2.1 실험체 계획 및 변수

GFRP 각관과 CFRP 판 접착계면의 부착성능을 평가하기 위해 부착길이, 부착폭, 표면처리 방법 및 접착제 두께를 주요 변수로 설정하였다. 실험체는 실험 목적에 따라 1차, 2차 및 3차 실험으로 구분하였으며, 각 실험 단계별로 접착계면의 영향인자를 순차적으로 평가하였다.

1차 실험은 GFRP 표면처리 방법과 접착제 두께가 부착성능에 미치는 영향을 예비적으로 평가하기 위해 계획하였다. 이때 부착길이와 부착폭은 각각 200 mm 및 30 mm로 고정하였으며, 표면처리 방법은 사포 처리와 와이어 브러시 처리로 구분하였다. 접착제 두께는 0.2 mm와 0.5 mm를 변수로 설정하였다.

2차 실험은 표면처리를 적용하지 않은 무처리 상태에서 부착길이와 부착폭 변화가 GFRP 각관과 CFRP 판 접착계면의 부착성능에 미치는 영향을 평가하기 위해 GFRP 각관 표면을 별도의 기계적 표면처리 없이 정리한 후 CFRP 판을 접착하였으며, 부착길이는 100 mm, 200 mm 및 300 mm로, 부착폭은 30 mm 및 45 mm로 설정하였다.

3차 실험은 2차 실험변수와 동일하며, GFRP 각관 피착부 표면을 와이어 브러시 표면처리를 변수로 설정 하였다. 수행한 모든 실험체의 변수와 실험 단계별 목적을 Table 1에 나타내었다. Step 2 및 Step 3 실험체명은 부착길이, 부착폭 및 표면처리 조건을 기준으로 구분하였다. 실험체명 끝의 U는 무처리 조건(Untreated), W는 와이어 브러시 처리 조건(Wire brush)을 의미한다. 예를 들어, GC100-30-U와 GC100-30-W는 각각 부착길이 100 mm, 부착폭 30 mm인 무처리 실험체와 와이어 브러시 처리 실험체를 나타낸다. 부착면적 $A_b$는 CFRP 판과 GFRP 각관 피착재가 실제로 접착되는 면적 즉, 부착길이 $L_b$와 부착폭 $b_b$의 곱으로 산정하였다.

2.2 사용재료

본 연구에 사용된 GFRP 각관 및 CFRP 판의 기계적 특성은 인장시험을 통해 평가하였으며, 그 결과를 Table 2에 나타내었다. GFRP의 평균 인장강도와 탄성계수는 각각 451.69 MPa 및 35.83 GPa로 나타났다. CFRP의 평균 인장강도는 3043.74 MPa로 GFRP에 비해 약 6.7배 높게 나타났으며, 평균 탄성계수는 195.88 GPa로 산정되었다. 다만 CFRP 시험체 중 1개의 실험체의 탄성계수는 변형률 게이지 계측 오류로 인해 비정상적으로 낮게 나타난 것으로 판단되어 평균 탄성계수 산정에서 제외하였다.

접착제는 S&P Resin 220 계열의 2액형 에폭시계 접착제를 사용하였다. 해당 접착제는 주제와 경화제로 구성된 구조용 에폭시접착제로서 CFRP 보강재 부착을 목적으로 사용되는 재료이다.

제조사 자료에 따르면 혼합비는 중량비 기준 A:B = 2:1, 밀도는 1.55∼1.65 kg/L, 압축강도는 90 MPa 이상, 압축탄성계수는 7,000 MPa 이상이다. 접착제의 주요 물성치는 재료시험을 수행하여 Table 3에 나타내었다.

2.3 실험체 제작방법

GFRP 각관과 CFRP 판 접착 실험체는 계획된 부착길이와 부착폭에 따라 GFRP 각관과 CFRP 판을 절단한 후, 에폭시계 접착제를 이용하여 제작하였다. 실험체 제작은 재료 절단, 접착면 정리, 표면처리, 접착제 도포, CFRP 판 부착 및 경화의 순서로 수행하였다.

