2.3.1 인장시험체 제작 및 시험방법

일반적으로 FRCM 시스템에서는 2층의 얇은 모르타르 층간에 섬유메시가 설치되고 총 두께는 약 10 mm이다(ACI 549.4R 2013)⁽¹⁾. 이 연구에서는 3.5 mm 두께의 발사 박판을 사용하여 모르타르 층의 두께를 조정하였고, 2개 층 발사 박판의 중간에 섬유메시를 수작업으로 설치하였다. 제조사로부터 제공된 PBO 필라멘트 얀 4개를 합쳐서 한 개의 섬유 다발을 구성하였다. 이후 축방향 15 mm 중심간격으로 1개 섬유 다발, 횡방향 30 mm 중심간격으로 2개 섬유 다발을 사용한 PBO 메시를 구성하여 축방향 강성 및 횡방향 강성이 동일하도록 하였다. 축방향 섬유(warp)와 횡방향 섬유(weft)의 접합부는 접착제로 접합하였다(Fig. 2 참고). 접착제가 충분히 경화하도록 1주일 경과 후 모르타르를 타설하였다. 위와 같은 방법으로 제작한 FRCM 박판의 크기는 405 mm($W$)×450 mm($L$)이고, 두께($t$)는 약 10 mm이었다. 상온 및 상대습도 100 % 조건에서 표준양생 후 재령 28일에 워터젯을 사용하여, 폭 45 mm 및 길이 450 mm로 총 9개 시험편을 절단하였다(45 mm× 9=405 mm). 준비된 시험체는 다시 습윤양생을 실시하고 재령 56일에 시험을 수행하였다. FRCM 박판의 양측에서 절단한 각 1개를 제외한 총 7개의 인장시험편을 시험하였다. 인장시험 1주일 전에 인장시험편 양단부에 각각 폭 35 mm, 두께 6 mm의 직사각형 강재 탭 2개를 에폭시 접착제로 고정시켰다. 1주일 경과 후, 강재 탭 단부의 미리 천공된 원형 구멍에 지름 19 mm 강재 핀을 사용하여 UTM 그립과 맞물리는 8 mm 두께의 강판을 연결하였다. Fig. 3에 나타낸 인장시험 셋업에서는 강재 핀이 시험체 단부의 회전을 허용하므로 편심 등의 기술적인 문제없이 인장시험을 수행할 수 있었다. 이 시험에서 고안한 인장시험 셋업은 다수의 연구자(ACI 549.4R 2013)⁽¹⁾가 사용한 클레비스 그립과 마찬가지로 인장시험편의 단부에 UTM 유압그립에 의한 압축력이 가해지지 않으므로 시멘트 매트릭스 내에서 섬유메시의 미끄러짐을 허용하는 특징이 있다. 인장시험은 1,200 kN 용량의 Instron UTM 크로스헤드를 분당 1 mm 속도의 변위제어로 구동하며 실시하였다.

Fig. 3에서 상부 강재 탭과 하부 강재 탭 사이 중앙부 길이는 120 mm이며, 이 구간에서 표점거리 100 mm가 되도록 extensometer 2개를 대칭으로 사용하여 표점거리 구간의 변형률을 계측하고, 동시에 2개의 LVDT를 사용하여 UTM 크로스헤드의 변위를 계측하였다. Extensometer, LVDT 및 UTM 로드셀의 하중은 TDS 530 데이터 로거로 모니터링하고 실험결과를 저장하였다.

2.3.2 층간전단실험체 제작 및 시험방법

층간전단실험(interlaminar shear test)을 위한 실험체는 ASTM D2344M에 따라서 제작하고, 시험편은 각각 동일한 두께(약 10 mm)를 갖는 두 층의 FRCM으로 구성하였다. 각층 FRCM은 발사 박판을 사용하여 각각 2.3.1항의 인장시험편 제작과 동일한 방법으로 형성하고, 하부층 FRCM 타설 3일 후 별도의 계면처리 없이 상부층 FRCM을 타설하였다. ASTM D2344M에 따라서 합성보의 길이는 두께의 약 6배, 폭은 두께의 약 2배이었다. 405 mm($W$)×225 mm($L$)의 복층 FRCM(두께: 10 mm×2=20 mm)을 28일 표준양생 후 워터젯을 사용 폭 45 mm인 9개 시험체를 절단하고 양측면 2개 시험체를 제외한 총 7개의 시험체에 대하여 필요한 길이(120 mm) 만큼 절단(masonry saw 사용)하였다. 합성보의 길이 약 120 mm, 총 두께 약 20 mm, 폭 약 45 mm이며, 재령 56일에 3점재하 방법으로 층간전단실험을 수행하였다(Fig. 4 참고).

