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1. 서 론

최근 지진과 같은 극한 충격하중 작용이 빈번하고, 이상기후 등으로 온도조건의 변화가 증대하면서 이러한 극한 환경 하에서 기존 노후화된 구조물의 성능향상을 도모할 수 있는 고성능 소재를 적용한 보수⋅보강 기술의 필요성에 대한 인식과 수요가 크게 증가하고 있는 추세이다.

기존 콘크리트 구조물의 보수⋅보강은 대표적으로 보수 모르타르를 적용하는 방법, 탄소 섬유시트 또는 탄소섬유 보강판을 적용하여 콘크리트의 균열 등을 보강하는 기술 등이 존재한다. 기존 기술들은 일반적인 환경하의 구조물에 대하여 간편하게 적용할 수 있으나, 강진 또는 극한 온도변화 등의 극한 환경 하에서는 적용하기에 난해한 단점을 가지고 있다. 또한, 기존의 탄소섬유 시트는 탄소섬유의 취성적 거동으로 콘크리트와의 일체 거동 또는 균열제어가 원활하지 못하는 경우가 발생한다. 최근 전세계적으로 복합재의 성능을 향상시키는 방법 중 탄소나노튜브(Carbon Nanotubes, CNT)를 복합재의 모재(Matrix)에 분산시키는 연구가 활발하게 진행되고 있다.

CNT의 물성 측정 및 합성기술 등에 대한 다양한 실험 및 수치 해석적 접근방법이 다양한 연구자들에 의하여 수행되었다. 반면, CNT를 복합재에 합성하여 구조체로서 적용하는 연구는 제한적으로 수행되었다. Shen (2009)은 FGM에 적용된 구조에 대한 온도 환경하에서의 비선형 해석을 수행하였으며, Shen and Zhang (2010)은 동일한 구조의 온도변화에 따른 좌굴 및 후좌굴 거동을 연구하였다. Zhu et al. (2012)은 1차 전단 변형 판이론을 기반으로 동일 구조의 정적 및 자유 진동에 대하여 유한요소법을 적용하였다. Sankar et al. (2016)는 CNT로 보강된 면판을 갖는 샌드위치 구조의 동적 불안정성 해석을 수행하였다. 그러나 이러한 연구들의 대부분은 CNT를 레진에 분산시켜 강화된 고분자 복합체로서 높은 비용 때문에 특수한 용도를 제외하면 건설 분야 등에 대한 적용 측면에서 불리하다. 따라서, Fig. 1과 같이 CNT를 레진에 1차 합성하고 탄소 또는 유리섬유 등의 보강섬유를 2차로 보강하는 구조가 바람직하다 할 수 있다.

Fig. 1

Three-phase Multi-scale Analysis

본 연구에서는 멀티-스케일 이론을 기반으로 개선된 Halpin-Tsai 방정식을 적용하여 섬유 함유량에 따른 복합재의 물성 추정한다. MWCNT가 분산된 복합재로 보강된 콘크리트 시험체를 제작하고, 다중벽 탄소나노튜브(MWCNT) 함유량 및 온도환경 하의 고에너지 낙하충격 시험을 수행한다. 또한, 3차원 정밀 시뮬레이션을 통한 시험결과를 비교 검증하고자 한다.

2. 기본 이론

전술한 바와 같이 복합재료에 CNT가 함침될 경우 전반적으로 강도 및 강성이 증가하며, 이에 대한 기본이론은 Halpin-Tsai 이론의 수정된 형태로부터 시작된다. 먼저, CNT로 보강된 레진의 탄성계수는 Halpin-Tsai 이론을 적용하여 다음과 같이 나타낼 수 있다(Lee, 2018).

