์ด์ค์
(Yoon Jung Lee)
1
ํ์ ์ง
(Sun-Jin Han)
2
์ ํธ์ฑ
(Hoseong Jeong)
2
๊น์ ํ
(Jung Hwan Kim)
1
๊น๊ฐ์
(Kang Su Kim)
3โ
-
์์ธ์๋ฆฝ๋ํ๊ต ๊ฑด์ถ๊ณตํ๊ณผ ์์ฌ๊ณผ์
(Graduate Student, Department of Architectural Engineering, University of Seoul, Seoul
02054, Rep. of Korea)
-
์์ธ์๋ฆฝ๋ํ๊ต ๊ฑด์ถ๊ณตํ๊ณผ ๋ฐ์ฌ๊ณผ์
(Ph.D. Student, Department of Architectural Engineering, University of Seoul, Seoul
02054, Rep. of Korea)
-
์์ธ์๋ฆฝ๋ํ๊ต ๊ฑด์ถํ๋ถ ๊ต์
(Professor, Department of Architectural Engineering, University of Seoul, Seoul 02054,
Rep. of Korea)
Copyright ยฉ Korea Concrete Institute(KCI)
ํค์๋
์ฝํฌ๋ฆฌํธ ์ ์์กฐํ, ์ ๋ํ, ์์ถ์ฑ, ์ ์ธต์ฑ
Key words
concrete rapid prototyping, rheology, extrudability, buildability
1. ์ ๋ก
์ฒ ๊ทผ์ฝํฌ๋ฆฌํธ(Reinforced Concrete, RC) ๊ณต๋ฒ์ ๊ตฌ์กฐ์ ์ผ์ฒด์ฑ๊ณผ ๋๋ถ์ด ์ฐ์ํ ๊ฒฝ์ ์ฑ์ ํ๋ณดํ ์ ์์ด ๊ฑด์ค์์ฅ์์ ๋๋ฆฌ ์ ์ฉ๋๊ณ
์๋ค(Min 2013). ๋ค๋ง, RC ๊ณต์ฌ ์ค ๊ฑฐํธ์ง๊ณต์ฌ๋ ์ ์ฒด ๊ณต์ฌ๊ธฐ๊ฐ์ ์ฝ 25 %, ํ๊ท ๊ฑฐํธ์ง๊ณต์ฌ๋น๋ ๊ณจ์กฐ๊ณต์ฌ๋น ์ ์ฒด์ 35 %๋ฅผ ์ฐจ์งํ๋ฉฐ,
๊ทธ ์ค 40 %๊ฐ ์ฌ๋ฃ๋น, 60 %๊ฐ ๋
ธ๋ฌด๋น๋ก์จ ๋ค๋ฅธ ๊ณต์ ์ ๋นํด ๋ง์ ๋
ธ๋๋ ฅ์ด ์์๋๋ค(Jung et al. 2002). ๋ํ, ์ต๊ทผ ๋์๏ฝฅ๊ตญ๊ฐ์
๋๋๋งํฌ๋ก์จ ๋น์ ํ ๊ฑด์ถ๋ฌผ์ ๋ํ ๊ด์ฌ์ด ์ฆ๊ฐํ๊ณ ์์ผ๋ฉฐ, ์ด์ ๊ฐ์ ๋น์ ํ ๊ฑด์ถ๋ฌผ ๊ณต์ฌ์์๋ ๊ฑฐํธ์ง ์์
์ด ๋์ฑ ๋ณต์กํ๊ณ ์ด๋ ต๊ธฐ ๋๋ฌธ์ ์ผ๋ฐ์ ์ธ
์ ํ ๊ฑด์ถ๋ฌผ๋ณด๋ค ๊ณต์ฌ๊ธฐ๊ฐ๊ณผ ๊ณต์ฌ๋น๊ฐ ์ฆ๊ฐํ๋ค(Lee and Kim 2014). ์ด๋ฌํ ๋ฌธ์ ์ ์ ๊ทน๋ณตํ๊ธฐ ์ํ์ฌ ๋ค์ํ ๊ฑด์ค๊ณต๋ฒ์ ๋ํ ๋ฐ์ ๋
ธ๋ ฅ์ด
์ง์ํ๊ณ ์์ผ๋ฉฐ, 4์ฐจ ์ฐ์
ํ๋ช
์ ์ฃผ์ ๊ธฐ์ ์ค ํ๋์ธ 3D ํ๋ฆฐํ
๊ธฐ์ ์ ํ์ฉํ ์ฝํฌ๋ฆฌํธ ์ ์์กฐํ(Concrete Rapid Prototyping,
CRP) ๊ธฐ์ ์ด ํ๋์ ๋์์ผ๋ก์จ ์ฃผ๋ชฉ๋ฐ๊ณ ์๋ค(Ahn and Kim 2017). CRP๋ 3์ฐจ์ ๋๋ฉด์ ๋ณด๋ฅผ ๊ธฐ๋ฐ์ผ๋ก ์ฝํฌ๋ฆฌํธ ๊ตฌ์กฐ๋ฌผ์ ์ ์ํ๋ ๊ธฐ์ ๋ก์จ
๊ฑฐํธ์ง ์์ด ๋ถ์ฌ๋ฅผ ์ถ๋ ฅํ ์ ์๊ธฐ ๋๋ฌธ์ ๊ฑฐํธ์ง๊ณต์ ์ ์์๋๋ ๋น์ฉ ๋ฐ ๋
ธ๋๋ ฅ์ ์ ๊ฐ์ํฌ ์ ์์ผ๋ฉฐ, ๋ ๋์๊ฐ ๊ตฌ์กฐ ๋ถ์ฌ์ ์๋ํ ๋ฐ ๋๋์์ฐ์
๊ฐ๋ฅํ๊ฒ ํ ์ ์๋ค(Gaudilliรจre et al. 2019).
Le et al.(2012a)๋ ์์ถ์ฑ ๋ฐ ์ ์ธต์ฑ ๊ฒ์ฆ์ ์ํ์ฌ ํ๋ผ๋ฉํธ ์๋ฅผ ๋ณ์๋ก ์ถ๋ ฅ์ ์ํํ์๋ค. ์ถ๋ ฅ ๊ฒฐ๊ณผ ์ํ์ผ๋ก ์ถ๋ ฅ๋๋ ํ๋ผ๋ฉํธ์ ์๊ฐ
์ฆ๊ฐํ ์๋ก ์ ์ธต์ฑ์ด ์ฐ์ํ ๊ฒ์ผ๋ก ๋ํ๋ฌ๋ค. Kazemian et al.(2017)์ ์ฐ๊ตฌ์์๋ ์์ถ์ฑ ํ๋ณด๋ฅผ ์ํด์๋ ์น์์ ์ ํฉ์ฑ์ด ๋งค์ฐ ์ค์ํ๋ค๊ณ
์ธ๊ธํ์์ผ๋ฉฐ, ๋ ์ด์ด๊ฐ ์ ์ธต ์๊ฐ ๊ฐ๊ฒฉ(Printing Time Gap, PTG)์ด ์ ์ธต์ฑ์ ๋งค์ฐ ์ค์ํ๋ค๊ณ ์ ์ํ์๋ค. ์ด ์ฐ๊ตฌ์์๋ ์ค์ 3D
์ฝํฌ๋ฆฌํธ ํ๋ฆฐํ
ํ๊ฒฝ์ ๋ชจ์ฌํ๊ธฐ ์ํ์ฌ ํ๋ผ๋ฉํธ์ ์๋ 1์ค๋ก ๊ณ ์ ํ์์ผ๋ฉฐ, PTG๋ฅผ ์คํ๋ณ์๋ก ํ์ฌ ์ ์ธต์ฑ์ ๊ฒํ ํ๊ณ ์ ํ์๋ค.
์ด ์ฐ๊ตฌ์์๋ ์ฝํฌ๋ฆฌํธ์ ์ ๋์์ถ์ ์ํ์ฌ ์์ถ๊ธฐ๋ฅผ ์ค๊ณ๏ฝฅ์ ์ํ๊ณ , CNC Machine, ์ ๋ํํ ๋ฑ์ผ๋ก ๊ตฌ์ฑ๋ CRP ์์คํ
์ ๊ตฌ์ถํ์๋ค. ๋ํ,
CRP์ ํต์ฌ์์์ธ ์์ถ์ฑ(extrudability) ๋ฐ ์ ์ธต์ฑ(buildability)์ ํ๋ณดํ๊ธฐ ์ํ์ฌ ๊ตณ์ง ์์ ์ฝํฌ๋ฆฌํธ์ ์ ๋ํ์ ํน์ฑ์ ๋ถ์ํ๊ณ ,
๋ฌธํ ์ฐ๊ตฌ ๋ฐ ์ ์ฐ์ ์ฒด(Computational Fluid Dynamics, CFD)ํด์์ ์ํํ์ฌ ๊ตณ์ง ์์ ์ฝํฌ๋ฆฌํธ์ ๋ ์ฌ๋ก์ง(rheology),
์ฆ ์ ๋ ๋ฐ ํญ๋ณต์๋ ฅ์ ๊ท๋ช
ํ๊ณ ์ ํ์๋ค. ๋ฐฐํฉ์คํ์ ํตํด CRP์ ์ ํฉํ ๋ฐฐํฉ์ ๋์ถํ๊ณ , ์์ถ์ฑ๊ณผ ์ ์ธต์ฑ์ ๊ฒ์ฆํ๊ณ ์ ํ์๋ค. ๋ํ, CRP ๋ฐ
๊ธฐ์กด์ RC ๊ณต๋ฒ์ ์ด์ฉํ์ฌ ์ ์ํ ์ฝํฌ๋ฆฌํธ ๋ถ์ฌ์ ํจ์คํ์ ์ํํ์ฌ ๋ถ์ฌ์ ํจ๊ฑฐ๋ ๋ฐ ํ๊ดด๋ชจ๋๋ฅผ ๋น๊ต๏ฝฅ๋ถ์ํ์๋ค.
2. ์ฝํฌ๋ฆฌํธ ์ ์์กฐํ ์์คํ
๊ฐ๋ฐ
2.1 ์ฝํฌ๋ฆฌํธ ์ ์์กฐํ ์์ถ๊ธฐ ์ค๊ณ
๊ธฐ์กด์ CRP ์์คํ
์์๋ Fig. 1(a)์ ๋ํ๋ธ ๋ฐ์ ๊ฐ์ด ํํ(pump)๋ก๋ถํฐ ๋
ธ์ฆ(nozzle)๊น์ง ๊ตณ์ง ์์ ์ฝํฌ๋ฆฌํธ๋ฅผ ์ด์กํ์ฌ ์ถ๋ ฅํ๋ค(Le et al. 2012a). ๊ทธ๋ฌ๋ ์ด๋ฌํ
์์ถ๋ฐฉ์์์๋ ์ค์น๋ ํ์ดํ์ ํ์๋ณํ์ ๋ฐ๋ผ ๊ตณ์ง ์์ ์ฝํฌ๋ฆฌํธ์ ํ ์ถ๋์ด ์ผ์ ํ์ง ๋ชปํ๋ ๊ฒฝ์ฐ๊ฐ ๋น๋ฒํ ๋ฐ์ํ ์ ์๋ค. ๋ฐ๋ผ์ ์ด ์ฐ๊ตฌ์์๋