실험은 50 kN 용량 UTM을 사용, 변위제어 방식(속도=1 mm/min)으로 수행하고, 하중 및 중앙부 변위를 모니터링하는 동시에 파괴모드 및 균열형태를 관찰하였다.

2.3.3 뽑힘시험체 제작 및 시험방법

뽑힘시험(pull-off test)을 위하여 먼저 500×500×100 mm 보통콘크리트(압축강도 30 MPa) 블록을 제작하고 7일 습윤양생을 실시하였다. 재령 28일에 콘크리트 블록의 상부면 각 50 % 정도의 면적에 해당하는 면적을 숏블래스팅 및 샌드블래스팅으로 각각 거칠게 처리하고 표면 거칠기를 샌드패치방법으로 측정하였다(Chamberlin and Amsler 1982)⁽⁶⁾. 측정결과 표면거칠기(평균 깊이)는 샌드블래스팅의 경우 0.69 mm, 숏블래스팅의 경우 0.76 mm이었다. 이후 인장시험체와 유사한 방법으로 두께 10 mm의 FRCM 덧씌우기층을 타설하고 28일간 표준양생을 실시하였다. 덧씌우기 재령 28일에 핸드그라인더를 사용 45×45 mm 격자 패턴으로 덧씌우기 모르타르와 하부 콘크리트를 함께 깊이 25 mm 만큼 컷팅하였다. 격자로 구획된 각 시험체 상부면에 40×40 mm 강재 단부철물을 에폭시 접착제를 사용하여 부착시키고, 1주일 경과 후 강재 단부철물과 인발시험기를 연결시킨 후 기계적으로 인발하중을 가하여 뽑힘강도(pull-off strength)를 측정하고 파괴모드를 관찰하였다(Fig. 5 참고).

3.4.1 인장거동

섬유보강복합체에서 시멘트 모르타르의 첫 균열 발생과 동시에 섬유가 파단하는 경우에 해당하는 최소섬유량($V_{f,\:\min}$)은 식(2)와 같다(Li 2011)⁽⁹⁾.

여기서, $\sigma_{t}$는 시멘트 매트릭스의 인장강도, $\sigma_{fu}$는 섬유 인장강도, $E_{f}$는 섬유 탄성계수, $E_{m}$은 시멘트 모르타르의 탄성계수이다.

식(2)로부터 이 연구에 해당하는 최소 섬유량은 0.13 % 이며, Table 1로부터 실제 사용량은 0.58 %(축방향 섬유)로서 PBO 섬유가 FRCM의 인장거동을 지배하는 것을 알 수 있다. 또한, 이 연구에서 사용한 고강도 시멘트 매트릭스는 휨인장강도 시험에서 5.5 MPa을 나타내었으나, FRCM 인장시험 시에는 횡방향 섬유 위치(즉 모르타르 단면적이 최소인 위치)에서 균열이 발생하여 시멘트 매트릭스의 유효 인장강도가 감소하였고 균열 후 거동에 고강도 시멘트 매트릭스가 차지하는 영향은 작은 것으로 나타났다. 전술한 것과 같이 최대 인장강도에 도달하였을 때 PBO 섬유의 응력은 섬유 인장시험에서 결정한 응력의 55 % 수준이었고, 이유는 다음과 같이 설명할 수 있다:

1) PBO 섬유 로빙은 4개의 필라멘트 얀으로 수작업을 통해 구성하였으므로 일부 섬유가 다른 섬유에 비해 빨리 인장응력을 받으므로 조기 파단함;

2) 인장시험 셋업이 섬유와 시멘트 매트릭스 간 미끄러짐을 허용함.

한편 ACI 549.4R에서는 설계에 필요한 FRCM의 기계적 물성인 설계인장강도($f_{fu,\:k}$) 및 설계변형률($\epsilon_{fu,\:k}$)을 시험결과 평균값에서 표준편차만큼 감하여 구하고 탄성계수($E_{f}$)는 시험결과 0.6$f_{fu}$ 및 0.9 $f_{fu}$ 간 직선기울기의 평균값을 취하도록 식(3)과 같이 제시하고 있다(ACI 549.4R 2013)⁽¹⁾. 이에 따라서 결정한 설계값(특성값)을 Table 6에 나타내었다.

