Effect of Unidirectional Carbon Fiber Sheet Manufacturing Process Using Coated Glass Fiber and Carbon Fiber on Concrete Reinforcement

유리섬유 코팅사와 탄소섬유를 이용한 일방향 탄소섬유시트 제조공정이 콘크리트 보강에 미치는 영향

Abstract

In this study, carbon fiber and coated glass fiber are applied to warp and weft fiber in order to reduce the amount of carbon fiber used in carbon fiber fabrics, which are often used for reinforcement of building structures. A low-cost thermoplastic resin was coated on glass fibers to prepare a shape-stabilizing glass fiber. A unidirectional carbon fiber sheet was manufactured using the prepared coated glass fiber and carbon fiber. In order to identify whether it can be used for reinforcing architectural and civil structures, it was attached to a concrete specimen and its mechanical properties were analyzed. The optimum manufacturing conditions for the coated glass fiber were 0.3 mm in diameter of the coating nozzle, the coating temperature was 190 ℃, and the coating speed was 0.3 m/s. 14 mm was optimal for the weft spacing of the coated glass fiber. The flexural strength of the concrete reinforced with the manufactured unidirectional carbon fiber sheet was slightly lower than that of the concrete reinforced with carbon fiber fabric, but it was confirmed that the reinforcement effect was better when the amount of carbon fiber was considered.

1. 서론

지진, 태풍과 같은 자연재해 및 건축구조물 노후화에 따라 교량, 도로, 주택 등 건축 구조물의 내진 설계 보수, 보강이 요구되고 있다. 국내 건축물은 콘크리트의 낮은 인장력을 보완하기 위해 콘크리트 내부에 철근으로 보강한 ‘철근 콘크리트’를 사용하기 시작했으나 철근의 높은 비중으로 자중 증가, 노후화에 따른 표면 균열 발생 및 균열을 통한 수분 침투 등으로 철근의 부식 등의 문제로 새로운 보강법의 필요성이 대두되고 있다^1,2).

현재 콘크리트 보강법은 섬유를 삽입하여 콘크리트 강도를 보강하는 방법과 강판을 구조물에 연결하여 보강하는 강판 보강법이 있다. 섬유를 삽입하는 방법은 콘크리트 혼합물에 고강도의 섬유를 혼입하여 철근이 하중을 받을 때 콘크리트에 구속 효과를 주어 균열 발생시 확대를 억제할 수 있어 균열 제어 또는 균열 완화의 특성을 향상시킬 수 있다.

하지만 강판 보강법은 보강재의 중량 증가로 작업성이 떨어지며 시공 후 내진 구조물 보수를 위한 보강에는 적합하지 않다. 따라서 중량 최소화와 높은 작업성을 가진 섬유 보강법이 주목받기 시작했다. 섬유 보강법은 기존 강판 보강법과는 달리 고강도 섬유 소재(탄소섬유, 유리섬유, 아라미드 섬유 등)를 재료로 사용하며 직물 형태 또는 섬유강화복합재료 형태를 콘크리트 구조물 외부에 접착하여 적용하는 방법으로 구조물을 보강한다^3-9).

섬유 보강법에 각광 받고 있는 소재는 탄소섬유이다. 탄소섬유는 고경량, 고강도, 고탄성의 성질로 구성 원소의 92% 이상의 탄소가 함유되어 철의 10배 이상의 강도를 가진 소재이며 자전거, 자동차, 항공, 우주 분야에서 주목받고 있다^10,11). 이러한 탄소섬유의 특성을 고려하여 구조물 보강에 적용한다면 기존 철근 콘크리트보다 높은 효율성과 보강성을 기대할 수 있다.