Fig. 1(b)์ ๋ํ๋ธ ๋ฐ์ ๊ฐ์ด ๋
ธ์ฆ ์์น์ ๋จ์ถ์์ถ๊ธฐ(single screw extruder)๋ฅผ ์ฅ์ฐฉํ์ฌ ์ฝํฌ๋ฆฌํธ์ ์ ๋ ํ ์ถ์ ์ ๋ํ์์ผ๋ฉฐ, ํํ๋ ์์ถ๊ธฐ
์ ๊น์ง๋ง ์ฝํฌ๋ฆฌํธ๋ฅผ ์์กํ๋ ๋ชฉ์ ์ผ๋ก ์ฌ์ฉํ์๋ค. ์ด๋, ๋จ์ถ์์ถ๊ธฐ์ ์ค์น๋๋ ๋์ ํ ์คํฌ๋ฅ์ ๊ฐ๋๋ CFD ํด์์ ํตํด ๊ฒฐ์ ํ์์ผ๋ฉฐ, Fig. 2์๋ ์คํฌ๋ฅ ๊ฐ๋์ ๋ฐ๋ฅธ ํ ์ถ๋์ ๋ํ ํด์๊ฒฐ๊ณผ๋ฅผ ๋ํ๋ด์๋ค. ํด์ ์ ๊ตณ์ง ์์ ์ฝํฌ๋ฆฌํธ๋ ๊ธฐ์กด๋ฌธํ์ ๊ทผ๊ฑฐํ์ฌ ๋นํ(Bingham)์ ์ฒด๋ก ๊ฐ์ ํ์์ผ๋ฉฐ(Roussel
2018), ์คํฌ๋ฅ์ ํ์ ์๋๋ 60 RPM์ผ๋ก ๊ณ ์ ํ์๋ค. CFD ํด์๊ฒฐ๊ณผ, 10ยฐ์ ๋์ ๊ฐ์์ ๊ตณ์ง ์์ ์ฝํฌ๋ฆฌํธ๊ฐ ์ต๋๋ก ํ ์ถ๋๋ ๊ฒ์ผ๋ก ๋ํ๋ฌ์ผ๋ฉฐ,
์ด์ ๋ฐ๋ผ ์์ถ๊ธฐ ์คํฌ๋ฅ์ ๊ฐ๋๋ฅผ 10ยฐ๋ก ์ค๊ณํ์ฌ ์ ์ํ์๋ค.
Fig. 1. Comparison of existing and proposed CRP system
Fig. 2. Analysis results of mass-flow according to spiral angle of extruder
Fig. 3. Schematic description of CRP system
2.2 ์ฝํฌ๋ฆฌํธ ์ ์์กฐํ ํ๋ก์ธ์ค
์ด ์ฐ๊ตฌ์์๋ Fig. 3์ ๋ํ๋ธ ๋ฐ์ ๊ฐ์ด ์์ถ๊ธฐ์ ์๋ํ ๊ณต์๊ธฐ๊ณ(Computer Numerical Control Machine, CNC Machine)๋ฅผ ๊ฐ๋ํ CRP
๊ธฐ๊ณ(machine), ์ ๋ํํ, ์ปจํธ๋กค๋ฌ, ํธํผ, ๋ฏน์๋ก ์ด๋ฃจ์ด์ง CRP ์์คํ
์ ๊ตฌ์ถํ์๋ค. CRP ๊ธฐ๊ณ๋ ์ต๋ 100 mm/sec์ ์ถ์ด๋์๋๋ฅผ
๋ง์กฑํ๋๋ก ์ ์๋์์ผ๋ฉฐ, CRP ํ๋ก์ธ์ค๋ฅผ ์ ๋ฆฌํ๋ฉด ๋ค์๊ณผ ๊ฐ๋ค.
๋จ๊ณ 1: ๋ฏน์๋ฅผ ์ฌ์ฉํ์ฌ ์ฝํฌ๋ฆฌํธ๋ฅผ ๋ฐฐํฉ
๋จ๊ณ 2: ๋ฏน์ฑ ๋ ์ฝํฌ๋ฆฌํธ๋ฅผ ํธํผ๋ก ์ด๋ฐ
๋จ๊ณ 3: ํํ๋ฅผ ์ด์ฉํ์ฌ ์ฝํฌ๋ฆฌํธ๋ฅผ ์์ถ๊ธฐ๊น์ง ์ด์ก
๋จ๊ณ 4: ์์ถ๊ธฐ๊น์ง ์ฝํฌ๋ฆฌํธ๊ฐ ๋๋ฌํ์ฌ ์์ถ๊ธฐ ๋ด์ ์๋ ฅ์ด ์ผ์ ๊ฐ์ ๋๋ฌํ๋ฉด ํํ ์๋ ์ค์ง
๋จ๊ณ 5: ์ปจํธ๋กค๋ฌ์ ์ง์ฝ๋(G-code)๋ฅผ ์
๋ ฅํ์ฌ CRP ๊ธฐ๊ณ ์๋ ๋ฐ ์ฝํฌ๋ฆฌํธ ์์ถ
3. ์ ์์กฐํ ์ฝํฌ๋ฆฌํธ์ ์ฌ๋ฃํน์ฑ
3.1 CRP์ ์ ํฉํ ์ฝํฌ๋ฆฌํธ ํน์ฑ
CRP๋ ๊ตณ์ง ์์ ์ฝํฌ๋ฆฌํธ๋ฅผ ์์ถํ์ฌ ์ ์ธตํ๋ ๋ฐฉ์์ผ๋ก ๋ถ์ฌ๋ฅผ ์ ์ํ๋ค. ์ฝํฌ๋ฆฌํธ ํ๋ผ๋ฉํธ๋ฅผ ๋ฐ์คํ๊ณ ์ผ์ ํ ํ์์ผ๋ก ์์ถํ๊ธฐ ์ํด์๋ ์ฐ์์ ์ธ
์ ๋์์ถ์ด ์ด๋ฃจ์ด์ ธ์ผ ํ๋ฉฐ, ์ด๋ฅผ ์์ถ์ฑ์ผ๋ก ์ ์ํ๋ค. ๋ํ, ์ ์ธต ์์๋ ๊ตณ์ง ์์ ์ฝํฌ๋ฆฌํธ๊ฐ ํ๋ถ ํ๋ผ๋ฉํธ ์์ ์ถ๋ ฅ๋ ํ ๋ณํ ๋ฐ ๋ถ๊ดด๊ฐ ๋ฐ์ํ์ง
์์์ผ ํ๋ฉฐ, ์ด๋ฌํ ์ฑ๋ฅ์ ์ ์ธต์ฑ์ด๋ผ๊ณ ์ ์ํ๋ค(Le et al. 2012a, 2012b). ์ฐ์ํ ์์ถ์ฑ์ ํ๋ณดํ๊ธฐ ์ํด์๋ ์ผ์ ํ ํ๋ก์ฐ๋ฅผ ์ ์งํ๋
๊ฒ๊ณผ ๊ธด ์คํํ์(open time)์ด ์๊ตฌ๋๋ค. ๋ฐ๋ฉด, ์ ์ธต์ฑ์ ๊ด์ ์์๋ ์์ปค๋น๋ฆฌํฐ(workability)๊ฐ ์ข๊ณ ์คํํ์์ด ๊ธธ์๋ก ์ ์ธต๋ ๋ ์ด์ด์
๋ณํ์ด ๋ฐ์๋๊ธฐ ์ฝ๋ค. ๋ฐ๋ผ์ ์์ ์ ์ธ CRP๋ฅผ ์ํด์๋ ์์ถ์ฑ๊ณผ ์ ์ธต์ฑ์ ๋ชจ๋ ํ๋ณดํ ์ ์๋ ๊ตณ์ง ์์ ์ฝํฌ๋ฆฌํธ์ ์ฌ๋ฃํน์ฑ์ ๊ท๋ช
ํ ํ์๊ฐ ์๋ค(Malaeb
et al. 2015; Ma et al. 2018). ์ด์ ๋๋ถ์ด ์ ์ธต์ฑ์ ์ถ๋ ฅ ํ์ ๊ฒฝํ์๊ฐ์ด ๊ธธ์๋ก ์ข์ง๋ง, ๊ณผ๋ํ๊ฒ ๊ธธ์ด์ง ๊ฒฝ์ฐ ์ ํ ๋ ์ด์ด์
ํ์ ๋ ์ด์ด ์ฌ์ด์ ๋ถ์ฐฉ์ฑ๋ฅ์ด ๊ฐ์ํ๊ธฐ ๋๋ฌธ์ CRP ์ ์ธต๊ฐ ์ ์ธต ์๊ฐ ๊ฐ๊ฒฉ(Printing Time Gap, PTG)์ ์ ์ ํ๊ฒ ์ค์ ํ๋ ๊ฒ์ด
๋งค์ฐ ์ค์ํ๋ค(Perrot et al. 2016; Kazemian et al. 2017).
3.2 ๊ตณ์ง ์์ ์ฝํฌ๋ฆฌํธ์ ์ ๋ํ์ ํน์ฑ
์์ถ์ฑ๊ณผ ์ ์ธก์ฑ์ ๊ตณ์ง ์์ ์ฝํฌ๋ฆฌํธ์ ์ ๋ํ์ ํน์ฑ๊ณผ ๊ด๋ จ์ด ์๋ค. ์ด ์ฐ๊ตฌ์์๋ ๊ตณ์ง ์์ ์ฝํฌ๋ฆฌํธ์ ์ ๋ํ์ ํน์ฑ ์ค ์์ถ์ฑ ๋ฐ ์ ์ธต์ฑ๊ณผ ๋ฐ์ ํ
๊ด๋ จ์ด ์๋ ์ ๋ ๋ฐ ํญ๋ณต์๋ ฅ์ ๊ท๋ช
ํ๊ธฐ ์ํ ๋ฌธํ์ฐ๊ตฌ ๋ฐ CFD ํด์์ ์ํํ์๋ค.
Fig. 4. CFD analysis results
3.2.1 ์์ถ์ฑ
๊ตณ์ง ์์ ์ฝํฌ๋ฆฌํธ์ ์ ๋ ๋ฐ ํญ๋ณต์๋ ฅ์ ๋ฐ๋ฅธ ์์ถ์ฑ์ ๊ท๋ช
ํ๊ธฐ ์ํ์ฌ CFD ํด์์ ์ํํ์๋ค. ์ ๋์ ํญ๋ณต์๋ ฅ์ ๋ฐ๋ฅธ ์์ถ๊ธฐ์์์ ํ ์ถ๋๊ณผ ํ๊ท ํ ์ถ์๋์
๋ณํ๋ฅผ ๋ถ์ํ์์ผ๋ฉฐ, CFD ํด์์ ์๋์ ๊ฐ์ ์ ์ฐจ๋ฅผ ํตํด ์งํ๋์๋ค.
๋จ๊ณ 1: ์์ถ๊ธฐ ๋ชจ๋ธ๋ง(์คํฌ๋ฅ ๊ฐ๋: 10ยฐ).
๋จ๊ณ 2: ๋ฉ์ฌ(mesh)๋ Proximity and Curvature๋ก ๋ชจ๋ธ๋งํ๊ณ , ๋ฉ์ฌ ์ฌ์ด์ฆ๋ ์ต๋ 1 mm๋ก ํ์ฑ.
๋จ๊ณ 3: ํด์์ ์ ์์ํ(steady state)๋ก ์ํํ๊ณ , ์์ถ๊ธฐ ๋ฒฝ๋ฉด์ โno slip wallโ, ์์ถ๊ธฐ ์คํฌ๋ฅ๋ โno slip & rotating
wall(์๋ 1 RPM)โ์ผ๋ก ์ค์ . ์ฝํฌ๋ฆฌํธ ํญ๋ณต์๋ ฅ(0~8,000 Pa)๊ณผ ์ ๋(0~800 Pa๏ฝฅs)๋ฅผ ์
