탄소섬유보강 시방서 및 흐름도 사진...

 

1. 개 요

 

 

1) 탄소섬유시트 공법의 개요

 

탄소섬유는 일반적으로는 에폭시수지 등과의 복합재인 CFRP (Carbon Fiber Reinforced Plastic )로 쓰이고 있다. 당초 탄소섬유를 콘크리트 구조물의 보강에 사용하려는 시도는 미리 공장 제작한 CFRP 판을 현장에서 콘크리트 구체에 접착하는 방법으로 시작되었다. CFRP 판은 경화물이기 때문에 그대로는 기존의 콘크리트 부재의 형상에 추종시키고 보강하는 것은 대단히 곤란하였다.

 

그래서 천 형태로 탄소섬유를 제직한 직물 재라든지 시트상의 탄소섬유에 현장에서 에폭시수지를 함침 시키면서 콘크리트 구체에 접착하는 공법이 생각되었다. 탄소섬유의 강도를 유효하게 이용하기 위해서는 섬유의 직선상이 중요하고 또한 현장에서의 콘크리트 부재형상에의 추종상도 요구한다. 이 2가지의 요구 성능을 만족하는 공법으로서 개발된 것이 탄소섬유가 일 방향으로 배열된 탄소섬유시트를 쓰는 탄소섬유시트 공법이다.

 

탄소섬유시트 공법은 부드러운 상태대로의 탄소섬유시트를 콘크리트 표면에 붙일 때 에폭시수지를 탄소섬유시트의 속에 침투시키어 그 자리에서 경화시키는 것으로 CFRP화 하면서 동시에 콘크리트구체에 접착하는 것이다.

탄소섬유시트 공법은 부드러운 상태대로의 탄소섬유시트를 콘크리트 표면에 붙일 때 에폭시수지를 탄소섬유시트의 속에 침투시키어 그 자리에서 경화시키는 것으로 CFRP화하면서 동시에 콘크리트 구체에 접착하는 것이다.

 

탄소섬유시트 공법으로는 부재의 휨 보강, 전단보강, 인성보강이 가능하다. 휨 보강에서는 부재의 인장면에 주철근 방향으로 탄소섬유시트를 접착하고 전단보강 및 인성보강에서는 띠철근 방향으로 탄소섬유시트를 부재의 전체 주위에 감아 사용한다.

콘크리트 표면에 탄소섬유시트를 붙이는 것으로 철근의 증설 혹은 강판의 붙임과 같은 보강효과를 발휘한다. 탄소섬유시트 공법의 특징은 이하와 같다.

 

○ 보강효과

- CFRP로서 비중이 약 1.6으로 철의 1/5이고 보강에 의한 중량증가는 거의 생기지 않는다.

 

- 인장강도는 30,000kgf/㎠ 이상으로서 강재의 약 10배이다. 보강 량이

대단히 적게 끝나기 때문에 보강 뒤의 콘크리트 구체의 형상변화는 거의 없다.

 

- 시트 상에 탄소섬유가 일 방향으로 배열되어 있기 때문에

탄소섬유가 갖는 우수한 강도특성이 최대한 발휘되어 높은 보강효과가 얻어진다.

​

- 탄소섬유시트는 일 방향에만 보강효과를

발휘하기 때문에 필요로 하는 방향만을 보강할 수 있다.

​

- 적정 보강 량에 대하여 적층수의 조절에 의해 대응할 수 있다.

 

○ 시공성

- 탄소섬유시트를 상온효과수지로 접착하는 만큼

간단한 공정으로서 적은 인원 수로 짧은 공사기간에 끝난다.

 

- 경량이고 손작업만으로 시공이 가능하고

중장비가 필요하지 않고 시공 공간 에 제약되지 않는다.

 

- 탄소섬유시트는 구조물의 복잡한 형상에 유언하게

대응할 수 있고 또한 자유 롭게 절단할 수 있다.

 

- 경량으로 운반성이 우수하여 반입이

용이하고 좁은 장소에서의 작업에도 알맞다.

​

○ 내구성, 내식성

- 수지와 탄소섬유만으로 하는 보강을 하기 때문에 대개의 환경에서 부식・

열화에 대하여 안정하고 피로에 대하여도 강재 이상의 내구성을 발휘한다.

 

○ 비용

- 공사비는 탄소섬유시트의 층수에 의해서

변화하지만 일반적으로 저비용(다적 층을 제외한다)

 

- 부대공사비, 공기 등을 포함해서 종합적 비용에서 유리

​

2)탄소섬유시트 공법의 용도

탄소섬유시트 공법은 1990년경부터 본격적으로 이용되게 되었다. 당초는 굴뚝의 보강, 건축물의 BEAM라든지 슬래브의 보수・보강, 터널 복공 콘크리트의 보수・보강 등에 사용되었다.