여기서, E^cnr은 CNT로 보강된 레진의 유효 탄성계수, E^re와 E11cnt은 레진과 CNT의 탄성계수를 각각 의미한다. l^cnt, d^cnt, 그리고 t^cnt는 CNT의 길이, 직경, 그리고 두께를 각각 의미한다. CNT 보강 레진의 프아송비(ν12cnr)과 질량밀도(ρ^cnr)은 혼합법칙으로부터 다음과 같은 관계로 표현된다.

여기서, ν^cnt과 ν^re는 CNT와 레진의 프아송 비를, ρ^cnt와 ρ^re는 CNT와 레진의 질량밀도를 각각 의미한다. CNT의 레진 대비 부피 비율(V_cnt)는 다음과 같이 구할 수 있다.

여기서, w^cnt는 CNT의 레진에 대한 합성된 중량 비율을 의미한다. CNT로 보강된 레진은 보강섬유로 보강되어 최종적인 보강재 구조를 형성하게 되며, 길이 방향 유효 탄성계수(E₁₁)은 혼합법칙으로 구할 수 있다. E₂₂는 다음과 같은 Halpin-Tsai 모델을 적용하여 구할 수 있다.

여기서, Φ, Φ_cep, 그리고 Φ_f는 복합재의 물성, 모재 물성, 그리고 보강섬유 물성을 각각 의미한다. 상기식을 조합하면, E₂₂는 다음과 같은 식으로 나타낼 수 있다.

또한, 변수 χ는 일반적으로 1.0~2.0의 범위에서 섬유 배열 등에 따라 달리 적용한다. 한편, 전단탄성계수 G₁₂는 모재의 전단탄성계수 (G^cep)와 보강섬유의 전단탄성계수 (G^f)의 관계식으로 표현하 며, Eq. (7)의 형태와 같다. 정사각형 배열의 원형 보강섬유를 갖는 복합재의 경우, 기존의 Halpin-Tsai 이론을 적용하였을 때 V_f가 0.5 이상부터는 정확해보다 낮은 값으로 추정된다. 따라서, 본 연구에서는 개선된 Halpin-Tsai 이론을 적용하여 정확도를 높였다. 개선된 이론에서 χ는 다음과 같이 가정한다(Hewitt and Malherbe, 1970).

CNT가 함침된 복합재료의 인장강도는 비선형적 변화를 의미하며, 탄성계수를 추정하는 방식과 유사하다. 또한, 개선된 Halpin-Tsai 이론을 적용하여 인장강도를 추정할 수 있다.

3. 낙하충격 시험 및 시뮬레이션 분석

3.1 낙하충격 시험 결과 분석

본 논문에서는 CNT가 함침된 CFRP 보강재가 콘크리트 구조체에 보강 시 충격하중 등의 극한 하중에 대한 거동을 분석하기 위하여 낙하충격 시험을 수행하였다. 또한, CNT가 함침된 복합재료 보강재가 콘크리트 구조체에 보강되었을 때 온도에 대한 영향을 분석하기 위하여 낙하충격 시험의 변수에 온도를 추가하였다. 시편의 제원은 낙하되는 충격 에너지에 따라 다르며 100J의 경우 100 mm × 100 mm × 13 mm, 250J의 경우 100 mm × 100 mm × 20 mm인 판형태의 시편이다. 제조 방식은 시멘트의 강도시험 방법(KS L ISO 679, 2006)에 기초하여 제작하였다. 사용한 MWCNT의 밀도는 1,350 kg/m³, 탄성계수는 400 GPa, 프아송비는 0,33이며, 탄소섬유의 탄성계수는 230 GPa, 인장강도는 4,900 MPa이다.