๋ ฅ.
๋จ๊ณ 4: ๋ชจ๋ ๋ณ์์ ์์ฐจ(residual) ๊ฐ์ด 1eโ4 ์ดํ์ผ ๋๋ฅผ ์๋ ด์กฐ๊ฑด์ผ๋ก ์ค์ ํ์ฌ ํด์ ์ํ.
๋จ๊ณ 5: ํ ์ถ๋(mass-flow) ๋ฐ ํ๊ท ํ ์ถ์๋(average velocity) ๋์ถ.
Fig. 5. Buildability of fresh concrete according to hardening rate (Jeong et al. 2019)
Fig. 4๋ CFD ํด์๊ฒฐ๊ณผ๋ฅผ ๋ํ๋ธ ๊ฒ์ด๋ฉฐ, ๊ตณ์ง ์์ ์ฝํฌ๋ฆฌํธ์ ์ ๋๊ฐ ๋๊ณ ํญ๋ณต์๋ ฅ์ด ๋ฎ์์๋ก ํ ์ถ๋์ด ๋ง๊ณ ํ๊ท ํ ์ถ์๋๊ฐ ๋น ๋ฅธ ๊ฒ์ ํ์ธํ์๋ค. ๋ฐ๋ผ์
์ ๋๊ฐ ๋๊ณ ํญ๋ณต์๋ ฅ์ด ๋ฎ์์๋ก ์์ถ์ฑ์ด ์ข๋ค๊ณ ํ๋จํ ์ ์๋ค.
3.2.2 ์ ์ธต์ฑ
Jeong et al.(2019)์ ๊ตณ์ง ์์ ์ฝํฌ๋ฆฌํธ์ ์ ์ธต์ฑ์ ํญ๋ณต์๋ ฅ๊ณผ ๋ฐ์ ํ ๊ด๋ จ์ด ์์ผ๋ฉฐ ๊ฒฝํ์๋(hardening rate)์๋ ํฐ ์ํฅ์
๋ฐ๋๋ค๊ณ ๋ณด๊ณ ํ์๋ค. Fig. 5๋ ๊ฒฝํ์๋๋ฅผ ๋ณ์๋ก ํ์ฌ CFD ํด์์ ์ํํ ๊ฒฐ๊ณผ๋ฅผ ๋ํ๋ธ ๊ฒ์ด๋ฉฐ. ๋น๊ต์ ๊ฒฝํ์๋๊ฐ ๋น ๋ฅธ Case B๊ฐ Case A์ ๋นํด ์ ์ธต๋ ํ๋ผ๋ฉํธ์
๋ณํ์ด ์๊ฒ ๋ฐ์ํ๋ ๊ฒ์ ํ์ธํ ์ ์๋ค. ๋ฐ๋ผ์ ํญ๋ณต์๋ ฅ์ด ํฌ๊ณ ๊ฒฝํ์๋๊ฐ ๋น ๋ฅผ์๋ก ์ ์ธต์ฑ์ด ์ฐ์ํ๋ค๊ณ ํ ์ ์๋ค.
4. ์ ์์กฐํ ์ฝํฌ๋ฆฌํธ์ ์ฑ๋ฅ ๊ฒ์ฆ ์คํ
4.1 ๋ฐฐํฉ์คํ
4.1.1 ์คํ๊ณํ
๊ตณ์ง ์์ ์ฝํฌ๋ฆฌํธ์ ์์ถ์ฑ ๋ฐ ์ ์ธต์ฑ์ ๋ํ ๋ฌธํ์ฐ๊ตฌ ๋ฐ CFD ํด์๊ฒฐ๊ณผ์ ๊ธฐ๋ฐํ์ฌ ์ด ์ฐ๊ตฌ์์๋ ๋ฐฐํฉ์คํ์ ์ํํ์ฌ ๊ตณ์ง ์์ ์ฝํฌ๋ฆฌํธ์ ๋ ์ฌ๋ก์ง(์ ๋,
ํญ๋ณต์๋ ฅ)๋ฅผ ์ธก์ ํ๊ณ , CRP์ ์ ํฉํ ๋ฐฐํฉ์ ๋์ถํ์๋ค. ๊ตณ์ง ์์ ์ฝํฌ๋ฆฌํธ๋ ์๊ฐ์ด ์ง๋จ์ ๋ฐ๋ผ ๋ ์ฌ๋ก์ง ํน์ฑ์ด ํฐ ์ํฅ์ ๋ฐ๊ธฐ ๋๋ฌธ์(Petit
et al. 2007) ์ด ์ฐ๊ตฌ์์๋ ๋ฐฐํฉ ์ดํ 1์๊ฐ ๋์ ์ฃผ๊ธฐ์ ์ผ๋ก ์ ๋ ๋ฐ ํญ๋ณต์๋ ฅ์ ์ธก์ ํ์๋ค. ์ด๋ ์ฌ์ฉํ ๋ ์ค๋ฏธํฐ๋ Brookfield์ฌ์
DV-3T ๋ชจ๋ธ์ด๋ค. ๋ํ, Le et al. (2012a)์ CRP๋ก ์ ์ํ ๊ตฌ์กฐ ๋ถ์ฌ๋ ๋ ์ด์ด ๊ฐ์ ๊ณ๋ฉด ์กด์ฌ, ํ์ค ์ ๋ค์ง ๋ฌธ์ ๋ฑ์ผ๋ก ์ธํ์ฌ
๊ธฐ์กด RC ๋ถ์ฌ์ ๋นํด ๊ตฌ์กฐ์ฑ๋ฅ์ด ์ทจ์ฝํ ๊ฐ๋ฅ์ฑ์ด ์๊ธฐ ๋๋ฌธ์ ์๋์ ์ผ๋ก ๋์ ์์ถ๊ฐ๋์ ๋ฐฐํฉ์ ์ฌ์ฉํด์ผ ํ๋ค๊ณ ๋ณด๊ณ ํ์๋ค. ๋ฐ๋ผ์, ์ด ์ฐ๊ตฌ์์๋
90 MPa ์ด์์ ์์ถ๊ฐ๋๋ฅผ ๊ฐ์ง๋ CRP ๋ฐฐํฉ์ ๊ฐ๋ฐํ๊ณ ์ ํ์์ผ๋ฉฐ, ์ด๋ฅผ Table 1์ ์ ๋ฆฌํ์ฌ ๋ํ๋ด์๋ค. ๋ฐ์ธ๋(binder)๋ก์จ ์๋ฉํธ, ์ค๋ฆฌ์นดํธ(silicafume), ์ค๋ฆฌ์นดํ๋ก์ด(silicaflour)๋ฅผ ์ฌ์ฉํ์์ผ๋ฉฐ, ๊ตต์
๊ณจ์ฌ(aggregate)๊ฐ ์ฌ์ฉ๋ ๊ฒฝ์ฐ์๋ ์ฝํฌ๋ฆฌํธ ์์ถ์ด ์ด๋ ค์ฐ๋ฏ๋ก ์
๋ 0.4 mm ๋ฐ 0.2 mm์ ์๊ณจ์ฌ(fine sand)๋ง์ ์ด์ฉํ์ฌ ๋ฐฐํฉ์
์ํํ์๋ค. ๋ํ, ๊ตณ์ง ์์ ์ฝํฌ๋ฆฌํธ์ ์ ๋์ฑ๊ณผ ์ถ๋ ฅ์ ์ง์ํ ์ ์๋ ์๊ฐ์ธ ์คํํ์์ ํ๋ณดํ๊ธฐ ์ํ์ฌ ๊ณ ํ๋ถ 30 %์ ํด๋ฆฌ์นด๋ณธ์ฐ๊ณ ์ ๋ํ์ (superplasticizer)์
์๊ฒฐ์ง์ฐ์ (retarder)๋ฅผ ์ฌ์ฉํ์๋ค. ์คํ๋ณ์๋ ๋ฌผ-๋ฐ์ธ๋ ๋น(W/B), ์ค๋ฆฌ์นดํธ๊ณผ ์ค๋ฆฌ์นดํ๋ก์ด์ ๋น, ์๊ฒฐ์ง์ฐ์ ํผ์
์ฌ๋ถ๋ก ์ค์ ํ์์ผ๋ฉฐ,
์ด 5๊ฐ์ง์ ๋ฐฐํฉ๋น(Mix 1~5)์ ๋ํ ์คํ์ ์ํํ์๋ค.
4.1.2 ์คํ๊ฒฐ๊ณผ
Table 1. Mix proportion
Material
|
Mix 1
|
Mix 2
|
Mix 3
|
Mix 4
|
Mix 5
|
Cement
|
1
|
1
|
1
|
1
|
1
|
Silicafume
|
0.25
|
0.375
|
0.5
|
0.375
|
0.5
|
Silicaflour
|
0.25
|
0.125
|
0
|
0.125
|
0
|
Fine sand #6
|
0.37
|
0.37
|
0.37
|
0.37
|
0.37
|
Fine sand #7
|
0.55
|
0.55
|
0.55
|
0.55
|
0.55
|
Superplasticizer
|
0.036
|
0.036
|
0.036
|
0.036
|
0.036
|
Retarder
|
0.0077
|
0.0077
|
0.0077
|
0
|
0
|
Water
|
0.19
|
0.19
|
0.19
|
0.1
|
0.1
|
Fig. 6. Measurement results of rheology properties
Table 2. Measured compressive strength (fck) and slump
|
Mix 1
|
Mix 2
|
Mix 3
|
Mix 4
|
Mix 5
|
fck (MPa)
|
123.6
|
94.8
|
117.1
|
119.1
|
-
|
Slump (mm)
|
220
|
245
|
270
|
70
|
0
|
Fig. 6์ ๋ฐฐํฉ ์ดํ ๊ฒฝ๊ณผ์๊ฐ์ ๋ฐ๋ฅธ ๊ตณ์ง ์์ ์ฝํฌ๋ฆฌํธ์ ์ ๋์ ํญ๋ณต์๋ ฅ ์ธก์ ๊ฒฐ๊ณผ๋ฅผ ๋ํ๋ธ ๊ฒ์ด๋ฉฐ, Table 2๋ ๋ฐฐํฉ ์งํ ์ธก์ ํ ์ฌ๋ผํ(KS F 2402(KATS 2017))์ ๊ฐ ๋ฐฐํฉ๋ณ ์์ถ๊ณต์์ฒด 3๊ฐ์ 28์ผ ์์ถ๊ฐ๋(KS F 2405(KATS 2010))์
ํ๊ท ์ ์ ๋ฆฌํ์ฌ ๋ํ๋ธ ๊ฒ์ด๋ค. ๋ค๋ง, Mix 5์ ๊ฒฝ์ฐ์๋ ์ ๋ ๋ฐ ํญ๋ณต์๋ ฅ์ ์ธก์ ํ ์ ์์ ์ ๋๋ก ์์ปค๋น๋ฆฌํฐ๊ฐ ๋งค์ฐ ๋ฎ์์ ์คํ๊ฒฐ๊ณผ ๋ถ์์์
