KR100473073B1 - 부착 성능이 향상된 콘크리트 구조 보강용 섬유강화폴리머 바 - Google Patents

Abstract

콘크리트 구조 보강용 섬유강화 폴리머 바에 관한 것으로서, 콘크리트에 대한 섬유강화 폴리머 바의 부착 성능을 향상시키기 위한 목적으로, 강화재로 기능하는 섬유들 및 이 섬유들을 내부에 포함하는 막대 형상의 수지층으로 이루어지는 섬유강화 폴리머 모체와; 섬유강화 폴리머 모체의 외주면에 감겨지는 제 1섬유를 구비하여 섬유강화 폴리머 모체의 외주면에 굴곡을 부여하는 굴곡부와; 굴곡부가 형성된 섬유강화 폴리머 모체의 외주면에 제 1섬유보다 촘촘하게 감겨지는 제 2섬유들을 구비하여 섬유강화 폴리머 모체의 외주면에 표면 요철을 부여하는 미세 요철부를 포함하는 콘크리트 구조 보강용 섬유강화 폴리머 바를 제공한다. 제 1섬유와 제 2섬유는 각각 수지 보호층에 둘러싸여 섬유강화 폴리머 모체에 부착되며, 굴곡부와 미세 요철부는 표면 보호층에 둘러싸여 섬유 사이의 공극을 최소화한다.

Description

부착 성능이 향상된 콘크리트 구조 보강용 섬유강화 폴리머 바 {FIBER REINFORCED POLYMER BAR ENHANCED ADHESION FOR REINFORCING CONCRETE STRUCTURE}

본 발명은 콘크리트 구조 보강용 섬유강화 폴리머 바에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 섬유강화 폴리머 바의 표면 형상을 개선하여 콘크리트에 대한 부착 성능을 향상시킨 섬유강화 폴리머 바에 관한 것이다.

일반적으로 섬유강화 폴리머(FRP; Fiber Reinforced Polymer) 바(이하, 'FRP 바'라 약칭한다)는 철근을 대체하는 콘크리트 구조물의 보강재로서, 강도가 우수하고, 부식에 대한 우려가 없으며, 강도/중량비가 커서 콘크리트 구조물의 자중을 감소시킬 수 있는 장점을 가지고 있다.

이러한 특성에 의해 FRP 바는 신규 콘크리트 구조물의 내하력 증대와, 열화된 철근 콘크리트 구조물의 보수 및 보강을 통한 내하력 증진에 큰 효과가 있어 토목 및 건축용 콘크리트 구조물의 철근 대용으로 널리 사용되고 있다. 그러나 이러한 장점에도 불구하고 FRP 바는 인장 보강재로 사용시, 철근에 비해 콘크리트에 대한 부착 성능이 현저하게 떨어지는 단점을 가지고 있다.

도 10과 도 11은 종래 기술에 의한 FRP 바의 개략도로서, 도 10에 도시한 FRP 바(1)는 외주면에 규사를 코팅한 규사 코팅층(3)을 형성하여 표면의 마찰 저항을 증가시키며, 도 11에 도시한 FRP 바(11)는 통상의 성형기를 이용해 외주면에 에폭시, 폴리에스테르 등의 매트릭스 수지를 부착한 수지 돌출부(13)를 형성하여 외주면을 굴곡 처리하는 방법으로 콘크리트에 대한 부착 성능 향상을 도모하고 있다.

그러나 전술한 표면 처리 방법은 작은 하중 조건에서 우수한 부착 성능을 발휘하지만, FRP 바가 지속적인 하중을 받거나 반복적인 피로 하중 또는 충격 하중이나 큰 하중을 받는 경우에는 아래와 같은 이유로 인해 부착 성능을 제대로 발휘하지 못하는 단점을 안고 있다.

즉, 도 10에 도시한 FRP 바(1)는 전술한 하중 조건에서 규사 코팅층(3)이 FRP 바의 모체(5) 표면으로부터 분리되고, 도 11에 도시한 FRP 바(11)는 수지 돌출부(13)와 FRP 바의 모체(15) 사이에서 전단 파괴가 일어나거나 분리에 의한 파괴가 발생하여 부착 성능이 저하되는 단점이 있다.

따라서 본 발명은 상기한 문제점을 해소하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 섬유강화 폴리머 바의 표면 형상을 개선하여 콘크리트에 대한 부착 성능이 향상된 콘크리트 구조 보강용 섬유강화 폴리머 바를 제공하는데 있다.

