Journal Search Engine
Search Advanced Search Adode Reader(link)
Download PDF Export Citaion korean bibliography PMC previewer
ISSN : 2234-6937(Print)
ISSN : 2287-6979(Online)
Journal of Korea institue for Structural Maintenance Inspection Vol.16 No.2 pp.75-86
DOI :

고인성 내화보수모르터(FR-ECC)를 활용한 RC 구조물 보수공법의 내구성능 및 내하력에 관한 실험적 연구

김정희1)*, 임승찬2), 김재환3), 권영진4)
1) 정회원, 호서대학교 소방방재학과 박사과정
2) 정회원, (주)DEROS-JAPAN 책임연구원, 공학박사
3) 정회원, (주)AMS엔지니어링 대표이사, 공학박사
4) 정회원, 호서대학교 소방방재학과 교수, 공학박사

An Experimental Study on the Durability and Load Carrying Capacity of RC Structure Repair System Using FR-ECC

Jeong Hee Kim1)*, Seung Chan Lim2), Jae Hwan Kim3), Yung Jin Kwon4)

Abstract

This paper presents some research results on the shrinkage characteristics and frost resistance before and aftercracking of FR-ECC(Fire Resistance-Engineered Cementitious Composite). Also, a waterstop performance and exfoliatingresistance of multi-layer lining specimens using FR-ECC and flexural performance of beam member by repaired FR-ECCare estimated in this paper. Experimental results indicate that the plastic shrinkage crack and length change ratio ofFR-ECC have been reduced as compared with that of the existing repair mortar, and that its crack resistance on the dryshrinkage is improved under the confining stress. As well as FR-ECC has been great in the frost resistance and itstensile properties under the cracked state have been not reduced by freezing and thawing reaction. In addition, beammember by repaired FR-ECC have been increased in the flexural properties such as initial crack moment, yeild moment,and its crack width has been controled in a stable by the frexural failure.

1. 서 론

 최근들어 건축 및 토목구조물의 대부분을 차지하고 있는 철근콘크리트(RC) 구조물은 중성화, 염해, 동결융해 등 각종 열화요인에 의한 내구성 저하가 급격히 진행되고 있으며, 이의 성능 개선을 위한 각종 보수보강 공사가 국내에서도 활발히 진행되고 있다.

 한편, 국내에서는 RC구조물의 보수공법으로 단면복구공법, 표면보수공법, 균열주입공법 등이 일반적으로 사용되고 있으며, 단면복구공법에서는 폴리머시멘트모르터(Polymer Cement Mortar)가 가장 보편적으로 사용되고 있다.

 그러나, 다양한 자료에서 보고되는 바와 같이 보수공사 후 내용년수 기간에 재균열, 박리박락, 누수, 재부식 등 다양한 형태의 재열화현상이 빈번히 발생되고 있어 이를 보완할 새로운 보수재료⋅공법의 개발이 요구되고 있는 실정이다.

 이러한 배경에서 인장 및 휨하중 작용하에서 균열발생 후에도 응력의 저하 없이 변형의 증대와 함께 응력이 다시 증대되는 변형경화거동(Strain-hardening behavior)과 이 과정에서 무수한 미세균열인 멀티플크랙(Multiple cracking) 특성을 발현하며, 더욱이 중공형 세라믹 분말 및 내화재를 다량으로 혼입하여 내화성능을 대폭 향상시킨 고인성 내화보수모르터(Fire Resistance-Engineered Cementitious Composite, 이하 FR-ECC라 칭함)를 개발하였다.

 이에 본 연구에서는 보수재료 및 내화피복재로 동시에 사용할 수 있는 고인성 내화보수모르터(FR-ECC)를 RC 구조물의 보수보강재로 활용하기 위해 FR-ECC의 수축특성 및 동결융해저항성을 평가하였다. 더욱이, 철도 및 도로터널 등 토목구조물에서 다층복공구조로 활용될 경우에 대비하여 FR-ECC를 적용한 시험체의 지수성능과 박리박락저항성을 평가하였으며, 대표적인 휨부재인 보부재를 대상으로 단면보수 후의 구조성능 및 균열분산성 등에 대하여 실험⋅실증적으로 검토하였다.