์ ์ธํ์๋ค. Fig. 6์ ๋ํ๋ธ ์ ๋ ๋ฐ ํญ๋ณต์๋ ฅ ์ธก์ ๊ฒฐ๊ณผ๋ฅผ ๋ฐํ์ผ๋ก ์ ๋๊ฐ ๋์ผ๋ฉด์๋ ์ถ๋ ฅ ๋ฐ ์ ์ธต์ด ๊ฐ๋ฅํ ์ ๋์ ์ ๋นํ ํญ๋ณต์๋ ฅ์ด ๊ฐ์ฅ ์ ํฉํ ๋ฐฐํฉ, ์ฆ ์์ถ์ฑ ๋ฐ
์ ์ธต์ฑ์ด ์ ์ ํ๊ฒ ํ๋ณด๋ ๋ฐฐํฉ์ผ๋ก์จ Mix 2๋ฅผ ์ ์ ํ์๋ค. ๋ํ, ํญ๋ณต์๋ ฅ์ ์๊ฐ์ด ๊ฒฝ๊ณผํจ์ ๋ฐ๋ผ ์ฆ๊ฐํ๋ ์์์ ๋ํ๋ด์์ผ๋ฉฐ, ํนํ ๋ฐฐํฉ ํ ์ฝ
1์๊ฐ์ด ๊ฒฝ๊ณผํ ์์ ๋ถํฐ ๊ธ๊ฒฉํ ์ฆ๊ฐํ์๋ค. ๋ฐ๋ผ์ ์์ถ์ฑ ๋ฐ ์ ์ธต์ฑ ๊ฒ์ฆ ์คํ ์ ๊ตณ์ง ์์ ์ฝํฌ๋ฆฌํธ์ ์์ถ์ด ๊ฐ๋ฅํ ์๊ฐ, ์ฆ ์คํํ์์ 1์๊ฐ์ผ๋ก
์ค์ ํ์๋ค. ๊ฐ ๋ฐฐํฉ๋ณ ์์ถ๊ฐ๋๋ Table 2์ ๋ํ๋ธ ๋ฐ์ ๊ฐ์ด Mix 5๋ฅผ ์ ์ธํ ๋ชจ๋ ๋ฐฐํฉ์์ ๋ชฉํ์์ถ๊ฐ๋์ธ 90 MPa ์ด์์ผ๋ก ์ธก์ ๋์๋ค.
4.2 ์์ถ์ฑ ๊ฒ์ฆ ์คํ
4.2.1 ์คํ๊ณํ
์ด ์ฐ๊ตฌ์์๋ ๋ฐฐํฉ์คํ์ ํตํด ๋์ถํ Mix 2 ๋ฐฐํฉ์ ์์ถ์ฑ์ ๊ฒ์ฆํ๊ธฐ ์ํ ์คํ์ ์ํํ์์ผ๋ฉฐ, ๊ธฐ์กด ์ฐ๊ตฌ(Le et al. 2012a; Kazemian
et al. 2017)์ ๊ทผ๊ฑฐํ์ฌ 300 mm ๊ธธ์ด์ ํ๋ผ๋ฉํธ 5์ค์ ์์ถํ๋ ํ๋ ๊ฒ์ผ๋ก ๊ณํํ์๋ค.
Ma et al.(2018)์ ํผํฉ๋ฌผ์ ์์ถ์๋์ ๋
ธ์ฆ์ ์ด๋์๋, ๊ทธ๋ฆฌ๊ณ ํ๋ฆฐํ
ํ๋ฉด์์ ๋
ธ์ฆ๊น์ง์ ๋์ด๊ฐ ์์ถ์ฑ์ ์ํฅ์ ๋ผ์น๋ค๊ณ ์ธ๊ธํ์์ผ๋ฉฐ,
Hasan et al.(2016)์ ํ๋ผ๋ฉํธ์ ํญ๊ณผ ๋๊ป, ๊ทธ๋ฆฌ๊ณ ํ์์ ๋ฐ๋ผ ์ ์ธต ์ ์์ ์ฑ์ ์ํฅ์ ์ค ์ ์๋ค๊ณ ๋ณด๊ณ ํ์๋ค. ๋ฐ๋ผ์ ์์ถ์ฑ ๊ฒ์ฆ
์คํ์์์ ๋ณ์๋ Fig. 7 ๋ฐ Table 3์ ๋ํ๋ธ ๋ฐ์ ๊ฐ์ด ์ฝํฌ๋ฆฌํธ์ ์์ถ์๋(vconcrete)์ ๋ํ ์ถ๋ ฅ์๋(vprโซโg)์ ๋น(velocity ratio, VR)์ ์์ถ๊ธฐ์ ์ถ๋ ฅ ๋์ด(hextruder)๋ก
์ค์ ํ์๋ค. ์ด๋ vprโซโg์ ํ๋ฆฐํ
์ฅ๋น์ ์ฑ๋ฅ์ ๊ณ ๋ คํด 80 mm/s๋ก ๊ณ ์ ํ์์ผ๋ฉฐ, ์์ถ๊ธฐ ๋ด์ ์คํฌ๋ฅ ํ์ ์๋(RPM)๋ฅผ
๋ณํ์ํค๋ฉด์ vconcrete๋ฅผ ์กฐ์ ํ์๋ค. ๋ํ, vconcrete์ ๋ณํ์ ๋ฐ๋ฅธ ์ถ๋ ฅ๋ ํ๋ผ๋ฉํธ์ ๋จ๋ฉด์ , ํญ ๋ฐ ๋๊ป๋ฅผ ์ธก์ ํจ์ผ๋ก์จ
์์ถ์ ์ต์ ํ๋ VR ๋ฐ hextruder๋ฅผ ๋์ถํ๊ณ ์ ํ์๋ค.
Fig. 7. Variables in extrudability test
Table 3. Test variables
Specimen
(Extrudability-hextruder-VR)
|
hextruder
(mm)
|
VR
|
E-15-1.0
|
15
|
1.0
|
E-15-1.5
|
15
|
1.5
|
E-15-3.0
|
15
|
3.0
|
E-20-1.0
|
20
|
1.0
|
E-20-1.5
|
20
|
1.5
|
E-20-3.0
|
20
|
3.0
|
Fig. 8. Extrudability test results
Fig. 9. Section of extruded filament
Table 4. Measured section height and width of filaments
Specimen
|
H
(mm)
|
W
(mm)
|
H/hextruder
|
E-15-1.0
|
11.53
|
33.06
|
0.77
|
E-15-1.5
|
12.08
|
33.70
|
0.81
|
E-15-3.0
|
11.25
|
21.04
|
0.75
|
E-20-1.0
|
14.61
|
30.36
|
0.73
|
E-20-1.5
|
13.55
|
23.20
|
0.68
|
E-20-3.0
|
11.89
|
15.35
|
0.59
|
4.2.2 ์คํ๊ฒฐ๊ณผ
Fig. 8์๋ VR ๋ฐ ์์ถ๊ธฐ ๋
ธ์ฆ์ ๋์ด(hextruder)์ ๋ฐ๋ฅธ ์คํ์ฒด ์ถ๋ ฅ๊ฒฐ๊ณผ๋ฅผ ๋ํ๋ด์์ผ๋ฉฐ, ์ด ์ฐ๊ตฌ์์ ์ค์ ํ ๋ชจ๋ ๋ณ์์์ ํ๋ผ๋ฉํธ์
๋๊ป๊ฐ ์ผ์ ํ๊ฒ ์ถ๋ ฅ๋์ด ์ ์ ํ ์์ถ์ฑ๋ฅ์ด ํ๋ณด๋ ๊ฒ์ผ๋ก ๋ํ๋ฌ๋ค. Fig. 9์ Table 4์๋ ๊ฐ ํ๋ผ๋ฉํธ ๋จ๋ฉด์ ํญ๊ณผ ๋๊ป๋ฅผ ์ธก์ ํ ๊ฒฐ๊ณผ๋ฅผ ๋ํ๋ด์์ผ๋ฉฐ, VR์ด ๋์์๋ก ๋จ๋ฉด์ ํญ(W)์ด ์๊ฒ ํ์ฑ๋๊ณ , ์ถ๋ ฅ๋ ํ๋ผ๋ฉํธ์ ๋์ด์ ์์ถ๊ธฐ
๋
ธ์ฆ ๋์ด์ ๋น(H/hextruder)๊ฐ ๊ฐ์ํ๋ ๊ฒ์ผ๋ก ๋ํ๋ฌ๋ค. ๋จ๋ฉด์ ํญ์ด ํด์๋ก, H/hextruder๊ฐ 1.0์
๊ฐ๊น์ธ์๋ก ๊ตณ์ง ์์ ์ฝํฌ๋ฆฌํธ๋ฅผ ์์ ์ ์ผ๋ก ์ ์ธตํ๋ ๋ฐ ์ ๋ฆฌํ๊ธฐ ๋๋ฌธ์, ์ด ์ฐ๊ตฌ์์๋ VR์ 1.0, hextruder์ 10 mm๋ก ์ค์ ํ์ฌ
์ ์ธต์ฑ ๊ฒ์ฆ ์คํ์ ์ํํ์๋ค.
4.3 ์ ์ธต์ฑ ๊ฒ์ฆ ์คํ
4.3.1 ์คํ๊ณํ
์ ์ธต์ฑ ๊ฒ์ฆ ์คํ์ ์์ ์ธ๊ธ๋ ์์ถ์ฑ ๊ฒ์ฆ ์คํ ๋ฐ ๊ธฐ์กด ์ฐ๊ตฌ(Le et al. 2012a)์ ๋ฐ๋ผ 300 mm ๊ธธ์ด์ ํ๋ผ๋ฉํธ๋ฅผ ๋์ด 70 mm
์ด์ ์ฐ์ ์ ์ธตํ๋ ๊ฒ์ผ๋ก ๊ณํํ์๋ค. ์คํ๋ณ์๋ Table 5์ ๋ํ๋ธ ๊ฒ๊ณผ ๊ฐ์ด ์ฐ์์ถ๋ ฅ ๋ ์ด์ด์ ๊ฐ์์ ์ธต๊ฐ ์ ์ธต ์๊ฐ ๊ฐ๊ฒฉ(PTG)์ผ๋ก ์ค์ ํ์๋ค. B-2-5 ์คํ์ฒด๋ 2๊ฐ์ ๋ ์ด์ด๋ฅผ ํ ๋ฒ์ ์ ์ธตํ ํ
5๋ถ์ ๋๊ธฐ์๊ฐ์ ๊ฐ์ง๊ณ ์ดํ 2๊ฐ์ ๋ ์ด์ด๋ฅผ ์ ์ธตํ๋ ๋ฐฉ์์ผ๋ก ์ ์๋์์ผ๋ฉฐ, B-1-2.5 ์คํ์ฒด๋ 1๊ฐ์ ๋ ์ด์ด๋ฅผ ์ ์ธตํ ๋๋ง๋ค 2๋ถ 30์ด์
๋๊ธฐ์๊ฐ์ ๊ฐ์ง๊ณ ์ ์๋์๋ค.
4.3.2 ์คํ๊ฒฐ๊ณผ