Note: $f_{fu,\:k}$, $\epsilon_{fu,\:k}$, $E_{f}$ are characteristic values determined from the tensile test; $f_{isk}$ and $f_{bk}$ are characteristic values determined from the interlaminar shear test and pull-off test, respectively

여기서, $f_{fu}$는 실험결과 축방향 섬유의 최대강도, $\epsilon_{f,\:0.9f_{fu}}$ 및 $\epsilon_{f,\:0.6f_{fu}}$는 각각 0.9$f_{fu}$ 및 0.6$f_{fu}$에 해당하는 평균 변형률임.

이 연구에서 수행한 인장시험의 결과를 Fig. 12에 섬유응력-평균 변형률 곡선으로 나타내었다. Fig. 12에서 점선의 기울기는 FRCM의 강성($E_{f}$)이다. 실험결과 균열하중, 균열하중 시 변형률, 최대하중, 최대하중 시 변형률 및 $E_{f}$(이상 평균값)를 사용하여 Fig. 12의 실선과 같이 실험결과를 3선형 곡선으로 표현할 수 있으며 이를 설계를 위한 PBO-FRCM의 인장거동으로 제안할 수 있다. 단, 안전한 설계를 위하여 3선형 곡선의 최대값은 $f_{fu,\:k}$ 및 $ε_{fu,\:k}$ 중 작은 값 이하로 제한하여야 할 것으로 판단된다(즉 $f_{fu,\:k}$ 이상의 값에 해당하는 점선 부분은 제외하여야 함). 이때 3선형 곡선은 식(4)와 같이 표현할 수 있다.

여기서, $\sigma_{f}$, $\epsilon_{f}$, $E_{i}$, $E_{f}$, $\epsilon_{cr}$, $\epsilon_{fu,\:k}$는 각각 축방향 섬유응력, 평균변형률, 균열 전 초기강성, 균열 후 강성, 균열단계 평균변형률, 최대강도 시 평균 변형률의 특성값이다.

3.4.2 부착거동 - 층간전단실험

이 연구에서 수행한 총 7회의 층간전단실험에서는 휨파괴, 전단압축파괴, 전단인장파괴 및 계면파괴 등 4가지의 파괴모드가 나타났다. Fig. 13에 각 파괴모드에 따른 강도(식(1)의 Short beam strength)를 나타내었다. 각 파괴모드에 따라서 강도는 [전단압축파괴>휨파괴>계면파괴>전단인장파괴] 순이므로 강도는 전단인장 파괴모드가 지배하는 것으로 나타났다. ACI 549.4R 가이드에 따르는 경우, 평균강도 2.07 MPa 및 표준편차($s$) 0.203 MPa로부터 특성값은 1.87 MPa이다(Table 6 참고). 그러나 Fig. 12에서 전단인장파괴의 경우 실제 강도는 1.72 MPa로서 설계값보다 더 작다. 따라서 층간전단파괴에 대한 특성값에 대해서 ACI 549.4R에서 제시한 [평균강도-$s$]보다 더 작은 값을 취하여야 안전한 것으로 사료되나, 이에 대해서는 보다 많은 시험결과가 필요하다.

3.4.3 부착거동 - 뽑힘시험

뽑힘파괴에 대한 특성값은 샌드블래스팅 처리한 경우 14개 시험결과로부터 평균 3.27 MPa, 표준편차 0.92 MPa 이므로, 특성값은 2.35 MPa이다. 한편 숏블래스팅 처리한 경우 12개 시험결과로부터 평균 4.17 MPa, 표준편차 1.21 MPa, 특성값 2.96 MPa이다. 샌드블래스팅 및 숏블래스팅은 모두 자주 사용되는 표면처리 방법이므로, 이 연구에서는 PBO-FRCM의 뽑힘강도의 특성값은 안전측으로 2.35 MPa로 제안할 수 있는 것으로 판단된다. 또한, 뽐힘파괴 모드별 강도는 계면파괴가 가장 낮은 경향(Fig. 11 참고)을 보였으므로, 기존 콘크리트의 표면처리가 중요한 것으로 나타났다.