2. FR-ECC의 개요

 본 연구에 사용된 FR-ECC는 마이크로 역학과 안정상태 균열이론을 바탕으로 배합설계된 ECC에 내화성능(폭렬방지 및 수열온도 저감 등) 및 보수성능(수밀성, 부착성, 열화인자침투저항성 등)을 부가하도록 특수 개발된 뿜칠형 보수재료의 일종이다.

 이러한 FR-ECC는 Fig. 1에 나타낸 바와 같이 기존 보수재료와는 달리 인장이나 휨하중 작용하에서 균열발생 후에도 응력의 저하없이 변형의 증대와 함께 응력이 다시 증대되는 변형경화거동을 보이며, 이 과정에서 Photo 1에 나타낸 바와 같이 무수한 마이크로크랙이 분산 발생되는 멀티플크랙 특성을 보인다. 이를 통해 보수 후 재균열이 발생하더라도 이를 무해한 마이크로크랙으로 분산시켜 각종 재열화현상을 방지할 수 있는 특징이 있다.

Fig. 1 Tensile and flexural properties of FR-ECC

Photo 1 Crack pattern and of FR-ECC

3. 실험계획 및 방법

3.1 FR-ECC의 수축특성 평가

 본 연구에서는 개발된 FR-ECC와 기존에 대표적으로 사용되고 있는 보수모르터 2종류(RM-A 및 RM-B)를 대상으로 소성수축, 건조수축(길이변화율), 구속수축 특성을 비교⋅평가하였으며, 이에 사용된 보수재료의 배합 및 성능은 Table 1과 같다.

Table 1 Mix proportion and properties of repair materials

3.1.1 소성수축 평가

소성수축을 평가하기 위한 시험은 Photo 2(a)와 같이 직경 500mm, 두께 50mm 내부의 중앙에 모르터를 구속하기 위한 직경 150mm의 PVC관을 설치하여 시험하는 링테스트에 의해 실시하였으며, 타설한 직후 온도 30±3℃, 습도 40±5%, 풍속 4.0~4.5m/sec의 환경조건을 유지하는 챔버(Photo 2(b))에 24시간 존치한 다음, 표면에 발생된 균열의 폭과 길이를 측정하여 평가하였다.

Photo 2 Mold and chamber for plastic shrinkage test

3.1.2 건조수축 평가

 건조수축은 양측에 스터드볼트가 매립된 40×40×160mm 모르터바 시험체와 다이얼게이지(Photo 3 참조)를 사용하여 KS F 2424[모르타르 및 콘크리트의 길이변화 시험방법]에 준하여 평가하였다.

Photo 3 Length change test

3.1.3 구속수축 평가

 구속수축은 KS F 2595[콘크리트의 건조수축 균열 시험방법]에 준하여 Photo 4와 같이 전용몰드의 양측면에 부착된 스트레인게이지와 데이터로거를 이용하여 실시간으로 측정하였다.

Photo 4 Shrinkage crack test

3.2 FR-ECC의 동결융해저항성 평가

3.2.1 급속동결융해시험에 의한 내동해성 평가

 본 연구에서 FR-ECC의 동결융해저항성 평가는 KS F 2456[급속동결융해에 대한 콘크리트의 저항시험방법]에 준하여 총 324사이클까지 실시하였으며, 매 36사이클마다 질량감소율 및 상대동탄성계수와 외관변화를 각각 측정하였다. Photo 5는 급속동결융해시험기의 내부를, Photo 6은 동탄성계수를 측정하기 위한 공명진동수 측정기를 나타낸다.

Photo 5 Interior of freezethaw apparatus

Photo 6 Resonance frequency tester

3.2.2 균열 도입후의 내동해성과 동결융해시험 후의 인장성능 평가

 일반적으로 ECC는 내동해성이 매우 우수한 것으로 기존 연구에 의해 보고되고 있다. 그러나, 이들 연구는 균열이 발생하지 않은 건전한 조건에서의 내동해성이며, 균열발생 후에 동결융해 작용이 심한 지역 등 사용조건을 고려한 검토는 아직 보고되지 않고 있다.

