중국은 탄소섬유 복합재를 이용한 구조 보강 및 강화 연구와 실제 적용 분야에서 상당한 진전을 이루었습니다. 엔지니어링에 사용되는 일반적인 방법에는 단면 확대, 강철 자켓팅, 프리스트레싱, 강철판 접합 및 탄소 섬유 복합 접합이 포함됩니다. 전통적인 보강 방법은 일반적으로 구조의 무게와 사용 가능한 면적에 영향을 미칠 수 있는 복잡한 건설 프로세스와 기술로 인해 구식입니다. 이에 반해, 탄소섬유 복합재 접합 방식은 고강도, 효율성, 내식성, 시공 용이성, 구조 치수 증가가 없는 등의 장점을 제공하여 엔지니어링 프로젝트에 널리 사용됩니다.

1. 탄소섬유 복합재 강화의 원리

콘크리트 구조물의 탄소섬유 보강은 1980년대에 연구를 시작하여 1996년에 중국에 소개된 현대적인 방법입니다. 이는 엔지니어링계에서 빠르게 주목을 받아 연구 및 응용 분야의 뜨거운 주제가 되었습니다. 탄소섬유 복합재를 콘크리트 구조물의 표면에 접착시켜 섬유와 구조물의 협업을 통해 강도를 높이고 성능을 향상시키는 방법입니다.

2. 탄소섬유복합재료

탄소섬유 복합재로 콘크리트 구조물을 보강하고 수리하는 데 사용되는 주요 재료는 탄소섬유 직물과 호환 수지입니다. 탄소섬유 복합재는 일반 철근에 비해 인장강도가 약 10배에 달하는 고강도, 고탄성률, 경량, 우수한 내식성을 지닌 소재로 알려져 있습니다. 상용수지는 베이스수지, 레벨링수지, 본딩수지 등이 있다. 이 수지는 탄소섬유의 결합 품질을 향상시키고 콘크리트와 복합재 본체를 형성하는 데 도움을 주어 구조물의 굽힘 및 전단 저항을 향상시킵니다.

2.1 탄소섬유 직물

탄소섬유 직물은 원료에 따라 PAN계, 비스코스계, 아스팔트계로 분류됩니다. 또한 1K, 3K, 6K, 12K 및 24K 이상의 토우 탄소 섬유 직물을 포함한 사양과 탄화 공정에 따라 흑연화, 탄화 및 사전 산화 직물로 다양합니다. 또한 직조, 편직, 편조 및 사전 함침 직물과 같은 직조 방법이 다릅니다.

2.2 접착재료

탄소섬유복합보강에 사용되는 접착제는 프라이머(베이스수지), 보수수지(레벨링재 또는 퍼티), 함침수지의 3가지 종류가 있다. 프라이머는 콘크리트 표면을 강화하여 콘크리트와 탄소섬유 복합재 사이의 결합을 강화합니다. 보수수지는 콘크리트 표면을 평탄하게 하여 탄소섬유 시트의 접착을 촉진합니다. 함침 수지는 탄소 섬유를 콘크리트에 결합시켜 외부 힘에 저항하는 복합 재료를 형성합니다. 함침수지의 성능은 콘크리트 구조물의 효과적인 보강에 매우 중요합니다.

3. 탄소섬유복합 철근콘크리트 구조물의 우수한 성능

• 고강도 및 탄성 계수:탄소 섬유 복합재는 강철의 약 10배에 달하는 높은 인장 강도와 강철과 비슷한 탄성 계수를 제공합니다.

• 부식 저항성과 내구성:탄소섬유 복합재는 화학적으로 안정적이며 산, 알칼리, 염분과 반응하지 않아 강화 구조물에 탁월한 내식성과 내구성을 제공합니다.

• 낮은 열팽창 계수:탄소 섬유 복합재는 열팽창 계수가 매우 낮아 섬유 방향으로 거의 0에 가깝습니다.

• 간편한 구축 및 높은 효율성:탄소섬유 직물을 이용한 보강은 중장비나 대형 장비가 필요하지 않고 최소한의 공간을 차지하며 유연한 절단과 빠른 설치가 가능합니다.

• 보장된 건설 품질:탄소섬유 직물은 유연성이 있어 수리 후 고르지 않은 표면에도 잘 접착되어 95% 이상의 유효 접착률을 달성합니다.

• 구조물에 미치는 영향 최소화:탄소섬유 복합재의 가볍고 얇은 프로파일은 원래 구조의 무게나 크기를 크게 증가시키지 않고 사용 가능한 공간을 유지합니다.

• 광범위한 응용 분야:다양한 유형의 구조, 모양, 재료 및 구조 요소의 다양한 약점을 강화하는 데 적합합니다.

4. 콘크리트 구조물에 탄소섬유 복합보강재의 적용

실제 공학에서는 주로 탄소섬유 직물을 보강용으로 사용합니다. 이 기술은 성숙되었으며 여러 분야에 널리 적용됩니다.

• 전단력 강화:탄소 섬유 직물은 등자와 유사한 전단 저항에 기여하고 콘크리트를 억제하고 인장 응력을 전달하여 주 철근의 조기 항복을 방지하는 데 도움이 됩니다.

• 굽힘 용량 증가:탄소 섬유 직물을 구조 요소의 인장 표면에 접착함으로써 굽힘 능력이 크게 향상됩니다.

• 내진 성능 개선:탄소섬유 직물은 특히 축방향 하중을 받는 보-기둥 접합부 및 기둥에서 콘크리트 요소의 연성 및 에너지 흡수 능력을 향상시켜 탁월한 내진 보강을 제공할 수 있습니다.

• 피로 저항 강화:탄소섬유 직물로 강화된 철근 콘크리트 빔과 프리스트레스트 콘크리트 빔은 반복적인 하중 주기 후에도 강도와 강성을 유지하여 피로 수명을 크게 연장하고 변형을 줄입니다.

5. 콘크리트 구조물에 대한 탄소섬유 복합보강의 한계

• 취성:탄소 섬유는 선형 탄성이 있고 부서지기 쉬우므로 특성을 완전히 활용하려면 구조를 크게 변형해야 합니다.

• 접착 문제:탄소 섬유 보강재는 결합 실패를 겪을 수 있으며, 이는 철근 콘크리트 구조물의 취성 실패 모드로 이어질 수 있습니다.

• 장기 성과에 대한 제한된 연구:장기하중 및 충격하중에 따른 탄소섬유보강콘크리트의 성능에 대한 연구는 부족하다.

• 이론적 격차:보와 기둥에 사용되는 탄소섬유 재료의 전단 및 굽힘 보강 메커니즘에 대한 광범위한 연구가 있지만, 전단벽에 적용하는 방법에 대한 이해는 제한적입니다.

전반적으로 탄소섬유 복합재 강화 기술은 상당한 경제적, 사회적, 환경적 이점을 제공합니다. 탄소섬유 소재의 개발, 생산비 절감, 지속적인 연구를 통해 이 기술은 콘크리트 구조물 보강 분야에 점점 더 많이 적용되어 밝은 미래를 약속할 것입니다.