1. 개요
 

섬유강화 폴리머 복합재(fiber reinforced polymer composites, FRP)는 철근 콘크리트 구조물에 있어 매력적인 보수 옵션(repair option)이지만,현장에서의 장기 성능은 잘 이해되지 못하고 있음. 실험실에서의 내구성 테스트에 의하면,FRP는 일반적으로 매우 잘 성능을 발휘하지만, 실험실 테스트는FRP가 교량이나 다른 구조물에서 사용될 때 발생하는 상승 효과(synergistic effects)를 모델링할 수 없으며, 콜로라도 교통부(Colorado Departmentof Transportation, CDOT)에 관심이 있는 재료는 완전히 고려되지 않았음. 이 연구 프로젝트는FRP의 현장 성능에 대한 더 나은 정보를 얻기 위해 시작되었음.

프로젝트는 다섯 개의 연구 과제로 구성되었음. 과제 1에서3까지는 주 고속도로 83상에 있는 캐슬우드 캐년 교량(CastlewoodCanyon Bridge)을 2003년에 보수하기 위해 사용된FRP의 현재 상태를 평가하기 위해 할당되었음. 과제 4는콜로라도 교통부의 기술자들에 의해 제기된FRP 관련 질문과 걱정에 대한 추가적인 정보를 결정하기 위한 문헌검토 과제였음. 과제 5는FRP 위에서 제빙제의 효과를 고려하기 위해 실험실내의 내구성 연구였음. 과제 6은 보고 과제임. 이 마지막 보고는 이 과제의 요구사항을 만족시키기 위해 준비되었음.

과제 1은 교량과 그 보수에 대한 정보와 현장 평가에 대한 계획을 요구했음.많은 사람들이 연락되었지만, 교량 및 그 보수에 대한 초기 데이타의 수집은 매우제한적이었음. 현장 평가 활동에 대한 임시 계획이 준비되었는데, 아치(arch)의 기초부(base)와 마루부(crest)에서의 테스트지역을 포함하였음.

과제 2는 현장 평가 과제였음. 이 과제는 2011년 7월동안 교량 위치에서 완료되었음.동쪽 아치의 전체 겉둘레(extrados)는 음향 사운딩(acousticsounding)을 사용하여 콘크리트와FRP 사이에 공극이 있는지 조사하였음.2007년에 정기 교량 검사 동안에 파악된 공극은 2011년 평가까지 상당히 더커졌음. 아치의 기초부와 마루부에서 부착강도를 테스트하기 위해 직접인장시험(pull-offtests)이 사용되었음. 평균적으로 직접인장 강도는 더 낮았고 보수 시에 수행된직접인장시험과 다른 파괴 모드를 나타냈음. FRP의 커다란 비부착 지역은 과제 3을 위한 실험실 테스트에 사용하기 위해 구조물로부터 분리되었음. 손상 지역은 새로운FRP로 보수되었음.

과제 3에서, 교량으로부터 분리된재료는 인장 테스트와 시차 주사 열량계(Differential Scanning Calorimetry, DSC) 테스트를 위해 사용되었음. 인장 테스트에 의하면, FRP 강도는 명시된 설계강도 이하였으나, 초기 데이타의 부족은 재료가 시간에 걸쳐 열화되었는지 재료가더 낮은 강도로 시작되었는지를 분간하기 어렵게 만듦. DSC 테스트에 의하면, 복합재의 유리 전이 온도(glass transition temperature)는 제조사에 의해제안된 값과 거의 같았음.

과제 4는 피로, 환경 및 화학적노출, 부착 거동, 기존의 설계 상세 및 지침을 포함하는 주제들에 대한문헌 검토를 필요로 했음. 과제 1 ？ 3과 과제 5와 직접적으로 관련된 주제들 ？ 부착 거동과 환경 및 화학적 노출 ？ 에 대한 문헌은 관련 과제들과 논의되었음. 보고서의 이 부분은 외부적으로 부착된FRP 강화와 기존의 설계 지침과 함께 철근 콘크리트 부재의 피로 성능에 중점을 둠.