Fig. 10์ B-2-5์ B-1-2.5 ์คํ์ฒด๊ฐ ์ ์ธต๋ ๋ชจ์ต์ ๋ํ๋ธ ๊ฒ์ด๋ฉฐ, ๋ ์คํ์ฒด ๋ชจ๋ ๋์ด ์ฝ 85 mm๊น์ง ์์ ์ ์ผ๋ก ์ ์ธต๋์๋ค. Table 6์๋ ์คํ์ฒด์ ๋ ์ด์ด ๋ณ ๋์ด ๋ฐ ์ ์ฒด ์ ์ธต ๋์ด๋ฅผ ๋ํ๋ด์์ผ๋ฉฐ, ๊ฐ ๋ ์ด์ด์ ํ๊ท ๋์ด๋ ์ฝ 8.5 mm๋ก์จ ๋น๊ต์ ์ผ์ ํ ๋์ด๋ก ์ ์ธต๋๋ ๊ฒ์ผ๋ก
ํ์ธ๋์๋ค. ๋ค๋ง, Fig. 11์ ๋ํ๋ธ ๋ฐ์ ๊ฐ์ด ๋ ์คํ์ฒด ๋ ์ด์ด์ ๋ณํ ์ ๋๋ฅผ ๋น๊ตํ์ฌ ๋ณด๋ฉด, 2๊ฐ์ ๋ ์ด์ด๋ฅผ ์ฐ์ ์ถ๋ ฅํ๊ณ , 5๋ถ์ ๋๊ธฐ์๊ฐ(PTG)์ ๊ฐ์ง B-2-5 ์คํ์ฒด์์
์์ ๋ ์ด์ด(์ง์์ธต ๋ ์ด์ด)์ ์ํ ํ์ ๋ ์ด์ด(ํ์์ธต ๋ ์ด์ด)์ ๋ณํ์ด ๋น๊ต์ ํฌ๊ฒ ๋ฐ์ํ ๊ฒ์ ํ์ธํ ์ ์๋ค. ์ด์๋ ๋ฌ๋ฆฌ ํ ์ธต์ ์ถ๋ ฅํ ๋๋ง๋ค
2๋ถ 30์ด์ PTG๋ฅผ ๋ B-1-2.5 ์คํ์ฒด๋ ์ ์ธต์ ๊ฑธ์ณ ๊ท ์ผํ ๋์ด๊ฐ ํ์ฑ๋์์ผ๋ฉฐ ํ๋ผ๋ฉํธ์ ๋ณํ์ด ๋น๊ต์ ์๊ฒ ๋ํ๋ฌ๋ค. ๋ฐ๋ผ์, ์ด ์ฐ๊ตฌ์์๋
ํ ์ธต์ ์ถ๋ ฅํ๊ณ 2๋ถ 30์ด์ PTG๋ฅผ ๊ฐ์ง ํ ๋ค์ ์ธต์ ์ถ๋ ฅํ๋ ๋ฐฉ์์ผ๋ก ๋ถ์ฌ๋ฅผ ์ ์ํ ํ ํจ์คํ์ ์ํํ์๋ค.
Table 5. Variables in buildability test
Specimen
(Buildability-Number of continuous built up layers-PTG)
|
Number of continuous built up layers
|
PTG
(min)
|
B-2-5
|
2
|
5
|
B-1-2.5
|
1
|
2.5
|
Fig. 10. layered specimens
Table 6. Measured layer height of specimens
Number of layer
|
Height of layer [Total height] (mm)
|
B-2-5
|
B-1-2.5
|
1
|
18 [18]
|
9 [9]
|
2
|
9 [18]
|
3
|
18 [36]
|
8 [26]
|
4
|
9 [35]
|
5
|
16 [52]
|
9 [44]
|
6
|
8 [52]
|
7
|
16 [68]
|
8 [60]
|
8
|
8 [68]
|
9
|
18 [86]
|
8 [76]
|
10
|
8 [84]
|
Fig. 11. Comparison of layered specimens according to PTG
4.4 ํจ์ฑ๋ฅ ๊ฒ์ฆ ์คํ
4.4.1 ์คํ๊ณํ
์ด ์ฐ๊ตฌ์์๋ CRP ๋ฐฉ์์ผ๋ก ์ ์๋ ๋ถ์ฌ์ RC ๋ถ์ฌ์ ํจ์ฑ๋ฅ์ ๋น๊ตํ๊ณ ์ ํ์์ผ๋ฉฐ, ์ฃผ์ ๋ณ์๋ Table 7์ ๋ํ๋ธ ๋ฐ์ ๊ฐ์ด ์คํ์ฒด ์ ์๋ฐฉ์ ๋ฐ ์ธ์ฅ์ฒ ๊ทผ ๋ณด๊ฐ ์ฌ๋ถ๋ก ๊ณํํ์๋ค. ๋ํ, CRP๋ฅผ ์ด์ฉํ ๋ถ์ฌ ์ ์ ์์๋ ์์ถ์ฑ ๋ฐ ์ ์ธต์ฑ ์คํ๊ฒฐ๊ณผ๋ฅผ ๊ธฐ๋ฐ์ผ๋ก
VR์ 1.0, PTG๋ 2๋ถ 30์ด, hextruder๋ 10 mm๋ก ์ค์ ํ์๋ค. ๋ค๋ง, ํ์ฌ๊น์ง ๊ฐ๋ฐ๋ CRP ์์คํ
์์๋ ์ฝํฌ๋ฆฌํธ ์ถ๋ ฅ๊ณผ
๋์์ ์ฒ ๊ทผ ๋ฐฐ์น ๋ฑ์ ์ธ์ฅ๋ณด๊ฐ์ ํ๊ธฐ๋ ๋งค์ฐ ์ด๋ ค์ด ์ํฉ์ด๋ค(Bos et al. 2018). ๋ฐ๋ผ์ ์ด ์ฐ๊ตฌ์์๋ Fig. 12์ ๋ํ๋ธ ๋ฐ์ ๊ฐ์ด CRP๋ก ๋ถ์ฌ ์ธ๋ฉด์ ์ ์ํ๊ณ , 24์๊ฐ ๋์ ๋๊ธฐ ์์์ ํ์ฌ ๋ถ์ฌ ์ธ๋ฉด์ ๊ฒฝํ์ํจ ํ ์ฌ์ ์กฐ๋ฆฝ๋ ํจ ๋ฐ ์ ๋จ ๋ณด๊ฐ ์ฒ ๊ทผ์
์ฝ์
ํ๊ณ , ๋ถ์ฌ ๋ด๋ถ์ ์์ฑ์ ์ฝํฌ๋ฆฌํธ๋ฅผ ํ์คํ๋ ๋ฐฉ์์ผ๋ก CRP ์คํ์ฒด๋ฅผ ์ ์ํ์๋ค.
Table 7. Variables in flexural test
Specimen
|
Manufacturing method
|
Presence of reinforcing bar
|
CRP_S
|
Exterior of members Made of concrete rapid prototyping+Infilled concrete
|
O
|
CRP_N
|
X
|
RC_S
|
Formwork concrete
|
O
|
Fig. 12. Schematic description of CRP specimen
Fig. 13. Section Details of flexural specimen
Fig. 13์ ๋ณด์ด๋ ๋ฐ์ ๊ฐ์ด ํจ์คํ์ฒด๋ ๋ชจ๋ ๋จ๋ฉด 150ร150 mm, ๊ธธ์ด 700 mm๋ก ์ ์๋์๋ค. CRP_S ๋ฐ RC_S ์คํ์ฒด์๋ ์์ถ์ธก์ D10
์ฒ ๊ทผ, ์ธ์ฅ์ธก์ D16 ์ฒ ๊ทผ์ ๋ฐฐ์นํ์์ผ๋ฉฐ, ํผ๋ณต์ 20 mm๋ฅผ ํ๋ณดํ์๋ค. ์คํฐ๋ฝ์ ์ ๋จํ๊ดด๋ฅผ ๋ฐฉ์งํ๊ณ ํจํ๊ดด๋ฅผ ์ ๋ํ๊ธฐ ์ํ์ฌ D6 ์ดํ์ฒ ์ ์
50 mm ๊ฐ๊ฒฉ์ผ๋ก ๋ฐฐ์นํ์๋ค. ์คํ์ฒด ์ ์์ ์ฌ์ฉ๋ D16 ์ธ์ฅ์ฒ ๊ทผ์ ํญ๋ณต๊ฐ๋(fy)๋ 455.4 MPa์ด์์ผ๋ฉฐ, ์คํ ์ ์ธก์ ํ ์ ์์กฐํ
์ฝํฌ๋ฆฌํธ์ ์์ถ๊ฐ๋(fck,CRP)์ ๋ด๋ถํ์ค ์ฝํฌ๋ฆฌํธ(fck,RC)์ ์์ถ๊ฐ๋๋ ๊ฐ๊ฐ 94.9 ๋ฐ 52.8 MPa ์ด์๋ค.
์คํ์ KS F 2407์ ๋ฐ๋ผ ์งํํ์์ผ๋ฉฐ, ๋ถ์ฌ์ ๊ฐ๋ ฅ์ ์์น(์ค์๋ถ) ๋จ๋ฉด ํ๋ถ์ LVDT๋ฅผ ์ค์นํ์ฌ ๋ถ์ฌ์ ์ฒ์ง์ ๊ณ์ธกํ์๋ค.
4.4.2 ์คํ๊ฒฐ๊ณผ
Fig. 14๋ ๊ฐ ์คํ์ฒด์ ํ๊ดด๋ชจ๋๋ฅผ ๋ํ๋ธ ๊ฒ์ด๋ฉฐ, Fig. 15๋ ์คํ์ฒด๋ณ ํ์ค-๋ณ์ ์ด๋ ฅ๊ณก์ ์ ๋ํ๋ธ ๊ฒ์ด๋ค. ์ธ์ฅ์ฒ ๊ทผ์ด ๋ณด๊ฐ๋์ง ์๊ณ , ์์ฑ์ ์ฝํฌ๋ฆฌํธ๋ง ํ์ค๋ CRP_N ์คํ์ฒด์ ๊ฒฝ์ฐ์๋ 23.8 kN์