경위사가 모두 탄소섬유로 직조된 탄소섬유직물을 사용한 건축물 보강법은 양방향 보강은 가능하지만, 콘크리트 보강은 주로 일방향 보강이며, 탄소섬유직물의 경위사의 굴곡구조가 보강효과를 저하시킨다. 이로 인해 탄소섬유직물 보강법은 높은 탄소섬유함량에 비해 일방향 탄소섬유시트와 비교하여 보강효과의 차이는 미미하다¹²⁾. 사용량 대비 효율성 측면에서 고려한다면 일방향 탄소섬유시트나 UD Prepreg(Unidirectional Preim pregnated Materials)를 사용하여 건축구조물을 보강하는 것이 경제적이다.

하지만 UD Prepreg를 건축 구조물 보강에 적용하는 것은 작업성이 낮고 형태안정성이 보장되지 않으므로 활용이 어렵다. 이를 고려하여 건축 구조물 보강용 탄소섬유시트가 개발되었지만 시트의 형태 유지를 위해 사용되는 코팅사는 높은 가격으로 수입에 의존하고 있다¹³⁾.

탄소섬유시트의 형태 유지는 코팅사와 탄소섬유를 융착시킴으로서 이루어진다. 만약 코팅사를 사용하지 않는다면 탄소섬유시트의 형태를 유지하기 위해서는 위사의 밀도를 충분히 높혀야 한다. 탄소섬유시트의 보강기능을 유지하며 섬유의 사용량을 줄이는 방법은 위사의 밀도를 낮추는 것이다. 소량의 위사를 사용하여 탄소섬유시트의 형태를 유지하기 위해서는 접착 기능을 가진 코팅사가 필요하다. 코팅사는 코어사에 코팅수지를 도포하는 코팅공정을 거치므로 생산 단가가 올라간다. 코팅사의 역할은 탄소섬유와 일체화되어 직물의 형태처럼 유지하는 것이므로 코어사로 고가의 고강도 섬유를 적용하는 것은 가격 측면, 효율 측면에서 비효율적이다.

따라서 본 연구에서는 일방향 탄소섬유의 형태고정과 높은 가격의 일반 코팅사를 고려하여 저가용 열가소성 수지를 유리 섬유에 코팅한 형태고정용 유리섬유 코팅사를 제조한 후, 그 특성을 분석하였다. 또한 제조된 유리섬유 코팅사와 탄소섬유를 활용하여 일방향 탄소섬유시트를 제작하고, 이를 건축, 토목 구조물 보강에 활용 가능한지 확인하기 위해 콘크리트 공시체에 접착하여 그 기계적 물성을 분석하고자 한다.

2. 실험

2.1 재료

코팅 수지로는 P&T 사의 PT-1127 열가소성 수지를 사용하였으며, 열가소성 수지의 분해온도, 용융점은 Table 1에 나타내었다.

Table 1. Properties of thermoplastic resin

유리섬유 코팅사의 코어사로 사용된 유리섬유는 인장강도 1,286 MPa, 22.5 tex(200f)인 PFG FIBER GLASS사의 E225 제품을 사용하였다. 탄소섬유는 Toray사의 T700SC(12K)를 전처리 공정없이 그대로 사용하였다.

시멘트는 일반 콘크리트와 유사한 에이징 28 day, 압축강도 350 kg/cm², 물/시멘트비 0.4, 슬럼프값 12 cm 제형으로 사용하였다. 콘크리트와 일방향 탄소섬유시트의 접착은 시트용 주제(SKPN, SK Chemical Co., Korea)와 경화제(SKPN, SK Chemical Co., Korea)를 2:1비율로 혼합하여 사용하였다.

2.2 시편제조방법

유리섬유 코팅사는 22.5 tex인 유리섬유의 굵기를 고려하여 구금의 직경(0.2, 0.3, 0.4, 0.5 mm), 코팅 속도(1.67, 0.25, 0.3 m/s), 코팅 온도(160, 170, 180, 190 ℃)로 다양한 조건으로 시편을 제작하였다.