상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명은,

강화재로 기능하는 섬유들 및 이 섬유들을 내부에 포함하는 막대 형상의 수지층으로 이루어지는 모체와, 모체의 외주면에 감겨지는 제 1섬유를 구비하여 모체의 외주면에 굴곡을 부여하는 굴곡부와, 굴곡부가 형성된 모체의 외주면에 제 1섬유보다 촘촘하게 감겨지는 제 2섬유들을 구비하여 모체의 외주면에 표면 요철을 부여하는 미세 요철부를 포함하는 콘크리트 구조 보강용 섬유강화 폴리머 바를 제공한다.

바람직하게, 상기 제 1섬유와 제 2섬유는 각자의 수지 보호층에 둘러싸여 모체에 부착되며, 미세 요철부는 복수의 제 2섬유들이 모체의 외주면에서 서로 엮여 격자 형상으로 조직된 것으로 이루어지고, 상기 굴곡부와 미세 요철부는 표면 보호층에 의해 둘러싸여 섬유 사이의 공극을 최소화한다.

이하, 첨부한 도면을 참고하여 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 섬유강화 폴리머 바의 개략도이고, 도 2는 도 1의 부분 확대도로서, 도 2에 FRP 바의 표면을 확대 도시하였다.

도시한 바와 같이, 본 실시예에 의한 FRP 바(2)는 막대 형상의 수지층(4) 내부에 보강 섬유들(6)이 배열된 FRP 모체(8)와, 제 1섬유층(10)이 FRP 모체(8)의 외주면에 감겨 형성되는 굴곡부(12)와, 굴곡부(12)가 형성된 FRP 모체(8)의 외주면에 제 2섬유층(14)이 보다 촘촘하게 감겨 형성되는 미세 요철부(16)를 포함한다.

상기 FRP 모체(8)는 보강 섬유(6)로 탄소 섬유, 유리 섬유, 아라미드 섬유 등을 사용하며, 결합제인 수지층(4)은 에폭시 수지, 폴리에스테르 수지, 비닐에스테르 수지 등으로 이루어진다. 본 실시예에서 FRP 모체(8)는 30∼80중량%의 탄소 섬유와, 20∼70중량%의 비닐에스테르 수지층으로 이루어질 수 있다.

그리고 상기 굴곡부(12)는 FRP 모체(8)의 외주면을 굴곡 처리하여 콘크리트에 대한 FRP 바(2)의 부착력을 향상시키며, 굴곡부(12)를 형성하는 제 1섬유층(10)은 제 1섬유(10a)와, 제 1섬유(10a)를 둘러싸는 수지 보호층(10b)으로 이루어진다. 상기 수지 보호층(10b)은 FRP 모체(8)에 대한 제 1섬유(10a)의 부착력을 향상시키면서 FRP 모체(8)에 대한 일체성을 유지하도록 한다.

상기 제 1섬유층(10)은 일례로 20∼80중량%의 아라미드 섬유와, 20∼80중량%의 비닐에스테르 수지층으로 이루어지며, FRP 모체(8) 외주면에 제 1섬유층(10)을 감는 공정은 수지 보호층(10b)의 경화를 방지하기 위하여 대략 90∼160℃ 조건의 온도 챔버 내부에서 실시하는 것이 바람직하다.

그리고 상기 미세 요철부(16)는 FRP 모체(8)의 표면 마찰력을 증대시키고, FRP 모체(8)의 전단 및 분리 파괴를 억제하는 역할을 한다. 이러한 미세 요철부(16)를 구성하는 제 2섬유층(14)은 제 2섬유(14a)와, 제 2섬유(14a)를 둘러싸는 수지 보호층(14b)으로 이루어지며, 수지 보호층(14b)의 기능은 전술한 제 1섬유층(10)의 수지 보호층(10b)과 동일하다.

이 때, 상기 제 1, 2섬유(10a, 14a)를 둘러싸는 수지 보호층(10b, 14b)은 FRP 모체(8)의 수지층(4)과 동일한 에폭시 수지, 폴리에스테르 수지 또는 비닐에스테르 수지 등으로 이루어진다.

상기 제 2섬유층(14)은 일례로 20∼80중량%의 PVA(polyvinyl alcohol) 섬유와, 20∼80중량%의 비닐에스테르 수지층으로 이루어지며, FRP 모체(8) 외주면에 제 2섬유층(14)을 감는 공정 또한 수지 보호층(14b)의 경화를 방지하기 위하여 90∼160℃ 조건의 온도 챔버 내부에서 실시하는 것이 바람직하다.