ํ์ค์์ ํจ ๊ท ์ด์ด ๋ฐ์ํจ๊ณผ ๋์์ ์ทจ์ฑ์ ์ผ๋ก ํ๊ดด๋์๋ค. ํ๊ดด ํ CRP_N ์คํ์ฒด์ ๋จ๋ฉด์ ๊ด์ฐฐํด๋ณธ ๊ฒฐ๊ณผ, Fig. 16์ ๋ํ๋ธ ๋ฐ์ ๊ฐ์ด ํ๋ผ๋ฉํธ ๋ ์ด์ด ๊ฐ์ ์ ์ธต์ด ์ ์ด๋ฃจ์ด์ก์์ ํ์ธํ ์ ์์๋ค.
Fig. 14. Failure mode of flexural specimens
Fig. 15. Load-deflection curves of flexural specimens
Fig. 16. Section of CRP_N specimen
CRP_S ์คํ์ฒด์์๋ ๊ฐ๋ ฅ ์์ ํ ์ฝ 33 kN์ ํ์ค์์ ์คํ์ฒด ์ค์ ํ๋จ๋ถ์ ์ต์ด์ ํจ ๊ท ์ด์ด ๊ด์ธก๋์์ผ๋ฉฐ, Fig. 14(b)์ ๋ํ๋ธ ๋ฐ์ ๊ฐ์ด 102 kN์ ํ์ค์์ CRP๋ก ์ ์ํ ๋ถ์ฌ ์ธ๋ฉด์ ๊ท ์ด์ด ๊ธ๊ฒฉํ๊ฒ ์ง์ ๋๋ฉด์ ํ๊ดด์ ์ด๋ฅด๋ ์์์ ๋ํ๋ด์๋ค. ๋ถ์ฌ์ ์ต๋์ฒ์ง์
์ฝ 4.6 mm๋ก ๊ณ์ธก๋์๋ค. RC_S ์คํ์ฒด์ ๊ฒฝ์ฐ์๋ ๊ฐ๋ ฅ ์์ ํ 45 kN์ ํ์ค์์ ์คํ์ฒด ์ค์ ํ๋จ๋ถ์ ์ต์ด์ ํจ ๊ท ์ด์ด ๋ฐ์ํ์์ผ๋ฉฐ,
์ฝ 96 kN๋ถํฐ ์คํ์ฒด์ ๊ฐ์ฑ์ด ๊ธ๊ฒฉํ๊ฒ ๊ฐ์ํ์๋ค. ์ดํ ์คํ์ฒด๋ ์ฐ์ฑ์ ์ธ ๊ฑฐ๋์ ๋ณด์ด๋ฉด์ ํ์ค์ด ์ง์ํด์ ์ฆ๊ฐํ์์ผ๋ฉฐ. 118 kN์ ํ์ค์
๋๋ฌํ ํ ์์ถ์ฐ๋จ ์ฝํฌ๋ฆฌํธ๊ฐ ์๊ดด๋จ๊ณผ ๋์์ ํจํ๊ดด ๋์๋ค. ํจํ๊ดด ์ ๋ถ์ฌ ์ฒ์ง์ ์ฝ 14 mm๋ก ๊ณ์ธก๋์์ผ๋ฉฐ, ์ฝํฌ๋ฆฌํธ๊ฐ ์ผ์ฒด ํ์ค๋ RC_S
์คํ์ฒด๋ CRP๋ฅผ ํตํด ์ ์๋ CRP_S๋ณด๋ค ์ฐ์ํ ์ฐ์ฑ์ ๋ํ๋ด์๋ค. ๋ค๋ง, CRP_S ์คํ์ฒด์ RC_S ์คํ์ฒด์ ํจ๊ฐ๋๋ ํฐ ์ฐจ์ด๋ฅผ ๋ณด์ด์ง ์์์ผ๋ฉฐ,
CRP_S ์คํ์ฒด์์๋ ๋ถ์ฌ์ ํ๊ดด ์์ ๊น์ง๋ ์ถ๋ ฅ๋ ๋ ์ด์ด์ ์ด๋ ํ ๋ถ์ฐฉ์์๋ ๊ด์ธก๋์ง ์์๋ค. ์ถํ ์ธ์ฅ๋ณด๊ฐ์ด ๊ฐ๋ฅํ CRP ๊ธฐ์ ๊ฐ๋ฐ, CRP
๋ ์ด์ด ๊ฐ์ ๋ถ์ฐฉ์ฑ๋ฅ ๋ฐ ํ์ค์ ํญ ๋ฉ์ปค๋์ฆ์ด ๋์ฑ ๋ช
ํํ๊ฒ ๊ท๋ช
๋๋ค๋ฉด CRP ๋ถ์ฌ๋ฅผ ๊ฑด์คํ์ฅ์ ์ ์ฉํ ์ ์๋ ๊ฒ๋ ๋ฉ์ง ์์ ๊ฒ์ผ๋ก ๊ธฐ๋๋๋ค.
5. ๊ฒฐ ๋ก
์ด ์ฐ๊ตฌ์์๋ ์ ์์กฐํ ์ฝํฌ๋ฆฌํธ์ ์ฌ๋ฃํน์ฑ์ ๊ท๋ช
ํ๊ธฐ ์ํ ์คํ์ ๏ฝฅํด์์ ์ฐ๊ตฌ๋ฅผ ์ํํ์์ผ๋ฉฐ, ์ด๋ฅผ ๋ฐํ์ผ๋ก ์ ์์กฐํ์ ์ ํฉํ ์ฝํฌ๋ฆฌํธ ๋ฐฐํฉ์ ๋์ถํ์๋ค.
๋ํ, ๋์ถ๋ ๋ฐฐํฉ์ ๊ธฐ๋ฐ์ผ๋ก CRP์ ํต์ฌ์์์ธ ์์ถ์ฑ ๋ฐ ์ ์ธต์ฑ์ ๊ฒ์ฆํ์์ผ๋ฉฐ, CRP ๋ฐฉ์์ผ๋ก ์ ์ํ ๋ถ์ฌ์ ํจ ์คํ์ ์ํํ์๋ค. ์ด ์ฐ๊ตฌ๋ก๋ถํฐ
๋ค์๊ณผ ๊ฐ์ ๊ฒฐ๋ก ์ ๋์ถํ ์ ์์๋ค.
1) CRP์์ ๊ฐ์ฅ ์ค์ํ ์์๋ ์์ถ์ฑ๊ณผ ์ ์ธต์ฑ์ด๋ฉฐ, ์ด๋ ๊ตณ์ง ์์ ์ฝํฌ๋ฆฌํธ์ ์ ๋ ๋ฐ ํญ๋ณต์๋ ฅ๊ณผ ๋ฐ์ ํ ๊ด๋ จ์ด ์๋ค. CFD๋ฅผ ์ด์ฉํ ํด์๊ฒฐ๊ณผ,
์์ถ์ฑ์ ์ ๋๊ฐ ๋๊ณ ํญ๋ณต์๋ ฅ์ด ๋ฎ์์๋ก, ์ ์ธต์ฑ์ ํญ๋ณต์๋ ฅ๊ณผ ๊ฒฝํ์๋๊ฐ ํด์๋ก ์ฐ์ํ ๊ฒ์ผ๋ก ๋ํ๋ฌ์ผ๋ฉฐ, ์ด๋ฅผ ๊ธฐ๋ฐ์ผ๋ก ์ด ์ฐ๊ตฌ์์๋ ์ ๋๊ฐ ๋๊ณ
์ ์ ํ ํญ๋ณต์๋ ฅ์ ๊ฐ์ง๋ ๋ฐฐํฉ๋น๋ฅผ ๋์ถํ์๋ค.
2) CRP machine์ ์ด์ฉํ์ฌ ํ๋ฆฐํ
ํ ๋ ์์ถ์ฑ๊ณผ ์ ์ธต์ฑ์ ์ํฅ์ ๋ฏธ์น๋ ์ฃผ์์์๋ก๋ ์ถ๋ ฅ์๋(vprโซโg)์ ์ฝํฌ๋ฆฌํธ
์์ถ์๋(vconcrete)์ ๋น(VR), ์์ถ๊ธฐ์ ๋์ด(hextruder)์ ๋ ์ด์ด ๊ฐ ์ ์ธต ์๊ฐ ๊ฐ๊ฒฉ(PTG) ๋ฑ์ด ์๋ค. ์ด
์ฐ๊ตฌ์์๋ ๋์ถ๋ ๋ฐฐํฉ๋น๋ฅผ ์ด์ฉํ์ฌ ์์ถ ๋ฐ ์ ์ธต ์คํ์ ์ํํ์์ผ๋ฉฐ, ๊ทธ ๊ฒฐ๊ณผ VR์ 1.0, hextruder๋ 10 mm, PTG๋
2๋ถ 30์ด๋ก ์ค์ ํ์์ ๋ ๊ฐ์ฅ ์ฐ์ํ ์์ถ์ฑ๊ณผ ์ ์ธต์ฑ์ ๋ณด์ด๋ ๊ฒ์ผ๋ก ๋ํ๋ฌ๋ค. ๋ค๋ง, ์ ์ ํ VR, hextruder, PTG๋ ๊ตณ์ง
์์ ์ฝํฌ๋ฆฌํธ์ ์ ๋ํ์ ํน์ฑ, ๊ฒฝํํน์ฑ์ ๋ฐ๋ผ ๋ฌ๋ผ์ง ์ ์๊ธฐ ๋๋ฌธ์ ๋ฐฐํฉ์ด ๋ค๋ฅธ ๊ฒฝ์ฐ์๋ ์ถ๊ฐ์ ์ธ ์์ถ ๋ฐ ์ ์ธต ์คํ์ ํตํ์ฌ ๋์ถํด์ผ ํ ๊ฒ์ผ๋ก
ํ๋จ๋๋ค.
3) ์ด ์ฐ๊ตฌ์์๋ CRP๋ฅผ ํตํด ์ ์๋ ๋ถ์ฌ์ ์ฒ ๊ทผ์ฝํฌ๋ฆฌํธ(RC) ๋ถ์ฌ์ ๋ํ ํจ์คํ์ ์ํํ์๋ค. ๊ทธ ๊ฒฐ๊ณผ, RC ๋ถ์ฌ์ CRP ๋ถ์ฌ์ ํจ๊ฐ๋๋
ํฐ ์ฐจ์ด๊ฐ ๋์ง ์์์ผ๋, ์ฝํฌ๋ฆฌํธ๊ฐ ์ผ์ฒด ํ์ค๋ RC ์คํ์ฒด๊ฐ CRP ์คํ์ฒด๋ณด๋ค ์ฐ์ํ ์ฐ์ฑ๋ฅ๋ ฅ์ ๋ํ๋ด์๋ค. ์ถํ CRP ๊ธฐ์ ์ ๊ฑด์คํ์ฅ์ ์ ์ฉํ๊ธฐ
์ํด์๋ ์ฝํฌ๋ฆฌํธ ํ๋ฆฐํ
๊ณผ ๋์์ ์ธ์ฅ๋ณด๊ฐ์ด ๊ฐ๋ฅํ CRP ๊ธฐ์ ๊ฐ๋ฐ์ด ํ์ํ ๊ฒ์ผ๋ก ํ๋จ๋๋ฉฐ, ์ด์ ๋์์ CRP ๋ ์ด์ด ๊ฐ์ ๋ถ์ฐฉ์ฑ๋ฅ ๋ฐ ํ์ค์ ํญ
๋ฉ์ปค๋์ฆ์ ๊ท๋ช
ํ๊ธฐ ์ํ ์ถ๊ฐ ์ฐ๊ตฌ๋ ํ์ํ ๊ฒ์ผ๋ก ํ๋จ๋๋ค.
๊ฐ์ฌ์ ๊ธ
์ด ์ฐ๊ตฌ๋ 2019๋
๋ ์ ๋ถ(๊ต์ก๊ณผํ๊ธฐ์ ๋ถ)์ ์ฌ์์ผ๋ก ํ๊ตญ์ฐ๊ตฌ์ฌ๋จ ์ค๊ฒฌ์ฐ๊ตฌ์ ์ง์์ ๋ฐ์ ์ํ๋์์ต๋๋ค. (๊ณผ์ ๋ฒํธ: NRF-2019R1A2C2086388).
References
Ahn Y.-H., Kim S.-Y., 2017, Construction Industry Transition with the 4th Industrial
Revolution Technology., Journal of the Korea Institute of Building Construction, Vol.
17, No. 2, pp. 18-22