 

그 후 규제완화에 의한 차량 대형화 대책으로서 도로교의 RC 상판의 보강에의 이용이 급속히 확대하였다. 일본에서는 한신 대지진 이후 건축물의 기둥이나 철도고가교, 도로교의 교각 등의 내진보강 공법으로서 이용되게 되었다.

 

 

토목분야 ‥‥‥‥ 도로교, 철도교의 교각의 내진보강

도로교 RC 상판의 보수・보강

터널・박스 컨버트의 보수・보강

 

건축분야 ‥‥‥‥ 기둥・보・벽의 내진보강

보・슬래브 등의 보수・보강, 휨방지

철근콘크리트 굴뚝의 보강

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2.설계상의 특징

 

1) 휨보강

휨 보강을 하는 경우에는 부재의 인장측 표면에 부재 축방 향으로 탄소섬유시트를 접착한다. 설계계산에 의해 탄소섬유시트의 보강 량, 정착길이와 보강범위를 결전한다.

 

도로교의 상판 등에 허용응력도법에 의해 설계가 행하여지고 있다. 종래의 강판접착과 같이 보강 후의 단면에 있어서 부재의 발생하는 변형이 평면유지상태를 만족한다고 하는 설계방법이 쓰이고 탄소섬유시트를 young 계수비로 강판을 치환하여 설계가 행하여지고 있다.

 

교각 등의 내진 보강으로 휨 보강을 하는 경우에는 마찬가지로 변형의 평면보지상태를 가정하여 각 재료의 응력-변형관계를 써 종래의 철근콘크리트 부재의 굽힘 내력 계산법을 적용하고 있다. 탄소섬유시트가 인장 보강재로서 그 전체 강도를 발휘하기 위해서는 철근의 정착길이에 상당하는 탄소섬유시트의 부착 길이의 검토가 필요하지만 일본 도로공단 에서는 허용부착응력도를 4.5Kg/㎠로서 설계를 행하고 있다.

 

2) 전단보강

전단보강을 하는 경우에는 부재표면의 축지각 방향으로 탄소섬유시트를 감아 에폭시수지를 함침 하여 CFRP화함에 의하여 한다. 탄소섬유시트를 부재전체에 감고 탄소섬유시트의 말단부는 충분한 연결 길이를 취하여 탄소섬유시트끼리 정착을 취하도록 함이 필요하다. 일본도로 공단의 내진 설계요령 안에서는 최대 연결 길이를 20cm로 하고 있다. 탄소섬유시트를 사용하여 보강을 하는 경우 부재의 전단력내력은 콘크리트가 담당하는 전단력, 사인장 철근이 부담할 수 있는 전단력과 탄소섬유시트가 부담할 수 있는 전단력을 합쳐서 고려하여 종래의 철근콘크리트 부재의 전단내력의 누가형의 식을 써 Ps = Sc+Ss+Scf로서 계산하고 있다. (예컨대 「탄소섬유에 의한 철근콘크리트 교각의 보강공법설계・시공요령(안)」 일본도로공단시험연구소교량연구실)

​

3) 인성보강

탄소섬유시트를 기둥형 구조물의 띠철근방향으로 접착함에 의해 탄소섬유시트의 구속효과에 의해 콘크리트의 극한변형의 증대, 피복 콘크리트 박락 및 주근의 좌굴방지의 효과가 있어 인성 보강성능(변형성능)이 향상됨이 실험적으로 나타나고 있다.

설계상 인성보강 효과를 구체의 치수, 탄소섬유의 체적비, 강도 등을 parameter로서 콘크리트의 응력변형곡선에 넣는 방법이나 전단여유도로서 나타내는 방법이 검토되고 있다.

이 탄소섬유시트에 의한 측면 구속효과를 설계식에 반영하는 것이 시트에 의한 인성보강효과를 평가하기 위해서 현재 각 기관에서 연구가 진행 중에 있다.

​

3. 시공순서

 

1) 하지처리

 

(1) 에폭시 수지에 의한 콘크리트 시공 면과 탄소섬유시트간의 충분한 접착력을 확보하기 위하여 시공면의 열화층(레이턴스・풍화・박리몰탈・도장・이형 제・오염부 등)을 디스크 샌딩기 등을 사용하여 충분히 제거・연마해 강도 가 높은 면을 노출시킨다.

