카본 파이버 '반창고': 교량 및 건물의 경량 보강 솔루션

일상생활에서 우리는 작은 상처나 찰과상을 치료하기 위해 반창고를 사용한다. 간단하고 편리하다. 그러나 지금은 다리의 보가 미세한 균열이 생기거나 오래된 건물의 벽이 세월이 지나면서 점차 느슨해질 때, 일견 가벼워 보이는 소재가 구조 보강 분야의 '주력'으로 떠오르고 있다. 엔지니어링 기술도 이와 유사한 '반창고' 방식을 도입하였는데, 바로 탄소섬유 시트로서, 최소 침습 방식을 통해 우리 주변의 교량과 건물을 조용히 강화하고 있다.
단방향성 원단 제조 공정

단방향 탄소섬유 시트는 탄소섬유 보강 공사에서 흔히 사용되는 자재이다. 그 제조 공정은 주로 탄소섬유 필라멘트를 배열하고 고정한 후 성형하는 과정을 포함하며, 핵심 목적은 필라멘트들이 한 방향(대개 종방향)으로 정렬되도록 하면서도 높은 강도 특성을 유지하는 것이다. 구체적인 단계는 대략 다음과 같다.

첫 번째 단계: 탄소섬유 필라멘트 준비
PAN 기반 탄소섬유 프리커서 실(시장의 주류)은 폴리아크릴로니트릴 섬유를 전구체로 하여 예비산화 및 탄화 공정을 통해 제조된다. 이 실들은 5~7마이크로미터의 지름을 가지며 매우 높은 인장 강도를 나타낸다.
두 번째 단계: 워핑 공정
워핑 기계를 통해 수천에서 수만 가닥의 탄소섬유 실들이 종방향으로 평행하게 균일하게 배열되어 워프층을 형성한다. 장력과 정렬 정밀도는 엄격히 관리되어 일방향 특성을 보장하고 가로 방향의 왜곡을 방지한다.
세 번째 단계: 직조/고정 공정
매우 미세한 횡방향 섬유(예: 유리섬유 또는 나일론)를 사용하여 직기 또는 접착 방식으로 종방향 실을 고정합니다. 직조 시, 위사가 경사와 낮은 밀도로(1센티미터당 몇 가닥) 교차되며 '경사는 조밀하고 위사는 느슨한' 구조를 형성하여 강도를 저하시키지 않으면서 보강 효과를 제공합니다. 또는 에폭시 수지 유제를 사용해 위사가 없는 직물을 접착할 수도 있지만, 직조가 여전히 더 흔한 방법입니다.
단계 네: 표면 처리
불순물을 제거하고, 표면 거칠기를 증가시키거나 부착력을 향상시키고 수지와의 상호 호환성을 개선하기 위해 커플링제를 도포합니다.
단계 다섯: 고정 및 감김
건조 및 고정 후, 제품은 품질 검사를 거쳐 포장되어 완제품이 됩니다. 이 전체 과정에서는 종방향 탄소섬유 가닥의 높은 인장강도를 최대한 활용하는 데 초점이 맞춰져 있으며, 횡방향 실은 보조적인 고정 기능만 수행합니다.

전체 공정의 핵심은 종방향 탄소섬유 가닥들의 병렬 정렬과 높은 인장 강도를 보장하는 데 있으며, 횡방향 섬유는 보조 고정 기능만 수행한다. 따라서 일방향 탄소섬유 원단은 종방향 축을 따라 탄소섬유가 지닌 인장 특성을 극대화하여 인장 응력이 발생하는 구조 보강 분야에 매우 적합하다.

보강 원리
탄소섬유 직물은 호환성 수지 접착제를 사용하여 구조적 표면에 결합되며, 기존 구조와 함께 작동하는 복합재료 본체(CFRP)를 형성한다. 강철보다 약 10배 정도 높은 인장 강도를 가지는 탄소섬유 직물은 수지 접착제를 통해 콘크리트에 단단히 결합된다. 이를 통해 외부 하중이 탄소섬유 직물로 전달되어 그 고강도 특성을 활용하여 구조물의 휨, 전단력 및 지진 하중에 대한 저항성을 향상시키고 균열 확산을 동시에 억제한다.

시공 절차

첫 번째 단계: 표면 준비
콘크리트 표면을 청소하고, 느슨한 층과 기름때를 연마하여 매끄러운 기초 표면을 만든다.
두 번째 단계: 에폭시 프라이머 도포
직물이 콘크리트에 단단히 부착될 수 있도록 프라이머를 한 겹 도포한다.
세 번째 단계: 탄소섬유 직물 도포
자르기 전의 탄소섬유 직물을 에폭시 수지에 담근 후 보강이 필요한 구조 부위(보의 하단, 기둥, 바닥 슬래브, 교량 웹 등)에 시공합니다.
4단계: 롤러 압착 및 탈기
롤러로 반복적으로 눌러 접착제가 섬유 내부에 고르게 침투하고 공기 방울이 모두 제거되도록 합니다. 마치 밴드에 힘을 주어 피부에 붙이는 것과 유사합니다.
5단계: 경화 및 유지 관리
접착제가 경화된 후 탄소섬유 직물과 콘크리트는 서로 융합되어 매우 강한 외부층을 형성하게 됩니다.

보강 특성

하중 지지 능력 향상: 보의 하부에 시공 시 휨 저항 개선; 기둥에 시공 시 압축 강도 및 내진 성능 향상.

균열 제어: 탄소섬유 직물은 콘크리트의 균열 확장을 억제하며, 이는 마치 상처 부위를 보호하여 악화를 막는 밴드의 역할과 같습니다.

수명 연장: 강철과 달리 부식에 저항성이 있어 장기간 노출되는 교량과 같은 환경에 특히 적합합니다.

경량 및 고효율: 신속한 시공이 가능하며 중장비가 필요 없고 구조물에 큰 추가 하중을 주지 않습니다.

왜 탄소섬유 시트는 보강의 새로운 선택지가 되었을까요?

강판 보강이나 단면 확대와 같은 기존 보강 방법에 비해 탄소섬유 시트는 뚜렷한 장점을 제공합니다.

경량 특성 덕분에 기존 구조물에 거의 추가 하중을 주지 않습니다. 제곱미터당 300그램 미만의 무게로 인해 응용 보강 후 건물의 하중 분포를 최소한으로 변화시켜 자체 중량에 민감한 고대 건축물 및 교량과 같은 구조물 보강에 특히 적합합니다.

내식성 덕분에 열악한 환경에서도 안정적인 성능을 보장합니다. 해안 교량의 염수 스프레이 부식이든 지하층의 보와 기둥에서의 습기 있는 조건이든, 탄소섬유 시트는 50년 이상의 사용 수명 동안 일관된 성능을 유지합니다.

효율적인 설치로 인해 공사 기간이 크게 단축됩니다. 중장비 없이 수작업으로 시공이 가능하여, 1,000제곱미터 규모의 건물을 보강하는 데 일반적으로 단 1~2주 정도만 소요되며, 기존의 방법들에 비해 훨씬 짧은 시간이 걸립니다.