(1.4%, 1.7%, 2.0%, 2.3%)에 따른 물성을 평가하였다. 총 12개의 시험체를 제작하였으며, 제작된 시험체는 KS F 2476 폴리머 시멘트 모르타르의 시험 방법에 준하여 플로우를 측정하였고, 28일 양생후 KS F 4042 콘크리트 구조물 보수용 폴리머 시멘트 모르타르에 준하여 압축강도와 휨 강도를 측정하였다. 길이변화율은 KS F 2424 모르타르 및 콘크리트의 길이 변화 시험방법에 준하여 측정하였고, 직접인장강도는 KS F 2423 콘크리트의 쪼갬 인장 강도 시험방법에 준하여 Fig. 1와 같이 측정하였다. 이중 최적의 고인성 복합체를 선정하여 실험체 보강재로 적용하였다.

Fig. 1 Direct tensile test(ECC)

2.3 실험결과

고인성 복합체의 인장변형률 증대를 위해 섬유 혼입률 증가에 따른 총 4개의 배합설계를 진행한 플로우 실험 결과를 Table 4에 나타내었다. ECC14의 플로우 값은 194.4 mm로 나타났고, ECC17는 162.1 mm로 나타났고, ECC20는 125.5 mm로 나타났고, ECC23는 116.7 mm로 나타났다. 섬유 혼입률이 증가함에 따라 흐름성능이 감소하는 형상을 보였다. ECC14와 ECC17의 경우 흐름 발생이 과도하여 미장성 확보가 어려울 것으로 판단되었으며, ECC20의 경우 섬유 흡수로 인해 흐름성능이 감소하여 점성이 생겼으나 적절한 분산성능을 가지고 있어 원활한 작업성이 확보될 것으로 판단되었다. ECC23의 경우 다량의 섬유 혼입으로 인하여 분산이 제대로 되지 않아 뭉침 현상(Fiber-ball)이 발생하였다. 이는, 물리적 성능뿐만 아니라 시공성의 문제가 발생할 것으로 판단되었다.

섬유 혼입률에 따른 고인성 복합체의 압축강도 실험결과는 Table 5와 Fig. 2에 나타내었다. ECC14의 압축강도 시험결과 41.0 MPa로 나타났고. ECC17의 경우 42.4 MPa로 나타났고, ECC20의 경우 45.6 MPa로 나타났고, ECC23의 경우 44.0 MPa로 나타나 모든 시험체가 목표성능인 40.0 MPa 이상을 만족하였다.

섬유 혼입률에 따른 고인성 복합체의 휨 강도 실험결과는 Table 6과 Fig. 3에 나타내었다. ECC14는 13.7 MPa로 나타났고, ECC17의 경우 15.5 MPa로 나타났고, ECC20의 경우 18.6 MPa로 나타났고, ECC23의 경우 17.4 MPa로 나타나 목표 성능인 12.0 MPa 이상을 만족하였다. 섬유 혼입률이 1.4%~ 2.0% 증가할수록 압축강도와 휨 강도가 증가하였으나 2.3%를 혼입한 ECC23의 경우에는 다량의 섬유 혼입으로 인하여 분산이 제대로 되지 않아 압축성능과 휨 성능이 감소한 것으로 판단된다.

섬유 혼입률에 따른 고인성 복합체 길이변화율 시험 결과는 Table 7에 나타내었다. ECC14의 경우 -0.156%, ECC17의 경우 -0.089%, ECC20의 경우 -0.022%, ECC23의 경우 -0.069%로 나타났다. ECC14의 경우 페이스트 양이 과다하여 길이변화율이 크게 나타난 것으로 판단되며 ECC20까지 섬유량이 증가할수록 길이변화율은 감소하는 경향을 나타내었다. 하지만 ECC23의 경우에는 다시 증가하는 경향을 나타내었는데, 이는 섬유 과다 혼입으로 인해 비빔성능이 저하되어 다른 시험체에 비해 고인성 복합체의 내부가 밀실하지 못해 나타난 결과로 판단된다.

