1. 서론 및 연구 방법

이 보고서는 탄소섬유 강화 폴리머(CFRP) 결합 콘크리트 빔의 교체 및 강화로 인한 내구성 평가를 위한 방법을 제공한다. 이 방법은 CFRP 시스템의 강화 손실과 관련된 내구성을 설명하기 위해서 내구성 강도 감소 계수(durability strength reduction factor, φ d)를 사용하였다. 이 보고서는 내구성 강도 감소 계수를 수립하기 위한 시편과 프로토콜 등이 포함된 시험 절차를 제시했다. 이 시험 평가 프로그램은 필드 노출 환경에 대한 정의를 이끌었다. 필드 환경에 대한 정의는 필드 적용 시의 내구성 강도 손실의 영향을 평가하기 위해서 내구성 강도 감소 계수가 기존의 하중 및 저항 계수와 연관되어 사용될 수 있도록 했다.

2. 내구성에 영향을 미치는 환경적 요인

콘크리트에 결합된 CFRP 복합물의 강도는 수열 조건(hygrothermal condition)에 노출될 때 저하된다. 이런 강도 저하 현상은 결합 면 위에 주로 일어나는데, 이것은 에폭시 접착제와 콘크리트 사이의 계면에서 발생한다. 저하에 대한 정확한 메커니즘은 아직 잘 알려지지 않았다. 그러나 강도 저하 현상은 온도가 상승하고 물속에 침수하고 지속적인 하중을 줄 경우에 촉진된다. 몇 가지 CFRP 시스템에 대한 테스트로 이 보고서의 시험 절차에 따라 영향을 받는 CFRP 시스템의 다양한 저하 반응을 확인할 수 있었다. 환경적 노출 조건과 시험 절차는 필드 적용 환경에서 내구성 강도 감소 계수의 동일 표준의 평가를 보장한다. 이 보고서에서 제안된 방법은 엔지니어가 대안적 CFRP 시스템의 표준화된 비교를 할 수 있게 하고, 필드 적용에서 강도 감소 계수를 측정할 수 있게 하고, 주어진 환경에서 CFRP 시스템의 적용을 결정할 수 있게 한다.

3. 평가 방법 및 노출 조건

두 개의 노출 환경(습식과 공기)에서 시험이 진행되었다. 습식 환경은 에폭시-콘크리트 계면에 습기를 축적시켜서 물에 광범위한 노출되도록 했고 내구성 강도 감소 계수의 선택을 위한 기본 환경으로 주어졌다. 공기 환경은 물이 결합 표면에 축적되지 않는 환경을 말한다. 공기 노출 조건의 선택은 결합 표면 위에 물이 존재하지 않는다는 것을 확인할 필요가 있었다. 이 보고서에서는 필드 노출 환경을 평가하기 위해서 습식 및 공기 시험을 서로 비교했다.

시험 시편은 4 in × 4 in × 14 in 빔이었고, 12 in의 경간 거리에 대한 3점 굽힘시험이 실시되었다.

그림 1. 시편.

그림 2. 3점 굽힘 시험.

4. 연구실 테스트 프로그램 및 결론

내구성 강도 감소 계수는 대조군 시편의 굴곡 강도에 대한 노출된 시편의 굴곡 강도의 비율로서 정의된다. 내구성 강도 감소 계수는 모든 CFRP 복합물과 콘크리트 강도를 평가하기 위해서 실험적으로 확인되었다. 내구성 강도 감소 계수는 감소된 CFRP 강도를 위한 설계 값을 제공하기 위해서 AASHTO 저항 계수와 연관되고, 특정 CFRP 시스템을 한정시키고, 시스템 공급자에 의해서 제공된 것과 내구성 강도 감소 계수를 비교하고, 프로젝트 사양의 준수를 확인하기 위해서 사용될 수 있다. 이것의 장점은 콘크리트 빔에 결합된 CFRP 시스템의 강도 저화를 억제할 수 있지만 하부 콘크리트의 저하 또는 철근 부식 때문에 강도 손실이 해결되진 않는다.

5. 테스트와 내구성 사이의 관계성

습식 환경에서의 시험 노출은 60일 동안 140°F의 물에 시험편을 침수시키는 방법을 사용했다. 공기 환경에서의 시험 노출은 140°F의 100% 상대습도에서 60일 동안 진행되었다. 습식 환경이 기본 조건으로 권장되었다. 공기 환경이 선택되면, 습식 환경시험은 노출 선택을 평가하기 위해서 기초로 제공될 것이다. 연구는 140 °F의 높은 노출 온도에서 진행되었지만 이런 온도에서의 60일 동안의 노출은 더 낮은 온도 조건에서 노출된 시편보다 더 짧은 시간에 시험을 마칠 수 있게 한다.

6. 결론

내구성 강도 감소 계수의 비교와 설치 환경의 선택으로 CFRP가 결합된 콘크리트 빔의 필드 내구성 저하 정도를 파악할 수 있다. 이 보고서에서 추천된 시험 절차에서는 내구성 강도 감소 계수를 계산하는데 필요한 데이터를 제공한다. 시험은 고온에 진행되었는데, 이것은 일반적인 작동 온도에서 관찰되는 강도 감소보다 조금 더 큰 시험 시편 강도 저하를 초래했다. 강도 저하 비율은 실제 적용 시 합리적인 수명을 평가할 수 있도록 해서 CFRP 교체 수명을 예측할 수 있게 했다. 적용 환경의 선택은 강도 저하에 대한 시간을 예측하는데 보다 중요한 척도 또는 성능을 제시했다.