Bos F. P., Ahmed Z. Y., Wolfs R. J., Salet T. A., 2018, 3D Printing Concrete with
Reinforcement. In High Tech Concrete: Where Technology and Engineering Meet., 12-14
June 2017. Maastricht, Netherlands; Springer, Cham., pp. 2484-2493

Gaudilliรจre N., Duballet R., Bouyssou C., Mallet A., Roux P., Zakeri M., Dirrenberger
J., 2019, Building Applications Using Lost Formworks Obtained Through Large-scale
Additive Manufacturing of Ultra-high-performance Concrete, In 3D Concrete Printing
Technology. UK, Oxford: Butterworth- Heinemann, pp. 37-58

Hasan M. N., Vatani M., Chandy A., Choi J. W., 2016, Experimental and Numerical Analysis
of Filament Front Deformation for Direct-print, Journal of Manufacturing Science and
Engineering, Vol. 138, No. 1, pp. 011003

Jeong H., Han S. J., Choi S. H., Lee Y. J., Yi S. T., Kim K. S., 2019, Rheological
Property Criteria for Buildable 3D Printing Concrete, Materials, Vol. 12, No. 4, pp.
657

Jung K. H., Jung J.-Y., Jung S.-J., 2002, Prospect of Formwork Work, Journal of the
Kaorea Institute of Building Construction, Vol. 2, No. 4, pp. 64-68

