2.1 원재료

본 연구에서는 국내 H사의 24K 탄소섬유 및 중국 C사의 4,400TEX 유리섬유가 사용되었다. C사에서 제조된 유리섬유 표면에는 사이징이 존재하지만, 사이징 존재 유무에 따라 실란 커플링제가 미치는 영향이 상이하다고 알려져 있어, 전처리를 통해 사이징이 제거된 유리섬유도 연구에 사용하였다. 참고로 사이징은 다수의 가닥으로 구성되어 있는 유리섬유 간의 정전기 발생 등을 방지하기 위해 존재하는 일종의 표면 코팅제이다. 사이징을 제거는 유리섬유를 아세톤에 24시간 동안 침지 한 뒤 60℃ 의 오븐에서 30분간 건조하여 제거하였다.

수지는 국내 K사의 에폭시 수지를 사용하였으며, 사전 연구를 통해 도출된 주제와 경화제의 비율(1:1.1)을 사용하였다^{(Kim et al., 2023)}. 또한, 실란 커플링제는 미국 S사에서 구매하였으며, 문헌 조사를 통해 Table 1과 같이 5가지 종류를 선정하였다.

2.2 유리섬유 복합체 배합비 및 시편 제작

실란 커플링제 종류 및 유리섬유 사이징 존재 유무에 따른 유리섬유의 부착강도 및 인장강도 변화를 확인하기 위해 배합비를 Table 2와 같이 설계하였다. 배합비는 총 두 개의 그룹으로 구성되어 있으며, Sizing group은 유리섬유에 사이징이 존재하는 그룹이며, Non-sizing group은 전처리를 통해 유리섬유의 사이징이 제거된 그룹이다. 샘플명은 유리섬유의 사이징 제거 유무- 실란 커플링제 종류를 기반으로 명명하였으며, 예를 들어 NGS-3AT는 사이징에 제거되지 않은 유리섬유에 3AT의 실란 커플링제가 적용된 것을 의미한다. 또한, 실란 커플링제는 수지 중량 대비 1% 치환하여 적용하였다.

유리섬유 복합체 제작에는 10 cm x 10 cm 및 30 cm x 30 cm 크기의 유리섬유가 사용되었으며, 총 6장의 유리섬유 시트에 혼합 수지를 핸드레이(Hand Lay-up) 방법으로 도포하며 시편을 제작하였다. 제작된 시편은 오토클레이브 양생기에 5 Bar의 압력으로 제작되었으며, 총 양생 시간은 3시간이었다. 양생 온도는 초기 30분간 상온에서 150℃로 승온하였으며, 2시간 동안은 150℃의 온도를 유지한 뒤 마지막 30분은 상온으로 온도를 낮추었다. 경화된 유리섬유 복합체는 ASTM D790 및 ASTM D3039에서 제시하는 크기로 절단한 뒤 제시된 절차에 의해 Fig. 2와 같이 부착강도 및 인장강도를 측정하였다.

Fig. 2 Photos of glass fiber composite experiment: (a) bond strength and (b) tensile strength

2.3 CFRP rebar 시편 제작 및 부착강도 실험

1차 실험에서 도출된 최적 배합비를 토대로 실란 커플링제가 적용된 CFRP rebar를 제작하였으며, 실란 커플링제가 적용되지 않은 CFRP rebar를 비교군으로 설정한 뒤 그에 따른 인장강도, 탄성계수, 그리고 콘크리트와의 부착강도 실험을 수행하였다. 제작된 CFRP rebar는 직경 10 mm로 제작되었으며, 세부 제조 조건은 Table 3과 같다. CFRP rebar는 인발 성형기를 이용하여 제작되었으며, 제조 조건은 선행 연구를 통해 도출된 최적 제조 공정을 적용하였다. 수지 함침부의 온도는 45℃, 경화 온도는 총 6구간으로 최소 120℃에서 최대 180℃로 구성되어 있으며, 시편 제작 시간(경화시간)은 30분이다. 제작된 CFRP rebar는 Mts 사의 1.2MN 피로시험기(Servo Hydraulic Fatigue Testing System)를 이용하여 인장강도 및 탄성계수를 측정하였다. 또한, 콘크리트와 CFRP rebar의 부착강도를 측정하기 위해 KS F ISO 10406-1에서 제시하는 방법에 따라 실험을 수행하였다. 또한, 콘크리트와의 부착강도 측정을 위해 사용된 콘크리트의 압축강도는 30 MPa이었다.