특히 미세 요철부(16)는 굴곡부(12)와 달리, 복수개의 제 2섬유들(14a)이 FRP 모체(8)의 외주면에서 서로 엮여 격자 형상으로 촘촘히 조직된 것으로 이루어지며, 이러한 형상 특성에 의해 미세 요철부(16)는 FRP 모체(8)의 외주면을 굴곡 처리할 뿐만 아니라 제 2섬유층(14)의 격자상 조직으로 인해 표면 요철이 발생하여 종래의 규사 코팅층과 같은 부착력 증가 효과를 얻게 된다.

또한, 본 실시예에 의한 FRP 바는 도 3에 도시한 바와 같이 굴곡부(12)와 미세 요철부(16) 표면으로 표면 보호층(18)을 형성할 수 있다. 표면 보호층(18)은 에폭시, 폴리에스테르, 비닐에스테르 등의 매트릭스 수지로 이루어지며, 굴곡부(12)와 미세 요철부(16)를 감싸 섬유 사이의 공극을 채우고, 인가되는 하중과 외부의 환경적 요인으로부터 굴곡부(12)와 미세 요철부(16)를 보호하는 역할을 한다.

일례로 상기 FRP 바(2)는 비닐에스테르 수지가 담겨진 탱크에 1분∼24시간 저장되어 표면 보호층(18)을 형성할 수 있으며, 비닐에스테르 수지가 굴곡부(12) 및 미세 요철부(16) 내부와 FRP 모체(8) 내부에 충분히 함침되어 FRP 바(2)에 발생할 수 있는 공극의 양을 최소화한다.

도 4는 전술한 구성으로 실제 제작된 FRP 바를 촬영한 사진으로서, 제 1섬유층에 의한 굴곡부와 제 2섬유층에 의한 표면 요철부를 쉽게 확인할 수 있다.

다음으로, 본 실시예에 의한 FRP 바와 종래 기술에 의한 FRP 바의 부착 성능 실험 결과를 설명한다. 이 때, 비교예로 사용된 종래 기술에 의한 FRP 바는 규사 코팅층을 구비하는 FRP 바(비교예 1, 도 10 참고)와, 수지 돌출부를 구비하는 FRP 바(비교예 2, 도 11 참고)이다.

상기 FRP 바의 부착 성능 실험은 라운드 로빈(round robin) 직접부착 방법으로 실시하였으며, 실험 시편의 형상과 치수를 도 5에, 그리고 성능 실험 장치를 도 6에 개략적으로 나타내었다. 도 5에서 FRP 바는 일부 구간이 콘크리트와 분리되어 있으며(분리 부분을 인용 부호 24로 표시), 콘크리트에 고정된 FRP 바의 높이(H)는 FRP 바 직경의 5배로 이루어진다. 그리고 도 6에서 인용 부호 20은 콘크리트를 지지하는 프레임을, 인용 부호 22는 변형률 측정기(LVDT: linear variable differential sensor)를 나타낸다.

도시한 실험 시편과 실험 장치에 근거하여 25톤(ton) 용량의 변위를 제어할 수 있는 유니버셜 테스팅 머신(UTM)을 사용하여 1mm/min의 속도로 인발 시험을 실시하였다.

도 7은 종래 기술에 의한 FRP 바(비교예 1)의 하중-인발 선도로서, 가로축의 슬립은 FRP 바가 콘크리트에서 분리되어 나온 길이를 나타낸다. 도시한 바와 같이 비교예 1의 FRP 바는 대략 30kN 이하의 인장 하중 조건에서 규사 코팅층이 콘크리트와 부착력을 유지하다가 하중이 30kN을 초과하면서 규사 코팅층이 FRP 모체로부터 분리되어 급격한 부착 파괴를 일으킨다.

도 8은 종래 기술에 의한 FRP 바(비교예 2)의 하중-인발 선도로서, 비교예 2의 FRP 바는 대략 35kN 이하의 하중 조건에서 수지 돌출부가 콘크리트와 부착력을 유지하다가 하중이 35kN을 초과하면서 수지 돌출부가 하중에 견디지 못하고 파괴되며, FRP 바의 분리 길이가 대략 9mm를 초과하면서 급격히 부착력이 감소하다가 파괴되는 경향을 나타낸다.

