탄소섬유시트 보강공법 (출처 : 핵심구조상식)

탄소섬유시트 보강공법 (출처 : 핵심구조상식)

 

철근콘크리트 구조물의 탄소섬유보강법의 특징 및 시공시 주의점 등에 대하여 간략히 소개함.


1. 탄소섬유시트 보강공법(접착공법) 개요

1) 경량, 고강도, 고내구성이라는 우수한 성질을 가진 소재인 탄소섬유는 이미 항공, 우주, 스포츠, 레저분야에서 폭넓게 사용되어 보강재로서 높은 평가를 받고 있음.

2) 탄소섬유시트 보강공법은 부드러운 상태대로의 탄소섬유를 일방향으로 배열한 시트를 상온 경화형 에폭시 수지를 탄소섬유시트속에 침투시켜 콘크리트 표면에 붙여 경화시킴으로서 CFRP(Carbon Fiber Reinforced Plastic)화 하여 구체를 보강하는 공법임.


2. 탄소섬유의 특징

1) 장점

(1) 인장강도가 3000MPa이상으로서 강재의 약 10배임. 강도가 높으므로 보강량이 적어 보강뒤에도 콘크리트구체의 형상변화가 거의 없음.
(2) CFRP로써 비중이 약 1.6이므로 철의 1/4~1/5이고 보강에 의한 중량 증가가 적음.
(3) 시트상에 탄소섬유가 일방향으로 배열되어 있기 때문에 탄소섬유가 갖는 우수한 강도 특성이 최대한 발휘되도록 필요한 방향만을 보강할 수 있음.
(4) 적층수의 조절에 의해 보강량을 조절할 수 있으며 결손부의 보가가 용이함.
(5) 공정이 간단하며 적은 인원으로 짧은 기간에 공사가 가능함.
(6) 경량으로 운반 및 반입이 용이하고 좁은 장소에서도 작업이 용이함.
(7) 복잡한 구조물의 형상에도 유연하게 대응할 수 있고 자유롭고 절단이 가능함.
(8) 부식 및 열화에 대하여 안정하며, 피로에 대하여도 강재 이상의 내구성을 발휘함.


2) 단점

(1) 재료의 특성상 파괴후의 거동이 취성적이므로 보강설계시 유의해야 함.
(2) 에폭시 접착제에 의해 전적으로 보강효과가 좌우되므로 재료 및 시공에 대한 엄격한 품질관리가 필요함.
(3) 탄소섬유는 불연재이나 접착제인 에폭시는 열에 약하므로 내화성이 없음. 따라서, 내화성능이 필요한 곳에는 10mm정도의 암면으로 내화피복하여야 함.


3. 보강방법

1) 구조내력이 부족한 콘크리트 다념에 접착, 보강함으로써 구조물의 강도, 내구성 및 내진성능 등의 기능을 회복 또는 향상시킴.

2) 보강의 종류
- 휨보강 : 인장면측 표면에 부재 축방향으로 탄소섬유시트 부착.
- 인성보강 : 탄소섬유시트를 기둥에 띠철근 형태로 감아 콘크리트의 극한 변형의 증대, 피복 콘크리트의 박락 및 기둥철근의 좌굴을 방지하여 기둥의 변형성능을 향상시킴.



4. 시험방법

시험방법은 콘크리트와의 접합면의 접착강도를 현장에서 직접 인장시험하여 확인하는 JIS K5400(Testing Methods for Paints)에 따름.

1) 접착철편 부착을 위한 시험부위 표면처리
- 탄소섬유시트는 시공후 접착강도 시험개소가 결정되면 접착철편이 견고히 부착될 수 있도록 거칠게 만들어 주면서 먼지 등의 오염물질을 제거하여야 함.
- 이를 위해서는 시공면의 마지막 노출부위인 상도 함침용 레진의 표면을 사포를 사용하여 거칠게 만들어 준 후 오염물 들을 헝겊 등을 사용하여 깨끗이 제거해줌.
- 만약, 접착강도 시험을 수행하기 이전에 마감도장이 이루어진 상태라면 완전하게 도장부위를 제거할 수 있어야 만 접착강도 시험이 가능함.