Kazemian A., Yuan X., Cochran E., Khoshnevis B., 2017, Cementitious Materials for
Construction-scale 3D Printing: Laboratory Testing of Fresh Printing Mixture, Construction
and Building Materials, Vol. 145, pp. 639-647

Korea Agency for Technology, Standards (KATS), 2010, Standard Test Method for Compressive
Strength of Concrete (KS F 2405), Seoul, Korea: Korea Standard Association (KSA).
(In Korean)

Korea Agency for Technology, Standards (KATS), 2017, Standard Test Method for Concrete
Slump (KS F 2402), Seoul, Korea: Korea Standard Association (KSA). (In Korean)

Le T. T., Austin S. A., Lim S., Buswell R. A., Gibb A. G. F., Thorpe T., 2012a, Mix
Design and Fresh Properties for High-performance Printing Concrete, Materials and
Structures, Vol. 45, No. 8, pp. 1221-1232

Le T. T., Austin S. A., Lim S., Buswell R. A., Law R., Gibb A. G. F., Thorpe T., 2012b,
Hardened Properties of High-performance Printing Concrete, Cement and Concrete Research,
Vol. 42, No. 3, pp. 558-566

Lee E.-Y., Kim Y.-S., 2014, An Analysis and Improvement of Free Form Buildingโs Construction
Productivity - Focused on Exposed Concrete Work -, Korean Journal of Construction
Engineering and Management, Vol. 15, No. 3, pp. 38-46

Ma G., Li Z., Li W., 2018, Printable Properties of Cementitious Material Containing
Copper Tailings for Extrusion Based 3D Printing, Construction and Building Materials,
Vol. 162, pp. 613-627

Malaeb Z., Hachem H., Tourbah A., Maalouf T., El Zarwi N., Hamzeh F., 2015, 3D Concrete
Printing: Machine and Mix Design, International Journal of Civil Engineering, Vol.
6, No. 6, pp. 14-22

Min C.-S., 2013, Reinforced Concrete Design. Korea, Seoul: Goomibook, (In Korean),
pp. 3-10

Perrot A., Rangeard D., Pierre A., 2016, Structural Built-up of Cement-based Materials
Used for 3D-printing Extrusion Techniques, Materials and Structures, Vol. 49, No.
4, pp. 1213-1220

Petit J. Y., Wirquin E., Vanhove Y., Khayat K., 2007, Yield Stress and Viscosity Equations
for Mortars and Self- consolidating Concrete, Cement and Concrete Research, Vol. 37,
No. 5, pp. 655-670

Roussel N., 2018, Rheological Requirements for Printable Concretes, Cement and Concrete
Research, Vol. 112, pp. 76-85