먼저 GFRP 각관과 CFRP 판을 실험체별 부착길이 및 부착폭에 맞추어 절단하였으며, 절단 과정은 Fig. 1(a)에 나타내었다. 이후 GFRP 각관의 접착면에 부착 위치를 표시하고, 표면의 먼지, 이물질 및 절단 잔여물을 제거하였다. 표면처리 변수가 적용된 실험체는 Fig. 1(c)와 같이 사포 또는 와이어 브러시를 이용하여 GFRP 각관 접착면을 기계적으로 처리하였다. 표면처리 후에는 아세톤을 이용하여 접착면에 잔류한 분진과 이물질을 제거하였다.

에폭시계 접착제는 제조사에서 제시한 배합비에 따라 주제와 경화제를 계량한 후 균일하게 혼합하여 사용하였다. 접착제 배합 및 도포 과정은 Fig. 1(b), (d)에 나타내었다. 접착제는 실험변수에 따라 목표 접착층 두께가 0.2 mm 또는 0.5 mm가 되도록 두께에 맞는 아크릴판을 이용하여 GFRP 각관 접착면에 도포하였다. 이후 CFRP 판을 계획된 위치에 부착하고, 접착층 내 공극 및 국부적인 두께 편차를 줄이기 위해 일정한 압력으로 고정하였다. 제작된 실험체는 접착제의 충분한 경화를 위해 상온에서 양생한 후 부착실험에 사용하였다.

Fig. 1 Specimen Fabrication Process

2.4 실험방법 및 계측계획

GFRP각관-CFRP판 접착 실험체의 부착성능은 만능재료시험기(Universal Testing Machine, UTM)를 이용한 인장가력 실험을 통해 평가하였다. 단일겹침 접착 실험체의 형상 특성상 가력 중 편심하중 및 부가모멘트가 발생할 수 있으므로, 이를 최소화하기 위해 Fig. 2(a)와 같이 별도의 실험체 고정 지그를 제작하여 사용하였다. 실험체는 제작된 지그 내부에 삽입하여 고정하였으며, UTM의 상⋅하부 가력축과 실험체의 하중전달 축이 최대한 일치하도록 하였다.

실험 가력 속도는 ASTM D5868에서 제시하고 있으며, 접착 조인트 관련 시험에서는 재료와 시험방법에 따라 1.3∼13 mm/min 수준의 준정적 가력속도가 적용된다(ASTM D3163, 2014; ASTM D5868, 2008). 따라서 본 연구에서는 GFRP 각관과 CFRP 판 접착계면의 준정적 부착성능을 안정적으로 평가하기 위해 기존 접착 조인트 시험속도 범위를 참고하여 3 mm/min를 적용하였다.

하중 데이터는 Fig. 2(b)의 TDS-7130 데이터로거를 이용하여 1개/1초 데이터를 연속적으로 계측하였다. 변위는 UTM의 크로스헤드 변위를 기준으로 기록하였고, 하중-변위 곡선에서의 최대값을 최대하중 $P_{max}$로 정의하였다. 실험은 최대하중 이후 접착계면 박리 또는 피착재⋅보강재의 명확한 파괴가 발생할 때까지 수행하였다.

실험 종료 후에는 파괴면을 육안으로 관찰하여 파괴모드를 분류하였다. 또한 최대하중을 이용하여 평균 부착응력과 CFRP 판 응력을 산정함으로써 GFRP 각관과 CFRP 판 접착계면의 하중전달 성능과 CFRP 판 보강재의 활용도를 평가하였다.

Fig. 2 Experimental and Measurement Methods

3.1 부착응력 산정방법

GFRP 각관과 CFRP 판 접착계면의 부착성능을 최대하중, 평균 부착응력, CFRP 판 응력 및 면적효율을 기준으로 평가하였다. 부착면적은 CFRP 판과 GFRP 각관 피착재가 실제로 접착된 영역으로 정의하였으며, 식 (1)과 같이 부착길이와 부착폭의 곱으로 산정하였다.

여기서, $A$는 부착면적($mm^2$), $L$은 부착길이($mm$), $b$는 부착폭($mm$)이다.

평균 부착응력은 실험에서 계측된 최대하중을 부착면적으로 나누어 식 (2)와 같이 산정하였다.

여기서, $\tau$는 평균부착응력($MPa$), $P$는 최대하중($N$), $A$는 부착면적($mm^2$)이다.

CFRP 판의 응력은 최대하중 발생 시 CFRP 판에 작용한 평균 인장응력을 의미하며, GFRP 각관과 CFRP 판 접착계면을 통해 CFRP 보강재의 인장성능이 어느 정도 발현되었는지를 평가하는 지표로 사용하였다.

