KR102539633B1 - 구조물에의 frp재 접착 구조 및 접착 방법 - Google Patents

Abstract

구조물에 대한 FRP재의 접착 구조로서, 상기 구조물과 FRP재의 사이에, 섬유계 기재와 수지로 형성된 접착층이 개재되고, 또한 FRP재의 가장자리 끝으로부터 접착층이 돌출되어 있는 것을 특징으로 하는 구조물에의 FRP재 접착 구조, 및 접착 방법. 기설의 구조물에 대해서, 시공 현장에서 용이하고, 또한 확실하게 필요한 FRP재에 의한 보수, 보강을 할 수 있게 되고, 특히, 구조물과 보수, 보강용의 FRP재의 사이에 충분히 높은 접착력을 발휘시켜, 구조물에, FRP재에 의한 목표로 하는 보수, 보강 성능을 보다 확실하게 발현시킬 수 있게 된다.

Description

구조물에의 FRP재 접착 구조 및 접착 방법

본 발명은, 구조물에의 FRP(섬유강화플라스틱) 재의 접착 구조 및 접착 방법에 관한 것으로, 특히, 용도 변경을 필요로 하는 기설(旣設)의 구조물이나 부식 등에 의해 단면 결손한 기설의 구조물에 대해서, 볼트 접합이나 용접 접합을 실시하지 않고, 시공 현장에서도 용이하고, 또한 확실하게 필요한 FRP재에 의한 보수, 보강을 할 수 있고, 이것에 따라 확실하게 기설의 구조물에 바람직한 성능의 향상 혹은 회복을 행할 수 있는, 구조물에의 FRP재 접착 구조 및 접착 방법에 관한 것이다.

기설의 구조물(예를 들면, 표면 재질이 강철(steel)이나 FRP의 구조물)의 용도 변경에 따라 그 성능의 향상을 도모하는 경우, 증설하는 강철 덧댐판 등의 구조용 부재(部材)와 모재(母材)(기설의 구조물)의 접합에 볼트 접합이나 용접 접합을 이용하고 있다. 그러나, 이러한 방법에서는, 예를 들면, 볼트 구멍은 단면을 결손시키는 것, 또한, 용접 접합부에는 잔류응력이 도입되는 것으로부터, 모재에 부담을 주어 새로운 결함이 발생할 우려가 있다. 또한 증설하는 구조용 부재가 강철제인 경우에는, 중량이 증가하기 때문에, 설계에서 고려해야 할 작용력이 증가할 뿐만 아니라, 시공 현장의 작업성에도 문제를 일으키는 경우가 있다.

또한, 구조물에 단면 결손이 생기는 경우에 이것을 보수해 성능의 회복을 도모하는 경우, 예를 들면 부식 등으로 감육(減肉)한 강철 구조물을 보수하는 경우, 강화 섬유 시트, 특히 탄소섬유 시트를 사용해, 감육으로 잃은 만큼의 강성에 상당하는 탄소섬유 시트를 붙여 성능을 회복하는 기술이 알려져 있다.

이러한 탄소섬유 강화 플라스틱(CFRP)에 의한 구조물의 보수 기술로서 현장에서 핸드 레이 업해서 보수하는 기술, 공장에서 성형한 CFRP 평판을 퍼티 상태의 접착제로 붙여 보수하는 기술 외에, 최근에는 VaRTM(Vacuum assisted RTM, RTM:Resin Transfer Molding) 성형에 의한 보수 기술이 제안되고 있다. 이 VaRTM 보수 기술은, 현장에서 드라이의 보강 섬유 시트를 겹치고, 그 위에 필름을 덮어 진공 펌프로 내부를 감압한 후에 수지를 주입하고, 보강 섬유 기재와 수지로 구성되는 FRP재와 구조물을 일체화하는 기술이다. 확실하게 일체화하여 보수 효과를 올리기 위해서는, 확실하게 접착면까지 수지를 흘려 넣고, 경화시켜 바람직한 접착력을 발휘하는 것이 중요하다. 그렇지만, 종래 기술에서는, 수지의 퍼짐이 불충분하여 FRP재와 구조물의 접착면에 수지가 충분히 미치지 않아, 접착제가 가지는 접착 강도를 충분히 발휘하기 어려운 것이 과제였다.

예를 들면, 특허문헌 1에는, VaRTM 성형에 의한 보강은 기재되어 있지만, 접착 강도를 발휘시키기 위한 구조에 관해서는 기재가 없다. 이 때문에, 접착용 기재 층의 개념이 존재하지 않고, 필요한 부위까지 확실하게 수지를 흘려 넣어, 안정한 접착 강도를 확보할 수 없는 것이 우려된다. 또한, 다적층의 경우, 고침투성 섬유 재료의 중간 삽입에 의해서, 보강층에의 수지 함침성은 확보할 수 있지만, 접착면까지 충분히 수지가 퍼지지 않고, 또한 접착 강도의 저하가 우려된다.

한편, 특허문헌 2에는, 프리프레그 시트를 사용한 콘크리트 구조물의 보강 방법이 개시되어 있다. 보강 섬유 기재는 수지가 함침된 프리프레그 시트이기 때문에, 접착 강도는 확보할 수 있지만, 공정 시간이 증가하고, 또한 수지에 따라서는 밀봉화 후부터 진공 흡인할 때까지의 동안에 수지가 경화하기 시작되어, 오히려 접착면에 공기가 남아, 저접착 강도를 일으킬 우려가 있다. 또한, 증설 부재가 프리프레그 시트이기 때문에 품질이 높기는 하지만, 가열하면서 시공되기 때문에 열원 설비 등이 필요해 작업순서가 번잡하게 되는 문제가 있다.