 이에 본 연구에서는 Table 2와 같이 직접인장시험에 의해 인위적으로 균열을 도입시킨 FR-ECC에 대한 내동해성을 KS F 2456에 준하여 평가하였으며, 총 144사이클까지 매 36사이클마다 상대동탄성계수와 외관변화를 평가하였다.

Table 2 Experiments design for frost resistance evaluation of FR-ECC cracked by the direct tensile test.

 더욱이, 인위적으로 균열을 도입시킨 FR-ECC를 동결융해시험 완료 후 직접인장시험을 실시하여 동결융해작용에 따른 인장성능의 변화를 평가하였다.

3.3 FR-ECC의 지수성능 및 박리박락저항성 평가

3.3.1 다층복공구조로서의 지수성능 평가

 최근 일본 등 외국에서는 NATM 터널의 복공공사에 있어서 누수대책의 일환으로서 복공콘크리트(일반적으로 강섬유보강 숏크리트) 사이에 지수재를 설치하는 다층복공구조의 적용이 시도되고 있다.

이에 본 연구에서는 FR-ECC를 다층복공구조의 지수재로서 가능성을 검토하고자 하였으며, 이를 위한 실험계획은 Table 3과 같다. 

Table 3 Experiments design for waterstop evaluation of specimens using FR-ECC between lining concrete.

즉, Fig. 2와 같이 라이닝콘크리트(강섬유보강 콘크리트) 사이에 각각의 지수재를 설치하여 시험체를 제작하였으며, Fig. 3과 같이 시험체의 압축측까지 균열을 도입하기 위해 변위 1mm까지 재하하여 투수시험용 시험체를 제작하였다. 또한, 최종파괴까지 휨재하시험을 실시하여 지수층이 라이닝콘크리트의 휨인성에 미치는 영향을 검토하였다. 

Fig. 2. Schematic lining concrete specimen

Fig. 3. Schematic bending test (inducing crack)

 더욱이, 투수량 시험은 Fig. 4와 같이 시험체의 인장측(균열도입부)을 위로 하고, 균열부에 염화비닐파이프 설치한 후 누수방지를 위해 시험체 및 파이프를 에폭시수지로 실시하였다. 또한, 지수층의 효과를 평가하기 위해 시험체 측면의 밑면 10mm는 실링을 실시하지 않았다.

Fig. 4 Schematic water permeability test and view

3.3.2 다층복공구조에서의 박리박락저항성 평가

 일반적으로 FR-ECC의 우수한 변형성능과 균열제어성능에 의해 다층복공구조의 표면재로 사용할 경우 피복콘크리트의 박리박락을 방지하는 효과가 기대된다.

 이에 본 연구에서는 Fig. 5와 같이 프리케스트콘크리트판(60×400×600mm) 중앙부에 코어커터기를 이용하여 직경 100mm, 깊이 55±1mm가 되도록 절단한 후, 배면에 FR-ECC를 8mm의 두께로 피복(피복면적 400×400mm)하였다.

Fig. 5 Schematic specimen for desquamation and exfoliation test

 이후 FR-ECC를 피복하지 않은 표면의 코어부를 재하시험(재하속도 : 최대하중까지는 1mm/min, 이후에는 5mm/min)을 실시하였으며, 이 과정에서 하중-변위곡선과 변위 5, 10, 15mm일 때의 파괴범위, 파괴정도, 균열패턴을 관찰하였다.

3.4 FR-ECC로 단면복구된 보부재의 내력 및 균열제어 성능 평가

 본 연구에서는 인성 및 균열제어성능이 다른 보수재료로 단면복구된 보부재의 내력 및 균열제어성능에 보수재료의 종류(FR-ECC 및 PCM)가 미치는 영향과 더불어, 단면복구 이전에 부재의 손상여부가 FR-ECC로 보수된 보부재의 성능에 미치는 영향을 검토하였다. 이를 위한 실험계획은 Table 4와 같다.

Table 4 Experiments design for performance evaluation of beams by repaired the different materials.