과제 5는 FRP 상의 제빙제의효과를 결정하기 위한 실험실에서의 내구성 테스트를 포함하였음. 염화 마그네슘 기반의 제빙제와 대체 제빙제는Envirotech Services로부터 얻어졌음. 부착 FRP를 가진 2가지 타입의 콘크리트 시험편이 준비되었음: 직접인장시험을 위한 파편과 휨 테스트를 위한 소규모 보(beams). 시험편은2011년 7월에 시작해서 여러 다양한 환경에 노출되었음. 6개월 동안의 노출 후 2011년 12월에 테스트가 수행되었고,1년 후의 테스트는 2012년 7월에 수행되었음.내구성 연구를 완료한 후, 직접인장시험에 대해 논의하는 부분이 보고서에 포함되었음.현장 및 실험실에서 직접인장시험을 수행한 후, 결과는 이 방법의 신뢰성과 결과의해석에 대한 의문이 제기되었음. 따라서, 추가적인 연구가 이 방법으로수행되었음. 이전의 실험실 및 현장 연구는 7장에서 요약되어 있고,그 결과가 분석되었음.

2. 소개
 

FRP는 기존의 철근 및 프리스트레스 콘크리트부재와 구조물의 용량을 복원하거나 증가시키는데 효과적인 것으로 증명되었음. 이 재료는 보수 작업에 사용되는데매력적으로 보이게하는 여러 성질(예를 들어, 경량, 작은 프로파일, 내구성 등)을 가지고 있음.전통적인 보수에 사용되는 재료들과 비교할 때 재료 자체는 비쌀 수 있으나, 전반적인보수 작업은 비용 대비 효과적일 수 있음.

현재FRP를 콜로라도에 있는 교통 구조물을 보수하는데 적용하는데 주요한계점은FRP 보수의 장기적인 성능에 대한 우려임. FRP는 다양한내구성 연구의 주제였지만, 이러한 연구들은 일반적으로 실험실에서의 가속화된 테스트를 통하여 이루어졌고,장기 현장 성능에 대해서 가용한 정보는 상대적으로 적음. 특히, 콜로라도의 대표적인 환경에서FRP와 이의 콘크리트 부착 성능에 대해 의문점이 존재함.

이 프로젝트는 다음의 연구를 통하여 현장 상태에서FRP의 장기 성능을 연구하기 위해 수행되었음:(1) 2003년 캐슬우드 캐년 교량을 보수하는데 사용된FRP에 대한 현장 연구;그리고 (2) 제빙제가FRP에 미치는 영향을고려하기 위한 실험실에서의 내구성 연구. 프로젝트를 또한 콜로라도 교통부의 공학자들의 질문과 관련된 다른FRP를 고려하기 위한 문헌 검토를 포함함.

이 프로젝트에 포함된 특정 과제는 아래와 같음:

1.  정보를 수집하고 현장 평가를 위한 자료 수집 및 테스트 계획을 수립
2.  현장에서 테스트 및 관측을 수행하고 실험을 위한 표본을 수집
3.  FRP 표본에 대한 실험실 테스트와 데이타 분석
4.  추가적인FRP주제에 대한 문헌 검토
5.  제빙제가FRP에 미치는 영향을 고려하기 위한 장기 테스트 프로그램 수립
6.  보고
 

3. 제빙제가FRP가 미치는 영향을 고려하기 위한 장기 테스트 계획의 구축

3.1 FRP-콘크리트 부착의 중요성

탄소섬유 강화 폴리머(Carbon Fiber Reinforced Polymers, CFRP)의 사용은 노후화되고 열화하는 콘크리트 구조물를 보강하는데 있어서 점차 인기를 얻고 있음. 비용 이외에 이 보수 방법이 이 분야에서 폭넓게 사용되지 못하는 이유는 CFRP 재료 자체와콘크리트와의 부착의 장기 거동에 대한 지식이 부족하기 때문임. 강력한 부착은 콘크리트와 보강재 사이에 응력의적절한 전달을 위해 필수적임. 구조부재가 CFRP로 불량하게 보강되어있다면, 조기 탈착이 일어날 수 있고 보강재가 제공하기로 되어 있는 것보다 훨씬 더 낮은 하중 지지력이 있을때 구조물의 파괴로 이어질 수 있음. 추가적으로, 환경적 노출은 시간이흐름에 따라 부착 성능에 상당한 영향을 미칠 수 있음. 급속한 기온 변화, 화재, 강설, 강우와 같은 자연 조건과,도로 및 교량에서의 제빙제 사용과 같은 인공 조건은 부착의 열화에 영향을 미치는 인자들 중 일부임.