특허문헌 1 일본 특허공표 평 10-513515호 공보 특허문헌 2 일본 특허공개 평 11-148230호 공보

그래서 본 발명의 과제는, 용도 변경을 필요로 하는 기설의 구조물이나 부식 등에 의해 단면 결손한 기설의 구조물에 대해서, 볼트 접합이나 용접 접합을 실시하지 않고, 시공 현장에서 용이하고, 또한 확실하게 필요한 FRP재에 의한 보수, 보강을 할 수 있고, 이것에 따라 확실하게 기설의 구조물의 바람직한 성능의 향상 혹은 회복을 행할 수 있는, 구조물에의 FRP재 접착 구조 및 접착 방법을 제공하는 것에 있다. 특히, 보수, 보강 대상 구조물과 보강재로서의 FRP재의 사이에 충분히 높은 접착력을 발휘시키고, 구조물에 확실하게 FRP재에 의한 보수, 보강 성능을 발현시키는 것을 과제로 한다.

상기 과제를 해결하기 위해서, 본 발명과 관련되는 구조물에의 FRP재 접착 구조는, 구조물에 대한 FRP재의 접착 구조로서, 상기 구조물과 FRP재의 사이에, 섬유계 기재와 수지로 형성된 접착층이 개재되고, FRP재의 가장자리 끝으로부터 접착층이 돌출되어 있는 것을 특징으로 하는 것으로 이루어진다.

이러한 본 발명과 관련되는 구조물에의 FRP재 접착 구조에서는, 보수, 보강 대상 구조물에 보강재로서의 FRP재가 접착된 구조에서, 구조물과 FRP재의 사이에, 구조물과 FRP재의 접착력을 발휘하기 위한 접착층이 명확하게 존재하고, 그 접착층이 구조물과 FRP재의 사이에 개재되어 FRP재가 충분히 높은 접착력을 가지고 구조물에 접착된다. 이 접착층은, 섬유계 기재와 수지로 형성되고, 특히 접착층 형성용의 섬유계 기재에 수지가 함침됨으로써 형성되지만, 접착층이 충분히 높은 접착력을 발휘하고, 또한, 그 접착력의 편차를 작게 억제하기 위해서는, 섬유계 기재에 대해서 수지가 충분히 함침될 필요가 있다. FRP재를 형성하는 보강 섬유 기재측으로부터 섬유계 기재에 함침되는 수지도 존재는 하지만, 이것만으로는 섬유계 기재에 대해서 충분한 수지 함침을 기대하는 것이 곤란한 경우가 많아, 충분히 높은 접착력을 발휘하는 접착층의 형성이 바람직하지 않은 경우가 많다. 그래서 본 발명에서는, 형성되는 접착층이 FRP재의 가장자리 끝으로부터 돌출되어 있는 구조를 채용하고 있다. 즉, 접착층 형성용의 섬유계 기재가 FRP재를 형성하는 보강 섬유 기재의 가장자리 끝으로부터 돌출되어 있는 구조를 채용하고 있다. 이 섬유계 기재의 돌출부에는, FRP재 형성용의 보강 섬유 기재를 통해 수지를 함침시킬 필요는 없고, 외부에 나타나 있는 돌출부에 직접 용이하게 수지를 함침시킬 수 있으므로, 그 돌출부를 통해 함침되는 수지가 퍼지도록 섬유계 기재 중으로 유동되어 가고, 섬유계 기재 전체에 걸쳐서 충분히 양호하게(즉, 잔존 공극을 극소화한 상태에서 충분히 양호하게) 수지를 함침시킬 수 있게 된다. 특히 섬유계 기재로서 수지 함침성이 높은 기재를 이용하면, 한층 용이하게 섬유계 기재 전체에 걸쳐서 충분히 양호하게 수지를 함침시킬 수 있게 된다. 섬유계 기재 전체에 걸쳐서 충분히 수지가 함침되어 잔존 공극이 극소화된 상태에서 형성된 접착층은 충분히 높은 접착력을 발휘할 수 있어, 이것의 바람직한 높은 접착력의 편차도 작게 억제할 수 있게 되어, 이 접착층을 통해 FRP재가 충분히 높은 접착력을 가지고 구조물에 접착되게 된다. 환언하면, 이러한 바람직한 충분히 높은 접착력을 가진 구조물에의 FRP재 접착 구조가 접착된 구조로서는, 구조물과 FRP재의 사이에 접착층의 개재 구조와 FRP재의 가장자리 끝으로부터 접착층의 돌출 구조에 의해서 달성되게 된다. 또한, 상기와 같은 접착층의 돌출부가 존재하지 않고, 예를 들면, 접착층의 존재 영역과 FRP재의 존재 영역이 거의 같은 크기인 경우, 상기와 같은 돌출부를 통한 섬유계 기재에의 수지 함침이 바람직하지 않기 때문에, 충분히 높은 접착력을 발휘할 수 있는 접착층의 형성은 곤란하다.