 또한, Table 5는 모재콘크리트의 배합사항, Fig. 6은 보부재의 치수 및 형상과 보수부위의 위치를 나타낸다. 한편, FR-ECC로 보수전에 인위적 손상을 유발시킨 시험체(B-ECC/N)는 4점 휨재하시험에 의해 중앙점 변위 0.4mm까지 재하(보 중앙부 높이까지 약 5개의 균열이 발생)한 후 FR-ECC로 단면복구를 실시하였다.

Table 5 Mix proportion of basic concrete

Fig. 6 Size and shape of beam specimens for loading test

 본 연구에서 휨재하시험은 모멘트스팬을 800mm로 한 4점 재하하였으며, 하중 및 스팬중앙부 변위를 계측함과 동시에 압축측의 휨모멘트 구간에 3개의 변형게이지(중앙으로부터 200mm 간격)에 의해 압축측 변위를 측정하였다. 또한, 인장측 휨모멘트 구간 내에 50mm 파이게이지(15개)를 연속적으로 부착하여 균열폭을 계측하였다.

4. 실험결과의 검토 및 분석

4.1 수축특성의 평가 및 분석

4.1.1 소성수축의 평가 및 분석

 일반적으로 보수재료는 높은 강도와 시공성 및 마감성 등의 이유로 단위바인더량이 많으며, 이로 인해 소성수축으로 인한 균열발생 위험이 크다. Table 6은 본 연구에서 대상으로 보수재료의 소성수축 측정결과를 나타낸 것이다. 그 결과, 다량(Vf=2.0vol.%)의 단섬유가 혼입된 FR-ECC는 가혹한 환경조건(온도 30±3℃, RH 40±5%, 풍속 4.0~4.5m/sec)에서도 균열이 전혀 발생되지 않았다. 반면, 섬유를 전혀 혼입하지 않은 RM-A는 수축균열이 심하게 발생(총 길이 186mm)하였으며, RM-B는 수축균열이 발생되었으나 RM-A에 비해 크게 저감됨을 확인할 수 있었다.

Table 6 Test results of plastic shrinkage.

4.1.2 건조수축의 평가 및 분석

 Fig. 7은 KS F 2424에 준하여 측정된 건조수축에 의한 보수재료의 길이변화율을 나타낸 것으로, 대상으로 한 모든 보수재료는 측정개시일로부터 약 7일까지 급격한 길이 감소가 발생하였으며, 이후에는 감소폭이 완만해지는 것으로 나타났다.

Fig. 7 Length change ratio of repair mortar

 한편, 모든 보수재료는 KS F 4042[콘크리트구조물 보수용 폴리머시멘트모르타르]에서 규정하고 있는 기준치(재령 28일에서 ±0.15%)를 모두 만족하는 것으로 나타났으며, 건소수축에 의한 길이변화율은 FR-ECC < RM-B < RM-A의 순으로 작게 나타났다.

4.1.3 구속수축균열의 평가 및 분석

 Fig. 8 및 Table 7은 KS F 2595[콘크리트의 건조수축 균열 시험방법]에 준하여 측정된 보수재료의 구속수축 균열의 결과를 나타낸 것이다.

Fig. 8 Relation between elapsed time and shrinkage

Table 7 Test results of shrinkage crack.

 즉, 모든 보수재료는 재령이 증가됨에 따라 수축량이 지속적으로 증대되어 최종적으로 건조수축에 의한 균열이 발생하였으며, 균열발생일수는 RM-A(22.4일) < RM-B(23.1일) < FR-ECC(25.6일)의 순으로 늦게 발생하였다. 또한, 균열발생 시 수축량은 RM-A(-104㎛) < RM-B(-129㎛) < FR-ECC(-139㎛)의 순으로 크게 나타났다.

 이와 같이 섬유의 혼입량이 많은 경우가 균열발생시기 및 균열시 수축량이 증대되는 것으로 나타났으며, 균열발생 후에도 섬유의 가교작용에 의해 균열폭이 크게 확장되지 않는 것을 확인할 수 있었다.

4.2 동결융해저항성의 평가 및 분석

4.2.1 급속동결융해시험에 의한 내동해성 평가 및 분석

 Fig. 9는 KS F 2456[급속동결융해에 대한 콘크리트의 저항시험방법]에 준하여 측정된 FR-ECC의 질량감소율과 상대동탄성계수를 나타낸 것이다. 그 결과, FR-ECC는 324사이클까지 질량이나 상대동탄성계수의 명확한 저하는 확인되지 않았으며, 기존의 보고와 같이 내동해성이 우수함을 확인할 수 있었다.