여러 해에 걸쳐, FRP와 콘크리트 사이의 부착 거동을 연구하기 위한 연구가 여러테스트 방법을 사용하여 수행되었음. 다음에서는 부착을 테스트하기 위해 이전의 연구자들에 의해 사용되었던 다양한방법을 기술하고, 이전에 수행되었던 내구성 연구를 검토함.

3.2 부착 테스트
 

CFRP와 콘크리트 사이의 부착 강도 및 거동은다양한 테스트 방법을 통해 결정될 수 있는데, 연구의 특성에 따라 달라짐. 적절한 부착 테스트를 결정할 때 시험편의 크기, 기하구조 및 수량과 같은 요소들이 고려됨.

3.3 테스트 계획의 검토
 

이 연구의 목적은 다양한 환경 시나리오에 종속될 때 콘크리트와CFRP 사이의 부착 거동을 평가하기 위한것임. 이러한 환경적 조건들로는 동결-해빙 및 습윤-건조 사이클, 제빙제에의 담굼 등이 포함됨. 테스트 단계는6개월 및 12개월의 기간에 걸쳐 이러한 시나리오에 시험편을 노출시키는 것으로 구성됨.

CFRP와 콘크리트 사이의 부착을 테스트하기위해, 이 연구에 가장 적절한 테스트를 찾을 목적으로 다양한 테스트 방법이 평가되었음. 단일 전단(single shear)시험과 양면 전단(double faceshear)시험과 같은 테스트가 고려되었음. 그러나, 이러한 타입의 테스트는 이 연구의 목적과 관련하여 다소 편리하지 않은 것으로 나타났음. 다양한환경적 시나리오가 고려되었기 때문에, 많은 양의 시험편이 필요하였음. 따라서 실용적인 시험편 크기는 손쉬운 처리 및 재료와 시험장치의 낮은 비용을 위해 필요하였음. 그 결과, 두 가지의 테스트 방법이 선택되었음: 직접인장시험과소규모 3점 굴절 테스트(small three-point bending tests).

4. 결론
 

이 프로젝트는 현장 및 실험실의 내구성 테스트에서 재료를강화하는FRP의 장기 성능을 연구하였음.FRP 보수의 성공적인 기능에 필수적인FRP와 콘크리트 사이의 부착에 대해 특별하게주목하였음. 캐슬우드 캐년 교량의 현장 평가에 의하면, 탈착(debonding)은 시간에 걸쳐 교량의 여러 개소에서 발생하는 것처럼 보임. 교량으로부터 제거된FRP재료의 강도는 제조사가 제공한 값보다 낮았으나, 재료의 원래 성질에 대한 기본 데이타없이 유의한 결론을 이끌어내기는 어려웠음. FRP는 매우 잘 지지하는 것처럼 보이나, 콜로라도 교통부가 기존의 교량을 강화하기 위해FRP를 계속해서 사용한다면 보수할 때 내구성데이타를 수집할 필요가 있다는 사실이 고려되어야 하고, 기본값 및 주기적인 테스트/평가 계획이 제공되어야 함.

이 프로젝트의 실험 부분은FRP 콘크리트 부착의 내구성을 결정하는데 성공적이지 않았음.직접인장시험이 단순하기 때문에 사용되었으나, 이 연구의 결과는 테스트 방법이 지역적인상태에 매우 민감하다는 것이 분명하였고 높은 변동성을 가진 결과를 만들어내었음. 직접인장시험은 일반적으로콜로라도 교통부에 의한 품질제어 조치로써 명시되어 있음. 콜로라도 교통부의 공학자들은 이 테스트의 한계를이해해야 함. 이 연구에 근거하여, 콜로라도 교통부는FRP가 설치되기 전에 바닥의 콘크리트를 평가하기 위해 직접인장시험을 하고, 음향 사운딩과 같은보완적인 테스트가 보수의 정도를 평가하기 위해 사용될 것을 제안함. 더 장기적으로는, 더 나은 품질 제어 테스트를 결정하기 위해 노력하는 것은 가치가 있을 것임.

FRP는 기존의 콘크리트 구조물을 강화시키는데가치있는 대안을 제공함. 많은 경우에, FRP는 최적의 가용 수단일수 있음. FRP가 콜로라도 교통부에 의해 사용될 때, 현장으로부터데이타를 지속적으로 수집하고 특정 설계에서 의문점을 해소하기 위해 실험실 연구를 수행하는 것은 큰 의미가 있을 것임.