상기 본 발명과 관련되는 구조물에의 FRP재 접착 구조에서는, 상기 접착층의 FRP재의 가장자리 끝으로부터 돌출 길이로서는, 5 mm 이상 50 mm 이하인 것이 바람직하다. 바꾸어 말하면, 보강 섬유 기재의 가장자리 끝부터, 상기 가장자리 끝으로부터 돌출된 섬유계 기재의 가장자리 끝까지의 직선 거리가 돌출 길이로 된다. 섬유계 기재의 가장자리 끝의 라인과 보강 섬유 기재의 가장자리 끝의 라인이 평행이 아닌 등의 이유로, 양쪽 가장자리 끝 사이의 거리가 일정하지 않은 경우는, 양쪽 가장자리 끝 사이의 최대 거리를 선택한다. 또한 이 돌출부는, 특히 접착층 형성용의 섬유계 기재의 FRP재 형성용 보강 섬유 기재의 가장자리 끝으로부터의 돌출부는, 섬유계 기재 전체를 향하여 함침되어 가는 수지의 입구가 되므로, 돌출 길이가 너무 작으면 양호하고 신속한 수지의 함침을 기대하기 어려워진다. 양호하고 신속한 수지 함침의 면에서는, 큰 돌출 길이이어도 상관없지만, 돌출 길이가 너무 커지면, 실질적으로 구조물의 보수, 보강 기능을 가지지 않은 접착층 부위가 불필요하게 커지고, 재료의 낭비나 구조물의 외관을 해치게 되므로, 돌출 길이는 필요 최소한으로 두는 것이 바람직하고, 즉 상기 이유를 감안하면 10 mm 이상 30 mm 이하인 것이 보다 바람직하다.

또한, 본 발명과 관련되는 구조물에의 FRP재 접착 구조는, 구조물의 접착층의 설치면이 강철로 이루어지는 경우에 특히 적합하게 적용할 수 있지만, 구조물의 접착층의 설치면이 FRP로 이루어지는 경우에도 적용할 수 있다. 또한 그 외에도, 구조물의 접착층의 설치면이 접착층의 충분히 높은 접착력을 발휘할 수 있는 재질로 이루어지는 경우에는, 적용할 수 있다.

상기 접착층에 이용되는 섬유계 기재로서는 특별히 한정되지 않지만, 예를 들면, 연속된 섬유가 랜덤으로 배향된 매트상 형태, 공극을 가지는 메시 시트상 형태, 짧게 컷팅된 섬유로 구성된 매트상 형태의 적어도 어느 하나의 형태로 형성되어 있는 것이 바람직하다. 이러한 형태이면, 비교적 얇은 섬유계 기재이어도, 전술의 돌출부부터 섬유계 기재 전체에 걸쳐서 양호하고 또한 신속한 수지 함침을 기대할 수 있다.

상기 접착층의 섬유 체적 함유율로서는, 특별히 한정되지 않지만, 너무 낮으면 단순한 수지 접착층과 다르지 않게 되어, 접착층 자체의 강도가 너무 낮아져서, 보수, 보강용의 FRP재가 구조물로부터 박리하기 쉬워질 우려가 있고, 반대로 너무 높으면, 돌출부에서의 수지 함침 속도가 저하하거나 수지가 함침하기 어려워지고, 섬유계 기재 전체에 걸쳐서 충분히 양호한 수지 함침이 곤란하게 되고, 접착층의 충분히 높은 접착력의 발휘가 곤란하게 될 우려가 있으므로, 섬유 체적 함유율로서는 5% ~ 40%의 범위에 있는 것이 바람직하다. 접착층 자체는 높은 접착력의 발휘를 담당하는 것으로, 보강 강도의 증대를 노리는 것은 아니기 때문에, 극단적으로 높은 섬유 체적 함유율은 필요하지 않다.

또한, 상기 접착층에 이용되는 섬유계 기재에는, 전술의 돌출부부터 섬유계 기재 전체에 걸쳐서 양호하고 또한 신속한 수지 함침을 기대하지만, 그러기 위해서는, 상기 섬유계 기재는 임의 레벨 이상으로 수지가 함침되기 쉬운 기재인 것이 바람직하다. 기재에의 수지의 함침되기 쉬움은, 예를 들면 기재의 통기도를 척도로서 나타낼 수 있다. 기재의 통기도는, 일반적으로, 기재의 공극 단면적에 대응하는 척도라고 생각된다. 이 관점에서, 보다 구체적으로는, 상기 접착층에 이용되는 섬유계 기재의 1매 및 단위폭당 공극 단면적으로서 0.05㎟/mm부터 1.0㎟/mm의 범위에 있는 것이 바람직하다.

또한, 본 발명과 관련되는 구조물에의 FRP재 접착 구조에서는, 상기 접착층의 수지는, FRP재의 매트릭스 수지와 같은 것이 바람직하다. 같은 수지이면, 접착층과 FRP재의 사이의 친화성이 매우 높고, 양쪽 층간에 층간 박리 등의 문제는 발생하지 않는다.

또한, 본 발명과 관련되는 구조물에의 FRP재 접착 구조에서는, 상기 FRP재의 설치부 가운데를 연장하고(특히, 설치되는 FRP재의 두께 방향 도중 부위에서 FRP재의 면 방향으로 연장하고), 또한 FRP재의 가장자리 끝으로부터 돌출된 중간 흡인용 섬유계 기재가 설치되고, 상기 중간 흡인용 섬유계 기재가 FRP재의 가장자리 끝으로부터 돌출된 부위에서 접착층을 형성하는 섬유계 기재 상에서 겹쳐져 있는 형태를 채용할 수도 있다. 이러한 형태를 채용하면, FRP재 형성용의 보강 섬유 기재가 비교적 두껍고, 두께 방향으로 수지가 함침되기 어려운 기재인 경우에도, 두께 방향 도중 부위에 배치된 중간 흡인용 섬유계 기재를 통해 FRP재 형성용 보강 섬유 기재 중에 양호하게 수지를 함침시켜 갈 수 있게 된다. 따라서, 이 중간 흡인용 섬유계 기재는 수지가 함침되기 쉬운 기재인 것이 바람직하고, 전술의 통기도가 높은 기재인 것이 바람직하다.