고인성 복합체의 직접인장강도와 직접인장변형률 실험결과를 Table 8과 Fig. 4에 나타내었다. 직접인장강도 실험결과 ECC14의 경우 3.00 MPa, ECC17의 경우 3.43 MPa, ECC20의 경우 4.48 MPa, ECC23의 경우 4.01 MPa로 나타났다. 직접인장변형률 실험결과 ECC14의 경우 0.03%, ECC17의 경우0.36%, ECC20의 경우 4.53%, ECC23의 경우 1.41%로 나타났다. 고인성 복합체의 섬유 혼입률 증가(1.4%, 1.7%, 2.0%, 2.3%)에 따른 물성실험결과 종합적으로 ECC20의 시험체가 무해한 미세균열인 Multiple crack 특성이 안정적으로 발현되었으며 직접인장에 따른 균열 특성이 가장 우수한 것으로 나타나 조적부재의 보강재로 사용하였다.

Fig. 2 Compressive strength(ECC)

Fig. 3 Flexural strength(ECC)

Fig. 4 Direct tensile stress strain curve(ECC)

3.1 실험계획

고인성 복합체로 보강한 조적부재의 내진성능을 평가하기 위한 실험계획을 Table 9, Fig. 5에 나타내었다. 본 연구는 1종 시멘트 벽돌 190 mm×90 mm×57 mm를 사용하였으며 레미탈은 H사의 일반 미장용 레미탈을 사용하였다. 레미탈의 역학적 특성은 Table 10에 나타내었다. 보강재는 고인성 복합체, 유리섬유, 용접철망을 사용하였으며 유리섬유와 용접철망의 재료적 특성을 Table 11, Table 12에 나타내었다. 용접철망 부착재로는 지름 10 mm, 길이 45 mm의 부착앵커와 주문 제작한 연결철물을 사용하였으며 형상은 Fig. 6에 나타내었다. 실험체는 기존 조적벽체를 묘사하여 구성하였으며 크기는 593 mm× 190 mm×90 mm로 제작하였다. R-ME 실험체의 경우 제작된 실험체에 고인성 복합체 20 mm를 보강하였고, R-MGE 실험체의 경우 고인성 복합체를 1차 도포한 후 유리섬유를 부착하여 2차 보강하였다. R-MWE 실험체의 경우 고인성 복합체를 1차 도포한 후 용접철망을 부착앵커와 연결철물로 고정하고 2차 보강하여 총 8개 제작하였다. 측정항목으로는 휨 강도와 변위길이를 측정하였으며 강도 실험 진행 중과 실험 종료 후의 주요 균열양상을 살펴보았다.

Fig. 5 Design of specimen plan

Fig. 6 Attachment anchor and Binding hardware

3.2 실험방법

고인성 복합체로 보강한 조적부재의 내진성능을 평가하기 위하여 실험체 제작 28일 양생 후 KS F 2408 콘크리트의 휨 강도 시험방법에 준하여 실험을 Fig. 7과 같이 실행하였다. 실험체의 길이방향의 일정구간에 최대모멘트가 발생하도록 양단을 단순지지 경계조건으로 길이방향의 1/3과 2/3 지점에 2점 집중하중을 가력하였다. 재하방법은 0.01 mm/s의 속도로 1방향으로 재하하였고 최대하중의 70% 이하로 저하될 때까지를 시험종료 조건으로 하여 하중과 중앙부의 처짐량을 측정하였다.

Fig. 7 Flexural strength test

Fig. 8 Flexural stress-displacement test result average

3.3 실험결과

고인성 복합체로 보강한 조적부재의 내진성능을 평가하기 위한 무보강 조적부재와 고인성복합체로 보강한 조적부재의 휨 실험 결과는 Table 13에 나타내었으며, 실험 종료 후 최종 파괴형상은 Table 14에 나타내었다. 무보강인 U-M 실험체의 최대하중($P_{\max}$)은 각 2.00 kN, 1.88 kN으로 나타났고, R-ME 실험체의 경우

