KR101620913B1 - 구조물 보강용 frp 복합체 및 그 제조공법과 이를 이용한 구조물 보강용 frp 복합체의 시공방법 - Google Patents

구조물 보강용 frp 복합체 및 그 제조공법과 이를 이용한 구조물 보강용 frp 복합체의 시공방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 일정한 부피를 가지며, 강섬유가 혼입된 섬유 보강부(100); 섬유 보강부(100)의 노출면에 형성된 FRP 보강부(200);를 포함하는 것을 특징으로 하는 구조물 보강용 FRP 복합체 및 그 제조공법과 이를 이용한 구조물 보강용 FRP 복합체의 시공방법을 제시함으로써, 폭발하중, 고압하중, 고충격하중 및 지진하중에 대한 저항성을 증대하여 구조물에 전달되는 진동 및 충격을 소산시키며, 신축 구조물 및 기존 구조물의 보강에 적용이 용이하고, 구조물의 장,단기적 안정성을 향상시킬 수 있도록 한다.

Description

구조물 보강용 FRP 복합체 및 그 제조공법과 이를 이용한 구조물 보강용 FRP 복합체의 시공방법{FRP COMPOSITE FOR BLAST, HIGH-PRESSURE, HIGH-IMPACT AND SEISMIC LOADING RESISTANCE OF BUILDING STRUCTURE AND PRODUCING METHOD THEREOF AND CONSTRUCTION METHOD USING THE SAME}
본 발명은 토목, 건설 기술분야에 관한 것으로서, 상세하게는 구조물 보강용 FRP 복합체 및 그 제조공법과 이를 이용한 구조물 보강용 FRP 복합체의 시공방법에 관한 것이다.
최근, 국방시설물 이외의 일반 국가중요시설의 사고 및 테러에 대비하는 안전성 확보에 대한 사회적인 요구가 급증하고 있다.
하지만, 국내에서는 방호, 방폭 관련 연구가 대부분 국방산업 분야에서 수행되고 있어 국방 이외의 건설 분야에서는 방호, 방폭 적용 기술 기반이 매우 취약한 실정이다.
또한, 산업시설의 확충과 플랜트 생산 용량의 고도화로 인해 폭발 사고 시 피해 예상액은 기하급수적으로 증가하고 있다.
특히 국내 석유화학 관련 산업은 생산량 및 수출시장의 증가가 대폭 이루어지고 있으나, 2012년 구미국가산업단지 화학공장 폭발 사고로 인명피해 23명, 불산유출로 인해 막대한 2차 피해가 발생하는 등 보안대책이 필요한 실정이다.
하지만, 이러한 국가중요시설의 효율적인 방호, 방폭 시스템을 구성하는 재료 및 자재에 대한 연구개발이 현재 국내에서는 미흡하고, 또한 이들 재료 및 자재로 제작된 방호, 방폭 구조부재 및 구조물에 대한 실증 성능평가 기술개발은 전무하다.
더불어, 국내에서는 충돌, 충격에 대한 방호, 방폭 안전성 관련 시장이 주로 차량충돌 방호벽, 해상교량 선박충돌 방지공, 석유, 가스 플랜트와 같은 화학플랜트 및 국방시설물과 같은 일부 국가중요시설의 방호, 방폭 기능 부여로 한정되어 있어 관련 시장이 활성화 되어 있지 않다.
신설 구조물뿐만 아니라, 사용 중 사회기반시설물 및 건축물의 경우, 방호, 방폭 기능을 부여하기 위해서는 별도의 대응책을 마련할 필요성이 있다.
즉, 기존의 구조물에 대한 방호, 방폭 기능부여 및 강화를 위한 고성능 보강자재의 개발 및 적용기술이 필요한 실정이다.
특히, 기존 구조물의 방호 개념은 콘크리트 두께를 늘리는 구조로 되어 있으나, 이러한 구조는 구조물의 두께가 두꺼워져 자중이 높아지므로 구조물 고유의 기능성이 저하되는 문제점이 있다.
또한, 기존구조물의 방호·방폭 성능 향상을 위한 보강재료의 경우 연구 초기단계의 수준으로서, 다양한 방식의 접근을 통한 기술개발이 이루어져야 하는 분야이며, 보수, 보강에 활용되는 재료조차도 대부분 수입에 의존하고 있는 실정이므로, 이 분야에 대한 기술개발이 시급한 상황이다.