본 발명은,

구조물에 대한 FRP재의 접착 방법으로서,

구조물의 접착면을 표면 처리하는 공정,

상기 구조물의 접착면 상에, 접착층을 형성하는 섬유계 기재와 FRP재를 형성하는 보강 섬유 기재를, 이 순서로, 섬유계 기재가 보강 섬유 기재의 가장자리 끝으로부터 돌출되도록 배치하고, 양쪽 기재를 가(假) 고정시키는 공정,

상기 섬유계 기재와 보강 섬유 기재를 밀봉하고, 밀봉 내부를 감압하는 공정,

감압된 밀봉 내부에 수지를 주입하는 공정, 및

주입된 수지를 경화, 양생시키는 공정,

을 포함하는 것을 특징으로 하는, 구조물에의 FRP재 접착 방법에 대해서도 제공한다.

상기 본 발명과 관련되는 구조물에의 FRP재 접착 방법에서, 상기 구조물의 접착면으로서는 강철로 이루어지는 것이 바람직하지만, 구조물의 접착면이 FRP로 이루어지는 경우에도 본 발명과 관련되는 방법을 적용할 수 있다. 또한, 그 외에도, 구조물의 접착면이, 밀봉화될 수 있고, 또한 접착층의 충분히 높은 접착력을 발휘할 수 있는 재질로 이루어지는 경우에는, 적용할 수 있다.

또한, 본 발명과 관련되는 구조물에의 FRP재 접착 방법에서는, 상기 주입되는 수지와 같은 수지를, 섬유계 기재를 설치하기 전에 구조물의 접착면에 도포할 수도 있다. 이와 같이 하면, 접착면에 미세한 요철이 존재하는 구조물의 경우에도, 수지 도포에 의해 접착층 형성 전에 미리 접착면을 평탄한 면으로 형성해 둘 수 있어 바람직한 접착층을 용이하게 형성할 수 있게 되는 것과 함께, 구조물의 접착면에 대한 접착층의 접착 강도를, 수지 도포에 의해 미리 바람직한 레벨로 확보해 두는 것도 할 수 있게 된다. 또한 사전에 도포한 미경화 상태의 수지는, 섬유계 기재 및 보강 섬유 기재를 설치할 때의 가고정용으로서 이용할 수 있게 된다.

또한, 본 발명과 관련되는 구조물에의 FRP재 접착 방법에서는, 상기 섬유계 기재와 상기 보강 섬유 기재에 대해서 동시에 수지를 주입하는 것이 바람직하다. 이와 같이 하면, FRP재와 접착층을 포함하는 보수, 보강용의 부가 부위를 보다 신속히 형성할 수 있어 그 작업도 보다 용이하게 된다. 섬유계 기재로서는, 극력 수지 유동성이 우수한 기재를 이용하는 것이 바람직하고, 예를 들면, 유리섬유 찹트 스트랜드 매트(chopped strand mat), 유리섬유 컨티뉴어스 스트랜드 매트(continuous strand mat), 유리섬유제 메시 시트, 유리섬유 표면 매트, 폴리프로필렌 메시 시트, 에폭시 수지제 메시 시트 등을 이용할 수 있다.

또한, 본 발명과 관련되는 구조물에의 FRP재 접착 방법에서는, 상기 보강 섬유 기재의 배치 공정에서, 중간 흡인용 섬유계 기재를, 보강 섬유 기재의 설치부 가운데를 연장하고, 보강 섬유 기재의 가장자리 끝으로부터 돌출됨과 동시에, 돌출된 부위에서 상기 섬유계 기재 상에서 겹쳐지도록 배치할 수도 있다. 중간 흡인용 섬유계 기재로서는, 극력 수지 유동성이 우수한 기재를 이용하는 것이 바람직하고, 예를 들면, 유리섬유 찹트 스트랜드 매트, 유리섬유 컨티뉴어스 스트랜드 매트, 유리섬유제 메시 시트, 유리섬유 표면 매트, 폴리프로필렌 메시 시트, 에폭시 수지제 메시 시트 등을 이용할 수 있다. 이러한 중간 흡인용 섬유계 기재를 배치함으로써, 전술한 바와 같이, FRP재 형성용의 보강 섬유 기재가 비교적 두껍고, 두께 방향으로 수지가 함침되기 어려운 기재인 경우에도, 두께 방향 도중 부위에 배치된 중간 흡인용 섬유계 기재를 통해 FRP재 형성용 보강 섬유 기재 중에 양호하게 수지를 함침시켜 갈 수 있게 된다.

또한, 본 발명과 관련되는 구조물에의 FRP재 접착 방법에서는, 상기 가고정 공정과 상기 밀봉, 감압 공정의 사이에, 섬유계 기재와 보강 섬유 기재의 전체를 덮고, 주입 수지의 경화 후에 박리할 수 있는 이형 기재를 배치하는 공정을 가질 수도 있다. 이와 같이 하면, 후술의 실시형태에 나타낸 바와 같이, FRP재와 접착층을 형성하기 위한 수지 함침, 경화 후에, FRP재와 접착층의 형성 후에는 불필요해지는, 밀봉, 감압을 위해서 전체를 덮고 있던 필름상 부재나 수지 유동을 조장하기 위해서 설치되어 있는 시트상 부재를, 이형 기재와 함께 용이하게 제거할 수 있게 되어, 작업 전체의 효율화를 도모할 수 있게 된다.