Fig. 9 Results of rapid freezing and thawing test

4.2.2 균열도입 후의 내동해성 및 동결융해 후의 인장 성능 평가 및 분석

 Fig. 10은 각 단계의 변형율까지 인장균열을 인위적으로 도입한 FR-ECC 인장시험체의 동결융해 사이클별 상대동탄성계수의 변화를 나타낸 것이며, Photo 7은 동결융해시험 전후의 시험체 외관을 나타낸 것이다.

Fig. 10 Relative dynamic modulus by the strain of FR-ECC

Photo 7 Specimens appearance of before and after F&T test

 그 결과, 인장시험에 의해 균열을 도입한 시험체가 건전한 시험체에 비해 상대동탄성계수의 저하는 다소 크게 나타났으나, 인장변형율 1.0%까지 균열을 도입한 시험체(ECC (1.0%))에 있어서도 144사이클에서의 상대동탄성계수는 90% 이상을 만족하는 것으로 나타났다. 또한, Photo 7에 나타낸 바와 같이 인장변형율 1.0%의 시험체에 있어서도 동결융해시험 후 파손이나 심각한 스케일링은 나타나지 않아 FR-ECC는 균열이 발생된 후에도 동결융해에 의한 급격한 성능저하는 발생하지 않을 것으로 판단된다.

 한편, Fig. 11은 144사이클까지 급속동결융해시험을 실시한 FR-ECC 시험체를 대상으로 직접인장시험에 의한 응력-변형곡선을 나타낸 것이며, Table 8은 종국변형율 및 인장강도의 평균치를 나타낸 것이다.

Fig. 11 Tesile strain-stress curve of FR-ECC after F&T test

 그 결과, 초기에 도입한 변형율이 클수록 동결융해시험 후 인장응력-변형 곡선의 초기 기울기는 완만하게 나타났으며, 이는 동결융해시험 전 도입한 변형에 의해 FRECC의 매트릭스가 손상되어 나타난 현상으로 판단된다. 또한, Table 8에 나타낸 바와 같이 초기 도입한 변형율이 클수록 동결융해시험 후의 종국 인장변형율 및 인장강도는 대체적으로 다소 저하되는 것으로 나타났으나, 도입 변형율 1.0% 시험체(ECC(1.0%))에서도 동결융해시험 후 인장변형율 및 인장강도는 각각 4.89% 및 7.8MPa로 ECC(0.0%) 시험체의 약 90% 이상을 나타내고 있다.

Table 8 Tensile test results of FR-ECC after F&T test

 이상과 같이 본 연구의 범위에서는 동결융해작용이 균열을 도입한 FR-ECC의 인장성능에 미치는 영향은 매우 미미한 것으로 판단되며, FR-ECC는 균열발생 후에도 동결융해에 대한 저항성의 확보가 기대된다.

4.3 다층복공구조에서의 지수성능 평가 및 분석

 Fig. 12는 지수재 종류에 따른 다층복공구조 시험체에 대하여 종국파괴까지 휨재하를 실시한 경우의 휨하중-변위곡선을 나타낸 것이며, Table 9는 재하점 변위 1mm까지만 재하시험을 실시한 경우의 실험결과를 나타낸 것이다. 또한, Photo 8은 재하점 변위 1mm에서의 균열패턴을 나타낸 것이다.

Fig. 12 Relationship between bending load and displacement

Table 9 Bending test results of multi-layer lining

Photo 8 Crack pattern of multi-layer lining at 1mm displacement

 그 결과, 초기 균열발생 후 휨하중의 저하율은 지수재로서 FR-ECC를 사용한 경우(LC-ECC)는 약 40% 정도, 프라이머, 방수재 및 무처리 시험체는 약 60% 정도인 것으로 나타났다. 또한, 재하점 변위 1mm에서의 휨인성 계수는 지수재의 종류에 관계없이 1.52~1.75MPa로 유사하였지만, FR-ECC를 사용한 경우에는 3.04MPa로 무처리에 비해 휨인성계수가 크게 향상되었다. 한편, 균열패턴을 살펴보면 프라이머나 방수재를 사용한 경우에는 무처리에 비해 인장측의 균열폭은 크지만, 압축측의 균열폭은 작게 나타났다. 반면, FR-ECC를 사용한 경우에는 무처리에 비해 인장측 및 압축측 모두 균열폭이 작게 나타났다.