Figure 1은 유리섬유 코팅사 제조 모식도이다. 일방향 탄소섬유시트는 형태 고정을 위해 한방향으로 나열된 탄소섬유에 유리섬유 코팅사를 위사로 적용하고 위사밀도(위사밀도간격 : ６, 8, 10, 12, 14 mm)를 달리하여 제직하였다. 그 후, Hot-Press기(MH10-SP, Youngshin Hydraulic Press Co., Ltd, Korea)를 활용하여 0.1 MPa의 압력, 90℃, 100℃ 온도의 조건으로 유리섬유 코팅사와 탄소섬유를 융착시켜 일방향 탄소섬유시트를 제작하였다.

Figure 1. Schematic of coated glass fiber manufacture.

보강효과를 확인하기 위한 콘크리트 시편은 공시체에 접착제를 0.3 mm 두께로 도포 후 일방향 탄소섬유시트를 부착하여 7일 정도 경화시켰다. 일방향 탄소섬유시트의 보강 위치에 따른 보강 효과를 확인하고자 콘크리트의 상부, 하부, 측부에 동일한 방법으로 콘크리트를 보강하여 시편을 제조하였다.

Figure 2은 일방향 탄소섬유시트로 콘크리트를 보강한 모식도이다.

Figure 2. Schematic for the process of attaching a unidirectional carbon fiber sheet to the concrete.

2.3 측정 및 분석

코팅 조건(구금의 직경, 코팅 온도, 코팅 속도)에 따른 유리섬유 코팅사의 물성 차이를 알아보기 위해 도포량과 만능재료시험기(Universal Testing Machine, OTT-05, Korea)를 활용하여 인장강도, 접착강도를 측정하였다¹⁴⁾.

인장강도는 섬도(Denier)에 대한 하중값(gf)을 측정하여 분석하였다. 구금의 직경에 따른 유리섬유 코팅사의 접착강도를 알아보기 위해 위사(구금 직경에 따른 4가지 유리섬유 코팅사) 6올, 경사(탄소섬유 12K) 11올로 시트를 제작한 후, 6번째 경사를 제거하고 새로운 탄소섬유를 대체하여 융착시킨 시트를 활용하였다. 대체된 탄소섬유와 제직된 시트를 분리하는 형태로 접착 정도를 확인하였다.

Figure 3은 접착강도를 측정하는 사진이다. SEM(Scanning Electron Microscope, HITACHI, Japan)을 이용하여 유리섬유 코팅사의 단면, 측면을 관찰하며 코팅 상태를 확인하였다.

Figure 3. Adhesive strength measurement.

융착 조건(온도, 시간)에 따른 유리섬유 코팅사와 탄소섬유 간의 일체화 정도를 분석하기 위해 이전 실험과 동일방법인 Figure 3과 같이 접착강도 분석을 진행하였고, 일방향 탄소섬유시트의 작업성을 고려하여 처짐성을 분석하였다. 처짐성 분석은 위사 간격에 따른 일방향 탄소섬유시트를 가로 50 mm x 세로 100 mm로 절단하여 Figure 4와 같이 평평한 면에 일방향 탄소섬유시트를 위치시켜 A에서 A″지점까지의 변화를 P점을 기준으로 각도를 측정하여 처짐 정도를 확인하였다.

Figure 4. Measurement schematic diagram of deflection degree.

일방향 탄소섬유시트의 콘크리트 보강률을 확인하기 위해 4-point 굽힘강도를 측정하였다. 일방향 탄소섬유시트로 보강한 콘크리트의 굽힘강도 측정은 ASTM C 1609에 의거하였으며, 만능재료시험기(Universal Testing Machine, UNITECH-M RB301, Korea)를 활용하였다. 콘크리트 공시체와 일방향 탄소섬유시트 간의 접착강도는 ASTM D 5528-01(Double-Cantil ever-beam(DCB), Mode Ⅰ)에 의거하여 측정하였다.

3. 결과 및 고찰

3.1 열가소성 수지의 코팅 조건이 유리섬유 코팅사 물성에 미치는 영향

3.1.1 구금의 직경에 따른 도포량, 인장강도, 접착강도 분석

열가소성 수지 코팅 과정에서 구금의 직경이 도포량, 인장강도에 미치는 영향을 Figure 5에 나타내었다.