3.2 파괴모드

GFRP 각관-CFRP 판 접착 실험체의 파괴모드는 실험 종료 후 CFRP 판과 GFRP 각관 피착재의 파괴면을 육안으로 관찰하여 분류하였다. 대부분의 실험체는 CFRP 판과 접착제 사이에서 박리가 발생하는 CFRP-접착제 계면박리 양상을 보였다. 이는 부착하중 증가에 따라 GFRP 각관과 CFRP 판 사이의 접착계면 중 CFRP 판 표면 측 계면에서 먼저 부착저항 성능이 상실된 것으로 판단된다.

일부 실험체에서는 GFRP 각관 표면에 접착제가 부분적으로 잔류하거나 GFRP 각관 표면층 일부가 함께 박리되는 양상이 관찰되었다. 그러나 전체적인 파괴양상은 CFRP 판 표면에서 접착제가 분리되는 형태가 지배적이었으며, CFRP 판 자체의 인장파단은 발생하지 않았다. 따라서 본 실험에서의 최대하중은 CFRP 판 보강재의 인장성능보다는 CFRP-접착제 계면의 부착성능에 의해 지배된 것으로 판단된다.

표면처리를 적용한 실험체의 경우 GFRP 각관 표면 거칠기 증가로 인해 GFRP-접착제 계면의 부착성능은 일부 향상될 수 있다. 그러나 최종 파괴가 주로 CFRP-접착제 계면에서 발생한 점을 고려하면, GFRP 각관 표면처리만으로는 전체 접착계면의 부착성능 향상에 한계가 있는 것으로 판단된다. 따라서 GFRP 각관 CFRP 판 접착 보강성능을 향상시키기 위해서는 GFRP 각관 접착면뿐만 아니라 CFRP 판 접착면의 표면처리, 프라이머 적용 및 접착층 품질관리에 대한 추가 검토가 필요하다. 대표적인 파괴모드는 Fig. 3에 나타내었다.

Fig. 3 Failure Mode of GFRP-CFRP Bonded Specimens

3.3 표면처리 및 접착제 두께에 따른 부착성능

1차 실험은 GFRP 표면처리 방법과 접착제 두께가 GFRP 각관과 CFRP 판 접착계면의 부착성능에 미치는 영향을 예비적으로 평가하기 위해 수행하였다. 1차 실험체는 부착길이와 부착폭을 각각 200 mm 및 30 mm로 동일하게 설정하였으며, 표면처리 방법은 사포 처리와 와이어 브러시 처리로 구분하였다. 또한 와이어 브러시 처리 실험체에 대해서는 접착제 두께를 0.2 mm와 0.5 mm로 달리하여 접착층 두께의 영향을 함께 검토하였다.

Table 4에 1차 실험 결과를 나타내었다. 접착제 두께가 0.2 mm로 동일한 경우, 사포 처리 실험체인 GC200-S-0.2의 평균 최대하중과 평균 부착응력은 각각 30.10 kN 및 5.02 MPa로 나타났다. 와이어 브러시 처리 실험체인 GC200-W-0.2는 평균 최대하중 28.03 kN, 평균 부착응력 4.67 MPa로 나타나 사포 처리 실험체와 유사한 수준의 부착성능을 보였다.

접착제 두께의 영향을 비교한 결과, 와이어 브러시 처리 조건에서 접착제 두께를 0.5 mm로 증가시킨 GC200-W-0.5 실험체는 최대하중 39.57 kN, 평균 부착응력 6.60 MPa로 나타나 GC200-W-0.2보다 높은 값을 보였다. 반면, 사포 처리 후 접착제 두께를 0.5 mm로 적용한 GC200-S-0.5 실험체는 제작되었으나 실험 시작과 동시에 접착계면에서 조기 파괴가 발생하여 유효한 하중 데이터를 확보하지 못하였다. 따라서 GC200-S-0.5 실험체는 정량분석에서는 제외하였다.

3.4 부착길이 및 부착폭에 따른 부착성능

부착길이에 따른 GFRP 각관과 CFRP 판 접착계면의 부착성능을 평가하기 위해 동일한 부착폭 조건에서 부착길이 변화에 따른 평균 부착응력을 비교하였다. Fig. 4에는 부착폭 30 mm 및 45 mm 실험체의 부착길이별 부착응력 분포를 나타내었다. Fig. 4(a)는 부착폭 30 mm 실험체, Fig. 4(b)는 부착폭 45 mm 실험체의 결과이며, 무처리 실험체와 와이어 브러시 처리 실험체를 구분하여 표시하였다.