도 9는 본 실시예에 의한 FRP 바의 하중-인발 선도로서, 본 실시예에 의한 FRP 바는 대략 80kN 이하의 하중 조건에서 콘크리트와 부착력을 유지하다가 대략 100kN 이상의 하중 조건에서 콘크리트로부터 분리되는 경향을 나타낸다.

이와 같이 본 실시예에 의한 FRP 바(2)는 비교예의 FRP 바와 비교하여 향상된 부착 성능을 나타낸다. 이러한 특성은 굴곡부(12)가 FRP 모체(8)의 외주면을 굴곡 처리하고, 미세 요철부(16)가 FRP 바(2)의 표면 마찰력을 증가시키며, 더욱이 미세 요철부(16)가 FRP 바(2)의 전단 파괴를 억제하는데 기인한다.

다음의 표 1은 전술한 FRP 바의 부착 성능 실험 결과를 나타낸 것으로서, 본 실시예에 의한 FRP 바가 비교예 1의 FRP 바와 비교하여 평균 부착응력이 46.8% 향상되고, 비교예 2의 FRP 바와 비교하여 평균 부착응력이 40.2% 향상되었음을 알 수 있다.

	공시체 번호	최대 부착응력(kgf/cm2)	평균 부착응력(kgf/cm2)
비교예 1	1	212	190
	2	182
	3	183
	4	182
비교예 2	1	189	199
	2	201
	3	229
	4	178
실시예	1	287	279
	2	261
	3	293
	4	269
	5	274
	6	288
	7	281

상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.

이와 같이 본 발명에 의한 섬유강화 폴리머 바는 굴곡부와 미세 요철부에 의해 종래의 섬유강화 폴리머 바와 비교하여 콘크리트에 대한 부착 성능이 강화되며, 그 결과 철근을 대체하는 콘크리트 구조물의 보강재로 안전하게 사용될 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 섬유강화 폴리머 바의 개략도.

도 2는 도 1의 부분 확대도.

도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 섬유강화 폴리머 바의 부분 확대도.

도 4는 본 발명에 의해 제작된 섬유강화 폴리머 바를 촬영한 사진.

도 5는 섬유강화 폴리머 바의 부착 성능 실험을 위한 실험 시편의 개략도.

도 6은 섬유강화 폴리머 바의 성능 실험을 위한 장치의 개략도.

도 7과 도 8은 종래 기술에 의한 섬유강화 폴리머 바의 하중-인발 선도.

도 9는 본 발명의 실시예에 의한 섬유강화 폴리머 바의 하중-인발 선도.

도 10과 도 11은 종래 기술에 의한 FRP 바의 개략도.

Claims (6)

1. 강화재로 기능하는 섬유들 및 이 섬유들을 내부에 포함하는 막대 형상의 수지층으로 이루어지는 섬유강화 폴리머 모체와;

   상기 섬유강화 폴리머 모체의 외주면에 감겨지는 제 1섬유를 구비하여 섬유강화 폴리머 모체의 외주면에 굴곡을 부여하는 굴곡부; 및

   상기 굴곡부가 형성된 섬유강화 폴리머 모체의 외주면에 상기 제 1섬유보다 촘촘하게 감겨지는 제 2섬유들을 구비하여 섬유강화 폴리머 모체의 외주면에 표면 요철을 부여하는 미세 요철부를 포함하는 콘크리트 구조 보강용 섬유강화 폴리머 바.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 제 1섬유와 제 2섬유는 각각 수지 보호층에 둘러싸여 상기 섬유강화 폴리머 모체에 부착되는 콘크리트 구조 보강용 섬유강화 폴리머 바.
3. 제 2항에 있어서,

   상기 수지 보호층은 에폭시 수지, 폴리에스테르 수지 또는 비닐에스테르 수지로 이루어지는 콘크리트 구조 보강용 섬유강화 폴리머 바.
4. 제 1항에 있어서,

   상기 미세 요철부는 복수의 제 2섬유들이 상기 섬유강화 폴리머 모체의 외주면에서 서로 엮여 격자 형상으로 조직된 것으로 이루어지는 콘크리트 구조 보강용 섬유강화 폴리머 바.
5. 제 1항에 있어서,

   상기 굴곡부와 미세 요철부는 표면 보호층에 의해 둘러싸여 섬유 사이의 공극을 최소화하는 콘크리트 구조 보강용 섬유강화 폴리머 바.
6. 제 5항에 있어서,

   상기 표면 보호층은 에폭시 수지, 폴리에스테르 수지 또는 비닐에스테르 수지로 이루어지는 콘크리트 구조 보강용 섬유강화 폴리머 바.