Figure 5. (a) Coating weight and (b) Tensile strength and (c) Adhesive strength of specimen spinneret diameter.

Figure 5(a)와 Figure 5(b)에서 구금의 직경이 커질수록 도포량은 증가하지만, 인장강도는 감소하였다. 이는 구금의 직경이 커지면 코팅사에 도포되는 코팅 수지의 양이 늘어난 것이며, 구금의 직경이 커질수록 인장강도가 감소한 것은 상대적으로 인장도가 낮은 코팅 수지가 많아짐에 따라 섬도 대비 파단하중이 낮아진 것으로 판단된다.

Figure 5(c)에서는 구금 직경이 증가할수록 접착제 역할을 하는 코팅 수지의 함량이 증가하여 접착강도는 증가하지만 0.3 mm의 이상의 구금 직경에서는 접착강도의 변화가 크게 증가하지 않았다. 0.2 mm 구금에서는 도포된 코팅 수지의 양이 적어 접착강도가 낮았고 0.4 mm, 0.5 mm의 구금에서는 코팅 수지가 많이 도포되었지만, 탄소섬유와 유리섬유 코팅사의 교차점 접착에 필요한 코팅 수지의 양을 상회하여 과잉의 코팅 수지가 탄소섬유 쪽으로 흘러 접착강도 향상에는 효과가 없는 것으로 판단된다.

3.1.2 코팅 온도에 따른 도포량 및 인장강도 분석

코팅 온도가 수지의 점도 변화에 영향을 미치는 것을 고려하여 온도에 따른 코팅 수지의 점도 변화를 Figure 6에 나타내었다. 열가소성 코팅 수지의 점도는 온도가 높아질수록 점도가 낮아지는 현상을 보이며, 점도 분석을 통해 160℃에서 190℃까지의 온도 범위가 일반적인 코팅 조건에 적합한 것으로 판단하였다.

Figure 6. Viscosity of thermoplastic resin with temperature.

Figure 7은 코팅 온도에 따른 도포량 및 인장강도를 나타낸다. Figure 7(a)에서 보는바와 같이 온도가 높아짐에 따라 도포량이 감소한 것을 확인할 수 있다. 160℃는 도포량이 182%, 170℃는 177%, 180℃에서는 170%로 도포량이 미세하게 감소하였다. 하지만 190℃에서는 도포량이 150%의 큰 수치로 감소하는 양상을 보였다. 온도가 높아짐에 따라 수지의 점도가 낮아지므로 190℃ 이상의 온도에서는 사코팅이 어려울 것으로 판단하였다.

Figure 7. (a) Coating weight and (b) Tensile strength of specimen according to coating temperature.

Figure 7(b)에서는 온도가 증가함에 따라 인장강도가 높아졌다. 이는 이전의 실험 결과와 마찬가지로 온도가 높아질수록 코팅수지의 점도가 감소하여 유리섬유에 코팅되는 도포량이 감소하여 상대적으로 인장강도가 높은 유리섬유의 비율이 증가하여 섬도대비 파단하중이 증가된 것으로 판단된다.

3.1.3 코팅 속도에 따른 도포량 및 인장강도 분석

Figure 8은 코팅수지의 전단 속도에 따른 전단 점도를 나타낸 것이다. 실험에서 사용된 코팅 수지는 전단속도가 증가될 때 전단점도가 감소하는 경향을 보이는 전형적인 의가소성 유체특성을 보인다.

Figure 8. Viscosity of thermoplastic resin with shear rate.

Figure 9(a) 코팅속도에 따른 도포량을 나타낸 것이다. 코팅 속도가 0.167 m/s에서 0.3 m/s로 증가될 때 도포량은 178%에서 156%로 감소하였다. 이는 의가소성 유체특성상 코팅 수지의 유동이 빨라짐에 전단점도가 감소하여 도포량이 감소된 것으로 판단된다.

Figure 9. (a) Coating weight and (b) Tensile strength of specimen according to coating speed.