 

(2) 표면의 돌출부(콘크리트 줄눈, 거푸집 단차 등)를 콘크리트 대패, 디스크 샌딩기 등으로 깎아 평활 화한다. 탄소섬유시트 시공시 적절한 표면단차는 1mm 이내이다.

 

2) 단면복구

 

(1) 하지처리 후 현저한 단면 결손부, 기공 등의 불량우가 있는 경우에는

콘크리트와 동등 이상의 강도를 갖는 단면복구재로 복구하여 평탄하게

마무리한다. 철근의 노출이 있는 경우에는 방청처리를 행한 뒤에 단면을

복구 시켜 일체화시켜 나간다.

 

(2) 크랙(균열)부에 에폭시수지 등을 주입하여 보수한다.

 

(3) 크랙, 줄눈 등에서 누수가 있는 경우에는 별도의 지수・도수처리를 한다.

* 복구면의 단차는 1mm 이내로 마무리할 것.

 

3) 프라이머도포

* 기온 ℃ 이하, 우천 및 결로의 우려가 있는 경우에는 시공하지 않는다.

시공부의 온도를 확인하여 적절한 프라이머를 선택한다.

 

(1) 프라이머의 주제・경화제를 2:1의 배합비로 둥근 모양의 용기에 계량

한 후 저속회전으로 균일하게 될 때까지 (약 2분간) 혼합한다. 교반에는

저속식 전동교반기를 사용하며, 특히 용기 벽면 근방을 세심하게 교반시켜

준다.

1회의 혼합량은 가사시간 이내에 시공 완료 할 수 있는 양으로 하며 가사

시간을 초과한 것은 절대로 사용하지 않는다. 어떠한 경우에도 용제로 희석

하여 프라이머를 사용하지 말아야하며 용제에 젖은 솔이나 롤러 등은 충분 히 건조시켜 후 사용하여야 한다.

 

(2) 롤러나 솔 등으로 균일하게 도포한다. 특히 동절기에는 프라이머의 점도가 높아지기 때문에 두께 조절이 어려우므로 주의한다.

프라이머의 침투량이 많은 부위는 첫 번째 도포면이 적당히 건조된 후 2회 도포를 행한다.

도포량은 시공면의 종류(천장, 벽)나 거칠기 등에 의해 변화한다. 표준적인 프라이머 도포량은 250g/㎡이다.

 

(3) 끈적거림이 느껴지지 않을 때까지 도포면을 건조시킨다.(기온에 따라서

접촉 건조시간은 변동한다.)

​

(4) 프라이머 경화후 표면에 방울 맺힘 현상이 있는 경우에는 시트 부착 전에 그 부분을 사포 등으로 깎아 마무리한다.

 

* 가사시간은 혼합하는 프라이머의 양과 주위의 온도에 영향을 받는다.

기온차가 높을수록 혼합량이 많을수록 가사시간은 짧아진다.

 

* 시공현장은 충분한 환기를 하고 화기의 사용을 엄금한다.

시공할 때는 반드시 보호구(마스크, 안경, 고무장갑)를 착용할 것.

 

(5) 프라이머의 종류에 따른 일반적인 성질들은 아래 표와 같다.

 

품 명		프라이머	레진(하절기)	레진(동절기)
적용온도(℃)		15~25	25~35	5~15
가사시간(분)	@30℃		40
	@20℃	40
	@10℃			40
건조시간(시간)	@23℃	11이내	15이내	9이내
주제:경화제(중량비)		2:1	2:1	2:1
사 양		표준・무용제	여름용・무용제	겨울용・무용제

 

4)요철수정

* 요철수정의 실시상태가 탄소섬유시트 시공 마무리에 그대로 반영되기 때문에 충분한 수정을 실시한다. 단차는 5mm 이내로 한다.

 

(1) 표면의 오목부에 에폭시 퍼티를 충진한다.

 

(2) 구석 부는 에폭시 퍼티를 사용하여 rounding 처리를 한다.

* 콘크리트 면의 곰보는 기포의 원인이 되기 때문에 에폭시 퍼티 등으로

메울 것. 되도록 전면 퍼티 마무리가 바람직하다.

5) 탄소섬유시트 접착

* 기온 5℃이하, 우천 및 결로의 우려가 있는 경우에는 시공하지 않는다.

* 시공부의 온도를 확인하여 적절한 수지를 선택한다.

* 하도 수지는 충분하게 도포하고 함침 탈포작업을 충분히 실시한다.

* 함침 작업뒤 하도 수지 함침을 위해 30분 이상 방치한다.

* 이음길이는 10cm 이상 확보한다.

 

(1) 탄소섬유시트를 가위・칼 등을 사용하여 미리 소정의 크기로 절단한다.