구조물의 방호, 방폭 기능을 부여하기 위한 고성능 보강자재와 관련된 종래의 기술로는 '복합섬유를 이용한 초고인성 방폭 시멘트 복합체(10-2009-0068902, 2009-07-28)', '방폭 콘크리트의 제조 방법(10-2000-0010398, 2000-03-02)', '초고강도 시멘트 폴리머 복합재료의 제조방법(1996-004596)' 등이 있다. 구조물의 방호, 방폭 설계 기술과 관련된 종래의 기술로는 '우수한 방폭 성능을 갖는 콘크리트 구조물 및 이의 제조방법(10-1134993, 2012.04.03)', '방탄 방폭 건축물(10-1096999, 2011.12.14)' 등이 있다. 구조물의 방호, 방폭 보강 기술과 관련된 종래의 기술로는 '방폭 RC 구조물의 제조방법, RC 구조물의 방폭 보강방법 및 방폭 RC 패널(10-2011-0004972, 2011-01-18)', '방폭구조 보강방법(10-2008-0013320, 2008-02-14)' 등이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 도출된 것으로서, 폭발하중, 고압하중, 고충격하중 및 지진하중에 대한 저항성을 증대하여 구조물에 전달되는 진동 및 충격을 소산시키며, 신축 구조물 및 기존 구조물의 보강에 적용이 용이하고, 구조물의 장,단기적 안정성을 향상시킬 수 있는 구조물 보강용 FRP 복합체 및 그 제조공법과 이를 이용한 구조물 보강용 FRP 복합체의 시공방법을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
상기 과제의 해결을 위하여, 본 발명은 일정한 부피를 가지며, 강섬유가 혼입된 섬유 보강부(100); 상기 섬유 보강부(100)의 노출면에 형성된 FRP 보강부(200);를 포함하는 것을 특징으로 하는 구조물 보강용 FRP 복합체를 제시한다.
상기 FRP 보강부(200)는 바잘트 섬유, 아라미드 섬유, 탄소섬유 중 어느 하나 또는 2이상의 혼합물로 형성된 것이 바람직하다.
상기 섬유 보강부(100)는 상기 강섬유 6~15 체적%;를 포함하는 것이 바람직하다.
상기 강섬유는 형상비가 50~80인 것이 바람직하다.
상기 섬유 보강부(100)는 충전재;를 포함하며, 상기 충전재는 전체 100 중량부에 대하여, 감수제 1~3 중량부; 증점제 0.01~0.1 중량부; 실리카흄 또는 고로슬래그 미분말 중 어느 하나 또는 그 혼합물 0.1~15 중량부;를 포함하는 것이 바람직하다.
상기 충전재는 물-시멘트비가 33~35%이고, 잔골재율이 0.2~1.0 인 것이 바람직하다.
본 발명은 상기 구조물 보강용 FRP 복합체의 제조공법으로서, 상기 FRP 보강부(200)를 제조하는 FRP 보강부 제조단계; 상기 섬유 보강부(100)를 제조한 후, 상기 FRP 보강부(200)의 내부에 상기 섬유 보강부(100)를 충전하는 섬유 보강부 제조단계; 상기 FRP 보강부(200)와 섬유 보강부(100)를 합성시켜 경화 후, 가공하여 상기 FRP 복합체(300)를 제작하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 구조물 보강용 FRP 복합체의 제조공법을 함께 제시한다.
상기 FRP 보강부 제조단계는 접착재의 함침에 의해 다수의 천 구조의 보강재(210);가 적층구조로 부착되도록 제조하는 것이 바람직하다.
상기 보강재는 바잘트 섬유, 아라미드 섬유, 탄소섬유 중 어느 하나 또는 2이상의 혼합물에 의해 형성된 것이 바람직하다.
상기 접착재는 에폭시;를 포함하는 것이 바람직하다.
상기 FRP 보강부 제조단계는 바잘트 섬유, 아라미드 섬유, 탄소섬유 중 어느 하나 또는 2이상의 혼합물 및 에폭시;를 포함하는 접착재를 혼합하여 뿜칠시공하는 것이 바람직하다.
상기 FRP 보강부 제조단계는 상기 FRP 보강부(200)를 프리캐스트 제품(220)으로 제조하는 것이 바람직하다.
상기 프리캐스트 제품으로 제조한 FRP 보강부(220)는 단면이 원형인 기둥형 구조(221) 또는 단면이 사각형인 기둥형 구조(222) 중 어느 하나인 것이 바람직하다.
상기 섬유 보강부 제조단계는 상기 FRP 보강부(200)의 내부에 펌프를 이용하여 상기 섬유 보강부(100)를 충전하는 것이 바람직하다.
상기 FRP 보강부(200)는 상부가 개방된 구조로 형성되며, 상기 섬유 보강부 제조단계는 상기 FRP 보강부(200)의 상부에서 상기 FRP 보강부(200)의 내부를 향해 상기 펌프를 이용하여 상기 섬유 보강부(100)를 타설하여 충전하는 것이 바람직하다.