Figure 9(b)는 코팅 속도에 따른 인장강도를 나타낸다. 이전의 구금 직경과 온도에 따른 실험에서와 같이, 도포량이 감소함에 따라 유리섬유 코팅사의 파단인장강도는 증가됨을 알 수 있었다.

따라서 구금 직경, 온도, 속도가 도포량 및 인장강도에 미치는 영향을 확인한 결과 코팅구금 직경은 0.2 mm일 때 인장강도가 높았으나 접착강도가 가장 낮은 것을 확인하였고, 0.3 mm, 0.4 mm, 0.5 mm의 구금의 접착강도가 크게 차이 나지 않은 것을 고려하여 0.3 mm의 코팅구금이 효율적인 것으로 판단하였다. 코팅 온도는 적은 코팅 수지의 도포량으로 높은 인장강도를 보인 190℃로, 코팅 속도는 생산성과 높은 인장강도를 고려하여 0.3 m/s의 조건을 최적의 유리섬유 코팅사 제조 조건으로 도출하여 이후 실험을 진행하였다.

3.1.4 유리섬유 코팅사 단면, 측면 관찰

앞서 코팅구금 직경, 온도, 속도에 따라 제조된 유리섬유 코팅사의 균일한 코팅성을 확인하기 위해 단면과 측면 형상을 SEM 관찰 결과를 Figure 10에 나타내었다.

Figure 10. (a) Cross section of 0.3 mm sample and (b) Side of 0.3 mm sample.

제조된 코팅사의 단면에서 확인할 수 있듯이 코어사를 기준으로 열가소성 수지가 균일하게 도포되었으며 측면도 기공이 없는 균제도가 우수함을 확인하였다.

3.2 일방향 탄소섬유시트가 콘크리트 보강에 미치는 영향

3.2.1 융착 조건에 따른 일방향 탄소섬유시트 분석

융착 온도와 시간에 따른 유리섬유 코팅사와 탄소섬유의 접착강도를 Figure 11에 나타내었다.

Figure 11. Effect of the press conditions on adhesive strength of unidirectional carbon fiber sheet.

융착 온도 조건은 열가소성 수지의 용융점이 78℃인 것을 고려하여 90℃부터 조건을 설정하였으며, 융착 시간을 20초부터 설정한 것은 10초의 융착 조건에서 수지가 탄소섬유에 충분한 침투가 이루어지지 않았으므로 10초 이하의 융착 조건은 제외하였다.

Figure 11에서는 100℃보다 90℃의 융착 온도에서 접착강도가 더 크게 나타난다. 이는 열가소성 수지의 점도를 고려하면 온도가 높아질수록 수지의 점도가 급격히 떨어지므로, 100℃에서의 코팅 수지는 저점도로 인해 탄소섬유와 유리섬유 코팅사의 교차점에서의 접착면적은 증대되었지만 접착층이 얇아졌기 때문에 접착강도가 감소한 것으로 판단되며, 시간에 따른 접착강도의 차이도 크지 않은 것으로 판단된다. 시간에 따른 융착성은 90℃, 20초 조건의 접착강도가 가장 낮았으며 30초 조건에서 가장 높은 접착강도를 보였지만, 40초와의 접착강도 차이는 미미하였다.

3.2.2 유리섬유 코팅사의 간격에 따른 일방향 탄소섬유시트 처짐 정도 분석

Figure 12 (a) ~ (e)는 유리섬유 코팅사 간격에 따른 제조된 일방향 탄소섬유시트를 나타낸 것이다. 위사로 사용된 유리섬유 코팅사의 간격이 일방향 탄소섬유시트가 콘크리트 보강의 작업성에 미치는 영향을 확인하기 위해 처짐 정도 분석을 진행하였다.

Figure 12. Unidirectional carbon fiber sheet according to spacing coated glass fiber; (a) 6 mm, (b) 8 mm, (c) 10 mm, (d) 12mm, (e) 14 mm.