절단 수량은 보관중의 파손을 막기 위해서 당일 사용 수량 분만 하는 것이 바람직하며 절단된 시트는 섬유의 배열이 흐트러지지 않도록 조심스럽게 취 급하여야 한다.(지나치게 작게 말거나 접어서 운반해서는 안됨.) 절단하는 탄소섬유시트의 길이는 탄소섬유시트 공법에 대한 숙련도, 작업공간 등에 의해 현장에서 판단하지만 일반적으로는 2~3m가 적당하다. 지나치게 긴 길이로 절단해서 사용하는 경우에는 취급성이나 탈포・함침 등의 시공성이 나빠지기 때문에 주의하여야 한다. 시트의 절단은 아래 그림과 같이 제품 박스를 사용하면 편리하다.

 

(2) 시공면의 프라이머・요철 수정재가 건조되어 있는 것을 확인한다. 프라이머 시공 혹은 요철수정재 시공으로부터 1주일 이상 경과한 경우에는 사포로

거칠게 갈아낸 후 시트 부착잡억을 실시한다.

프라이머, 에폭시 퍼티의 양생 중에 결로되거나 빗물이 닿은 경우에도

반드시 사포로 거칠게 면처리를 해 주어야 한다.

 

(3) 레진의 주제・경화제를 2:1의 배합비로 둥근 모양의 용기에 계량한 후 저

속회전으로 균일하게 될 때까지 (약2분간) 혼합한다. 교반에는 저속식 전동

교반기를 사용하며, 특히 용기 벽면 근방을 세심하게 교반시켜준다.

1회의 혼합량은 가사시간 이내에 시공완료 할 수 있는 양으로 하며 가사시 간을 초과한 것은 절대로 사용하지 않는다. 어떠한 경우에도 용제로 희석하 여 레진을 사용하지 말아야하며 용제에 젖은 솔이나 롤러 등은 충분히 건조 시킨 후 사용하여야 한다.

​

(4) 레진을 롤러나 솔 등으로 균일하게 도포 한다. (하도)기준 도포량은 다음과

같다.

 

- 섬유단위중량 200g/㎡의 탄소섬유시트 : 하도에 200~300g/㎡(설계 수지량 : 250g/㎡)

- 섬유단위중량 300g/㎡의 탄소섬유시트 : 하도에 250~350g/㎡(설계 수지량 : 300g/㎡)

 

※ 설계수지량 = 상도+하도

도포량은 시공면의 종류(천장, 벽)나 거칠기 등에 변화한다.

구석부(헌치등), 모서리부(코너부), 요철수정이 불충분한 곳에는 레진을 기준 도포량보다 많이 도포한다.

 

(5) 탄소섬유시트는 이형지가 붙어있는 채로 도포면에 부착한다. 이때 탄소섬유 시트와 수지의 사이에 기포가 될 수 있는 한 들어가지 않도록 한다. 다음에 이형지의 위에서 고무주걱 등을 사용하여 시트를 시공 면에 완전히 밀착시 켜 준다. 탄소섬유시트가 수지 도포면에 완전히 부착한 것을 확인하고 나서 이형지를 조심스럽게 벗겨낸다.

 

(6) 탈포 롤러를 사용하여 탄소섬유시트를 섬유길이 방향으로 강하게 4~5회

문질러 준다. 이 때 수지가 시트사이로 잘 베어 나오는지를 확인하면서

기포를 제거한다. 구석 부라든지 모서리 부는 특히 정성껏 함침・탈포 작업 을 실시하여야 한다.

구석부(귀퉁이, 코너)에 대해서는 구석으로 향하여, 반대로 모서리부에

대해서는 모서리에서 멀어지는 방향으로 함침・탈포 조작을 실시한다.

일반적인 함침・탈포 작업의 방향은 아래 그림과 같다.

 

(7) 섬유(길이) 방향의 이음을 반드시 10cm 이상 확보하면서 시공하여야

한다. 이 때 수지는 충분히 도포하여 그 위에 탄소섬유시트를 포갠다.

폭 방향의 이음은 필요하지 않다.

 

(8) 시트를 부착한 뒤에는 수지의 자연함침을 위해 30분~2시간 정도 방치한다.

​

수지 겔화(초기반응종료)뒤 점도가 상승한 시점(상도 전)에 떠오름이나

엇갈림이 발생하면 탈포롤러 등으로 늘려 밀착시켜 준다.

 

6) 마감

* 필요에 따라 표면의 마감을 한다.