제작된 시편은 24시간 비닐시트 양생 후 몰드를 제거하고, 표준양생(20±3℃)을 실시하였다. 시험 변수는 Table 1과 같으며 모든 시험 변수에서 탄소섬유 복합재(CFRP)를 사용하였다. 온도는 국내 외부의 겨울 및 여름철 온도한계를 고려하여 설정하였다. 충격을 받는 부분에 시편을 3개 보강하고 나머지는 양단부 중앙 부분에 1개씩 총 5개를 보강하였다. Case II-1은 무보강인 경우(Type A)이며, Case II-2~II-16의 경우 CFRP 복합재를 MWCNT 함침량 변화에 따라 보강재를 Fig. 2 (a)와 같이 부분보강(Type B)하고, 충격하중 100J, 콘크리트 시편 두께 13 mm로 하였다. Case II-17~II-21의 경우 보강재를 하도제를 도포한 상태에서 1%의 MWCNT 함침량으로 CFRP 보강재로 전면보강(Type D)하고, 충격하중 250J, 콘크리트 시편 두께 20 mm로 하여 온도별로 시험을 수행하였다. 또한, 전면 부착의 경우 하도 작업을 추가하여 시험을 진행하였으며, Fig. 2 (b)와 같이 제작하였다. 낙하충격은 I사에서 개발한 CEAST 9350 장비를 이용하여 시험을 진행하였다 (Lee et al., 2018). Fig. 3은 시편 시편을 펀칭 파괴가 나오도록 스트라이커 주위를 원형 고정하고, 온도를 조절할 수 있는 챔버이며, 온도는 시험기에 질소가스 탱크를 장착하여 챔버(Chamber) 내부의 온도를 조절하였다.

Table 1

Cases for Drop Impact Test

Fig. 2

Specimens for Drop Impact Test

Fig. 3

Drop Impact Test Machine

Figs. 4 및 5는 낙하충격시험에 대하여 부분 및 전면보강한 시험결과를 보여준다. 무보강 상태에서는 온도변화와 상관없이 파손과 동시에 파편이 흩어지는 현상이 관찰되었다. CNT가 함침된 CFRP 보강된 시편의 경우 파손이 진행되면서 보강재의 효과로 시편의 형태를 일부 유지하는 것으로 관찰되었다. 또한, +50℃~-10℃의 결과에 비교하여 –30℃의 온도에서는 충격 시 콘크리트의 파편이 확연하게 많이 흩어지는 현상이 확인되었다. 이는 콘크리트와 부착재의 동결온도는 각각 약 –30℃, -10℃로 콘크리트와 보강재의 부착에 사용되었던 에폭시 및 하도제의 동결에 의한 영향으로 판단된다. 다만, 보강재가 1개의 보강재로 부착되어 있는 것이 아닌 여러개가 부착되어 있으므로 낙하충격과 같은 여러가지의 파손형태가 발생할 수 있는 시험의 경우 보강재 사이에서 콘크리트 파손이 진행될 우려가 있으므로 주의해야 한다. 보강재 사이에서 파손이 진행될 경우 보강재가 충격에너지를 받아줄 수 없기 때문이다.

Fig. 4

Fracture Shapes (Type B)

Fig. 5

Fracture Shapes (Type D)

Fig. 6은 부분 보강된 시편에 대하여 온도변수를 기준하여 CNT 함침율에 따른 계측된 낙하충격 운동 에너지 결과를 도시한 것이다. +50℃, 30℃, 10℃의 케이스에서는 CNT 함침량이 증가함에 따라 운동 에너지도 증가하였다. -10℃, -30℃의 케이스에서는 CNT의 함침량에 대한 영향이 다소 줄었으며 영상 온도의 경우와는 다르게 일정한 경향은 나타나지 않았다. 또한, 0%, 1%, 3% CNT 함침량에서 +50℃~-1 0℃의 범위에서는 온도에 대한 명확한 경향이 나타나지 않았으나 -30℃의 결과는 다른 온도 결과에 상대하여 충격에 의해 발생하는 운동 에너지가 급격하게 감소됨 을 알 수 있다. 이는 콘크리트와 부착재 등의 동결에 의해 순간적인 취성파괴로 이어지면서 충격에너지에 대한 흡수율이 급격히 저하된 것으로 판단된다.