Figure 13(a)는 유리섬유 코팅사 간격에 따른 일방향 탄소섬유시트의 처짐 정도 결과이며, Figure 13(b)는 처짐 정도 측정 예시다.

Figure 13. (a) Deflection angle of the unidirectional carbon sheet according to the coated glass fiber spacing and (b) Example of deflection measurement.

유리섬유 코팅사 간격이 증가할수록 처진 각도가 증가하였으며, 이는 유리섬유 코팅사 간격이 증가할수록 같은 길이 기준 일방향 탄소섬유시트의 형태를 유지하는 유리섬유 코팅사의 개수가 줄어듬에 따라 처짐의 정도가 커진 것으로 판단한다. 일반적인 탄소섬유직물의 처짐각은 9°이였기에, 탄소섬유직물과 유사한 처짐각을 보이는 14 mm의 유리섬유 코팅사 간격 조건이 효율성이 높을 것으로 판단된다.

3.2.3 유리섬유 코팅사 간격에 따른 일방향 탄소섬유시트로 보강된 콘크리트 굽힘강도 분석

일방향 탄소섬유시트의 유리섬유 코팅사 간격이 콘크리트 보강에 미치는 영향을 확인하기 위해 상부보강된 시편의 굽힘강도 측정 결과를 Figure 14(a)에 나타내었다.

Figure 14. (a) Effect of coated glass fiber spacing on the flexural strength of concrete reinforced with unidirectional carbon fiber sheet, (b) Before measuring specimen flexural strength and (c) After measuring specimen flexural strength.

Figure 14(b)와 Figure 14(c)는 굽힘강도 측정 전과 후의 사진이다. 탄소섬유직물이 보강된 시편의 굽힘강도가 499 kgf로 가장 높았다.

탄소섬유직물은 경사, 위사 모두 탄소섬유로 직조되어 굽힘강도 측정값이 높은 것으로 판단된다. 유리섬유 코팅사 간격에 따른 일방향 탄소섬유시트의 굽힘강도 차이는 크지 않지만 유리섬유 코팅사 간격이 커질수록 보강 정도가 미세하게 증가함을 확인할 수 있다. 이는 일방향 탄소섬유시트의 유리섬유 코팅사와 탄소섬유의 교차점이 줄어들어 탄소섬유의 접착제의 접착 면적이 넓어진 것으로 판단된다.

3.2.4 일방향 탄소섬유시트의 콘크리트 보강 시 접착강도 분석

Figure 15는 일반적인 탄소섬유직물과 일방향 탄소섬유시트로 상부 보강된 콘크리트 시편의 접착강도(Mode Ⅰ)를 분석한 그래프이다.

Figure 15. Adhesive strength of reinforced concrete according to the type of reinforced materials.

탄소섬유 직물로 보강된 시편의 접착강도는 98.2 J/m², 일방향 탄소섬유시트의 접착강도는 102 J/m²로 두 보강재료의 차이는 미미하였다. 두 재료 모두 경사방향의 탄소섬유로 보강되었고 경사방향으로 접착강도를 측정이 진행되어 접착강도 값에서는 큰 차이가 나지 않은 것으로 판단된다.

3.2.5 일방향 탄소섬유시트의 보강 위치에 따른 콘크리트 굽힘강도 분석

일방향 탄소섬유시트의 상부보강 측정 결과, 14 mm의 유리섬유 코팅사 간격의 일방향 탄소섬유시트가 보강 효율성이 높다고 판단되었기에, 이를 콘크리트의 상부, 하부, 측부에 보강한 결과를 Figure 16에 나타내었다.

Figure 16. Effect of reinforcement location of unidirectional carbon fiber on the flexural strength of concrete.

콘크리트 공시체의 굽힘강도는 6.5 MPa로 가장 낮았으며, 하부 보강의 굽힘강도가 24.5 MPa로 가장 높은 보강 효과를 보였고 상부보강은 9.2 MPa, 측부 보강은 15.9 MPa로 나타났다.