Fig. 13은 각 시험체의 단위시간당 투수량을 나타낸 것으로, 대부분의 시험체에 있어서 측정개시 약 1시간 이내에는 투수량의 편차가 크게 나타났으나, 이후에는 일정한 값으로 수렴되었으며, 이는 시험체 자체의 흡수에 기인한 것으로 판단된다. 한편, LC-ECC 시험체를 제외하고는 시험체마다 투수량의 편차가 크게 나타났으며, 이는 모체인 섬유보강콘크리트의 결함개소 비율에 기인된 것으로 추정된다. 반면, LC-ECC 시험체의 경우에는 다른 지수재에 비해 확실히 균질한 층을 형성하는 것이 가능하므로 투수량의 편차가 작게 나타난 것으로 보인다. 

Fig. 13 Relationship between the elapsed time and amount of water percolation

또한, Fig. 14는 각 지수재 종류별 투수량의 평균치를 나타낸 것으로, 평균 투수량은 무처리에 비해 지수재를 설치한 경우가 작게 나타났다. 특히, FR-ECC를 적용한 시험체의 평균투수량은 무처리의 약 1.3% 수준으로 다른 지수재에 비해 크게 낮게 나타났으며, 이는 FR-ECC의 균열폭 제어성능에 기인한 것으로 판단된다. 따라서, 다층복공구조에 있어서 지수재로서 FR-ECC의 적용성이 우수한 것으로 판단된다.

Fig. 14 Amount of water percolation

4.4 다층복공구조에서의 박리박락저항성 평가 및 분석

 Fig. 15는 박리박락시험시 중앙점 변위량과 하중의 관계를 나타내며, Photo 9는 각 변위량에서의 시험체 외형과 시험후 균열패턴을 나타낸다.

Fig. 15 Relationship between load and displacement

 즉, FR-ECC의 박리박락저항성에 있어서 초기균열의 발생과 동시에 하중의 저하가 나타났지만, 섬유가교작용에 의한 FR-ECC의 균열제어성능에 의해 변위 10mm이상에 있어서도 하중이 2kN 이상으로 매우 높게 나타났다. 또한, 변위의 진행과 함께 균열발생 범위가 넓어졌지만 재하종료시까지 FR-ECC의 박리박락은 발생하지 않았다. 한편, 시험종료 후 파괴범위 내에서는 Photo 9(e)와 같이 무수한 미세균열(Multiple cracking)이 발생하고 있는 것을 확인할 수 있다. 이와 같이, FR-ECC는 균열제어성능에 의한 우수한 변형성능으로 일본고속도로관리공단의 박리박락에 대한 기준을 만족하고 있어 터널 등 박리박락의 저항성이 요구되는 개소에서 박리박락 방지재로서 사용이 기대된다.

Photo 9 Appearance and crack pattern of specimens

4.5 FR-ECC로 보수된 보부재의 성능평가 및 분석

 Fig. 16은 각 보수재료로 단면복구 된 보부재(200×300×3,000mm)의 모멘트-곡률 곡선을 나타낸 것이며, Table 10은 각 보부재의 휨성능을 평가한 결과이다. 또한, Fig. 17은 보부재의 밑면에 부착된 파이게이지(검측구간 50mm)에 의한 균열폭과 인장철근의 변형량과의 관계를 나타낸 것이며, Photo 10은 시험종료 후 보부재에 발생된 균열패턴 및 균열의 상세그림을 나타낸 것이다.