이와 같이, 본 발명과 관련되는 구조물에의 FRP재 접착 구조 및 접착 방법에 따르면, 기설의 구조물에 대해서, 시공 현장에서 용이하고, 또한 확실하게 필요한 FRP재에 의한 보수, 보강을 할 수 있게 되고, 특히, 구조물과 보수, 보강용의 FRP재의 사이에 충분히 높은 접착력을 발휘시키고, 또한, 그 바람직한 높은 접착력의 편차도 작게 억제할 수 있게 되어, 구조물에, FRP재에 의한 목표로 하는 보수, 보강 성능을 보다 확실하게 발현시킬 수 있게 된다. 또한 접착층의 돌출부는, 단부에 발생하는 응력완화에 기여할 수 있어 반복 발생하는 힘에 대해서도 박리하기 어렵게 할 수 있게 된다.

도 1은 본 발명의 일 실시형태와 관련되는 구조물에의 FRP재 접착 구조 및 접착 방법을 나타내는 개략 구성도이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시형태와 관련되는 구조물에의 FRP재 접착 구조 및 접착 방법을 나타내는 개략 구성도이다.

이하에, 본 발명의 실시형태에 대해 도면을 참조하면서 설명한다.

도 1은, 본 발명의 일 실시형태와 관련되는 구조물에의 FRP재 접착 구조 및 접착 방법을 나타내고 있고, 특히 시공시 상태를 나타내고 있다. 도 1에서는, 100은, 구조물, 특히 열화된 강철 구조물을 나타내고 있고, 이 보수, 보강의 대상으로서의 강철 구조물(100)의 대상 표면 상에 보수, 보강의 FRP재가 접착된다. 도 1은, 보강 섬유 기재와 매트릭스 수지로 이루어지는 FRP재가 형성되기 전의 (매트릭스 수지 함침, 경화 전의) 보강 섬유 기재가 배치된 상태를 나타내고 있다.

도 1에 나타나는 보수, 보강을 위한 시공에서는, 먼저, 보수, 보강의 대상이 되는 강철 구조물(100)의 표면(접착면(1))에 대해서, 먼지를 제거하거나 불필요한 요철을 소멸시키는 표면 처리가 실시된다. 이 표면 처리는, 본 발명에서의 접착층의 형성이 원활히 행해지는 한 특별히 한정되지 않고, 통상의 유분이나 녹제거를 위한 청소나, 경우에 따라서는, 샌드 페이퍼 등에 의한 표면 연마가 행해지는 정도이어도 좋다.

표면 처리가 실시된 강철 구조물(100)의 접착면(1) 상에, 접착층을 형성하기 위한 섬유계 기재(2)의 층과 FRP재를 형성하기 위한 보강 섬유 기재(3)의 층이, 이 순서로 적층되어 섬유계 기재(2)가 보강 섬유 기재(3)의 가장자리 끝으로부터 돌출되도록 배치된 후, 양쪽 기재(2, 3)가 가고정된다. 섬유계 기재(2)의 돌출 길이는, 예를 들면 5 mm 이상으로 설정되고, 바람직하게는 10 mm 이상이다. 섬유계 기재(2)의 보강 섬유 기재(3)의 가장자리 끝으로부터 돌출부(4)의 형태는, 보강 섬유 기재(3)의 적어도 1개의 가장자리 끝으로부터, 바람직하게는 양측의 가장자리 끝으로부터 돌출되는 형태, 보강 섬유 기재(3)의 실질적으로 사방위의 가장자리 끝으로부터 돌출되는 형태 모두 채용할 수 있다.

섬유계 기재(2)의 형태는, 전술과 같이, 예를 들면, 연속된 섬유가 랜덤으로 배향된 매트상 형태, 공극을 가지는 메시 시트상 형태, 짧게 컷팅된 섬유로 구성된 매트상 형태의 적어도 어느 하나의 형태로 형성되어 있다. 섬유계 기재(2)에 사용되는 섬유의 종류는 특별히 한정되지 않지만, 예를 들면, FRP재를 형성하기 위한 보강 섬유 기재(3)에 사용되는 섬유의 종류와 동등의 것, 예를 들면, 탄소섬유, 유리섬유, 아라미드섬유, 페놀섬유, 이들의 조합 등을 들 수 있고, 또한 접착층은 하중 전달을 담당하는 층이기 때문에, 다른 유기 섬유나 무기 섬유도 사용할 수 있다. 또한, 마찬가지로, 접착층은 하중 전달을 담당하는 층이기 때문에, 형성 후의 접착층이나 섬유계 기재(2)의 층 두께는 그렇게 크지 않아도 좋고, 예를 들면, 수지가 함침되기 전의 벌크 두께로, 0.05 ~ 0.70 mm 정도의 두께이면 좋다. 이 섬유계 기재(2)의, 수지 함침, 경화 후에 형성되는 접착층에 대한 섬유 체적 함유율은, 전술과 같이, 5 ~ 40%의 범위에 있는 것이 바람직하다.

또한, 섬유계 기재(2)에는 후술과 같이 주로 돌출부(4)로부터 수지가 함침되지만, 이 수지 함침을 신속히 확실하게 행하게 하기 위해서, 전술과 같이, 수지의 함침하기 쉬움을 나타내는 지표로, 섬유계 기재(2)의 1매 및 단위폭당 공극 단면적이 0.05㎟/mm부터 1.0㎟/mm의 범위에 있는 것이 바람직하다.

또한, 도시는 생략하지만, 섬유계 기재(2)를 배치하기 전에, 전술한 바와 같이, 후술의 주입되는 수지와 같은 수지를, 강철 구조물(100)의 접착면(1)에 도포해 둘 수도 있다. 또한, 다음의 공정으로 옮길 때의 수지의 경화 상태는 한정되지 않지만, 섬유계 기재 및 보강 섬유 기재를 가고정해서 이용할 수도 있다.