보강 위치에 따른 굽힘강도의 값이 큰 차이를 보이는 것은 굽힘강도 측정 시 발생하는 균열의 전파로 생각된다. 상부보강의 경우 하중이 일방향 탄소섬유시트를 거쳐 콘크리트에 전달되지만, 하부보강의 경우 하중이 콘크리트를 거쳐 일방향 탄소 섬유시트에 전달되어 콘크리트 부분에 균열이 발생하더라도 하부의 일방향 탄소섬유시트가 균열의 급격한 전파를 막아주어 높은 하중에도 견딜 수 있었던 것으로 판단된다.

3.2.6 탄소섬유 사용량 대비 보강효과

Figure 17은 탄소섬유 사용량 대비 강도보강 효과를 분석한 그래프이다.

Figure 17. (a) Effect of reinforced materials on flexural strength and (b) Reinforcement efficiency compared to weight of reinforced materials.

Figure 17(a)에서는 탄소섬유의 함량이 가장 많은 탄소섬유 직물로 상부에 보강한 콘크리트 블록의 굽힘강도가 9.3 MPa으로 가장 높게 측정되었다. 6 mm, 10 mm, 14 mm의 일방향 탄소섬유시트로 상부에 보강한 시편의 굽힘강도는 8.9 MPa, 9.06 MPa, 9.2 MPa로 나타났다.

하지만 Figure 17(b)의 보강 효율성 분석 그래프는 Figure 17(a)의 결과와 다른 양상을 보였다. 보강에 사용된 탄소섬유의 무게로 굽힘강도를 나눈 값에서는 탄소섬유직물이 보강된 경우는 1.77 MPa/g의 값으로 가장 낮은 보강 효율성이 나타났으며 14 mm의 일방향 탄소섬유시트의 보강효율성이 2.30 MPa/g으로 가장 높은 양상을 보였다.

따라서 탄소섬유 사용량을 고려하였을 때는 탄소섬유직물을 이용한 보강법보다 일방향 탄소섬유시트를 이용한 보강법이 더 경제적임을 알 수 있었다.

4. 결론

본 연구에서는 건축 구조물 보강에 적용가능한 소재를 제조하기 위하여 저가용 열가소성 수지를 유리섬유에 코팅하여 형태고정용 유리섬유 코팅사를 제조하여 그 특성을 분석하였으며, 제조된 유리섬유 코팅사와 탄소섬유를 활용하여 일방향 탄소섬유시트를 제작하고, 이를 이용하여 콘크리트 공시체에 접착하여 그 효과를 확인하였다.

코팅 수지의 점도를 고려하여 조건별로 유리섬유 코팅사를 제조하여 분석한 결과, 코팅구금 직경은 0.3 mm, 코팅 온도는 190℃, 코팅속도는 0.3 m/s로 적용하였을 때 형태고정용 유리 섬유 코팅사의 최적 제조 조건임을 확인하였다. 탄소섬유와 코팅사의 융착 조건에서는 90℃, 30초가 최적의 조건이였으며, 14 mm의 유리섬유 코팅사 간격을 가진 일방향 탄소섬유시트가 경제적이며 효율적인 것을 확인하였다.

앞의 조건을 활용하여 접착강도 측정을 통해 일반 탄소섬유 직물의 접착성과 큰 차이를 보이지 않았고, 콘크리트 보강 위치에 따른 보강 정도 분석에서는 하부보강의 정도가 가장 높다는 결과를 확인하였다. 또한 탄소섬유직물과 일방향 탄소섬유 시트의 탄소섬유량 대비 보강효과를 분석한 결과에서는 14 mm의 유리섬유 코팅사 간격의 제조 조건이 가장 높은 보강 효율을 보인다는 결론을 얻을 수 있었다.

감사의 글

이 논문은 2022년도 정부(산업통상자원부)의 재원으로 한국산업기술진흥원의 지원을 받아 수행된 연구입니다(P0012770, 2022년 산업혁신인재성장지원사업).