본 발명은 상기 구조물 보강용 FRP 복합체의 시공방법으로서, 구조물의 보(10)와 기둥(20)의 접합부에 상기 FRP 복합체(300)를 설치하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 구조물 보강용 FRP 복합체의 시공방법을 함께 제시한다.
본 발명은 상기 구조물 보강용 FRP 복합체의 시공방법으로서, 상기 FRP 복합체(300)를 이용하여 구조물의 기둥(20)을 형성 또는 보강하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 구조물 보강용 FRP 복합체의 시공방법을 함께 제시한다.
본 발명은 폭발하중, 고압하중, 고충격하중 및 지진하중에 대한 저항성을 증대하여 구조물에 전달되는 진동 및 충격을 소산시키며, 신축 구조물 및 기존 구조물의 보강에 적용이 용이하고, 구조물의 장,단기적 안정성을 향상시킬 수 있는 구조물 보강용 FRP 복합체 및 그 제조공법과 이를 이용한 구조물 보강용 FRP 복합체의 시공방법을 제시한다.
도 1 내지 도 5는 본 발명에 의한 구조물 보강용 FRP 복합체의 실시예를 도시한 것으로서,
도 1은 강섬유의 형상을 나타낸 모식도.
도 2는 프리캐스트로 제작된 FRP 복합체의 이미지.
도 3은 FRP 복합체의 사용상태를 도시한 단면도.
도 4는 보와 기둥의 접합부에 FRP 복합체가 설치된 상태를 도시한 사시도.
도 5는 기둥에 FRP 복합체가 설치된 상태를 도시한 사시도.
도 6 내지 도 26은 본 발명의 효과를 검증하기 위한 실험예 및 실험결과를 도시한 것으로서,
도 6 내지 도 8은 활용 가능한 섬유의 내광 시험결과를 나타낸 것으로서,
도 6은 Normal Condition일 경우, 내광시험 전,후의 섬유 형상을 나타낸 이미지.
도 7은 200시간 내광 처리 후 섬유 형상을 나타낸 이미지.
도 8은 400시간 내광 처리 후 섬유 형상을 나타낸 이미지.
도 9는 잔골재량 변화에 따른 컨시스턴시 실험결과를 도시한 그래프.
도 10은 각 변수별 컨시스턴시 실험결과를 도시한 그래프.
도 11은 실리카 퓸 혼입율 및 잔골재량 변화에 따른 압축강도 실험결과를 도시한 그래프.
도 12는 각 변수별 압축강도 실험결과를 도시한 그래프.
도 13은 Mini Flow 실험 전경을 나타낸 이미지.
도 14는 각 변수별 Mini Flow 실험결과를 도시한 그래프.
도 15 및 도 16은 J-Fiber Penetration 실험장비를 도시한 이미지 및 사시도.
도 17은 각 변수별 J-FPT 실험결과를 도시한 그래프.
도 18은 블리딩률 측정장비 및 실험전경을 나타낸 이미지.
도 19은 각 변수별 블리딩률 실험결과를 도시한 그래프.
도 20은 각 변수별 레올로지 실험결과를 도시한 그래프.
도 21은 예비시험체의 압축강도 실험결과를 도시한 그래프.
도 22는 예비시험체의 휨강도 실험결과를 도시한 그래프.
도 23은 휨인성 실험결과를 도시한 그래프(W40SF0SP2VA0-1)
도 24는 휨인성 실험결과를 도시한 그래프(W40SF0SP2VA0-2)
도 25는 휨인성 실험결과를 도시한 그래프(W40SF15SP2VA0-1)
도 26은 휨인성 실험결과를 도시한 그래프(W40SF15SP2VA0-2)
이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 관하여 상세히 설명한다.
도 1 이하에 도시된 바와 같이, 본 발명에서 제시하는 구조물 보강용 FRP 복합체는 일정한 부피를 가지며, 강섬유가 혼입된 섬유 보강부(100); 섬유 보강부(100)의 노출면에 형성된 FRP 보강부(200);를 포함하여 구성되는 점이 특징이다.
즉, 신축 구조물 또는 기존 구조물의 방호, 방폭 성능 개선을 위하여 FRP를 이용한 보강부(200)가 형성되고, 그 내부에 강섬유가 배치되어 슬러리가 충전된 구조로 이루어진다.
이러한 구조를 통해 얻을 수 있는 장점은 다음과 같다.
첫째, 저중량, 고강성을 특징으로 하는 신소재 복합재료인 FRP를 이용한 FRP 보강부(200)가 복합체의 외피로서 사용되므로, 구조물의 방호, 방폭 성능을 극대화할 수 있으며, 지진 발생 시 에너지를 흡수하여 복구가 효과적으로 이루어질 수 있다는 장점이 있다(도 3).