부착폭 30 mm 실험체의 경우, 무처리 및 와이어 브러시 처리 조건 모두에서 부착길이가 증가함에 따라 부착응력이 감소하는 경향을 보였다. 부착길이 100 mm 실험체는 상대적으로 높은 부착응력을 나타낸 반면, 부착길이 200 mm 실험체에서는 부착응력이 현저히 감소하였다. 또한 무처리 조건의 부착길이 300 mm 실험체에서도 낮은 부착응력이 나타났다. 이러한 경향은 단일겹침 접착 조인트의 하중전달 특성상 하중 도입부 부근에서 응력이 집중되고, 부착길이 증가분 전체가 하중저항에 동일하게 기여하지 않았을 가능성으로 역학적으로 해석할 수 있다. 다만 본 연구에서는 계면변형률 및 국부 슬립을 직접 계측하지 않았으므로, 실제 계면응력 분포와 유효부착길이를 정량적으로 확인하지는 못하였다.

Fig. 4 Effect of Bonded Length on Bond Stress

부착폭 45 mm 실험체에서도 와이어 브러시 처리 조건에서는 부착길이 100 mm 실험체가 200 mm 실험체보다 높은 부착응력을 나타냈다. 즉, 표면처리를 적용한 경우에도 부착길이가 증가함에 따라 평균부착응력이 감소하는 경향이 확인되었다. 반면 무처리 45 mm 실험체는 데이터 수가 제한적이고 실험체별 산포가 존재하므로, 부착길이에 따른 경향을 단정하기에는 한계가 있다.

전체적으로 부착길이 증가에 따라 부착면적은 증가하지만, 평균 부착응력은 감소하는 경향을 보였다. 이는 부착길이가 증가하더라도 유효하게 하중전달에 참여하는 영역이 제한되었을 것으로 보인다. 따라서 GFRP 각관과 CFRP 판 접착 보강설계에서는 단순히 부착길이를 증가시키는 방식보다 유효 부착길이와 계면 응력집중을 고려한 설계가 필요할 것으로 판단된다.

3.5 부착면적에 따른 부착성능 평가

부착면적에 따른 GFRP 각관과 CFRP 판 접착계면의 부착성능을 평가하기 위해 부착면적 $A$와 최대하중 $P$, 평균 부착응력 $\tau$의 관계를 비교하였다. Fig. 5에는 부착면적에 따른 평균 부착응력 분포를 나타내었으며, Fig. 6에는 부착면적에 따른 최대하중 분포를 나타내었다. 그래프는 개별 실험체 결과를 산점도로 표시하였고, 무처리 실험체와 와이어 브러시 처리 실험체를 구분하여 나타내었다.

Fig. 5 Relationship Between Bonded Area and Bond Stress

Fig. 6 Relationship Between Bonded Area and Maximum Load

Fig. 5에 나타낸 바와 같이, 부착면적이 증가함에 따라 평균 부착응력은 전반적으로 감소하는 경향을 보였다. 부착면적이 3,000 mm²인 실험체에서는 상대적으로 높은 부착응력이 나타났으나, 부착면적이 6,000 mm² 이상으로 증가한 실험체에서는 대부분 낮은 부착응력 범위에 분포하였다. 이는 부착면적이 증가하더라도 접착계면 전체가 균등하게 하중전달에 기여하지 못하고, 하중 도입부 부근에서 응력집중이 발생하기 때문으로 판단된다.

표면처리 영향을 보면, 와이어 브러시 처리 실험체는 일부 작은 부착면적 조건에서 무처리 실험체보다 높은 부착응력을 나타냈다. 그러나 부착면적이 증가한 경우에는 표면처리 여부와 관계없이 부착응력이 감소하는 경향이 확인되었다. 이는 표면처리가 GFRP 접착면의 부착성능 향상에 일부 기여할 수 있으나, 부착면적 증가에 따른 평균 부착응력 감소 경향을 완전히 해소하지는 못한 것으로 판단된다.