섬유계 기재(2)와 보강 섬유 기재(3)가 소정의 형태에 배치된 후, 섬유계 기재(2)와 보강 섬유 기재(3)가 밀봉되고, 밀봉 내부가 감압되어 감압된 밀봉 내부에 수지가 주입된다. 도 1에 나타내는 형태에서는, 상술한 가고정 공정과 상기 밀봉, 감압 공정의 사이에, 섬유계 기재(2)와 보강 섬유 기재(3)의 전체를 덮고, 주입 수지의 경화 후에 박리할 수 있는 이형 기재(5)가 배치된다. 이 이형 기재(5)로서는, 예를 들면, 불소 수지 도포 유리섬유 크로스나 폴리에틸렌 시트, 폴리프로필렌 시트 등을 사용할 수 있다. 다만, 후술의 수지 유동 시트(6)를 FRP재의 표면에 남기고, 일체화하는 경우는, 이형 기재(5)는 수지 유동 시트(6) 상에 설치하고, 후술의 밀폐성 필름(7)을 박리할 때에 이형 기재(5)의 박리에 의해 밀폐성 필름(7)을 확실하게 박리할 수 있도록 할 수도 있고, 이형 기재(5)가 없어도 밀폐성 필름(7)을 박리할 수 있는 경우에는, 이형 기재(5)의 설치를 생략할 수 있다.

또한, 도 1에 나타내는 형태에서는, 상기 이형 기재(5) 상에, 후술과 같이 주입되는 수지를 필요한 부위 전체에 걸쳐서 신속히 골고루 퍼지게 하기 위해서, 수지 유동 시트(6)(수지 확산 시트라고도 불린다)가 배치된다. 수지 유동 시트(6)로부터의 수지는 보강 섬유 기재(3)와 섬유계 기재(2)에 함침되어 가므로, 상기 이형 기재(5)에는 수지 투과성의 기재가 사용되고 있다. 이 수지 유동 시트(6)로서는, 예를 들면, 나일론 메시 시트, 폴리에틸렌 메시 시트, 폴리에스테르 메시 시트, 폴리프로필렌 메시 시트 등을 사용할 수 있다.

이형 기재(5)와 수지 유동 시트(6)가 배치된 후, 섬유계 기재(2)와 보강 섬유 기재(3)를 포함하는 전체가 밀폐성 필름(7)으로 덮여 실링재(8)에 의한 실(seal)에 의해서, 내부가 밀봉된다. 이 밀폐성 필름(7)으로서는, 예를 들면, 나일론 필름, 폴리에틸렌 필름, 폴리에스테르 필름, 실리콘 시트 등을 사용할 수 있다. 밀폐성 필름(7)으로 덮인 밀봉 내부(9)에서는 진공 흡입펌프(10)를 통해 배기되고, 감압된 밀봉 내부(9)에 수지가 주입된다. 도 1에 나타내는 형태에서는, 수지 주입측(11)에 배치된 수지 주입도(注入道)(12)에, 외부에 설치된 수지 포트(13) 중의 액상의 수지(14)가 감압 상태에 의한 흡인에 의해 송급되고, 송급된 수지(14)는, 여기로부터 수지 유동 시트(6)를 통해 주로 보강 섬유 기재(3)를 향해 보내지고 함침되는 것과 함께, 주로 섬유계 기재(2)의 돌출부(4)부터 섬유계 기재(2)로 그 전체에 걸쳐서 함침되어 간다. 진공 흡인측(15)에는, 진공 흡인도(16)가 배치되고, 여기로부터 진공 흡입펌프(10)를 통한 배기에 의해, 밀봉 내부(9)로부터의 배기와 수지 주입을 위한 감압 흡인이 행해진다. 이 보강 섬유 기재(3)에의 수지 함침과 섬유계 기재(2)에의 수지 함침은 실질적으로 동시에 행해진다.

수지 주입, 함침 후에는, 주입된 수지는 경화, 양생된다. 경화는, 상온에서 행해지면 좋지만, 별도로 경화에 더 적합한 온도가 존재하면, 분위기 온도를 그 온도로 제어해도 좋다. 수지의 경화에 의해, 보강 섬유 기재(3)에 수지가 함침, 경화된 본 발명에서의 FRP재(도시 생략)와, 섬유계 기재(2)에 수지가 함침, 경화된 본 발명의 접착층(도시 생략)이 형성된다. 형성된 접착층에는, 도 1에 나타낸 것과 동등의, FRP재의 가장자리 끝으로부터 돌출되어 있는 돌출부가 형성된 채로 남겨진다. 이 수지의 경화, 양생 완료 전에, 혹은 완료 후에, 보수, 보강이 실시된 강철 구조물(100)에서는 불필요한 수지 유동 시트(6), 밀폐성 필름(7), 실링재(8), 수지 주입도(12), 진공 흡인도(吸引道)(16)가, 이형 기재(5)와 함께 박리 제거된다.

이와 같이 형성된 접착층을 통해 FRP재는 안정한 높은 접착력을 가지고 강철 구조물(100)에 접착되게 되어, 강철 구조물(100)이 바람직한 보수, 보강 성능을 발휘할 수 있게 된다.