Fig. 6

Comparison of Kinetic Energy for Type B Composite with Different CNT Weight Ratios

3.2 3차원 시뮬레이션 결과 비교

Fig. 7은 보강하지 않은 콘크리트 구조체에 대하여 3차원 정밀 시뮬레이션에 의한 파괴 형상 결과을 보여준다. 시뮬레이션은 LS-DYNA를 적용하였으며 Solid 요소의 비선형 동적해석에서 복합재료 재료모델로 빈번하게 사용되는 Mat59 Composite failure solid model을 사용하였다. Fig. 8은 MWCNT로 하부를 보강한 경우에 대한 결과이다. 하부를 보강한 경우는 콘크리트가 완전히 파괴되지 않고, 전체 형상을 잘 유지함을 알 수 있다. Fig. 9는 250J의 고에너지 충격에 대하여 실험 및 시뮬레이션 결과 비교이며, Fig. 10은 전면 부착 경우에 대한 파괴형상에 대한 비교를 보여준다. Fig. 10에서 보는 바와 같이 실험결과와 시뮬레이션 결과는 비교적 잘 일치하는 것으로 나타났다.

Fig. 7

Fracture Shapes (No reinforcement)

Fig. 8

Fracture Shapes (Type B)

Fig. 9

Comparison Between Experiment at Data and Finite Element Analysis Results (Impact load: 250J)

Fig. 10

Comparison of Fracture Shape Between Experiment and Finite Element Analysis (Impact load: 250J)

4. 요약 및 결 론

본 연구에서는 우수한 역학적 성능을 갖으며 경제성을 확보한 다중벽 탄소나노튜브가 분산된 복합재료 보강한 콘크리트 구조체에 대하여 멀티스케일 기반의 고에너지 충격 거동시험을 수행하였으며, 실험 결과를 바탕으로 시뮬레이션 모델을 개발하였다. 본 연구를 통하여 도출한 결과 및 결론을 요약하면 다음과 같다.

(1) 충격에너지 및 파괴형상에 대한 변수시험 결과로부터 3% 미만 소량의 MWCNT 함유량으로 분산된 복합재로 보강한 경우, 보강하지 않은 경우보다 15~20% 향상된 내충격 효과를 보였으며, 5%이상의 함유량에서는 큰 변화를 보이지 않았다. 이러한 결과로부터, 3% 미만의 소량의 MWCNT 분산이 효율적일 것으로 판단된다.

(2) 다양한 온도환경을 부여한 경우, -30℃의 경우까지 MWCNT의 함유에 따라서 큰 변화를 보이지 않아 비교적 우수한 충격에너지 흡수 성능을 보이는 것으로 분석되었다. 따라서, 본 연구에서 제안한 보강기법은 다양한 온도변화 환경에도 적용이 가능할 것으로 판단된다.

(3) 복합재의 부분보강과 전면보강에 대한 결과는 전면보강의 경우가 더 유리하나, 전면보강에 따른 보강단가 상승의 문제가 있으므로 부분보강의 경우가 바람직하다. 다만, 부분보강의 성능은 부착성능에 크게 좌우되므로 이에 대한 상세검토가 필요하다.

(4) 고에너지 충격에 대한 3차원 유한요소 해석결과는 실제 시험결과와 유사한 것으로 나타나서 본 연구에서 수행한 실험결과에 대한 신뢰성을 확보하였다. 본 연구에서 수행한 3차원 정밀시뮬레이션은 보다 다양한 변수에 대한 경향을 상세 분석이 가능하다.

결론적으로 본 연구에서 제안한 MWCNT를 활용한 콘크리트 구조체의 극한 충격 및 온도환경 변화에 대한 보강방안은 타당한 것으로 판단된다. 다만, MWCNT의 효과적인 레진 분산 및 복합재와 콘크리트의 부착성능 여부에 따라 충격성능에 큰 영향을 미치므로 이에 대한 추가적인 연구가 필요하다.

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