따라서, 구조물의 폭발 또는 지진이 발생한 경우에도 구조물의 안정성을 효과적으로 확보할 수 있으며, 이를 통해 향후 구조물의 복구에 사용되는 비용과 기간을 매우 절감할 수 있다는 효과가 있다.
둘째, FRP 보강부(200)를 통하여 폭발, 지진 등으로 발생하는 변형에 대한 강성을 확보할 수 있으므로, 구조물의 장,단기적 안정성을 확보할 수 있다는 장점이 있다.
셋째, 본 발명의 FRP 복합체(300)는 저중량의 복합재료를 사용한 것이며, 구조가 매우 단순하므로, 시공이 용이하다는 장점이 있다.
넷째, 본 발명의 FRP 복합체(300)는 섬유 보강부(100)의 내부에 강섬유가 배치되고, 슬러리가 충전되는 구조로 형성된다.
이를 통해, 슬러리의 충전성능이 개선되고 유동성을 확보할 수 있다는 장점이 있다.
다섯째, 본 발명의 FRP 복합체(300)는 다양한 방식으로 시공될 수 있으며, 프리캐스트 제품으로 공장에서 미리 제작될 수도 있다(도 2).
따라서, 사전에 설치하고자 하는 공간의 크기에 적합하도록 제작하여 적용할 수 있고, 현장에서 간단하게 설치할 수 있으므로, 폭발, 지진 등의 피해 시 구조물의 응급복구가 신속하게 이루어지고, 작업에 소요되는 경비와 시간을 효과적으로 저감할 수 있다는 장점이 있다.
여섯째, 신소재 복합재료인 FRP를 이용함으로써, 그 활용성에 관한 신기술 개발 및 응용 적용분야의 새로운 수요를 창출하여 경제적인 효과를 얻을 수 있다.
또한, 국방 시설물 등과 같은 일부 국가 중요시설뿐 아니라, 빌딩, 공장 및 SOC구조물 등 민간시설물에 대해서도 적용이 용이하다는 장점이 있다.
보다 구체적으로, 본 발명의 FRP 복합체의 구조는 다음과 같다.
먼저, 복합체의 외피 기능을 하는 FRP 보강부(200)의 경우, 바잘트 섬유, 아라미드 섬유, 탄소섬유 중 어느 하나 또는 2이상의 혼합물로 형성된 것이 특징이다.
여기서, 바잘트섬유는 인장강도 1,500MPa이상, 탄성계수 70GPa이상, 아라미드 섬유는 인장강도 2,500MPa 이상, 탄성계수 100GPa이상, 탄소섬유는 인장강도 1,700MPa 이상, 탄성계수 130GPa 이상인 것을 사용하는 것이 바람직하다.
한편, 섬유 보강부(100)는 강섬유가 6~15 체적% 혼입되고, 시멘트 복합체가 충진된 구조로 형성된다.
이러한 강섬유는 형상비가 50~80이고, 인장강도가 1,000MPa 이상인 것을 사용하는 것이 바람직하다.
강섬유는 도 1에 도시된 바와 같이 섬유 끝단이 굽혀진 구조 특히, 굽힘의 단계가 점차 증가하는 구조로 형성된 것이 효과적이다.
위의 구조로 형성된 강섬유는 시멘트 복합체와의 부착력을 보다 증진시키고, 가교역할 (bridging action)을 효과적으로 증대시킨다는 장점이 있다.
위의 섬유 보강부(100)는 충전 슬러리 즉, 충전재를 포함하며, 충전재는 전체 100 중량부에 대하여, 감수제 1~3 중량부; 증점제 0.01~0.1 중량부; 실리카흄 또는 고로슬래그 미분말 중 어느 하나 또는 그 혼합물 0.1~15 중량부;를 포함하는 것이 바람직하다.
또한, 충전재는 물-시멘트비가 33~35%이고, 잔골재율이 0.2~1.0 인 것이 바람직하다.
본 발명은 이러한 위의 배합조건을 제시함으로써, 재료분리를 저감시킬 수 있고 슬러리의 점성을 확보하여 충전 성능을 극대화할 수 있다는 장점을 얻을 수 있다.
본 발명의 구조물 보강용 FRP 복합체의 제조공법은 다음과 같이 이루어진다.
FRP 보강부(200)를 제조하는 FRP 보강부 제조단계가 이루어진다.
섬유 보강부(100)를 제조한 후, FRP 보강부(200)의 내부에 섬유 보강부(100)를 충전하는 섬유 보강부 제조단계가 이루어진다.
다음으로, FRP 보강부(200)와 섬유 보강부(100)를 합성시켜 경화 후, 가공하여 상기 FRP 복합체(300)를 제작하는 단계가 이루어진다.
여기서, FRP 보강부 제조단계는 다음과 같은 다양한 실시예로 이루어질 수 있다.