도 2는, 본 발명의 다른 실시형태와 관련되는 구조물에의 FRP재 접착 구조 및 접착 방법을 나타내고 있고, 특히 시공시 상태를 나타내고 있다. 도 2에서는, 도 1에 나타낸 형태에 비해, 보강 섬유 기재(3)의 배치 공정에서, 중간 흡인용 섬유계 기재(21)가 설치되지만, 이 중간 흡인용 섬유계 기재(21)는, 보강 섬유 기재(3)의 설치부 가운데를 연장하고, 보강 섬유 기재(3)의 가장자리 끝으로부터 돌출됨과 동시에, 돌출된 부위에서 섬유계 기재(2) 상에서(섬유계 기재(2)의 돌출부(4) 상에서) 겹치도록 배치된다. 중간 흡인용 섬유계 기재(21)의 설치에 대해서는, 예를 들면, 도시와 같이, 보강 섬유 기재(3)를 두께 방향으로 분할하고, 1단째의 보강 섬유 기재(3) 상에 중간 흡인용 섬유계 기재(21)를 배치하고, 그 상에 2단째의 보강 섬유 기재(3)를 적층한다. 중간 흡인용 섬유계 기재(21)의 설치 이외는 실질적으로 도 1에 나타낸 형태와 같으므로, 도 2에서 도 1과 동등한 부위에 도 1과 같은 부호를 붙이고 설명을 생략한다.

상기와 같은 중간 흡인용 섬유계 기재(21)를 보강 섬유 기재(3)의 설치부 가운데를 연장하고, 또한, 보강 섬유 기재(3)의 가장자리 끝으로부터 돌출되도록 배치함으로써, 그 돌출부로부터 유입한 주입 수지는 중간 흡인용 섬유계 기재(21) 중을 신속히 유동되고, 보강 섬유 기재(3) 중에 함침시킬 수 있게 된다. 즉, 중간 흡인용 섬유계 기재(21)를 통한 수지 함침에 의해, 밀폐 내부(9)에서의 보강 섬유 기재(3)의 전체에 대한 수지 함침을 조장할 수 있게 된다. 따라서, FRP재 형성용의 보강 섬유 기재(3)가 비교적 두껍고, 두께 방향으로 수지가 함침되기 어려운 기재인 경우에도, 두께 방향 도중 부위에 상기와 같은 중간 흡인용 섬유계 기재(21)를 배치해 둠으로써, FRP재 형성용 보강 섬유 기재(3) 중에 양호하게 수지를 함침시켜 갈 수 있게 된다. 그 외의 작용, 효과는 도 1에 나타낸 형태에 준한다.

실시예

이하에, 본 발명에 따른 효과를 확인하기 위해서, VaRTM 성형을 사용해 붙인 CFRP와 강철재의 접착 강도를, 다음의 순서로 확인했다.

［시험체의 작성］

두께 12 mm, 폭 200 mm, 길이 250 mm의 2매의 강철 평판(탄성률 206 kN/㎟)을, 무결합인 채 맞댄 상태에서, 맞댐부를 포함하는 2매의 강철 평판 상에, 접착층용의 섬유계 기재를 깔고, 그 상에 본 발명의 FRP재 구성용의 길이가 다른 일방향 탄소섬유 시트 Torayca cloth UM46-40(Toray Industries, Inc. 제, 탄소섬유량 400 g/㎡, 탄성률 440 kN/㎟)를 7층 적층했다.

적층한 탄소섬유 시트에 의한 보강 섬유 기재는, 7층이 연속하는 정착 길이 100 mm를 가지고, 또한 탄소섬유 시트 단부를 향해, 10 mm 간격으로 탄소섬유 시트를 짧게 해 만든 테이퍼(길이 60 mm)를 가진다.

상기 섬유계 기재 및 보강 섬유 기재 상에 이형 기재를 덮고, 그 상에 수지 유동 시트를 설치했다. 기재 주위에 실링 테이프와 흡인용의 튜브와 수지 주입용의 튜브를 설치하고, 또한 그 상에 밀봉성 필름을 덮은 후에, 진공으로 흡인시켜, 밀봉성 필름으로 덮은 공간을 진공화했다.

그 후, 진공 펌프를 가동한 채로 2 액성 상온 경화형 에폭시 수지 AUP40(Toray Industries, Inc. ACE 사 제)를 주입하고, 수지를 함침시킨 후에, 진공 펌프를 멈추고, 양쪽 튜브를 봉지하고, 수지가 경화할 때까지 상온에서 양생했다.

수지가 경화해 탄소섬유 강화 플라스틱 CFRP가 형성된 후에, 시험체가 폭 15 mm가 되도록 잘라, 인장 전단 접착 시험체를 준비했다. 역학 시험기기를 사용하여, 전단 접착 시험체의 양쪽 단부를 잡고, CFRP가 박리될 때까지 시험체를 당겼다.

［접착층용 섬유기재의 공극 단면적의 측정 방법］

JIS R 7602 탄소섬유 직물 시험 방법에 준하고, 기재 두께(mm)를 측정했다. 다음에 기재를 100 mm×100 mm로 잘라, 10,000 ㎟당 중량(섬유 단위면적당 중량)을 측정했다. 다음에 사용되는 재료의 밀도로부터 기재의 밀도 두께를 다음 식으로 산정했다. 그리고, 기재 두께로부터 밀도 두께를 빼서 1매의 단위폭당 공극 단면적(㎟/mm)을 산정했다.

밀도 두께(mm) = 섬유 단위면적당 중량(g/㎡)÷섬유 밀도(g/㎤)

1매의 공극 단면적(㎟/mm) = 기재 두께(mm) - 밀도 두께(mm)

［시험 결과］

역학 시험기기에서 얻어진 인장하중에 대해서, 시험체 폭과 정착량(定着量)을 곱한 면적으로 나눈 것을 접착 강도로 했다.

접착 강도(N/㎟) = 인장하중(N)/(시험체 폭(mm)×정착길이(mm))

표 1에 나타낸 바와 같이, 각 시험 수준의 비교는, 평균 AVE.뿐만 아니라, 표준편차σ를 고려하고, 또한 99.7% 확률로 발생하는 접착 강도를 사용해 비교했다.