3.1 유리섬유 복합체의 물리적 특성 측정 결과

배합비에 따라 제작된 유리섬유 복합체를 이용하여 부착강도 및 인장강도를 측정하였으며, 그 결과는 Fig. 3 및 Fig. 4와 같다. 또한, 실험 결과를 Sizing 제거 유무에 따라 구분하여 나타내었다. 먼저 부착강도의 경우 사이징 제거 유무 및 실란 커플링제 종류에 따라 강도 경향이 상이하게 측정되었다^{(Wu et al., 1997)}. 사이징 그룹의 경우, GS-3TPM이 기준군 시편에 비해 약 20% 높은 부착강도가 측정되었으나 그 외의 샘플들은 비슷하거나 오히려 부착강도가 감소하는 경향이 확인되었다. 하지만 사이징을 제거한 그룹에서는 모든 시편이 기준군 시편(NGS-Control)과 비슷하거나 높은 부착강도가 측정되었으며, 특히 NGS-3TPM 및 NGS-3AT의 부착강도 상승률은 각각 약 15% 및 60%이었다^{(Fan et al., 2023)}. 이를 통해 사이징 제거 유무 및 실란 커플링제 종류에 따라 부착강도 개선 정도가 다르게 측정되는 것을 확인할 수 있었으며, 사이징 제거 유무에 관계 없이 3TPM 실란 커플링제를 적용할 경우 부착강도 증진에 효과가 있는 것을 확인할 수 있었다.

Fig. 3 Results of Bond Strength tests : (a) Sizing Group and (b) Non-Sizing Group

Fig. 4 Results of Tensile Strength tests : (a) Sizing Group and (b) Non-Sizing Group

Fig. 5 Measurement of Mechanical Properties of FRPP rebars : (a) Tensile Strength and Elastic modulus tests (b) Concrete Bond Strength Tests

실란 커플링제 적용에 따른 인장강도 측정 결과는 부착강도 경향과는 일치하지 않았으며, 이는 실란 커플링제가 수지 및 유리섬유에 미치는 영향이 달랐기 때문이라고 판단된다^{(Arslan et al., 2018)}. 먼저, 사이징이 존재하는 그룹의 경우 GS-3AT를 제외한 모든 시편에서 미미한 강도 저하 현상이 관측되었으며, 사이징이 제거된 경우에도 NGS-3GT 및 NGS- B3TP를 제외한 모든 시편에서 강도 저하가 확인되었다. 실란 커플링제 종류 및 사이징 유무에 따른 인장강도 및 부착강도의 경향이 다른 이유는, 적용된 실란 커플링제가 원재료나 실험 방법과 같은 조건에 따라 그 효과가 달라지기 때문이라고 판단되었다.

부착강도 및 인장강도 측정 결과와 실제 섬유 보강근을 제작하는 과정을 고려하였을 때 GS-3TPM의 적용이 적절할 것으로 판단되었다. 먼저 제작 과정을 고려하면 사이징을 제거한 섬유를 사용하게 될 경우, 별도의 전처리 공정이 추가되기 때문에 생산성이 저하될 것으로 판단되었으며 그 외에도 사이징이 제거될 경우 섬유 간의 엉킴 현상이 발생될 수 있어 문제가 될 수 있다고 판단되었다. 그 외에도 강도 결과를 고려하였을 때, GS-3TPM을 적용하였을 때 가장 높은 부착강도 개선 효과를 보였기 때문에 최적 배합비는 GS-3TPM이라고 판단되었다.

3.2 CFRP rebar의 물리적 특성 측정 결과

실란 커플링제 적용 유무에 따라 제작된 CFRP rebar의 인장강도, 탄성계수, 그리고 콘크리트와의 부착강도 측정 결과는 Table 4와 같다. 먼저, 실란 커플링제가 적용된 시편(D10 with SC)은 실란 커플링제가 적용되지 않은 시편(D10 without SC)보다 더 높은 물리적 특성이 측정되었다^{(Antonietta et al., 2007)}. 인장강도 및 탄성계수의 경우 실란 커플링제가 적용됨에 따라 특성이 개선되는 현상이 확인되었으나, 그 효과는 약 5% 이내 수준이라 유의미한 차이는 아니라고 판단되었다. 실란 커플링제 적용에 따라 인장강도 및 탄성계수의 큰 변화가 없는 이유는 실란 커플링제는 리브 역할을 하는 유리섬유의 부착력을 개선하는 역할에만 기여하고 섬유 보강근의 몸체 부분을 담당하는 탄소섬유의 부착력 등에는 영향을 미치지 못하기 때문이라고 판단되었다.

한편, 실란 커플링제 적용 유무에 따른 CFRP rebar와 콘크리트와의 부착강도 측정 결과, 실란 커플링제가 적용된 시편(D10 with SC)이 실란 커플링제가 적용되지 않은 시편(D10 without SC)에 비해 약 25% 높은 부착강도가 측정되었다. 이러한 경향은 유리섬유 복합체 실험 결과와 유사하였으며, 이를 통해 실란 커플링제의 적용이 리브 역할을 하는 유리섬유의 부착력이 증가하여 콘크리트와의 부착력을 개선하였다고 판단되었다.