첫째, 접착재의 함침에 의해 다수의 천 구조의 보강재(210)가 적층구조로 부착되도록 제조할 수 있다.
여기서, 보강재는 바잘트 섬유, 아라미드 섬유, 탄소섬유 중 어느 하나 또는 2이상의 혼합물에 의해 형성된 것을 사용하며, 접착재는 에폭시를 사용하는 것이 기능적 측면에서 효과적이다.
이러한 방식으로 제조될 경우, FRP 보강부(200)를 형성하기 위한 보강재(210)의 부착작업이 매우 간편하다는 장점이 있다.
둘째, 바잘트 섬유, 아라미드 섬유, 탄소섬유 중 어느 하나 또는 2이상의 혼합물 및 에폭시를 포함하는 접착재를 혼합하여 뿜칠시공하는 방식으로 이루어질 수 있다.
이러한 뿜칠형 시공은 작업이 보다 간편하고 용이하다는 장점이 있으며, FRP 복합체(300)의 제작과 이를 구조물에 설치하는 작업이 동시에 이루어질 수 있으므로, 시공시간을 단축할 수 있다는 장점이 있다.
셋째, FRP 보강부(200)를 프리캐스트 제품(220)으로 제조할 수 있다.
즉, 프리캐스트로 제작된 FRP 보강부(220)의 내부에 본 발명의 섬유 보강부(100)를 타설하여 경화시키는 방식이다.
이러한 프리캐스트 제품으로 제조한 FRP 보강부(220)는 단면이 원형인 기둥형 구조(221) 또는 단면이 사각형인 기둥형 구조(222) 중 다양한 구조로 구현될 수 있다(도 2).
이와 같이 FRP 보강부(220)가 프리캐스트 제품으로 제작됨으로써, 시공이 보다 신속하고 간편하게 이루어질 수 있다는 장점이 있다.
또한, 섬유 보강부 제조단계는 FRP 보강부(200)의 내부에 고성능 펌프를 이용하여 상기 섬유 보강부(100)를 충전한다.
위의 시공에 있어서 펌프를 FRP 보강부(200)의 개방된 구조의 상부에서 내부를 향해 타설하여 충전하는 것이 바람직하다.
이러한 방법은 자중을 통해 충전효과를 극대화할 수 있다는 장점이 있다.
본 발명의 구조물 보강용 FRP 복합체의 시공방법은 다음과 같은 공정으로 이루어진다.
먼저, 도 4에 도시된 바와 같이 구조물의 보(10)와 기둥(20)의 접합부에 FRP 복합체(300)를 설치할 수 있다.
또한, 도 5에 도시된 바와 같이 FRP 복합체(300)를 이용하여 구조물의 기둥(20)을 형성하거나, 폭발, 지진 등으로 인해 피해를 입은 기둥(20)을 보강할 수 있다.
위의 경우, 본 발명의 FRP 보강부(200)가 동적 하중 작용 시 배면의 파쇄에 대한 효과를 저감시킴으로써, 파쇄방지판 (Scab plate) 기능을 한다(도 3).
또한, 본 발명의 FRP 복합체(300)가 구조물에 시공됨으로써, 내부의 기존 구조물 또는 충전 재료의 추가적인 구속작용 (confinement 효과)을 하므로, 구조적 안전성 증대할 수 있다는 장점이 있다.
더불어, 본 발명의 FRP 복합체(300)는 앞서 설명한 바와 같이, 에폭시 부착시공, 뿜칠형 시공, 프리캐스트 제조 등 다양한 방식으로 제조되어 설치될 수 있으므로, 기존 구조물 또는 신규 구조물의 다양한 구조 형식에 대해 적용이 용이하다는 장점이 있다.
이하, 본 발명의 효과를 알아보기 위한 실험예에 관하여 설명한다.
본 발명의 섬유 보강부(100)를 구성하는 충전 슬러리의 기초 물성을 분석하기 위하여, KS F 2432에 의거하여 컨시스턴시 시험을 통하여 유동성능을 분석하였다.
또한, 레올로지 시험과 Mini Flow 시험을 통하여 슬러리의 점성 정도를 분석하였고, 굵은골재를 전혀 사용하지 않은 슬러리의 품질확보를 위하여 KS F 2433에 의거하여 블리딩 시험을 수행하였다.
보다 구체적으로, 본 발명의 섬유 보강부(100)에 사용한 강섬유의 기초물성 평가를 위하여, 인장강도, 탄성계수 및 변수에 대한 실험을 수행하였다.
하기 표 1은 활용가능한 섬유의 기초물성 실험 결과를 나타낸 것이다.
Figure 112014088633502-pat00001
또한, 내광성 200 시간 및 400 시간 이후의 기초물성 변화에 대한 실험을 수행하였다.