Fig. 16 Moment-curvature curve of beam members

Table 10 Results of flexural properties of beam member

Fig. 17 Relationship between crack width and steel strain

 그 결과, 건전한 무보수 시험체(B-Plain)는 모멘트 10.85kN⋅m에서 초기균열이 발생하였고, 모멘트 50.67kN⋅m에서 항복모멘트를 보였으며, 이후 변위의 증대와 함께 인장측에 약 150~200mm 간격으로 발생한 매크로 크랙의 폭이 점점 확대(Fig. 17 및 Photo 10(a) 참조)되면서 극한모멘트(53.85kN⋅m)에 도달하였다.

Photo 10 Crack pattern of beam members

 또한, 기존에 단면복구재로서 일반적으로 사용되는 폴리머시멘트모르터로 보수된 시험체(B-PCM)는 초기균열시 모멘트가 무보수 시험체(B-Plain)에 비해 다소 증대(11.82kN⋅m로 약 9% 증대)되었으나, 항복모멘트, 극한모멘트 및 균열패턴은 무보수 시험체와 거의 동등한 수준임을 확인할 수 있었다.

 반면, FR-ECC로 단면복구 된 시험체(B-ECC)는 초기 균열 발생시 모멘트는 14.60kN⋅m로 무보수 시험체에 비해 약 35% 증대되었으며, 항복시 모멘트도 57.73kN⋅m로 약 14% 정도, 극한모멘트는 59.98kN⋅m로 약 11%정도 증대되었다. 이는 본 연구에 사용된 FR-ECC가 기존 연구에서 보고된 바와 같이 일정량의 인장력을 부담하기 때문인 것으로 판단된다.

 또한, B-ECC 시험체의 균열발생 패턴을 살펴보면 하중의 증대와 함께 인장측에 미세균열(micro crack)이 발생하였고, 그 후 모체콘크리트에 균열이 발생하면 보수재인 FR-ECC 층의 균열은 모체콘크리트의 균열 위치에 집중적으로 발생되었으며(Photo 10(b) 참조), Fig. 17에 나타낸 바와 같이 철근의 인장변형량이 증대될수록 균열폭이 증대되었으나, B-Plain 및 B-PCM 시험체에 비해 균열폭 증대량의 기울기가 매우 완만해졌다. 특히, 이 과정에서 인장력을 받는 FR-ECC 층의 균열폭 확장이 집중되지 않고 균열 본수가 크게 증대되었으며, 철근변형량 2,000(×10-6)까지 평균 균열폭(파이게이지 변형량÷균열개수)을 약 80㎛ 이하로 제어할 수 있었다. 이는 인장력을 받는 FR-ECC 고유의 성능인 균열제어성능(즉, Multiple cracking)에 기인한 것으로 판단되며, 탁월한 균열폭 제어에 의해 기존 보고와 같이 균열발생 후에도 내구성의 유지가 가능할 것으로 사료된다.

 한편, FR-ECC로 단면보수 전에 4점 재하시험에 의해 중앙변위 0.4mm까지 인위적으로 손상을 유발(보 중앙높이까지 5개의 휨균열이 발생)시킨 시험체(B-ECC/N)는 초기균열발생시 모멘트가 11.25kN⋅m로 손상이 없는 시험체(B-ECC)에 비해 낮으나 무보수 시험체보다는 높게 나타났다.

 반면, FR-ECC/N 시험체의 항복모멘트, 극한모멘트 및 균열패턴과 폭은 손상 전 시험체와 거의 유사한 특성을 보이고 있다. 따라서, 손상된 보부재의 보수보강재료로 FR-ECC를 사용할 경우 손상 전의 보수보강 효과와 동등한 정도의 효과를 기대할 수 있을 것으로 판단된다.

5. 결 론

 고인성 내화보수모르터(FR-ECC)를 활용한 RC 구조물 보수공법의 내구성능 및 내하력 등을 실험⋅실증적으로 평가한 결과, 본 연구의 범위에서 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.

 (1) FR-ECC와 기존 보수모르터의 수축특성을 비교⋅검토한 결과, FR-ECC는 기존 보수모르터 보다 소성수축에 의한 균열을 억제할 수 있고, 건조수축에 의한 길이변화율도 저감시킬 수 있으며, 더욱이 구속상태에서의 건조수축에 의한 균열 발생시기 및 폭을 개선시킬 수 있는 것으로 나타났다.