Fig. 6의 최대하중 결과를 보면, 부착면적 증가가 최대하중 증가로 일정하게 연결되지는 않았다. 일반적으로 부착면적이 증가하면 하중전달 면적이 증가하므로 최대하중 향상이 기대될 수 있으나, 본 실험에서는 동일한 부착면적 조건에서도 실험체별 하중 산포가 크게 나타났다. 특히 부착면적 9,000 mm² 조건에서는 일부 실험체에서 높은 최대하중이 나타났으나, 다른 실험체에서는 상대적으로 낮은 하중을 보였다. 이는 동일한 부착면적이라도 부착길이와 부착폭의 조합, 접착제 도포 균일성, 표면처리 상태 및 CFRP-접착제 계면 결함에 따라 하중전달 성능이 달라질 수 있는 것으로 보인다.

또한 본 연구의 파괴모드가 대부분 CFRP-접착제 계면박리로 나타난 점을 고려하면, 부착면적 증가에 따른 성능 향상은 단순한 면적 확대보다 CFRP 접착면의 계면 상태에 크게 영향을 받은 것으로 판단된다. 따라서 GFRP-CFRP 접착 보강설계에서는 부착면적을 단순히 증가시키는 방식만으로는 부착성능 향상을 보장하기 어렵고, 유효부착길이, 접착품질 및 계면 파괴모드를 함께 고려할 필요가 있다.

3.6 부착면적 기반 평균 부착응력 평가식 및 하한식 제안

본 절에서는 2차 및 3차 실험체의 결과를 이용하여 부착면적에 따른 평균 부착응력 평가식을 제안하였다. 회귀분석에는 무처리 실험체 17개와 와이어 브러시 처리 실험체 12개를 포함한 총 29개의 유효 데이터($n = 29$)를 사용하였다.

Fig. 7에 나타낸 바와 같이, 부착면적이 증가함에 따라 평균 부착응력은 전반적으로 감소하는 경향을 보였다. 부착면적과 평균 부착응력의 관계를 정량적으로 평가하기 위해 총 29개의 개별 실험결과를 대상으로 최소제곱법에 의한 선형회귀분석을 수행하였다. 분석 결과, 식 (3)의 평균 부착응력 평가식이 도출되었으며, 결정계수는 $R^2 = 0.403$으로 나타났다.

여기서, $\tau_{avg}$는 평균 부착응력 ($MPa$), $A_b$는 부착면적 ($mm^2$)이다. 식 (3)은 부착면적 3,000∼9,000 mm², 부착길이 100∼300 mm, 부착폭 30∼45 mm 및 접착제 두께 0.5 mm 조건에서 수행된 2차 및 3차 실험체의 결과로부터 도출된 경험식이다. 회귀분석에는 무처리 및 와이어 브러시 처리 실험체를 통합하여 사용하였으므로, 본 식은 표면처리 조건에 따른 부착성능 차이를 개별적으로 반영하지 않는다. 따라서 본 연구에서 사용한 재료와 실험범위를 벗어나는 조건에 적용하기 위해서는 추가적인 실험적 검증이 필요하다.

또한 실험값의 산포를 고려하기 위해 회귀분석 잔차의 표준편차를 이용하여 하위 5% 하한식을 산정하였다. 하위 5% 하한식은 식 (4)와 같이 평균 회귀식에서 잔차 표준편차의 1.65배를 감산하여 정의하였다.

여기서, $\tau_{5\%}$는 하위 5% 부착응력 ($MPa$), s는 회귀분석 잔차의 표준편차(0.38)이다. 식 (4)는 평균 회귀식보다 보수적인 하한값을 제시하기 위한 식으로, 실험조건 내에서 부착면적 증가에 따른 부착응력의 하한 경향을 평가하는 데 활용할 수 있다.

본 회귀식과 하위 5% 하한식은 무처리 실험체와 와이어 브러시 처리 실험체를 통합한 총 29개의 개별 실험결과로부터 도출되었다. 선형회귀분석 결과, 결정계수는 $R^2 = 0.403$으로 나타났으며, 이는 부착면적과 평균 부착응력 사이에 일정한 선형적 관계가 있는 것으로 나타났다. 또한 본 평가식은 표면처리 조건별 부착성능 차이를 개별적으로 반영하지 않으므로, 설계식보다는 본 연구의 실험범위 내에서 GFRP 각관-CFRP 판 접착계면의 평균 부착응력과 하한 경향을 평가하기 위한 경험적 기초식으로 활용하는 것이 적절하다.

Fig. 7 Regression Relationship Between Bonded Area and Average Bond Stress (n = 29, R2 = 0.403)