최대하중($P_{\max}$)은 각 31.34 kN, 36.26 kN으로 나타났고, R-MGE 실험체의 경우 최대하중($P_{\max}$)은 각 31.64 kN, 36.20 kN으로 나타났고, R-MWE 실험체의 경우 최대하중($P_{\max}$)은 40.96 kN, 43.00 kN으로 나타났다. 무보강 조적부재는 조적벽돌 사이의 줄눈에서 각 0.8 kN, 0.7 kN에 초기균열이 발생하였으며 최대내력 2.00 kN, 1.88 kN에서 파단되었다. 무보강 시험체와 비교하여 R-ME 실험체의 최대하중($P_{\max}$)은 약 15.67배, 18.13배의 하중증대 효과를 나타내었고, R-MGE 실험체의 경우 무보강 대비 최대하중($P_{\max}$)은 15.82배, 18.10배의 하중증대 효과를 나타내었고, R-MWE 실험체의 경우 무보강 대비 20.48배, 21.50배의 하중증대 효과를 나타내었다. 고인성복합체로 보강한 조적부재는 조적벽돌 사이의 줄눈에서 균열 발생 시 내력이 일시적으로 감소하다 증가하는 거동이 나타났으며 이는 실험체 하단부에 보강된 고인성 복합체가 휨 인장에 저항한 것으로 판단된다.

U-M 실험체의 최대변위($\delta_{\max}$)는 각 0.20 mm, 0.20 mm로 나타났고, R-ME 실험체의 최대변위($\delta_{\max}$)는 각 6.29 mm, 9.09 mm로 나타났고, R-MGE 실험체의 경우 최대변위($\delta_{\max}$)는 각 9.24 mm, 5.10 mm로 나타났고, R-MWE 실험체의 경우 최대변위($\delta_{\max}$)는 각 7.25 mm, 10.23 mm로 나타났다. 무보강 시험체와 비교하여 R-ME 실험체의 $\delta_{\max}$는 31.45배, 45.45배의 변형증가 효과를 나타내었고, R-MGE 실험체의 경우 무보강 대비 $\delta_{\max}$는 46.20배, 25.50배의 변형증가 효과를 나타내었고, R-MWE 실험체의 경우 무보강 대비 36.25배, 51.15배의 변형증가 효과를 나타내었다.

휨 강도 시험이 진행하는 동안 8개 실험체의 주요 균열양상을 관찰하였다. 먼저 무보강 실험체인 U-M의 기본적인 파괴양상을 파악하였다. U-M의 경우 0.8 kN, 0.7 kN일 때 줄눈 부분에서 초기 균열이 발생하였으며 최대 내력에서 즉시 파단되었다. R-ME의 경우 7.00 kN, 8.47 kN에서 초기 균열이 발생하였으며 하중 증가와 함께 여러 방향으로 추가적인 미세균열이 발생하였으나, 최대 하중시까지 파단 발생 없이 내력이 증가하였으며 최대 하중에 도달한 이후 응력 집중에 의해 파단면이 발생하여 실험을 종료하였다. R-MGE의 경우 4.5 kN, 2.5 kN에서 초기 균열이 발생하였으며 주요 균열양상은 적은 내력에도 쉽게 미세 균열이 발생하였고 중앙부를 중심으로 수 많은 미세 균열이 발생 된 후 중앙부 균열에 의해 파단이 발생하였다. 이는, 유리섬유가 접합성능은 유리하지만 강성이 떨어지기 때문으로 판단된다. R-MWE의 경우 8.76 kN, 7.86 kN에서 초기균열이 발생하였으며 주요 균열양상은 조적부재 사이의 줄눈으로부터 균열이 발생하였고 이후 해당 부분에서 고인성 복합체가 직선방향으로 파단되었다. 고인성 복합체로 보강한 실험체들의 파괴양상은 큰 차이를 보이지 않았으나, R-MWE의 경우 다른 보강 실험체들보다 미세균열이 많았는데 이는, 접합된 와이어 메쉬와 고인성 복합체 보강으로 인해 다른 보강 실험체들보다 에너지소산능력이 더욱 우수했기 때문으로 판단된다.

Table 14 Flexural stress-displacement test result of specimen and Type of specimen destruction