표 2는 표 1에 나타낸 활용 가능한 섬유의 내광 처리 후 기초물성 실험결과를 나타낸 것이다.
Figure 112014088633502-pat00002
다음으로, 알칼리 저항 특성 분석을 통하여 본 발명의 FRP 복합체(300)에 적용 가능성을 분석하였다.
이를 위해, 1M NaOH 용액에 침지시킨 후, 경시변화에 따른 중량손실율을 측정하였으며, 표 3은 중량손실율 실험결과를 나타낸 것이다.
Figure 112014088633502-pat00003
전계방사형 주사전자현미경(FE-SEM)을 통하여 활용 가능한 섬유의 내광 시험 전, 후의 형상을 분석하였다.
도 6 내지 도 8은 내광 시험 전,후의 섬유 형상을 나타낸 것이다.
도 6은 Normal Condition, 도 7은 200시간 내광 처리 후, 도 8은 400시간 내광 처리 후의 형상을 나타낸 것이다.
다음으로, 섬유 보강부(100)의 충전 슬러지의 기본 배합 설계를 하였다.
재료의 구성은 1종 보통포틀랜드시멘트, 실리카 퓸, 0.5mm 이하의 직경을 갖는 잔골재로 구성하고 굵은골재를 사용하지 않았다.
물-결합재비는 0.4로 고정하였으며, 충전성능 분석을 위하여 결합재 대비 잔골재량을 1:0.5, 1:1.0 및 1:1.5, 총 3가지 변수에 대하여 고려하였다.
또한, 충전성능 개선을 위하여 고성능감수제를 사용하였으며, 점성을 높이고 재료분리 저감을 목적으로 증점제를 활용하였다.
표 4는 배합변수를 나타낸 것이며, 소요 강도 발현을 위하여 실리카 퓸을 시멘트 중량 대비 5%, 10% 및 15%를 치환하여 실험을 진행하였다.
또한, 시멘트 및 실리카 퓸의 물리·화학적 특성은 표 5에 나타낸 바와 같다.
Figure 112014088633502-pat00004
Figure 112014088633502-pat00005
압축강도 50MPa 수준의 슬러리 배합 도출을 위한 실험 항목은 다음과 같다.
먼저, 도 9는 잔골재량 변화에 따른 컨시스턴시(KS F 2433) 실험결과를 그래프로 도시한 것이다.
컨시스턴시 실험결과, 잔골재량 변화에 따른 컨시스턴시 측정시간은 증가하는 경향을 나타내었다.
또한, 실리카 퓸 혼입율 증가에 따은 컨시스턴시 측정시간 역시 증가한 것을 확인할 수 있었다.
본 발명의 목적에 적합한 잔골재량은 결합재 대비 1:0.5 임을 알 수 있었다.
따라서, 본 발명에서는슬러리 배합에 결합재 대비 잔골재량은 1:0.5 로 설정함이 바람직 할 것으로 판단되었다.
위 결과에서 도출된 1:0.5의 비율을 바탕으로 증점제를 결합재 중량 대비 0.05%를 활용하여 컨시스턴시 실험을 수행하였다.
도 10은 증점제를 활용한 컨시스턴시의 실험결과를 나타낸 그래프이다.
증점제 혼입에 따른 컨시스턴시 실험결과, 측정시간은 다소 증가하나 그 차이는 크지 않은 것으로 분석되었다.
또한, 실리카 퓸 혼입 15%에서는 유동성 개선을 위하여 고성능감수제를 결합재 중량 대비 2.5%로 상향 조정하였다
다음으로, 압축강도(KS L 5105) 실험을 수행하였다.
도 11은 실리카 퓸 혼입율 및 잔골재량 변화에 따른 압축강도 실험결과를 나타낸 그래프이다.
도 12는 증점제를 혼입한 후, 슬러리 압축강도 실험결과를 나타낸 것이다.
다음으로, Mini Flow 실험을 수행하였다.
Mini Flow 실험은 플로우 콘(윗지름 70mm, 아랫지름 100mm)을 들어올려 직경 30cm까지 도달하는 시간을 측정하였다.
도 13은 위의 실험 전경을 도시한 이미지 이며, 도 14는 증점제를 활용하여 Mini Flow 실험결과를 나타낸 그래프이다.
실리카 퓸 혼입율 증가 및 증점제 첨가에 따른 Mini Flow 실험결과, 측정시간은 증가하는 경향을 나타내었다.
다음으로, J-Fiber Penetration Test (J-FPT)을 수행하였다.
J-FPT는 영국의 L Svemova에 의해 고안된 실험방법으로 슬러리의 섬유 침투성능을 측정할 수 있는 지표로 활용할 수 있을 것으로 판단된다.