 

(1) 탄소섬유시트 자체가 자외선을 차단하여 수지의 열화를 방지하는 효과가

있지만 시공면이 직사일광을 받는 경우는 내후성 도료(우레탄계 등)를 도장 함이 바람직하다. 도장은 수지의 초기 경화 후부터 실시할 수 있으며 시공 방법은 각 도료의 표준 시공법에 준하여 한다.

 

(2) 그 밖의 마감

도장 이외의 마감을 실시하는 경우에는 사전에 충분히 검토하여 필요에

따라서 확인시험을 실시한다. 시공은 각 재료의 표준 시공법에 준하여 한다.

 

4. 시공상 주의

 

○ 온도

온도가 낮은 경우 함침불량, 경화반응의 지연이나 경화불량을 일으키는 경우가 있다. 동계 혹은 한랭지 등에서는 시공・양생조건을 신중하게 검토하고 기온, 구체온도와 외기 온도의 차가 커지면 결로가 발생하는 경우가 있으므로 주의를 기한다.

 

○ 결로

수분의 존재는 프라이머 및 수지의 접착을 저해한다. 누수가 있는 경우는 지수・도수처리를 확실하게 하고 우천 또는 결로의 우려가 있는 경우에는 시공을 중지하여야 한다. 우천시가 아닐지라도 습도가 85% 이상에서도 시공을 해서는 안된다.

 

○ 요철

탄소섬유시트는 콘크리트 구체와 완전히 일체화돼야만 그 효과가 100% 발휘될 수 있다.

거푸집 단차라든지 곰보, 모서리 부는 탄소섬유시트가 부착되기 어렵고 또한 그대로서는 부착한 뒤에 떠오름이 발생하기 쉬운 부분이다.

충분한 접착성을 확보하는 시공을 실시하기 위해서 콘크리트 단차는 5mm 이내로 수정하여야 한다.

 

○ 프라이머・레진의 취급

주제・경화제의 혼합 후는 가사시간을 엄수하여 초과한 것은 사용하지 말아야 한다. 수지의 가사시간은 사용 시의 기온이나 수지의 혼합량에 의해서 다르기 때문에 충분한 주의가 필요하다.

 

○ 탄소섬유시트의 취급

시트는 항상 조심스럽게 취급하여야 하며 절단 후에는 R=300mm 이상의 롤에 감거나 적층하여 보관하여야 한다.

부착할 때는 섬유(길이)방향에는 10cm 이상의 이음(겹침)길이를 확보여야하며 폭 방향으로는 필요하지 않다.

시트의 보관은 직사일광 및 빗물에 노출되지 않는 장소에 보관한다.

​

6. 안전대책

 

1) 작업공구의 사용방법 및 보관방법을 확인한다.

 

2) 발판, 발밑 등의 작업환경을 정비한다. 또한 작업에 따라서 보호 MASK,안경,

장갑,안전밸트 등의 보호구를 착용을 의무화한다.

 

3) 유기용제를 사용할 때는 흡입 사고의 방지를 주의한다. 특히 밀폐된 공간에서의

작업에서는 송풍기나 닥트에 의한 강제 환기를 한다. 또한 발판재나 양생시트가 생각하지 않은 밀폐 공간을 만드는 경우가 있기 때문에 주의한다.

 

4) 프라이머 레진 도료 등이 피부에 접촉한 경우에는 비누와 물로 씻어 낸다. 눈에

들어간 경우에는 즉시 다량의 물로 세정하고 의사의 진찰을 받는다.

 

 

5) 긴급 연락체계를 정비하여 시공계획에 명기함과 동시에 작업원에게 철저하게 주지 시켜 사고가 발생했을 때 신속한 대응이 얻어지도록 한다. 또한 응급 수단방법

이나 근처의 병원도 확인하여 놓는다.

 

7. 시공흐름도

 

구 분	내 용
표면처리작업	○시공범위위 분할.미캉 작업 및 디스크 그라인더를 이용하여 콘크리트 표면에 있는 열화층을 제거.연마한다
콘크리트균열 및 불량부위 패칭	○탄소섬유보강 정에 콘크리트에 기발생된 균열 및 불량부위를 먼저 보수한다.
프라이머도포	○먼지를 모두제거학 도포작업을 시행한다.
퍼티작업	○프라이머 양생후 고무주걱 등을 이용하여 에폭시 퍼티로 평탄작업을 한다.
에폭시 수지도포	○탄소섬유를 부착시키기 위하여 콘크리트 표면에 에폭시 수지를 롤러로 도포 한다.
탄소섬유쉬트부착	○이형지를 벗기면서 탄소섬유를 에폭시 수지면에 도포 부착시칸다.

 

 

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