비교의 결과, 보강 섬유 기재로부터 접착층용의 섬유계 기재를 돌출시키면 평균 및 편차가 작아져, 접착 강도가 향상한다. 또한, 섬유계 기재에 메시 시트를 이용하는 경우나, 접착층에 사전에 수지를 도포하면 접착 강도는 더 향상시킬 수 있다.

본 발명은, 인프라 구조물뿐만이 아니라, 항공기, 자동차, 선박 등의 금속계 소재의 보수·보강에도 적용할 수 있다.

1: 접착면
2: 섬유계 기재
3: 보강 섬유 기재
4: 돌출부
5: 이형 기재
6: 수지 유동 시트
7: 밀폐성 필름
8: 실링재
9: 밀봉 내부
10: 진공 흡입펌프
11: 수지 주입측
12: 수지 주입도
13: 수지 포트
14: 수지
15: 진공 흡인측
16: 진공 흡인도
21: 중간 흡인용 섬유계 기재
100: 강철 구조물

Claims (16)

1. 구조물에 대한 FRP재의 접착 구조로서,
   상기 구조물과 FRP재의 사이에 섬유계 기재와 수지로 형성된 접착층이 개재되고, 또한 FRP재의 가장자리 끝으로부터 접착층이 돌출되어 있는 것을 특징으로 하며,
   상기 접착층에 이용되는 섬유계 기재는, 연속된 섬유가 랜덤으로 배향된 매트상 형태, 공극을 가지는 메시 시트상 형태, 및 짧게 컷팅된 섬유로 구성된 매트상 형태 중 적어도 어느 하나의 형태로 형성되어 있고,
   상기 접착층에 이용되는 섬유계 기재의, 1매 및 단위폭당 공극 단면적이 0.05㎟/mm부터 1.0㎟/mm의 범위에 있는, 구조물에의 FRP재 접착 구조.
2. 제1항에 있어서,
   상기 접착층의 상기 FRP재의 가장자리 끝으로부터 돌출 길이가 5 mm 이상 50 mm 이하인, 구조물에의 FRP재 접착 구조.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 구조물의 상기 접착층의 설치면이 강철로 이루어지는, 구조물에의 FRP재 접착 구조.
4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 구조물의 상기 접착층의 설치면이 FRP로 이루어지는, 구조물에의 FRP재 접착 구조.
5. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 접착층의 섬유 체적 함유율이 10% ~ 40%의 범위에 있는, 구조물에의 FRP재 접착 구조.
6. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 접착층의 수지는 상기 FRP재의 매트릭스 수지와 같은, 구조물에의 FRP재 접착 구조.
7. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 FRP재의 설치부 가운데를 연장하고, 또한 FRP재의 가장자리 끝으로부터 돌출된 중간 흡인용 섬유계 기재가 설치되고, 상기 중간 흡인용 섬유계 기재가 FRP재의 가장자리 끝으로부터 돌출된 부위에서 접착층을 형성하는 섬유계 기재 상에서 겹쳐져 있는, 구조물에의 FRP재 접착 구조.
8. 구조물에 대한 FRP재의 접착 방법으로서,
   구조물의 접착면을 표면 처리하는 공정,
   상기 구조물의 접착면 상에, 접착층을 형성하는 섬유계 기재와 FRP재를 형성하는 보강 섬유 기재를, 이 순서로, 섬유계 기재가 보강 섬유 기재의 가장자리 끝으로부터 돌출되도록 배치하고, 양쪽 기재를 가고정시키는 공정,
   상기 섬유계 기재와 보강 섬유 기재를 밀봉하고, 밀봉 내부를 감압하는 공정,
   감압된 밀봉 내부에 수지를 주입하는 공정, 및
   주입된 수지를 경화, 양생시키는 공정,
   을 포함하는 것을 특징으로 하며,
   상기 섬유계 기재와 상기 보강 섬유 기재에의 수지 함침은 실질적으로 동시에 행해지며,
   수지를 주입하는 공정에 있어서, 상기 섬유계 기재의 돌출부에 직접 함침하여, 퍼지도록 상기 섬유계 기재 중으로 유동되어 가고, 섬유계 기재 전체에 걸쳐서 잔존 공극을 극소화한 상태로 상기 수지를 함침시킨, 구조물에의 FRP재 접착 방법.
9. 제8항에 있어서,
   상기 구조물의 접착면이 강철로 이루어지는, 구조물에의 FRP재 접착 방법.
10. 제8항에 있어서,
    상기 구조물의 접착면이 FRP로 이루어지는, 구조물에의 FRP재 접착 방법.
11. 제8항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 주입되는 수지와 같은 수지를, 상기 섬유계 기재를 설치하기 전에 상기 구조물의 접착면에 도포하는, 구조물에의 FRP재 접착 방법.
12. 제8항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 보강 섬유 기재의 배치 공정에서, 중간 흡인용 섬유계 기재를, 보강 섬유 기재의 설치부 가운데를 연장하고, 보강 섬유 기재의 가장자리 끝으로부터 돌출됨과 동시에, 돌출된 부위에서 상기 섬유계 기재 상에서 겹쳐지도록 배치하는, 구조물에의 FRP재 접착 방법.
13. 제8항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 가고정 공정과 상기 밀봉, 감압 공정의 사이에, 상기 섬유계 기재와 보강 섬유 기재의 전체를 덮고, 주입 수지의 경화 후에 박리할 수 있는 이형 기재를 배치하는 공정을 가지는, 구조물에의 FRP재 접착 방법.
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