도 15 및 도 16은 위의 실험에 사용된 장비를 도시한 이미지이며, 도 17은 증점제를 활용하여 J-FPT 실험을 통한 슬러리의 침투 실험결과를 나타낸 그래프이다.
슬러리 충전성능 평가를 통하여 실리카 퓸 혼입 0% 및 5%의 경우, 증점제를 혼입한 활용한 변수에서 더 빠른 충전시간을 나타내었다.
하지만 실리카 퓸 사용량 증대에 따라 충전성능 저하 및 특히, 증점제를 사용한 경우 충전성능이 다소 감소하는 경향을 나타내었다.
다음으로, 블리딩(KS F 2433) 실험을 수행하였다.
본 발명의 슬러리 배합에서는 굵은골재를 전혀 사용하지 않아 재료 품질확보를 위하여 블리딩 실험을 수행하였다.
도 18은 블리딩률 측정 장비 및 실험 전경을 나타낸 이미지이며, 도 19는 증점제를 활용하여 배합변수별 슬러리의 블리딩률 실험을 진행한 실험결과이다.
다음으로, 레올로지 실험을 수행하였다.
본 발명에서는 재료분리 저감을 목적으로 증점제를 활용하였다.
이에 따라 각 변수별 실리카 퓸 혼입율 및 증점제 활용 유무에 따른 레올로지 실험을 진행하였다.
도 20은 각 변수별 레올로지 실험결과를 나타낸 그래프이다.
실리카 퓸 혼입율 증가 및 증점제 첨가에 따른 전단응력(Shear stress)은 증가하는 경향을 나타내었다.
이는 상대적으로 큰 실리카 퓸의 분말도가 슬러리 매트릭스에서 충전재와 같은 역할을 하여 재료분리를 억제한 것으로 판단된다.
또한, 이러한 재료분리 저감을 통하여 슬러리의 점성을 확보할 수 있어 실리카 퓸의 사용이 적절할 것으로 사료된다.
다음으로, 슬러리 충전 HPFRCC 예비시험체 제작하였다.
슬러리 충전 HPFRCC 섬유 혼입율은 8%로 상당히 높은 혼입율의 변수를 설정하였다.
또한 형상비(l/d) 60의 강섬유를 사용하였으며, 목표 압축강도는 50MPa로 설정하였디.
표 6은 슬러리 충전 HPFRCC에 사용된 배합표를 나타낸 것이다.
Figure 112014088633502-pat00006
먼저, 예비시험체의 압축강도는 50×50×50mm3 의 압축 공시체를 제작하였다.
또한 섬유 혼입율에 따른 압축강도를 측정하기 위해 섬유를 혼입한 변수와 섬유 비혼입 변수에 대하여 대해 압축강도를 측정하였다.
도 21은 예비시험체의 압축강도 실험결과를 나타낸 그래프이다.
다음으로, 예비시험체의 휨강도는 100×100×400mm3 의 휨 공시체를 제작하였다.
도 22는 예비시험체의 휨강도 실험결과를 나타낸 그래프이다.
예비시험체의 휨강도 실험결과, W40SF0SP2VA0 변수의 경우 압축강도의 약 73%, W40SF15SP2.5VA0 변수의 경우 압축강도의 약 76% 수준으로 상당히 높은 휨강도를 나타내었다.
다음으로, 예비시험체의 방호·방폭 성능개선을 위한 에너지 흡수능력을 평가하기 위해 휨인성 시험을 수행하였다.
또한 휨인성지수 분석을 위하여 초기균열을 최대하중의 80%로 하여 실험을 진행하였다.
도 23 내지 26은 각 변수별 하중-처짐 곡선을 나타낸 것이다.
표 7,8은 휨인성지수 실험결과를 나타낸 것이다.
Figure 112014088633502-pat00007
Figure 112014088633502-pat00008
예비시험체 휨인성 실험결과, 높은 섬유 혼입율로 인한 에너지 흡수능력이 뛰어난 것으로 분석되었다.
이상은 본 발명에 의해 구현될 수 있는 바람직한 실시예의 일부에 관하여 설명한 것에 불과하므로, 주지된 바와 같이 본 발명의 범위는 위의 실시예에 한정되어 해석되어서는 안 될 것이며, 위에서 설명된 본 발명의 기술적 사상과 그 근본을 함께 하는 기술적 사상은 모두 본 발명의 범위에 포함된다고 할 것이다.