2) 접착철편 부착
-시험부위에 대한 표면처리  작업이 완료된 후 접착철편(40x40x10mm)을 접착제를 사용하여 부착함.
- 이때 사용되는 접착제는 7MPa이상의 접착강도를 갖는 것이 바람직하며 시험시간의 단축을 위하여 속경화형(상온에서 2시간이내 접착강도 발휘) 접착제를 선택함.
- 통상적으로 시험개소당 접착철편은 2~3개를 부착함.
- 이것은 한 시험개소에 있어서 접착강도 시험의 신뢰도를 높이고 보다 정확하게 시공품질 평가를 수행하기 위함임.

3) 접착철편 주변 컷팅
- 접착철편이 시험부위에 완전하게 부착되면 접착철편의 주변을 커터를 사용하여 절단하여 줌.
- 정확한 시험결과 계산을 위하여 철편에 최대한 밀착하여 절단해 주는 것이 중요하며 절단 깊이는 10mm정도가 적당함.

4) 접착강도 시험
- 접착철편의 주변 컷팅까지 끝나면 탄소섬유시트 접착강도 시험수행을 위한 모든 준비가 완료된 것임. 
- 접착철편 중앙의 홈에 건연식접착력 시험기를 장착한 후 철편을 떼어냄. 이때, 파단시의 최대강도값과 파괴형태를 기록함.

5) 탄소섬유시트 접착공정 표준단면도

탄소섬유시트 접착공정 표준단면도

 

5. 시공상의 주의사항

1) 온도 관련 
- 온도가 낮은 경우, 함침불량, 경화반응의 지연이나 경화불량의 원인이 됨.
- 겨울철 혹은 한랭지에서는 시공, 양생조건을 신중하게 검토하고 기온, 구체온도가 5도 이하에서는 시공, 양생을 피함.
- 필요한 경우에는 가온 양생을 실시하여 5도 이상으로 확실하게 유지하여야 하나, 구체 온도와 외기 온도의 차이가 커지면 결로가 발생하므로 주의하여야 함.


2) 결로 관련
- 수분의 존재는 프라이머 및 수지의 접착을 저해하므로, 누수가 있는 경우는 지수, 도수 처리를 확실하게 하고 우천 또는 결로의 우려가 있는 경우에는 시공을 중지함.
- 습도가 85%이상에서는 시공을 중지함.


3) 요철 관련
- 탄소섬유시트는 구체와 완전히 일체화 되어야 그 효과가 100% 발휘될 수 있으므로, 거푸집 단차라든 지 곰보, 모서리부는 탄소섬유시트가 부착되기 어렵고 부착한 뒤에 떠오름이 발생하기 쉬움.
- 충분한 접착성을 확보하기 위해서는 단차를 1mm이내로 수정하여야 함.
- 모서리는 R=20mm 이상을 모따기 하고 구석(귀퉁이, 코너)은 에폭시 퍼터 등으로 메워 평활화함.


4) 프라이머, 레진의 취급
- 주체, 경화제의 혼합후는 사용시간을 엄수하며 시간을 초과한 것을 폐기함.
- 수지의 사용시간은 사용시의 기온이나 수지 혼합량에 따라서 다르기 때문에 충분히 주의해야 함.


5) 탄소섬유 시트의 취급
- 항상 조심스럽게 취급하여야 하며, 절단후에는 R=300mm이상의 롤에 감거나 적층보관
- 부착할 때는 섬유방향으로 10cm이상의 겹침길이를 확보하여야 함.
- 시트의 보관은 직사과언 및 빗물에 노출되지 않는 장소에 보관함.