 (2) 급속동결융해시험에 의해 FR-ECC의 내동해성을 검토한 결과, 건전상태에서의 내동해성은 매우 우수하게 나타났으며, 동결융해작용 전에 인위적으로 균열을 도입하여도 내동해성이 미치는 영향은 미미하고, 동결융해작용에 의한 인장성능의 급격한 저하는 확인되지 않았다.

 (3) FR-ECC와 기존 지수재를 다층복공구조에서 지수재로서의 성능을 비교⋅검토한 결과, FR-ECC는 탁월한 균열제어성능에 의해 균열발생 후에도 기존 지수재에 비해 지수성능의 확보⋅유지가 가능한 것으로 나타나 다층복공구조에서 지수재로서의 사용이 기대된다.

(4) FR-ECC로 박층 보수된 시험체를 대상으로 박리박락저항성을 평가한 결과, FR-ECC의 우수한 균열제어성능에 의해 시험종료시까지 박리박락이 전혀 발생되지 않아 터널 등 박리박락저항성이 요구되는 개소에서의 사용이 가능할 것으로 판단된다. 

(5) FR-ECC로 단면복구 된 휨부재를 대상으로 휨성능 및 균열제어성능을 비교⋅평가한 결과, FR-ECC의 인장성능과 균열제어성능에 의해 부재의 손상여부에 관계없이 기존 보수모르터 보다 보수보강 효과가 우수하였으며, 특히 균열 발생 시에도 이를 마이크로한 멀티플크랙으로 분산시켜 내구성의 유지⋅확보가 가능할 것으로 판단된다.

감사의 글

 본 연구는 2011년 건설교통기술연구개발사업 11첨단도시C01지원에 의하여 수행하였으며, 관계자께 감사드립니다.

Reference

1.권영진 외 4인, 고인성모르터를 사용한 RC 구조물의 새로운 보수⋅보강공법, 한국구조물진단학회지, 제10권 5호, 2006.09, pp.29-36.
2.권영진 외 4인, 고인성시멘트복합체를 사용한 국내외 보수공법의 현황, 콘크리트학회지, 제18권 2호, 2006.03, pp.56-63.
3.권영진 외 4인, 균열제어형 DFRCC를 사용한 RC 구조물의 보수공법, 콘크리트학회지, 제18권 1호, 2006.01, pp.56-61.
4.권영진 외 4인, HPFRCC를 이용한 구조물 보수보강공법에 대한 JSCE의 구조적 안전성 평가 방법, 콘크리트학회지, 제18권 3호, 2006.05, pp.75-81.
5.기술표준원, KS 2456[급속동결융해에 대한 콘크리트의 저항시험방법], 2008.08.
6.기술표준원, KS F 2424[모르타르 및 콘크리트의 길이변화시험방법, 2010.12.
7.기술표준원, KS F 2595[콘크리트의 건조수축 균열 시험방법], 2009.12
8.김용로, 염해 및 중성화에 의해 성능저하된 철근콘크리트구조물 보수공법의 성능평가 기법, 충남대학교 박사학위논문, 2005, pp.25-36.
9.김재환 외 5인, 고인성 시멘트복합체의 인장성능평가에 관한 연구, 한국콘크리트학회 봄학술발표회, 제18권 1호, 2006, pp.357-360.
10.김정희 외 3인, "고인성 내화보수모르터를 활용한 RC 구조물 보수공법의 성능평가에 관한 실험적 연구", 구조물진단학회, 제13권 6호, 2009.11, pp.22-30.
11.(주)피엔알시스템 외 1개사, 고인성 보수모르터와 전용 제조 ⋅뿜칠시스템을 활용한 콘크리트구조물의 내구 및 내화성능을 향상시키는 보수공법(ECC-내화보수공법), 건설신기술 제563호, 2008.11.
12.森山, 纖維補强セメント複合材料の適用と力學性能, 耐久性能,耐火性能の評價, 岐阜大學, 博士學位論文, 2008.08.
13.日本土木學會, 複數微細ひび割れ型纖維補强モルタルの評價と移用, コンクリート技術シリーズ, 2005.07
14.土木學會, 複數微細ひび割れ型纖維補强セメント複合材料設計⋅施工指針(案), コンクリートライブラリー127, 2007.03.