10 : 보 20 : 기둥
100 : 섬유 보강부 200 : FRP 보강부
210 : 보강재 220 : 프리캐스트 FRP 보강부
221 : 단면이 원형인 기둥형 구조 222 : 단면이 사각형인 기둥형 구조
300 : FRP 복합체

Claims (17)

  1. 일정한 부피를 가지며, 형상비가 50~80이고, 양단에 복수의 단차절곡부가 형성된 강섬유가 혼입된 섬유 보강부(100);
    상기 섬유 보강부(100)의 노출면에 형성된 FRP 보강부(200);를 포함하되
    상기 FRP 보강부(200)는
    인장강도가 1,500MPa 이상이고 탄성계수가 70GPa 이상인 바잘트 섬유, 인장강도가 2,500MPa 이상이고 탄성계수가 100GPa 이상인 아라미드 섬유, 인장강도가 1,700MPa 이상이고 탄성계수가 130GPa 이상인 탄소섬유 중 어느 하나 또는 2이상의 혼합물로 형성되고,
    상기 섬유 보강부(100)는
    상기 강섬유 6~15 체적%;
    물-시멘트비가 33~35%이고, 잔골재율이 0.2~1.0인 충전재;를 포함하며,
    상기 충전재는
    전체 100 중량부에 대하여,
    감수제 1~3 중량부;
    증점제 0.01~0.1 중량부;
    실리카흄 또는 고로슬래그 미분말 중 어느 하나 또는 그 혼합물 0.1~15 중량부;를 포함하는 보강용 FRP 복합체 제조공법으로서,
    바잘트 섬유, 아라미드 섬유, 탄소섬유 중 어느 하나 또는 2이상의 혼합물 및 에폭시를 포함하는 접착재를 혼합하여 뿜칠시공하여 상기 FRP 보강부(200)를 제조하는 FRP 보강부 제조단계;
    상기 섬유 보강부(100)를 제조한 후, 상기 FRP 보강부(200)의 내부에 상기 섬유 보강부(100)를 충전하는 섬유 보강부 제조단계;
    상기 FRP 보강부(200)와 섬유 보강부(100)를 합성시켜 경화 후, 가공하여 상기 FRP 복합체(300)를 제작하는 단계;를
    포함하는 것을 특징으로 하는 구조물 보강용 FRP 복합체의 제조공법.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 FRP 보강부 제조단계는
    접착재의 함침에 의해 다수의 천 구조의 보강재(210);가 적층구조로 부착되도록 제조하는 것을 특징으로 하는 구조물 보강용 FRP 복합체의 제조공법.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 보강재는
    바잘트 섬유, 아라미드 섬유, 탄소섬유 중 어느 하나 또는 2이상의 혼합물에 의해 형성된 것을 특징으로 하는 구조물 보강용 FRP 복합체의 제조공법.
  10. 제 8항에 있어서,
    상기 접착재는
    에폭시;를
    포함하는 것을 특징으로 하는 구조물 보강용 FRP 복합체의 제조공법.
  11. 삭제
  12. 제 1항에 있어서,
    상기 FRP 보강부 제조단계는
    상기 FRP 보강부(200)를 프리캐스트 제품(220)으로 제조하는 것을 특징으로 하는 구조물 보강용 FRP 복합체의 제조공법.
  13. 제 12항에 있어서,
    상기 프리캐스트 제품으로 제조한 FRP 보강부(220)는
    단면이 원형인 기둥형 구조(221) 또는 단면이 사각형인 기둥형 구조(222) 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 구조물 보강용 FRP 복합체의 제조공법.
  14. 제 1항에 있어서,
    상기 섬유 보강부 제조단계는
    상기 FRP 보강부(200)의 내부에 펌프를 이용하여 상기 섬유 보강부(100)를 충전하는 것을 특징으로 하는 구조물 보강용 FRP 복합체의 제조공법.
  15. 제 14항에 있어서,
    상기 FRP 보강부(200)는 상부가 개방된 구조로 형성되며,
    상기 섬유 보강부 제조단계는
    상기 FRP 보강부(200)의 상부에서 상기 FRP 보강부(200)의 내부를 향해 상기 펌프를 이용하여 상기 섬유 보강부(100)를 타설하여 충전하는 것을 특징으로 하는 구조물 보강용 FRP 복합체의 제조공법.
  16. 제 1항의 FRP 복합체의 제조공법에 의해 제조된 구조물 보강용 FRP 복합체의 시공방법으로서,
    구조물의 보(10)와 기둥(20)의 접합부에 상기 FRP 복합체(300)를 설치하는 단계;를
    포함하는 것을 특징으로 하는 구조물 보강용 FRP 복합체의 시공방법.
  17. 제 1항의 FRP 복합체의 제조공법에 의해 제조된 구조물 보강용 FRP 복합체의 시공방법으로서,
    상기 FRP 복합체(300)를 이용하여 구조물의 기둥(20)을 형성 또는 보강하는 단계;를
    포함하는 것을 특징으로 하는 구조물 보강용 FRP 복합체의 시공방법.
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